環－塊摩擦磨損試驗機設計研究

中國礦業大學機電工程學院 焦 健

一、引言

近年來，由于摩擦帶來的災難越來越多。機器運轉時各運動機構之間的摩擦造成能量的無益損耗和機器壽命的縮短，并降低了機械設備的工作效率；我國大型設備由于摩擦導致的事故也頻繁發生，不但給人民的生命財產帶來了巨大損失，更嚴重影響了社會的穩定和發展，如何準確地測量摩擦系數然后對設備的摩擦進行處理成為研究人員關注的焦點問題[1-3]，因此有效地評判摩擦體的摩擦特性是相當重要的，而摩擦系數是表征摩擦學特性的重要參量，它不僅可以評定一種摩擦材料的減磨性能，而且還可以根據它的變化趨勢測試材料的耐磨效果，另外試驗中摩擦系數的突變還可以在一定程度上反映材料表面層特性的突變以及失效的形式。所以，在動靜試樣相互摩擦運動時測量出試驗材料的摩擦系數是相當必要的[5]。

為了對摩擦磨損現象及其本質進行研究，正確地評價各種因素對摩擦磨損性能的影響，從而確定符合使用要求的摩擦副元件的最優參數[6]。因此就需要摩擦磨損試驗機來測量這些數據，由于摩擦磨損現象十分復雜，摩擦磨損條件不同，試驗方法和裝置[7-10]種類繁多，但是閉環控制系統自動執行的環塊摩擦磨損試驗機種類并不是很多。為此本文參照了機床的設計方式，設計了閉環自動控制環塊摩擦磨損試驗機，采用機床導軌和絲桿傳動提高了試驗機的試驗精度。

二、試驗機總體介紹

該環塊摩擦磨損試驗機主要由主動模塊和被動模塊兩大部分構成。如圖1所示，主動模塊主要包括摩擦環旋轉驅動電機、傳動軸、聯軸器、軸承座、軸承、螺栓、二維移動平臺等。被動模塊主要包括摩擦塊加載電機、絲杠、螺母、測力傳感器Ⅰ、測力傳感器Ⅱ、螺栓、聯軸器、夾緊裝置等。

在主動模塊上伺服電機軸的伸出端通過梅花形聯軸器與傳動軸連接，中間用軸承支承。軸承安裝在軸承座上，對傳動軸起固定和支承作用，傳動軸的端部安裝主動摩擦環；在被動模塊上，加載電機的輸出端通過聯軸器與絲杠相連，旋轉螺母旋在絲杠上，螺母上端與測力傳感器Ⅰ相連，測力傳感器Ⅰ通過支撐架與測力傳感器Ⅱ相連，測力傳感器Ⅱ上端安裝夾具體，測力傳感器Ⅰ水平放置測量摩擦力，測力傳感器Ⅱ豎直放置測量加載正壓力，摩擦塊夾在專用夾具上，保證了摩擦環與摩擦塊相互接觸摩擦。

圖1 環塊摩擦磨損試驗機總體結構

三、試驗機工作原理

當摩擦環與摩擦塊裝好后，在主動模塊上通過伺服電機控制器控制主動摩擦電機1旋轉，驅動主動軸旋轉，帶動安裝在傳動軸末端的摩擦環旋轉；通過伺服電機控制器控制被動摩擦塊加載電機旋轉，帶動絲杠旋轉，從而使大螺母向上移動，推動兩個測力傳感器向上移動，推動夾具帶著摩擦塊向上移動，使摩擦環與摩擦塊進行加載，從而實現摩擦環與摩擦塊的摩擦實驗。二維移動平臺利用絲杠和滾珠導軌制成，通過電機驅動二維移動平臺移動實現摩擦環前后移動，使摩擦環與摩擦塊能夠接觸并加載，實現直徑在一定范圍內的摩擦環與一定厚度的摩擦塊進行摩擦實驗，設計結構中有兩個測力傳感器，分別為測力傳感器Ⅰ和測力傳感器Ⅱ，傳感器的安裝如圖2所示。

本試驗機適用于直徑20mm～120mm之間的摩擦環與厚度為10～100mm摩擦塊試樣的相對摩擦磨損試驗。安裝在夾緊裝置下的測力傳感器Ⅰ可以測量摩擦環與摩擦塊之間的摩擦力，安裝在支撐架下的測力傳感器Ⅱ可以測量絲杠所施加的正壓力。本試驗機通過閉環控制系統對加載力與電機速度等變量值進行檢測與獲取，并進行自動反饋調節，而摩擦力與正壓力的比值的大小就是摩擦系數，即

圖2 側力傳感器的安裝

其中，μ為摩擦系數，F為測力傳感器18測量的摩擦力， N為測力傳感器20測量的正壓力。

根據摩擦磨損試驗的要求，要得到這些摩擦試樣的摩擦系數，就需要測出摩擦力F與所施加的正壓力N的數值。

四、試驗機優點

本試驗機參照了機床的設計方式，提高了移動導軌的移動精度和實驗的安裝精度，負荷模塊可以實現對摩擦系數的測量試驗,該環塊摩擦磨損試驗機的設計，減小了體積，機械傳動部件簡單，降低了潤滑劑的使用；采用閉環反饋響應系統，通過閉環控制系統控制步進電機對試樣的加載與反饋，而且通過步進電機控制器可以控制步進電機的轉速，采用單片機編程技術對摩擦力后的反饋信號進行實時采集，為實時讀取摩擦力提供了方便，操作簡單；移動平臺對摩擦環加載平穩性好，精密度高，誤差小；在摩擦磨損試驗中，環境是一個重要的因素，而這種試驗機能夠在環境-40以上的環境中正常運行，可以實現在低溫環境下物體之間的摩擦；該試驗機的試樣夾緊裝置采用結構簡單的專用夾具，給試樣的裝卸帶來了很大的方便。

五、實驗驗證

查表得鋼之間的理論摩擦系數為0.15。下面通過實驗驗證摩擦系數，過對直徑為80mm鋼摩擦環與厚度為40mm鋼摩擦塊進行10次不同的加載實驗，得出來以下數據，如表1所示。

表1 環-塊摩擦實驗數據

由表1中的數據根據公式（1）計算得鋼摩擦環的摩擦系數非常接近0.15，測得的實驗數據與真實值非常吻合，而且數據的精度很高，測力傳感器精確到2位有效數字。通過閉環控制系統實現了自動反饋控制和連續加載，測力傳感器可以通過對摩擦力和正壓力的實時測量再經過反饋控制系統對實驗進行反饋控制，實現了對實驗的自動化控制。

六、結論

實驗證明，在對本試驗機進行了多次加載和測量后都取得了明顯的效果，實驗數據也非常準確，而且可以通過閉環控制系統控制步進電機的轉速和加載程度，精度也很高。該試驗機能在苛刻環境下進行環塊摩擦磨損試驗并取得良好效果，降低了實驗所需的時間，解決了環塊摩擦磨損試驗機在一定低溫環境下不能夠正常工作的問題。而且采用閉環控制系統對試驗機進行加載，能夠實現對變量的實時測量和控制，免去了實驗對人工的需求，為摩擦實驗人員節省了很多時間。

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