中國礦業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 焦 健

一、引言

近年來，由于摩擦帶來的災(zāi)難越來越多。機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時各運(yùn)動機(jī)構(gòu)之間的摩擦造成能量的無益損耗和機(jī)器壽命的縮短，并降低了機(jī)械設(shè)備的工作效率；我國大型設(shè)備由于摩擦導(dǎo)致的事故也頻繁發(fā)生，不但給人民的生命財產(chǎn)帶來了巨大損失，更嚴(yán)重影響了社會的穩(wěn)定和發(fā)展，如何準(zhǔn)確地測量摩擦系數(shù)然后對設(shè)備的摩擦進(jìn)行處理成為研究人員關(guān)注的焦點(diǎn)問題[1-3]，因此有效地評判摩擦體的摩擦特性是相當(dāng)重要的，而摩擦系數(shù)是表征摩擦學(xué)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(jù)它的變化趨勢測試材料的耐磨效果，另外試驗中摩擦系數(shù)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(yùn)動時測量出試驗材料的摩擦系數(shù)是相當(dāng)必要的[5]。

為了對摩擦磨損現(xiàn)象及其本質(zhì)進(jìn)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(yōu)參數(shù)[6]。因此就需要摩擦磨損試驗機(jī)來測量這些數(shù)據(jù)，由于摩擦磨損現(xiàn)象十分復(fù)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(huán)控制系統(tǒng)自動執(zhí)行的環(huán)塊摩擦磨損試驗機(jī)種類并不是很多。為此本文參照了機(jī)床的設(shè)計方式，設(shè)計了閉環(huán)自動控制環(huán)塊摩擦磨損試驗機(jī)，采用機(jī)床導(dǎo)軌和絲桿傳動提高了試驗機(jī)的試驗精度。

二、試驗機(jī)總體介紹

該環(huán)塊摩擦磨損試驗機(jī)主要由主動模塊和被動模塊兩大部分構(gòu)成。如圖1所示，主動模塊主要包括摩擦環(huán)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電機(jī)、傳動軸、聯(lián)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(jī)、絲杠、螺母、測力傳感器Ⅰ、測力傳感器Ⅱ、螺栓、聯(lián)軸器、夾緊裝置等。

在主動模塊上伺服電機(jī)軸的伸出端通過梅花形聯(lián)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(huán)；在被動模塊上，加載電機(jī)的輸出端通過聯(lián)軸器與絲杠相連，旋轉(zhuǎn)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(huán)與摩擦塊相互接觸摩擦。

圖1 環(huán)塊摩擦磨損試驗機(jī)總體結(jié)構(gòu)

三、試驗機(jī)工作原理

當(dāng)摩擦環(huán)與摩擦塊裝好后，在主動模塊上通過伺服電機(jī)控制器控制主動摩擦電機(jī)1旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動主動軸旋轉(zhuǎn)，帶動安裝在傳動軸末端的摩擦環(huán)旋轉(zhuǎn)；通過伺服電機(jī)控制器控制被動摩擦塊加載電機(jī)旋轉(zhuǎn)，帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，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(huán)與摩擦塊進(jìn)行加載，從而實現(xiàn)摩擦環(huán)與摩擦塊的摩擦實驗。二維移動平臺利用絲杠和滾珠導(dǎo)軌制成，通過電機(jī)驅(qū)動二維移動平臺移動實現(xiàn)摩擦環(huán)前后移動，使摩擦環(huán)與摩擦塊能夠接觸并加載，實現(xiàn)直徑在一定范圍內(nèi)的摩擦環(huán)與一定厚度的摩擦塊進(jìn)行摩擦實驗，設(shè)計結(jié)構(gòu)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(jī)適用于直徑20mm～120mm之間的摩擦環(huán)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(huán)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(jī)通過閉環(huán)控制系統(tǒng)對加載力與電機(jī)速度等變量值進(jìn)行檢測與獲取，并進(jìn)行自動反饋調(diào)節(jié)，而摩擦力與正壓力的比值的大小就是摩擦系數(shù)，即

圖2 側(cè)力傳感器的安裝

其中，μ為摩擦系數(shù)，F(xiàn)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(jù)摩擦磨損試驗的要求，要得到這些摩擦試樣的摩擦系數(shù)，就需要測出摩擦力F與所施加的正壓力N的數(shù)值。

四、試驗機(jī)優(yōu)點(diǎn)

本試驗機(jī)參照了機(jī)床的設(shè)計方式，提高了移動導(dǎo)軌的移動精度和實驗的安裝精度，負(fù)荷模塊可以實現(xiàn)對摩擦系數(shù)的測量試驗,該環(huán)塊摩擦磨損試驗機(jī)的設(shè)計，減小了體積，機(jī)械傳動部件簡單，降低了潤滑劑的使用；采用閉環(huán)反饋響應(yīng)系統(tǒng)，通過閉環(huán)控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)對試樣的加載與反饋，而且通過步進(jìn)電機(jī)控制器可以控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，采用單片機(jī)編程技術(shù)對摩擦力后的反饋信號進(jìn)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(huán)加載平穩(wěn)性好，精密度高，誤差??；在摩擦磨損試驗中，環(huán)境是一個重要的因素，而這種試驗機(jī)能夠在環(huán)境-40以上的環(huán)境中正常運(yùn)行，可以實現(xiàn)在低溫環(huán)境下物體之間的摩擦；該試驗機(jī)的試樣夾緊裝置采用結(jié)構(gòu)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(shù)為0.15。下面通過實驗驗證摩擦系數(shù)，過對直徑為80mm鋼摩擦環(huán)與厚度為40mm鋼摩擦塊進(jìn)行10次不同的加載實驗，得出來以下數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 環(huán)-塊摩擦實驗數(shù)據(jù)

由表1中的數(shù)據(jù)根據(jù)公式（1）計算得鋼摩擦環(huán)的摩擦系數(shù)非常接近0.15，測得的實驗數(shù)據(jù)與真實值非常吻合，而且數(shù)據(jù)的精度很高，測力傳感器精確到2位有效數(shù)字。通過閉環(huán)控制系統(tǒng)實現(xiàn)了自動反饋控制和連續(xù)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(jīng)過反饋控制系統(tǒng)對實驗進(jìn)行反饋控制，實現(xiàn)了對實驗的自動化控制。

六、結(jié)論

實驗證明，在對本試驗機(jī)進(jìn)行了多次加載和測量后都取得了明顯的效果，實驗數(shù)據(jù)也非常準(zhǔn)確，而且可以通過閉環(huán)控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加載程度，精度也很高。該試驗機(jī)能在苛刻環(huán)境下進(jìn)行環(huán)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(huán)塊摩擦磨損試驗機(jī)在一定低溫環(huán)境下不能夠正常工作的問題。而且采用閉環(huán)控制系統(tǒng)對試驗機(jī)進(jìn)行加載，能夠?qū)崿F(xiàn)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(jié)省了很多時間。

[1]ASCHAN Carita,HIRVONEN Mikko,RAJAMAKI Erkki,et al.Slip resistance of oil resistant and non-oil resistant footwear outsoles in winter conditions [J].Safety Science,2005,43(7):373-389.

[2]盧熙群,郭宜斌,何濤.活塞環(huán)潤滑及摩擦損失仿真分析 [J].船海工程.2009,38(5):473-75.Lu Xiqun,Guo Yibin,He Tao.A Numerical Analysis for The Lubrication and Friction Loss of Piston Ring[J].Ship&Ocean Engineering.2009,38(5):473-75.

[3]COURTNEY T K,SOROCK G S,MANNING D P,et al.Occupational slip,trip,and fall-related injuries:can the contribution of slipperiness be isolated?[J].Ergonomics,2001,44(13):1118-1137.

[4]楊慶民.高速發(fā)動機(jī)連桿軸瓦的變形分析 [J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報,2002,18(3):16-25.Yang Qingmin.The Deformation Analysis of Axle Bush in High-Speed Engine[J].Journal of Beijing Institute of Civil Engineering and Architecture,2002,18(3):16-25.

[5]韓志仁,陶華.基于有限元分析的摩擦系數(shù)測定[J].鍛壓技術(shù).2008,33(1):136-138.Han Zhiren,Taohua.Determination of friction coefficient based on finite element analysis[J].Forging&Stamping Technology.2008,33(1):136-138.

[6]Protopopov B V.Some features of tribosystem standardization.wear of material,AMSE,1991,659～660

[7]俞建衛(wèi),程鵬,焦明華等.多功能集成摩擦磨損試驗機(jī)智能測控系統(tǒng) [J].潤滑與密封,2008,33(2):97-99.Yu Jianwei,Cheng Peng,Jiao Ming,et al.Intelligent Measurement and Control System of Multifunctional Compositive Tribometer [J].Lubrication Engineering,2008,33(2):97-99.

[8]杜桂長林,沈健.摩擦磨損試驗機(jī)設(shè)計的基礎(chǔ) [J].摩擦學(xué)學(xué)報.1990,10(2):120-136.Gui Changlin,Shen Jian.The Base of Friction-Wear Tester Design[J].Tribology,1990.10(2):120-136.

[9]李建芳,楊士強(qiáng),沈瓂.往復(fù)摩擦磨損試驗機(jī)測試系統(tǒng)的設(shè)計 [J].潤滑與密封,2008,33(10):85-87.Li Jianfang,Yang Shiqiang,Shen Jing. Design of Testing System for Reciprocating Tribometer [J].Lubrication Engineering,2008,33(10):85-87.

[10]李振芳,桑可正,惠紀(jì)莊.摩擦磨損試驗機(jī)的改裝與研制 [J].西安公路交通大學(xué)學(xué)報,1998,18(2):96-98.Li Zhenfang,Sang Kezheng,Hui Jizhuang. The Reequip of the Tester of Friction and Wear[J].JOURNAL OF XI AN HIGHWAY UNIVERSITY,1998,18(2):96-98.