摘 要 根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律，結(jié)合光電傳感器和單片機(jī)的測(cè)量技術(shù)，設(shè)計(jì)了滿足通常物理實(shí)驗(yàn)條件下的輕載低速滾動(dòng)軸承摩擦力矩測(cè)試儀。該測(cè)試儀不僅可用于研究滾動(dòng)軸承摩擦力矩的規(guī)律，還可用于其他受轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確測(cè)量。

關(guān)鍵詞 滾動(dòng)軸承；摩擦力矩；測(cè)試儀

中圖分類號(hào)：THl33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）19-0007-02

滾動(dòng)摩擦力矩與軸承受力、轉(zhuǎn)速、潤滑等多種因素有

關(guān)[1][2]，在多數(shù)涉及滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的物理實(shí)驗(yàn)中要實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，必須測(cè)定不同工作條件下軸承的摩擦力矩，減小將摩擦力矩視為恒定而產(chǎn)生的測(cè)量誤差。輕載低速滾動(dòng)軸承摩擦力矩測(cè)試儀的設(shè)計(jì)是針對(duì)通常實(shí)驗(yàn)室條件下軸承載重輕、轉(zhuǎn)速低的情況而設(shè)計(jì)的。

1 測(cè)試儀的測(cè)量原理

根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的規(guī)律，通過測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的角加速度及對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)角速度，結(jié)合已定的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定不同載荷和轉(zhuǎn)速等條件下的摩擦力矩。

1.1 滾動(dòng)摩擦力矩的計(jì)算

剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律可表達(dá)為[3] ：

2 測(cè)試儀的構(gòu)造

測(cè)試儀由轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)通過信號(hào)處理電路傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量前可將轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)可輸入到單片機(jī)中。

2.1 測(cè)試儀的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)參照[4]改進(jìn)而成，包括滾動(dòng)軸承、與軸承固連的承物臺(tái)、承物臺(tái)上的轉(zhuǎn)動(dòng)剛體、兩個(gè)光電門、U型擋光片、繞線塔輪、定滑輪、砝碼和底座等。承物臺(tái)上放置轉(zhuǎn)動(dòng)慣量已知的不同轉(zhuǎn)動(dòng)剛體以研究軸承的軸向力對(duì)滾動(dòng)摩擦力矩的影響；換用質(zhì)量不同的砝碼通過細(xì)線拉著塔輪轉(zhuǎn)動(dòng)以改變軸承的最大轉(zhuǎn)速，用來研究轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦力矩的影響。繞線塔輪上有一狹縫，繞線的一端先打一繩結(jié)塞入狹縫中，將線單層密繞在塔輪上，另一端通過定滑輪掛一砝碼，當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)到繞在塔輪上的線全部脫離塔輪時(shí)，線即從塔輪的狹縫中脫出，這時(shí)系統(tǒng)只受摩擦力矩的作用直到轉(zhuǎn)動(dòng)停止。

2.2 測(cè)試儀的測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)是由信號(hào)處理電路、單片機(jī)、操作面板和顯示屏等組成的測(cè)試箱。信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、放大和輸出給單片機(jī)。單片機(jī)是處理系統(tǒng)的主體，根據(jù)輸入的電信號(hào)通過程序控制實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間、角速度、角加速度的計(jì)算；通過存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和根據(jù)不同工作模式進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選、輸出等。操作面板是選擇和控制單片機(jī)輸出的人機(jī)交互界面，設(shè)有：T、β、F三種工作模式。T模式是時(shí)間模式，通過上、下檔位鍵提取擋光片通過光電門的時(shí)刻；β模式是通過上、下檔位鍵提取擋光片通過光電門擋光次數(shù)、擋光時(shí)的瞬時(shí)角速度和瞬時(shí)角加速度，實(shí)現(xiàn)摩擦力矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系的研究。F模式為篩選模式，通過該模式拓展了測(cè)試儀的用途，可用于精確測(cè)定剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。使用該模式時(shí)，單片機(jī)可篩選出繩結(jié)從塔輪狹縫中脫落前后，轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)在加速和減速的兩個(gè)過程中角速度相同或相近（如設(shè)定前后兩個(gè)過程角速度之差小于0.5rads-1）條件下的角速度和對(duì)應(yīng)的角加速度，通過上、下檔位鍵輸出所有數(shù)據(jù)組。顯示屏采用LCD，按不同的工作模式輸出行數(shù)和列數(shù)。

3 測(cè)試儀的指標(biāo)設(shè)定和功能

3.1 測(cè)試儀的指標(biāo)設(shè)定

由于光電感光器和選擇高靈敏度的單片機(jī)[5]，輸入光脈沖的時(shí)間間隔可低于0.1ms，結(jié)合單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸入、計(jì)算、篩選、存儲(chǔ)和輸出各方面的強(qiáng)大功能，測(cè)試儀具有較高的測(cè)量精度，測(cè)量參數(shù)和指標(biāo)設(shè)定如下。

1）輸入光脈沖的時(shí)間間隔0.1 ms。

2）計(jì)時(shí)范圍0-150 s。

3）計(jì)時(shí)精度0.00005 s。

4）計(jì)時(shí)個(gè)數(shù)≤200個(gè)。

5）計(jì)算值精確到0.00001。

6）載荷≤10 kg。

7）砝碼≤500 g。

8）轉(zhuǎn)速≤1rs-1。

3.2 測(cè)試儀的功能

測(cè)試儀可用于研究滾動(dòng)軸承摩擦力矩與軸向力、轉(zhuǎn)速的關(guān)系，還可用于精確測(cè)定剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定等。

用于研究滾動(dòng)軸承摩擦力矩與軸向力的關(guān)系時(shí)，通過在承物臺(tái)加載不同質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)剛體、提取β模式下減速過程中各角速度和其對(duì)應(yīng)的角加速度，選擇不同載物情況下具有相同轉(zhuǎn)速時(shí)的角加速度值，通過（2）式結(jié)合已知的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算相同轉(zhuǎn)速不同軸向力滾動(dòng)軸承的摩擦力矩。

用于研究滾動(dòng)軸承摩擦力矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系時(shí)，保持載物一定，通過提取β模式下減速過程中各角速度和其對(duì)應(yīng)的角加速度的值，通過（2）式結(jié)合已知的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算相同軸向力時(shí)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的滾動(dòng)軸承的摩擦力矩。

使用測(cè)試儀的F模式可用于精確測(cè)定剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，在充分減小定滑輪摩擦和保持砝碼運(yùn)動(dòng)的加速度a<

（6）

式中，m為砝碼質(zhì)量，r為塔輪半徑，β、β'分別為繩結(jié)從塔輪狹縫中脫落前后在同一轉(zhuǎn)速時(shí)的加速和減速兩個(gè)過程角加速度大小。選擇F模式，提取在加速和減速兩個(gè)過程中轉(zhuǎn)速相同或相近時(shí)對(duì)應(yīng)的角加速度，利用（6）式計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

此外，測(cè)試儀還能較精確地進(jìn)行剛體轉(zhuǎn)動(dòng)定律和剛體平行軸定理等的一系列實(shí)驗(yàn)研究。

4 結(jié)束語

利用光電傳感器的高靈敏度接收、轉(zhuǎn)換和單片機(jī)在計(jì)算、篩選等方面的強(qiáng)大功能，以剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行滾動(dòng)軸承的摩擦力矩測(cè)量，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦力矩與軸向力、轉(zhuǎn)速關(guān)系的研究。測(cè)試儀還可用于其他受轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確測(cè)量。

參考文獻(xiàn)

[1]張葵，李建華.球軸承摩擦力矩的分析計(jì)算[J].軸承，2001（01）.

[2]張永，夏新濤，王中宇，李建華.滾動(dòng)軸承摩擦力矩的預(yù)測(cè)方法研究[J].軸承，2006（10）.

[3]張艷亮.剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定實(shí)驗(yàn)中阻力矩與角速度關(guān)系的研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012（05）.

[4]滕道祥.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：中國電力出版社2009.

[5]謝瑞和主編.串行技術(shù)大全[M].清華大學(xué)出版社，2003.

作者簡(jiǎn)介

張秀民（1963-），男，漢族，江蘇邳州人，副教授，大學(xué)，主要從事自動(dòng)測(cè)量、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究。

摘 要 根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律，結(jié)合光電傳感器和單片機(jī)的測(cè)量技術(shù)，設(shè)計(jì)了滿足通常物理實(shí)驗(yàn)條件下的輕載低速滾動(dòng)軸承摩擦力矩測(cè)試儀。該測(cè)試儀不僅可用于研究滾動(dòng)軸承摩擦力矩的規(guī)律，還可用于其他受轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確測(cè)量。

關(guān)鍵詞 滾動(dòng)軸承；摩擦力矩；測(cè)試儀

中圖分類號(hào)：THl33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）19-0007-02

滾動(dòng)摩擦力矩與軸承受力、轉(zhuǎn)速、潤滑等多種因素有

關(guān)[1][2]，在多數(shù)涉及滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的物理實(shí)驗(yàn)中要實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，必須測(cè)定不同工作條件下軸承的摩擦力矩，減小將摩擦力矩視為恒定而產(chǎn)生的測(cè)量誤差。輕載低速滾動(dòng)軸承摩擦力矩測(cè)試儀的設(shè)計(jì)是針對(duì)通常實(shí)驗(yàn)室條件下軸承載重輕、轉(zhuǎn)速低的情況而設(shè)計(jì)的。

1 測(cè)試儀的測(cè)量原理

根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的規(guī)律，通過測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的角加速度及對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)角速度，結(jié)合已定的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定不同載荷和轉(zhuǎn)速等條件下的摩擦力矩。

1.1 滾動(dòng)摩擦力矩的計(jì)算

剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律可表達(dá)為[3] ：

2 測(cè)試儀的構(gòu)造

測(cè)試儀由轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)通過信號(hào)處理電路傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量前可將轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)可輸入到單片機(jī)中。

2.1 測(cè)試儀的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)參照[4]改進(jìn)而成，包括滾動(dòng)軸承、與軸承固連的承物臺(tái)、承物臺(tái)上的轉(zhuǎn)動(dòng)剛體、兩個(gè)光電門、U型擋光片、繞線塔輪、定滑輪、砝碼和底座等。承物臺(tái)上放置轉(zhuǎn)動(dòng)慣量已知的不同轉(zhuǎn)動(dòng)剛體以研究軸承的軸向力對(duì)滾動(dòng)摩擦力矩的影響；換用質(zhì)量不同的砝碼通過細(xì)線拉著塔輪轉(zhuǎn)動(dòng)以改變軸承的最大轉(zhuǎn)速，用來研究轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦力矩的影響。繞線塔輪上有一狹縫，繞線的一端先打一繩結(jié)塞入狹縫中，將線單層密繞在塔輪上，另一端通過定滑輪掛一砝碼，當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)到繞在塔輪上的線全部脫離塔輪時(shí)，線即從塔輪的狹縫中脫出，這時(shí)系統(tǒng)只受摩擦力矩的作用直到轉(zhuǎn)動(dòng)停止。

2.2 測(cè)試儀的測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)是由信號(hào)處理電路、單片機(jī)、操作面板和顯示屏等組成的測(cè)試箱。信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、放大和輸出給單片機(jī)。單片機(jī)是處理系統(tǒng)的主體，根據(jù)輸入的電信號(hào)通過程序控制實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間、角速度、角加速度的計(jì)算；通過存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和根據(jù)不同工作模式進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選、輸出等。操作面板是選擇和控制單片機(jī)輸出的人機(jī)交互界面，設(shè)有：T、β、F三種工作模式。T模式是時(shí)間模式，通過上、下檔位鍵提取擋光片通過光電門的時(shí)刻；β模式是通過上、下檔位鍵提取擋光片通過光電門擋光次數(shù)、擋光時(shí)的瞬時(shí)角速度和瞬時(shí)角加速度，實(shí)現(xiàn)摩擦力矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系的研究。F模式為篩選模式，通過該模式拓展了測(cè)試儀的用途，可用于精確測(cè)定剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。使用該模式時(shí)，單片機(jī)可篩選出繩結(jié)從塔輪狹縫中脫落前后，轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)在加速和減速的兩個(gè)過程中角速度相同或相近（如設(shè)定前后兩個(gè)過程角速度之差小于0.5rads-1）條件下的角速度和對(duì)應(yīng)的角加速度，通過上、下檔位鍵輸出所有數(shù)據(jù)組。顯示屏采用LCD，按不同的工作模式輸出行數(shù)和列數(shù)。

3 測(cè)試儀的指標(biāo)設(shè)定和功能

3.1 測(cè)試儀的指標(biāo)設(shè)定

由于光電感光器和選擇高靈敏度的單片機(jī)[5]，輸入光脈沖的時(shí)間間隔可低于0.1ms，結(jié)合單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸入、計(jì)算、篩選、存儲(chǔ)和輸出各方面的強(qiáng)大功能，測(cè)試儀具有較高的測(cè)量精度，測(cè)量參數(shù)和指標(biāo)設(shè)定如下。

1）輸入光脈沖的時(shí)間間隔0.1 ms。

2）計(jì)時(shí)范圍0-150 s。

3）計(jì)時(shí)精度0.00005 s。

4）計(jì)時(shí)個(gè)數(shù)≤200個(gè)。

5）計(jì)算值精確到0.00001。

6）載荷≤10 kg。

7）砝碼≤500 g。

8）轉(zhuǎn)速≤1rs-1。

3.2 測(cè)試儀的功能

測(cè)試儀可用于研究滾動(dòng)軸承摩擦力矩與軸向力、轉(zhuǎn)速的關(guān)系，還可用于精確測(cè)定剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定等。

用于研究滾動(dòng)軸承摩擦力矩與軸向力的關(guān)系時(shí)，通過在承物臺(tái)加載不同質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)剛體、提取β模式下減速過程中各角速度和其對(duì)應(yīng)的角加速度，選擇不同載物情況下具有相同轉(zhuǎn)速時(shí)的角加速度值，通過（2）式結(jié)合已知的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算相同轉(zhuǎn)速不同軸向力滾動(dòng)軸承的摩擦力矩。

用于研究滾動(dòng)軸承摩擦力矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系時(shí)，保持載物一定，通過提取β模式下減速過程中各角速度和其對(duì)應(yīng)的角加速度的值，通過（2）式結(jié)合已知的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算相同軸向力時(shí)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的滾動(dòng)軸承的摩擦力矩。

使用測(cè)試儀的F模式可用于精確測(cè)定剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，在充分減小定滑輪摩擦和保持砝碼運(yùn)動(dòng)的加速度a<

（6）

式中，m為砝碼質(zhì)量，r為塔輪半徑，β、β'分別為繩結(jié)從塔輪狹縫中脫落前后在同一轉(zhuǎn)速時(shí)的加速和減速兩個(gè)過程角加速度大小。選擇F模式，提取在加速和減速兩個(gè)過程中轉(zhuǎn)速相同或相近時(shí)對(duì)應(yīng)的角加速度，利用（6）式計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

此外，測(cè)試儀還能較精確地進(jìn)行剛體轉(zhuǎn)動(dòng)定律和剛體平行軸定理等的一系列實(shí)驗(yàn)研究。

4 結(jié)束語

利用光電傳感器的高靈敏度接收、轉(zhuǎn)換和單片機(jī)在計(jì)算、篩選等方面的強(qiáng)大功能，以剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行滾動(dòng)軸承的摩擦力矩測(cè)量，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦力矩與軸向力、轉(zhuǎn)速關(guān)系的研究。測(cè)試儀還可用于其他受轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確測(cè)量。

參考文獻(xiàn)

[1]張葵，李建華.球軸承摩擦力矩的分析計(jì)算[J].軸承，2001（01）.

[2]張永，夏新濤，王中宇，李建華.滾動(dòng)軸承摩擦力矩的預(yù)測(cè)方法研究[J].軸承，2006（10）.

[3]張艷亮.剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定實(shí)驗(yàn)中阻力矩與角速度關(guān)系的研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012（05）.

[4]滕道祥.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：中國電力出版社2009.

[5]謝瑞和主編.串行技術(shù)大全[M].清華大學(xué)出版社，2003.

作者簡(jiǎn)介

張秀民（1963-），男，漢族，江蘇邳州人，副教授，大學(xué)，主要從事自動(dòng)測(cè)量、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究。

摘 要 根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)定律，結(jié)合光電傳感器和單片機(jī)的測(cè)量技術(shù)，設(shè)計(jì)了滿足通常物理實(shí)驗(yàn)條件下的輕載低速滾動(dòng)軸承摩擦力矩測(cè)試儀。該測(cè)試儀不僅可用于研究滾動(dòng)軸承摩擦力矩的規(guī)律，還可用于其他受轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確測(cè)量。

關(guān)鍵詞 滾動(dòng)軸承；摩擦力矩；測(cè)試儀

中圖分類號(hào)：THl33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7597（2014）19-0007-02

滾動(dòng)摩擦力矩與軸承受力、轉(zhuǎn)速、潤滑等多種因素有

關(guān)[1][2]，在多數(shù)涉及滾動(dòng)軸承轉(zhuǎn)動(dòng)的物理實(shí)驗(yàn)中要實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，必須測(cè)定不同工作條件下軸承的摩擦力矩，減小將摩擦力矩視為恒定而產(chǎn)生的測(cè)量誤差。輕載低速滾動(dòng)軸承摩擦力矩測(cè)試儀的設(shè)計(jì)是針對(duì)通常實(shí)驗(yàn)室條件下軸承載重輕、轉(zhuǎn)速低的情況而設(shè)計(jì)的。

1 測(cè)試儀的測(cè)量原理

根據(jù)剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)的規(guī)律，通過測(cè)定轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的角加速度及對(duì)應(yīng)的瞬時(shí)角速度，結(jié)合已定的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定不同載荷和轉(zhuǎn)速等條件下的摩擦力矩。

1.1 滾動(dòng)摩擦力矩的計(jì)算

剛體的定軸轉(zhuǎn)動(dòng)規(guī)律可表達(dá)為[3] ：

2 測(cè)試儀的構(gòu)造

測(cè)試儀由轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)組成。轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換信號(hào)通過信號(hào)處理電路傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)的測(cè)量系統(tǒng)，測(cè)量前可將轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的參數(shù)可輸入到單片機(jī)中。

2.1 測(cè)試儀的轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)

轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)參照[4]改進(jìn)而成，包括滾動(dòng)軸承、與軸承固連的承物臺(tái)、承物臺(tái)上的轉(zhuǎn)動(dòng)剛體、兩個(gè)光電門、U型擋光片、繞線塔輪、定滑輪、砝碼和底座等。承物臺(tái)上放置轉(zhuǎn)動(dòng)慣量已知的不同轉(zhuǎn)動(dòng)剛體以研究軸承的軸向力對(duì)滾動(dòng)摩擦力矩的影響；換用質(zhì)量不同的砝碼通過細(xì)線拉著塔輪轉(zhuǎn)動(dòng)以改變軸承的最大轉(zhuǎn)速，用來研究轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦力矩的影響。繞線塔輪上有一狹縫，繞線的一端先打一繩結(jié)塞入狹縫中，將線單層密繞在塔輪上，另一端通過定滑輪掛一砝碼，當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)到繞在塔輪上的線全部脫離塔輪時(shí)，線即從塔輪的狹縫中脫出，這時(shí)系統(tǒng)只受摩擦力矩的作用直到轉(zhuǎn)動(dòng)停止。

2.2 測(cè)試儀的測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量系統(tǒng)是由信號(hào)處理電路、單片機(jī)、操作面板和顯示屏等組成的測(cè)試箱。信號(hào)處理電路實(shí)現(xiàn)光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、放大和輸出給單片機(jī)。單片機(jī)是處理系統(tǒng)的主體，根據(jù)輸入的電信號(hào)通過程序控制實(shí)現(xiàn)脈沖計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)間、角速度、角加速度的計(jì)算；通過存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和根據(jù)不同工作模式進(jìn)行數(shù)據(jù)篩選、輸出等。操作面板是選擇和控制單片機(jī)輸出的人機(jī)交互界面，設(shè)有：T、β、F三種工作模式。T模式是時(shí)間模式，通過上、下檔位鍵提取擋光片通過光電門的時(shí)刻；β模式是通過上、下檔位鍵提取擋光片通過光電門擋光次數(shù)、擋光時(shí)的瞬時(shí)角速度和瞬時(shí)角加速度，實(shí)現(xiàn)摩擦力矩與轉(zhuǎn)速關(guān)系的研究。F模式為篩選模式，通過該模式拓展了測(cè)試儀的用途，可用于精確測(cè)定剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等。使用該模式時(shí)，單片機(jī)可篩選出繩結(jié)從塔輪狹縫中脫落前后，轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)在加速和減速的兩個(gè)過程中角速度相同或相近（如設(shè)定前后兩個(gè)過程角速度之差小于0.5rads-1）條件下的角速度和對(duì)應(yīng)的角加速度，通過上、下檔位鍵輸出所有數(shù)據(jù)組。顯示屏采用LCD，按不同的工作模式輸出行數(shù)和列數(shù)。

3 測(cè)試儀的指標(biāo)設(shè)定和功能

3.1 測(cè)試儀的指標(biāo)設(shè)定

由于光電感光器和選擇高靈敏度的單片機(jī)[5]，輸入光脈沖的時(shí)間間隔可低于0.1ms，結(jié)合單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸入、計(jì)算、篩選、存儲(chǔ)和輸出各方面的強(qiáng)大功能，測(cè)試儀具有較高的測(cè)量精度，測(cè)量參數(shù)和指標(biāo)設(shè)定如下。

1）輸入光脈沖的時(shí)間間隔0.1 ms。

2）計(jì)時(shí)范圍0-150 s。

3）計(jì)時(shí)精度0.00005 s。

4）計(jì)時(shí)個(gè)數(shù)≤200個(gè)。

5）計(jì)算值精確到0.00001。

6）載荷≤10 kg。

7）砝碼≤500 g。

8）轉(zhuǎn)速≤1rs-1。

3.2 測(cè)試儀的功能

測(cè)試儀可用于研究滾動(dòng)軸承摩擦力矩與軸向力、轉(zhuǎn)速的關(guān)系，還可用于精確測(cè)定剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定等。

用于研究滾動(dòng)軸承摩擦力矩與軸向力的關(guān)系時(shí)，通過在承物臺(tái)加載不同質(zhì)量的轉(zhuǎn)動(dòng)剛體、提取β模式下減速過程中各角速度和其對(duì)應(yīng)的角加速度，選擇不同載物情況下具有相同轉(zhuǎn)速時(shí)的角加速度值，通過（2）式結(jié)合已知的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算相同轉(zhuǎn)速不同軸向力滾動(dòng)軸承的摩擦力矩。

用于研究滾動(dòng)軸承摩擦力矩與轉(zhuǎn)速的關(guān)系時(shí)，保持載物一定，通過提取β模式下減速過程中各角速度和其對(duì)應(yīng)的角加速度的值，通過（2）式結(jié)合已知的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，計(jì)算相同軸向力時(shí)不同轉(zhuǎn)速時(shí)的滾動(dòng)軸承的摩擦力矩。

使用測(cè)試儀的F模式可用于精確測(cè)定剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，在充分減小定滑輪摩擦和保持砝碼運(yùn)動(dòng)的加速度a<

（6）

式中，m為砝碼質(zhì)量，r為塔輪半徑，β、β'分別為繩結(jié)從塔輪狹縫中脫落前后在同一轉(zhuǎn)速時(shí)的加速和減速兩個(gè)過程角加速度大小。選擇F模式，提取在加速和減速兩個(gè)過程中轉(zhuǎn)速相同或相近時(shí)對(duì)應(yīng)的角加速度，利用（6）式計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。

此外，測(cè)試儀還能較精確地進(jìn)行剛體轉(zhuǎn)動(dòng)定律和剛體平行軸定理等的一系列實(shí)驗(yàn)研究。

4 結(jié)束語

利用光電傳感器的高靈敏度接收、轉(zhuǎn)換和單片機(jī)在計(jì)算、篩選等方面的強(qiáng)大功能，以剛體定軸轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力學(xué)規(guī)律進(jìn)行滾動(dòng)軸承的摩擦力矩測(cè)量，實(shí)現(xiàn)滾動(dòng)摩擦力矩與軸向力、轉(zhuǎn)速關(guān)系的研究。測(cè)試儀還可用于其他受轉(zhuǎn)動(dòng)摩擦力矩影響的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精確測(cè)量。

參考文獻(xiàn)

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[2]張永，夏新濤，王中宇，李建華.滾動(dòng)軸承摩擦力矩的預(yù)測(cè)方法研究[J].軸承，2006（10）.

[3]張艷亮.剛體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定實(shí)驗(yàn)中阻力矩與角速度關(guān)系的研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012（05）.

[4]滕道祥.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程[M].北京：中國電力出版社2009.

[5]謝瑞和主編.串行技術(shù)大全[M].清華大學(xué)出版社，2003.

作者簡(jiǎn)介

張秀民（1963-），男，漢族，江蘇邳州人，副教授，大學(xué)，主要從事自動(dòng)測(cè)量、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和研究。