一种侧面冲击摩擦测试装置及测试方法

摘要

本发明公开了一种侧面冲击摩擦测试装置及测试方法，所述的侧面冲击摩擦因数测试装置包括气压泵、气动冲击装置、圆弧轨道、入射杆、卡具、支座、小轮、加速度传感器、速度传感器、第一应变计、第二应变计、第一试样、第二试样、透射杆、皮带轮、减震器、皮带、变频电机、信号采集装置以及计算机。气动冲击装置、支座底部装有小轮可以在圆弧形轨道移动，以调整试样冲击的入射角。本发明可以实现材料之间侧面冲击摩擦测量；本发明中所使用的试样的形状可以更换，能够实现不同类型的材料之间侧面冲击摩擦特性的测定。

说明书

技术领域

本发明涉及一种侧面冲击摩擦测试装置及测试方法，具体涉及一种可直接测量材料侧面冲击过程中冲击力、冲击扭矩、冲击速度、冲击加速度和摩擦因数的装置及方法。

背景技术

冲击摩擦是两个个固体表面动态撞击所造成的表面摩擦。在各类机械中，许多零部件都承受着不同程度的冲击摩擦，如煤矿领域球磨机工作过程中，钢球和滚筒、物料之间都存在着动态的侧面冲击摩擦。针对材料侧面撞击过程中冲击摩擦特性的测试装置尚未发现，给侧面冲击摩擦测试带来很大的不便。

因此，开发一种方便操作、能够直接测定材料表面侧面撞击过程中冲击摩擦特性的装置，为更好的评价材料侧面冲击摩擦特性提供实验方法。

发明内容

本发明针对现有技术的不足提出一种可直接测量材料侧面冲击摩擦特性的装置及方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：

一种侧面冲击摩擦测试装置，所述的侧面冲击摩擦因数测试装置包括气压泵(01)、气动冲击装置(02)、圆弧轨道(03)、入射杆(04)、卡具(05)、支座(06)、小轮(07)、加速度传感器(08)、速度传感器(09)、第一应变计(10)、第二应变计(11)、第一试样(12)、第二试样(13)、透射杆(14)、皮带轮(15)、减震器(16)、皮带(17)、变频电机(18)、信号采集装置(19)以及计算机(20)；入射杆(04)和支座(06)通过滑动轴承连接使得入射杆(04)可以沿轴向和圆周方向运动；透射杆(14)和支座(06)通过滚动轴承连接，气动冲击装置(02)和入射杆(04)共轴线，入射杆(04)和透射杆(14)不共轴，两者轴线具有夹角θ；气动冲击装置(02)、支撑入射杆的支座(06)底部装有小轮(07)可以在圆弧形轨道(03)移动，以调整第一试样(12)冲击的入射角θ；轨道上装有卡具(05)以固定小轮的位置，保证侧面冲击过程中入射角的恒定；与入射杆(04)连接的第一试样(12)的截面与轴向夹角需加工成90°-θ；第二试样(13)的截面足够覆盖第一试样(12)的截面；入射杆(04)上从左到右依次附有带磁性的加速度传感器(08)、速度传感器(09)、第一应变计(10)、第二应变计(11)；加速度传感器(08)、速度传感器(09)分别用来测量第一试样(12)侧面冲击的加速度、速度；第一应变计(10)用来测量试样侧面冲击摩擦过程的正向应变，第二应变计(11)用来测量试样正面冲击摩擦过程中的切应变；第一应变计(10)靠近入射杆(04)的左侧，第二应变计(11)靠近入射杆(04)的右侧，用来提高测量结果的准确度。

所述的侧面冲击摩擦测试装置，入射杆(04)和透射杆(14)的末端可以通过型面连接来连接包括圆形、圆环形在内的多种形状的第一试样(12)、第二试样(13)组成的不同形式的侧面冲击摩擦副。

所述的侧面冲击摩擦测试装置，入射杆(04)和透射杆(14)的末端圆柱面上拧有四个螺钉阻止第一试样(12)、第二试样(13)的轴向松动。

所述的侧面冲击摩擦测试装置，透射杆(14)转动的角速度可以通过调节变频电机(18)的转速来调节。

所述的侧面冲击摩擦测试装置，第一试样(12)与第二试样(13)之间存在1-3mm的间隙，以便模拟侧面冲击过程。

所述的侧面冲击摩擦测试装置，第一试样(12)、第二试样(13)截面表面也可以涂抹一些润滑剂来模拟湿摩擦的工况。

所述的侧面冲击摩擦测试装置，透射杆(14)右端和减震器(16)之间的设有1-3mm间隙，减震器(16)可以减小冲击过程中透射杆(14)的震荡以及对轴承的冲击。

一种侧面冲击摩擦测试方法，以圆环形冲击表面为例说明，巧、巧分别表示圆环形的小径、大径，包括以下步骤：

1)实验前要对试样摩擦副表面做一定的抛光预处理，使其表面粗糙度达到Ra＝0.07μm，以便判定侧面冲击过程中是否产生相对滑动，是否存在动摩擦。

2)安装第一试样(12)和第二试样(13)，启动变频电机(18)，气动冲击装置(02)冲击入射杆(04)，信号采集装置记录实验过程中加速度传感器(08)、速度传感器(09)、第一应变计10)和第二应变计(11)的变化；第一应变计(10)测得正应变ε，第二应变计(11)测得切应变γ；

3)冲击速度、加速度由速度传感器、加速度传感器直接测得；冲击力、冲击扭矩和摩擦因数通过正应变ε、切应变γ公式推导得到；计算机(20)采集正面冲击过程中所得数据，根据理论推导拟合出正面冲击过程中冲击力、冲击扭矩、冲击速度、加速度和摩擦因数的变化曲线；

入射杆正应力：σ=Eε，其中E表示入射杆弹性模量；

入射杆表面切应力：τ=Gγ，其中G表示入射杆的切变模量；

冲击力：F=σA，其中A=πR²，R表示入射杆半径；

冲击扭矩：其中τ表示入射杆表面切应力，I_R表示入射杆横截面对圆心的极惯性矩；

摩擦因数通过正应变ε、切应变γ由以下理论公式推导得到：

试样冲击截面正应力：其中S_a表示试样冲击截面面积；

试样冲击截面平均切应力：其中τ_r表示冲击截面上距圆心为r的任意点的切应力，I_a表示试样冲击横截面对圆心的极惯性矩；

试样所受平均切应力等于摩擦力，摩擦因数：

本发明的有益效果是：本发明可以实现材料之间侧面冲击摩擦测量；本发明中所使用的试样的形状可以更换，能够实现不同类型的材料之间侧面冲击摩擦特性的测定。

附图说明

图1是本发明侧面冲击摩擦测试装置的结构示意图。

图2是图1中入射杆(04)和透射杆(14)末端与试样连接的细节图。

图3是第一试样(12)、第二试样(13)结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。

请参阅图1与图2，一种侧面冲击摩擦测试装置，包括气压泵01、气动冲击装置02、圆弧形轨道03、入射杆04、支座06、加速度传感器08、速度传感器09、第一应变计10、第二应变计11、第一试样12、第二试样13、透射杆14、皮带轮15、减震器16、皮带17、变频电机18、计算机20以及信号采集装置19；入射杆04和支座06通过滑动轴承连接使得入射杆04可以沿轴向和圆周方向运动；透射杆14和支座06通过滚动轴承连接，气动冲击装置02和入射杆04共轴线，入射杆04和透射杆14不共轴，两者轴线具有夹角θ；气动冲击装置02、支撑入射杆的支座06底部装有小轮07可以在圆弧形轨道03移动，以调整第一试样12冲击的入射角θ；轨道上装有卡具05以固定小轮的位置，保证侧面冲击过程中入射角的恒定；与入射杆04连接的第一试样12的截面与轴向夹角需加工成90°-θ；第二试样13的截面足够覆盖第一试样12的截面。入射杆04上从左到右依次附有带磁性的加速度传感器08、速度传感器09、第一应变计10、第二应变计11；加速度传感器08、速度传感器09分别用来测量第一试样12侧面冲击的加速度、速度；第一应变计10用来测量试样侧面冲击摩擦过程的正向应变，第二应变计11用来测量试样正面冲击摩擦过程中的切应变；第一应变计10靠近入射杆04的左侧，第二应变计11靠近入射杆04的右侧，用来提高测量结果的准确度；第一试样12和第二试样13之间存在适当的间隙1-3mm，以便模拟侧面冲击过程。其中入射杆04和透射杆14的末端外形尺寸完全相同。其末端圆形截面开有正方形的孔槽，压杆圆柱截面的四周均匀分布四个螺纹孔，配合四个螺栓21，以便卡紧固定试样，阻止侧面冲击过程中第一试样12、第二试样13的轴向松动。第一试样12、第二试样13的形状如图3所示，可以根据试样的接头形状模拟不同形式的侧面冲击摩擦副。

通过调节气动冲击装置02的冲击强度，给入射杆04不同强度的加载，通过第一应变计10测出入射杆04压力强度，定量模拟分析实验材料不同强度的侧面冲击摩擦；调节变频电机18的转速，来调节不同的初始相对速度，模拟不同的实际工况。减震器16可以减小冲击过程中透射杆14的震荡以及对轴承的冲击。

请参阅图1，入射杆04和透射杆14分别由两个支座06均匀分布支撑，以增加实验过程中压杆的稳定性，减小实验结果的误差。

冲击速度、冲击加速度通过速度传感器、加速度传感器直接测得；冲击力、冲击扭矩通过正应变ε、切应变γ由以下理论推导得到(以图3中左上的圆环形冲击表面为例说明，r₁、r₂分别表示圆环形的小径、大径)：

入射杆正应力：σ=Eε(其中E表示入射杆弹性模量)

入射杆表面切应力：τ=Gγ(其中G表示入射杆的切变模量)

冲击力：F=σA(其中A=πR²，R表示入射杆半径)

冲击扭矩：(其中τ表示入射杆表面切应力，I_R表示入射杆横截面对圆心的极惯性矩)

摩擦因数通过正应变ε、切应变γ由以下理论公式推导得到：

试样冲击截面正应力：(其中S_a表示试样冲击截面面积)

试样冲击截面平均切应力：(其中τ_r表示冲击截面上距圆心为r的任意点的切应力，I_a表示试样冲击横截面对圆心的极惯性矩)；

试样所受平均切应力等于摩擦力，摩擦因数：

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。