高温环境下摩擦系数测量装置及测量方法

摘要

本发明提供一种高温环境下摩擦系数的测量装置及测量方法。实验前首先将待测材料制作成试件一和试件二，试件一固定在传动轴的一端，试件二固定于顶杆的上端，试件一与试件二相互挤压且均放置于高温箱内；实验时接通高温箱的电源，箱内温度逐渐上升，试件一在传动轴的带动下匀速转动；传动轴通过联轴器与扭矩传感器和调速电机连接；通过扭矩传感器读出传动轴作用在试件一上的扭矩，根据扭矩平衡，可测得试件二作用在试件一上的摩擦力；顶杆下端依次放置千斤顶和压力传感器，由压力传感器的读数可计算出试件二对试件一的正压力，进而由摩擦力公式μ＝f/N计算出摩擦系数μ。本方法解决了高温环境下摩擦系数的测量问题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种在高温环境下的摩擦系数测量装置及测量方法，属于力学与计量技术领域。

背景技术

在航空航天、能源动力等领域需要研制不同的新型材料来适应各种恶劣的环境，尤其是高温环境下层间的摩擦系数与温度有关，其参数对于热应力计算非常重要，因此高温环境下摩擦系数测量仪对检测产品高温性能具有重要意义。目前，中国国内用于测量摩擦系数的仪器，大多只能在300℃以下测量，无法在温度更高的情况下测得摩擦系数。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术装备的不足而提出的一种在高温环境下测量各种制造工艺条件下同种材料之间或者不同材料之间的摩擦系数的测量装置及测量方法。

本发明的测量装置所采用的技术方案是：

实验台的上部安装有高温箱、扭矩传感器和调速电机；

在高温箱内，试件一固定在传动轴的左端，在传动轴的带动下匀速转动；

试件二固定在顶杆的上端，顶杆穿过实验台的台面和高温箱的底层，顶杆下端放置简易千斤顶，简易千斤顶下端放置压力传感器；

传动轴的右端通过第一联轴器与扭矩传感器轴的一端连接；扭矩传感器轴的另一端通过第二联轴器与调速电机的转轴相连接，调速电机由调速器控制转速；

压力传感器、扭矩传感器分别经第一数据线、第二数据线与处理器连接；温度传感器与温度采集仪连接。

进一步的技术措施如下：

上述的测量装置，其中，试件一制作成圆盘状，试件二与试件一的接触面为相匹配的弧形凹槽。

上述的测量装置，其中，高温箱内壁左侧设有电加热器，并与电源线相连接，温度传感器与试件二相接触。

上述的测量装置，其中，高温箱外壁的材料选用防锈处理冷轧钢板，高温箱内壁的材料选用碳化硅，中间填充有高密度超细玻璃纤维层。

上述的测量装置，其中，直线运动轴承固设于高温箱的底部并套接于顶杆上；压力传感器采用微型膜盒式压力传感器；顶杆与简易千斤顶之间依次放置第一普通垫片、第一酚醛垫片和第二普通垫片；第一联轴器中间放置第二酚醛垫片。

上述的测量装置，其中，在传动轴上安装有滚动轴承，滚动轴承安装在轴承支座上，轴承支座固定于实验台上；扭矩传感器固定于第一支座上，调速电机固定于第二支座上；第一支座、第二支座分别固定于实验台上。

上述的测量装置，其中，顶杆的旁边设置有第一滴水管，传动轴的旁边设置有第二滴水管，第一滴水管和第二滴水管接通自来水。

本发明的测量方法是：

为了测量高温环境下试件一和试件二之间的摩擦系数，首先将待测材料制作成试件，试件一制为圆盘状，试件二制为弧形凹槽，其曲率半径与试件一的半径相等；

试件二称重，记为M₁；

将试件一和试件二分别固定于传动轴的左端和顶杆的上端；

顶杆下面依次放置第一普通垫片、第一酚醛垫片、第二普通垫片、简易千斤顶和压力传感器；

打开处理器、压力传感器和扭矩传感器；

调节简易千斤顶，使压力传感器的读数为0.5KN～1KN；

启动调速电机，通过调速器设定转速30～60转/min；

记试件一的半径为R，顶杆的质量为M₂，第一普通垫片、第二普通垫片、第一酚醛垫片的总质量为M₃，简易千斤顶的质量为M₄，扭矩传感器的读数为T，压力传感器的读数为F，试件二对试件一的正压力为N，摩擦力为f，重力加速度g，待测试件之间的摩擦系数为μ；

传动轴对试件一施加的扭矩为T，试件二对试件一施加的扭矩为fR；由于试件一作匀速转动，根据扭矩平衡，得T＝fR，即f＝T/R；

试件二对试件一施加正压力N＝F-(M₁+M₂+M₃+M₄)g，根据摩擦力公式μ＝f/N，即可计算出摩擦系数μ＝T/{[F-(M₁+M₂+M₃+M₄)g]R}；

处理器接收压力传感器和扭矩传感器输出的数据，按照上述公式计算出常温下摩擦系数μ值，记录结果；

接通高温箱的电源；打开第一滴水管、第二滴水管，使水成股流出；

温度显示器显示出试件二的表面温度，待温度达到50℃时记录摩擦系数μ值，之后温度每升高25℃记录一次实验结果，直到温度达到800℃为止；

关掉高温箱的电源；绘制温度-摩擦系数的变化曲线。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

本发明旨在提出高温环境下摩擦系数的测量装置和测量方法，高温环境可达到800℃，弥补了现有装备技术的不足；实验设备容易制作，方便于教学实验和科研；测量过程实现数字化，可测得摩擦系数与温度的关系。

附图说明

图1为本发明的测量装置的结构示意图；

图2为图1中滚动轴承水平剖面图；

图3为图1中高温箱A-A截面视图；

图4为图1中高温箱B-B截面视图；

图5为图1中简易千斤顶的示意图；

图6为图1中顶杆结构示意图；

图7为图1中直线运动轴承垂直剖面图；

图中：高温箱1，试件一2，试件二3，直线运动轴承4，顶杆5，简易千斤顶6，压力传感器7，滴水管8，滚动轴承9，轴承支座10，传动轴11，联轴器12，扭矩传感器13，调速电机14，调速器15，实验台16，支架17，处理器18，支座19，传动器轴20，电源线21，高温箱的外壁22，高温箱的内壁23，玻璃纤维层24，温度传感器25，电加热器26，普通垫片27，酚醛垫片28，数据线29，温度采集仪30。

具体实施方式

本发明提供一种高温环境下摩擦系数的测量装置，下面参照附图1，对本发明作进一步说明。

实验台16的上部安装有高温箱1、扭矩传感器13和调速电机14；

在高温箱1内，试件一2固定在传动轴11的左端，在传动轴11的带动下匀速转动；

试件二3固定在顶杆5的上端，顶杆5穿过实验台16的台面和高温箱1的底层，顶杆5下端放置简易千斤顶6，简易千斤顶6下端放置压力传感器7；

传动轴11的右端通过第一联轴器12I与扭矩传感器轴20的一端连接；扭矩传感器轴20的另一端通过第二联轴器12II与调速电机14的转轴相连接，调速电机14由调速器15控制转速；

压力传感器7、扭矩传感器13分别经第一数据线29I、第二数据线29II与处理器18连接；温度传感器25与温度采集仪30连接。

试件一2制作成圆盘状，试件二3与试件一2的接触面为相匹配的弧形凹槽。高温箱的内壁23左侧设有电加热器26，如图4，并与电源线21相连接，温度传感器25与试件二3相接触，如图3。

高温箱的外壁22的材料选用防锈处理冷轧钢板，高温箱内壁23的材料选用碳化硅，中间填充有高密度超细玻璃纤维层24。

直线运动轴承4固设于高温箱1的底部并套接于顶杆5上，如图7；压力传感器7采用微型膜盒式压力传感器；顶杆5与简易千斤顶6之间依次放置第一普通垫片27I、第一酚醛垫片28I和第二普通垫片27II，如图6；第一联轴器12I中间放置第二酚醛垫片28II，如图1。

在传动轴11上安装有滚动轴承9，滚动轴承9安装在轴承支座10上，如图2，轴承支座10固定于实验台16上；扭矩传感器13固定于第一支座19I上，调速电机14固定于第二支座19II上；第一支座19I、第二支座19II分别固定于实验台16上，如图1。

顶杆5的旁边设置有第一滴水管8I，传动轴11的旁边设置有第二滴水管8II，第一滴水管8I和第二滴水管8II接通自来水，如图1。

下面说明高温环境下摩擦系数测量方法：

首先将待测材料制作成试件，试件一2制为圆盘状，试件二3制为弧形凹槽，其曲率半径与试件一2的半径相等；

试件二3称重，记为M₁；

将试件一2和试件二3分别固定于传动轴11的左端和顶杆5的上端；

顶杆5下面依次放置第一普通垫片27I、第一酚醛垫片28I、第二普通垫片27II、简易千斤顶6和压力传感器7；

打开处理器18、压力传感器7和扭矩传感器6；

调节简易千斤顶6，使压力传感器7的读数为1KN，压力传感器7的读数为0.5～1KN均可。

启动调速电机14，通过调速器15设定转速60转/min，调速器15转速为30～60转/min均可。

记试件一2的半径为R，顶杆5的质量为M₂，第一普通垫片27I、第二普通垫片27II、第一酚醛垫片28I的总质量为M₃，简易千斤顶6的质量为M₄，扭矩传感器13的读数为T，压力传感器7的读数为F，试件二3对试件一2的正压力为N，摩擦力为f，重力加速度g，待测试件之间的摩擦系数为μ；

传动轴11对试件一2施加的扭矩为T，试件二3对试件一2施加的扭矩为fR；由于试件一2作匀速转动，根据扭矩平衡，得T＝fR，即f＝T/R；

试件二3对试件一2施加正压力N＝F-(M₁+M₂+M₃+M₄)g，根据摩擦力公式μ＝f/N，即可计算出摩擦系数μ＝T/{[F-(M₁+M₂+M₃+M₄)g]R}；

处理器18接收压力传感器7和扭矩传感器6输出的数据，按照上述公式计算出常温下摩擦系数μ值，记录结果；

接通高温箱1的电源；打开第一滴水管8I、第二滴水管8II，使水成股流出；

温度显示器30显示出试件二3的表面温度，待温度达到50℃时记录摩擦系数μ值，之后温度每升高25℃记录一次实验结果，直到温度达到800℃为止；

关掉高温箱1的电源；绘制温度-摩擦系数的变化曲线。