一种测量两种材料之间滑动摩擦系数的方法

摘要

本发明公开了一种测量两种材料之间滑动摩擦系数的方法，利用一种滑动摩擦系数测量系统测出必要参数，包括滑动摩擦力和正压力，根据设定的公式即可计算出滑动摩擦系数μ，其中滑动摩擦力通过测量系统获得，正压力通过测量系统上放置的砝码的重量计算获得；测量方法包括测试件一和测试件二的清洁、测试件一和测试件二的安装、测试件一下降与测试件二接触、滑动摩擦力的采集、测试件一的拆卸总计六个步骤。本发明构思巧妙，结构紧凑合理，通过正压力加载件采集质量，测试件一在正压力的压力下与高速旋转的测试件二滑动接触，通过压力传感器与测试件一固定座在测试时接触获得滑动摩擦力，数据传输到数据处理系统中从而计算获得相应的滑动摩擦系数。

说明书

技术领域

本发明涉及摩擦系数测量技术领域，尤其涉及一种测量两种材料之间滑动摩擦系数的方法。

背景技术

冰上运动会对冰面造成划伤，并且真冰对使用环境要求较高，为了维护冰面的平整度，保证正常使用，需要投入大量的人力、物力对冰面进行维护。随着新材料的不断研发，各种仿真冰材料逐渐应用于仿真冰场，但不同材质的仿真冰材料，具有不同的特性。如何研发一种测量方法，通过数据的自动采集和传递来检测不同材质的仿真冰材料是否满足使用标准，成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种测量两种材料之间滑动摩擦系数的方法，解决上述背景技术中所列的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

本发明一种测量两种材料之间滑动摩擦系数的方法，利用一种滑动摩擦系数测量系统将测出必要参数，所述必要参数包括滑动摩擦力和正压力，根据设定的公式即可计算出两种材料之间的滑动摩擦系数μ：

式中：f是滑动摩擦力；N是正压力；

所述滑动摩擦系数测量系统包括垂向正压力加载系统、滑动速度加载系统、控制器和数据处理系统，所述垂向正压力加载系统上设置有正压力加载件和压力传感器，所述正压力加载件的数据输入至所述数据处理系统内，所述垂向正压力加载系统上安装的测试件一和所述滑动速度加载系统上安装的测试件二滑动接触产生滑动摩擦力，所述滑动摩擦力通过所述压力传感器获得并传递给所述控制器，所述控制器中与所述数据处理系统通过通讯电缆进行数据的传输与交换，所述正压力加载件的数据、滑动摩擦力全部传输至所述数据处理系统后通过设定的计算公式直接得出两种测试件在不同速度和压力状态下所对应的滑动摩擦系数。

进一步的，所述垂向正压力加载系统和所述滑动速度加载系统均安装在所述机架的工作平台上，所述垂向正压力加载系统包括垂直运动组件和导向组件，所述垂直运动组件包括电动推杆、导轴固定板、直线光轴和固定配重块，所述电动推杆的底部连接座安装在固定座的L形凸出平面上，所述电动推杆的顶部连接座安装在所述导轴固定板的背面，所述导轴固定板与所述固定座之间安装有所述导向组件，所述导轴固定板的两端安装有上下箱式轴承座，直线光轴的上下两端可滑动连接在箱式轴承座内，固定配重块定位卡接在所述直线光轴上，所述测试件一固定座通过滑组连接在所述直线光轴的底部，所述正压力加载件放置在所述固定配重块上；所述压力传感器设置在所述测试件一固定座的一侧，且压力传感器的工作端与测试件一固定座在测试时接触；所述测试件二可拆卸的连接在所述滑动速度加载系统上，并通过所述滑动速度加载系统驱动作旋转运动。

再进一步的，所述滑动速度加载系统包括伺服马达、减速机、联轴器和转盘，所述伺服马达与所述减速机通过螺栓连接在一起，所述减速机通过螺栓连接在所述工作平台上，所述减速机与所述联轴器的底部通过螺栓、销钉连接在一起，所述减速机的输出端与所述联轴器传动连接，所述联轴器贯穿工作平台上后与所述转盘连接，所述测试件二可拆卸的安装在所述转盘的顶面上，所述联轴器的顶端通过压紧帽锁紧所述测试件二。

再进一步的，所述导向组件包括第一连接板、第二连接板和直线滑轨，所述第一连接板、第二连接板上下排列并通过螺栓连接在所述导轴固定板的背面，所述直线滑轨通过螺栓紧固安装在所述固定座的前面，所述第一连接板、第二连接板的背面设置有导滑槽，所述导滑槽与所述直线滑轨相匹配。

再进一步的，所述压力传感器通过压力传感器固定座连接在所述导轴固定板上，所述压力传感器固定座通过螺栓连接在所述导轴固定板上。

再进一步的，所述固定座的底部设置有水平移动组件，所述水平移动组件包括水平滑台转接板、水平滑台和步进电机，所述水平滑台通过所述水平滑台转接板安装在所述工作平台上，所述步进电机的工作端通过联轴器与丝杠的一端连接，所述丝杠的另一端可旋转的安装在所述水平滑台上，所述丝杠上螺纹连接有水平移动座上，所述固定座的底部与所述水平移动座连接，并在所述步进电机的驱动下沿所述丝杠水平移动。

再进一步的，具体的测量方法包括以下几步：首先，通过控制器设定实验测试运行所需要参数包括：工作直径、运行速度、运行时间和配重，其中工作直径通过水平移动组件控制垂向正压力加载系统上的测试件一水平移动，远离或靠近滑动速度加载系统上的测试件二，运行速度和运行时间主要控制伺服马达的转速，配重通过人工放置砝码的个数确定；

步骤一、测试件一和测试件二的清洁，首先将测试件一、测试件二用丙酮或乙醇仔细清除表面的油污，清洁干净后不再用手直接接触测试件一、测试件二的表面；

步骤二、测试件一和测试件二的安装，所述垂向正压力加载系统的电动推杆工作带动垂直运动组件调整到最高点，将测试件一安装在所述测试件一固定座上；然后将实验测试所需要的相应的砝码放置在固定配重块上；

同时，将清洁后的测试件二安装到所述滑动速度加载系统的转盘上，且所述测试件一位于所述测试件二的上方；

水平滑台的位置找正，启动运行按钮，水平滑台带动垂直正压力加载系统向后移动回原位，再移动至所设定的直径上；

步骤三、测试件一下降，调整所述垂向正压力加载系统使所述垂直运动组件带动所述测试件一下降至所述测试件二的上表面，且固定配重块的底部与箱式轴承座之间离开10mm的距离，此时测试件一在砝码所产生的正压力的影响下和测试件二紧密接触；

步骤四、滑动摩擦力的采集：测试件二旋转，滑动速度加载系统上的伺服马达开始工作，经过设定时间加速后，速度达到0-20km/h的一个设定值，此过程中压力传感器不进行采集数据；

速度稳定后，整个运行已稳定，此时压力传感器进行采集数据，达到设定的工作时间后，测量得到一个相对稳定的滑动摩擦力，伺服马达进行减速至停止，运行结束；

步骤五、测试件一和测试件二的拆卸，所述电动推杆复位通过所述垂直运动组件带动所述测试件一升起，升至最高处拆卸测试件一，同时拆卸测试件二，同时将砝码从固定配重块上取下并放置到砝码盒内，此时完成一个工作循环。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果：

本发明测量两种材料之间滑动摩擦系数的方法，利用一种滑动摩擦系数测量系统将测出的必要参数，必要参数包括滑动摩擦力和正压力，根据设定的公式即可计算出两种材料之间的滑动摩擦系数μ，其中滑动摩擦力通过测量系统获得，正压力通过测量系统上放置的砝码的重量计算获得；具体的测量方法包括以下几步：测试件二的清洁、测试件一和测试件二的安装，测试件一下降与测试件二接触、滑动摩擦力的采集、测试件一的拆卸总计六个步骤，具体的测量系统包括滑动速度加载系统、垂向正压力加载系统、压力传感器、控制器及数据处理系统，以实现数据的快速测量和计算。本发明构思巧妙，结构紧凑合理，通过正压力加载件采集质量，测试件一在正压力的压力下与高速旋转的测试件二滑动接触，通过压力传感器与测试件一固定座在测试时接触获得滑动摩擦力，数据传输到数据处理系统中从而计算获得相应的滑动摩擦系数。

附图说明

下面结合附图说明对本发明作进一步说明。

图1为测量两种材料之间滑动摩擦系数的方法的流程图；

图2为本发明滑动摩擦系数测量系统示意图；

图3为本发明垂向正压力加载系统示意图；

图4为本发明垂向正压力加载系统侧视图；

图5为本发明滑动速度加载系统示意图；

图6为本发明测量方法的操作步骤示意图；

附图标记说明：1、机架；2、滑动速度加载系统；3、垂向正压力加载系统；4、砝码盒；5、地脚；6、砝码；7、压力传感器；701、压力传感器固定座；

201、伺服马达；202、减速机；203、联轴器；204、转盘；205、测试件二；206、压紧帽；

301、水平滑台转接板；302、水平滑台；303、步进电机；304、固定座；305、电动推杆连接板；306、电动推杆；307-1、第一连接板；307-2、第二连接板；308、导轴固定板；309、直线光轴；310、箱式轴承座；311、固定配重块；312、直线滑轨；313、导轴连接板；314、滑组；315、测试件一固定座；316、测试件一。

具体实施方式

如图1所示，一种测量两种材料之间滑动摩擦系数的方法，利用一种滑动摩擦系数测量系统将测出必要参数，所述必要参数包括滑动摩擦力和正压力，根据设定的公式即可计算出两种材料之间的滑动摩擦系数μ：

式中：f是滑动摩擦力；N是正压力；

所述滑动摩擦系数测量系统包括垂向正压力加载系统3、滑动速度加载系统2、控制器和数据处理系统，所述垂向正压力加载系统上设置有正压力加载件和压力传感器，所述正压力加载件的数据输入至所述数据处理系统内，所述垂向正压力加载系统上安装的测试件一316和所述滑动速度加载系统上安装的测试件二205滑动接触产生滑动摩擦力，所述滑动摩擦力通过所述压力传感器获得并传递给所述控制器，所述控制器中与所述数据处理系统通过通讯电缆进行数据的传输与交换，所述正压力加载件的数据、滑动摩擦力全部传输至所述数据处理系统后通过设定的计算公式直接得出两种测试件在不同速度和压力状态下所对应的滑动摩擦系数。具体的所述正压力加载件可以用砝码6，砝码6放置在砝码盒4内，砝码盒4焊接或者螺栓连接在机架1顶部工作平台的角部。

如图2-5所示，所述垂向正压力加载系统3和所述滑动速度加载系统2均安装在所述机架1的工作平台上，所述垂向正压力加载系统3包括垂直运动组件和导向组件，所述垂直运动组件包括电动推杆306、导轴固定板308、直线光轴309和固定配重块311，所述电动推杆306的底部连接座安装在固定座304的L形凸出平面上，所述电动推杆306的顶部连接座安装在所述导轴固定板308的背面，所述导轴固定板308与所述固定座304之间安装有所述导向组件，所述固定座304通过螺栓紧固安装在机架1的工作平台上，所述导轴固定板308与所述电动推杆306连接并通过电动推杆的伸缩作业实现高度位置的调节，所述导轴固定板308的两端安装有上下箱式轴承座310，直线光轴309的上下两端可滑动连接在箱式轴承座310内，固定配重块311定位卡接在所述直线光轴309上，所述测试件一固定座315通过滑组连接在所述直线光轴309的底部，所述正压力加载件放置在所述固定配重块311上；所述压力传感器设置在所述测试件一固定座的一侧，且压力传感器的工作端与测试件一固定座在测试时接触；所述测试件二可拆卸的连接在所述滑动速度加载系统上，并通过所述滑动速度加载系统2驱动作旋转运动。

如图3、4所示，具体的，所述导向组件包括第一连接板307-1、第二连接板307-2和直线滑轨312，所述第一连接板307-1、第二连接板307-2上下排列并通过螺栓连接在所述导轴固定板308的背面，所述直线滑轨312通过螺栓紧固安装在所述固定座304的前面，所述第一连接板、第二连接板的背面设置有导滑槽，所述导滑槽与所述直线滑轨相匹配。所述第一连接板307-1、第二连接板307-2背面上的导滑槽与所述直线滑轨312滑动连接且沿所述直线滑轨312上下竖直运动；具体的所述直线滑轨312也可以设置为T字形或燕尾槽结构，此时导滑槽的截面设置为与直线滑轨的截面相应的形状即可。所述压力传感器7通过压力传感器固定座701连接在所述导轴固定板308上，所述压力传感器固定座701通过螺栓连接在所述导轴固定板上。

具体的，如图5所示，所述滑动速度加载系统2包括伺服马达201、减速机202、联轴器203和转盘204，所述伺服马达201与所述减速机202通过螺栓连接在一起，所述减速机202通过螺栓连接在所述工作平台上，所述减速机202与所述联轴器203的底部通过螺栓、销钉连接在一起，所述减速机的输出端与所述联轴器传动连接，所述联轴器贯穿工作平台上后与所述转盘204连接，所述测试件二205可拆卸的安装在所述转盘204的顶面上，所述联轴器的顶端通过压紧帽206锁紧所述测试件二。具体的，根据实际摩擦系数进行测试件二的选择，测试件二与测试件一为相互关联的两种材料，所述测试件二设置为圆盘结构，便于与转盘204连接在一起，测试件二的工作范围设置为直径100～300mm。

具体的，如图3所示，所述滑组314的上方设置有导轴连接板313，所述导轴连接板313连接在所述直线光轴309的底端，所述测试件一固定座315连接在所述滑组314的底部，所述测试件一316安装在所述测试件一固定座315上。具体的，所述滑组314可采用交叉滚子直线导轨滑组，产生相互移动的两个或两组滑轨通过螺钉分别连接在导轴连接板313、冰刀固定座315，所述测试件一与下方旋转的测试件二接触产生滑动摩擦时，冰刀固定座315受力带动与之连接的滑轨发生水平移动，冰刀固定座315的侧壁与压力传感器319接触，压力传感器319将产生的侧向力即滑动摩擦力测出并传输给控制器。

具体的，一个实施例中，所述固定座304的底部设置有水平移动组件，所述水平移动组件包括水平滑台转接板301、水平滑台302和步进电机303，所述水平滑台通过所述水平滑台转接板安装在所述工作平台上，所述步进电机303的工作端通过联轴器与丝杠的一端连接，所述丝杠的另一端可旋转的安装在所述水平滑台上，所述丝杠上螺纹连接有水平移动座上，所述固定座的底部与所述水平移动座连接，并在所述步进电机的驱动下沿所述丝杠水平移动。

另一实施例中，所述水平移动组件包括水平滑台和气缸，所述水平滑台通过所述水平滑台转接板安装在所述工作平台上，所述气缸的工作端与所述固定底座的一端连接，所述固定座的底部与所述水平滑台之间设置有导向键，所述气缸驱动所述固定座沿所述导向键水平移动。

如图6所示，具体的测量方法包括以下几步：首先，通过控制器设定实验测试运行所需要参数包括：工作直径、运行速度、运行时间和配重，其中工作直径通过水平移动组件控制垂向正压力加载系统上的测试件一水平移动，远离或靠近滑动速度加载系统上的测试件二，运行速度和运行时间主要控制伺服马达的转速，配重通过人工放置砝码的个数确定；

步骤一、测试件一和测试件二的清洁，首先将测试件一、测试件二用丙酮或乙醇仔细清除表面的油污，清洁干净后不再用手直接接触测试件一、测试件二的表面；

步骤二、测试件一和测试件二的安装，所述垂向正压力加载系统的电动推杆工作带动垂直运动组件调整到最高点，将测试件一安装在所述测试件一固定座上；然后将实验测试所需要的相应的砝码放置在固定配重块上；同时，将清洁后的测试件二安装到所述滑动速度加载系统的转盘上，且所述测试件一位于所述测试件二的上方；

水平滑台的位置找正，启动运行按钮，水平滑台带动垂直正压力加载系统向后移动回原位，再移动至所设定的直径上；

步骤三、测试件一下降，调整所述垂向正压力加载系统使所述垂直运动组件带动所述测试件一下降至所述测试件二的上表面，且固定配重块的底部与箱式轴承座之间离开10mm的距离，此时测试件一316在砝码所产生的正压力的影响下和测试件二205紧密接触；

步骤四、滑动摩擦力的采集：测试件二旋转，滑动速度加载系统上的伺服马达开始工作，经过设定时间加速后，速度达到0-20km/h的一个设定值，此过程中压力传感器不进行采集数据；

2)速度稳定后，整个运行已稳定，此时压力传感器进行采集数据，达到设定的工作时间后，测量得到一个相对稳定的滑动摩擦力，伺服马达进行减速至停止，运行结束；

步骤五、测试件一和测试件二的拆卸，所述电动推杆复位通过所述垂直运动组件带动所述测试件一升起，升至最高处拆卸测试件一，同时拆卸测试件二，同时将砝码从固定配重块上取下并放置到砝码盒内，此时完成一个工作循环。

将该滑动摩擦系数测量系统应用于冰刀与仿真冰的测试中，主要应用有两种情况，一种是测试件一为冰块与测试件二为转盘的测量，另一种是测试件一为冰刀和测试件二为塑料仿真冰圆盘的测量；具体测量过程如下：

冰块与转盘实验测试条件：

实验时的运行速度是1.5km/h，运行时间是2h，施加的正压力是196N,该正压力通过相应重量的砝码放置到固定配重块311上得到；开始前需要记录冰块的初始重量m1,初始高度H1；

塑料冰刀与塑料仿真冰圆盘的实验测试条件：

实验时的运行速度是0-20km/h，运行时间是根据实验需要进行设定，施加的正压力是49N,该正压力通过相应重量的砝码放置到固定配重块311上得到。

实施例1：

冰块与转盘实验过程：

首先，冰块与转盘的清理，将冰块和转盘表面用丙酮、乙醇等不与测试件起作用的溶剂仔细清除表面的油污，此后不应再用手直接接触测试件的表面。

然后，将测试件一固定座315上升至最高点，将冰块安装在测试件一固定座315的底面上；将转盘204周圈配备的六个内六角紧定螺钉拆卸下来，保持转盘204顶面的整洁。

再通过电动推杆的工作杆伸出通过垂直运动组件带动测试件一固定座315下降，下降至冰块与钢盘上表面相接触。

根据需要的正压力匹配等质量的多个砝码放置到固定配重块311上；同时该正压力输入至控制器或数据处理系统内；

启动开始按钮，伺服马达201开始工作，经过减速机202、联轴器203带动转盘204转动，经过设定时间加速后，速度达到1.5km/h，此过程中压力传感器不进行采集数据；经过设定时间后，整个运行已稳定，此时压力传感器7进行采集数据，工作2h时间后，测量得到一个相对稳定的滑动摩擦力，并传输至控制器内，最后传送至数据控制系统内；测量结束后，伺服马达进行减速至停止。此过程中测定滑动摩擦力f为1.96N，根据公式计算得到滑动摩擦力μ为：0.01。

最后是冰块的拆卸，先将作为正压力加载件的砝码去除，然后电动推杆的工作杆收缩带动垂直运动组件带动测试件一固定座315上升至最高处，稳定后拆卸掉磨损的冰块。将试块进行清理，用计量称对试块进行称重，并进行记录m2，使用尺测量高度，并进行记录高度H2,此时完成一个工作循环。通过冰块前后数据的对比，可以直观的了解到其磨损的状态。

实施例2：

塑料仿真冰圆盘与冰刀的实验过程：

首先，将塑料仿真冰圆盘与冰刀用丙酮、乙醇等不与测试件二起作用的溶剂仔细清除表面的油污，此后不应再用手直接接触测试件的表面。

然后，将测试件一固定座315上升至最高点，将冰刀安装在测试件一固定座315的底面上；将转盘204周圈配备的六个内六角紧定螺钉拆卸下来，把塑料仿真冰圆盘通过螺钉与转盘204锁紧连接在一起，保持塑料仿真冰圆盘205顶面的整洁。注意要保持上表面平整无变形和翘曲。

再通过电动推杆的工作杆伸出通过垂直运动组件带动测试件一固定座315下降，下降至冰刀与塑料仿真冰圆盘的上表面接触。

根据需要的正压力匹配等质量的多个砝码放置到固定配重块311上；同时该正压力输入至控制器或数据处理系统内；

启动开始按钮，伺服马达201开始工作，经过减速机202、联轴器203带动转盘204转动，经过设定时间加速后，速度达到15km/h，此过程中压力传感器不进行采集数据；经过设定时间后，整个运行已稳定，此时压力传感器7进行采集数据，工作2分钟后，测量得到一个相对稳定的滑动摩擦力，并传输至控制器内，最后传送至数据控制系统内；测量结束后，伺服马达进行减速至停止。此过程中测定滑动摩擦力f为78N，根据公式计算得到滑动摩擦力μ为：0.0156。

最后是冰块的拆卸，先将作为正压力加载件的砝码去除，然后电动推杆的工作杆收缩带动垂直运动组件带动测试件一固定座315上升至最高处，稳定后拆卸掉磨损的冰刀拆除，同时将塑料仿真冰圆盘从滑动速度加载系统2上拆卸下来。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。