武發(fā)展 張春佳 劉 澳 劉志豪 李 征

（青島理工大學(xué)，山東 青島 266520）

0 引言

傳統(tǒng)的立式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)不僅測試范圍會受試件形狀和試驗(yàn)條件的限制，而且具有體積大、操作復(fù)雜以及價格昂貴的缺點(diǎn)，而往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)能夠解決上述難題。目前，國內(nèi)的往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的研制僅局限于高頻、低負(fù)載和小行程，與國外的往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)還有很大的差距。現(xiàn)針對傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)精度、振動幅度、數(shù)據(jù)采集和處理以及試驗(yàn)環(huán)境等問題進(jìn)行優(yōu)化。

筆者研制了1臺試驗(yàn)環(huán)境可控式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，并且符合特種摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展方向。該試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用了虛擬儀器技術(shù)，可對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多路信號實(shí)時監(jiān)測。環(huán)境可控是該試驗(yàn)機(jī)設(shè)計中的最大特色。從摩擦學(xué)角度分析，摩擦系數(shù)和摩擦力波動系數(shù)在有、無磁場時有很大的差異，在不同磁感應(yīng)強(qiáng)度下的摩擦系數(shù)變化趨勢及速度都有差異。但目前大多數(shù)摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)都只能在常溫、常濕的條件下進(jìn)行試驗(yàn)研究，而該試驗(yàn)機(jī)能夠在不同環(huán)境下測試材料及涂層表面摩擦學(xué)性能和機(jī)理，初步檢測試樣之間的摩擦磨損特性， 為后續(xù)進(jìn)一步試驗(yàn)研究奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)機(jī)的工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1 工作原理

通過該試驗(yàn)機(jī)可以獲得試驗(yàn)過程中的摩擦力、摩擦系數(shù)以及試驗(yàn)力等參數(shù)隨時間變化的數(shù)據(jù)及圖像。試驗(yàn)機(jī)的工作原理如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)框架

該文所設(shè)計的新式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)包括加載系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、磁場與流速控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)6個部分，試驗(yàn)機(jī)詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。試驗(yàn)時，先將試件放入油槽中并固定，再旋轉(zhuǎn)蝶形螺母，使試件與夾緊裝置內(nèi)的預(yù)緊彈簧緊密接觸，從而產(chǎn)生彈力夾緊試件。將鋼球夾具下拉，使鋼球與試件接觸，鋼絲通過兩側(cè)鋼絲導(dǎo)槽和下壓板上的孔拉緊吊環(huán)，從而連接龍門絲杠和上壓板。上壓板與彈簧槽間設(shè)有彈簧，通過旋轉(zhuǎn)龍門絲杠可使上壓板沿導(dǎo)軌向下運(yùn)動，對彈簧槽內(nèi)的彈簧施加壓力，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為鋼球?qū)υ嚰媳砻媸┘拥膲毫?，所施加的壓力即為試?yàn)力，試驗(yàn)力由壓力傳感器檢測并記錄。在試驗(yàn)力加載穩(wěn)定后，通過計算機(jī)控制系統(tǒng)使溫控箱進(jìn)入工作狀態(tài)，管狀電加熱元件在溫控箱輸出相應(yīng)電流的作用下，使試件均勻并迅速地達(dá)到所需的溫度環(huán)境。磁場強(qiáng)度變化則通過單片機(jī)轉(zhuǎn)化連接至計算機(jī)進(jìn)行控制輸入，根據(jù)電壓信號使恒流源模塊向多匝線圈輸出相應(yīng)電流作用在線圈箱內(nèi)部，從而改變磁場強(qiáng)度環(huán)境。在試驗(yàn)環(huán)境設(shè)置完畢后，通過控制步進(jìn)電機(jī)帶動油槽進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。步進(jìn)電機(jī)與油槽之間連有拉力傳感器和套筒，套筒的作用是提高往復(fù)運(yùn)動的穩(wěn)定性。油槽由于受步進(jìn)電機(jī)的推拉作用，因此在油槽導(dǎo)軌內(nèi)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動。此時，鋼球和試件之間會產(chǎn)生摩擦力，該摩擦力即為該試驗(yàn)需要檢測的摩擦力（摩擦力由拉力傳感器檢測并記錄）。

圖2 新式試驗(yàn)機(jī)三維設(shè)計圖

1.2 摩擦力及摩擦系數(shù)測量原理

借助直線機(jī)構(gòu)帶動試件作往復(fù)運(yùn)動，加載系統(tǒng)采用彈簧加載，通過彈性形變公式（如公式（1）所示）計算試驗(yàn)力，鋼珠和試件間的摩擦力使微型拉力傳感器產(chǎn)生微形變，進(jìn)而通過應(yīng)變片將微形變轉(zhuǎn)化為電信號，并利用LabVIEW實(shí)現(xiàn)對摩擦數(shù)據(jù)的實(shí)時采集﹑監(jiān)控和記錄。當(dāng)油槽進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動時，摩擦行程的中點(diǎn)通過磨頭中心時的速度最大，其他狀態(tài)下為加速或減速，因此測得的摩擦力是一個變化的數(shù)值。為克服測量過程的不確定性，可以取采樣周期內(nèi)的最大值作為讀數(shù)。

式中：為試驗(yàn)力，N；為彈簧自身彈性系數(shù)，N/m；為彈簧變形量，m。

鋼珠被上部夾具固定在夾具內(nèi)槽， 豎直加載力經(jīng)加載后由鋼珠傳遞給試件。試驗(yàn)時，鋼珠和試件在豎直加載力的作用下緊密接觸，且鋼珠已被固定在套筒內(nèi)，從而隨著試件整體的移動而發(fā)生相對位移，進(jìn)而產(chǎn)生摩擦磨損。與此同時，軸所在的微型拉力傳感器開始同步測量試驗(yàn)?zāi)Σ亮Γ?然后通過基于LabVIEW的測控系統(tǒng)計算摩擦系數(shù)，并且摩擦系數(shù)隨時間變化的曲線也顯示在信息采集系統(tǒng)控制面板上。

摩擦系數(shù)如公式（2）所示。

式中：F為方向測得的摩擦力，N；F為方向所施加的豎直載荷力，N。

1.3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該文所設(shè)計的一種環(huán)境可控的往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)裝置的主要特點(diǎn)如下：1） 通過步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動提供全部的驅(qū)動力，步進(jìn)電機(jī)可控制的最低行程短，與傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)相比，其運(yùn)動精度更高。2） 采用可調(diào)溫式鑄鋁加熱模具和磁場產(chǎn)生控制裝置，可以根據(jù)試驗(yàn)需求將潤滑劑油加熱至不同溫度，從而在一定條件下進(jìn)行溫度場與電磁場環(huán)境的結(jié)合試驗(yàn)。3） 采用彈簧壓縮后的彈力作為試驗(yàn)力，裝載彈簧的鋼架采用實(shí)心結(jié)構(gòu)，從而穩(wěn)定控制力源；采取柔性化支架，對振動產(chǎn)生緩沖效果，且體積小、易操作。4） 試驗(yàn)機(jī)的控制面板可以對溫度以及磁場磁通量進(jìn)行控制，并且控制系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集功能，便于對試驗(yàn)進(jìn)行實(shí)時采集，最終得出試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2 試驗(yàn)機(jī)主要部件的設(shè)計

2.1 動力系統(tǒng)部分

該試驗(yàn)機(jī)的動力源由步進(jìn)電機(jī)提供，對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行編程，使軸在套筒的配合下帶動微型拉力傳感器和油槽產(chǎn)生規(guī)律的往復(fù)運(yùn)動，而非傳統(tǒng)的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)運(yùn)動，該傳動方式不僅操作簡便，而且還可以精確地控制試驗(yàn)機(jī)的往復(fù)運(yùn)動行程和運(yùn)動速度，并且對載荷產(chǎn)生的沖擊和振動也較小，從而在很大程度上提高了試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)精度。

圖3 摩擦原理圖

2.2 試驗(yàn)機(jī)的加載機(jī)構(gòu)

加載機(jī)構(gòu)是由龍門絲杠、鋼絲繩、下壓板、彈簧壓板和彈簧（彈簧置于銷內(nèi)）組成的，其主要功能是為試驗(yàn)機(jī)提供試驗(yàn)所需的試驗(yàn)力，如圖 4 所示。

圖4 加載機(jī)構(gòu)圖

試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)力由彈簧壓縮提供，操作龍門絲杠可使鋼絲繩拉緊或放松，拉緊鋼絲繩時會下拉下壓板，下壓板與彈簧壓板相連，下壓板傳給彈簧壓板的壓力導(dǎo)致彈簧壓縮變形，彈簧變形后產(chǎn)生的彈力作用在稱重傳感器上，從而產(chǎn)生壓力，該壓力即為試驗(yàn)所需的試驗(yàn)力。在調(diào)整到所需的試驗(yàn)力后，擰緊龍門絲杠上的固定旋鈕，以鎖定整個機(jī)構(gòu)。采用該加載機(jī)構(gòu)不僅可以方便地控制試驗(yàn)力的大小，并且可以大幅度地提高試驗(yàn)力的穩(wěn)定性以及傳感器測力的精度。

2.3 試驗(yàn)機(jī)的裝夾結(jié)構(gòu)

裝夾結(jié)構(gòu)由鋼珠夾具（圖5）、油槽（圖6）及試件夾槽所組成。

圖5 鋼珠夾具示意圖

圖6 油槽及試件夾槽示意

為了方便拆裝摩擦副，上方鋼珠夾具采用可拆卸式設(shè)計，用扳手?jǐn)Q松螺栓后可對鋼珠進(jìn)行更換或換位，擰緊螺栓后可緊固鋼珠，使其固定不動。下試件可根據(jù)大小來調(diào)節(jié)夾具位置，采用螺旋式夾緊極易操作，且操作空間的增大給裝卸過程帶來了更多方便，只須進(jìn)行簡易轉(zhuǎn)動和安裝就可以進(jìn)行裝夾和拆卸，簡化了試驗(yàn)準(zhǔn)備工作的操作步驟，可提高試驗(yàn)效率。

2.4 潤滑系統(tǒng)

潤滑系統(tǒng)主要是1個能盛放潤滑劑的方形液體槽， 為方便更換潤滑劑， 在槽前置面的有機(jī)玻璃底部安裝軟水管，并且在油槽里加入適量試驗(yàn)所需潤滑劑油，以測量不同試驗(yàn)油情況下鋼珠和涂層試件表面摩擦系數(shù)等參數(shù)。

2.5 試驗(yàn)機(jī)的摩擦力測量裝置

如圖7所示，在套筒和油槽之間設(shè)有微型拉力傳感器，該傳感器為試驗(yàn)機(jī)的摩擦力測量裝置。

圖7 微型拉力傳感器

試驗(yàn)時，步進(jìn)電機(jī)作為油槽的驅(qū)動機(jī)構(gòu)，用于驅(qū)動所述油槽沿著連桿方向進(jìn)行往復(fù)移動，使固定在油槽中的試件與上方的鋼珠發(fā)生位移，從而產(chǎn)生摩擦副。微型拉力傳感器設(shè)在連桿與油槽之間，通過感受摩擦將摩擦力信號導(dǎo)入數(shù)據(jù)采集卡中，以實(shí)現(xiàn)對摩擦力數(shù)據(jù)的實(shí)時監(jiān)測。

2.6 試驗(yàn)機(jī)的溫度及磁場控制系統(tǒng)

加熱機(jī)構(gòu)的主要功能是對油槽內(nèi)潤滑劑的溫度進(jìn)行控制。該機(jī)構(gòu)通過將管狀電加熱元件澆鑄在鋁溶液中壓制成特殊要求形狀的模具，以實(shí)現(xiàn)加熱功能。通過在計算機(jī)端輸入對應(yīng)溫度可實(shí)現(xiàn)對加熱機(jī)構(gòu)溫度的控制。此外，該模具通體呈半橢圓形（圖6），可使溶液加熱更加均勻、迅速，從而滿足試驗(yàn)過程對溫度的要求。

磁場產(chǎn)生及控制裝置包括輸入模塊、控制模塊、恒流源模塊、顯示模塊及供電電源模塊。輸入模塊、恒流源模塊及顯示模塊分別連接控制模塊、恒流源模塊的輸出端，用于接至線圈。輸入模塊用于接受輸入操作，以獲取線圈與目標(biāo)物體之間的距離值、期望磁場的大小和方向，控制模塊根據(jù)期望磁場和距離值獲得線圈所需電流值，并給恒流源模塊輸出對應(yīng)的電壓信號，恒流源模塊根據(jù)所述電壓信號給線圈輸出對應(yīng)的電流，并作用于線圈箱內(nèi)部（圖8），顯示模塊用于顯示所述所需電流值和所述距離值。該系統(tǒng)可以為機(jī)器提供不同磁場強(qiáng)度下的試驗(yàn)條件。

圖8 磁場線圈放置區(qū)

采用溫度可調(diào)式鑄鋁加熱模具和磁場產(chǎn)生及控制裝置不僅可以根據(jù)試驗(yàn)需求自由調(diào)節(jié)潤滑劑的溫度，而且還可以在不同磁場下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。

2.7 試驗(yàn)機(jī)的流速發(fā)生裝置

該試驗(yàn)機(jī)設(shè)有水泵裝置，如圖9所示。該裝置的主要作用是保持納米添加劑在潤滑劑中的均勻分布。此外，該裝置還可以使?jié)櫥瑒┰陟o止或微動狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)時，將水泵的左橡膠管和右橡膠管插入油槽的納米潤滑劑中，啟動水泵后便可維持油槽內(nèi)納米潤滑劑的流動狀態(tài)。

圖9 水泵裝置及安裝位置

3 試驗(yàn)機(jī)測試系統(tǒng)設(shè)計

測控系統(tǒng)設(shè)計包括硬件和軟件2個部分。硬件部分包括不同類型傳感器與測量控制儀間的信號輸入/輸出匹配設(shè)計、數(shù)據(jù)采集卡以及步進(jìn)電機(jī)控制器。軟件設(shè)計部分包括利用串口通信技術(shù)對載荷、摩擦力、試樣環(huán)境溫度、摩擦系數(shù)以及磁通量大小等信號進(jìn)行采集與處理；利用剔除奇異項(xiàng)、平滑處理等方式對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字濾波；采用所測參數(shù)的多樣化輸出與保存以及利用反饋控制等方式對試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行規(guī)律控制。通過基于LabVIEW軟件的測控系統(tǒng)對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時處理后，平均摩擦系數(shù)及摩擦力以圖像曲線的形式在計算機(jī)控制界面上顯示， 有利于實(shí)時、客觀且量化地對試驗(yàn)材料的摩擦學(xué)特性進(jìn)行分析與評估。

3.1 測控系統(tǒng)的硬件設(shè)計

試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)處理部分設(shè)計由數(shù)據(jù)采集卡、12 V直流電源、傳感器數(shù)據(jù)采集器、步進(jìn)電機(jī)控制器、24 V直流電源以及電機(jī)控制卡6個部分組成，詳細(xì)信息見表1。

表1 部分硬件型號參數(shù)

傳感器數(shù)據(jù)處理器用于處理試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)時傳感器所產(chǎn)生的信號，并將數(shù)據(jù)輸出到USB數(shù)據(jù)采集卡中。USB數(shù)據(jù)采集卡用于處理轉(zhuǎn)換傳感器數(shù)據(jù)處理器中所采集到的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C(jī)中。

步進(jìn)電機(jī)控制器通過人工操作將控制命令輸出給電機(jī)控制卡。電機(jī)控制卡通過編程實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動的控制。

3.2 測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計

該試驗(yàn)機(jī)基于 LabVIEW 圖形化編程語言可對試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行信號采集、同步顯示以及數(shù)據(jù)存儲。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可對多路信號進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，同時生成動態(tài)曲線，以便更直觀地反映試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

程序界面介紹如下：1） 程序運(yùn)行、停止和暫?？刂啤?） 步進(jìn)電機(jī)控制。通過程序直接控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動。3） 數(shù)據(jù)處理。對試驗(yàn)力摩擦力進(jìn)行計算，得出摩擦系數(shù)，在均值一欄顯示數(shù)值。4） 顯示2個傳感器傳出的模擬信號，即試驗(yàn)力和摩擦力。5） 對試驗(yàn)力、摩擦力的數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，得出摩擦系數(shù)。6） 磁通量。顯示磁通量，由數(shù)據(jù)處理后計算并記錄磁感應(yīng)強(qiáng)度。7） 溫度值。實(shí)時顯示實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度，可通過輸入信號控制變溫箱調(diào)節(jié)溫度。8） 試驗(yàn)時間。顯示試驗(yàn)所用的總時長，單位為s。9） 采樣頻率。每秒鐘對試驗(yàn)力和摩擦力采樣的次數(shù)。10） 均值。1個循環(huán)過程所得到的摩擦系數(shù)的平均值。11） 可以分別顯示摩擦力、試驗(yàn)力以及摩擦系數(shù)的曲線。還可以顯示平均摩擦系數(shù)曲線，即試驗(yàn)所需要的曲線。12） 控制程序開始或停止記錄數(shù)據(jù)。13） 關(guān)閉設(shè)備。即關(guān)閉程序。14） 試驗(yàn)初期進(jìn)行試驗(yàn)力和摩擦力清零，防止誤差影響。15） 顯示系統(tǒng)時間。

試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)使用過程中會受各種干擾因素的影響（對數(shù)據(jù)精確度的影響較大）。因此，當(dāng)編寫LabVIEW測控程序時，數(shù)據(jù)處理方面采用了算術(shù)平均法，以減小試驗(yàn)機(jī)采集數(shù)據(jù)時的外部干擾，算術(shù)平均法可有效剔除干擾數(shù)據(jù)，且能兼顧測量精度和效率。而試驗(yàn)機(jī)外部蓋有金屬屏蔽外殼，可抵抗外界電信號的干擾。

4 結(jié)語

該文所設(shè)計的環(huán)境可控的往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)可以在不同試驗(yàn)環(huán)境、不同載荷和不同試驗(yàn)頻率下進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)。該試驗(yàn)機(jī)可以在一定范圍內(nèi)對往復(fù)行程、頻率、流動速度、載荷、溫度和磁通量等參數(shù)進(jìn)行控制，并可以實(shí)時顯示運(yùn)動中摩擦力與摩擦系數(shù)平均值的數(shù)值變化。

其具有以下4個優(yōu)點(diǎn)：1） 采用常見的零部件及材料制作，無液壓件；加載組件緊湊，加載穩(wěn)定；測力組件零件少，測量簡單直接，減少了中間環(huán)節(jié)誤差；加工簡單，精度可靠，成本可控。2） 機(jī)械結(jié)構(gòu)與工作原理簡單， 試件夾具設(shè)計巧妙；機(jī)構(gòu)具有一定的靈活性，可以通過更換不同的摩擦試件、線圈以及不同彈性系數(shù)的彈簧進(jìn)行多種類型的摩擦磨損試驗(yàn)。3） 具有溫度及電磁場控制機(jī)構(gòu)，可根據(jù)試驗(yàn)需求探究一定條件下不同溫度、不同磁場對材料表面摩擦磨損性能的影響。4） 采用基于LabVIEW的試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)，可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時采集、實(shí)時分析處理、實(shí)時圖形顯示以及存儲等操作，且操作界面十分簡單友好，可以大幅提高試驗(yàn)效率。