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基于微摩擦力测量机构的研制

编辑:金沙官网        发布日期:2018-06-23        点击量:823

一、概论

为研究零件的摩擦和润滑性能,通常需要测量润滑膜厚度、摩擦系数、磨损量等,其中摩擦力或摩擦系数是最受关注的一个参数。通常的测量设备有环块销盘摩擦力仪、SRV磨损测量仪、四球磨损测量仪等。这些仪器设备设备主要适用于典型零件试样的宏观摩擦研究,所加的载荷与所测量的力通常为几个到几百个牛顿。虽然,目前的一些微观测量仪如AFM、FFM等可以测量纳量级的摩擦力,但它们只能测量局部几个分子的特性,不能反映零件工作时的整体特性,因此不能满足实际摩擦系数测量的需要。同时,上述测量仪器设备设备只能测量滑动磨损,不能测量滚动下的摩擦力。目前,摩擦学的研究不断向薄膜方向发展,润滑膜厚度的测量已经达到了纳量级,但微摩擦力测量还不尽如人意。发展微摩擦力测量机构是实际研究的需要。

在弹流或薄膜润滑条件下微摩擦测试中,一般工作载荷都较大,对测量机构的刚度有比较高的要求。然而,由于润滑剂形成的润滑膜很薄,实际的摩擦力却很小,通常在mN的量级上。对这样大小的摩擦力的测量而言,若采用传统的应力应变传感方式要测量到mN级的力,不能简单地将原有的测量机构的刚度和结构尺寸简单地减小。因为,这可能无法使测试机达到足够的强度。对于强度和精度之间的矛盾,本文通过对测试机构结构刚度进行分析和设计,采用垂直薄壁梁结构,并利用应力应变传感的方式研制成功了可用于微摩擦力的测试机构。该机构具有测力精度高、测量载荷范围大等特点。

基于微摩擦力测量机构的研制

二、测试机构的总体设计

1.测试机构的方案设计在测试机构中,采用杠杆浮动加载的方式。该加载方式有自适应性,即使被测表面有高低起伏,杠杆臂也会随着起伏,而不会改变载荷的大小。

滚动弹流润滑的摩擦系数很小,杠杆梁在X向的受力f远比Y向的受力F要小。如果考虑选用图2所示的薄片梁作为测力臂,在Y方向承受载荷F,在X方向承受微摩擦力f。由于它在X方向的刚度远小于Y方向的刚度,可在f作用下产生一较大的应变以满足测试的要求。因此,选用薄片梁代替原来粗大的杠杆的一端作为测力臂。测力臂可以选择单臂型,也可以选择两平行梁作为一组来测量横向摩擦力。考虑到薄片梁容易失稳如图2所示,故优先选择双梁来测量横向力,而且每个梁正、反面可以贴两片应变片,组成全桥回路。

根据实验的需要,还在测试机构中设计了油杯,油杯支架和升降台等。

2.测试机构的结构设计在测试机构中,测力臂是关键环节,其结构尺寸直接影响到测试的精度。测力臂可选用薄钢带直接按尺寸切割加工而成。从理论分析可知,测力臂的宽度越小、长度越长、高度越小,则测试精度越高。但是,当宽度过小和长度过长时,臂的稳定性将变差。这里选用宽度h=0.3mm的钢带。由于受原实验台结构的限制,臂的长度l取为200mm。测力臂的高度b需要通过计算确定,高度越小,测试精度越高,但承载能力也越小。

臂的设计准则是要在最大载荷下,满足稳定性要求,同时满足精度要求。下面对这两部分进行计算和校核。

1)稳定性计算薄片梁的失效形式是失稳(见图4)。梁失稳的临界载荷Pcr为:

其中,E为弹性模量,G为剪切模量,IX为截面的惯性矩,IT为极惯矩。

由于测力臂是两端固定,根据对称原理,相当于两个长度为l/2的自由端梁,故计算长度L=l/2。取梁所受的最大载荷作为临界载荷Pcr=20N。从式

(1)可得,梁的高度b应满足:b≈5.13mm。考虑到安装尺寸和安全余量,取梁的高度b=20mm。

2)测试精度校核若采用电阻应变式传感器来测力,测力臂的结构尺寸会影响到测试的精度。根据实验的要求,该机构的测试精度应达到1mN。即对测力臂施加1mN的力时,所产生的应变应该能被电阻应变仪分辨出来。图4所示的薄片梁,根据测试理论,采用全桥测量时应力应变关系为:

其中,l0为应变片的贴放位置,(考虑梁的对称因素,在此机构中的贴片位置为l0=75mm),b为梁高,h为梁宽,F为载荷,E为弹性模量。

所采用的电阻应变仪最小分辨应变为0.5με。重庆计量校准是指一些电子仪器用来校对和测量的基本功能。由式

(2)可知:当应变仪在灵敏度系数分别为k=2和k=0.5时,本机构测量的分辨率分别达到2mN和0.5mN。因此,该测力梁的结构尺寸能满足测试精度要求。这一分辨率是以应变仪的测量范围确定的,应变仪的分辨率越高本结构的测量精度则越高。

 

三、微摩擦力测试系统的标定与测量

1.标定原弹流实验台、测试机构、电阻应变片和电阻应变仪共同组成微摩擦力测试系统,如图5所示。

臂变形引起应变片的电阻变化,通过应变仪成为电压变化,经过A/D转换由计算机采集得到读数。此读数与臂所受的力成线性关系。为考察其线性度,并得到比例系数,需要对测试机构进行标定。

应变标定的方法为将测力臂翻转90°,在受力点处用砝码加力,使测力臂发生变形读取此应变读数;然后将测力臂再翻转180°,同样测一次,读取反向应变读数。重庆计量校准建立和保存社会公用计量标准,开展计量检定、校准、检测(测试)和计量器具的维修工作;对测力臂施加10组载荷,每组载荷测10次数据,取平均值得到与应变仪读数的关系。可以看出,微应变与所加的力之间的线性度很好。

在标定过程中,发现测试系统在调零并经过3h后,零点的漂移很小,对外界的干扰不敏感,说明只要应力应变仪的分辨率提高,测试系统的测量精度还可进一步提高。

2.测量选择某个测试点,按照实验的步骤安装实验装置。应注意杠杆梁的平衡,使砝码的重心、钢球触点、玻璃材质材料品质盘转轴轴心在一条直线上。以保证摩擦力的方向为转轴的切向方向。测量时分几种不同的载荷在不同的灵敏度系数和转速下,测量若干个数据,取其平均值进行计算。

从实验所得的数据可以看出无论灵敏度系数如何,转速为40档时,触点处的实际载荷与应变的读数线性度较好。因为低转速情况下,由于钢球表面精度的影响,以及载荷较小的原因,钢球通常处于非滚动状态。在这一润滑状态下,得到的是滑动摩擦力与微应变的关系。随着速度的提高,钢球表面精度对微摩擦力的影响越来越大,导致明显的波动。

通过对摩擦系数的测量不仅可以分析机械零件所处的润滑状态,而且可以通过不同工况下的摩擦系数的测量对润滑剂的某些特性(如非牛顿性等)进行更深入的研究。

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