端面摩擦磨损自动检测系统的设计

　　随着摩擦学研究的不断深入,对摩擦磨损试验的要求也越来越高。摩擦磨损试验机的重要用途就是测定试样的摩擦磨损性能,其主要参数是摩擦因数,可通过测定摩擦力获得。在摩擦磨损试验的过程中,由于试样、试验的外部环境的影响,摩擦力矩一般波动较大,要通过试验员用手工方法来获取准确的摩擦力矩值是困难的。

　　随着计算机的普及,出现了利用计算机辅助摩擦磨损试验的试验机,这种试验机多采用“传感器+信号调理+数据采集卡+软件”这样一种基于模数采集卡的基本形式。来自传感器的微弱信号经过后面配接的信号调理电路的放大和预滤波后输出标准的模拟电压或电流信号,经传输导线送入计算机中的数据采集卡采样、A/D转换后,存储于计算机中进行运算分析与处理,以适当的形式输出、显示或记录测量结果。据此,本文作者研制了一台HDM210端面摩擦磨损试验机,实现了试验数据自动记录、处理。

　　1　摩擦力信号检测系统的设计

　　1.1　数学模型

　　该试验机通过一个力的传递机构来得到当量摩擦力。如图1所示,上试样逆时针旋转,同时下试样给其施加一个压力,并在摩擦副上试样产生摩擦力矩M1。为了保证在试验的过程中下试样不会发生旋转,应对下试样施加一个大小与M1相等,方向与其相反的力矩。然后,通过力的传递机构,产生一个当量摩擦力作用于测量摩擦力传感器上,来得到摩擦力的信息。图2为力的传递机构的示意图。

　　实际的设计中下试样安放在圆形的装置中,通过力的平衡分析得出以下公式:

　　式中: R为下试样夹具的外圆直径。

　　为了保证杠杆的平衡,必须满足以下公式:

　　其中F2是通过传感器测得的。

　　设上下试样之间的压力为N,其接触面积S为:

　　式中: R1为上试样的内径(半径); R2为上试样的外径(半径)。

　　单位面积的正压力为p:

　　通过积分的方法求出上试样对下试样的摩擦力矩为:

　　由此可以得到摩擦因数μ:

　　当上试样旋转时,由于上下试样接触面的各点旋转半径不同造成其线速度不同。设上试样的角速度为ω,上下试样的接触点到上试样旋转轴的距离为r,则该速度v为:

　　v=ωr (7)

　　通过上面的公式可以知道,随着r的不断增大,v也不断增大,所以在上下试样接触面的外圈的接触点的线速度最大,而内圈接触点的线速度最小。

　　因接触面上的线速度是不同的,在试验初始阶段试样的内外圈磨损会不同,靠近接触面外圈的接触线速度较大,就造成此处试样的磨损量较多,结果出现初始跑合阶段摩擦系统的不稳定。随着跑合结束,上下试样间就会产生不均匀接触,造成各处所承受的压力不同,靠近内圈处的压力较大。随着试验的进行,内外圈的各点线速度v与压力p的乘积值即pv值逐渐趋于相同,这时摩擦因数和磨损就趋于稳定。当然,在设计上试样时R2-R1的差值不能过大,一般使内外圈摩擦状态的差异尽量小一点。