小载荷下滑动往复摩擦测试平台的研制

　　随着微机械(MEMS)应用日益广泛,其体现出来的摩擦磨损问题越来越突出[1]。当前对纳米摩擦润滑机理的研究主要通过理论和实验的方法[2]。理论的研究主要是通过计算机模拟技术如分子动力学[3],但至今仍无法真实地模拟实际工况;实验的研究基于表面力仪、原子力显微镜等设备,但其仅能在纳米级的接触上考察材料的摩擦学特性。

　　参考国内外多种小载荷摩擦测试平台[4~8],本文作者自行设计开发了一套工作在毫牛级载荷下球接触滑动往复摩擦实验平台。与普通的摩擦测试平台一样,本文设计的实验平台中同样需要解决两个问题:(1)测出样品的微小摩擦阻力; (2)对应正压力大小。通过对这两个基本量的测量,同时控制载荷大小、摩擦运动速度等参数,可考察材料在不同工况下的摩擦学性能。

　　整个实验平台由3大部分组成: (1)测力系统,球接触下可实时测量法向正压力和横向摩擦力; (2)运行系统,包括电机的无级调速、载荷的设定,从而实现在不同条件下材料摩擦学性能的考察; (3)采用虚拟仪器[9]技术实现信号采集、测量数据可视化及结果保存。

　　1　力传感器的设计

　　1·1　设计要求及测力原理

　　摩擦学性能测试需要知道载荷和摩擦力的大小,鉴于市场上廉价小量程高精度测力传感器的缺乏,作者自行设计了一种新的二维力传感器以实现对法向正压力和横向摩擦力的同时测量。借助有限元软件ANSYS,获得了一种较好的悬臂结构(见图1),实践也证明所设计的二维力传感器完全能满足要求。

　　二维力传感器的测力原理分别是电阻应变片法和位移法。电阻应变片法是将应变检测元件应变片7贴在弹性钢片4靠近连接头3的一端上,通过检测作用在可拆换摩擦头6上正压力引起弹性钢片4的应变量,将力信号转换成电压信号并加以放大,经标定得到正压力与输出电压的线性关系。所采用的位移法是将摩擦力引起的弹性钢片2的横向位移用高精度非接触位移传感器(输出是电压信号)在连接头3处检测,经标定也同样能得到摩擦力与输出电压的线性关系。

　　1·2　ANSYS下力传感器的耦合特性考察

　　耦合特性是相互影响的程度,耦合使得测量精度下降,多维力传感器需要消除、抑制耦合影响。图1中,直观地看,在法向正压力和横向摩擦力同时作用下,弹性钢片4将仅受正压力作用而产生变形;而弹性钢片2将仅受摩擦力作用下产生变形位移。ANSYS分析(见图2)也说明了这一点:当左端固定,右端施加向上大小为1 000 mN的正压力时,右端的弹性钢片发生变形,而左端的弹性钢片未发生变形。同时,还发现图中右端摩擦头在受到法向正压力下仍旧保持水平,这说明该悬臂结构不但适合进行点接触摩擦学性能的测试,而且还能进行线、面接触测试,这种结构比文献[4]中提到的结构要好得多。