一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机制造技术

一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，涉及试验机领域。包括工作台、支架、支撑架、上试件、下试件、双自由度柔性铰链、加载缸、应变片Ⅰ、应变片Ⅱ、力传感器、液压加载及控制系统、控制器及往复运动组件。上试件由往复运动组件驱动，并通过加载缸施加正压力，使试件间产生摩擦，摩擦迫使双自由度柔性铰链形变，变形通过应变片Ⅰ和应变片Ⅱ转变为电信号，进而由控制器算得摩擦力大小；正压力大小、试件间摩擦副两端液体压力差均通过液压加载及控制系统、控制器、力传感器实现实时感知与控制。本发明专利技术可实现摩擦载荷、摩擦副端面液体压力差及摩擦速度的动态调整，及上述变工况条件下摩擦力的实时动态测量，并且其稳定性较好。

A Reciprocating Friction and Wear Testing Machine Based on Two-DOF Flexible Hinge under Variable Working Conditions

【技术实现步骤摘要】
一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机
本专利技术涉及一种摩擦试验机，具体涉及一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机。
技术介绍
往复式摩擦磨损试验机是一种可用来测试金属或者非金属材料移动副的摩擦学性能的试验设备，摩擦学领域将摩擦试验机的研制与摩擦学理论研究视为同等重要地位，因此研制高性能摩擦磨损试验机意义重大。目前常见摩擦磨损试验机多为旋转摩擦磨损试验机，往复式摩擦磨损试验机较少，且已有往复式摩擦磨损试验机主要存在以下问题：首先，已有往复式摩擦磨损试验机的摩擦载荷加载多为丝杠加载，加载响应速度慢，且多为恒定加载，部分先进试验机也只能实现等步长加载，并不能实现响应快速的动态变负载加载。其次，已有往复摩擦磨损试验机的往复运动，多为曲柄连杆机构实现，往复速度调节困难，且曲柄连杆机构振动冲击严重，调节往复行程需要调节停机调节曲柄半径；部分试验机采用丝杠传动，动态响应速度更低。可见，现有往复摩擦磨损试验机的往复运行速度调节不变，且速度调节响应速度较低，并不能实现快速响应的变速度或变行程往复运动。再次，已有往复摩擦磨损试验机的摩擦副浸入环境多为干摩擦，部分试验机加入了润滑通道，可实现介质润滑条件下的摩擦磨损试验，但现有摩擦磨损试验机，很少具备模拟摩擦副两端液体压力差及压力差实时变动工况下的摩擦磨损试验，可见现有摩擦磨损试验机，也不能实现摩擦副两端液体压力差快速变化响应的摩擦磨损试验。此外，现有往复摩擦磨损试验机多采用悬臂梁支撑及砝码重力加载的结构为主，悬臂梁结构导致整个试验机在往复运动的冲击下振动严重，加之采用砝码重力加载，整个试验机系统的稳定性较差，导致摩擦副正压力波动，进而影响摩擦力测量精度。综上，传统往复摩擦磨损试验机，难以实现快速响应的变载荷、变速度、变摩擦副端面压力的动态变工况摩擦磨损试验，且悬臂梁支撑及砝码重力加载导致整机振动、稳定性差，且测量精度受影响。为了解决上述问题，本专利技术提出一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，可实现摩擦载荷、摩擦副端面液体压力差及摩擦速度动态调整，以及上述变工况条件下往复摩擦力的实时动态测量，并且试验机整体在往复运动条件下稳定性较好、精度较高。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于提供一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，解决传统往复摩擦磨损试验机，难以实现变载荷、变速度、变摩擦副端面压力的快速响应的动态变工况摩擦磨损试验，以及悬臂梁支撑及砝码重力加载导致整机振动和稳定性差的技术难题。本专利技术所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现。一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，包括工作台、安装于工作台四周的支脚、固定于工作台上平面的支架和往复运动组件、上试件、下试件、双自由度柔性铰链、加载缸、应变片Ⅰ、应变片Ⅱ、力传感器、液压加载及控制系统、控制器、以及固定于工作台上平面的定滑轮和速度传感器。往复运动组件通过两个直线轴承安装于工作台的上平面，双自由度柔性铰链通过支架安装在工作台上，其特征在于：所述的加载缸通过支撑架悬置于双自由度柔性铰链的正上方，加载缸的输出杆顶在双自由度柔性铰链上表面的中心位置，且柔性铰链两侧面粘贴应变片Ⅰ和应变片Ⅱ；力传感器设置于双自由度柔性铰链和连接块之间，连接块与双自由度柔性铰链通过圆柱副连接，且连接块位于双自由度柔性铰链正下方，上试件与连接块之间通过螺纹连接，并由紧固螺母锁紧；下试件与上试件间通过移动副连接，且下试件支撑在上试件下方，下试件两端安装于往复运动组件上，上试件与液压加载及控制系统之间通过液压管路连接。所述的往复运动组件由直线电机、过渡块、左连接轴、右连接轴和销钉组成；其中直线电机安装于工作台上平面，过渡块安装于直线电机的运动平台上；右连接轴一端安装在过度块上，另一端与下试件的一端通过莫氏锥度连接，并由销钉固定，且右连接轴的轴线与运动平台运动方向平行；左连接轴与下试件的另一端通过莫氏锥度连接，并由销钉固定，且右连接轴、下试件和左连接轴三者同轴布置；右连接轴和左连接轴还分别通过轴线轴承支撑在工作台上表面。所述的双自由度柔性铰链为中心对称结构，由两端至铰链中心依次为厚度较厚的刚性板Ⅰ、厚度较薄的柔性板Ⅰ、厚度较厚的刚性板Ⅱ、厚度较薄的柔性板Ⅱ及位于中间的厚度较厚的刚性板Ⅲ组成，其中刚性板Ⅰ、柔性板Ⅰ、刚性板Ⅱ及刚性板Ⅲ均与工作台平行布置，柔性板Ⅱ与工作台垂直布置，且柔性板Ⅱ布置方向还与下试件的运动方向垂直；刚性板Ⅰ的侧面设有轴线与下试件运动方向平行的通孔，该通孔与心轴外圆面通过转动副连接，心轴两端分别支撑在支架的两侧通孔上，且心轴的两轴端设置有与支架螺钉连接的限位端盖；刚性板Ⅲ的下表面的中心设有一定深度的盲孔。所述的柔性板Ⅰ的上下两侧分别粘贴一个应变片Ⅰ，柔性板Ⅱ左右两侧分别粘贴一个应变片Ⅱ，应变片Ⅰ和应变片Ⅱ均通过信号线将应变信号传递至采集卡，采集卡通过信号线将采集信号传递至控制器。所述的连接块由三段构成，上段为套筒，中间段为圆柱段，下段为螺柱段；套筒外表面与盲孔构成圆柱副连接，力传感器安装在套筒内部，力传感器的高度大于套筒的深度，力传感器的上端顶在盲孔底部，力传感器的下端压在套筒的底部，且在套筒的侧面开有传感器接线孔，借助接线孔力传感器通过信号线与控制器连接；螺柱段与上试件通过螺纹连接，并通过紧固螺母锁紧上试件。所述的液压加载及控制系统由泵Ⅰ、溢流阀Ⅰ、二位四通电磁换向阀、油箱、比例溢流阀Ⅰ、比例放大器Ⅰ、压力传感器Ⅰ、泵Ⅱ、溢流阀Ⅱ、比例溢流阀Ⅱ、比例放大器Ⅱ及压力传感器Ⅱ组成。泵Ⅰ出口并联溢流阀Ⅰ，泵Ⅰ出口与二位四通电磁换向阀进油口连接，二位四通电磁换向阀出油口与比例溢流阀Ⅰ进油口连接，二位四通电磁换向阀、溢流阀Ⅰ及比例溢流阀Ⅰ的回油口均通过管路连至油箱；且二位四通电磁换向阀工作油口还分别与加载缸的无杆腔和有杆腔相连，加载缸无杆腔连有压力传感器Ⅰ，且压力传感器Ⅰ检测的压力信号通过信号线传递至比例放大器Ⅰ并与控制器的给定信号相比较，产生的偏差信号通过信号线传递至比例溢流阀Ⅰ，控制比例溢流阀Ⅰ的控制压力，二位四通电磁换向阀与控制器间通过信号线连接。泵Ⅱ出口并联溢流阀Ⅱ和比例溢流阀Ⅱ，溢流阀Ⅱ及比例溢流阀Ⅱ的回油口均通过管路连至油箱；且泵Ⅱ出口通过管路及管接头与上试件连接，上试件与下试件之间的泄漏油通过安装在工作台上的集油器收集，再经过过滤器过滤后进入测量盒，且在上试件的进油口并联一压力传感器Ⅱ，压力传感器Ⅱ检测的压力信号通过信号线传递至比例放大器Ⅱ并与控制器的给定信号相比较，产生的偏差信号通过信号线传递至比例溢流阀Ⅱ，控制比例溢流阀Ⅱ的控制压力，压力传感器Ⅱ2212检测的压力信号还通过信号线传递至控制器25。所述上试件轴向开有贯穿的通孔，在上试件上部外壁的中间位置设有螺纹孔，侧面外壁的中间位置设有进油口，进油口与流道的轴线重合，并连接至通孔；进油口和螺纹孔的轴线均垂直于通孔的轴线，且进油口和螺纹孔的轴线或其延长线均与通孔轴线相交；进油口上连有管接头；螺纹孔与连接块间通过螺柱段连接。所述下试件为双活塞结构，轴向依次设有连接轴段Ⅰ、活塞段Ⅰ、连接轴段Ⅱ、活塞段Ⅱ、连接轴段Ⅲ；连接轴段Ⅰ与左连接轴间通过莫氏锥度连接，连接轴段Ⅲ与右连接轴间也通过莫氏锥度连接。且上试件轴向通孔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，包括工作台(1)、安装于工作台(1)四周的支脚(2)、固定于工作台(1)上平面的支架(7)和往复运动组件(3)、上试件(4)、下试件(5)、双自由度柔性铰链(6)、加载缸(9)、应变片Ⅰ(19)、应变片Ⅱ(20)、力传感器(21)、液压加载及控制系统(22)、控制器(25)、以及固定于工作台(1)上平面的定滑轮(15)和速度传感器(24)；往复运动组件(3)通过两个直线轴承(8)安装于工作台(1)的上平面，双自由度柔性铰链(6)通过支架(7)安装在工作台(1)上，其特征在于：加载缸(9)通过支撑架(17)悬置于双自由度柔性铰链(6)的正上方，加载缸(9)的输出杆顶在双自由度柔性铰链(6)上表面的中心位置，且柔性铰链(6)两侧面粘贴应变片Ⅰ(19)、应变片Ⅱ(20)；力传感器(21)设置于双自由度柔性铰链(6)和连接块(10)之间，连接块(10)与双自由度柔性铰链(6)通过圆柱副连接，且连接块(10)位于双自由度柔性铰链(6)正下方，上试件(4)与连接块(10)之间通过螺纹连接，并由紧固螺母(11)锁紧；下试件(5)与上试件(4)间通过移动副连接，且下试件(5)支撑在上试件(4)下方，下试件(5)两端安装于往复运动组件(3)上，上试件(4)与液压加载及控制系统(22)之间通过液压管路连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，包括工作台(1)、安装于工作台(1)四周的支脚(2)、固定于工作台(1)上平面的支架(7)和往复运动组件(3)、上试件(4)、下试件(5)、双自由度柔性铰链(6)、加载缸(9)、应变片Ⅰ(19)、应变片Ⅱ(20)、力传感器(21)、液压加载及控制系统(22)、控制器(25)、以及固定于工作台(1)上平面的定滑轮(15)和速度传感器(24)；往复运动组件(3)通过两个直线轴承(8)安装于工作台(1)的上平面，双自由度柔性铰链(6)通过支架(7)安装在工作台(1)上，其特征在于：加载缸(9)通过支撑架(17)悬置于双自由度柔性铰链(6)的正上方，加载缸(9)的输出杆顶在双自由度柔性铰链(6)上表面的中心位置，且柔性铰链(6)两侧面粘贴应变片Ⅰ(19)、应变片Ⅱ(20)；力传感器(21)设置于双自由度柔性铰链(6)和连接块(10)之间，连接块(10)与双自由度柔性铰链(6)通过圆柱副连接，且连接块(10)位于双自由度柔性铰链(6)正下方，上试件(4)与连接块(10)之间通过螺纹连接，并由紧固螺母(11)锁紧；下试件(5)与上试件(4)间通过移动副连接，且下试件(5)支撑在上试件(4)下方，下试件(5)两端安装于往复运动组件(3)上，上试件(4)与液压加载及控制系统(22)之间通过液压管路连接。2.根据权利要求1所述的一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述的往复运动组件(3)由直线电机(301)、过渡块(302)、左连接轴(303)、右连接轴(304)和销钉(305)组成；其中直线电机(301)安装于工作台(1)上平面，过渡块(302)安装于直线电机(301)的运动平台上；右连接轴(304)一端安装在过度块(302)上，另一端与下试件(5)的一端通过莫氏锥度连接，并由销钉(305)固定，且右连接轴(304)的轴线与运动平台运动方向平行；左连接轴(303)与下试件(5)的另一端通过莫氏锥度连接，并由销钉(305)固定，且右连接轴(304)、下试件(5)和左连接轴(303)三者同轴布置；右连接轴(304)和左连接轴(303)还分别通过轴线轴承(8)支撑在工作台(1)上表面。3.根据权利要求1所述的一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述的双自由度柔性铰链(6)为中心对称结构，由两端至铰链中心依次为厚度较厚的刚性板Ⅰ(601)、厚度较薄的柔性板Ⅰ(602)、厚度较厚的刚性板Ⅱ(603)、厚度较薄的柔性板Ⅱ(604)及位于中间的厚度较厚的刚性板Ⅲ(605)组成，其中刚性板Ⅰ(601)、柔性板Ⅰ(602)、刚性板Ⅱ(603)及刚性板Ⅲ(605)均与工作台(1)平行布置，柔性板Ⅱ(604)与工作台(1)垂直布置，且柔性板Ⅱ(604)布置方向还与下试件(5)的运动方向垂直；刚性板Ⅰ(601)的侧面设有轴线与下试件(5)运动方向平行的圆柱孔(606)，该圆柱孔(606)与心轴(18)外圆面通过转动副连接，心轴(18)两端分别支撑在支架(7)的两侧通孔上，且心轴(18)的两轴端设置有与支架(7)螺钉连接的限位端盖(23)；刚性板Ⅲ(605)的下表面的中心设有一定深度的盲孔(607)。4.根据权利要求3所述的一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述的柔性板Ⅰ(602)的上下两侧分别粘贴一个应变片Ⅰ(19)，所述的柔性板Ⅱ(604)左右两侧分别粘贴一个应变片Ⅱ(20)，应变片Ⅰ(19)和应变片Ⅱ(20)均通过信号线将应变信号传递至采集卡(2213)，采集卡(2213)通过信号线将采集信号传递至控制器(25)。5.根据权利要求1所述的一种基于双自由度柔性铰链的变工况往复摩擦磨损试验机，其特征在于：所述的连接块(10)由三段构成，上段为套筒(101)，中间段为圆柱段(102)，下段为螺柱段(103)；套筒(101)外表面与盲孔(607)构成圆柱副连接，力传感器(21)安装在套筒(101)内部，力传感器(21)的高度大于套筒(101)的深度，的上端顶在盲孔(607)底部，力传感器(21)的下端压在套筒(101)的底部，且...

【专利技术属性】
技术研发人员：何涛，李金苗，李成，陈国瑜，朱路生，张宇，张文标，骆元庆，
申请(专利权)人：安徽理工大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34