一种球形颗粒滑动-滚动摩擦力测试仪及测试方法技术

本发明专利技术设计了一种球形颗粒滑动‑滚动摩擦力测试仪及测试方法，属于测量仪技术领域。该测试仪包括位移传感器、工作台、上承板、滑轨、电动机、球形颗粒、轴、压力传感器、角速度传感器、丝杠、轴承和齿轮。所述工作台上安装电磁铁、位移传感器和丝杠；丝杠上分别安装轴承和支架，轴承固定带有球形颗粒的轴，轴承外侧安装齿轮及电动机；支架固定滑轨；滑轨之间安装上承板；上承板与球形颗粒紧密接触，并随球形颗粒运动。本发明专利技术可以测量不同压力情况下、球形颗粒与材料间的滚动‑滑动摩擦力，并区分滚动与滑动过程；可以利用位移传感器在不与测量体系产生相互作用力的条件下测算出加速度。

A tester and test method for sliding rolling friction of spherical particles

The invention designs a ball particle sliding \u2011 rolling friction tester and a test method, belonging to the technical field of the tester. The tester includes displacement sensor, worktable, upper bearing plate, slide rail, motor, spherical particle, shaft, pressure sensor, angular speed sensor, lead screw, bearing and gear. An electromagnet, a displacement sensor and a lead screw are installed on the workbench; a bearing and a bracket are respectively installed on the lead screw, a bearing is fixed with a shaft with spherical particles, a gear and a motor are installed outside the bearing; a bracket is fixed with a slide rail; a upper bearing plate is installed between the slide rails; the upper bearing plate is in close contact with the spherical particles and moves with the spherical particles. The invention can measure the rolling \u2011 sliding friction force between the spherical particles and materials under different pressure conditions, and distinguish the rolling and sliding processes; the acceleration can be measured and calculated by using the displacement sensor under the condition of no interaction with the measuring system.

【技术实现步骤摘要】
一种球形颗粒滑动-滚动摩擦力测试仪及测试方法
本专利技术属于仪器测量领域，具体涉及一种球形颗粒滑动-滚动摩擦力测试仪及测试方法。
技术介绍
颗粒间的滑动摩擦、滚动摩擦是决定颗粒微观、宏观动力特性的因素之一。在颗粒流体动力学领域中，对颗粒介质的滑动摩擦已有充分研究，而对滚动摩擦与滑动摩擦间的区别有待进一步研究。现有技术对圆柱体的滚动摩擦研究较多，由于球形颗粒滚动摩擦相较于滑动摩擦力非常小，对测量滚动摩擦的仪器精度要求较高，对球形颗粒滚动摩擦的研究较少。目前球形颗粒滚动摩擦测量仪器尚不能很好的区分运动过程中球体的滚动与滑动以及现有仪器对于滚动摩擦力的测量缺少对颗粒所受压力的控制。本专利技术提供一种球形颗粒滑动-滚动摩擦力测试仪，特点是以固定球心的球形颗粒与自由滑动的上承板间的滚动-滑动摩擦力为驱动力，带动钢板运动从而测量滚动摩擦力。此仪器优点在于方便准确测量不同材料间滚动-滑动摩擦力，上承板运动受力分析简单可行，利用传感器测量速度准确，利用电动机及齿轮组可以实现测量颗粒转速的连续变化，可以区分钢板移动过程中的滚动与滑动，进而区分滚动摩擦力与滑动摩擦力。
技术实现思路
为实现上述目的，本专利技术提供了一种测量球形颗粒滑动-滚动摩擦力的测试仪及测试方法。所述测试仪采用固定球心的球形颗粒、可调滑轨结构和可调转速的电动机使球形颗粒在上承板下转动，测量球形颗粒与平板样品之间的摩擦力。平板样品为不同材质加工的矩形平板样品或者是不同粗糙度的砂纸，以方便测量球形与不同平板材质间滚动摩擦力的大小本专利技术的技术方案如下：一种球形颗粒滑动-滚动摩擦力测试仪，包括位移传感器1、工作台2、上承板4、滑轨10、电动机18、球形颗粒19、轴20、压力传感器23、角速度传感器、丝杠、轴承和齿轮。所述工作台2为L形，包括水平板和侧板；所述工作台2的水平板上安装四个调平螺钉3和六个丝杠。其中丝杠Ⅵ17位于工作台2水平板的一端，丝杠Ⅵ17上安装支架11；两根滑轨10一端分别铰接在支架11两端，滑轨10另一端水平铰接在工作台2侧板上；上承板4的下表面有矩形凹槽，将平板样品固定在上承板4下表面的矩形凹槽处，并将上承板4安装在两根滑轨10之间。调节丝杠Ⅵ17可以平衡上承板4与滑轨10间的初始摩擦力，从而减小实验误差。工作台2侧板与上承板4等高位置处安装电磁铁和位移传感器1，利用电磁铁固定上承板4。丝杠Ⅰ12、丝杠Ⅱ13所在直线与丝杠Ⅲ14、丝杠Ⅳ15、丝杠Ⅴ16所在直线平行且平行于滑轨10，丝杠Ⅰ12和丝杠Ⅲ14的连线、丝杠Ⅱ13和丝杠Ⅴ16的连线均垂直于滑轨10。丝杠Ⅰ12、丝杠Ⅱ13、丝杠Ⅲ14、丝杠Ⅳ15、丝杠Ⅴ16和丝杠Ⅵ17从上至下均依次安装垫片Ⅰ22、垫片Ⅱ24和垫片Ⅲ25，每根丝杠上的垫片Ⅰ和垫片Ⅱ不与丝杠固定，垫片Ⅲ焊接固定在丝杠旋转轴上。所述丝杠Ⅰ12、丝杠Ⅱ13、丝杠Ⅲ14、丝杠Ⅳ15和丝杠Ⅴ16的垫片Ⅰ上分别焊接轴承Ⅰ、轴承Ⅱ、轴承Ⅲ、轴承Ⅳ和轴承Ⅴ，丝杠Ⅵ17的垫片Ⅰ上焊接支架11。所述轴20上铰有螺纹，球形颗粒19的球心固定在轴20上；两根轴20分别安装在轴承Ⅰ7和轴承Ⅲ之间、轴承Ⅱ9和轴承Ⅴ之间，均位于平板样品的下方；两根轴20通过调节丝杠Ⅰ12、丝杠Ⅱ13、丝杠Ⅲ14和丝杠Ⅴ16实现两个轴20的高度微调，以适应轴20上不同球形颗粒尺寸的误差，使两轴20水平等高、压力传感器示数相同，解决了上承板4压力分布不均的问题；两根轴20上分别安装角速度传感器。所述轴承Ⅲ、轴承Ⅳ和轴承Ⅴ的外侧分别安装齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ和齿轮Ⅲ，三个齿轮紧密啮合；所述电动机18与齿轮Ⅱ连接，电动机18控制三个齿轮、两个轴20连同球形颗粒19、角速度传感器转速相同。电动机18启动后，角速度传感器显示恒定转速时，再断开电磁铁以避免电动机18启动时变速产生的影响。进一步地，所述滑轨10通过固定铰支架21连接在支架11和工作台2侧板之间。一种采用球形颗粒滑动-滚动摩擦力测试仪的测试方法，包括如下步骤：第一步，调节调平螺钉3使工作台2保持水平。第二步，将平板样品安装在上承板4的下表面矩形凹槽处，并将上承板4安装在两个滑轨10之间，调节丝杠Ⅵ17使上承板4保持水平；开启位移传感器1，给上承板4一个初速度，使用位移传感器1记录位移-时间图像。位移对时间求导若图像不水平则微调丝杠Ⅵ17，再次测量使得图像水平。第三步，将固定有球形颗粒19的两根轴20分别安装在轴承Ⅰ和轴承Ⅲ之间、轴承Ⅱ和轴承Ⅴ之间。开启四个压力传感器，调节丝杠Ⅰ12、丝杠Ⅱ13、丝杠Ⅲ14和丝杠Ⅴ16，使球形颗粒19与上承板4下表面的平板样品接触并使压力传感器显示的压力相等。调节丝杠Ⅳ15使齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ和齿轮Ⅲ紧密啮合。第四步，将上承板4移动至左端，打开电动机18，电动机18驱动三个齿轮转动，进一步带动轴20及球形颗粒19转动，上承板4随球形颗粒19向前运动，位移传感器1记录位移-时间图像。第五步，重复步骤四，得到多个位移-时间图像。第六步，处理第五步得到的多个位移-时间图像，得到合力。测量原理：上承板4放置在球形颗粒19上，调节丝杠Ⅰ12、丝杠Ⅱ13、丝杠Ⅲ14和丝杠Ⅴ16使各丝杠所受压力相等；上承板4与平板样品紧密接触，在工作台2侧板与上承板4同一水平线处固定位移传感器1。当开启电动机18，球形颗粒19匀速转动，在摩擦力作用下上承板4有向右运动趋势，位移传感器1测出的位移-时间图像线性拟合得到曲线及方程，曲线对时间求导为速度-时间关系图，进而得到加速度-时间关系，可进一步得到摩擦力-时间曲线。电动机18转速乘以球形颗粒19半径可以计算球形颗粒19上某一点的路程为上承板4纯滚动位移，进而得到滚动摩擦位移-时间曲线；位移传感器1记录为实际位移-时间曲线，两段位移-时间曲线差值为滑动位移-时间曲线，从而区分运动过程中的滚动与滑动。本专利技术的有益效果：本专利技术可以测量不同压力情况下、球形颗粒与材料间的滚动-滑动摩擦力，并区分滚动与滑动过程；本专利技术可以利用位移传感器在不与测量体系产生相互作用力的条件下测算出加速度。附图说明图1为本专利技术测试仪的立体图；图2为本专利技术测试仪断面图及电动机连接位置示意图；图3为轴心固定的球形颗粒示意图；图4为滑轨横截面示意图；图5为丝杠零件及压力传感器示意图；图中：1.位移传感器；2.工作台；3.调平螺钉；4.上承板；5.齿轮Ⅰ；6.齿轮Ⅱ；7.轴承Ⅰ；8.齿轮Ⅲ；9.轴承Ⅱ；10.滑轨；11.支架；12.丝杠Ⅰ；13.丝杠Ⅱ；14.丝杠Ⅲ；15.丝杠Ⅳ；16.丝杠Ⅴ；17.丝杠Ⅵ；18.电动机；19.球形颗粒；20.轴；21.固定绞支架；22.垫片Ⅰ；23.压力传感器；24.垫片Ⅱ；25.垫片Ⅲ。具体实施方式以下结合附图和技术方案，进一步说明本专利技术的具体实施方式。如图1-图5所示本专利技术球形颗粒滑动-滚动摩擦力测试仪，包括位移传感器1、工作台2、上承板4、滑轨10、电动机18、球形颗粒19、轴20、压力传感器23、角速度传感本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种球形颗粒滑动-滚动摩擦力测试仪，其特征在于，所述的球形颗粒滑动-滚动摩擦力测试仪包括位移传感器(1)、工作台(2)、上承板(4)、滑轨(10)、电动机(18)、球形颗粒(19)、轴(20)、压力传感器(23)、角速度传感器、丝杠、轴承和齿轮；/n所述工作台(2)为L形，包括水平板和侧板；所述工作台(2)的水平板上安装调平螺钉(3)和丝杠；其中丝杠Ⅵ(17)位于工作台(2)水平板的一端，丝杠Ⅵ(17)上安装支架(11)；两根滑轨(10)的一端分别固定在支架(11)两端，另一端水平固定在工作台(2)侧板上；下表面固定有平板样品的上承板(4)安装在两根滑轨(10)之间；工作台(2)侧板与上承板(4)等高位置处安装电磁铁和位移传感器(1)，电磁铁用于固定上承板(4)；/n丝杠Ⅰ(12)、丝杠Ⅱ(13)、丝杠Ⅲ(14)、丝杠Ⅳ(15)和丝杠Ⅴ(16)均安装在工作台(2)的水平板上；丝杠Ⅰ(12)和丝杠Ⅱ(13)所在直线与丝杠Ⅲ(14)、丝杠Ⅳ(15)和丝杠Ⅴ(16)所在直线平行且平行于滑轨(10)；丝杠Ⅰ(12)和丝杠Ⅲ(14)的连线、丝杠Ⅱ(13)和丝杠Ⅴ(16)的连线均垂直于滑轨(10)；所述的丝杠Ⅰ(12)、丝杠Ⅱ(13)、丝杠Ⅲ(14)、丝杠Ⅳ(15)、丝杠Ⅴ(16)和丝杠Ⅵ(17)从上至下均依次安装有垫片Ⅰ(22)、垫片Ⅱ(24)和垫片Ⅲ(25)，其中垫片Ⅰ(22)和垫片Ⅱ(24)不与丝杠固定，垫片Ⅲ(25)固定在丝杠的旋转轴上，丝杠Ⅰ(12)、丝杠Ⅱ(13)、丝杠Ⅲ(14)和丝杠Ⅴ(16)的垫片Ⅰ(22)和垫片Ⅱ(24)之间均安装压力传感器(23)；所述丝杠Ⅰ(12)、丝杠Ⅱ(13)、丝杠Ⅲ(14)、丝杠Ⅳ(15)和丝杠Ⅴ(16)的垫片Ⅰ(22)上分别焊接轴承Ⅰ、轴承Ⅱ、轴承Ⅲ、轴承Ⅳ和轴承Ⅴ；所述轴(20)上铰有螺纹，球形颗粒(19)的球心固定在轴(20)上；两根轴(20)分别安装在轴承Ⅰ(7)和轴承Ⅲ之间、轴承Ⅱ(9)和轴承Ⅴ之间，且均位于平板样品的下方；两根轴(20)上均安装角速度传感器；两根轴(20)通过丝杠调节实现高度微调；所述的轴承Ⅲ、轴承Ⅳ和轴承Ⅴ的外侧分别安装齿轮Ⅰ、齿轮Ⅱ和齿轮Ⅲ，三个齿轮紧密啮合；所述电动机(18)与齿轮Ⅱ连接，电动机(18)控制三个齿轮、两个轴(20)连同球形颗粒(19)、角速度传感器转动。/n...

【技术特征摘要】
1.一种球形颗粒滑动-滚动摩擦力测试仪，其特征在于，所述的球形颗粒滑动-滚动摩擦力测试仪包括位移传感器(1)、工作台(2)、上承板(4)、滑轨(10)、电动机(18)、球形颗粒(19)、轴(20)、压力传感器(23)、角速度传感器、丝杠、轴承和齿轮；
所述工作台(2)为L形，包括水平板和侧板；所述工作台(2)的水平板上安装调平螺钉(3)和丝杠；其中丝杠Ⅵ(17)位于工作台(2)水平板的一端，丝杠Ⅵ(17)上安装支架(11)；两根滑轨(10)的一端分别固定在支架(11)两端，另一端水平固定在工作台(2)侧板上；下表面固定有平板样品的上承板(4)安装在两根滑轨(10)之间；工作台(2)侧板与上承板(4)等高位置处安装电磁铁和位移传感器(1)，电磁铁用于固定上承板(4)；
丝杠Ⅰ(12)、丝杠Ⅱ(13)、丝杠Ⅲ(14)、丝杠Ⅳ(15)和丝杠Ⅴ(16)均安装在工作台(2)的水平板上；丝杠Ⅰ(12)和丝杠Ⅱ(13)所在直线与丝杠Ⅲ(14)、丝杠Ⅳ(15)和丝杠Ⅴ(16)所在直线平行且平行于滑轨(10)；丝杠Ⅰ(12)和丝杠Ⅲ(14)的连线、丝杠Ⅱ(13)和丝杠Ⅴ(16)的连线均垂直于滑轨(10)；所述的丝杠Ⅰ(12)、丝杠Ⅱ(13)、丝杠Ⅲ(14)、丝杠Ⅳ(15)、丝杠Ⅴ(16)和丝杠Ⅵ(17)从上至下均依次安装有垫片Ⅰ(22)、垫片Ⅱ(24)和垫片Ⅲ(25)，其中垫片Ⅰ(22)和垫片Ⅱ(24)不与丝杠固定，垫片Ⅲ(25)固定在丝杠的旋转轴上，丝杠Ⅰ(12)、丝杠Ⅱ(13)、丝杠Ⅲ(14)和丝杠Ⅴ(16)的垫片Ⅰ(22)和垫片Ⅱ(24)之间均安装压力传感器(23)；所述丝杠Ⅰ(12)、丝杠Ⅱ(13)、丝杠Ⅲ(14)、丝杠Ⅳ(15)和丝杠Ⅴ(16)的垫片Ⅰ(22)上分别焊接轴承Ⅰ、轴承Ⅱ、轴承Ⅲ、轴承Ⅳ和轴承Ⅴ；所述轴(20)上铰有螺纹，球形颗粒(19)的球心固定在轴(20)上；两根轴(20)分别安装在轴承Ⅰ(7...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙珊珊，孙岩，王延林，程大海，刘边卓，詹卫伸，樊哲良，陈永浩，张亿坚，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：辽宁;21