本發(fā)明涉及一種摩擦系數(shù)測量裝置，屬于測量儀器技術(shù)領域。

背景技術(shù)：

當測量兩物體之間的滾動摩擦系數(shù)時，現(xiàn)有方法是將兩物體同時放置于一傾角可以變化的斜面上，一物體置于另一物體之上。下面的物體固定于斜面上, 上面的物體制作成圓柱狀，可以在下面的物體表面上自由滾動。如圖5所示。

根據(jù)牛頓第二定律分析被測試樣1開始運動時的情況。當傾斜角不大時, 被測試樣1相對于被測試樣2處于靜止狀態(tài)。這時，有下式的力平衡：

N–mgcosθ=0 (1)

mgsinθ-f = 0 (2)

（1）式中，N 為被測試樣2施加在被測試樣1上的支撐反力；（2）式中，f 為摩擦力。逐漸增大θ 角（可以通過改變距離x 實現(xiàn)）到θ = θ₀時，被測試樣1恰好開始滾動，這時摩擦力記為f_r，f_r =u₀ N ，此時的u₀稱為滾動摩擦系數(shù)，也是本發(fā)明要測量的物理量。將該式代入到（1）、（2）式中，可得

u₀= tan θ₀=x₀/y (3)

不同材料、不同表面粗糙度、不同使用環(huán)境條件下，兩物體間的u₀不同，故需要儀器設備在具體條件下進行摩擦系數(shù)的測定；另正壓力的大小理論上不會影響u₀的大小，但在工程應用中，由于兩摩擦材料接觸表面的微觀形態(tài)不同（尤其是金屬材料對非金屬材料的摩擦），正壓力變化會導致u₀在一定范圍內(nèi)發(fā)生變動，故在不同正壓力大小施加作用下的u₀精確測定，也是工程應用中需要解決的問題。

經(jīng)文獻查新和專利檢索，現(xiàn)有用于測定滾動摩擦系數(shù)（如M-2000多功能摩擦-磨損實驗機）的方法原理可歸結(jié)為斜面小車法，即將被測試樣1做成小車車輪，被測試樣2做成平板，對小車施加不同重量以測定兩材料間的滾動摩擦系數(shù)。該方法需要在待測試樣上裝配滾動軸承，欲使小車車輪滾動，必須先克服滾動軸承滾子與保持架間的摩擦力，故存在一定測量誤差。此外，中國專利ZL99251092.9《摩擦系數(shù)測定儀》是通過觀察得到θ₀角來計算u₀的，精度較低，且無法改變正壓力，只涉及靜摩擦系數(shù)測定，不涉及滾動摩擦系數(shù)測定范疇。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明提供一種臨界滾動摩擦系數(shù)電子式測定裝置及方法，可任意改變正壓力大小，精確測定滾動摩擦系數(shù)u₀，將摩擦系數(shù)的測定問題轉(zhuǎn)換為距離測量問題，便捷直觀。

本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種臨界滾動摩擦系數(shù)電子式測定裝置，它包括底座，底座具有平整的下端面，底座上面的一端固定有鉸支座，底座上面的另一端固定有調(diào)節(jié)支架；

所述鉸支座上通過鉸接軸鉸接有工作臺，工作臺在初始位置與所述底座平行，所述工作臺的中部有測試區(qū)域，測試區(qū)域內(nèi)嵌裝有平板狀的被測試樣Ⅱ，被測試樣Ⅱ上放置有被測試樣Ⅰ，被測試樣Ⅰ是圓柱形金屬件；所述被測試樣Ⅱ下方安裝有給被測試樣Ⅰ提供壓力的電磁鐵，電磁鐵的繞組線圈電連接有可調(diào)直流電壓源；

所述調(diào)節(jié)支架位于所述工作臺下方，所述調(diào)節(jié)支架上裝有升降裝置，升降裝置包括滾珠絲杠，滾珠絲杠的兩端通過軸承安裝在調(diào)節(jié)支架的橫臂和絲杠軸架之間，滾珠絲杠與所述底座垂直，滾珠絲杠的絲母上剛性連接有球頭導桿，所述橫臂上有供球頭導桿穿過的通孔，所述球頭導桿與所述底座垂直并從橫臂的通孔穿過，球頭導桿與通孔內(nèi)壁之間裝有耐磨潤滑套，球頭導桿的上端與所述工作臺接觸，所述滾珠絲杠的下端連有聯(lián)軸器，聯(lián)軸器連接步進電機；所述球頭導桿與鉸接軸的軸線距離是定值y，定值y的精度為0.01mm；

所述升降裝置還包括升降控制與位移檢測系統(tǒng)，升降控制與位移檢測系統(tǒng)包括：用于檢測所述球頭導桿移動高度的位移檢測傳感器、帶動步進電機運動的步進電機驅(qū)動裝置、接收位移檢測傳感器信號并控制步進電機驅(qū)動裝置動作的PLC控制器、與PLC控制器電連接的人機交互界面。

所述被測試樣Ⅰ制作成中間粗兩端細的臺階圓軸形，被測試樣Ⅰ在靜止和滾動時均與所述電磁鐵構(gòu)成封閉磁路。

所述工作臺的測試區(qū)域的兩端極限位置均設置有擋塊。

所述底座的下端面上設置有多個調(diào)整螺釘。

所述電磁鐵的鐵芯是“U”形，所述電磁鐵通過卡箍和螺栓組件固定在所述工作臺下面。

所述被測試樣Ⅱ的上平面與所述工作臺的上平面齊平或低于所述工作臺的上平面。

所述耐磨潤滑套是尼龍?zhí)谆蜚~套。

所述人機交互界面是觸摸顯示屏。

一種采用所述裝置的臨界滾動摩擦系數(shù)電子式測定方法，其特征在于：

包括如下步驟：

第一步、將底座和工作臺水平找正，升降控制與位移檢測系統(tǒng)調(diào)零；球頭導桿與鉸接軸的軸線距離在制作時就確定好定值y，定值y的精度為0.01mm；

第二步、將被測試樣Ⅰ置于被測試樣Ⅱ上靜置，被測試樣Ⅰ的滾動方向朝向所述鉸支座；

第三步、工作臺的抬升采用電脈沖點動控制，通過人機交互界面，每發(fā)一個脈沖， PLC控制器就向步進電機驅(qū)動裝置發(fā)訊，驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一個步距角，再通過聯(lián)軸器和滾珠絲杠將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為絲母上的球頭導桿的直線運動，進而精確控制球頭導桿的位移量，通過電脈沖點動控制緩慢抬起工作臺，抬起的距離由位移檢測傳感器測出并在人機交互界面顯示；

第四步、當被測試樣Ⅰ恰好在被測試樣Ⅱ上發(fā)生滾動時，停止發(fā)動電脈沖信號，實驗結(jié)束，人機交互界面上顯示出此時的抬升位移量，記錄此時抬起距離讀數(shù)x₀，根據(jù)u₀= tan θ₀=x₀/y，得到滾動摩擦系數(shù)u₀的值；

第五步、調(diào)節(jié)可調(diào)直流電壓源，改變直流電流I的大小，施加不同大小的吸力，重復上述試驗，測定不同大小正壓力時，滾動摩擦系數(shù)值的變化。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明將摩擦系數(shù)的測定問題轉(zhuǎn)換為距離測量問題，便捷直觀；將負載施加變換為電磁力施加，操作簡便，誤差小。

2、本發(fā)明精度高：可進行電脈沖點動控制，通過觸摸屏人機交互界面，每發(fā)一個脈沖，驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一定步距角，進而精確控制球頭導桿的位移量，摒棄了人手操作。本發(fā)明對x 的讀數(shù)可直接顯示的觸摸屏上，無需人工讀取，去除了人為讀取百分表示數(shù)的讀取誤差；通過選擇合適的滾珠絲杠螺距，配置精度滿足要求的步進電機及其分頻驅(qū)動裝置，可以由中控PLC精確控制球頭導桿的移動距離，并顯示在可提供交互控制界面的觸摸屏上。如果在球頭導桿上裝配位移檢測傳感器，還可實現(xiàn)閉環(huán)控制，精確測量控制指令發(fā)出后x的真實大小。

3、本發(fā)明穩(wěn)定性好，可靠性高：絲母與球頭導桿間通過螺釘剛性連接，將螺母與滾珠絲杠間的摩擦力力矩作用通過球頭導桿轉(zhuǎn)移到調(diào)節(jié)支架上，由調(diào)節(jié)支架承擔，球頭導桿只負責上下移動，動作穩(wěn)定可靠。

4、本發(fā)明正壓力施加通過電磁吸力裝置實現(xiàn)，可通過改變直流電流的大小改變正壓力大小，測量不同正壓力下兩材料間的滾動摩擦系數(shù)；

5、本發(fā)明測量結(jié)構(gòu)簡單、操作便利，易于實施推廣。

附圖說明

下面根據(jù)附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。

圖1是本發(fā)明主視圖；

圖2是圖1的俯視圖；

圖3是圖1的左視圖；

圖4是圖2的A-A剖視圖；

圖5是本發(fā)明原理圖。

圖中，1、工作臺，2、擋塊，3、被測試樣Ⅰ，4、被測試樣Ⅱ，5、電磁鐵，5-1、繞組線圈，5-2、可調(diào)直流電壓源，6、卡箍，7、球頭導桿，8、滾珠絲杠，8-1、絲母，9、步進電機，9-1、聯(lián)軸器，10、調(diào)節(jié)支架，10-1、耐磨潤滑套，10-2、橫臂，10-3、絲杠軸架，11、調(diào)整螺釘，12、底座， 13、鉸支座，14、鉸接軸。

具體實施方式

下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進一步說明。

如圖1-圖4所示的一種臨界滾動摩擦系數(shù)電子式測定裝置，它包括底座12，底座12具有平整的下端面，底座12上面的一端固定有鉸支座13，底座12上面的另一端固定有調(diào)節(jié)支架10；

所述鉸支座13上通過鉸接軸14鉸接有工作臺1，工作臺1在初始位置與所述底座12平行，所述工作臺1的中部有測試區(qū)域，測試區(qū)域內(nèi)嵌裝有平板狀的被測試樣Ⅱ4，被測試樣Ⅱ4上放置有被測試樣Ⅰ3，被測試樣Ⅰ3是圓柱形金屬件；所述被測試樣Ⅱ4下方安裝有給被測試樣Ⅰ3提供壓力的電磁鐵5，電磁鐵5的繞組線圈5-1電連接有可調(diào)直流電壓源5-2；

所述調(diào)節(jié)支架10位于所述工作臺1下方，所述調(diào)節(jié)支架10上裝有升降裝置，升降裝置包括滾珠絲杠8，滾珠絲杠8的兩端通過軸承安裝在調(diào)節(jié)支架10的橫臂10-2和絲杠軸架10-3之間，滾珠絲杠8與所述底座12垂直，滾珠絲杠8的絲母8-1上剛性連接有球頭導桿7，所述橫臂10-2上有供球頭導桿7穿過的通孔，所述球頭導桿7與所述底座12垂直并從橫臂10-2的通孔穿過，球頭導桿7與通孔內(nèi)壁之間裝有耐磨潤滑套10-1，球頭導桿7的上端與所述工作臺1接觸，所述滾珠絲杠8的下端連有聯(lián)軸器9-1，聯(lián)軸器9-1連接步進電機9；所述球頭導桿7與鉸接軸14的軸線距離是定值y，定值y的精度為0.01mm；

所述升降裝置還包括升降控制與位移檢測系統(tǒng)，升降控制與位移檢測系統(tǒng)包括：用于檢測所述球頭導桿7移動高度的位移檢測傳感器、帶動步進電機9運動的步進電機驅(qū)動裝置、接收位移檢測傳感器信號并控制步進電機驅(qū)動裝置動作的PLC控制器、與PLC控制器電連接的人機交互界面。

所述被測試樣Ⅰ3制作成中間粗兩端細的臺階圓軸形，被測試樣Ⅰ3在靜止和滾動時均與所述電磁鐵5構(gòu)成封閉磁路。

所述工作臺1的測試區(qū)域的兩端極限位置均設置有擋塊2。

所述底座12的下端面上設置有多個調(diào)整螺釘11。

所述電磁鐵5的鐵芯是“U”形，所述電磁鐵5通過卡箍6和螺栓組件固定在所述工作臺1下面。

所述被測試樣Ⅱ4的上平面與所述工作臺1的上平面齊平或低于所述工作臺1的上平面。

所述耐磨潤滑套10-1是尼龍?zhí)谆蜚~套。

所述人機交互界面是觸摸顯示屏。

結(jié)合圖5的原理，一種采用所述裝置的臨界滾動摩擦系數(shù)電子式測定方法，

包括如下步驟：

第一步、將底座12和工作臺1水平找正，升降控制與位移檢測系統(tǒng)調(diào)零；球頭導桿7與鉸接軸14的軸線距離在制作時就確定好定值y，定值y的精度為0.01mm；

第二步、將被測試樣Ⅰ3置于被測試樣Ⅱ4上靜置，被測試樣Ⅰ3的滾動方向朝向所述鉸支座13；

第三步、工作臺1的抬升采用電脈沖點動控制，通過人機交互界面，每發(fā)一個脈沖， PLC控制器就向步進電機驅(qū)動裝置發(fā)訊，驅(qū)動步進電機9旋轉(zhuǎn)一個步距角，再通過聯(lián)軸器9-1和滾珠絲杠8將電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為絲母8-1上的球頭導桿7的直線運動，進而精確控制球頭導桿的位移量，通過電脈沖點動控制緩慢抬起工作臺1，抬起的距離由位移檢測傳感器測出并在人機交互界面顯示；

第四步、當被測試樣Ⅰ3恰好在被測試樣Ⅱ4上發(fā)生滾動時，停止發(fā)動電脈沖信號，實驗結(jié)束，人機交互界面上顯示出此時的抬升位移量，記錄此時抬起距離讀數(shù)x₀，根據(jù)u₀= tan θ₀=x₀/y，得到滾動摩擦系數(shù)u₀的值；

第五步、調(diào)節(jié)可調(diào)直流電壓源5-2，改變直流電流I的大小，施加不同大小的吸力，重復上述試驗，測定不同大小正壓力時，滾動摩擦系數(shù)值的變化。

本發(fā)明的機械傳動裝置采用步進電機驅(qū)動，通過聯(lián)軸器將運動傳遞給滾珠絲杠，滾珠絲杠通過螺母將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，螺母上固連著球頭導桿，球頭導桿可以在有良好潤滑的耐磨襯套中上下移動，進而推動工作臺上下移動，改變距離x 。

本發(fā)明精度高：可進行電脈沖點動控制，通過觸摸屏人機交互界面，每發(fā)一個脈沖，驅(qū)動步進電機旋轉(zhuǎn)一定步距角，進而精確控制球頭導桿的位移量，摒棄了人手操作，精度較方案A高很多。

本發(fā)明穩(wěn)定性好，可靠性高：絲母與球頭導桿間通過螺釘剛性連接，將螺母與滾珠絲杠間的摩擦力力矩作用通過球頭導桿轉(zhuǎn)移到調(diào)節(jié)支架上，由調(diào)節(jié)支架承擔，球頭導桿只負責上下移動，動作穩(wěn)定可靠。

本發(fā)明對x 的讀數(shù)可直接顯示的觸摸屏上，無需人工讀取，去除了人為讀取百分表示數(shù)的讀取誤差；通過選擇合適的滾珠絲杠螺距，配置精度滿足要求的步進電機及其分頻驅(qū)動裝置，可以由中控PLC精確控制球頭導桿的移動距離，并顯示在可提供交互控制界面的觸摸屏上。如果在球頭導桿上裝配位移檢測傳感器，還可實現(xiàn)閉環(huán)控制，精確測量控制指令發(fā)出后x 的真實大小。