TriboStudio摩擦磨損試驗機的研制與試驗

肖金坤,王 躍,王 晨,陳 娟,錢薈如,張 超

(揚州大學(xué)a.機械工程學(xué)院,江蘇 揚州 225127;b.測試中心,江蘇 揚州 225009)

摩擦磨損是導(dǎo)致能源消耗、材料失效的主要原因,對于使用滑動和滾動接觸表面的現(xiàn)代機械尤為重要[1],高性能摩擦磨損試驗機對于促進摩擦學(xué)發(fā)展具有重要意義[2-4]．近年來,摩擦磨損試驗機的研究備受重視,銷盤式、往復(fù)式、環(huán)塊式、四球式、真空、極低溫、高溫、高速等多種結(jié)構(gòu)形式或功能的摩擦磨損試驗機相繼被研制出來[5-9]．馬國政等[10]研制的MSTS-1型真空摩擦磨損試驗機,采用砝碼加載,獲得優(yōu)于1×10-5Pa的真空度,可進行高真空環(huán)境模擬試驗;Zhang等[11]認(rèn)為摩擦盤的端跳和重心偏移是限制球盤式摩擦磨損試驗滑動速度的主要因素,提出了在線精密加工和原位動態(tài)相結(jié)合的解決方案,研制了一種最大滑動速度為50 m·s-1的超高速球盤式摩擦磨損試驗機;Krick等[12]為國際空間站在軌暴露試驗設(shè)計了一種緊湊型摩擦磨損試驗機;Deshpande等[13]利用裝有數(shù)字全息顯微鏡的銷盤式摩擦磨損試驗機研究了基于聲發(fā)射和機器學(xué)習(xí)的磨損分類．

目前,國際商用摩擦磨損試驗機主要包括UMT TriboLab摩擦磨損試驗機(Bruker公司,德國),MFT摩擦磨損試驗機(Rtec公司,美國),TRB摩擦磨損試驗機(Anton Paar公司,奧地利)等．其中,UMT TriboLab摩擦磨損試驗機和MFT摩擦磨損試驗機均采用電機-絲桿系統(tǒng)加載方式,加載范圍大,拓展功能多,但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高,且試樣不平時難以維持恒定接觸載荷;TRB摩擦磨損試驗機采用砝碼加載,結(jié)構(gòu)相對簡單,施加載荷恒定,但傳感器易發(fā)生熱漂移,并且拓展接口少,無法滿足復(fù)雜的摩擦磨損測試需求．針對上述問題,本文研發(fā)了一款基于LabVIEW和砝碼加載的多功能摩擦磨損試驗機,以期實現(xiàn)不同載荷、轉(zhuǎn)速和頻率下摩擦磨損的準(zhǔn)確測試．

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 工作原理

本文開發(fā)的TriboStudio摩擦磨損試驗機外觀照片如圖1所示,主要由摩擦磨損測試機構(gòu)和箱體組成．摩擦磨損測試機構(gòu)是設(shè)備的核心,影響摩擦磨損過程的穩(wěn)定性、可靠性以及摩擦因數(shù)測量的準(zhǔn)確性,其基本結(jié)構(gòu)如圖2所示．該機構(gòu)的基座固定在箱體平臺上,基座上設(shè)有移動座,手輪驅(qū)動絲桿可左右移動,調(diào)節(jié)摩擦半徑和摩擦位置,移動座上方連接擺動座,其左右擺動可維持載荷恒定,擺動座左側(cè)固定配重塊,拉壓力傳感器安裝在轉(zhuǎn)動座內(nèi),與力臂一端相連,力臂另一端安裝可上下移動的試樣桿,試樣桿套裝若干個砝碼,下端固定上試樣球夾具．下試樣旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運動是摩擦磨損試驗最常用的兩種摩擦運動形式,為了在一臺設(shè)備上能同時實現(xiàn)兩種模式的測試,在TriboStudio摩擦磨損試驗機上進行模塊化設(shè)計,利用主軸上預(yù)留的同軸連接孔與測試模塊連接,其中主軸安裝三爪卡盤用于旋轉(zhuǎn)摩擦,安裝偏心滑塊機構(gòu)用于往復(fù)摩擦,將主軸旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)直線運動,通過修改偏心距改變往復(fù)運動行程．下試樣固定在三爪卡盤或往復(fù)滑板上,與主軸連接,并通過同步輪與電機相連,在電機帶動下試樣做相對運動,應(yīng)變式拉壓力傳感器可精確測量前后方向的摩擦力．箱體分為上下箱體兩部分,上箱體為透明罩,主要起隔音、密閉氣氛、防塵和便于觀察等作用;下箱體主要起支撐、安裝機電系統(tǒng)和減振的作用．

圖1 TriboStudio摩擦磨損試驗機照片(整體外觀(a),旋轉(zhuǎn)式摩擦(b),往復(fù)式摩擦(c))Fig.1 Optical images of the TriboStudio tribometer(appearance (a),rotating friction (b),reciprocating friction (c))

1.試樣桿;2.砝碼;3.力臂;4.上試樣球夾具;5.下試樣;6.往復(fù)模塊;7.主軸;8.拉壓力傳感器;9.配重塊;10.轉(zhuǎn)動座;11.平衡調(diào)節(jié)機構(gòu);12.絲桿;13.移動座;14.基座圖2 TriboStudio摩擦磨損試驗機結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic diagram of the TriboStudio tribometer

1.2 摩擦因數(shù)的測量

摩擦因數(shù)μ=f/F,其中f為摩擦力,F為載荷．為測得摩擦副準(zhǔn)確的摩擦因數(shù),須保證摩擦磨損測試過程中載荷加載的恒定性及摩擦力測量的準(zhǔn)確性．TriboStudio摩擦因數(shù)測量原理如圖2所示,通過調(diào)節(jié)配重塊位置,確保摩擦磨損試驗過程中上下試樣之間所施加的垂直接觸力就是砝碼的重量．根據(jù)杠桿平衡原理,調(diào)節(jié)配重塊的位置L2和L3,當(dāng)擺動座兩邊的力矩相等(F1L1=F2L2+F3L3,其中F1為力臂和試樣桿的重力,L1為擺動座重心到F1的作用線所引垂線的長度,F2和F3分別為左右配重塊的重力)時,系統(tǒng)本身重力被抵消,此時上下試樣的接觸力為零,放上砝碼后的摩擦載荷即為砝碼重力．上試樣固定,下試樣通過電機驅(qū)動做旋轉(zhuǎn)或線性往復(fù)運動,上下試樣相對滑動產(chǎn)生摩擦力,經(jīng)由剛性試樣桿和力臂傳遞至拉壓力傳感器,獲取摩擦力信號,通過高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及電腦軟件的采集、記錄、轉(zhuǎn)換和顯示,即可獲得實時的摩擦因數(shù)曲線．為進一步提高摩擦因數(shù)測量的準(zhǔn)確性,避免摩擦試驗前受上下試樣接觸產(chǎn)生靜摩擦力影響測力傳感器,采取狀態(tài)調(diào)節(jié)方案,通過轉(zhuǎn)動偏心輪構(gòu)件,改變上下試樣的接觸狀態(tài),試驗前上下試樣處于非接觸狀態(tài),系統(tǒng)軟件對摩擦力清零后上下試樣接觸開始摩擦,以此提高摩擦力測量的準(zhǔn)確性．

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 機電系統(tǒng)

本文設(shè)計的摩擦磨損試驗機機電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,主要包括伺服電機及驅(qū)動器、各類傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、電路板和電源等,實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)或往復(fù)運動的驅(qū)動、運動模式的識別、傳感器(溫度、濕度、噪聲、位移、電阻等)信號的采集和處理、電路的供電和開關(guān)等功能．其中伺服電機由驅(qū)動器進行閉環(huán)控制,驅(qū)動器通過RS-485與上位機軟件進行通訊,從而實現(xiàn)對電機啟停、轉(zhuǎn)速、方向和運行時間的控制;各類傳感器通過配套的變送器將信號輸出為-10～10 V的模擬電壓信號,再由多通道數(shù)據(jù)采集卡進行采集．

圖3 測控系統(tǒng)軟硬件交互圖Fig.3 Hardware and software interaction diagram of measurement and control system

2.2 測控軟件

本文基于LabVIEW平臺編寫上位機測控軟件,部分界面如圖3所示,主要實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置,數(shù)據(jù)接收、顯示、儲存、計算和查看,閉環(huán)控制伺服電機等功能．測控軟件具有以下特點:1) 自動識別測試模式,摩擦半徑自動采集,摩擦力閾值保護;2) 試驗參數(shù)設(shè)置簡單明了,采集傳感器數(shù)據(jù)可選;3) 可計算最大赫茲接觸應(yīng)力和磨損率;4) 圖文引導(dǎo)操作,摩擦力自動歸零;5) 實時顯示摩擦因數(shù)、摩擦力、位移、溫度、濕度等曲線;6) 可對曲線進行平滑處理,按要求導(dǎo)出數(shù)據(jù);7) 生成圖文報告;8) 手機APP遠(yuǎn)程實時查看測試數(shù)據(jù)．

圖4 數(shù)據(jù)處理程序圖(接收和顯示(a)、存儲(b)、查看(c))Fig.4 Data processing program diagram(receive and display (a),store (b),view (c))

圖4為數(shù)據(jù)處理程序圖．?dāng)?shù)據(jù)接收和顯示是上位機測控軟件的關(guān)鍵,也是信號進入軟件系統(tǒng)的閥門,其工作是否正常直接影響數(shù)據(jù)儲存記錄功能,上位機監(jiān)控軟件采用并行循環(huán)和隊列模式實現(xiàn)1 000 Hz以上的高速信號傳輸,通過DAQmx函數(shù)配合數(shù)據(jù)采集卡實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高速傳輸與接收,接收的數(shù)據(jù)經(jīng)換算后以波形圖和波形圖表形式顯示,具體程序如圖4(a)所示．摩擦磨損試驗過程中,原數(shù)據(jù)和均值處理后的數(shù)據(jù)分別采用TDMS文件和TXT文件存儲,前者為二進制格式,數(shù)據(jù)讀寫速度快,常用于數(shù)據(jù)量龐大且通道較多的文件存儲,后者為字符串形式,占用內(nèi)存小,通用性強,常用于數(shù)據(jù)量相對較少的文本文件存儲,數(shù)據(jù)存儲程序如圖4(b)所示．?dāng)?shù)據(jù)查看程序是讀取數(shù)據(jù)并顯示的過程,TDMS文件和TXT文件分別使用TDMS函數(shù)和文本函數(shù)進行讀取,用戶在使用數(shù)據(jù)查看功能時,先通過格式轉(zhuǎn)換、文本截取和判斷函數(shù)判斷文檔格式,再進行相應(yīng)文件的讀取操作,最后以波形圖表形式顯示數(shù)據(jù),具體程序如圖4(c)所示．

3 試驗結(jié)果與分析

為驗證本文研制的TriboStudio摩擦試驗機的性能和通用性,對304不銹鋼和GCr15軸承鋼球組成的摩擦副進行了不同轉(zhuǎn)速、不同頻率和不同載荷下的干摩擦磨損試驗．

3.1 旋轉(zhuǎn)速度對摩擦磨損的影響

設(shè)置測試載荷為5 N,旋轉(zhuǎn)半徑為20 mm,滑動距離為500 m,測試不同旋轉(zhuǎn)速度(100,200,300,400和500 rpm)對304和GCr15摩擦副干摩擦條件下摩擦因數(shù)和磨損率的影響,結(jié)果如圖5所示．由圖5(a)可知,不同轉(zhuǎn)速條件下,摩擦因數(shù)均先增大后趨于平穩(wěn),與文獻報道的結(jié)果吻合[3]．在磨合階段,由于材料表面存在氧化膜層,初始摩擦因數(shù)較小,隨著氧化膜的磨損,摩擦表面暴露新鮮原子,發(fā)生金屬與金屬直接接觸,粘著效應(yīng)增大,摩擦因數(shù)隨之增大;隨著滑動距離的增大,摩擦表面變化趨于穩(wěn)定,摩擦因數(shù)進入平穩(wěn)階段．由圖5(b)可知,隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大,摩擦因數(shù)呈減小趨勢,平均摩擦因數(shù)為0.52～0.75．由圖5(c)可知,304不銹鋼除轉(zhuǎn)速為100 rpm時磨痕深度較淺外,其余轉(zhuǎn)速條件下磨痕深度均比較接近．由圖5(d)可知,304不銹鋼的磨損率隨轉(zhuǎn)速的增大呈小幅增大趨勢,GCr15球的摩磨損率隨轉(zhuǎn)速的增加基本保持不變．

圖5 旋轉(zhuǎn)速度對摩擦因數(shù)和磨損率的影響(摩擦因數(shù)曲線(a)、平均摩擦因數(shù)(b)、磨痕輪廓曲線(c)、磨損率(d))Fig.5 Effects of rotation speed on friction factor and wear rate (friction factor curves (a),average friction factor (b),wear profile curves (c),wear rate (d))

3.2 往復(fù)頻率對摩擦磨損的影響

直線往復(fù)式摩擦?xí)r,摩擦力方向發(fā)生高頻變化,相比單一方向的旋轉(zhuǎn)摩擦,其測量難度更大,因此,對摩擦力測量傳感器的響應(yīng)頻率、數(shù)據(jù)采集卡的采樣率以及機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性都有更高的要求．設(shè)置測試載荷為5 N,往復(fù)行程為5 mm,滑動距離為100 m,測試不同往復(fù)頻率(1～8 Hz)對304和GCr15摩擦副摩擦因數(shù)和磨損率的影響,結(jié)果如圖6所示．由圖6(a)可知,在測試頻率范圍內(nèi)摩擦力曲線均具有較好的對稱性、周期性和重現(xiàn)性,即使在8 Hz的高頻下,摩擦力變化也能精確捕捉,試驗機表現(xiàn)出較好的響應(yīng)能力,能滿足大部分往復(fù)式摩擦測試需求．由圖6(b)可知,304不銹鋼的磨痕形狀深度均較對稱均勻,GCr15球的磨損區(qū)域也較為平整,表明試驗機能很好地抑制試樣的振動和擺動.由圖6(c)可知,經(jīng)過約20 m的磨合,不同頻率下摩擦因數(shù)均能進入穩(wěn)定階段,平均摩擦因數(shù)為0.51～0.59,往復(fù)頻率對摩擦因數(shù)的影響較小．由圖6(d)可知,隨著往復(fù)頻率的增加,304不銹鋼的磨損率呈逐漸增大的趨勢,且往復(fù)頻率為1～4 Hz時磨損率增大較快,而往復(fù)頻率為4～8 Hz時,304不銹鋼的磨損率只是小幅增長;往復(fù)頻率對GCr15球的磨損率影響較小,磨損率為0.9×10-5～1.2×10-5mm3·N-1·m-1．

圖6 往復(fù)頻率對摩擦因數(shù)和磨損率的影響(摩擦力曲線(a)、磨痕和球3D形貌(b)、摩擦因數(shù)曲線(c)、磨損率(d))Fig.6 Effects of reciprocating frequency on friction factor and wear rate (friction force curves (a),3D images of wear tracks and balls (b),friction factor curves (c),wear rate (d))

3.3 載荷對摩擦磨損的影響

設(shè)置往復(fù)頻率為4 Hz,往復(fù)行程為5 mm,滑動距離為100 m,測試不同載荷(0.5,1,2,5和10 N)對304和GCr15摩擦副摩擦因數(shù)和磨損率的影響,結(jié)果如圖7所示．由圖7可知,所有的摩擦因數(shù)經(jīng)過短期的磨合后很快趨于平穩(wěn),平均摩擦因數(shù)為0.51～0.56,載荷對摩擦因數(shù)的影響較小;隨著載荷的增加,304不銹鋼磨痕的寬度和深度顯著增大,GCr15球磨斑直徑也呈增大趨勢,而二者的磨損率基本保持不變．

圖7 載荷對摩擦因數(shù)和磨損率的影響(摩擦因數(shù)曲線(a)、平均摩擦因數(shù)(b)、磨痕3D形貌(c)、磨損率(d))Fig.7 Effects of load on friction factor and wear rate(friction factor curves (a),average friction factor (b),3D images of wear tracks and balls (c),wear rate (d))

4 結(jié)論

1) 本文研制的TriboStudio多功能摩擦磨損試驗機的機械結(jié)構(gòu)緊湊簡潔,通過模塊化設(shè)計,僅須更換不帶電機的機械模塊,即可實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)摩擦和往復(fù)摩擦兩種摩擦方式的切換．

2) 該試驗機配套軟件功能豐富,具有自動識別測試模式,自動采集摩擦半徑,摩擦力自動歸零,摩擦力閾值保護,計算最大赫茲接觸應(yīng)力和磨損率,實時顯示摩擦因數(shù)、摩擦力、位移、溫度、濕度等曲線,數(shù)據(jù)平滑處理和導(dǎo)出,生成圖文報告,以及手機APP遠(yuǎn)程實時查看測試數(shù)據(jù)等功能．

3) 該試驗機通過合理的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計、高頻響應(yīng)的測力傳感器、高采樣率的數(shù)據(jù)采集、測試前摩擦力的歸零處理以及軟件引導(dǎo)操作步驟等多重手段,保證了摩擦因數(shù)的測量精度;同時,該試驗機還能安裝其他類型傳感器,滿足不同測試需求．

4) 該試驗機使用范圍廣,能測試不同旋轉(zhuǎn)速度、往復(fù)頻率和載荷等條件下的旋轉(zhuǎn)摩擦和往復(fù)摩擦,具有較高的準(zhǔn)確性、可靠性和穩(wěn)定性．