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专利名称：高温环境下摩擦系数测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及一种在高温环境下的摩擦系数测量装置及测量方法，属于力学与计量 技术领域。
背景技术：
在航空航天、能源动力等领域需要研制不同的新型材料来适应各种恶劣的环境， 尤其是高温环境下层间的摩擦系数与温度有关，其参数对于热应力计算非常重要，因此高 温环境下摩擦系数测量仪对检测产品高温性能具有重要意义。目前，中国国内用于测量摩 擦系数的仪器，大多只能在300°C以下测量，无法在温度更高的情况下测得摩擦系数。

发明内容
本发明的目的就是针对现有技术装备的不足而提出的一种在高温环境下测量各 种制造工艺条件下同种材料之间或者不同材料之间的摩擦系数的测量装置及测量方法。本发明的测量装置所采用的技术方案是实验台的上部安装有高温箱、扭矩传感器和调速电机；在高温箱内，试件一固定在传动轴的左端，在传动轴的带动下勻速转动；试件二固定在顶杆的上端，顶杆穿过实验台的台面和高温箱的底层，顶杆下端放 置简易千斤顶，简易千斤顶下端放置压力传感器；传动轴的右端通过第一联轴器与扭矩传感器轴的一端连接；扭矩传感器轴的另一 端通过第二联轴器与调速电机的转轴相连接，调速电机由调速器控制转速；压力传感器、扭矩传感器分别经第一数据线、第二数据线与处理器连接；温度传感 器与温度采集仪连接。进一步的技术措施如下上述的测量装置，其中，试件一制作成圆盘状，试件二与试件一的接触面为相匹配 的弧形凹槽。上述的测量装置，其中，高温箱内壁左侧设有电加热器，并与电源线相连接，温度 传感器与试件二相接触。上述的测量装置，其中，高温箱外壁的材料选用防锈处理冷轧钢板，高温箱内壁的 材料选用碳化硅，中间填充有高密度超细玻璃纤维层。上述的测量装置，其中，直线运动轴承固设于高温箱的底部并套接于顶杆上；压力 传感器采用微型膜盒式压力传感器；顶杆与简易千斤顶之间依次放置第一普通垫片、第一 酚醛垫片和第二普通垫片；第一联轴器中间放置第二酚醛垫片。上述的测量装置，其中，在传动轴上安装有滚动轴承，滚动轴承安装在轴承支座 上，轴承支座固定于实验台上；扭矩传感器固定于第一支座上，调速电机固定于第二支座 上；第一支座、第二支座分别固定于实验台上。上述的测量装置，其中，顶杆的旁边设置有第一滴水管，传动轴的旁边设置有第二滴水管，第一滴水管和第二滴水管接通自来水。本发明的测量方法是为了测量高温环境下试件一和试件二之间的摩擦系数，首先将待测材料制作成试 件，试件一制为圆盘状，试件二制为弧形凹槽，其曲率半径与试件一的半径相等；试件二称重，记为M1;将试件一和试件二分别固定于传动轴的左端和顶杆的上端；顶杆下面依次放置第一普通垫片、第一酚醛垫片、第二普通垫片、简易千斤顶和压 力传感器；打开处理器、压力传感器和扭矩传感器；调节简易千斤顶，使压力传感器的读数为0. 5KN IKN ；启动调速电机，通过调速器设定转速30 60转/min ；记试件一的半径为R，顶杆的质量为M2,第一普通垫片、第二普通垫片、第一酚醛垫 片的总质量为M3,简易千斤顶的质量为M4,扭矩传感器的读数为T，压力传感器的读数为F， 试件二对试件一的正压力为N，摩擦力为f，重力加速度g，待测试件之间的摩擦系数为μ ；传动轴对试件一施加的扭矩为Τ，试件二对试件一施加的扭矩为fR ；由于试件一 作勻速转动，根据扭矩平衡，得T = fR，即f = T/R ；试件二对试件一施加正压力N = F- (Mi+M2+M3+M4) g，根据摩擦力公式μ = f/N，即 可计算出摩擦系数 μ = T/{[F-(M1+M2+M3+M4)g]R}；处理器接收压力传感器和扭矩传感器输出的数据，按照上述公式计算出常温下摩 擦系数μ值，记录结果；接通高温箱的电源；打开第一滴水管、第二滴水管，使水成股流出；温度显示器显示出试件二的表面温度，待温度达到50°C时记录摩擦系数μ值，之 后温度每升高25°C记录一次实验结果，直到温度达到800°C为止；关掉高温箱的电源；绘制温度-摩擦系数的变化曲线。本发明与现有技术相比具有以下优点本发明旨在提出高温环境下摩擦系数的测量装置和测量方法，高温环境可达到 800°C，弥补了现有装备技术的不足；实验设备容易制作，方便于教学实验和科研；测量过 程实现数字化，可测得摩擦系数与温度的关系。


图1为本发明的测量装置的结构示意图；图2为图1中滚动轴承水平剖面图；图3为图1中高温箱A-A截面视图；图4为图1中高温箱B-B截面视图；图5为图1中简易千斤顶的示意图；图6为图1中顶杆结构示意图；图7为图1中直线运动轴承垂直剖面图； 图中高温箱1，试件一 2，试件二 3，直线运动轴承4，顶杆5，简易千斤顶6，压力传 感器7，滴水管8，滚动轴承9，轴承支座10，传动轴11，联轴器12，扭矩传感器13，调速电机14，调速器15，实验台16，支架17，处理器18，支座19，传动器轴20，电源线21，高温箱的外 壁22，高温箱的内壁23，玻璃纤维层M，温度传感器25，电加热器沈，普通垫片27，酚醛垫 片28，数据线四，温度采集仪30。
具体实施例方式本发明提供一种高温环境下摩擦系数的测量装置，下面参照附图1，对本发明作进 一步说明。实验台16的上部安装有高温箱1、扭矩传感器13和调速电机14 ；在高温箱1内，试件一 2固定在传动轴11的左端，在传动轴11的带动下勻速转 动；试件二 3固定在顶杆5的上端，顶杆5穿过实验台16的台面和高温箱1的底层， 顶杆5下端放置简易千斤顶6，简易千斤顶6下端放置压力传感器7 ；传动轴11的右端通过第一联轴器121与扭矩传感器轴20的一端连接；扭矩传感 器轴20的另一端通过第二联轴器1211与调速电机14的转轴相连接，调速电机14由调速 器15控制转速；压力传感器7、扭矩传感器13分别经第一数据线四1、第二数据线四11与处理器 18连接；温度传感器25与温度采集仪30连接。试件一 2制作成圆盘状，试件二 3与试件一 2的接触面为相匹配的弧形凹槽。高 温箱的内壁23左侧设有电加热器沈，如图4，并与电源线21相连接，温度传感器25与试件 二 3相接触，如图3。高温箱的外壁22的材料选用防锈处理冷轧钢板，高温箱内壁23的材料选用碳化 硅，中间填充有高密度超细玻璃纤维层24。直线运动轴承4固设于高温箱1的底部并套接于顶杆5上，如图7 ；压力传感器7 采用微型膜盒式压力传感器；顶杆5与简易千斤顶6之间依次放置第一普通垫片271、第一 酚醛垫片281和第二普通垫片2711，如图6 ；第一联轴器121中间放置第二酚醛垫片2811， 如图1。 在传动轴11上安装有滚动轴承9，滚动轴承9安装在轴承支座10上，如图2，轴承 支座10固定于实验台16上；扭矩传感器13固定于第一支座191上，调速电机14固定于第 二支座1911上；第一支座191、第二支座1911分别固定于实验台16上，如图1。顶杆5的旁边设置有第一滴水管81，传动轴11的旁边设置有第二滴水管811，第 一滴水管81和第二滴水管811接通自来水，如图1。下面说明高温环境下摩擦系数测量方法首先将待测材料制作成试件，试件一 2制为圆盘状，试件二 3制为弧形凹槽，其曲 率半径与试件一 2的半径相等；试件二 3称重，记为M1 ；将试件一 2和试件二 3分别固定于传动轴11的左端和顶杆5的上端；顶杆5下面依次放置第一普通垫片271、第一酚醛垫片观1、第二普通垫片2711、简 易千斤顶6和压力传感器7 ；打开处理器18、压力传感器7和扭矩传感器6 ；
调节简易千斤顶6，使压力传感器7的读数为1KN，压力传感器7的读数为0. 5 IKN均可。启动调速电机14，通过调速器15设定转速60转/min，调速器15转速为30 60 转/min均可。记试件一 2的半径为R，顶杆5的质量为M2,第一普通垫片271、第二普通垫片 2711、第一酚醛垫片的总质量为M3，简易千斤顶6的质量为M4，扭矩传感器13的读数为 T，压力传感器7的读数为F，试件二 3对试件一 2的正压力为N，摩擦力为f，重力加速度g， 待测试件之间的摩擦系数为μ ；传动轴11对试件一 2施加的扭矩为Τ，试件二 3对试件一 2施加的扭矩为fR ；由 于试件一 2作勻速转动，根据扭矩平衡，得T = fR，即f = T/R ；试件二 3对试件一 2施加正压力N = F- (Mi+M2+M3+M4) g，根据摩擦力公式μ = f/ N，即可计算出摩擦系数 μ = T/{[F-(M1+M2+M3+M4)g]R}；处理器18接收压力传感器7和扭矩传感器6输出的数据，按照上述公式计算出常 温下摩擦系数μ值，记录结果；接通高温箱1的电源；打开第一滴水管81、第二滴水管811，使水成股流出；温度显示器30显示出试件二 3的表面温度，待温度达到50°C时记录摩擦系数μ 值，之后温度每升高25°C记录一次实验结果，直到温度达到800°C为止；关掉高温箱1的电源；绘制温度-摩擦系数的变化曲线。
权利要求
1.一种高温环境下摩擦系数的测量装置，其特征在于实验台(16)的上部安装有高温箱(1)、扭矩传感器(13)和调速电机(14)；在高温箱(1)内，试件一 O)固定在传动轴(11)的左端，在传动轴(11)的带动下勻速 转动；试件二(3)固定在顶杆(5)的上端，顶杆(5)穿过实验台(16)的台面和高温箱(1)的 底层，顶杆( 下端放置简易千斤顶(6)，简易千斤顶(6)下端放置压力传感器(7)；传动轴(11)的右端通过第一联轴器(121)与扭矩传感器轴00)的一端连接；扭矩传 感器轴00)的另一端通过第二联轴器(1211)与调速电机(14)的转轴相连接，调速电机 (14)由调速器(15)控制转速；压力传感器(7)、扭矩传感器(13)分别经第一数据线091)、第二数据线Q9II)与处 理器(1 连接；温度传感器0 与温度采集仪(30)连接。
2.根据权利要求1所述的高温环境下摩擦系数的测量装置，其特征在于试件一( 制作成圆盘状，试件二 C3)与试件一 O)的接触面为相匹配的弧形凹槽。
3.根据权利要求1所述的高温环境下摩擦系数的测量装置，其特征在于高温箱内壁03)左侧设有电加热器( )，并与电源线相连接，温度传感器05) 与试件二( 相接触。
4.根据权利要求1所述的高温环境下摩擦系数的测量装置，其特征在于高温箱外壁0 的材料选用防锈处理冷轧钢板，高温箱内壁的材料选用碳化硅， 中间填充有高密度超细玻璃纤维层04)。
5.根据权利要求1所述的高温环境下摩擦系数的测量装置，其特征在于直线运动轴承固设于高温箱(1)的底部并套接于顶杆(5)上；压力传感器(7)采 用微型膜盒式压力传感器；顶杆( 与简易千斤顶(6)之间依次放置第一普通垫片071)、 第一酚醛垫片(观1)和第二普通垫片0711)；第一联轴器(121)中间放置第二酚醛垫片 (2811)。
6.根据权利要求1所述的高温环境下摩擦系数的测量装置，其特征在于在传动轴(11)上安装有滚动轴承(9)，滚动轴承(9)安装在轴承支座(10)上，轴承支 座(10)固定于实验台(16)上；扭矩传感器(13)固定于第一支座(191)上，调速电机(14) 固定于第二支座(1911)上；第一支座(191)、第二支座(1911)分别固定于实验台(16)上。
7.根据权利要求1所述的高温环境下摩擦系数的测量装置，其特征在于顶杆(5)的旁边设置有第一滴水管(81)，传动轴(11)的旁边设置有第二滴水管 (811)，第一滴水管(81)和第二滴水管(811)接通自来水。
8.—种高温环境下摩擦系数测量装置的测量方法，其特征在于该测量方法包括首先将待测材料制作成试件，试件一⑵制为圆盘状，试件二⑶制为弧形凹槽，其曲 率半径与试件一 O)的半径相等；试件二(3)称重，记为Ml ；将试件一( 和试件二( 分别固定于传动轴(11)的左端和顶杆(5)的上端；顶杆(5)下面依次放置第一普通垫片071)、第一酚醛垫片081)、第二普通垫片 (2711)、简易千斤顶(6)和压力传感器(7)；打开处理器(18)、压力传感器(7)和扭矩传感器(6)； 调节简易千斤顶(6)，使压力传感器(7)的读数为0. 5KN 1 KN ； 启动调速电机(14)，通过调速器(15)设定转速30 60转/min ； 记试件一 O)的半径为R，顶杆(5)的质量为M2，第一普通垫片071)、第二普通垫片 (2711)、第一酚醛垫片Q8I)的总质量为M3，简易千斤顶(6)的质量为M4，扭矩传感器(13) 的读数为T，压力传感器(7)的读数为F，试件二(3)对试件一 O)的正压力为N，摩擦力为 f，重力加速度g，待测试件之间的摩擦系数为μ ；传动轴(11)对试件一( 施加的扭矩为T，试件二( 对试件一( 施加的扭矩为fR ； 由于试件一(2)作勻速转动，根据扭矩平衡，得T = fR，即f = T/R ；试件二(3)对试件一(2)施加正压力N = F-(MfMfMfM4)g,根据摩擦力公式μ = f/ N，即可计算出摩擦系数 μ = T/ {[F- (M1+M2+M3+M4) g] R}；处理器(18)接收压力传感器(7)和扭矩传感器(6)输出的数据，按照上述公式计算出 常温下摩擦系数μ值，记录结果；接通高温箱(1)的电源；打开第一滴水管(81)、第二滴水管(811)，使水成股流出； 温度显示器(30)显示出试件二(3)的表面温度，待温度达到50°C时记录摩擦系数μ 值，之后温度每升高25°C记录一次实验结果，直到温度达到800°C为止； 关掉高温箱(1)的电源；绘制温度-摩擦系数的变化曲线。
全文摘要
本发明提供一种高温环境下摩擦系数的测量装置及测量方法。实验前首先将待测材料制作成试件一和试件二，试件一固定在传动轴的一端，试件二固定于顶杆的上端，试件一与试件二相互挤压且均放置于高温箱内；实验时接通高温箱的电源，箱内温度逐渐上升，试件一在传动轴的带动下匀速转动；传动轴通过联轴器与扭矩传感器和调速电机连接；通过扭矩传感器读出传动轴作用在试件一上的扭矩，根据扭矩平衡，可测得试件二作用在试件一上的摩擦力；顶杆下端依次放置千斤顶和压力传感器，由压力传感器的读数可计算出试件二对试件一的正压力，进而由摩擦力公式μ＝f/N计算出摩擦系数μ。本方法解决了高温环境下摩擦系数的测量问题。
文档编号G01N19/02GK102141505SQ20111000123
公开日2011年8月3日 申请日期2011年1月5日 优先权日2011年1月5日
发明者吴登倍, 徐晓亮, 章梓茂, 翟秀慧, 黄国, 黄海明 申请人:北京交通大学