智能型摩擦因数综合测试仪及摩擦因数测试方法

技术领域

本发明涉及一种摩擦因数测试装置，特别涉及一种智能型摩擦因数综合测试仪及摩擦因数测试方法。

背景技术

理论力学是一门理论性较强的工科专业基础课，是现代工程技术的重要基石。其中，摩擦相关的理论和应用是理论力学知识体系中非常重要的组成部分。当物体与另一物体沿接触面的切线方向运动或有相对运动的趋势时，在两物体的接触面之间阻碍它们相对运动的现象或特性，叫做摩擦。按摩擦副的运动形式分类，摩擦分为滑动摩擦和滚动摩擦。按摩擦的运动状态分类，摩擦可分为静摩擦和动摩擦。而摩擦因数是指两物体表面间的摩擦力和正压力的比值，是物体本身的固有属性，只与物体本身有关。摩擦因数也有不同的种类，可分为：静滑动摩擦因数、动滑动摩擦因数、静滚动摩擦因数、动滚动摩擦因数等等。

摩擦因数是工程设计中关于材料的一个重要指标，它是一个实验值，只靠理论公式无法准确计算，而以往的摩擦因数测试仪存在许多不足。例如，绝大部分只能测试一种摩擦因数——动态滑动摩擦因数；用斜板法通过测试加速度来计算动态滑动摩擦因数的过程中需要重复多次摇动手柄以抬起滑座，较为繁琐；而对于静态摩擦因数的测定，根据理论定义，要靠个人的目测来判断滑块将动未动的状态，以测试临界摩擦角，受操作者人为判断影响，精度较低，测试数据不够客观严谨，误差较大。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单、测试精度高的智能型摩擦因数综合测试仪，并提供一种能同时测试多种摩擦因数的摩擦因数测试方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种智能型摩擦因数综合测试仪，包括水平放置的主机架，主机架上方设有滑座，滑座上端面设有滑道板，滑道板上设有滑块，被测材料固定在滑块底部和滑道板上，滑座右端通过转轴铰接在主机架右端的铰轴支撑座上，所述主机架下端面中部偏左设有升降机构固定座，升降机构固定座上设有升降机构固定架，升降机构固定架上设有升降机构，，滑座中段偏左部位放置于升降机构上，升降机构带动滑座左端上下升降，从而带动滑座整体绕转轴转动，所述滑座侧面设有传感器调节导轨，传感器调节导轨上设置两个传感器固定座，每个传感器固定座上均设置一个光电传感器，所述主机架右端设有安装架，安装架上设有用于测量滑座倾斜角大小的角度传感器，角度传感器与转轴固联；所述主机架上设有控制系统，控制系统与升降机构、光电传感器、角度传感器相连。

上述智能型摩擦因数综合测试仪，所述升降机构包括电机、电机固定座、升降螺母、滚珠丝杆、螺母导轨，升降机构固定架上设有竖直设置的螺母导轨，升降螺母在螺母导轨上滑动，所述电机固定座固定在升降机构固定架顶部，电机固定座上设有电机，电机的输出轴与滚珠丝杆连接，滚珠丝杆与升降螺母螺纹连接，所述升降螺母上设有升降横杆轴，升降横杆轴上设有支撑轴承，支撑轴承与滑座下端面相接触。

上述智能型摩擦因数综合测试仪，所述升降横杆轴外端设有用于对滑座进行限位的侧定位板。

上述智能型摩擦因数综合测试仪，所述控制系统包括中央控制器、控制按钮、显示屏，中央控制器与电机、光电传感器、角度传感器、控制按钮、显示屏相连，电机运转速度分为快、慢两档控制。

上述智能型摩擦因数综合测试仪，所述滑块包括底联接板，底联接板上端面两侧设有两块方形的主撑块，主撑块顶部设有顶板，底联接板两侧共设有四个用于对滑块侧面进行导向的侧导向轮，侧导向轮通过导向轮支撑固定在底联接板上。

上述智能型摩擦因数综合测试仪，所述滑座上端面的滑道板替换为滚动导板，滚动导板上设置滚球。

上述智能型摩擦因数综合测试仪，所述主机架上端面右侧设有角度尺，所述滑座下端面设有指针，指针正对角度尺上的刻度。

上述智能型摩擦因数综合测试仪，所述滑座右端固定设有联接板，联接板下端设有转轴，转轴由固定在主机架上的铰轴支撑座支撑。

上述智能型摩擦因数综合测试仪，所述主机架底部设有用于调节主机架位置的调节螺钉。

一种摩擦因数测试方法，包括以下步骤：

步骤一：判断需测量的摩擦因数的类型，若是静滑动摩擦因数，则进入步骤二；若是动滑动摩擦因数，则进入步骤三；若是静滚动摩擦因数，则进入步骤四；若是动滚动摩擦因数，则进入步骤五；

步骤二：

2-1)滑座位于初始角度0°，即水平位置，将被测材料分别固定在滑块底部和滑座的滑道板内，将滑块放置在滑道板的指引标线处；

2-2)通过显示屏设置电机慢速档运行，控制电机运转，通过滚珠丝杠带动升降螺母、升降横杆轴和支撑轴承逐渐抬升，使滑座与主机架的夹角逐渐变大；

2-3)当滑块开始移动，触发光电传感器，光电传感器发出电信号至中央控制器，中央控制器使电机停转，角度传感器测试出滑座与主机架角度α

2-4)重复步骤2-1)至2-3)共9次，中央控制器将10次实验中角度传感器所测得的滑座与主机架的角度α

式中α

由经典摩擦理论的第一摩擦定律，静滑动摩擦因数计算公式：

f

式中，f

步骤三：

3-1)将被测材料分别固定在滑块底部和滑座的滑道板内；

3-2)通过显示屏设置滑座与主机架的夹角，夹角大于临界摩擦角，中央处理器控制电机转动，抬升滑座，使滑座与主机架的夹角达到设定值；

3-3)将滑块放置在滑道板的指引标线处，滑块顺着滑道板滑下，依次通过两个光电传感器，光电传感器将滑块通过的时间和速度数据传输给中央控制器，中央控制器计算出动滑动摩擦因数并显示在显示屏上；

3-4)重复步骤3-2)和3-3)共9次，每次设置滑座与主机架的夹角增大2度，每次光电传感器都将滑块通过的时间和速度数据传输给中央控制器，中央控制器计算出单次动滑动摩擦因数，然后将10次计算得的动滑动摩擦因数取平均，再计算出动滑动摩擦因数f

由经典摩擦理论的第一摩擦定律与滑块的平面受力分析推导出第i次动滑动摩擦实验中动滑动摩擦因数f

式中，f

式中，t

经过10次实验，被测材料之间的动滑动摩擦因数

步骤四：

4-1)滑座位于初始角度0°，即水平位置，将滑座内滑道板取出，将滚动导板放入滑座内，用游标卡尺测量实验滚球的直径，将滚动摩擦实验滚球放置在滚动导板内，并对齐滑座侧壁的指引标线；

4-2)通过显示屏设置好电机慢档运行，控制电机运转，通过滚珠丝杠带动升降螺母、升降横杆轴和支撑轴承缓慢抬升，使滑座与主机架的夹角逐渐变大；

4-3)当实验滚球开始滚动，触发光电传感器，光电传感器发出电信号至中央控制器，中央控制器使电机停转，则角度传感器测试出滑座与主机架的角度，传输到中央控制器中；

4-4)重复步骤4-1)至4-3)共9次，中央控制器将10次实验中角度传感器所测得的滑座与主机架的角度θ

式中θ

由经典摩擦理论，静滚动摩擦因数计算公式：δ

式中，R为实验滚球的半径，φ

步骤五：

5-1)将滑座内滑道板取出，将滚动导板放入滑座内；

5-2)通过显示屏设置滑座与主机架的夹角，夹角大于临界摩擦角，中央处理器控制电机转动，抬升滑座，使滑座与主机架的夹角达到设定值，再将滚动摩擦实验滚球放置在滚动导板内，并对齐滑座侧壁的指引标线；

5-3)实验滚球顺着滚动导板滑下，依次通过两个光电传感器，光电传感器将实验滚球通过时的速度数据传输给中央控制器，中央控制器计算出动滚动摩擦因数并显示在显示屏上；

5-4)重复步骤5-2)至5-3)共9次，每次增大滑座与主机架的夹角设定值1°-1.5°，每次光电传感器都将实验滚球通过时的速度数据传输给中央控制器，中央控制器计算出动单次动滚动摩擦因数，中央控制器将10次测得的动滚动摩擦因数取平均，再计算出动滚动摩擦因数，并显示在显示屏上；

由经典摩擦理论的第一摩擦定律与实验滚球的平面受力分析推导出第i次动滚动摩擦因数计算公式：

式中，δ

式中，t′

经过10次实验，被测材料之间的动滚动摩擦因数：

本发明的有益效果在于：

1)本发明通过滚珠丝杆来抬升滑座，控制滑座与底板的夹角。这一设计可以使夹角从0度开始增加，非常有利于测试滚动摩擦因数，因为滚动摩擦因数比较小，其对应的滚动摩擦临界摩擦角也比较小。而现有技术，无论是千斤顶抬升滑座还是气缸抬升滑座，都无法做到初始夹角为0度，完全无法测试静态滚动摩擦因数。

2)本发明在滑座中段偏远离铰链位置布置滚珠丝杆来抬升滑座，相较于在铰链转轴位置安装电机直接控制滑座(滑座似悬臂梁，受力不佳，易产生振动)，整个机械系统呈三角形，力学结构稳定可靠，振动影响极小。

3)本发明在滚珠丝杆上安装有电机，通过电路控制其缓慢转动，来抬升滑座的方式，相对大多数现有测试仪中手摇方式，更平稳、更智能，从而更有效地确保实验数据的准确。

4)相比现有技术靠人肉眼观察判断滑块件是否移动，本发明通过光电传感器来判断滑块件将动未动的状态，能完全消除人为因素影响，使实验结果客观准确。

5)本发明实验测试过程自动化、智能化、人性化，数据采集实时、直观，仪器操作简便，实验数据可靠。

6)在实验教学中使用本测试仪，能够使学生深入理解摩擦理论，掌握四种摩擦因数之间的异同和内在联系，培养学生动手动脑的实践能力。

7)本发明整机机电一体化，系统稳定可靠，移动方便，所占空间小。

8)本发明的测试仪能够同时满足静滑动摩擦因数、动滑动摩擦因数、静滚动摩擦因数、动滚动摩擦因数的测量，使用范围广，并且测试方法简单可靠，测试精度高。

附图说明

图1为本发明中滑座处于初始水平状态时测试仪的结构示意图。

图2为本发明中滑座处于抬升状态时测试仪的结构示意图。

图3为图1的侧视图。

图4为图1的俯视图。

图5为滑块的结构示意图。

图6为滚动导板的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1-图6所示，一种智能型摩擦因数综合测试仪，包括水平放置的主机架25，主机架25上方设有滑座2，滑座2上端面设有滑道板，滑道板上设有滑块1，被测材料固定在滑块1底部和滑道板上，被测材料可以是石棉基材料、木板材料、金属板材料、橡胶板材料、塑料板材料、纺织材料等等。滑座2右端通过转轴28与主机架25右端的铰轴支撑座8铰接，所述主机架25下端面右侧设有右支撑板29，主机架25下端面左侧设有左支撑板31，主机架25下端面中部设有升降机构固定座30，升降机构固定座30上通过机架固定联接件16设有升降机构固定架11，升降机构固定架11上设有升降机构，滑座中段偏左部位放置于升降机构上，升降机构带动滑座2左端上下升降，从而带动滑座2整体绕转轴28转动，所述滑座2侧面设有传感器调节导轨13，传感器调节导轨13上设置第一传感器固定座3和第二传感器固定座4，第一传感器固定座3和第二传感器固定座4上均设置一个光电传感器20，所述主机架25右端设有安装架27，安装架27上设有用于测量滑座2倾斜角大小的角度传感器26，角度传感器26与转轴28固联；所述主机架25上设有控制系统，控制系统与升降机构、光电传感器20、角度传感器26相连。

所述滑座2右端固定设有联接板7，联接板7下端设有转轴28，转轴28由铰轴支撑座8支撑。

所述升降机构包括电机9、电机固定座10、升降螺母12、滚珠丝杆14、螺母导轨15，升降机构固定架11上设有竖直设置的螺母导轨15，升降螺母12可在螺母导轨15上滑动，所述电机固定座10固定在升降机构固定架11顶部，电机固定座10上设有电机9，电机9的输出轴与滚珠丝杆14连接，滚珠丝杆14与升降螺母12螺纹连接，所述升降螺母12上设有升降横杆轴17，升降横杆轴17上设有支撑轴承18，支撑轴承18与滑座2下端面相接触。电机9连接着滚珠丝杠带动其转动，滚珠丝杠的转动促使升降螺母12在螺母导轨15内平稳上下移动，升降螺母12带动升降横杆轴17和支撑轴承18上下平动，而滑座2放置在支撑轴承18上，滑座2绕转轴28摆动。

所述升降横杆轴17外端设有用于对滑座2进行限位的侧定位板19。

所述控制系统包括中央控制器24、控制按钮21、显示屏22，中央控制器24与电机9、光电传感器20、角度传感器26、控制按钮21、显示屏22相连，电机9运转速度分为快、慢两档控制，测试静态摩擦因数时，电机9转速用“慢”档，滚珠丝杆14缓慢旋转，升降螺母12缓慢抬升，滑座2与主机架25之间夹角从0度开始以极慢的速度增加，以便测试滑块1将动未动的状态。测试动态摩擦因数时，电机9转速用“快”档，控制滑座2与主机架25之间夹角增减，使之快速达到人为设置的角度值。

如图5所示，所述滑块1包括底联接板35，底联接板35上端面两侧设有两块方形的主撑块34，主撑块34顶部设有顶板33，底联接板35两侧共设有四个用于对滑块1侧面进行导向的侧导向轮37，侧导向轮37通过导向轮支撑36固定在底联接板35上。

所述滑座2上端面的滑块1和滑道板可取出，替换为滚球和滚动导板40，滚动导板40上设置滚球，以便测试静滚动摩擦因数和动滚动摩擦因数。滚动导板40底部设有撞块39，以对滚球进行限位。滑座2内侧壁适当位置设置标记线，作为放置滑块1或实验滚球的初始位置线，以提高测试数据准确性和可重复性。

所述主机架25底部设有用于调节主机架25位置的调节螺钉23，通过调节螺钉23，可使主机架25处于水平、稳固状态。

所述主机架25上端面右侧设有角度尺5，所述滑座2下端面设有指针6，指针6正对角度尺5上的刻度。

一种摩擦因数测试方法，包括以下步骤：

步骤一：判断需测量的摩擦因数的类型，若是静滑动摩擦因数，则进入步骤二；若是动滑动摩擦因数，则进入步骤三；若是静滚动摩擦因数，则进入步骤四；若是动滚动摩擦因数，则进入步骤五；

步骤二：

2-1)滑座2位于初始角度0°，即水平位置，将被测材料分别固定在滑块1底部和滑座2的滑道板内，将滑块1放置在滑道板的指引标线处；

2-2)通过显示屏22设置电机9慢速档运行，控制电机9运转，通过滚珠丝杠带动升降螺母12、升降横杆轴17和支撑轴承18逐渐抬升，使滑座2与主机架25的夹角逐渐变大；

2-3)当滑块1开始移动，触发光电传感器20，光电传感器20发出电信号至中央控制器24，中央控制器24使电机9停转，角度传感器26测试出滑座2与主机架25角度α

2-4)重复步骤2-1)至2-3)共9次，中央控制器24将10次实验中角度传感器26所测得的滑座2与主机架25的角度α

式中α

由经典摩擦理论的第一摩擦定律，静滑动摩擦因数计算公式：

f

式中，f

步骤三：

3-1)将被测材料分别固定在滑块1底部和滑座2的滑道板内；

3-2)通过显示屏22设置滑座2与主机架25的夹角，夹角大于临界摩擦角，中央处理器控制电机9转动，抬升滑座2，使滑座2与主机架25的夹角达到设定值；

3-3)将滑块1放置在滑道板的指引标线处，滑块1顺着滑道板滑下，依次通过两个光电传感器20，光电传感器20将滑块1通过的时间和速度数据传输给中央控制器24，中央控制器24计算出动滑动摩擦因数并显示在显示屏22上；

3-4)重复步骤3-2)和3-3)共9次，每次设置滑座2与主机架25的夹角增大2度，每次光电传感器20都将滑块1通过的速度数据传输给中央控制器24，中央控制器24计算出单次动滑动摩擦因数，然后将10次计算得的动滑动摩擦因数取平均，再计算出动滑动摩擦因数f

由经典摩擦理论的第一摩擦定律与滑块1的平面受力分析推导出第i次动滑动摩擦实验中动滑动摩擦因数f

式中，f

式中，t

经过10次实验，被测材料之间的动滑动摩擦因数：

步骤四：

4-1)滑座2位于初始角度0°，即水平位置，将滑座2内滑道板取出，将滚动导板40放入滑座2内，用游标卡尺测量实验滚球的直径，将滚动摩擦实验滚球放置在滚动导板40内，并对齐滑座2侧壁的指引标线；

4-2)通过显示屏22设置好电机9慢档运行，控制电机9运转，通过滚珠丝杠带动升降螺母12、升降横杆轴17和支撑轴承18抬升，使滑座2与主机架25的夹角逐渐变大；

4-3)当实验滚球开始滚动，触发光电传感器20，光电传感器20发出电信号至中央控制器24，中央控制器24使电机9停转，则角度传感器26测试出滑座2与主机架25的角度，传输到中央控制器24中；

4-4)重复步骤4-1)至4-3)共9次，中央控制器24将10次实验中角度传感器26所测得的滑座2与主机架25的角度θ

式中θ

由经典摩擦理论，静滚动摩擦因数计算公式：δ

式中，R为实验滚球的半径，φ

步骤五：

5-1)将滑座2内滑道板取出，将滚动导板40放入滑座2内；

5-2)通过显示屏22设置滑座2与主机架25的夹角，夹角大于临界摩擦角，中央处理器控制电机9转动，抬升滑座2，使滑座2与主机架25的夹角达到设定值，再将滚动摩擦实验滚球放置在滚动导板40内，并对齐滑座2侧壁的指引标线；

5-3)实验滚球顺着滚动导板40滑下，依次通过两个光电传感器20，光电传感器20将实验滚球通过时的时间和速度数据传输给中央控制器24，中央控制器24计算出动滚动摩擦因数并显示在显示屏22上；

5-4)重复步骤5-2)至5-3)共9次，每次增大滑座2与主机架25的夹角设定值1°-1.5°，每次光电传感器20都将实验滚球通过时的时间和速度数据传输给中央控制器24，中央控制器24计算出动单次动滚动摩擦因数，中央控制器24将10次测得的动滚动摩擦因数取平均，再计算出动滚动摩擦因数，并显示在显示屏22上；

由经典摩擦理论的第一摩擦定律与实验滚球的平面受力分析推导出第i次动滚动摩擦因数计算公式：

式中，δ

式中，t′

经过10次实验，被测材料之间的动滚动摩擦因数：