專利名稱：一種單粒子侵入相對界面的試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三體摩擦磨損研究領(lǐng)域，特別涉及一種單粒子侵入相對界面的試驗裝置，適用于接觸界面間的摩擦磨損研究。
背景技術(shù)：
各種機(jī)械尤其是精密儀器，其各個機(jī)構(gòu)或密封件的界面之間需要良好的接觸， 一旦工作環(huán)境中的沙塵微粒侵入界面之間，就會加劇磨損和能源的消耗，
使機(jī)構(gòu)或儀器很快失效報廢。英國焦斯特(H.P.Jost)教授指出，世界消費能源的30%-40%損失在摩擦磨損上；我國20世紀(jì)80年代，對冶金、煤炭和農(nóng)業(yè)等5個部門的不完全統(tǒng)計，僅磨粒磨損一項消耗的備件鋼材就有100萬噸，每年經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)十億人民幣。
隨著空氣質(zhì)量的下降，對機(jī)械機(jī)構(gòu)和密封件的結(jié)構(gòu)、材料提出了更高的要求。研究沙塵粒子在界面間的運動狀態(tài)與界面結(jié)構(gòu)、材料、摩擦系數(shù)等的關(guān)系，對于機(jī)構(gòu)和密封件的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料選取等具有極大地指導(dǎo)意義。
己有的研究和試驗主要是在界面間放入大量自由粒子進(jìn)行試驗，然后得出宏觀統(tǒng)計學(xué)意義上的摩擦磨損數(shù)據(jù)。單個粒子侵入相對界面時，其運動狀態(tài)控制困難，存在相對作用力不好控制和測定的問題。因此，未見報道過對具體的單個粒子在界面間的運動狀態(tài)的研究和試驗裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種單粒子侵入相對界面的試驗裝置，它可以控制粒子運動軌跡以及粒子與界面間的接觸角和作用力，為研究單個粒子在界面間的運動狀態(tài)提供方便。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)的。 一種單粒子侵入相對界面的試驗裝置，其特征在于，包括試驗臺，靜止界面，導(dǎo)桿，以及設(shè)置在試驗臺上的旋轉(zhuǎn)界面、連接機(jī)構(gòu)、固定連接靜止界面的夾持機(jī)構(gòu)、驅(qū)動旋轉(zhuǎn)界面的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)；所述夾持機(jī)構(gòu)固定連接靜止界面，使其以一個傾斜角與旋轉(zhuǎn)界面接觸；所述導(dǎo)桿的一端與連接機(jī)構(gòu)通過軸承連接，其另一端貫穿固定在單粒子的中心，所述單粒子位于所述傾斜角內(nèi)；所述導(dǎo)桿與旋轉(zhuǎn)界面平行，并指向其旋轉(zhuǎn)中心；所述夾持機(jī)構(gòu)上設(shè)置有測量單粒子與靜止界面之間正壓力的第一傳感器；所述連接機(jī)構(gòu)設(shè)置有測量單粒子與旋轉(zhuǎn)界面之間正壓力的第二傳感器，以及測量單粒子與旋轉(zhuǎn)界面之間摩擦力的第三傳感器。
本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)在于
所述試驗臺上設(shè)置有第一 三維位移機(jī)構(gòu)，所述夾持機(jī)構(gòu)固定在該第一三維位移機(jī)構(gòu)上。
所述試驗臺上設(shè)置有第二三維位移機(jī)構(gòu)，所述連接機(jī)構(gòu)固定在該第二三維位移機(jī)構(gòu)上。
所述第一、第二、第三傳感器中均采用力應(yīng)變片。本發(fā)明的更進(jìn)一改進(jìn)在于
所述夾持機(jī)構(gòu)為角度可調(diào)夾持機(jī)構(gòu)，所述角度可調(diào)夾持機(jī)構(gòu)，包含第一臂桿，固定連接在第一 三維位移機(jī)構(gòu)上的第一固定座，固定在第一臂桿的一端的夾頭；所述第一固定座與第一臂桿的另一端通過水平方向設(shè)置的第一軸承和第一轉(zhuǎn)軸連接，所述第一臂桿與所述第一轉(zhuǎn)軸垂直，第一固定座和第
一臂桿之間設(shè)置有第一定位部件；所述夾頭夾持靜止界面，所述第一傳感器 設(shè)置在第一臂桿的上、下表面。所述第一定位部件為螺栓和螺母。
所述連接機(jī)構(gòu)，包含連接頭，第二臂桿，固定連接在第二三維位移機(jī) 構(gòu)上的第二固定座；所述第二固定座在垂直方向上設(shè)置有第二軸承和第二轉(zhuǎn) 軸的組合，所述連接頭在水平方向設(shè)置有第三軸承和第三轉(zhuǎn)軸的組合以及連 接導(dǎo)桿的軸承，所述導(dǎo)桿與第三轉(zhuǎn)軸在水平方向上垂直；所述第二臂桿的一 端與第二轉(zhuǎn)軸固定連接，其另一端與第三轉(zhuǎn)軸固定連接；所述第二固定座上 設(shè)置有限定第二轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的第二定位部件，所述連接頭上設(shè)置有限定第三轉(zhuǎn) 軸轉(zhuǎn)動的第三定位部件和選擇性限定導(dǎo)桿轉(zhuǎn)動的第四定位部件；所述第二傳 感器設(shè)置在第二臂桿的上、下表面，所述第三傳感器設(shè)置在第二臂桿的兩側(cè) 表面。所述第二、第三和第四定位部件均為鎖緊螺釘。
本發(fā)明具有以下有益效果由于本發(fā)明限制了自由運動的單粒子的其它方 向的自由度，使之只能在特定方向上運動，在特定方向上進(jìn)行試驗研究單粒 子在界面中的運動狀態(tài)，使復(fù)雜問題簡單化；本發(fā)明設(shè)置有第一、第二傳感 器、第三傳感器，可以適時地測量出不同狀態(tài)下單粒子和界面之間的作用力； 本發(fā)明的夾持機(jī)構(gòu)可以改變兩界面的傾斜角，第一、第二三維位移機(jī)構(gòu)可以 方便調(diào)節(jié)粒子與界面之間的位置和作用力狀態(tài)。另外，還可以選擇性的改變 單粒子的形狀和兩界面的表面輪廓或粗糙度，以適應(yīng)不同試驗條件的需要。


下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明做進(jìn)一詳細(xì)說明。 圖1為單粒子侵入相對界面的試驗裝置的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為夾持機(jī)構(gòu)示意圖； 圖3為圖2的爆炸視圖4為連接機(jī)構(gòu)中第二固定座與第二臂桿連接示意圖5為圖4的爆炸視圖6為連接機(jī)構(gòu)中連接頭的爆炸視圖。
具體實施例方式
參照圖1、結(jié)合圖6，單粒子侵入相對界面的試驗裝置，主要包括試驗 臺1、第一 三維位移機(jī)構(gòu)2、第二三維位移機(jī)構(gòu)3、夾持機(jī)構(gòu)4、連接機(jī)構(gòu)5、 靜止界面6、旋轉(zhuǎn)界面7、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)8、單粒子9和導(dǎo)桿10。
旋轉(zhuǎn)界面7設(shè)置在試驗臺1上，旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)8中的電機(jī)通過皮帶傳動，帶動 旋轉(zhuǎn)界面7。夾持機(jī)構(gòu)4固定在第一 三維位移機(jī)構(gòu)2上，第一 三維位移機(jī)構(gòu) 2設(shè)置在試驗臺1上；夾持機(jī)構(gòu)4固定靜止界面6，使其以一個傾斜角與旋轉(zhuǎn) 界面7接觸；通過第一 三維位移機(jī)構(gòu)2可以調(diào)整夾持機(jī)構(gòu)4的三維位置，以 達(dá)到調(diào)整靜止界面6與旋轉(zhuǎn)界面7的相對位置。
連接機(jī)構(gòu)5固定在第二三維位移機(jī)構(gòu)3上，第二三維位移機(jī)構(gòu)3設(shè)置 在試驗臺l上；導(dǎo)桿10的一端通過軸承與連接機(jī)構(gòu)5連接，具體為該軸承 鑲嵌在連接機(jī)構(gòu)5中，導(dǎo)桿10的該端作為與該軸承的對應(yīng)轉(zhuǎn)軸；導(dǎo)桿10的 另一端貫穿固定在單粒子9的中心。試驗時，單粒子9位于靜止界面6與旋 轉(zhuǎn)界面7形成的傾斜角內(nèi)，保持導(dǎo)桿10與旋轉(zhuǎn)界面7平行，并指向其旋轉(zhuǎn)中 心。
同時，在夾持機(jī)構(gòu)4上設(shè)置有測量單粒子9與靜止界面6之間正壓力的 第一傳感器；連接機(jī)構(gòu)5上設(shè)置有測量單粒子9與旋轉(zhuǎn)界面7之間正壓力的第二傳感器，以及測量單粒子9與旋轉(zhuǎn)界面7之間的摩擦力的第三傳感器。 第一、二、三傳感器中均采用力應(yīng)變片。
結(jié)合圖2、 3，夾持機(jī)構(gòu)4為角度可調(diào)夾持機(jī)構(gòu)，所述角度可調(diào)夾持機(jī)構(gòu)， 主要包含第一固定座401、第一臂桿402、夾頭403、第一轉(zhuǎn)軸404、第一 軸承405、螺栓406、螺母407。
第一臂桿402的一端的固定夾頭403，夾頭403設(shè)置有鎖緊螺釘，以方便 夾持和更換靜止界面6。第一固定座401連接在第一 三維位移機(jī)構(gòu)2上，第 一轉(zhuǎn)軸404固定在第一固定座401上，第一軸承405鑲嵌在第一臂桿402的 另一端，第一臂桿402的另一端與第一固定座401通過水平方向設(shè)置的第一 軸承405和第一轉(zhuǎn)軸404連接，并且第一臂桿402與所述第一轉(zhuǎn)軸404垂直。 在第一固定座401和第一臂桿402之間設(shè)置有第一定位部件，該第一定 位部件為螺栓406和螺母407。具體結(jié)構(gòu)為在第一臂桿402上開設(shè)一個螺栓 孔；以第一轉(zhuǎn)軸404為中心，以螺栓孔到第一轉(zhuǎn)軸404的距離為半徑，在第 一固定座401上開設(shè)弧形槽孔，通過螺栓406和螺母407實現(xiàn)第一臂桿402 的角度定位，從而實現(xiàn)靜止界面6和旋轉(zhuǎn)界面7之間的傾斜角可調(diào)。
第一傳感器中采用力應(yīng)變片，貼附在第一臂桿402上、下表面。
結(jié)合圖4、圖5、圖6，連接機(jī)構(gòu)主要包含第二固定座501、第二臂桿 502、連接頭503、第二轉(zhuǎn)軸504、第二軸承505、第三轉(zhuǎn)軸506、第三軸承507。
第二固定座501與第二三維位移機(jī)構(gòu)3固定連接。第二固定座501在垂 直方向上設(shè)置有第二軸承505和第二轉(zhuǎn)軸504的組合，連接頭503在水平方 向設(shè)置有第三軸承507和第三轉(zhuǎn)軸506的組合以及連接導(dǎo)桿10的軸承508， 導(dǎo)桿10與第三轉(zhuǎn)軸507在水平方向上垂直。第二轉(zhuǎn)軸504貫穿第二臂桿502的一端，并通過鎖緊螺釘固定，第三轉(zhuǎn) 軸506貫穿第二臂桿501的另一端，也通過鎖緊螺釘固定。第二固定座501 上設(shè)置有限定第二轉(zhuǎn)軸504轉(zhuǎn)動的第二定位部件，連接頭503上設(shè)置有限定 第三轉(zhuǎn)軸506轉(zhuǎn)動的第三定位部件和選擇性限定導(dǎo)桿10轉(zhuǎn)動的第四定位部 件；第二、第三和第四定位部件均為鎖緊螺釘。本實例采用鎖緊螺釘固定或 定位， 一方面，方便連接機(jī)構(gòu)的組裝；另一方面，方便在試驗時調(diào)試，以滿 足試驗要求，S卩單粒子9位于靜止界面6與旋轉(zhuǎn)界面7形成的傾斜角內(nèi)， 保持導(dǎo)桿10與旋轉(zhuǎn)界面7平行，并指向其旋轉(zhuǎn)中心。
第二傳感器中采用力應(yīng)變片，貼附在第二臂桿502上、下表面；第三傳 感器中也采用力應(yīng)變片，貼附在第二臂桿502的兩側(cè)表面。本實例中，第二 臂桿502分為兩部分，貼附第二傳感器的部分，其上表面面積大于側(cè)表面面 積；貼附第三傳感器的部分，其側(cè)表面面積大于上表面面積。這樣可以提高 測量精度。
在試驗時，調(diào)節(jié)第一 三維位移機(jī)構(gòu)2、第二三維位移機(jī)構(gòu)3和夾持機(jī)構(gòu) 4,使單粒子9、靜止界面6、旋轉(zhuǎn)界面7之間達(dá)到所需要的初始位置關(guān)系和 作用力關(guān)系。單粒子9與靜止界面6之間的作用力由設(shè)置在夾持機(jī)構(gòu)4上的 第一傳感器讀取，單粒子9與旋轉(zhuǎn)界面7之間的正壓力和摩擦力分別由設(shè)置 在連接機(jī)構(gòu)5上的第二和第三傳感器讀取。開啟旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)8中的電機(jī)，電機(jī) 帶動旋轉(zhuǎn)界面7作旋轉(zhuǎn)運動。由于單粒子9的運動距離遠(yuǎn)小于其運動半徑和 旋轉(zhuǎn)界面7的旋轉(zhuǎn)半徑，單粒子9可以近似地看作直線運動，旋轉(zhuǎn)界面7上 與單粒子9接觸部分的運動也可以近似看作直線平動。單粒子9在旋轉(zhuǎn)界面7 的帶動下在兩接觸界面之間運動，并且與兩接觸界面發(fā)生相互作用，實時的作用力狀態(tài)經(jīng)第一、第二和第三傳感器輸出。
連接機(jī)構(gòu)5的一端設(shè)計成了可以上下擺動的連接頭503結(jié)構(gòu)，是為了補(bǔ)償 形位和安裝誤差，保持導(dǎo)桿10和旋轉(zhuǎn)界面7的平行，將導(dǎo)桿10調(diào)節(jié)到與旋 轉(zhuǎn)界面7平行后，調(diào)節(jié)連接頭503側(cè)面的第三定位部件(鎖緊螺釘)將連接頭 鎖死，防止導(dǎo)桿10上下擺動。當(dāng)需要人為限制單粒子9的滾動時，只需調(diào)節(jié) 連接頭503前端的第四定位部件(鎖緊螺釘)將導(dǎo)桿10鎖緊，單粒子9也隨之 被鎖緊。
將第二、第三和第四定位部件(鎖緊螺釘)全部鎖緊(此時相當(dāng)于單粒子9 固定連接在第二三維位移機(jī)構(gòu)上)，然后向下調(diào)節(jié)第二三維位移機(jī)構(gòu)3，使 單粒子9與旋轉(zhuǎn)界面7接觸并產(chǎn)生壓力，此時可以測量單粒子9與旋轉(zhuǎn)界面7 之間的摩擦系數(shù)(接觸壓力和摩擦力可以由第二和第三傳感器輸出)。根據(jù)輸 出的數(shù)據(jù)可以判斷單粒子9、靜止界面6和旋轉(zhuǎn)界面7三者之間的相互作用狀 態(tài)。
權(quán)利要求
1、一種單粒子侵入相對界面的試驗裝置，其特征在于，包括試驗臺(1)，靜止界面(6)，導(dǎo)桿(10)，以及設(shè)置在試驗臺(1)上的旋轉(zhuǎn)界面(7)、連接機(jī)構(gòu)(5)、固定連接靜止界面(6)的夾持機(jī)構(gòu)(4)、驅(qū)動旋轉(zhuǎn)界面(7)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(8)；所述夾持機(jī)構(gòu)(4)固定連接靜止界面(6)，使其以一個傾斜角與旋轉(zhuǎn)界面(7)接觸；所述導(dǎo)桿(10)的一端與連接機(jī)構(gòu)(5)通過軸承連接，其另一端貫穿固定在單粒子(9)的中心，所述單粒子(9)位于所述傾斜角內(nèi)；所述導(dǎo)桿(10)與旋轉(zhuǎn)界面(7)平行，并指向其旋轉(zhuǎn)中心；所述夾持機(jī)構(gòu)(4)上設(shè)置有測量單粒子(9)與靜止界面(6)之間正壓力的第一傳感器；所述連接機(jī)構(gòu)(5)設(shè)置有測量單粒子(9)與旋轉(zhuǎn)界面(7)之間正壓力的第二傳感器，以及測量單粒子(9)與旋轉(zhuǎn)界面(7)之間摩擦力的第三傳感器。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的一種單粒子侵入相對界面的試驗裝置，其特征 在于，所述試驗臺(1)上設(shè)置有第一 三維位移機(jī)構(gòu)(2)，所述夾持機(jī)構(gòu)(4) 固定在該第一 三維位移機(jī)構(gòu)(2)上。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種單粒子侵入相對界面的試驗裝置，其特征 在于，所述夾持機(jī)構(gòu)(4)為角度可調(diào)夾持機(jī)構(gòu)，所述角度可調(diào)夾持機(jī)構(gòu)，包 含第一臂桿(402)，固定連接在第一 三維位移機(jī)構(gòu)(2)上的第一固定座(401)，固定在第一臂桿(402)的一端的夾頭(403);所述第一固定座(401) 與第一臂桿(402)的另一端通過水平方向設(shè)置的第一軸承(405)和第一轉(zhuǎn) 軸(404)連接，所述第一臂桿(402)與所述第一轉(zhuǎn)軸(404)垂直，第一固 定座(401)和第一臂桿(402)之間設(shè)置有第一定位部件；所述夾頭(403)夾持靜止界面(6)，所述第一傳感器設(shè)置在第一臂桿(402)的上、下表面。
4、 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種單粒子侵入相對界面的試驗裝置，其特征 在于，所述第一定位部件為螺栓(406)和螺母(407)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單粒子侵入相對界面的試驗裝置，其特征 在于，所述試驗臺(1)上設(shè)置有第二三維位移機(jī)構(gòu)(3)，所述連接機(jī)構(gòu)(5) 固定在該第二三維位移機(jī)構(gòu)(3)上。
6、 根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種單粒子侵入相對界面的試驗裝置，其特征 在于，所述連接機(jī)構(gòu)(5)，包含連接頭(503)，第二臂桿(502)，固定連 接在第二三維位移機(jī)構(gòu)(3)上的第二固定座(501);所述第二固定座(501) 在垂直方向上設(shè)置有第二軸承(505)和第二轉(zhuǎn)軸(504)的組合，所述連接 頭(503)在水平方向設(shè)置有第三軸承(507)和第三轉(zhuǎn)軸(506)的組合以及 連接導(dǎo)桿(10)的軸承(508),所述導(dǎo)桿(10)與第三轉(zhuǎn)軸(506)在水平方 向上垂直；所述第二臂桿(502)的一端與第二轉(zhuǎn)軸(504)固定連接，其另 一端與第三轉(zhuǎn)軸(506)固定連接；所述第二固定座(501)上設(shè)置有限定第 二轉(zhuǎn)軸(504)轉(zhuǎn)動的第二定位部件，所述連接頭(503)上設(shè)置有限定第三 轉(zhuǎn)軸(506)轉(zhuǎn)動的第三定位部件和選擇性限定導(dǎo)桿(10)轉(zhuǎn)動的第四定位部 件；所述第二傳感器設(shè)置在第二臂桿(502)的上、下表面，所述第三傳感器 設(shè)置在第二臂桿(502)的兩側(cè)表面。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種單粒子侵入相對界面的試驗裝置，其特征 在于，所述第二、第三和第四定位部件均為鎖緊螺釘。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種單粒子侵入相對界面的試驗裝置，其特征 在于，所述第一、第二、第三傳感器中均采用力應(yīng)變片。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種單粒子侵入相對界面的試驗裝置，包括試驗臺(1)，靜止界面(6)，導(dǎo)桿(10)，以及設(shè)置在試驗臺(1)上的旋轉(zhuǎn)界面(7)、連接機(jī)構(gòu)(5)、固定連接靜止界面(6)的夾持機(jī)構(gòu)(4)、驅(qū)動旋轉(zhuǎn)界面(7)的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)(8)；所述夾持機(jī)構(gòu)(4)固定連接靜止界面(6)，使其以一個傾斜角與旋轉(zhuǎn)界面(7)接觸；所述導(dǎo)桿(10)的一端與連接機(jī)構(gòu)(5)通過軸承連接，其另一端貫穿固定在單粒子(9)的中心，所述單粒子(9)位于所述傾斜角內(nèi)；所述導(dǎo)桿(10)與旋轉(zhuǎn)界面(7)平行，并指向其旋轉(zhuǎn)中心；所述夾持機(jī)構(gòu)(4)上設(shè)置有第一傳感器；所述連接機(jī)構(gòu)(5)設(shè)置有第二傳感器和第三傳感器。
文檔編號G01N19/02GK101498651SQ200910021269
公開日2009年8月5日 申請日期2009年2月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月25日
發(fā)明者刁東風(fēng), 李甫迅 申請人:西安交通大學(xué)