多功能摩擦系数测试仪的设计制作

　　(宁夏大学机械工程学院，宁夏赵亚兵　银川750021)

　　摘要:阐述多功能摩擦系数测试仪的设计制作方法及技术要求，用简图与文字表述了静摩擦力、动摩擦力、静摩擦角的侧试实验方法.时同一材料，3个不同质量的试件进行了实验，时比分析了实验数据，得出了实验结论.实验证明了摩擦力、法向力、磨擦系数和摩擦角之间的内在关系，即F=Nxf弄t肿.

　　关健词:磨擦系数;测试仪;结构设计;制作

　　中图分类号:TH837文献标志码:A

　　磨擦始终存在于2个相对运动着的磨擦表面之间，是与运动共生共存的.各种材料的磨擦系数也已列表于相关的设计手册与教科书中，供教学科研使用.但是，关于摩擦系数的测试实验并不是谁都做过，原因有2个，一是认为其理论是成熟的，相关资料中的数据是正确的;二是没有方便快捷的测试仪器，不能按需要进行实验.为此设计制作了多功能摩擦系数测试仪应用于实验教学.用一台实验仪做3个相关实验，实验结果可以相互验证.

　　关于静摩擦系数的测试方法有2种，一是通过测定摩擦力，用公式F=Nxt计算摩擦系数;另一方法是直接测定摩擦角，再用公式计算摩擦系数[l].

　　关于动摩擦系数的测定则是在物体匀速运动时通过测定摩擦力，然后计算摩擦系数.本文就测试仪的构造原理进行论述，供教学参考.

　　1测试仪的构造及设计简图

　　测试仪主要由可动测试平板、倾角调节器、试件、测角仪支架、水平仪、测力系统、机架等组成，见图1.

　　1.l可动测试平板

　　可动测试平板是摩擦面之一，也是测试仪的基础部件.平板表面宽100mm，长450mm，表面粗糙度为Ra0.63，材料为HT200.若用于其他材料的测试时，可将被测材料制成标准平板粘贴在测试仪平板上或制作结构尺寸相同的测试平板替换原来的平板.

　　1.2倾角调节器

　　用于可动测试平板的倾斜角调整.为使调节过程匀速、稳定，并能够自锁，选用涡轮涡杆减速器作传动机构.型号为wD，规格为1.5，传动比为40:1.测试平板安装在输出轴上，手轮安装在输人轴上.

　　13测角仪支架

　　测角仪主要用于安放测角仪，测定平板仰起角度—摩擦角.其主体结构设计为平行四杆机构，见图1.其目的是实现测角仪高低位置的调整，以适应不同试件(材料)的测试和不同测角仪的使用.要求上平行杆轴向有矩形凹槽以便安放测角仪，两摆杆为并列双杆，以保证稳定性.L4水平仪

　　用于检测可动测试平板水平状态，本机选用圆形气泡水平仪，安装在测试平板前端，见图1.水平仪安装校准，用一把尺型水准仪置于测试平板上，分别进行横向与纵向水平校准，然后将其固定.

　　1.5其他部件

　　(l)立柱.高650mm，直径为16mm，材料为45号钢，用螺栓与机架联接;

　　(2)测力计.测力范围为叼009，精度误差)59;

　　(3)驱动电机.选用汽车雨刮器电机，电压为12V，功率为7W，涡轮涡杆减速比为1:52.驱动带轮直径为35mm，转速为62r/min，试件运动速度为0·11lm·s一1.

　　1.6机架及水平调节旋钮

　　机架用于测试仪各零部件的安装.结构尺寸为450mmx300mmxsmm的低碳钢板，当材料为铸铁或大理石板时，厚度相应增加.水平调节旋钮即起水平调整作用也起底脚支点作用.

　　1.7电路及工作原理

　　电路见图2.测试仪电器及电路主要用于动摩擦系数测试时的电机正反转控制121.工作电压为12V，功率为75W，或用Q一6一100蓄电池代替.用手动双联双向开关实现电源极性变换，控制电机正反转，即试件向前移动时是通过电机驱动的，而复位时电机只是反向转动松开绳索，需人工将试件复位[3]

　　.2测试仪的测力系统

　　测力系统包括静摩擦力测试系统和动摩擦力测

　　试系统，

　　2.1静摩擦力测试系统

　　静摩擦力测试系统如图3所示.主要由试件可动测试平板、绳索、滑轮、祛码(盘)组成.滑轮轴与轴承为圆锥顶尖滑动轴承，其轴承间隙可调.滑轮起动力矩为M=l.47xl0巧N·m.绳索缠绕变形力可忽略不计

　　2.2动摩擦力测试系统

　　如图4所示.主要由被测物体、测试平板、绳索、滑轮、测力计、立柱、驱动电机等组成.

　　2.3摩擦角测试系统

　　如图5所示.主要由手轮、倾角调节器、可动测试平板、测角仪或万能测角仪、试件、测角仪支架等组成.

　　3.  测试仪的调试与实验操作  

         3.1测试仪的调试

　　(l)实验之前先用丙酮或四氯化碳溶液擦拭测试平板与试件摩擦表面，清除表面污垢等;

　　(2)可动测试平板水平状况检查调试，通过观察水准仪是否水平进行检查，不平时通过倾角调节器进行纵向水平调节，通过机架底脚螺钉进行横向水平调节;

　　(3)测角仪支架水平状况检查调试，通过观察测角仪0度线与可动测试平板表面是否平行进行检查，不平时通过机架底脚螺钉配合倾角调节器进行微量纵向水平调节.

　　3.2实验操作及实验

　　3.2.1静摩擦力的刚试操作按图3所示安放试件、牵引绳索及祛码盘安放时注意牵引绳索一力作用线的空间位置，应与平板表面和平板纵向轴线平行.不平时调整滑轮高低位置或横向移动试件进行调整.往祛码盘中逐步加注祛码，当加注到试件开始移动时，此时的祛码重力与祛码盘重力之和为摩擦力.再通过公式f=F/N计算摩擦系数.

　　3.2.2动摩擦力的测试操作按图4所示，为了保证试件运动匀速，采用电机拖动，通过测力计测出试件运动前后的拉力，并记录移动前和运动时的拉力，然后进行计算.同一试件运动前的摩擦力应与静摩擦时相同，而运动时的摩擦力小于静摩擦力，摩擦系数计算方法相同.

　　3.2.3摩擦角的测试按图5所示，将试件直接置于测试平板上，通过手轮缓慢调节倾角调节器使测试平板前端向上仰起，当试件在斜面上开始下滑时停止转动手轮.用测角仪测定测试平板的倾角，此时的平板倾角即为摩擦角，角的正切值为该试件(材料)与测试平板(材料)之间的摩擦系数.

　　4滑轮摩擦阻力矩的测定

　　要使静摩擦力的测试f=F/N与摩擦角的测试结果能相互验证，就必须考虑滑轮摩擦阻力矩，进行摩擦阻力矩的测定，从摩擦力计算中减去滑轮摩擦阻力，否则实验结果总是，不能相互验证.因为前者的测试中应用了滑轮与绳索，而后者没有.动摩擦系数测定也存在同样问题.

　　4.1静摩擦力测试实验滑轮摩擦阻力测定方法如图6所示.取‘2为同一试件实验的平均值，分别悬挂于滑轮两侧，此时滑轮呈平衡状态，然后在一测加注祛码，当滑轮平衡状态被破坏时，两侧祛码重力之差便是滑轮在该力作用下的摩擦力.

　　4.2动摩擦力测试实验滑轮摩擦阻力测定方法其测定方法同上.摩擦总阻力二滑轮摩擦阻力、滑轮个数.

　　5实验数据分析与结论

　　5.1试件材料、质t及表面状况

　　试件材料为铸铁，质量分别为10009(9.SN)、8009(7.84N)以及6009(5.88N).实验平板表面粗糙度为Ra0.63，试件表面粗糙度为Ral.25，平面度均为5级.表面加工方法相同，加工印痕为纵向.

　　5.2实验环境及数据

　　实验时环境温度为28℃，相对空气湿度为70%一80%.测角仪误差为土0.5“.每项试验重复进行ro次.实验数据见表1，数据分析见表2.

　　5.3实验结论

　　通过实验和对实验数据分析可得出以下结论:

　　(l)摩擦力与正压力(法向力)、摩擦系数有关，与摩擦面积无关;

　　(2)摩擦系数与摩擦表面的粗糙度、平面度、加工印痕方向有关，粗糙度越大摩擦系数越小，平面度等级越高摩擦系数越大，横向加工印痕的摩擦系数大于纵向的，反之亦然.摩擦表面超精加工后摩擦系数会变大，原因是接触面气密性增加以及分子引力增加.

　　(3)实验证明，摩擦系数受环境温度、湿度、表面污染膜和反应膜的影响，以上因素变化时，摩擦系数会随之变化.由于以上因素的随机性，使得每一次(不同时段)实验数据都有所不同间.因此要求实验室温度、湿度稳定.摩擦表面越纯净，摩擦系数越大.

　　(4)动摩擦系数除了受以上因素的影响以外还与移动速度有关.速度增加动摩擦系数减小，反之亦然.

　　参考文献:

　　[l]哈尔滨工业大学理论力学教研室.理论力学:上册!M].第6版.北京:高等教育出版社，2002:8.

　　[2]秦曾煌.电工学:上册[M].北京:高等教育出版社，1999.

　　[3]余永卫，杨树川，麦永保.滑切试验台的设计制作及试验阴.宁夏工程技术，2005(4):369一370.

　　[4]东北农学院.拖拉机修理学【M].北京:农业出版社，1995:141.