一种材料表面流体摩擦特性的原位测试装置

1.本发明涉及表面流体摩擦特性测试技术领域，具体涉及一种材料表面流体摩擦特性的原位测试装置。


背景技术：

2.流体摩擦发生在彼此相对运动的流体层之间。目前，汽车轮胎、防滑安全鞋、隐形眼镜等软质材料产品在湿滑等流体环境下均表现出优良的摩擦学性能，给人类带来巨大便利，故研究软质材料表面在流体润滑条件下的摩擦机理对了解流体摩擦过程，实现产品在流体润滑条件下的摩擦性能优化设计具有重要意义。此外，摩擦和微观接触状态密切相关，因此，在摩擦特性测试的同时，从多角度观测材料表面的微观接触状态对摩擦机理的研究十分重要。
3.由于流体是一种透明物质，人们很难通过人的肉眼和显微镜观测出常态下的流体的流场，进而无法探究出流体是如何影响材料表面的摩擦性能的，对软质材料在流体润滑状态下的摩擦机理的研究带来了巨大困难。因此，研发一种可观测并记录软质材料表面流体流场的原位测试装置，对软质材料表面流体摩擦特性的研究意义重大。
4.传统摩擦试验机一般是在一定力和环境条件下，通过往复或旋转等运动形式开展摩擦试验，并主要集中在探究力、速度等对摩擦的影响，且已开始具备微观接触状态测量功能。然而，对试样表面使用的润滑介质的研究，人们更多地停留在试样表面存在润滑介质时的摩擦性能上，而对试样表面在流体(润滑介质)润滑条件下的摩擦机理的研究仍具有巨大的发展空间。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种能用于可多角度定位观测且可观测软材料表面流体流场的测试装置，且满足实验载荷达到毫牛级的需要。本测试装置可针对不同滑动速度、不同载荷条件、不同介质中自润滑软质材料的摩擦学性能进行试验研究，进行不同结构参数的软质材料在相同条件下的对比试验，通过测量实验中产生的摩擦力大小，来研究软质材料表面引入织构的摩擦性能，可为研究软质材料表面织构摩擦性能提供客观真实的评定参数，且通过从多角度观察材料表面的微观接触状态和材料表面润滑介质的流场，来探究软质材料在流体润滑条件下的摩擦机理。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
7.一种材料表面流体摩擦特性的原位测试装置，包括机架，所述机架的顶部固定安装有步进电机丝杠滑台，所述步进电机丝杠滑台与移动平台通过螺栓连接，所述移动平台的上表面安装有有机玻璃；
8.所述机架的底板上表面固定安装有固定板，固定板的中心孔与显微镜支撑立柱的下端过渡配合，所述显微镜支撑立柱的下端固定于机架的底板上，所述显微镜支撑立柱的中部安装有显微镜，使显微镜位于机架的底板与机架的顶板之间；所述显微镜的高度可以
进行调节，所述显微镜位于移动平台正下方；
9.所述机架的底板上表面固定安装有矩形固定板，所述矩形固定板上安装有手动xyz轴滑台，所述手动xyz轴滑台通过支撑立柱带动摩擦加载机构沿x、y、z向移动。
10.作为本发明进一步的方案：所述有机玻璃在步进电机丝杠滑台的驱动下随移动平台沿水平方向往复移动，所述有机玻璃上方放置实验需使用的试样。
11.作为本发明进一步的方案：所述机架的顶部上表面固定有软管支架、伸缩支架和紫光灯，所述软管支架上端固定安装有所述usb摄像头，所述伸缩支架上端固定安装有小型usb摄像头。
12.作为本发明进一步的方案：所述手动xyz轴滑台包括x轴滑台、z轴滑台、位移平台、y轴滑台，所述x轴滑台固定于矩形固定板上表面，所述x轴滑台上表面与所述y轴滑台下表面通过螺栓连接，所述y轴滑台上表面与所述z轴滑台下表面通过螺栓连接，所述z轴滑台上表面固定安装有位移平台。
13.作为本发明进一步的方案：所述摩擦加载机构包括砝码、不等臂单盘天平、不规则固定件、微型传感器、小型不规则固定件以及球形压头，所述不等臂单盘天平固定于支撑立柱上端，所述不等臂单盘天平的托盘中放置有砝码，使在施加载荷之前不等臂单盘天平两端保持平衡，所述不规则固定件的左端与不等臂单盘天平的悬臂梁右端通过螺栓相连接，所述不规则固定件右端安装有微型传感器，所述小型不规则固定件一端与微型传感器通过螺栓连接，所述小型不规则固定件另一端固定有一销，销的下端固定有球形压头。
14.作为本发明进一步的方案：所述机架的一侧安装有运动控制器、移动电源、驱动器、数字变送器。
15.作为本发明进一步的方案：所述机架的底板通过螺纹孔固定安装有m8脚杯。
16.作为本发明进一步的方案：所述机架为中空结构，所述机架的顶部开设有通孔。
17.本发明的有益效果：
18.本试验机安装有软管支架、usb摄像头、伸缩支架、小型usb摄像头、显微镜、紫光灯和摩擦加载机构。软管支架使usb摄像头的镜头从试样的侧上方对准有机玻璃上的试样上表面，伸缩支架使小型usb摄像头的镜头从试样的正前方对准试样上表面，显微镜从试样的正下方对准试样，从多角度观察记录实验现象，更加全面地记录摩擦过程，为试样摩擦机理的探究提供了最直观的依据。紫光灯发出的紫光为混合到流体(润滑介质)中的荧光粉提供了能量，使荧光粉散发出明亮的光芒，而该光芒极易被显微镜观测和记录，同时，荧光粉是紧随着流体(润滑介质)流动的，因此，可通过显微镜观测到荧光粉的实时流动状态并记录其流动轨迹，进而可推论出流体(润滑介质)的流场，探究出流体是如何影响材料表面的摩擦性能的。摩擦加载机构，包括砝码、不等臂单盘天平、不规则固定件、微型传感器、小型不规则固定件以及球形压头。通过移动不等臂单盘天平上的游码可对球形压头施加载荷，使得实验过程中试样受到稳定的载荷，且施加的载荷范围为0～190mn，弥补了现有摩擦试验机在微载荷下对软质材料进行试验的不足。
附图说明
19.下面结合附图对本发明作进一步的说明。
20.图1是本发明整体的结构示意图；
21.图2是本发明俯视图；
22.图3是本发明手动xyz轴滑台示意图；
23.图4是本发明机架的顶部结构示意图。
24.图中：1、机架；2、手动xyz轴滑台；3、支撑立柱；4、摩擦加载机构；5、软管支架；6、usb摄像头；7、移动平台；8、紫光灯；9、有机玻璃；10、小型usb摄像头；11、步进电机丝杠滑台；12、伸缩支架；13、显微镜；14、显微镜支撑立柱；15、固定板；16、m8脚杯；17、矩形固定板；21、x轴滑台；22、z轴滑台；23、位移平台；24、y轴滑台；41、砝码；42、不等臂单盘天平；43、不规则固定件；44、微型传感器；45、小型不规则固定件；46、球形压头。
具体实施方式
25.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
26.请参阅图1-4所示，本发明为一种材料表面流体摩擦特性的原位测试装置，包括机架1，所述机架1的顶部固定安装有步进电机丝杠滑台11，所述步进电机丝杠滑台11与移动平台7通过螺栓连接，所述移动平台7的上表面安装有有机玻璃9；所述有机玻璃9在步进电机丝杠滑台11的驱动下随移动平台7沿水平方向往复移动，所述有机玻璃9上方放置实验需使用的试样，可手动调节步进电机丝杠滑台11，使试验样品沿x向，y向一定距离范围内移动。
27.所述机架1的底板上表面固定安装有固定板15，固定板15的中心孔与显微镜支撑立柱14的下端过渡配合，所述显微镜支撑立柱14的下端固定于机架1的底板上，所述显微镜支撑立柱14的中部安装有显微镜13，使显微镜13位于机架1的底板与机架1的顶板之间；所述显微镜13的高度可以进行调节，所述显微镜13位于移动平台7正下方，便于观察记录实验现象。
28.如图2和图4所示，所述软管支架5和伸缩支架12、紫光灯8均固定于所述机架1的顶部上表面，所述软管支架5上端固定安装有所述usb摄像头6，所述伸缩支架12上端固定安装有所述小型usb摄像头10。软管支架可使usb摄像头的镜头向任意方向偏转，实验时将镜头调整到有机玻璃的斜上方，再将镜头对准有机玻璃上的试样上表面，进而使摄像头从侧上方观测并记录试样表面的微观接触状态。伸缩支架可使小型usb摄像头上下移动，实验时将镜头调整到有机玻璃的正前方，再将镜头对准有机玻璃上的试样上表面，进而使摄像头从正前方观测并记录试样表面的微观接触状态。紫光灯为混合到流体(润滑介质)中的荧光粉提供了能量，使荧光粉散发出明亮的光芒，因此，通过显微镜可观测到单个荧光粉颗粒所在的位置。由于实验时荧光粉是紧随着流体(润滑介质)流动的，所以实验时通过显微镜可观测到荧光粉的实时流动状态并记录其流动轨迹，进而可推论出流体(润滑介质)的流场，因此，采集的视频经过处理后可得到流体(润滑介质)的流场。
29.如图3所示，所述手动xyz轴滑台2包括x轴滑台21、z轴滑台22、位移平台23、y轴滑台24。所述机架1的底板上表面固定安装有矩形固定板17，所述x轴滑台21固定于矩形固定板17上表面。所述x轴滑台21上表面与所述y轴滑台24下表面通过螺栓连接，所述y轴滑台24
上表面与所述z轴滑台22下表面通过螺栓连接，所述z轴滑台22上表面固定安装有位移平台23。所述位移平台23上表面固定安装有所述支撑立柱3。分别通过手动调节所述x轴滑台21、y轴滑台24、z轴滑台22可带动所述摩擦加载机构4分别沿x、y、z向一定距离范围内移动，可移动范围为25mm
×
25mm
×
10mm，最小位移为0.01mm，使摩擦加载机构4上的球形压头46能与所述有机玻璃9上的试验样品多个位置接触，且可调节球形压头46和试验样品之间的垂直位置关系，通过调节手动xyz轴滑台2和步进电机丝杠滑台11可调动试样表面任意位置的微观接触进入观测位置。
30.如图4所示，所述摩擦加载机构4包括砝码41、不等臂单盘天平42、不规则固定件43、微型传感器44、小型不规则固定件45以及球形压头46。所述不等臂单盘天平42固定于所述支撑立柱3上端，所述不等臂单盘天平42的托盘中放置有砝码41，使在施加载荷之前不等臂单盘天平42两端保持平衡。所述不规则固定件43的左端与不等臂单盘天平42的悬臂梁右端通过螺栓相连接，所述不规则固定件43右端安装有微型传感器44，实验过程中将微型传感器的信号数据接收到数字变换器中，通过labview2018进行进行采集并记录变化。所述小型不规则固定件45一端与微型传感器44通过螺栓连接，所述小型不规则固定件45另一端固定有一销，销的下端固定有球形压头46。通过移动不等臂单盘天平42上的游码可对球形压头46施加载荷，使得实验过程中试样受到稳定的载荷，施加的载荷范围为0～190mn。
31.上述对微型传感器、显微镜、摄像头等关键硬件作了详细的介绍。由于来自不同厂家，每个部件都有自己独立的硬件控制器，不能直接进行互联通信，需要有上位机来进行对各个部件的信号进行收集、处理、调控并发出操控命令。上位机主要采用美国国家仪器有限公司(national instruments，ni)labview2018进行软件代码编写，利用各部件厂家提供的子函数和dll共享库来实现对硬件串口通信与控制等。
32.所述机架1的一侧安装有运动控制器、移动电源、驱动器、数字变送器。
33.所述机架1的底板通过螺纹孔固定安装有m8脚杯16，通过水平测量仪保证机架1水平竖立放置在水平面上。
34.所述机架1为中空结构，所述机架1的顶部开设有通孔，便于显微镜13观察记录实验现象。
35.本发明的工作原理：该机构在不加载时，通过调节配重的位置，使不等臂单盘天平42的悬臂梁可在垂直任一位置达到平衡，以此来保证机构在不加载时沿加悬臂梁方向向下对试样材料不施加作用力；将试样放在有机玻璃9上，通过调节手动xyz轴滑台2使球形压头46与试样刚好相接触，移动不等臂单盘天平42上的游码向试样施加载荷，试验台通电，打开电脑端控制电机转速带动丝杠导轨，致使固定在有机玻璃9上的试样水平方向上往复运动，与其同时，摩擦加载机构4上的微型传感器44记录摩擦力的变化，通过电机调控达到不同的速度，机架1内部的显微镜13观察硅橡胶软质材料发生摩擦的具体变化，采集记录的数据通过数字变送器保存到电脑端。另外，可打开紫光灯，向润滑介质中加入荧光粉，再次控制电机转速带动丝杠导轨，使试样水平方向上往复运动，通过机架1内部的显微镜13可观察到荧光粉的运动轨迹，再将采集记录的视频保存到电脑端，经图像处理软件处理后可得到流体(润滑介质)的流场。
36.以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进
等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

技术特征：
1.一种材料表面流体摩擦特性的原位测试装置，包括机架(1)，所述机架(1)的顶部固定安装有步进电机丝杠滑台(11)，其特征在于，所述步进电机丝杠滑台(11)与移动平台(7)通过螺栓连接，所述移动平台(7)的上表面安装有有机玻璃(9)；所述机架(1)的底板上表面固定安装有固定板(15)，固定板(15)的中心孔与显微镜支撑立柱(14)的下端过渡配合，所述显微镜支撑立柱(14)的下端固定于机架(1)的底板上，所述显微镜支撑立柱(14)的中部安装有显微镜(13)，使显微镜(13)位于机架(1)的底板与机架(1)的顶板之间；所述显微镜(13)的高度可以进行调节，所述显微镜(13)位于移动平台(7)正下方；所述机架(1)的底板上表面固定安装有矩形固定板(17)，所述矩形固定板(17)上安装有手动xyz轴滑台(2)，所述手动xyz轴滑台(2)通过支撑立柱(3)带动摩擦加载机构(4)沿x、y、z向移动。2.根据权利要求1所述的一种材料表面流体摩擦特性的原位测试装置,其特征在于，所述有机玻璃(9)在步进电机丝杠滑台(11)的驱动下随移动平台(7)沿水平方向往复移动，所述有机玻璃(9)上方放置实验需使用的试样。3.根据权利要求1所述的一种材料表面流体摩擦特性的原位测试装置,其特征在于，所述机架(1)的顶部上表面固定有软管支架(5)、伸缩支架(12)和紫光灯(8)，所述软管支架(5)上端固定安装有所述usb摄像头(6)，所述伸缩支架(12)上端固定安装有小型usb摄像头(10)。4.根据权利要求3所述的一种材料表面流体摩擦特性的原位测试装置,其特征在于，所述手动xyz轴滑台(2)包括x轴滑台(21)、z轴滑台(22)、位移平台(23)、y轴滑台(24)，所述x轴滑台(21)固定于矩形固定板(17)上表面，所述x轴滑台(21)上表面与所述y轴滑台(24)下表面通过螺栓连接，所述y轴滑台(24)上表面与所述z轴滑台(22)下表面通过螺栓连接，所述z轴滑台(22)上表面固定安装有位移平台(23)。5.根据权利要求1所述的一种材料表面流体摩擦特性的原位测试装置,其特征在于，所述摩擦加载机构(4)包括砝码(41)、不等臂单盘天平(42)、不规则固定件(43)、微型传感器(44)、小型不规则固定件(45)以及球形压头(46)，所述不等臂单盘天平(42)固定于支撑立柱(3)上端，所述不等臂单盘天平(42)的托盘中放置有砝码(41)，使在施加载荷之前不等臂单盘天平(42)两端保持平衡，所述不规则固定件(43)的左端与不等臂单盘天平(42)的悬臂梁右端通过螺栓相连接，所述不规则固定件(43)右端安装有微型传感器(44)，所述小型不规则固定件(45)一端与微型传感器(44)通过螺栓连接，所述小型不规则固定件(45)另一端固定有一销，销的下端固定有球形压头(46)。6.根据权利要求1所述的一种材料表面流体摩擦特性的原位测试装置,其特征在于，所述机架(1)的一侧安装有运动控制器、移动电源、驱动器、数字变送器。7.根据权利要求1所述的一种材料表面流体摩擦特性的原位测试装置,其特征在于，所述机架(1)的底板通过螺纹孔固定安装有m8脚杯(16)。8.根据权利要求1所述的一种材料表面流体摩擦特性的原位测试装置,其特征在于，所述机架(1)为中空结构，所述机架(1)的顶部开设有通孔。

技术总结
本发明公开了一种材料表面流体摩擦特性的原位测试装置，涉及表面流体摩擦特性测试技术领域，解决人们很难通过人的肉眼和显微镜观测出常态下的流体的流场，进而无法探究出流体是如何影响材料表面的摩擦性能的技术问题，包括机架，所述机架的顶部固定安装有步进电机丝杠滑台，所述步进电机丝杠滑台与移动平台通过螺栓连接，所述移动平台的上表面安装有有机玻璃。本测试装置可针对不同滑动速度、不同载荷条件、不同介质中自润滑软质材料的摩擦学性能进行试验研究，进行不同结构参数的软质材料在相同条件下的对比试验，通过测量实验中产生的摩擦力大小，来研究软质材料表面引入织构的摩擦性能。擦性能。擦性能。


技术研发人员：肖汉 李蒙 孙勇健 毕波 时礼平 王涛
受保护的技术使用者：安徽工业大学
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/10/15