一种自适应往复式冰摩擦系数测量装置

一种自适应往复式冰摩擦系数测量装置
1.所属领域
2.本发明属于冰摩擦力测量技术领域，特别是涉及一种自适应往复式冰摩擦系数测量装置。
现有技术
3.冰摩擦力是反映船体与冰表面之间相互作用的重要参数，冰摩擦力信息可用于破冰船船体防护层的设计、平衡评估等相关领域。与普通固体材料之间的摩擦过程不同，摩擦加热会导致冰面软化或生成润滑水膜形成润滑条件，因此环境温度、滑动速度和压力载荷等相关参数的改变均对冰摩擦力的产生有重要影响，但切向冰摩擦力与正压力相互耦合，仅仅通过冰摩擦力无法完全了解船体与冰表面相互作用的相关力学机制及摩擦信息。冰摩擦系数构建了冰摩擦力与正压力之间的桥梁，因此冰摩擦系数的准确测量对冰摩擦信息的获取及冰摩擦力产生机理的研究具有重要意义。传统的摩擦测试装置无法满足低温环境下冰摩擦的特殊测试要求，对于冰这种特殊材料，表面极易发生相变，因此其表面的平整度难以保证，现存的冰摩擦测试装置振动大信噪比差、温度控制精度不高、无法主动适应冰表面不平整度引起的压力加载波动，存在冰摩擦系数测量不准确的缺陷。
4.因此针对冰摩擦系数测量的特殊要求，提出一种自适应往复式冰摩擦系数测量装置，具有速度、压力及低温环境精确控制功能。相较于传统的摩擦测量仪依靠触点探头与冰面之间的压紧程度控制压力大小的方式，提高了冰摩擦系数测量测量的稳定性与准确性。


技术实现要素：

5.为了实现多参数影响下冰摩擦系数的准确测量，本发明的目的在于提供一种自适应往复式冰摩擦系数测量装置，旨在解决现存的测试装置无法主动适应滑动摩擦过程中冰表面平整度差引起的压力加载脉动大、振动导致的信噪比差及冰摩擦系数测量误差大等问题。
6.为了达到上述目的，本发明设计的自适应往复式冰摩擦系数测量装置主要包括标准砝码1、牵引机构2、测力计3、致动块4、滚珠丝杠导轨5、步进电机6、摩擦定位台7、冰模具8及滑块10。
7.所述牵引机构2实现测力计3与滑块10之间的自适应浮动连接。所述牵引机构2主要包括双套筒连接件12、前螺柱11、后螺柱13、测力计连接螺柱14及转接件18。前螺柱11及后螺柱13分别与滑块10及转接件18相连，测力计连接螺柱14一端与转接件18相连另一端与测力计3连接。双套筒连接件12一端通过间隙配合实现前圆孔17与前螺柱11连接，另一端通过间隙配合实现后圆孔19与后螺柱13连接。冰表面9不平整主要有两点原因，第一点是受限于水的冷涨热缩效应，导致初始冰表面9的平整度难以保证，另一点是摩擦加热会造成冰表面9软化或微纳米级润滑水膜生成，使其表面形貌发生变化。正是由于冰的相变特性，因此冰摩擦系数测量相较于其他固体之间的摩擦会变得困难。前圆孔17与前螺柱11之间径向0.15mm的间隙量使得滑块10滑动过程中沿纵向具有一定的自由度空间，相比于其他冰摩擦
后圆孔。
具体实施方式
21.下面结合附图与具体实施方法对本发明提供的自适应往复式冰摩擦系数测量装置作进一步说明。
22.如图1所示为冰摩擦系数测量原理图，包含外围驱动控制电路、冰摩擦系数测量装置及低温试验箱三大模块。如图2所示，本设计自适应往复式冰摩擦系数测量装置可用于低温复杂环境下冰摩擦系数的测量。该自适应往复式冰摩擦系数测量装置主要包括标准砝码1、牵引机构2、测力计3、致动块4、滚珠丝杠导轨5、步进电机6、摩擦定位台7、冰模具8及滑块10。
23.所述牵引机构2实现测力计3与滑块10之间的自适应浮动连接。所述牵引机构2主要包括双套筒连接件12、前螺柱11、后螺柱13、测力计连接螺柱14及转接件18。前螺柱11及后螺柱13分别与滑块10及转接件18相连，测力计连接螺柱14一端与转接件18相连另一端与测力计3连接。双套筒连接件12一端通过间隙配合实现前圆孔17与前螺柱11连接，另一端通过间隙配合实现后圆孔19与后螺柱13连接。冰表面9不平整主要有两点原因，第一点是受限于水的冷涨热缩效应，导致初始冰表面9的平整度难以保证，另一点是摩擦加热会造成冰表面9软化或微纳米级润滑水膜生成，使其表面形貌发生变化，正是由于冰的相变特性，因此冰摩擦系数测量相较于其他固体之间的摩擦会变得困难。前圆孔17与前螺柱11之间径向0.15mm的间隙量使得滑块10滑动过程中沿纵向具有一定的自由度空间，相比于其他冰摩擦系数测量方式，能够主动适应冰表面形貌变化带来的压力波动，提高了压力加载的稳定性，同时降低了测力计3与滑块10之间的连接刚度，改善了整个测试装置的信噪比。后圆孔19与后螺柱13之间径向0.1mm间隙量便于双套筒连接件的安装同时避免双套筒连接件12发生横向移动。
24.所述盛有冰层的模具8固定于摩擦定位台7，冰表面9与测力计3敏感单元15处于同一水平线。所述步进电机6安装于滚珠丝杠导轨5末端，外围电路实现步进电机6的控制，驱动固定于致动块4上的测力计3沿滚珠丝杠导轨5运动，并通过牵引机构实现装有砝码的滑块10与冰表面9之间的自适应往复摩擦，安装好的自适应往复式冰摩擦系数测量装置置于温度可控的低温试验箱中，达到温度控制目的。
25.如图3、图4及图5所示，分别是自适应浮动式连接结构、传感器端连接及间隙配合图。如图6及图7所示，分别是环境温度为-4℃、压力为40n及滑动速度为10mm/s时，正向冰摩擦系数与反向冰摩擦力随采样点(时间)变化曲线图。可见冰摩擦系数大小在0.1附近波动。正向稳定摩擦阶段冰摩擦系数标准差为0.004(相同实验条件下一系列采样点的标准差)，反向冰摩擦力标准差为0.19(相同实验条件下一系列采样点的标准差)。本实施例中当研究滑动速度对冰摩擦系数的影响时，保持温度及压力不变，外围电路控制滑动速度大小及方向；当研究压力对冰摩擦系数的影响时，保持滑动速度及温度不变，更换标准砝码1实现不同压力大小的加载；当研究温度对冰摩擦系数的影响时，保持滑动速度及压力不变，调节最低温度可达-40℃的试验箱实现不同温度的控制，每次试验测力计3记录冰摩擦力并同时记录标准砝码1重量，所得冰摩擦力除以对应标准砝码1重量得到冰摩擦系数。


技术特征：
1.一种自适应往复式冰摩擦系数测量装置，其特征在于：所述自适应往复式冰摩擦系数测量装置主要包括标准砝码1、牵引机构2、测力计3、致动块4、滚珠丝杠导轨5、步进电机6、摩擦定位台7、冰模具8及滑块10。所述牵引机构2实现测力计3与滑块10之间的自适应浮动连接。所述牵引机构2主要包括双套筒连接件12、前螺柱11、后螺柱13、测力计连接螺柱14及转接件18。前螺柱11及后螺柱13分别与滑块10及转接件18相连，测力计连接螺柱14一端与转接件18相连另一端与测力计3连接。双套筒连接件12一端通过间隙配合实现前圆孔17与前螺柱11连接，另一端通过间隙配合实现后圆孔19与后螺柱13连接。冰表面9不平整主要有两点原因，第一点是受限于水的冷涨热缩效应，导致初始冰表面9的平整度难以保证，另一点是摩擦加热会造成冰表面9软化或微纳米级润滑水膜生成，使其表面形貌发生变化。正是由于冰的相变特性，因此冰摩擦系数测量相较于其他固体之间的摩擦会变得困难。前圆孔17与前螺柱11之间径向0.15mm的间隙量使得滑块10滑动过程中沿纵向有一定的自由度空间，相比于其他冰摩擦系数测量方式，能够主动适应冰表面形貌变化带来的压力波动，提高了压力加载的稳定性，同时降低了测力计3与滑块10之间的连接刚度，改善了整个测试装置的信噪比。后圆孔19与后螺柱13之间径向0.1mm间隙量便于双套筒连接件的安装同时避免双套筒连接件12发生横向移动。所述盛有冰层的模具8固定于摩擦定位台7，冰表面9与测力计3敏感单元15平行。所述步进电机6安装于滚珠丝杠导轨5末端，外围电路实现步进电机6的控制，驱动固定于致动块4上的测力计3沿滚珠丝杠导轨5运动，并通过牵引机构实现装有砝码的滑块10与冰表面9之间的自适应往复摩擦，安装好的自适应往复式冰摩擦系数测量装置置于温度可控的低温试验箱中，达到温度控制目的。

技术总结
本发明公开了一种用于冰摩擦系数测量的自适应往复式装置，属于冰摩擦力测量技术领域。该装置通过浮动连接自适应冰表面9不平整引起的波动，解决了传统测量方式无法主动适应冰表面9不平整引起的压力波动及冰摩擦系数测量不准确的问题。所述自适应往复式冰摩擦系数测量装置主要包括标准砝码1、牵引机构2、测力计3、致动块4、滚珠丝杠导轨5、步进电机6、摩擦定位台7、冰模具8及滑块10。控制步进电机6的转速及转向实现滑块底面与冰表面9之间的自适应往复滑动摩擦，确保滑动速度的准确性；可程式低温试验箱实现环境温度的控制；通过标准砝码1配重施加压力载荷，浮动连接方式一方面主动适应由于冰表面9不平整引起的滑块10沿冰表面9纵向的波动，提高了压力加载的稳定性，另一方面降低了测力计3与滑块10之间的连接刚度，提高了测试装置整体的信噪比。高了测试装置整体的信噪比。高了测试装置整体的信噪比。


技术研发人员：邓进军 辛菲菲 裴海洋 韩特日格乐 韩纪龙
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.04.19
技术公布日：2023/7/7