專利名稱：一種速度智能調(diào)控的環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磨損試驗(yàn)裝置領(lǐng)域，具體地說，是涉及一種速度智能調(diào)控的環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)。
背景技術(shù)：
摩擦磨損是材料的三種主要失效形式之一，它所造成的經(jīng)濟(jì)損失十分巨大。全世界大約有1/3 1/2的一次性能源均消耗在摩擦磨損上。機(jī)械設(shè)備中零部件的摩擦磨損性能是由材料、工作狀態(tài)、接觸方式和環(huán)境條件等因素決定的。結(jié)合實(shí)際工況、選用適當(dāng)?shù)哪Σ聊p試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，分析其失效機(jī)理，優(yōu)選摩擦材料是必不可少的。為此，各種形式的摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生。機(jī)械零部件中的摩擦配副，如內(nèi)燃機(jī)中的活塞與缸套、潛油螺桿泵中的橡膠定子與金屬轉(zhuǎn)子、減速器中的齒輪副等，在工作周期內(nèi)長期運(yùn)行，其摩擦磨損潤滑問題往往直接關(guān)系到整個(gè)機(jī)械設(shè)備的使用壽命，且這類機(jī)械設(shè)備可控參數(shù)較少，一般只有運(yùn)行速度是最主要、甚至是唯一可調(diào)的參數(shù)。在運(yùn)行過程中，人們總希望利用以前的運(yùn)行工況來預(yù)知后續(xù)的工況，通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)控運(yùn)行速度來獲得后期的最佳使用壽命和工作效率。因此，人們采用系統(tǒng)工程的方法進(jìn)行探索，將工況參數(shù)作為輸入量，機(jī)械設(shè)備的功能或者材料的磨損作為輸出量，把磨損過程看作一個(gè)“黑箱”問題來處理。目前人們采用灰色理論、小波分形、混沌理論、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非線性映射方法解決這些長工作周期零部件的磨損問題，已取得了非常好的效果。但是，上述研究只是在軟件范圍內(nèi)進(jìn)行，無法真實(shí)的反映長工作周期關(guān)鍵部件的磨損問題，而且目前尚未有模擬實(shí)際工況，并將智能控制軟件與摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的硬件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)速度智能調(diào)控的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)
發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的
本發(fā)提供一種速度智能調(diào)控的環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的在試驗(yàn)過程中速度無法智能調(diào)控以及無法模擬長工作周期內(nèi)關(guān)鍵零部件的摩擦磨損的問題。技術(shù)方案
一種速度智能調(diào)控的環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于:該試驗(yàn)機(jī)包括傳動(dòng)部分、環(huán)-塊摩擦副、加載裝置、加熱裝置和樣品臺(tái)；傳動(dòng)部分包括主軸，主軸上安裝有摩擦環(huán)，力口載裝置上方的樣品臺(tái)上安裝有塊狀試樣，摩擦環(huán)與塊狀試樣相對(duì)設(shè)置，構(gòu)成一對(duì)環(huán)-塊摩擦副，加熱裝置設(shè)在摩擦環(huán)和塊狀試樣所在的料筒的蓋板上。傳動(dòng)部分還包括交流伺服電機(jī)、傳動(dòng)軸和聯(lián)軸器，主軸與傳動(dòng)軸通過聯(lián)軸器連接；交流伺服電機(jī)安裝在試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)座上，其電機(jī)軸與傳動(dòng)軸同樣通過聯(lián)軸器連接，交流伺服電機(jī)由交流伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。
主軸、傳動(dòng)軸與交流伺服電機(jī)的電機(jī)軸回轉(zhuǎn)中心保持同一，轉(zhuǎn)矩傳感器安裝在傳動(dòng)軸上。加載裝置包括彈簧、上蓋板、下蓋板、加載絲桿、步進(jìn)電機(jī)和壓力傳感器；步進(jìn)電機(jī)連接加載絲桿，加載絲桿外套設(shè)有彈簧，彈簧下端連接能夠隨著加載絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)而上下移動(dòng)的下蓋板，彈簧上端連接上蓋板；上蓋板上方設(shè)有壓力傳感器，壓力傳感器通過其上方的頂桿與樣品臺(tái)相連接。加熱裝置設(shè)置在料筒的蓋板上，料筒中設(shè)有溫度傳感器；加熱裝置采用間接電阻加熱方式，包括發(fā)熱元件和被加熱物體兩部分。測控系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)連接交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。優(yōu)點(diǎn)及效果
本發(fā)明是一種速度智能調(diào)控的環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，具有以下優(yōu)點(diǎn):
試驗(yàn)機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)如下:
(1)調(diào)速范圍:主軸轉(zhuǎn)速可以在(Γ1500Γ/π ι之間實(shí)現(xiàn)無級(jí)變速；
(2)加載范圍:最大加載重量為1000Ν；
(3)溫度范圍:最大加熱溫度為150°C；
(4)信號(hào)采集:壓力傳感器、扭矩傳感器、位移傳感器和溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)各種信號(hào)的精確采集，通過下位機(jī)傳送給上位機(jī)處理，載荷、摩擦力矩、摩擦系數(shù)、磨損量和溫度等參數(shù)實(shí)時(shí)顯示在用戶界面并保存；
(5)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型:能夠?qū)崿F(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的建模和預(yù)測，并調(diào)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行速度控制。數(shù)據(jù)處理模塊中的速度調(diào)控模型不局限于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，也可以采用其它智能優(yōu)化算法建立模型。


圖1是本發(fā)明的試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)原理框 圖2是本發(fā)明的試驗(yàn)機(jī)組成系統(tǒng)框 圖3是本發(fā)明的試驗(yàn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)示意 圖4是本發(fā)明的試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)流程 圖5是本發(fā)明的試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理過程示意圖。附圖標(biāo)記說明:
1.加載裝置；2.位移傳感器；3.壓力傳感器；4.塊狀試樣；5.摩擦環(huán)；6.溫度傳感器；7.轉(zhuǎn)矩傳感器；8.交流伺服電機(jī)；9.交流伺服驅(qū)動(dòng)器；10.計(jì)算機(jī)；11.測控系統(tǒng)；12.步進(jìn)電機(jī)；13.下蓋板；14.加載絲桿；15.彈簧；16.上蓋板；17.頂桿；18.樣品臺(tái)；19.加熱裝置；20.料筒；21.主軸箱；22.主軸；23.聯(lián)軸器；24.傳動(dòng)軸；25.電機(jī)軸。
具體實(shí)施方式
:
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明:
本發(fā)明是一種速度智能調(diào)控的環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，如圖1、圖2和圖3中所示，其特征在于:該試驗(yàn)機(jī)包括傳動(dòng)部分、環(huán)-塊摩擦副、加載裝置1、加熱裝置19和樣品臺(tái)18 ;傳動(dòng)部分包括主軸22，主軸22上安裝有摩擦環(huán)5，加載裝置I上方的樣品臺(tái)18上安裝有塊狀試樣4，摩擦環(huán)5與塊狀試樣4相對(duì)設(shè)置，構(gòu)成一對(duì)環(huán)-塊摩擦副，加熱裝置19設(shè)在摩擦環(huán)5和塊狀試樣4的所在的料筒20蓋板上。由溫度傳感器6、壓力傳感器3、轉(zhuǎn)矩傳感器7和位移傳感器2將采集的信號(hào)傳遞給測控系統(tǒng)11進(jìn)行轉(zhuǎn)換并經(jīng)數(shù)據(jù)處理后，反饋給交流伺服驅(qū)動(dòng)器9，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)交流伺服電機(jī)8，實(shí)現(xiàn)速度的實(shí)時(shí)調(diào)控。傳動(dòng)部分還包括交流伺服電機(jī)8、傳動(dòng)軸24和聯(lián)軸器23，主軸22與傳動(dòng)軸24通過聯(lián)軸器23連接；交流伺服電機(jī)8安裝在試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)座上，其電機(jī)軸25與傳動(dòng)軸24同樣通過聯(lián)軸器23連接，交流伺服電機(jī)8由交流伺服驅(qū)動(dòng)器9驅(qū)動(dòng)控制，為傳動(dòng)部分提供動(dòng)力。主軸22、傳動(dòng)軸24與交流伺服電機(jī)8的電機(jī)軸25回轉(zhuǎn)中心保持同一，扭矩傳感器7安裝在傳動(dòng)軸24上。加載裝置I包括彈簧15、上蓋板16、下蓋板13、加載絲桿14、步進(jìn)電機(jī)12和壓力傳感器3 ;步進(jìn)電機(jī)12連接加載絲桿14,加載絲桿14外套設(shè)有彈簧15,彈簧15下端連接能夠隨著加載絲桿14的轉(zhuǎn)動(dòng)而上下移動(dòng)的下蓋板13，彈簧15上端連接上蓋板16 ;步進(jìn)電機(jī)12旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)加載絲桿14轉(zhuǎn)動(dòng)，則下蓋板13隨著加載絲桿14的轉(zhuǎn)動(dòng)而上下移動(dòng)，使彈簧15進(jìn)行拉伸和壓縮，改變載荷的大小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)塊狀試樣4的加載和卸載；上蓋板16上方設(shè)有壓力傳感器3，壓力傳感器3通過其上方的頂桿17與樣品臺(tái)18相連接，所施加的載荷經(jīng)壓力傳感器3測量后，將數(shù)據(jù)傳遞給測控系統(tǒng)，可以在試驗(yàn)過程中不斷調(diào)整步進(jìn)電機(jī)12的轉(zhuǎn)動(dòng)，使載荷保持在一定范圍內(nèi)。加熱裝置19設(shè)置在料筒20的蓋板上(加熱裝置與料筒的蓋板為一體化設(shè)計(jì)，這樣可以有效節(jié)約空間)，料筒20中設(shè)有溫度傳感器6 ;加熱裝置19采用間接電阻加熱方式，包括發(fā)熱元件和被加熱物體兩部分，發(fā)熱元件能夠嵌入到被加熱物體中，構(gòu)成料筒的蓋板。蓋板用螺絲緊 固安裝在料筒上，這樣料筒可以形成一個(gè)密封的腔室，里面可以采用不同介質(zhì)來進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)研究。測控系統(tǒng)11通過計(jì)算機(jī)10連接交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器9。位移傳感器2設(shè)置在樣品臺(tái)18下面，安裝在加載裝置的支承桿上，與頂桿17相連接，是一種拉線式位移傳感器，可以用來測量塊狀試樣的磨損量的大小，精度可達(dá)I速度智能調(diào)控的環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集模塊將傳感器采集的信號(hào)，通過RJ45網(wǎng)絡(luò)通訊傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊；數(shù)據(jù)處理模塊中的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型根據(jù)采樣數(shù)據(jù)的變化，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)速度。速度智能調(diào)控的環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)處理模塊中的速度調(diào)控模型不局限于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，也可以采用其它智能優(yōu)化算法建立模型。加載裝置采用彈簧機(jī)構(gòu)加載，通過步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)加載絲桿的旋轉(zhuǎn)，彈簧進(jìn)行拉伸和壓縮以改變載荷的大小。在試驗(yàn)過程中，通過微調(diào)步進(jìn)電機(jī)，載荷保持在一定范圍內(nèi)。本發(fā)明這種速度智能調(diào)控的環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，摩擦環(huán)與塊狀試樣構(gòu)成的摩擦副可進(jìn)行的試驗(yàn)包括:
(1)干摩擦下摩擦環(huán)與塊狀試樣的摩擦磨損試驗(yàn)；
(2)液體介質(zhì)下摩擦環(huán)與塊狀試樣的摩擦磨損試驗(yàn)；
(3)不同溫度液體介質(zhì)下摩擦環(huán)與塊狀試樣的摩擦磨損試驗(yàn)。本發(fā)明的工作原理和工作過程，對(duì)照試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)原理框圖(圖1)和組成系統(tǒng)框圖(圖2)，說明如下:交流伺服電機(jī)帶動(dòng)傳動(dòng)軸，傳動(dòng)軸上安裝摩擦環(huán)旋轉(zhuǎn)，塊狀試樣安裝在樣品臺(tái)上。摩擦副以設(shè)定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和載荷進(jìn)行連續(xù)的摩擦磨損試驗(yàn)。測控系統(tǒng)由測溫、測力、測速、測位移傳感器組成。信號(hào)經(jīng)數(shù)據(jù)采集模塊傳遞給數(shù)據(jù)處理模塊，由人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型計(jì)算后預(yù)測后續(xù)速度，進(jìn)而控制交流伺服電機(jī)。整臺(tái)試驗(yàn)機(jī)采取智能調(diào)控技術(shù)與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集、記錄和處理技術(shù)相結(jié)合，并設(shè)計(jì)有過載保護(hù)裝置。交流伺服電機(jī)由交流伺服驅(qū)動(dòng)器控制，為傳動(dòng)部分提供動(dòng)力；主軸與傳動(dòng)軸通過聯(lián)軸器連接，傳動(dòng)軸與電機(jī)軸之間也通過聯(lián)軸器連接在一起，摩擦環(huán)安裝在主軸上，隨著電機(jī)軸的旋轉(zhuǎn)從而帶動(dòng)摩擦環(huán)旋轉(zhuǎn)，形成環(huán)-塊摩擦副。在試驗(yàn)臺(tái)上安裝有可拆卸的料筒。圖4為本發(fā)明的試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)流程圖，通過控制系統(tǒng)軟件對(duì)由溫度傳感器、壓力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器和位移傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測值，將其反饋給交流伺服電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，以實(shí)現(xiàn)速度的實(shí)時(shí)調(diào)控。圖5為本發(fā)明的試驗(yàn)機(jī)數(shù)據(jù)采集和處理過程示意圖，具體的過程如下:首先，由Delphi編寫的上位機(jī)程序上傳封包至ARM主控(Cortex M3處理芯片)；然后，將壓力傳感器、轉(zhuǎn)矩傳感器、位移傳感器和溫度傳感器的等采樣信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并保存到Delphi程序所上傳的封包內(nèi)；最后由Delphi程序?qū)⒎獍螺d到程序中，并進(jìn)行處理后得到穩(wěn)定的采集信號(hào)數(shù)據(jù)。本發(fā)明從模擬實(shí)際工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的思想出發(fā)，集成利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和快速響應(yīng)技術(shù)，通過測控系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集和處理模塊，實(shí)現(xiàn)速度的實(shí)時(shí)智能調(diào)控，可測量在一定相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、環(huán)境、溫度和載荷條件下，摩擦副的多個(gè)摩擦學(xué)參數(shù)一摩擦系數(shù)、磨損量、剪切力、液體介質(zhì)溫度、磨損產(chǎn)物等形態(tài)，有效解決了某些關(guān)鍵部件在長工作周期下的摩擦摩擦磨損問題 。
權(quán)利要求
1.一種速度智能調(diào)控的環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于:該試驗(yàn)機(jī)包括傳動(dòng)部分、環(huán)-塊摩擦副、加載裝置(I)、加熱裝置(19 )和樣品臺(tái)(18 );傳動(dòng)部分包括主軸(22 )，主軸(22)上安裝有摩擦環(huán)(5)，加載裝置(I)上方的樣品臺(tái)(18)上安裝有塊狀試樣(4)，摩擦環(huán)(5)與塊狀試樣(4)相對(duì)設(shè)置，構(gòu)成一對(duì)環(huán)-塊摩擦副，加熱裝置(19)設(shè)在摩擦環(huán)(5)和塊狀試樣(4)所在的料筒(20)的蓋板上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的速度智能調(diào)控的環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于:傳動(dòng)部分還包括交流伺服電機(jī)(8)、傳動(dòng)軸(24)和聯(lián)軸器(23)，主軸(22)與傳動(dòng)軸(24)通過聯(lián)軸器(23 )連接；交流伺服電機(jī)(8 )安裝在試驗(yàn)機(jī)的基礎(chǔ)座上，其電機(jī)軸(25 )與傳動(dòng)軸(24 )同樣通過聯(lián)軸器(23 )連接，交流伺服電機(jī)(8 )由交流伺服驅(qū)動(dòng)器(9 )驅(qū)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的速度智能調(diào)控的環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于:主軸(22)、傳動(dòng)軸(24)與交流伺服電機(jī)(8)的電機(jī)軸(25)回轉(zhuǎn)中心保持同一，轉(zhuǎn)矩傳感器(7)安裝在傳動(dòng)軸(24)上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的速度智能調(diào)控的環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于:加載裝置(I)包括彈簧(15)、上蓋板(16)、下蓋板(13)、加載絲桿(14)、步進(jìn)電機(jī)(12)和壓力傳感器(3);步進(jìn)電機(jī)(12)連接加載絲桿(14)，加載絲桿(14)外套設(shè)有彈簧(15)，彈簧(15)下端連接能夠隨著加載絲桿(14)的轉(zhuǎn)動(dòng)而上下移動(dòng)的下蓋板(13)，彈簧(15)上端連接上蓋板(16);上蓋板(16)上方設(shè)有壓力傳感器(3)，壓力傳感器(3)通過其上方的頂桿(17)與樣品臺(tái)(18)相連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的速度智能調(diào)控的環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于:加熱裝置(19 )設(shè)置在料筒(20 )的蓋板上，料筒(20 )中設(shè)有溫度傳感器(6 );加熱裝置(19 )采用間接電阻加熱方式，包括發(fā)熱元件和被加熱物體兩部分。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的速度`智能調(diào)控的環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于:測控系統(tǒng)(11)通過計(jì)算機(jī)(10 )連接交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器(9 )。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種速度智能調(diào)控的環(huán)塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，包括傳動(dòng)部分、環(huán)-塊摩擦副、加載裝置、加熱裝置和樣品臺(tái)；傳動(dòng)部分包括主軸，主軸上安裝有摩擦環(huán)，加載裝置上方的樣品臺(tái)上安裝有塊狀試樣，摩擦環(huán)與塊狀試樣相對(duì)設(shè)置，構(gòu)成一對(duì)環(huán)-塊摩擦副，并在摩擦環(huán)和塊狀試樣所在的料筒蓋板上設(shè)有加熱裝置。本發(fā)明不僅能夠模擬實(shí)際工況，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種信號(hào)的精確采集，而且采用智能優(yōu)化算法能夠?qū)崿F(xiàn)速度的智能調(diào)控。
文檔編號(hào)G01N3/56GK103245582SQ201310161770
公開日2013年8月14日 申請(qǐng)日期2013年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2013年5月6日
發(fā)明者王世杰, 呂曉仁, 羅旋 申請(qǐng)人:沈陽工業(yè)大學(xué)