（机械电子工程专业论文）jpm1型接触疲劳磨损试验机智能化测控系统的研究.pdf

j p m 1 型接触疲劳磨损试验机智能化测控系统的研究 摘要 本文所研究的婵m l 型接触疲劳磨损试验枕智能测试系统，将计算机技术、 囱动化技术以及测试技术与摩擦磨损试验机有机地结合起来，实现了试验过程 的智能化连续测试。 文章首先在分析了j p m 1 型接触疲劳试验机结构和性能的基础上对原有试 验系统的载荷和加速度进行了改造，增加了测量摩擦力矩的扭矩传感器，给出 了该试验机的总体模型，建立了有关参数的数学模型。结合振动加速度信号的 特点，利用它和特征参数峭度对其大小秀嚣以评价；针对叠加在振动加速度信号 中高频及噪声干扰信号，利用低通滤波器和接地等对原始信号进行了硬件滤波； 另外，系统还利用五点三次平滑滤波和算术平均值等数字滤波方法对信号进行 了二次滤波；软硬件滤波技术的结合，很好的滤除了相关干扰信号，提高了振 动加速度输出的精度。利用固定采样频率下采集的每秒振动加速度信号，使得 加速度信号的输出同其峭度理论相吻合，取得了理想的效果。 借助v i s u a lb a s i c6 0 编制的测控系统软件，结合相应的接口电路和硬件设 备实现了该试验机多参数的测量、分析处理以及显示输出，软件操作界面友好。 另外，测试功能模块化的设计方法和面向对象软件技术的应用，给接触疲劳试 验机后续升级带来很大的方便。对智能化的试验机及测试系统进行了多组试验 和检测，结果表明其各项精度和重复性方面均达到甚至超过原机的技术指标。 关键词：v i s u a lb a s i c 6 0 ，扭矩传感器，加速度传感器，摩擦系数，疲劳磨损试验机 d e v e l o p m e n to ft h ei n t e l l i g e n tm e a s u r e m e n ta n d c o n t r o l s y s t e mf o rt h ej p m 1c o n t a c t f a t i g u et r i b o m e t e r a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，c o m p u t e rt e c h n o l o g y , a u t o m a t i ct e s t i n gt e c h n o l o g ya n dm e a s u r i n g t e c h n o l o g yw e r es u c c e s s f u l l yi n t e g r a t e di nt h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o l ( m & c ) s y s t e m f o r t h ej p m - 1c o n t a c t f a t i g u e 强b o m e t e r ( c f t ) 。t h ei m p r o v e dt r i b o m e t e rc a nr e a l i z et h e c o n t i n u o u st e s ti n t e l l i g e n t l y f i r s t l y , t h em e a s u r e m e n ts t r u c t u r e so fl o a da n da c c e l e r a t i o no ff o r m e rt e s t i n gs y s t e m w e r er e c o n s t r u c t e db a s e do n 氇ea n a l y s i so ft h es t r u c t u r ea n d 氇ef u n c t i o no ft h e t r i b o m e t e r , af r i c t i o nt o r q u es e n s o rw a si n t r o d u c e dt om e a s u r et h ef r i c t i o nm o m e n ta g e n e r a li n t e l l i g e n t m & c s y s t e mw a sb u i l tu p t h em a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rs o m ep a r a m e t e r sw e r ee s t a b l i s h e d c o n s i d e r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fv i b r a t i n ga c c e l e r a t i o ns i g n a l ，t h ea c c e l e r a t i o n a n di t s c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e rk u r t o s i sw e r eu s e dt oe v a l u a t et h er a n d o ms i g n a l 。弧e 圭l i 馥 f r e q u e n c ya n di m p u l s ei n t e r f e r e n c ew e r ef i l t e r e db yu s i n gt h el o w p a s sf i l t e r ( l p f ) a n dt h e g r o u n d i n gt od i s t i n g u i s ht h eo r i g i n a ls i g n a l 弧es y s t e ma l s o u s e st h ed i g i t a lf i l t e ro f s i n g u l a r i t y - e l i m i n a t i n gb yu s i n gt h ef i v e s p o tt r i p l es m o o t h i n gm e t h o da n da r i t h m e t i c e q u a l l ym e t h o d t h ec o m b i n a t i o no ft h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ef i l t e r sc a n e l i m i n a t et h e i n t e r f e r e n c es i g n a l se f f e c t i v e l y ，a n di n c r e a s et h ep r e c i s i o no ft h eo u t p u ts i g n a l o f a c c e l e r a t i o n 弧es y s t e mm a k e su s eo fas a m p l ef r e q u e n c yt oc o l l e c tv i b r a t i o na c c e l e r a t i o n s i g n a l ，a n dm a k e st h em a t c h i n go ft h ea c c e l e r a t i o ns i g n a l a n dt h et h e o r e t i c a lk u r t o s i s r e a c h e sp e r f e c tp e r f o r m a n c e 弧ef u n c t i o n so f m e a s u r i n g ，a n a l y z i n g ，s a v i n ga n dd i s p l a y i n go f m u l t i p l ep a r a m e t e r s i nt h et e s t e ra r er e a l i z e dw i t ht h es u p p o r t so ft h ec o r r e s p o n d i n gi n t e r f a c ec i r c u i t s ，t h e h a r d w a r ea n dd e v e l o p e ds o f t w a r ep r o g r a m m e db yv i s u a lb a s i c6 0w i t hf r i e n d l y i n t e r f a c e s i na d d i t i o n ，t h eu s eo ft h eb l o c k i n gd e s i g no ft h et e s t i n gf u n c t i o n sa n dt h e o b j e c t - o r i e n t e ds o f t w a r et e c h n i q u ew i l lm a k e i tm o r ec o n v e n i e n tt ou p g r a d et h es o f t w a r eo f t h ec f t f i n a l l y , t h ei m p r o v e dt r i b o m e t e ra n dt h ed e v e l o p e di n t e l l i g e n tt e s t i n gs y s t e mw e r e t e s t e db yas e r i e so fe x p e r i m e n t s ，t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ed e v e l o p e dt e s t i n gs y s t e mc a n k e e pt h eg o o dr e l i a b i l i 移o ft h et e s td a t aa n dh a v eb e t t e rt e s tp r e c i s ea n dd a t ar e p e t i t i o na s c o m p a r e dw i t ht h eo r i g i n a ls y s t e m k e yw o r d s ：v i s u a lb a s i c6 0 ，a c c e l e r a t i o ns e n s o r , t o r q u es e n s o r , f r i c t i o nc o e f f i c i e n t ，f a t i g u e t r i b o m e t e r 插图清单 图卜1 磨损试验机摩擦副接触及运动方式3 图2 1 智能化前j p m - 1 型接触疲劳磨损试验机6 图2 2j p m 一1 型接触疲劳磨损试验机两试样7 图2 3 疲劳磨损试验机机械传动原理图( 俯视) 8 图2 4j p m - 1 接触疲劳磨损试验机整体结构图片9 图3 1 测试系统的组成1 0 图3 2j p m - 1 型接触疲劳磨损试验机功能结构图1 1 图3 3j p t - 1 型接触疲劳磨损试验机测控系统基本构思框架1 3 图3 4 测控系统总体框图1 4 图3 5 弹簧加载系统结构特点1 5 图3 6 三线制热电阻测量基本电路图1 7 图3 7 数据交互星形网络1 8 图3 8 常见串行通信协议示图1 8 图3 9 西门子u s s 协议结构图1 9 图3 - 10 系统r s 4 8 5 总线拓扑结构2 0 图3 11 变频器电磁干扰防护接线图2 1 图3 - 1 2 变频器4 8 5 总线始、终端匹配示意图2 2 图4 一l 遇到故障点时的冲击脉冲2 5 图4 - 2 压电式加速度传感器2 8 图4 - 3 内装i c 压电加速度传感器与外接信号调理器原理简图2 8 图4 - 4 振动信号采集系统的总框图2 9 图4 - 5 获取振动加速度有效信号流程图3 0 图4 - 6p c i - 9 11l 采集卡模拟输入通道硬件滤波图3 3 图4 - 7 双线绕制的铁氧体磁环3 4 图4 - 8 采集的原始合成信号3 6 图4 - 9 硬件滤波效果对比图3 6 图4 - 1 0 平滑滤波前的瞬态波形3 7 图4 - 11 平滑滤波后的瞬态波形3 7 图4 - 1 2 正常工作状态下的峭度曲线3 8 图4 - 13 试样疲劳情况下的峭度曲线3 8 图5 1 测试软件界面及功能流程图4 0 图5 2 系统启动界面4 l 图5 3 主测试界面4 1 图5 4 项目设置界面4 2 图5 5 下试样参数设置界面4 3 图5 - 6 上试样参数设置界面4 3 图5 7 时间设置界面4 4 图5 8 报警设置界面图4 4 图5 - 9 试验时间设置界面4 5 图5 1 0 速度谱设置界面4 5 图5 1 1 载荷控制界面4 6 图5 1 2 其他界面4 6 图5 13 软件设计流程图4 8 图5 1 4 所示的生成数据库界面4 9 图5 15 总趋势图4 9 图5 16 用户参数文件5 0 图5 17 正弦波谱的实现情况5 4 图5 18j p m 1 型接触疲劳磨损试验机输出结果5 5 图5 19 加速度任意时段瞬态波形显示图5 5 表格清单 表2 1 挂轮齿数与相对滑差关系( n - f = 3 0 0 0r m p ) 7 表4 1 峭度与试验机试样情况的关系表3 9 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所 知，除了文中特另w j j j d 以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得 金目巴王些盔堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：彳父笏签字日期：舻占月加日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金目里王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权金胆工些太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：匆曳劣 签字日期：a 粥年多月石日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 翩躲绍色 t ，、，、rl 签字日期：曙年占月6 日 电话： 邮编： 致谢 首先感谢合肥工业大学给我这个学习和提高的机会，特别感谢我的导师一 一合肥工业大学摩擦学研究所副研究员俞建卫老师。本论文是在导师的悉心指 导下完成的。俞老师渊博的知识、分析瀑察闫题酶能力、严谨鳇淮学态度、求 实的工作作风和忘我的奉献精神，便我终生受益。这三年来，导师不仅在学业 上给予诸多教诲，而且在生活中也给予了很多的帮助和关怀，使我学到很多知 识的同时在其它方面也长进了不少，在髭谨惫俞老师致以崇离的敬意和诚挚的 感谢l 感谢摩擦学研究所的焦明华老师、尹延国老师、刘煜老师、胡献国老师、 解挺老师、圈明老师还有蟊培怀老师等，在我读研期间老师们为我创造了诸多 的学习机会，并对我的课题研究提蹬缀好的建议帮指导，以及在其它各方面给 予我狠多的关心和帮助。在此，向凡位老筛表示最诚挚的谢意! 非常感谢尤涛老师在软件设计等方面给予的无私帮助。 在课题辨展过程中我的同窗：程鹏、李卫荣、邴雷刚、唐珊珊、陈阏4 、于 军涛、王永蓬、赵孟军、冯薅杰、宋平、李撩、离东海等，给了我缀多帮助帮 支持，提供了许多宝贵的意见，在此表示衷心的感谢。感谢我的朋友和同学刘 欣、杨洪彬、宋萍、臧娈、肖守峰、俞琦等，他们在学习和生活中给予我极大 麓关心帮帮助。感谢所有支持关心我媳同学和朋友。借此机会我褫所里的姚巍、 杨文娟、赵小虎、裢厚义等癖弟师然们在读研裳闻都能取褥骄入翁成绩。 特别感谢我的父母，感谢他们多年的养育之恩，感谢他们一直给予我无私 的关怀和无微不至的呵护。 今蜃无论是在工作还是生活中，我都会牢记各位老师的谆谆教诲，记着所 有关爱我的入，怀着对人生的乐观态度努力拚搏、刻苦钻研，勇往直前，回报 社会。同时寝心祝福每个人都能幸福生。 最后，感谢参与论文评审和答辩的各使专家和教授，能在百忙之中抽出宝 贵的时阕对论文进行评阕帮审议。 代芳 2 0 0 8 5 第一章绪论 1 王摩擦学及研究方法 圭1 羔摩擦学概述 摩擦学是一门年轻丽又吉老的学科：从历史上看，人类对摩擦学知识的关 注和应用可以追朔到遥远的古代，人们利用滑橇运输物件大约已有9 0 0 0 年历 史；钻木取火，石磨、石杵粉碎谷物也都是利用了摩擦学的知识才得以实现。 而摩擦学作为一个学科研究体系剿是由英囡学者珏。p 。j o s t 所主持的润滑王程工 作组于1 9 6 6 年提出；现代牛津词典中把摩擦学定义为：“研究作相对运动的相 互作用表面的科学技术及其有关的各种实际问题 1 1 】。实际上，摩擦学是研究 在摩擦、磨损和润滑过程中相对运动表面之间相互作用、变化及其有关理论与 实践的一门科学，也就是说，摩擦学所要研究的是相互运动物体工作表面的摩 擦、磨损和润滑这三项相互关联的科学技术问题：摩擦是两个物体相对运动时 在接触表面上发生的切向阻抗现象，弓| 起表面能量的转换；蘑损是摩擦表面上 物质不断损耗的现象，导致材料损耗和表隧破坏；润滑是在表面之间形成具有 法相承载能力且强度低的润滑膜，是改善摩擦和减少磨损的最有效的措施【2 j 。 摩擦学具有两个重要属性：多学科性，展浮摩擦学的研究涉及材料、化学、 机械、测试、物理和力学等多个领域；实践性，即摩擦学理论分析往往需要大 量实验研究的支持，其应用更是直接服务于各种生产实践【3 】。通过对上述多个 领域的知识与技术的获取和积累，借助于系统工程的应用将会高效、经济地解 决机器设备中普遍存在的摩擦、磨损和润滑| 、曩题。随着理论与应焉的不断完善， 摩擦学研究模式开始从以分析摩擦学现象为主逐步向着分析与控制相结合，甚 至以控制性能为目标的研究模式发展。此外，摩擦学研究工作从以往的主要面 向设备维修和改造逐步进入机械产晶的剖新设计领域净j 。 摩擦学是始终与机械工业和圜防建设实践密切相关的应用学科，在摩擦学 研究中，摩擦副的摩擦磨损问题是基本问题和重大课题，机械零件的摩擦磨损 实验研究及其测试技术的研究对于摩擦学闯题的解决具有重大的意义。摩擦学 研究要求对摩擦副的摩擦磨损特性参数进行测试，其中包括由表及里、由宏观 到微观、由定性到定量等测试方法和技术。 1 1 2 摩擦学研究方法 摩擦学试验是摩擦学研究的重要组成部分，在摩擦学中把试验研究和理论放 在同等的重要地位。摩擦磨损试验的遐的是为了对摩擦磨损现象及其本质进雩亍 研究，正确地评价各种因素对摩擦磨损性能的影响，从而确定符合使用条件的 摩擦副元件的最优参数【熨。摩擦摩损试验研究的内容比较广泛，如探讨摩擦、 磨损和润滑机理以及影响摩擦、磨损的诸因素；对新的耐磨减摩及摩阻材料和 润滑剂性能进行评定等。为了探索和验证机械工程中摩擦磨损问题的机理以及 有关影响因素，人们必须掌握摩擦磨损试验的测试技术和分析方法，因此在摩 擦学研究中摩擦磨损试验的测试和分析具有重要的地位【3 ，6 j 。 目前，摩擦磨损试验可根据实验条件和目的分为两大类：第一类是现场实 物摩擦磨损试验，这类实验是早期进行摩擦磨损试验的主要方法，其数据的真 实性和可靠性较好，但机器在不同工况下运行，实际的运行条件不固定，使得 摩擦磨损数据重现性、可比性较差，不便研究摩擦磨损的规律性，也难以进行 单项因素对摩擦磨损影响的观察；并且机器零件在实际使用中的磨损一般较慢， 因而需要较长的周期才能得到试验结果，而且磨损量还需要可靠和精确的仪器 测量。通常这种方法仅作为整机系统的摩擦磨损性能综合评定的一种手段；第 二类是实验室模拟试验，主要在通用或专用的摩擦磨损试验机上进行试验，这 类试验只需要模拟机器零件和部件的使用条件，同时可改变各种参数来分别测 定其对摩擦磨损的影响，而且测试数据重现性和规律性较好，便于进行对比分 析；还可以通过强化试验条件来缩短试验周期和减少费用，可用来重复地对大 量的试样进行试验hj 。 实验室摩擦磨损模拟试验又可细分为实验室试样实验和模拟性台架实验： 实验室试样实验是根据给定的工况条件，在通用的摩擦磨损实验机上对试样进 行实验。由于实验中影响因素和工况参数容易控制，试验条件可在较大范围内 选择，因而实验数据的重复性、可比性和规律性好，在较短时间内可对大量试 样进行较多参数的摩擦磨损试验。试样实验主要用于各种类型磨损机理和影响 因素的研究性分析，以及摩擦副材料、工艺和润滑剂性能的评定。其优点是试 验费用低，操作简便，但由于试样实验的条件与实际工况不完全符合，因而实 验结果往往不十分可靠，不能直接应用到工程实际中；模拟性台架实验是在试 样实验的基础上，根据所选定的参数设计实际的零件，并在模拟使用条件下进 行试验，通常是在专门的试验场所完成。由于台架实验接近实际工况，同时， 通过实验条件的强化和严格控制，可以在较短的时间内获得系统的实验数据， 还可以进行个别因素对磨损性能影响的研究，因此台架实验通常用于校验试样 实验数据的可靠性和零件磨损性能设计的合理性，9 】。 接触疲劳试验一般在模拟工作条件的接触疲劳试验机上进行，有试样和实 物两种形式，实物试验虽然是零件疲劳强度决定性的考验，有重要价值，但是， 其试验结果是结构、材料、工艺等许多因素的综合表现，较难分析单一因素的 影响。因此，模拟零件工作条件的试样试验是获得单一因素影响最有效而可靠 的试验方法。接触疲劳磨损过程通常被分为三阶段：疲劳裂纹萌生阶段、疲劳 裂纹扩展阶段及疲劳脱落阶段。在试验试样刚出现少数麻点时，一般仍能继续 工作，但随着工作时间的延续，麻点剥落现象将不断增多和扩大，由此可见， 研究金属的接触疲劳问题对提高这些机件的使用寿命有着重大的意义。 2 1 2 磨损试验机及摩擦学测试技术 1 2 1 磨损试验机的研究概况 摩擦学在近二十多年得到迅速的发展，人们根据摩擦磨损的特点制造了具 有通用意义的摩擦磨损试验机，目前摩擦磨损试验机的种类繁多，据统计有近 3 0 0 种 1 0 ，1 1 1 。 国内磨损试验机的起步较晚，技术贮备与研究水平远远落后，很多先进测 试技术没有应用于实际检测过程中。但是国内磨损试验机有很多类型都有一定 的改进，如本课题研究的智能化接触疲劳磨损试验机。目前国内外的磨损试验 机有智能化j p m 1 型接触疲劳磨损试验机，m 2 0 0 0 型磨损试验机( 原m m 一2 0 0 型) ，m g 2 0 0 0 型高速高温摩擦磨损试验机( 原m g 一2 0 0 型) ，m p x - - 2 0 0 0 型盘 销式摩擦磨损试验机( 原m p x - - 2 0 0 0 型) ，m m s 2 a 型屏显式磨损试验机， m m s 1g 高温高速销盘摩擦磨损试验机等。国外试验机行业有几家知名的大公 司如美国的m t s 、英国的i n s t r o n 、德国的s h e n e k 、日本的岛津以及瑞士的w + b 等，他们在磨损实验技术上已较为完善与成熟，在宏观、微观、误差处理及智 能化等方面都已获得很多突破。 常见的磨损试验机摩擦副接触及运动方式在图1 1 中列出，其中( a ) 图所示 的是接触疲劳磨损试验机的摩擦副线接触及运动方式，( b ) 图所示的是球盘式 磨损试验机麾槟副接触及运动方式。 翮_ 鬻霪誓羹 鬻i 警，曛攀+ i i 簟 ( a )( b ) 图1 - 1 磨损试验机摩擦副接触及运动方式 ( a ) 接触疲劳磨损试验机的摩擦副线接触及运动方式 ( b ) 球一盘式磨损试验机摩擦副接触及运动方式 接触疲劳试验机目前常用的主要有单面对滚式，双面对滚式和止推式等几 种，本课题中的j p m 1 型接触疲劳磨损试验机属于双面对滚式，两试样的接触 形式可以为线接触和点接触。 1 2 2 摩擦学测试技术的研究现状及发展 随着计算机的普及，出现了利用计算机辅助摩擦磨损试验的试验机，这类 试验机多采用“传感器+ 信号调理+ 数据采集卡+ 软件”这种基于模数采 集卡的基本形式。摩擦学测试技术的研究主要利用各种技术对摩擦、磨损过程 中的特征参数进行测试，其中摩擦系数、磨损量和摩擦温度是主要的测量参数。 在微观摩擦学日益发展的今天，摩擦副表面形貌的测试和利用铁谱技术进行的 3 婴 磨损产物的分析也变得越来越活跃。 目前，摩擦蘑损试验的全自动化、无人职守已成为一种发展方向。将计算 机，数据采集系统及预先编制好的测试软件应用子摩擦磨损试验机中，实验员 不仅可以直观各参数的实时监视变化情况、作出准确的预判断，减少繁重的劳 动，而且还可以获得反映摩擦磨损试验过程中些瞬变的数据，为后期更为深 入和细微的研究工作提供了有效手段。系统一虽正常工作，各种操作一般都可 以由系统自动完成，可以完成长时间定时或不间断测试。总之，计算机技术的 发展为摩擦磨损在线测试技术提供了新的契机，使其朝着性能提高、功能发展、 价格降低、技术成熟的方自发展【1 2 , 1 3 】。但不可圈避的是，摩擦学测试理论研究 比较贫乏，试验方法科学性较差，摩擦学测试仪器问题突出，较难见到前沿并 且详细的关于摩擦学测试理论研究的文章和报道。 1 3 本课题研究的肖的及主要内容 湖北宜昌试验机厂在2 0 世纪7 0 年代开发生产的j p m 。l 型接触疲劳磨损试 验机，属于较老的摩擦学试验设备，手动程序比较多，主要缺陷是在实验过程 中无法对摩擦力( 或摩擦系数) 、加速度等过程参数做出连续的检测，不能达到 自动化和动态测量数据的处理和分析；而髓采用杠杆系统施加载荷不仅精度较 差，实验中也不能变载；另外，试验参数通过入眼观测指针式仪表获得，人为 误差影响较大。随着测试手段的完善和国内试验技术的发展，国内试验机产业 虽然在某些领域取得了很大的进展与成就，但是对在应用领域使用很广的接触 疲劳磨损试验机还有很多技术空自需要填补，因此，研制一种较为先进的、易 操作的以接触疲劳磨损试验机为载体的测控一体化测控系统显得日益重要。 本课题的研究睹的是在利用计算机辅助疲劳磨损测试的基础上结合智能仪 器、串行端墨通信技术、智能控制以及蘧离对象的软件技术来进行j p m 1 接触 疲劳磨损试验机智能测控与分析技术的研究；并通过具体的研究内容来说明采 用智能测控技术的接触疲劳磨损试验系统的优越性一一提高可靠性和准确性， 同时降低成本和系统的复杂性。 课题的研究内容是采用人机交互方式对实验条件加以控制，利用微机对试 验的全过程的数据采集、动态记录、分析及摩擦副运行状态进行实时测控。为 此，本课题在m i c r o s o f tw i n d o w s 2 0 0 0 中文操作系统中，以v i s u a lb a s i c6 0 软 件为开发平台，研制了试验机智能测控系统。我们采用传感器技术、现代电子 测量控制技术和计算机控制技术等【1 4j 结合实际运行工况，对摩擦副的动态摩擦 学特性进行实时测试。首先，对接触疲劳磨损机理进行分析，建立摩擦力、摩 擦系数、速度、载荷等信号测量的数学模型；然后进行智能测试系统的硬件部 分和软件部分的设计，实现智能在线测试，进行连续的试验，方便测试与记录。 硬件部分包括： ( 1 ) 接触疲劳瘗损试验枫主体、控制柜以及相应的测量祝枣鼋的设计； 4 ( 2 ) 测试系统中用于信息获取及传输的传感器和二次仪表的选用； ( 3 ) 多串翻卡和采集卡的选用； ( 4 ) 在信号获取、传输及处理的整个过程中用于抗干扰的硬件措施。 软件部分包括： ( 1 ) 通过调用数据采集卡驱动程序进行a d 转换以及读取加速度信号； ( 2 ) 搬据数学模型对采集的信号进行相应豹处理； ( 3 ) 信号抗干扰和滤波的软件措施； ( 4 ) 试验数据的实时采集、分析处理、输出显示、试验报告打印及试验过程 中报警措施，实现良好的人机对话功能； ( 5 ) 试验过程中的自动化控制技术，如试验载荷的智能化控制等。 接触疲劳磨损试验机智能测试系统的建立初步实现了接触疲劳磨损实验测 控的自动化，完善了戮前类似技术中的一些缺熹和不足，通过对试验机的反复 调试及进行对比试验，该试验机改进藤系统运行稳定，测试结果稳定，达到研 制要求。 1 4 本章小结 本章为论文的绪论部分。首先讨论了摩擦学的概念，概括了摩擦学试验研 究的方法及意义，并分析总结了摩擦学试验分类方法；接下来食绍了几种摩擦 学试验过程中常见的磨损试验机及其摩擦副接触形式以及运动方式，介绍了相 关摩擦学测试技术的研究现状和发展方向，引入本课题；在本章最后简要说明 了本课题研究的目的和主要内容。 5 第二章j 1 p m 1 型接触疲劳磨损试验机机械部分设计 j p m 1 型接触疲劳磨损试验机采用柱体状上、下两个试样做纯滚动、滚动 兼有滑动的运动形式，摩擦副表面在循环变化的接触应力作用下，由于材料疲 劳剥落而形成凹坑，形成表面接触疲劳磨损【1 5 。该试验机可以用来作纯滚动和 不同相对滑差下金属材料的接触疲劳磨损性能试验，测定金属材料的磨损性能 和有关润滑剂性能试验 16 | ，还可以用于对齿轮、轴承、轧辊、钢轨及其它以接 触疲劳及磨损为失效形式的零部件的材料与工艺性能的研究，适用于有关科研 部门、高等院校和工矿企业的材料工艺实验室。 2 1 原试验机 2 1 1 原试验机机械结构 原试验机主电机通过两档手柄配合更换大小皮带轮给下试样四种不同的转 速：1 0 0 0r p m ，1 5 0 0r p m ，2 0 0 0r p m ，3 0 0 0r p m 。载荷通过砝码和多级杠杆加载 结构传至摇摆头上，对试样施加较大的载荷；当试样表面产生麻点或裂纹时， y d 1 型加速度计的值剧变，晶体管、继电器及其控制系统停止电机运转，使试 样表面破坏部分的麻点不至于被压碎。 智能化前j p m 1 型接触疲劳磨损试验机如图2 1 所示，其中图( a ) 为它的图片，图 m ) 为它的示意图，线圈内所示的是杠杆加载系统。 图2 - 1 智能化前j p m 一1 型接触疲劳磨损试验机 ( a ) 原j p m 1 型接触疲劳磨损试验机图片 ( b ) 原j p m 1 型接触疲劳磨损试验机示意图( 含杠杆加载系统) 试验机上、下两试样如图2 2 所示。其中图( a ) 为两试样运动方式原理图， 图( b ) 展示了两试样的几何尺寸，图( c ) 为试样箱内两试样的放置图片。 6 厂、 净 图2 2j p m - 1 型接触疲劳磨损试验机两试样 ( a ) 上、下两试样运动方式原理图 ( b )上试样、下试样几何尺寸( 单位：r n m ) ( c )试样箱内上、下试样放置图片 曩髯毒誊z 鍪蔫 赫豢壤 湖 鲨美i _ ：二鎏 2 1 2 试验机工作原理 主轴电机上的皮带轮经传动轴带动下试样旋转，同时，通过变速箱和后轴 及啮合的挂轮带动上试样旋转，上、下两试样的转速n 上、n 下的方向如图2 2 图( a ) 所示。在一定载荷作用下，两试样压紧并以设定的转速旋转，使其接触面 发生疲劳磨损，从而测定金属材料等的磨损性能。 表2 - 1 为挂轮的齿数与相对滑差关系表，根据要求试样的相对滑差，选定挂 轮齿数，如需要相对滑差1o ，参照表2 1 ，选用齿数都为3 4 的齿轮。取掉挂 轮，下试样通过两摩擦副间的摩擦力带动上试样转动，相对滑差为零、两试样 转速相同，作纯滚动试验。 表2 一l 挂轮齿数与相对滑差关系( nt = 3 0 0 0r m l o ) 2 2 原有试验机存在的问题 综上所述，原有的j p m 1 型接触疲劳磨损试验机杠杆砝码加载方式笨重繁 琐且不连续，精度较差：摇摆头加在试样上的额外载荷，使系统误差较大；下 试样只有四种转速，速度控制精度差、应用范围窄；从加速度计的值剧变到主 电机停机，有一定延时，且不能反映疲劳磨损初期情况，准确度较差；不具备 测量摩擦力功能，测量参数与范围相对有限；测量仪器采用电压式记录仪、电 流式记录仪、电磁计数器等，系统抗干扰性能较差，不能体现摩擦学的系统性 和时变性，其测量结果也无法反映极短周期内发生的变化。 2 3 试验机机械部分改进方案 2 3 1 具体改进方案 针对j p m 1 型接触疲劳磨损试验机存在的闷题，也为了满足现代测试技术 的要求，我们采用传感器技术、现代电子测量控制技术和计算机技术等【1 7 , 1 8 1 对 其进行改造和升级，具体方案如下： 在原有试验机传动主轴( 前轴) 上装入扭矩传感器，测量实时扭矩值，根据试 样运动特点建立的数学模型计算出摩擦力及摩擦系数；采用交流变频调速系统， 控制交流四极变频调速三相异步电机，实现主电机从3 0r m i n 到3 0 0 0r m i n 的 无级调速，并获得下试样转速；去除原有手动杠杆加载系统，安装弹簧加载系 统，实现载荷的连续自动加减载，便于手动自动切换，根据试验机机械结构和 摇摆头几何尺寸，将自动加载系统中弹簧承受的拉力换算成实际加到试样上的 载荷值，方便计算机分析处理，该加载系统制作了拉压范围分别为8 0 0n 1 0 3 0 0n 、o 1 0 0 0n 的大、小两个弹簧，可根据实验载荷的范围选用；用压电 式加速度传感器取代原加速度计，垂直安装在摇摆头上，所产生的信号与试样 的振动加速度成正比，便于观察振动信号的细微变化；用p t l 0 0 热电阻温度传 感器，通过监测试样溜温湿度间接得到试样表西温度。 2 。3 。2 改进焉的试验机及特点 图2 3 为改进后的试验机主体部分俯视图，其传动原理参照2 1 2 节。 图2 - 3 疲劳磨损试验机机械传动原理图( 俯视) l 。主轴电机；2 、4 皮带轮；3 皮带；5 、6 、7 、8 齿轮；9 、1 3 、1 5 、1 7 、2 0 、2 4 轴； l o 。轴承座：l l 、1 6 联轴器；1 2 扭矩传感器；1 4 下试样；1 8 、1 9 挂轮；2 1 上试样； 2 2 变速箱；2 3 摇摆头；2 5 固定销；2 6 手柄 改进并智能化的接触疲劳磨损试验机为立式结构，由主体、控制柜和数据 处理系统( 计算机) 三部分组成，如图2 4 所示。 试验机的主要技术参数： 壤试样载荷范围 雄下试样转速( 无级调速) 瓣上、下试样 6 1 2 4n - 1 9 6 0 0n ( 示值误差o 5 ) 3 0 3 0 0 0r p m ( 示值误差1 ) 环状。内直径 3 0m m ， 外直径0 5 0 - - 7 0m m 外圆表面粗糙度r a = 0 。4g m ， 8 4 相对滑差 灌温度测量范围 文摩擦扭矩测量范围 雄加速度测量范围 杂时间工作范围 馥实时曲线绘制 一 材料或被试材料用4 0c r 热处理后硬度达到h r c4 5 。 0 、4 6 、10 0 、15 1 、2 0 0 、 2 4 6 、2 8 9 一2 5 6 5 0 ( 示值误差- 4 - 1 ) 0 5 0n m ( 示值误差士1 ) - 4 - 1 0 0g ( 示值误差士0 0 1g ) 1s 任意 f t 、m t 、t t 、p t 、v t 、a t 蜕箱蒜豳翟薹篓圜 捷籀籀 弹簧珏 豁鬻j 试样箱 主轴箱 二薹苦- ：萝。! = 图2 4j p m 一1 接触疲劳磨损试验机整体结构图片 根据以上方案，智能化改进后的接触疲劳磨损试验机具备以下特点： 1 上、下两试样做双面对滚或滚滑运动，运动方式主要是线接触； 2 扭矩传感器直接获取摩擦扭矩值，通过简单计算获得摩擦系数值； 3 振动加速度的变化、摩擦系数的剧变和试样周围温度的突然升高，都可 作为判断疲劳磨损不同工况的依据； 4 实现连续加减载、无级可调速度及自动报警等智能控制功能； 5 可以进行不同相对滑差下摩擦副的疲劳磨损性能试验和弹流相关试验。 2 4 本章小结 本章简要阐述了j p m 1 型接触疲劳磨损试验机的机械部分总体设计。在充 分分析原有试验机结构特点和工作原理的基础上，找出存在的问题，并根据现 代测试要求，给出了改进方案，最后简要介绍了改进后的智能化试验机系统的 主要技术参数及其特点。 9 第三章j p m 1 型接触疲劳磨损试验机测试部分总体设计 3 1 现代测试技术简述 测试技术，也称检测技术，包含测量( m e a s u r e m e n t ) 和试验( t e s t ) 两个内容。 运用该技术可以考察事物的状态、变化和特征，并进行定量的描述。 现代工程上，大量的实际系统都是以计算机信息技术为核心的计算机测试 系统。测试系统的组成通常以信号的流程来划分。一般可分为： ( 1 ) 信号的摄取一一传感器( 变送器) ； ( 2 ) 信号的调理转换一一信号放大、滤波、a d 、d a 及其他转换电路等； ( 3 ) 信号的处理一一微处理器、单片机、微机等； ( 4 v ) 信号的显示及传输一一信号的显示有模拟显示、数字显示、屏幕显示、 打印机、记录仪、绘图仪等，信号的传输有通过串行、并行口或采用总线及以 太网技术的传输方式等疆鲥。 测试系统还应包括使被测对象置予预定状态下的试验装置，连接帮协调各 环节工作的传输手段及控制部分。以上环节加上系统所必需的交、直流稳压电 源和必要的输入设备，如开关、按钮、拨盘、键盘等，便组成了一个完整的测 试系统，其各部分关系如图3 。l 所示。 图3 - 1 测试系统豹缝成 综上所述，检测技术归纳起来，具有如下三种功能： ( 1 ) 过程中参数测量功能； ( 2 ) 过程中参数监测功能； ( 3 ) 测量数据分析判断功能。 现代测试技术是建立在计算机信息基础上的一门新兴技术，是自动控制、 计算机科学与技术、徽电子学和通信技术等多种学科、多种技术互相结合，互 相渗透，综合发展的薪学科领域 2 0 1 ，包括计算机自动测量移计算机控制两大部 分。测量的任务是采取各种方法获得反映客观事物或对象运动属性的各种数据， 记录并进行必要的处理；控制的任务则是要采取各种方法支配或约束某一客观 事物或对象的运动过程，达到一定豹髫的。将测量和控制自然地组合在一起的 “测控技术与仪器 专业近年来以异乎寻常的速度向前发展。实现智能化检测 是现代测试技术的方向，而要达到真正的智能化检测，就应当充分利用计算机 资源包括测量、检验、故障诊断、信息处理和决策输出等。 1 0 把计算机的数字处理技术与测试技术相结合，对j p m 1 型接触疲劳磨损试 验机的参数进行在线测量，进而来控制试验过程的方法，是本课题的研究方向。 其中测控系统的总体设计是这一研究过程的前提和基础。 3 2 试验机测试系统总体设计 肿m 1 型接触疲劳磨损试验机的设计将机械与测试融合在一起，在设计的开 始阶段就充分考虑电子技术、计算机技术、测试技术与机械技术的结合与集成， 将测试系统、传感器等信号处理系统的存在作为前提来考虑，并采用数字传输 测试技术实现对试验过程的智能化控制【2 1 1 ，其功能结构如图3 - 2 所示。 输入能麓 控韦l 绩学 特狈l 试榉 试结果 后试样 圈3 2j p m ，1 型接触疲劳磨损试验枫功能结构图 该测控系统以计算机为核心、以系统软件为支撑。依据磨损试验机的特点 与功能，计算机在特定软件的导引下按预定的程序自动实现参数信号的实时获 取、采集与存储，自动进行数据的运算分析与处理，戳曲线或表格的形式动态 呈现实时参数，并输出、显示或记录测量结果，实现对实验过程进行智能控制。 测控系统性能的优劣在很大程度上决定了磨损试验机的性能好坏，因此， 从硬件选型到系统软件的编制，每步都要做好，这样才能使试验杌达到性能良 好的智能化。本章将分别讨论j p m 1 型接触疲劳癀损试验机测控系统各部分。 在本测控系统中，有关振动加速度信号参数的相关理论将集中在第五章详述。 3 2 1 传感器的选用 传感器是检测系统的最前端，也是主要信息来源，作为首要环节，选择时 一般要考虑：【2 2 】测量量程足够大；频率响应范黧与测试系统的匹配性好；灵敏 度兼顾信噪比和测量范围；精度与实际状况要求吻合，使传感器能获取实时性 强的数据；考虑时间和环境的稳定性，能长期稳定地工作；适用性和适应性强， 使用安全可靠；成本低，且易于维修和校准。 由于摩擦学研究的是相互接触且相对运动界面之间的行为以及与之相关的 一些特征，大部分在线测量方法要受到测量空间和时间的限制。在j p m 1 型接 触疲劳磨损试验机中，麓反映疲劳磨损过程中运行状态特征的参数有摩擦系数、 载荷、加速度、温度和上下试样的相对线速度等，为了有效地测取最接近真实 值的各参数数据，必须对它们进行分类讨论，选择性价比高的传感器，并设计 符合实际要求的机构和安装位置。下面将分别介绍： l 。称重传感器 根据该试验机的工作原理，上、下两试样间的莲力是产生摩擦力的必要条 件，为保证上试样能压紧在下试样上，改造后的试验机