使用压电辅助摩擦计和光学轮廓仪进行超声润滑实验

以下实验的总体目标是研究超声润滑中摩擦与磨损减少对线速度的依赖性。首先，在改装的销盘式TER设备上进行测试，同时实时记录测试过程中的摩擦力；作为第二步，使用光学轮廓仪对磨损情况进行表征，获得沟槽的二维和三维形貌、表面粗糙度以及体积损失。接下来，分析三种不同线速度条件下的摩擦与磨损减少情况。

通过测量的摩擦力和计算的磨损率来量化线速度。结果表明，超声波润滑可使有效摩擦力降低高达62%，表面磨损降低高达49%。随着线速度的增加，摩擦力的降低幅度减小，而三种线速度下的磨损减少程度基本保持恒定。综上所述，超声波润滑是一种成熟的技术，可用于降低甚至控制滑动物体之间的有效摩擦系数。

其原理是通过以超声波频率（即高于20千赫兹的频率）振动一个或两个物体。超声波润滑技术已被应用于挤压和拉丝等制造工艺中，属于一种固态润滑技术。该技术可用于传统润滑剂不适用的场合。

例如，在太空环境中，首先需要构建必要的 TER，组装卡盘电机子系统，该组装操作需在隔振台上进行。第一层级，将直流电机与垫片组合，并使用支撑杆和螺栓固定其位置。然后将支撑框架安装在电机周围。

接下来，使用键将花键轴连接到电机轴上，然后将支撑板滑动到花键轴上。接着将推力滚针轴承安装在支撑板上。如有需要，使用切削液润滑轴承，以完成卡盘电机子系统的装配。

使用三个螺栓将卡盘连接到适配板上，并拧紧螺栓。通过推力滚针滚子轴承将卡盘放置在支撑板上。将带有支撑架的万向节组件就位。

它有一个水平方向的负荷传感器，通过导线连接到万向臂，用于测量摩擦力。接下来，组装Piso电动执行器。首先，将一根三英寸长的螺纹杆插入Piso电动堆栈中。

用垫圈和螺母固定，使杆的一端留出约八分之一英寸的长度。然后拧紧螺母以对堆叠部件施加预紧力。接下来，使用螺母和垫游戏副本将长段暴露的螺纹与万向节臂连接。

出于安装目的，在非测试情况下，将一个元宝螺母旋入活塞执行器的另一端。然后将磁盘插入卡盘，并调整磁盘的位置，使元宝螺母与磁盘顶部接触，且万向节臂保持水平。调整万向节组件的位置，使螺母在距磁盘中心约 25 毫米处与磁盘接触。

最后，拧紧装置中的所有螺栓，并将装置连接到计算机。清洁测试圆盘和螺母时必须佩戴手套。使用乙醇清洁测试圆盘表面和元宝螺母。

现在取下用于安装的螺母。然后旋上新的清洁螺母并牢固拧紧。拧紧后，检查对准情况，并拧紧卡盘以固定圆盘，确保螺母已牢固地拧紧至驱动器上。

必须将橡子螺母牢固地拧紧到外延电动执行器上，否则在测试过程中可能松动，导致超声波振动无法传递，从而失效。进行测试设置时，通过在连接到万向臂的一个挂钩上悬挂一个2牛顿的砝码，使测试螺母与圆盘之间施加一个法向载荷。然后在连接到万向臂的另一个挂钩上再悬挂一个2牛顿的砝码。

这将为负荷传感器提供一个水平预紧力。接下来，将执行器和信号发生器连接到放大器。设置信号发生器以输出连续的正弦信号。

使用三伏的振幅和22千赫兹的频率。压电驱动器的共振频率需包含三伏的直流偏置，以防止压电驱动器受到张力。现在开始采集数据，以测量降低后的摩擦力。

打开放大器并将增益设为15，这对应实际增益为4.67。接着，启动电机并根据需要设置旋转速度。运行测试三小时后，关闭电机和放大器，并结束数据采集。

取下螺母和测试圆盘，并用测试条件标记测试圆盘。每次测试均须使用新的螺母和测试表面。为测量本征摩擦力，请在关闭放大器和信号发生器的情况下使用相同的线速度。

对其他线速度重复相同的测试，最终应形成六条磨损沟槽。在测量前，立即清洁测试圆盘以做好准备。

与之前一样，在进行轮廓测量之前，必须清洁样本圆盘，以去除磨损沟槽中松散附着的磨损颗粒或外来物质，否则会影响测量轮廓的位置和体积损失的准确性。接下来，在圆盘边缘均匀地做出八个标记。

现在使用软件打开轮廓仪程序。升起镜头，使镜头与样品台之间留有足够的间隙。然后调平样品台，并在平台上放置一张实验室擦拭纸。

将样品轻轻放置在组织上方，使八个标记之一朝向压力计的正面。在软件中设置扫描参数。扫描沟槽，并保存轮廓图像和粗糙度数据。

然后逆时针旋转样品，直至下一个标记朝向轮廓仪前方，对剩余标记重复此过程。完成一个圆盘的测量后，对剩余的五个圆盘重复上述测量。摩擦力以400赫兹采样，采样窗口为2秒，计算测得摩擦力的平均值，并将其随针尖移动距离进行绘图。

固有摩擦力用点表示，而施加超声振动时的摩擦力则用其他方式显示。在施加超声振动（xs）的情况下，一旦达到稳态运行，摩擦力几乎保持恒定。随后，将每个线速度下的摩擦力减小百分比相对于销钉移动的距离进行绘图。

超声波振动降低了每个测试线速度下的稳态摩擦力。然而，随着线速度的增加，施加超声波振动与未施加超声波振动的沟槽之间的优势逐渐减小。可以看出，当施加超声波振动时，沟槽表面显得更加不均匀且无光泽。

通过轮廓仪扫描获得了沟槽的三维形貌、表面粗糙度值和体积损失。与未施加超声振动的情况相比，施加超声振动后的沟槽更窄、更粗糙且更浅。这支持了超声振动能够减少磨损的观点，因为在存在超声振动时，磨损率和表面粗糙度参数均较小，这也是磨损减少的一个指标。

随着速度的增加，磨损减少百分比几乎保持不变。观看本视频后，您应能够充分理解如何在经过改装的销盘式试验仪上进行超声润滑测试，并利用光学轮廓仪对磨损情况进行表征。通过该方法，不仅可以研究超声摩擦与磨损减少与线速度的关系，还可研究其与法向应力、材料组合以及超声功耗等关键参数的关系。