CN100374846C - 工况模拟滚动接触疲劳试验机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种在线检测工况模拟滚动接触疲劳试验机。该发明包括驱动、加载、试验装置和信号采集各部分,其中:温度控制腔套装在传动轴上,试验腔的下端与传动轴的端部过盈配合并置于温度控制腔之中,试验腔内放置上试件、滚动体、下试件,在上试件上设置急停凸轮,急停凸轮的上端面装有滚针推力轴承并与加载杠杆下部的压力块相配合;本发明可模拟实际工况对表面涂层或非涂层摩擦副表面接触疲劳摩擦磨损过程、对表面涂层工艺、润滑油和润滑脂润滑效果、对推力轴承的使用寿命等进行检测,当发现裂纹产生、疲劳失效、胶合失效时进行急停保护瞬时接触失效状态。

Description

工况模拟滚动接触疲劳试验机技术领域本发明涉及一种接触疲劳摩擦磨损试验机,特别是一种模拟实际工况并 能在线检测接触疲劳摩擦磨损试验机。背景技术表面摩擦磨损状态、接触疲劳寿命是评价涂层工艺优劣、涂层材料表面 性能的主要手段之一。目前,还没有一种完整的能模拟实际工况进行涂层材 料摩擦磨损状态和疲劳寿命检测的接触疲劳摩擦磨损试验机。美国方群公司制造的涂层粘附力测量仪,虽然能够在标准微观条件下进 行涂层粘附力测量,但是局部微观测量得到的表面涂层材料性能与实际工况 下接触区表面涂层材料的表现行为有很大的差别,难以满足工程使用评估要求。《滚动与摩擦复合试验机》(中国专利03151240. 2)公开的是一种可变速 的滚动与滑动摩擦复合试验机,其主要特点是具有复合试验功能。但是,这 种试验机只能用于常温、常规、无润滑环境下的摩擦试验。《轴承球滚动接触 疲劳寿命试验机》(中国专利03230586. 9)公开的是一种专用于轴承球体接触 疲劳试验机。该试验机通过监控振幅参量的变化判别试验轴承球体的接触疲 劳失效。上述两种试验机均无捕捉试验过程中摩擦副表面疲劳微裂失效、胶 合失效和磨损失效瞬间状态的功能;无模拟实际工况润滑状态、工况温度、 工况载荷等功能。发明内容为了满足工程应用对表面涂层摩擦副零件使用性能精确评估要求,本发 明提供一种工况模拟滚动接触疲劳试验机,通过对载荷、转速、温度、润滑
形式、接触状态等多参数控制来模拟实际工况。本发明不仅对表面涂层或非 涂层摩擦副表面在线瞬时滚动接触疲劳摩擦磨损过程进行检测,而且当发现 裂纹产生、疲劳失效、胶合失效时进行急停保护瞬时接触疲劳状态;可对表 面涂层工艺、润滑油和润滑脂润滑效果进行检测评定并能实现快速疲劳磨损 试验,縮短疲劳试验时间;还可以对推力轴承的使用寿命、极限转速、承载 能力和滚道表面涂层工艺进行检测和评定。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:这种工况模拟滚动接触疲 劳试验机,构成包括试验装置、加载、驱动油品分析与润滑和信号采集各部 分,其中:试验装置部分由试验腔、温度控制腔、急停凸轮、上试件、滚动体、下 试件和压力块构成,温度控制腔套装在传动轴上,试验腔的下端与传动轴的 端部过盈配合,并置于温度控制腔之中,下试件装配在试验腔内,上试件装 配在急停凸轮阶梯状凸台上,上下试件之间为滚动体,急停凸轮的上端面装 有轴承并与加载杠杆下部的压力块相配合;加载部分由压力块、加载杠杆、砝码加载装置构成,加载杠杆一端与支 架铰链连接,另一端安装砝码加载装置,加载杠杆下部装有压力块,压力块 的中心有进油孔;驱动部分的变频电机固定在机座的侧面上,变频电机通过大皮带轮、皮 带与传动轴上的小皮带轮传动连接;油品分析与润滑部分由流量计、管道、润滑泵站和油品分析仪构成,润 滑泵站通过管道、压力块进油孔和急停凸轮的进油孔与试验腔相连通;温度 控制腔的出油孔通过管道和油品分析仪与润滑泵站相连通;信号采集部分由扭矩传感器、温度传感器、速度传感器、加速度传感器、 噪声传感器、数据转接卡和计算机构成,扭矩传感器安装在轴的下端,扭矩 传动轴通过轴承座固定在支架上,扭矩传动轴上端安装齿轮和摩擦离合器;
齿轮与急停凸轮的外圆周轮齿相啮合;温度传感器置于急停凸轮上表面环形 凹槽内;速度传感器固定在基座上,转动过程中皮带轮将转速脉冲信号传递 给速度传感器;噪声传感器放置在温度控制腔一侧孔内;加速度传感器安装 在加载杠杆加载端的上部;接触开关固定在加载杠杆侧面.,上述传感器的输 出信号通过转接卡输入到计算机进行处理。上述的工况模拟滚动接触疲劳试验机,所说的急停凸轮的外圆周加工有 轮齿,其上端面有圆柱凸轮,圆柱凸轮周围有环形凹槽,中心加工进油孔; 急停凸轮的下端面有阶梯状凸台,阶梯状凸台与上试件相配合。上述的工况模拟滚动接触疲劳试验机,所说的试验腔腔体周围有3-5个 出油孔,腔体上部为试件放入端,底部有与下试件定位孔和传动轴的配合孔。上述的工况模拟滚动接触疲劳试验机,所说的温度控制腔腔体周围加工 一个出油孔和一个放置噪声传感器的通孔,移动式加热器安装在温度控制腔 腔体的外部;腔体上部为试件装入端,下部为传动轴配合孔,并在孔内表面 加工有密封槽。上述的工况模拟滚动接触疲劳试验机,也可以采用液压施加载荷,液压 缸安装在机座的机架上,液压缸活塞杆的端部安装液压加压块,急停凸轮的 上端面装有轴承与装液压加压块相配合,液压加压块加工有进油通孔与急停 凸轮的进油孔相联通。本发明的有益效果是:通过添加磨粒、减少轴承滚动体数目实现快速疲 劳磨损试验,縮短疲劳试验时间;可以直接将涂层材料沉积在推力轴承滚道 表面,也可将涂层材料沉积在与推力轴承内、外圆直径相同的环片试件表面, 对其各种表面涂层材料接触疲劳磨损进行检测评定;釆用杠杆加载或液压加 载有效控制和模拟实际工况载荷;测试系统对摩擦力、摩擦扭矩、温度、转 速、振动加速度及其变化进行在线精确测量和记录;采用凸轮急停机构和故 障诊断系统能在线诊断表面微裂纹萌生和表面失效,并能实时进行急停,保 护瞬时接触表面状态;可在线监测润滑系统润滑油的成份变化,可对润滑油、 润滑脂油品性能参数和摩擦学参数进行评价。附图说明图1为杠杆加载式接触疲劳摩擦磨损试验机结构示意图;图2为杠杆加载式接触疲劳摩擦磨损试验机结构左视图;图3为液压加载式接触疲劳摩擦磨损试验机结构示意图;图4为急停凸轮结构示意图;图5为试验腔结构示意图;图6为温度控制腔结构示意图;图7为上试件结构示意图;图8为下试件结构示意图;在图l、图2、图3中,l.机座,2.扭矩传感器,3.扭矩传动轴,4.小 皮带轮,5.温度控制腔,6.出油孔,7.试验腔,8.传动轴,9.摩擦离合器, 10.出油孔,11.急停凸轮,12.进油孔,13.压力块,14.轴承,15.上试件, 16.滚动体,17.下试件,18.速度传感器,19.皮带,20.大皮带轮,21.变频 电机,22.流量计,23.管道,24.管道,25.润滑泵站,26.油品分析仪,27. 管道,28.支架,29.大齿轮,30.噪声传感器,31.接触开关,32.温度传感器, 33.杠杆,34.加速度传感器,35.砝码加载装置,36.液压缸,37.进油管,38. 回油管,39.机架,40.液压加压块,41.移动式加热器。具体实施方式 实施例1图l、图2是本发明公开的一个实施例(见图l、图2),实验之前,按试 验要求将所需检测的上试件15和下试件17的表面加工为滚道或平面,之后 把涂层材料用涂层工艺设备沉积在上试件15、滚动体16或下试件17的表面。
将试件放入试验腔7中,启动电机21调整转速,然后加载,启动润滑冷却装 置25和信号采集装置。由变频电动机21的大皮带轮20通过皮带19带动小 皮带轮4和传动轴8转动,并将速度信号传给速度传感器18,传动轴8带动 试验腔7—起转动,滚动体16和下试件17随之转动。根据试验要求,将润 滑油由润滑系统25、管道23、 24、压力块13的进油孔和急停凸轮11中心孔, 流入试验腔7,对试件润滑或冷却后在离心力的作用下,由试验腔出油孔10 流入温度控制腔5经过出油孔6、管道27和油品分析仪26后流入润滑泵站 25。移动式加热器41安装在温度控制腔5的外部;砝码加载装置35通过杠 杆33放大所施加的载荷,通过压力块13、轴承14、急停凸轮ll施加在试件 上。振动信号通过杠杆33放大传递给振动传感器34;扭矩信号通过急停凸轮 11的周齿与齿轮29啮合经扭矩传动轴3传递给扭矩传感器2;温度信号通过 急停凸轮11周围凹槽中的油介质直接传给温度传感器32。在试件表面产生初 始微裂纹或转动过程中润滑油膜破坏时,由于滚动体16与上试件15间摩擦 力增大带动急停凸轮11转动触发接触开关31实现自动停机。临界摩擦力通 过摩擦离合器9设定;同时故障诊断系统通过控制软件设定温度信号、速度 信号、振动信号、噪声信号和扭矩信号阀值实现急停。 实施例2图3是本发明公开的另一个实施例(见图3),液压缸36上端与机架39 固定连接,液压加压块40安装在液压缸36的活塞杆上,加速度传感器34螺 纹连接在急停凸轮11圆弧平面上。急停凸轮11的凹槽内放置温度传感器32, 圆柱凸轮与接触开关31接触。变频电机21带动大皮带轮20通过皮带19带 动小皮带轮4,小皮带轮4带动传动轴8转动,传动轴8通过轴承及轴承支座 固定在支架28,传动轴8上端连接试验腔7带动下试件17转动,上试件15 上端为急停凸轮ll,急停凸轮11周齿与齿轮29啮合,上部通过轴承14与液 压加压块40接触,传递液压缸36所施加压力,液压缸36的压力由液压系统
提供。根据试验要求,将润滑油由润滑泵站25分别通过管道23、 24混合后 经过液压加压块40和急停凸轮11进油孔12流入试验腔7,润滑或冷却上试 件15、滚动体16、下试件17,然后通过试验腔7出油孔10流入到温度控制 腔5并通过温度控制腔出油孔6经管道27流经油品分析仪26后流入润滑泵 站25。控制腔5的外围设置移动式加热器41。扭矩传感器2检测由齿轮29传递的扭矩信号;速度传感器18检测试件 的转速;流量计22检测润滑油流速以及与添加剂其配比关系;油品分析仪26 监测实验过程中润滑油的成分变化情况;噪声传感器30监测试件转动过程中 的噪声信号;行程开关31与急停凸轮11凸轮接触监测摩擦副表面摩擦力状 况;温度传感器32检测试件温度信号;加速度传感器34检测轴承试件的振 动信号;各路信号通过转接卡输入到计算机进行处理。

Claims (6)

1.一种工况模拟滚动接触疲劳试验机,其特征在于:构成包括试验装置、加载、驱动、油品分析与润滑和信号采集各部分,其中: 试验装置部分由试验腔(7)、温度控制腔(5)、急停凸轮(11)、上试件(15)、滚动体(16)、下试件(17)和压力块(13)构成,温度控制腔(5)套装在传动轴(8)上,试验腔(7)的下端与传动轴(8)的端部过盈配合并置于温度控制腔(5)之中,试验腔(7)内放置上试件(15)、滚动体(16)和下试件(17),上试件(15)上设置急停凸轮(11),急停凸轮(11)的上端面装有轴承(14)并与加载杠杆(33)下部的压力块(13)相配合; 加载部分由压力块(13)、加载杠杆(33)、砝码加载装置(35)构成,加载杠杆(33)一端与支架(28)铰链连接,另一端安装砝码加载装置(35),加载杠杆(33)下部装有压力块(13); 驱动部分的变频电机(21)固定在机座(1)的侧面上,变频电机(21)通过大皮带轮(20)、皮带(19)与轴(8)上的小皮带轮(4)传动连接; 油品分析与润滑部分由流量计(22)、管道(23,24)、润滑泵站(25)和油品分析仪(26)构成,润滑泵站(25)通过管道(23、24)、压力块进油孔(12)和急停凸轮(11)进油孔与试验腔(7)相连通;温度控制腔(5)出油孔(6)通过管道(27)和油品分析仪(26)与润滑泵站(25)相连通; 信号采集部分由扭矩传感器(2)、温度传感器(32)、速度传感器(18)、加速度传感器(34)、噪声传感器(30)、数据转接卡和计算机构成,扭矩传感器(2)安装在扭矩传动轴(3)的下端,扭矩传动轴(3)通过轴承座固定在支架(28)上,扭矩传动轴(3)上端安装齿轮(29)和摩擦离合器(9),齿轮(29)与急停凸轮(11)的外圆周的齿形相啮合;温度传感器(32)放置在急停凸轮(11)圆柱凸轮外凹槽内;速度传感器(18)固定在机座(1)上;温度控制腔(5)一侧孔内放置噪声传感器(30);加速度传感器(34)安装在加载杠杆(33)加载端的上部;加载杠杆(33)进油孔处侧面固定接触开关(31),急停凸轮(11)上表面圆柱凸轮与接触开关(31)触点接触;以上各路信号通过转接卡传到计算机处理。
2. 根据权利要求1所述的工况模拟滚动接触疲劳试验机,其特征在于:所说的急停凸轮(11)的外圆周加工有齿形,其上端面有圆柱凸轮,圆柱 凸轮周围有凹槽,中心加工进油孔,急停凸轮(11)的下端面有阶梯状凸台,阶梯状凸台与上试件(15)相配合。
3. 根据权利要求1或2所述的工况模拟滚动接触疲劳试验机,其特征在 于:所说的试验腔(7)腔体周围有3-5个出油孔(10),腔体上部为试件 放入端,底部有下试件(17)的定位孔和传动轴(8)的配合孔。
4. 根据权利要求3所述的工况模拟滚动接触疲劳试验机,其特征在于: 所说的温度控制腔(5)腔体周围加工一个出油孔(6)和一个放置噪声传 感器的通孔,腔体上部为试件装入端,下部为传动轴(8)配合孔,并在孔 内表面加工有密封槽。
5. —种工况模拟滚动接触疲劳试验机,其特征在于:构成包括试验装置、加载、驱动、油品分析与润滑和信号采集各部分,其中-试验装置部分由试验腔(7)、温度控制腔(5)、急停凸轮(11)、上试 件(15)、滚动体(16)、下试件(17)和液压加压块(40)构成,温度控制 腔(5)套装在传动轴(8)上,试验腔(7)的下端与传动轴(8)的端部 过盈配合并置于温度控制腔(5)之中,试验腔(7)内放置上试件(15)、 滚动体(16)和下试件(17),上试件(15)上设置急停凸轮(11),急停 凸轮(11)的上端面装有轴承(14)并与液压缸(36)下部的液压加压块 (40)相配合;加载部分为液压加载装置,在机座(1)的机架(39)上安装液压缸(36),液压缸(36)活塞杆上安装液压加压块(40),急停凸轮(11)的上端面装 有轴承(14)与液压加压块(40)相配合,液压加压块(40)加工有进油 孔(12)与急停凸轮(11)的进油孔相联通。驱动部分的变频电机(21)固定在机座(1)的侧面上,变频电机(21) 通过大皮带轮(20)、皮带(19)与轴(8)上的小皮带轮(4)传动连接;油品分析与润滑部分由流量计(22)、管道(23, 24)、润滑泵站(25) 和油品分析仪(26)构成,润滑泵站(25)通过管道(23、 24)、液压加压 块进油孔(12)和急停凸轮(11)进油孔与试验腔(7)相连通;温度控制 腔(5)出油孔(6)通过管道(27)和油品分析仪(26)与润滑泵站(25) 相连通;信号采集部分由扭矩传感器(2)、温度传感器(32)、速度传感器(18)、 加速度传感器(34)、噪声传感器(30)、数据转接卡和计算机构成,扭矩 传感器(2)安装在扭矩传动轴(3)的下端,扭矩传动轴(3)通过轴承 座固定在支架(28)上,扭矩传动轴(3)上端安装齿轮(29)和摩擦离合 器(9),齿轮(29)与急停凸轮(11)的外圆周的齿形相啮合;温度传感 器(32)放置在急停凸轮(11)圆柱凸轮外凹槽内;速度传感器(18)固 定在机座(1)上,加速度传感器(34)安装在急停凸轮(11)的上表面上; 液压加压块(40)侧面固定噪声传感器(30),以上各路信号通过转接卡传 到计算机处理。
6.根据权利要求5所述的工况模拟滚动接触疲劳试验机,其特征在于: 所说的温度控制腔(5)腔体周围加工一个出油孔(6)和一个通孔,移动 式加热器(41)安装在温度控制腔(5)腔体的外部;腔体上部为试件装入 端,下部为传动轴(8)配合孔,并在孔内表面加工有密封槽。
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