CN100387966C - 产生微小振幅的扭动微动磨损试验方法及试验机 - Google Patents

Abstract

本发明产生微小振幅的扭动微动磨损试验方法及试验机，最适用于研究在扭动微动情况下固体材料之间的摩擦磨损状态。采用由凸轮、悬臂弹性板、小薄板和摆杆组成的悬臂摆动装置和设有扭矩传感器的加载平衡装置，设定凸轮的偏心距，悬臂弹性板的长度和连接摆杆的小薄板固定位置，用电动机直接带动凸轮的机械式驱动方式，使悬臂弹性板在凸轮的推动下使下试样支撑架产生微小振幅的往复摆动，从而使试样间产生微小振幅的扭动微动磨损，试验机的运动环节少，除了铰接部分外，其余部件为弹性板连接，其驱动力大，振幅恒定，误差小，结构简单，易于加工，对扭动微动磨损领域的研究具有重要意义，并具有实用性。

Description

产生微小振幅的扭动微动磨损试验方法及试验机

技术领域

本发明涉及产生微小振幅的扭动微动磨损试验方法及试验机，尤其适用于研究在扭动微动情况下固体材料之间的摩擦磨损状态。

背景技术

微动磨损是存在于近似“静止”配合的机械零件中的一种损伤方式，由此引起的危害也非常大。微动磨损定义是：两个相互接触表面在一定的法向载荷作用下，若表面间存在小幅的相对振动运动，接触表面上所出现的损伤现象。

根据微动磨损不同的相对运动方向，微动有4种基本运行模式，即：(1)切向微动，或称平移式微动，是最普遍研究的微动方式；(2)径向微动；(3)滚动微动；(4)扭动微动。后3类微动形式虽然在工业中也经常出现，但研究报导却极少。

目前对于微动磨损的研究还只限于实验室，研究微动磨损的试验机多是针对第一种运行模式，在两接触面间产生小振幅相对滑动，产生小振幅滑动的方法主要包括有：机械驱动、流体驱动和电磁驱动三种方式。机械驱动是利用凸轮、杠杆、非平衡转动或微动副之一的弹性伸缩等。杠杆、凸轮等可在较大振幅下工作，负载也可在任意范围内变动，但频率一般不超过50Hz。试样的弹性伸缩方式由于受材料弹性极限限制，只能在较低的振幅下工作，其频率范围则取决于驱动源。电磁驱动一般采用电磁振动或利用功能材料产生振动，可以在高频率下工作，但这类设备只能在小负荷下工作。采用电液伺服驱动方法，它具有驱动力大，振幅、频率变动范围广，易于利用计算机程序控制和测量等优点，但技术较复杂，费用较高，设备体积也较大。

还有一种研究径向微动和结合径向微动与切向微动的复合微动磨损试验机，其工作原理是采用高精度的液压驱动形式。但是，目前还没有研究扭动微动磨损的报道及相关的扭动微动磨损试验机。而在人工关节的固定、紧密配合的轴套等近似“静止”配合处都存在扭动形式的微动磨损。

发明内容

本发明的目的是提供一种方法简便、结构简单、精度高、效果好的产生微小振幅的扭动微动磨损试验方法及试验机。

本发明产生微小振幅的扭动微动磨损试验方法，采用由凸轮、悬臂弹性薄板、小薄板和摆杆组成的悬臂摆动装置和设有扭矩传感器的加载平衡装置，设定凸轮的偏心距为e，悬臂弹性板从固定点至凸轮中心距的长度为L、距离固定小薄板中心距的长度为l，满足微小振幅 $v=\frac{e\·l^2}{L^3}(3L-l);$ 采用变频器控制电动机的转速，驱动凸轮转动，凸轮推动悬臂弹性薄板振动，由小薄板把微小振幅传递给摆杆，摆杆带动下试样支撑架运动，使上试样和下试样之间形成扭动微动磨损，设在加载平衡梁上的扭矩传感器用于测量上试样和下试样之间的摩擦力，用平衡砝码来调节加载平衡梁的平衡力，使初始加载载荷为0，增加砝码的重量施加上试样和下试样之间的接触载荷。

本发明产生微小振幅的扭动微动磨损试验的试验机，它由设在试验机台架上的悬臂摆动装置和加载平衡装置构成，悬臂摆动装置由与电动机相连的凸轮，设在凸轮侧面的悬臂弹性薄板，与悬臂弹性薄板相连的小薄板，固定悬臂弹性薄板的固定支柱和与下试样支撑架连接的摆杆组成；加载平衡装置由设在平衡梁支撑立柱上的加载平衡梁，设在加载平衡梁悬臂上的砝码和平衡砝码，与砝码同轴相连的扭矩传感器和上试样支撑架组成；悬臂摆动装置横向布置，加载平衡装置纵向布置在悬臂摆动装置的侧面；与悬臂摆动装置相连接的下试样支撑架和与加载平衡装置相连接的上试样支撑架上下位置对应，在同一轴线上，下试样支撑架的下方设有固定在试验台架上的铰接缸体，铰接缸体内设有活塞杆，活塞杆连接在下试样支撑架上。与下试样支撑架连接的摆杆与悬臂弹性薄板平行设置，摆杆与弹性薄板之间设有小薄板；加载平衡梁与平衡梁支撑立柱连接处设有精密铰接销。

本发明产生微小振幅的扭动微动磨损试验方法及试验机，最适用于研究在扭动微动情况下固体材料之间的摩擦磨损状态。采用悬臂摆动装置和加载平衡装置的机械式激振方或，设定悬臂摆动装置中凸轮的偏心距e、悬臂弹性薄板悬臂梁的长度L和距离固定连接小薄板的长度l，具有如下优点：

1.悬臂弹性薄板直接在凸轮的推动下使试样间产生微小振幅的扭动微动磨损，且振幅恒定，误差小；

2.用电动机直接带动凸轮的机械式驱动方式产生微小振幅，驱动力大；

3.通过精密铰接连接下试样支撑架，使下试样支撑架产生微小振幅的往复摆动，误差小；

4.试验机运动环节少，除了精密铰接部分外，其余部件为弹性板连接，可以减少运动误差，结构简单，易于加工；

5.通过精密铰接梁夹持上试样，并用砝码给上、下试样施加载荷，可保持上、下试样间的载荷恒定。

附图说明

图1是本发明产生微小振幅的扭动微动磨损试验方法原理图。

图2是本发明产生微小振幅的扭动微动磨损试验的试验机结构主视图。

图3是本发明产生微小振幅的扭动微动磨损试验的试验机结构俯视图。

图4是本发明产生微小振幅的扭动微动磨损试验的试验机结构侧视图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述：

本发明产生微小振幅的扭动微动磨损试验方法，采用由凸轮1、悬臂弹性薄板2、小薄板3和摆杆5组成的悬臂摆动装置和设有扭矩传感器11的加载平衡装置，根据悬臂梁的弹性弯曲及杠杆比例放大获得微小摆动振幅的原理，如图1所示，设定凸轮1的偏心距为e，悬臂弹性薄板2从固定点至凸轮1中心距的长度为L、距离固定小薄板3中心距的长度为l，满足微小振幅 $v=\frac{e\·l^2}{L^3}(3L-l);$ 它由一台交流电动机18驱动，其最大同步转速为1500rpm，交流电动机18由变频器控制，通过调节变频器的频率即可改变电动机18的转速。电动机18带动偏心凸轮1转动，凸轮1推动悬臂弹性薄板2一端振动，悬臂弹性薄板2的另一端固定在悬臂板固定支柱4上。根据杠杆的比例放大和悬臂弹性薄板2的弹性弯曲作用，悬臂弹性薄板2上连接小薄板3位置处产生微小振幅，小薄板3把微小振幅传至摆杆5，摆杆5带动下试样支撑架15作小振幅的往复摆动，使上试样13和下试样14之间形成扭动微动磨损。设在加载平衡梁7上的扭矩传感器11可测量上试样13和下试样14之间的摩擦力。下试样支撑架15安装在精密铰接缸体16的活塞杆上，上试样支撑架12经扭矩传感器11和配合精密的加载平衡梁7连接，并通端密铰接销9铰接在平衡梁支撑立柱8上，平衡砝码10可以调整加载平衡梁7的平衡，使初始加载载荷为0。上、下试样13、14之间的接触载荷通过增加砝码6施加。在距固定端为l处与摆杆5和下试样支撑架15连接。凸轮1转动时，会在悬臂弹性薄板的自由端施加力P，使之产生为Δ的挠度。

根据材料力学，在距悬臂弹性薄板固定端任意距离x处产生的挠度为：

$v=\frac{{\mathrm{Px}}^2}{6\mathrm{EI}}(3L-x)---\left(1\right)$

v-悬臂弹性薄板在距固定端x处产生的挠度(位移)，mm；

P-悬臂弹性薄板的自由端施加的力，N；

E-悬臂弹性薄板的弹性模量，取为2.1×10⁵N/mm²；

I-悬臂弹性薄板的转动惯量，mm⁴；

L-悬臂弹性薄板的长度，mm。

由公式(1)可以推出，当x比L小很多时，v比Δ会更小，这样即可根据设计的要求改变x与L的比例大小。同样，当x/L一定后，通过调整Δ的大小，也可改变v，由此可以得到微动磨损实验所需的微小振幅。

偏心距为e的凸轮1转动，可以使悬臂弹性薄板自由端产生Δ＝2e的挠度，则由公式可得：

$\mathrm{\Δ}=\frac{{\mathrm{PL}}^3}{3\mathrm{EI}}---\left(2\right)$

$P=\frac{3\mathrm{EI}\·\mathrm{\Δ}}{L^3}---\left(3\right)$

设定悬臂摆动装置中凸轮的偏心距e、悬臂弹性薄板悬臂梁的长度L和距离固定连接小薄板的长度l，则根据式(1)可以得到在悬臂弹性薄板距固定端l处下试样架产生的微小振幅为：

$v=\frac{{\mathrm{Pl}}^2}{6\mathrm{EI}}(3L-l)---\left(4\right)$

把(3)代入(4)得到微小振幅和偏心距之间的关系为：

$v=\frac{e\·l^2}{L^3}(3L-l)---\left(5\right)$

偏心距为e的凸轮1推动悬臂弹性薄板2，悬臂弹性薄板2上连接小薄板3位置处产生微小振幅，小薄板3把微小振幅传至摆杆5，摆杆5带动下试样支撑架15作小振幅的往复摆动。

本发明产生微小振幅的扭动微动磨损试验的试验机，它主要由悬臂摆动装置和加载平衡装置构成，悬臂摆动装置横向布置在试验机台架17上，加载平衡装置纵向布置在悬臂摆动装置的侧面。悬臂摆动装置由凸轮1、悬臂弹性薄板2、小薄板3、固定支柱4、摆杆5和电动机18组成。电动机18固定在试验机台架17的底部，其传动轴穿过台架17与设在台架17上面的凸轮1连接，凸轮1设在悬臂弹性薄板2的侧面，悬臂弹性薄板2的一端设在固定支柱4上，与悬臂弹性薄板2相平行设有与下试样支撑架15相连的摆杆5，悬臂弹性薄板2与摆杆5之间连接有小薄板3，小薄板3与摆杆5和悬臂弹性薄板2直角相连。加载平蘅置由砝码6、加载平蘅梁7、平衡梁支撑立柱8、精密铰接销9、平衡砝码10、扭矩传感器11和上试样支撑架12组成。加载平衡梁7设在平衡梁支撑立柱8上，其连接处由精密铰接销9铰接固定，砝码6和平衡砝码10设在加载平蘅梁7悬臂的两端，设置砝码6一端的下部设置扭矩传感器11和上试样支撑架12，上试样支撑架12与下试样支撑架15相对应，在同一轴线上，下试样支撑架15的底盘下设有与固定在试验台架17上的铰接缸体16，缸体16内可转动的活塞杆固定在下试样支支撑架15上，活塞杆随下试样支撑架15运动。

Claims (4)

1.产生微小振幅的扣动微动磨损试验方法，采用凸轮(1)、悬臂弹性薄板(2)、电动机(18)，其特征在于：还采用小薄板(3)和摆杆(5)组成的悬臂摆动装置和设有扭矩传感器(11)的加载平衡装置，设定凸轮(1)的偏心距为e，悬臂弹性薄板(2)从固定点至凸轮(1)中心距的长度为L、距离固定小薄板(3)中心距的长度为l，满足微小振幅 $v=\frac{e\·l^2}{L^3}(3L-l);$ 采用变频器控制电动机(18)的转速，驱动凸轮(1)转动，凸轮(1)推动悬臂弹性薄板(2)振动，由小薄板(3)把微小振幅传递给摆杆(5)，摆杆(5)带动下试样支撑架(15)运动，使上试样(13)和下试样(14)之间形成扭动微动磨损，设在加载平衡梁(7)上的扭矩传感器(11)用于测量上试样(13)和下试样(14)之间的摩擦力，用平衡砝码(10)来调节加载平衡梁(7)的平衡力，使初始加载载荷为0，增加砝码(6)的重量施加上试样(13)和下试样(14)之间的接触载荷。

2.产生微小振幅的扭动微动磨损试验的试验机，其特征在于：它由设在试验机台架(17)上的悬臂摆动装置和加载平衡装置陶成，悬臂摆动装置由与电动机(18)相连的凸轮(1)，设在凸轮(1)侧面的悬臂弹性薄板(2)，与悬臂弹性薄板(2)相连的小薄板(3)，固定悬臂弹性薄板(2)的固定支柱(4)和与下试样支撑架(15)连接的摆杆(5)组成；加载平衡装置由设在平衡梁支撑立柱(8)上的加载平衡梁(7)，设在加载平衡梁(7)悬臂上的砝码(6)和平衡砝码(10)，与砝码(6)同轴相连的扭矩传感器(11)和上试样支撑架(12)组成；悬臂摆动装置横向布置，加载平衡装置纵向布置在悬臂摆动装置的侧面；与悬臂摆动装置相连接的下试样支撑架(15)和与加载平衡装置相连接的上试样支撑架(12)上下位置对应，在同一轴线上，下试样支撑架(15)的下方设有固定在试验台架(17)上的铰接缸体(16)，铰接缸体(16)内设有活塞杆，活塞杆连接在下试样支撑架(15)上。

3.根据权利要求2所述的产生微小振幅的扭动微动磨损试验的试验机，其特征在于：所述与下试样支撑架(15)连接的摆杆(5)与悬臂弹性薄板(2)平行设置，摆杆(5)与悬臂弹性薄板(2)之间设有小薄板(3)。

4.根据权利要求2所述的产生微小振幅的扭动微动磨损试验的试验机，其特征在于：所述加载平衡梁(7)与平衡梁支撑立柱(8)连接处设有精密铰接销(9)。

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