CN101750259A - 一种小位移往复滚动摩擦磨损试验装置 - Google Patents

Abstract

一种小位移往复滚动摩擦磨损试验装置，其平面试样夹具经切向力传感器与固定连接在液压式摩擦试验机的横梁的下方，滚动试样夹具位于平面试样夹具的右侧，且固定在夹具支撑架的立柱上，夹具支撑架的底板连接在液压式摩擦试验机的液压活塞上；夹具支撑架右侧设有法向力传感器，法向力传感器右侧的螺杆螺纹连接在支撑螺母上，且该螺杆的端部连接有转动盘，支撑螺母通过支座固定在液压式摩擦试验机的工作台面上；法向力传感器左侧的U型连接件的U型槽套在夹具支撑架的立柱上。该装置能更真实可靠地模拟平面试件与滚动体之间的摩擦磨损，试验结果便于进行微观分析，且其自动化程度高、操作简单方便、控制与测试的精度高、试验数据的重现性好。

Description

一种小位移往复滚动摩擦磨损试验装置

技术领域

本发明涉及一种摩擦磨损测试装置，尤其涉及一种滚动摩擦磨损试验装置。

背景技术

滚动由于其摩擦力小等特性在机械工程中得到了广泛的应用。滚动体发生滚动运动时，由于受几何轨道、坡道、制动和传动(牵引)以及转动体的形变等多种因素的影响，滚动常处于受制滚动状态，接触界面之间存在滚滑现象，在接触区内通常存在粘着区和滑移区。当粘着区占据整个接触区时，物体只发生滚动，而不发生滑动；当滚动体因牵引或制动导致摩擦力增加时，接触区内的粘着区会不断减少，此时物体发生滚、滑运动；如果滑移区占据了整个接触区时，则物体只发生滑动运动，无滚动存在，这就使滚动成为一种复杂的摩擦学运动形式。滚动磨损广泛的出现在滚动零部件中，如齿轮、轴承、铁路车轮等，对机器的可靠性和寿命有着极其重要的影响。例如：车轮作为铁路机车和车辆的重要走行部件，铁路车辆行驶于轨道上所需完成的全部动作都通过车轮与钢轨的直接作用实现。在这种作用下，轮轨接触面一般处于滚滑状态，车轮踏面将同时发生磨损和滚动接触疲劳损伤并最终导致车轮失效。目前为止，滚动运动磨损特性的研究相对滑动运动形式而言不够深入。

现有的滚动运动磨损试验装置均为圆盘对滚式，通过两个圆盘的相对滚动，实现滚动摩擦磨损的试验研究。但由于对滚的两个磨损面均是弧面，不便于利用显微镜进行表面磨损特征的微观分析。同时也无法对平面工件与圆形滚动体之间的摩擦磨损(如轮轨间的磨损)进行更真实可靠的模拟试验研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种小位移往复滚动摩擦磨损试验装置，该试验装置能方便地使实现线接触条件下的小位移往复滚动摩擦运动，能更真实可靠地模拟平面试件与滚动体之间的摩擦磨损，试验结果便于进行微观分析，且其自动化程度高、操作简单方便、控制与测试的精度高、试验数据的重现性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是，一种小位移往复滚动摩擦磨损试验装置，包括计算机数据采集控制系统、液压式摩擦试验机、液压式摩擦试验机上安装的平面试样夹具和滚动试样夹具，其结构特点是：

所述的平面试样夹具的上端与切向力传感器下端的连接件绞接，切向力传感器的上端与液压式摩擦试验机的横梁相连；

滚动试样夹具位于平面试样夹具的右侧，且固定在夹具支撑架的立柱上，夹具支撑架的底板连接在液压式摩擦试验机的液压活塞上；

法向力传感器位于夹具支撑架的右侧，法向力传感器右侧的螺杆螺纹连接在支撑螺母上，且该螺杆的端部连接有转动盘，支撑螺母通过支座固定在液压式摩擦试验机的工作台面上；法向力传感器的左侧与U型连接件相连，U型连接件的U型槽套合在平面试样夹具、滚动试样夹具及夹具支撑架立柱的前后两侧；

切向力传感器、法向力传感器、液压活塞均与计算机数据采集控制系统相连。

本发明的工作过程和原理是：

将平面试样、滚动试样分别安装在平面试样夹具和滚动试样夹具上，利用螺栓固定在左夹具的凹槽中，调节平面试样使其摩擦面与滚动试样轴线平行，使二者达到线接触状态，旋转转动盘使法向力传感器右侧的螺杆沿支撑螺母转动，使螺杆向右移动，进而通过法向力传感器、U型连接件、平面试样夹具向平面试样及滚动试样之间施加法向载荷，并由计算机数据采集控制系统显示并采集法向载荷数据；同时通过计算机数据采集控制系统控制液压活塞按设定的往复运动位移幅值D、频率f、循环次数N进行小位移垂直往复运动；使滚动试样与平面试样之间产生小位移往复滚动。还通过切向力传感器测量出平面试样与滚动试样构成的摩擦副间的切向摩擦力，并送至计算机数据采集控制系统。计算机数据采集控制系统自动分析得出设定位移幅值、频率和法向载荷条件下的摩擦力-位移幅值-循环次数动态三维特性曲线，以表征往复滚动摩擦的动力学特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明装置使平面试样与滚动试样线接触构成往复滚动摩擦副，通过调节平面试样使其与滚动试样轴线方向相平行，即可方便地实现法向载荷作用下平面试样与滚动试样线接触条件下的往复滚动摩擦运动，与双盘对滚式的试验装置相比，本试验装置是摩擦副为平面-滚动试样，试验结果便于用显微镜进行微观分析，从而更方便对平面试样材料进行相关的磨损机理分析与研究，便于分析滚动磨损机制的转变过程。能更真实可靠有效地模拟与分析平面试件与滚动体之间的摩擦磨损。

并且，采用液压活塞的上下运动来控制滚动试样的往复运动，这使滚动试样运动行为更加平稳可控，运动位移幅值精度高。

二、通过与平面试样夹具相连的切向力传感器测出摩擦副的切向摩擦力，并通过与滚动试样夹具右侧的法向力传感器测出法向载荷，切向摩擦力及法向载荷均由计算机数据采集控制系统自动采集。往复运动由液压活塞驱动，而液压活塞的运动位移、频率及循环次数则由计算机数据采集控制系统精确控制，并由计算机根据其设定控制或测出的参数自动进行分析处理，因此其自动化程度高、操作简单方便、控制与测试的精度高、试验数据的重现性好。

三、计算机数据采集控制系统可自动分析计算得出不同试验参数下的摩擦力-位移幅值-循环次数动态三维特性曲线，能准确表征往复滚动摩擦的动力学特性行为；并可将试验后的试样进行其它相关的微观磨损测试分析。

四、本发明通过改变平面试样和滚动试样的材料，可方便地进行各种材料的小位移往复滚动摩擦磨损试验。

上述的平面试样夹具的具体结构为：夹具体的右侧开有与平面试样适配的试样槽，试样槽下方的槽壁上设有顶紧螺钉。

这样的夹具结构简单，且可方便地更换平面试样及对其进行位置调节、夹紧固定。

上述的滚动试样夹具的具体结构为：夹具体呈工字型结构，左侧的凹槽侧壁上设有用于安装滚动试样转动轴的轴孔；右侧的凹槽则卡在夹具支撑架的立柱上，滚动试样夹具由穿过右侧凹槽壁及夹具支撑架立柱的螺杆固定在立柱上。

将滚动试样的转动轴安装固定在夹具的轴孔上即可实现滚动试样的夹紧固定。同样可方便地实现滚动试样的更换或夹紧固定。

上述的夹具支撑架的顶板上开有螺纹通孔，弹簧挡圈通过其外螺纹连接在螺纹通孔的中上部，螺纹通孔的中下部套有弹簧，弹簧的下端连接有制动瓦。

这样，本发明可通过制动瓦对滚动试样顶部施加制动力，通过旋转弹簧档圈使其垂向移动，即可调节弹簧的压缩程度，从而方便地调节制动力的大小。并且由于整个弹簧机构随滚动试样一起上、下往复运动，施加的制动力不受往复运动的影响，因此，可方便地实现设定的不同制动力工况下的往复滚动摩擦运动。从而本发明能够更真实、可靠地模拟各种实际工况下的滚动摩擦磨损情况，其适用范围广、试验结果更具有价值。

上述的制动瓦上固定有穿入弹簧中及弹簧挡圈内孔的定位杆。

这样，制动时弹簧不会发生大的横向偏移，制动力稳定，弹簧不易损坏，使用寿命长。

上述试验装置的切向力传感器的测量范围为1-500N、精度为1N，法向力传感器的测量范围为1-2000N、精度为1N，液压活塞的往复运动位移为1-2000μm、往复运动频率为0.5-10Hz。

这样，本发明装置可进行小位移的高精度、大范围参数条件的往复滚动摩擦磨损试验。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例的结构示意图。

图2是本发明实施例的滚动试样夹具及其夹持的滚动试样的俯视结构示意图。

图3是采用本发明装置进行的位移幅值D分别为2、5、10、20、60μm，1Hz的往复滚动摩擦试验，所得到的摩擦系数随循环次数变化的曲线。

图4是采用本发明装置往复频率f分别为0.5、1、2Hz，位移幅值为500μm的往复滚动摩擦试验，所得到的摩擦系数随循环次数变化的曲线。

图5是采用本发明装置进行在四种制动力工况下频率为2Hz、位移幅值为500μm的往复滚动摩擦试验，所得到的摩擦系数随循环次数变化的曲线。

图6是为图5的四种制动力工况试验后的平面试样的表面损伤形貌。

具体实施方式

图1、图2示出，本发明采用的一种具体实施式是：一种小位移往复滚动摩擦磨损试验装置，包括计算机数据采集控制系统、液压式摩擦试验机1、液压式摩擦试验机1上安装的平面试样夹具3和滚动试样夹具12。

本例的平面试样夹具3的上端与切向力传感器2下端的连接件2a绞接，切向力传感器2的上端与液压式摩擦试验机1的横梁1a相连；

滚动试样夹具12位于平面试样夹具3的右侧，且固定在夹具支撑架10的立柱10a上，夹具支撑架10的底板10b连接在液压式摩擦试验机1的液压活塞17上；

法向力传感器14位于夹具支撑架10的右侧，法向力传感器14右侧的螺杆31螺纹连接在支撑螺母20a上，且该螺杆31的端部连接有转动盘15，支撑螺母20a通过支座20固定在液压式摩擦试验机1的工作台面1b上；法向力传感器14的左侧与U型连接件14a相连，U型连接件14a的U型槽套合在平面试样夹具3、滚动试样夹具12及夹具支撑架10立柱10a的前后两侧；

切向力传感器2、法向力传感器14、液压活塞17均与计算机数据采集控制系统相连。

本例的平面试样夹具3的具体结构为：夹具体的右侧开有与平面试样4适配的试样槽3a，试样槽3a下方的槽壁上设有顶紧螺钉5。

本例的滚动试样夹具12的具体结构为：夹具体呈工字型结构，左侧的凹槽侧壁上设有用于安装滚动试样6转动轴6a的轴孔；右侧的凹槽则卡在夹具支撑架10的立柱10a上，滚动试样夹具12由穿过右侧凹槽壁及夹具支撑架10立柱10a的螺杆13固定在立柱10a上。

本例的夹具支撑架10的顶板10c上开有螺纹通孔，弹簧挡圈7a通过其外螺纹连接在螺纹通孔的中上部，螺纹通孔的中下部套有弹簧8，弹簧8的下端连接有制动瓦9。

本例的制动瓦9上固定有穿入弹簧8中及弹簧挡圈内孔的定位杆7。

本例的试验装置的切向力传感器2的测量范围为1-500N、精度为1N，法向力传感器14的测量范围为1-2000N、精度为1N，液压活塞17的往复运动位移D为1-2000μm、往复运动频率f为0.5-10Hz。

采用本实施例的试验装置进行了具体的试验：平面试样为20mm×10mm×10mm的铁路车轮钢，滚动试样为Φ40mm的GCr15滚动轴承；法向载荷F_n＝200N；往复循环次数N＝10000。在这些共同的试验条件下，下面分别为在不同的位移幅值、往复频率、制动力工况的具体试验结果：

图3为位移幅值D分别是2、5、10、20、60μm，往复频率f为1Hz的往复滚动摩擦试验，所得到的摩擦系数随循环次数变化的曲线。图中由符号“○”串起的曲线是D＝60μm的曲线，其余几条曲线从上到下依次为D＝20μm、10μm、5μm、2μm的曲线；结果表明：摩擦系数20-30次循环后基本稳定；位移幅值从2μm增加至20μm时，摩擦系数随着位移幅值的增加迅速增大；而位移幅值D 20μm、60μm的两条曲线相似，表明位移幅值增加至20μm后，摩擦系数不再随位移幅值的增大而明显增大。

图4为往复频率f分别为0.5、1、2Hz，位移幅值均为500μm的往复滚动摩擦试验，所得到的摩擦系数随循环次数变化的曲线。图中由符号“○”串起的曲线是频率＝1Hz的曲线，由符号“△”串起的曲线是频率＝2Hz的曲线，另一条曲线是频率＝0.5Hz的曲线；结果表明：频率为2Hz时摩擦系数最小，频率为1Hz和0.5Hz时的值相差不大；也即随频率增大，摩擦系数呈降低的趋势。

图5为a、b、c、d四种制动力工况下(a、b、c、d四种制动力工况对应的切向摩擦力平均值F_t分别为2、14、38、72N)位移幅值D＝500μm、往复频率f＝0.5Hz的往复滚动摩擦试验，所得到的四条摩擦系数随循环次数变化的曲线。该图表明随着制动力的增加，运行形式表现为从纯滚动向滚滑状态过渡，滚动滑差增大，对应的摩擦系数也逐渐增大，自由滚动状态下的摩擦系数最小。

图6的(a)、(b)、(c)、(d)四个分图分别为图5的a、b、c、d制动力工况试验后的平面试样的表面损伤形貌。从(a)分图中看出，对应于切向摩擦力平均值为2N时的制动工况下，滚动试样和平面试样为纯滚动，磨损表现为很轻微的表面擦伤痕迹；从(b)分图看出，随制动力的增大，切向摩擦力平均值增大为14N，表面磨损迅速加剧，表面磨痕呈现出现明显的犁沟，且犁沟沿滚动方向分布，此时磨损主要表现为磨粒磨损；从(c)分图看出当制动力进一步增大，使切向摩擦力平均值增大到38N后，磨痕表面形貌呈现出较明显的片状剥落现象；从(d)分图看出当制动力最大，当平均切向摩擦力F_t达到72N时，磨屑呈现出大块状的剥落，且剥落的方向性不明显。

Claims (6)

1.一种小位移往复滚动摩擦磨损试验装置，包括计算机数据采集控制系统、液压式摩擦试验机(1)、液压式摩擦试验机(1)上安装的平面试样夹具(3)和滚动试样夹具(12)，其特征在于：

所述的平面试样夹具(3)的上端与切向力传感器(2)下端的连接件(2a)绞接，切向力传感器(2)的上端与液压式摩擦试验机(1)的横梁(1a)相连；

滚动试样夹具(12)位于平面试样夹具(3)的右侧，且固定在夹具支撑架(10)的立柱(10a)上，夹具支撑架(10)的底板(10b)连接在液压式摩擦试验机(1)的液压活塞(17)上；

法向力传感器(14)位于夹具支撑架(10)的右侧，法向力传感器(14)右侧的螺杆(31)螺纹连接在支撑螺母(20a)上，且该螺杆(31)的端部连接有转动盘(15)，支撑螺母(20a)通过支座(20)固定在液压式摩擦试验机(1)的工作台面(1b)上；法向力传感器(14)的左侧与U型连接件(14a)相连，U型连接件(14a)的U型槽套合在平面试样夹具(3)、滚动试样夹具(12)及夹具支撑架(10)立柱(10a)的前后两侧；

切向力传感器(2)、法向力传感器(14)、液压活塞(17)均与计算机数据采集控制系统相连。

2.根据权利要求1所述的一种小位移往复滚动摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述的平面试样夹具(3)的具体结构为：夹具体的右侧开有与平面试样(4)适配的试样槽(3a)，试样槽(3a)下方的槽壁上设有顶紧螺钉(5)。

3.根据权利要求1所述的一种小位移往复滚动摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述的滚动试样夹具(12)的具体结构为：夹具体呈工字型结构，左侧的凹槽侧壁上设有用于安装滚动试样(6)转动轴(6a)的轴孔；右侧的凹槽则卡在夹具支撑架(10)的立柱(10a)上，滚动试样夹具(12)由穿过右侧凹槽壁及夹具支撑架(10)立柱(10a)的螺杆(13)固定在立柱(10a)上。

4.根据权利要求1所述的一种小位移往复滚动摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述的夹具支撑架(10)的顶板(10c)上开有螺纹通孔，弹簧挡圈(7a)通过其外螺纹连接在螺纹通孔的中上部，螺纹通孔的中下部套有弹簧(8)，弹簧(8)的下端连接有制动瓦(9)。

5.根据权利要求4所述的一种小位移往复滚动摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述的制动瓦(9)上固定有穿入弹簧(8)中及弹簧挡圈(7a)内孔的定位杆(7)。

6.根据权利要求1所述的一种小位移往复滚动摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述试验装置的切向力传感器(2)的测量范围为1-500N、精度为1N，法向力传感器(14)的测量范围为1-2000N、精度为1N，液压活塞(17)的往复运动位移(D)为1-2000μm、往复运动频率(f)为0.5-10Hz。

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