CN101957296A

CN101957296A - 再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机及其检测方法

Info

Publication number: CN101957296A
Application number: CN 201010167331
Authority: CN
Inventors: 王海斗; 徐滨士; 濮春欢; 朴钟宇
Original assignee: Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Current assignee: Academy of Armored Forces Engineering of PLA
Priority date: 2010-04-30
Filing date: 2010-04-30
Publication date: 2011-01-26
Anticipated expiration: 2030-04-30
Also published as: CN101957296B

Abstract

本发明公开了一种再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机，所述试验机包括摩擦驱动部件、自由度加载部件和信号测试采集部件。本发明引入位移传感器和加速度传感器，增加了判断涂层磨损失效目前以摩擦系数、磨损量为主的特征参量，丰富了准确获取喷涂层磨损寿命的手段。通过预设试验寿命数据报警值，当达到报警值，数据采集自动结束，生成试验报告方便对磨损寿命的提取，为试验后续研究提供原始数据。试验机结构紧凑，稳定性好。不仅可以完成长时间的常规磨损寿命试验，也可通过调整摩擦副设置，可以完成重载、润滑油中添加微纳米磨粒、干摩擦、高转速四种不同加速条件的加速磨损试验。本发明具有很好的应用前景。

Description

再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机及其检测方法

技术领域

本发明涉及一种试验机，具体地说是一种再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机及利用其检测再制造零部件表面涂层加速磨损寿命的方法。

背景技术

目前再制造零件表面通常需要涂覆有耐磨涂层，而耐磨涂层的寿命直接影响再制造零件的使用寿命。目前没有一种方法及装置可以有效的检测出再制造零件表面涂层在加速磨损的情况下使用时间。无法准确判断其加速磨损的寿命就无法准确控制工业生产及零部件的维修及更换。

目前市场上的试验机主要对零件表面涂层摩擦系数、磨损量等磨损性能的对比评价，还没有一种专门能涉及到涂层加速磨损寿命层面的试验机。

由于再制造零部件表面涂层在加速破坏条件下，其需要快速经历跑合磨损期、稳定磨损期以及剧烈磨损期，以上三个不同时期振动、温度、摩擦力和位移的变化规律很复杂，如何找到涂层磨损失效时间判据点，从而得到涂层磨损寿命一直是本领域技术人员难以克服的技术难题。

基于上述内容，本领域技术人员急需一种有效的方式解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机。

本发明再一目的在于提出一种利用上述试验机进行再制造零部件表面涂层的检测方法。

为了达成上述目的，本发明思路如下：

本发明针对工程应用中再制造零部件表面涂层磨损寿命的评估要求，研制的磨损寿命试验机主要功能就是测量模拟在不同条件下，再制造零部件表面涂层的磨损寿命。判断是否达到涂层磨损寿命的主要有以下几个标准：

A摩擦温度剧烈上升；B磨损垂直位移量达到预警值；C振动量剧烈上升；D摩擦力剧烈变化。

鉴于此，涂层磨损寿命试验中需要测量的参数有：(1)对磨销与对磨盘之间的摩擦力；(2)涂层磨损的垂直位移量；(3)对磨销与对磨盘之间的振动量；(4)对磨销与对磨盘之间摩擦温度。

为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：

一种再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机，所述试验机包括摩擦驱动部件、自由度加载部件和信号测试采集部件；

摩擦驱动部件的作用是保证摩擦副主轴以一定转速平稳旋转，主要包括电机驱动系统控制驱动驱动电机，驱动电机驱动主动轮旋转，主动轮与从动轮之间通过传动带连接，从动轮套设于摩擦副主轴外并带动其旋转，摩擦副主轴上设有对磨盘；选定了额定功率为400W，转速范围0～4000r/min的无刷直流电机作为整个试验机的动力装置。采用48V电源供电，通过WS-32C高性能驱动器驱动电机，使得电机实现正反转和无级变速功能，并保证运行平稳、振动小、噪音低。

试验机核心部分——摩擦副采用销-盘式接触，模拟实际工况中的面-面接触。对磨盘为GCr15或陶瓷材料，通过电机带动旋转。对磨销采用调质45#钢，销底面为待测喷涂层。摩擦副主轴主要是受扭转力，根据轴受扭转时的强度校核条件确立轴的最小直径，并考虑与轴承的配合以及轴向定位。

自由度加载部件包括加载杠杆，加载杠杆上设有对磨销，对磨销位于所述对磨盘一侧；对磨销上端设有加载台；加载杠杆另一端设有转动块；一转动轴贯穿于转动块，且其下部连接有加载支座。

试验机加载系统的要求是能够对摩擦副提供稳定载荷，为了节约成本，试验机采用杠杆原理加载，载荷在试验过程中由两部分组成，一是由砝码(为图1中加载台与砝码支架之间部件)通过杠杆装置所施加的载荷，二是由杠杆系统的质量所产生的载荷。通过称量方式找出组成杠杆系统上的所有零件(包括传感器、对磨销和支承座等)的公共质心位置和质量，即可求得试验载荷P。为了测量摩擦力大小，将加载杠杆通过四个滚动轴承组合，设计加工可以实现上下左右转动装置，以便在试验过程中通过测量加载杆转动量确定摩擦力大小。

信号测试采集部件包括霍尔传感器、温度传感器、加速度传感器、压力传感器、位移传感器。

所述霍尔传感器位于轴承端盖上，通过摩擦副主轴上安装的磁铁旋转，测量摩擦副转数。所述温度传感器位于对磨销上，实时反应磨损区温度。所述加速传感器位于加载杠杆端部，所述压力传感器安装于一L型支架上抵住加载杠杆，测量摩擦力，通过压力传感器，检测出由对磨销和对磨盘之间摩擦力产生的加载杆转动力。所述位移传感器位于砝码支架上，该砝码支架与加载台连接，位移传感器测量涂层垂直磨损位移。上述各传感器通过数据转换装置传到计算机处理。

利用上述试验机检测再制造零部件表面涂层加速磨损寿命的方法，步骤如下：

(1)按试验要求将所需检测的对磨盘和对磨销的表面加工为平面，之后把涂层材料用涂层工艺设备喷涂在对磨销下底面上；

(2)将对磨销放入加载杠杆前段中并用螺母固定，启动驱动电机，调整转速，然后加载；

(3)启动信号采集信号测试采集部件，调整所述各传感器位置；主动轮通过传动带带动从动轮和摩擦副主轴转动，并将各传感器检测信号通过数据转换装置传到计算机处理；

(4)启动计算机寿命测试系统软件，设置计算机串口，并预设寿命报警值；

(5)通过电机驱动系统调节转速，进行试验；

(6)结束试验，并保存试验数据。

本发明所述试验参数条件：测试转速500～4000r/min，润滑条件：干摩擦、油润滑和含磨粒磨损；测试材料为热喷涂层。

本发明的优点及有益效果：

1、在磨损寿命试验机中引入位移传感器和加速度传感器，通过对试验中采集的磨损位移和振动量分析，增加了判断涂层磨损失效目前以摩擦系数、磨损量为主的特征参量，丰富了准确获取喷涂层磨损寿命的手段。

2、实时的数据采集系统对振动、温度、摩擦力和磨损位移信号实时采集，绘制实时曲线。通过预设试验寿命数据报警值，当达到报警值，数据采集自动结束，生成试验报告方便对磨损寿命的提取，为试验后续研究提供原始数据。

3、试验机结构紧凑，稳定性好。不仅可以完成长时间的常规磨损寿命试验，也可通过调整摩擦副设置，可以完成重载、润滑油中添加微纳米磨粒、干摩擦、高转速四种不同加速条件的加速磨损试验。

下面结合附图及最佳实施方式对本发明做进一步说明，以使公众对本发明内容有整体和充分的了解，而并非对本发明保护范围的限定。前述部分已经充分公开了本发明可以实施的保护范围，因此凡依照本发明公开内容进行的任何本领域公知的等同替换，均属于对本发明的侵犯。

附图说明

图1为再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机机械结构示意图；

图2为摩擦驱动部分机械结构示意图；

图3为自由度加载部分机械结构示意图；

图4为图3中转动轴和转动块结构示意图；

图5为实施例2振动量的变化规律示意图；

图6为实施例2摩擦系数变化规律示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1至4所示，一种再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机，所述试验机包括摩擦驱动部件、自由度加载部件和信号测试采集部件；

摩擦驱动部件位于上顶板4和下底板1之间(上顶板4和下底板1通过箱体支架2连接)包括电机驱动系统15控制驱动驱动电机19，驱动电机19由电机支柱17支撑并置于摩擦副下底板16上；驱动电机19驱动主动轮18旋转，主动轮18与从动轮25之间通过传动带20连接，从动轮25套设于摩擦副主轴21外并带动其旋转，摩擦副主轴21上端设有一上轴承22，下端设有一下轴承29；上轴承22外设有上轴承端盖24，下轴承29外设有下轴承端盖27；上下轴承端盖之间设有端盖支柱26。摩擦副主轴21顶部设有对磨盘23；

自由度加载部件包括加载杠杆32，加载杠杆32上设有对磨销31，对磨销31位于所述对磨盘23一侧；对磨销31上端设有加载台33；加载杠杆32另一端设有转动块34；一转动轴35贯穿于转动块34，且其下部连接有加载支座36；加载杠杆32端部转动块34一侧的端部还设有配重杆14。

信号测试采集部件包括霍尔传感器3、温度传感器5、加速度传感器6、压力传感器7、位移传感器9。

转动块34内部设有旋转支柱37及四个滚动轴承38，该滚动轴承38可控制加载杠杆32上下左右转动以便在试验过程中通过测量加载杠杆32转动量确定摩擦力大小。

霍尔传感器3设于轴承端盖24上，通过摩擦副主轴上安装的磁铁旋转，测量摩擦副转数。

温度传感器5位于对磨销31上，实时反应磨损区温度。

加速传感器6位于加载杠杆32端部。

压力传感器7安装于一L型支架上抵住加载杠杆32，检测出由对磨销31和对磨盘23之间摩擦力产生的加载杠杆转动力。

位移传感器9位于砝码支架8上，该砝码支架8与加载台33之间设置砝码81，砝码支架8上设有位移传感器连接块10，该位移传感器连接块10与支架13通过支架连接块12和连杆11连接；支架13与上顶板连接，位移传感器9测量涂层垂直磨损位移。

霍尔传感器3、温度传感器5、加速度传感器6、压力传感器7、位移传感器9通过数据转换装置传到计算机处理。

对磨盘23为GCr15或陶瓷材料；对磨销31采用调质45#钢，对磨销31底面为待测喷涂层。

电机为额定功率为400W，转速范围0～4000r/min的无刷直流电机作。

(2)将待测对磨销放入加载杠杆前段中并用螺母固定，启动驱动电机，调整转速，然后加载；

(5)通过电机驱动系统调节转速，进行试验；

(6)结束试验，并保存试验数据。

试验参数条件可以为：测试转速0～4000r/min，润滑条件：干摩擦、油润滑和含磨粒磨损；测试材料为热喷涂层。

总体硬件电路设计根据要求，选用C8051F060/2微控制器。该系列器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU，具有59个数字I/O引脚，片内集成了两个16位、1Msps的ADC。五路传感器输出的模拟电压信号、电流信号或脉冲信号经过信号调理电路的I/V转换，进入C8051F060/2片内16位模/数转换器，转换结束由一个状态位指示，并可产生中断。在转换完成后，16位转换结果数据字被锁存到两个特殊功能寄存器中。片内提供的DMA接口可以从ADC读取转换结果，并将数据直接存储到内部或外部RAM。本发明设计的实时在线磨损寿命检测系统，不但要求它能完成数据的实时采集，而且要求它能实现对数据实时处理和涂层磨损失效时提供预警显示的功能，以便试验人员可以观察到试验的实时变化状况，并采取相应行动。软件检测系统以单片机和PC机为测试系统核心。单片机主程序主要完成复位，包括存储区的初始化、标志位清零等，子程序包括A/D转换、数据处理、数据存储和线性补偿等程序，下位机程序用汇编语言编写。PC机程序主要完成串口通讯、标度变换、数字滤波和图形处理等，上位机程序用CVI编写。LabWindows/CVI是National Instruments公司推出的一套面向测控领域的软件开发平台。它以ANSI C为核心，将功能强大，使用灵活的C语言平台与数据采集，分析和表达的测控专业工具有机地接和起来。它的集成化开发平台，交互式编程方法，丰富的控件和库函数大大增强了C语言的功能，为熟悉C语言的开发人员建立检测系统，自动测量环境，数据采集系统，过程监控系统等提供了一个理想的软件开发环境。利用此软件平台进行上位机软件编写，进行各种曲线绘制、数据计算、数据分析和控制。

数据采集板进行信号调理、放大、滤波、A/D转换后通过RS232接口将数据通讯到上位机软件中，在上位机软件中进行数据计算、存储、绘制曲线、报警处理等。主要功能如下：

一、预设采样步长和可调纵坐标刻度；

二、预设试验数据报警值，一达到报警值，数据采集自动结束；

三、绘制实时曲线；

四、自动生成试验报告。

实施例2 具体应用例

本具体实施方式采用高速电弧喷涂3Cr13涂层作为实验涂层。

实验之前，按试验要求将所需检测的对磨盘和对磨销的表面加工为平面，之后将3Cr13涂层通过高速电弧喷涂设备喷涂到对磨销底面，并通过磨削，使涂层保持一定厚度。将对磨销放入加载杠杆前段中并用螺母固定，启动电机调整转速，然后加载，启动信号采集装置。由变频电动机的主动轮通过传动带带动小从动轮和摩擦副主轴转动，并将速度信号传给速度传感器。

根据试验要求，进行干摩擦试验时，将砝码放置砝码支架，通过加载杠杆放大所施加的载荷。对磨盘转动时，与对磨销摩擦产生的温度变化，通过温度传感器传输到数据采集装置。对磨盘和对磨销产生的摩擦力，通过加载杆杠传递给压力传感器。对磨销底部的垂直磨损位移量通过砝码支架，传递给位移传感器。最后涂层磨损寿命采集系统通过控制软件设定温度信号、位移信号、振动信号、摩擦力信号阀值实现急停，完成磨损寿命采集。具体试验参数如表1所示。

表1 具体试验参数：

从摩擦力(可以换算为摩擦系数)和振动量的变化规律来看，如图5和图6所示，试验机测定的摩擦系数和振动量在经历跑合磨损和稳定磨损期后，在剧烈磨损期时出现了突变的特征，从而得到试验涂层干摩擦磨损寿命1800s。

Claims

1.一种再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机，其特征在于，所述试验机包括摩擦驱动部件、自由度加载部件和信号测试采集部件；

所述摩擦驱动部件包括电机驱动系统(15)控制驱动驱动电机(19)，驱动电机(19)驱动主动轮(18)旋转，主动轮(18)与从动轮(25)之间通过传动带(20)连接，从动轮(25)套设于摩擦副主轴(21)外并带动其旋转，摩擦副主轴(21)上设有对磨盘(23)；

自由度加载部件包括加载杠杆(32)，加载杠杆(32)上设有对磨销(31)，对磨销(31)位于所述对磨盘(23)一侧；对磨销上端设有加载台(33)；加载杠杆(32)另一端设有转动块(34)；一转动轴(35)贯穿于转动块(34)，且其下部连接有加载支座(36)；

信号测试采集部件包括霍尔传感器(3)、温度传感器(5)、加速度传感器(6)、压力传感器(7)、位移传感器(9)。

2.根据权利要求1所述的再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机，其特征在于，所述转动块内部设有四个滚动轴承，该滚动轴承可控制加载杠杆上下左右转动以便在试验过程中通过测量加载杆转动量确定摩擦力大小。

3.根据权利要求2所述的再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机，其特征在于，所述霍尔传感器位于轴承端盖上，通过摩擦副主轴上安装的磁铁旋转，测量摩擦副转数。

4.根据权利要求3所述的再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机，其特征在于，所述温度传感器位于对磨销上，实时反应磨损区温度。

5.根据权利要求4所述的再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机，其特征在于，所述加速传感器位于加载杠杆端部。

6.根据权利要求5所述的再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机，其特征在于，所述压力传感器安装于一L型支架上抵住加载杠杆，检测出由对磨销和对磨盘之间摩擦力产生的加载杆转动力。

7.根据权利要求6所述的再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机，其特征在于，所述位移传感器位于砝码支架上，该砝码支架与加载台连接，位移传感器测量涂层垂直磨损位移。

8.根据权利要求2至7中任意一项所述的再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机，其特征在于，所述霍尔传感器、温度传感器、加速度传感器、压力传感器、位移传感器通过数据转换装置传到计算机处理。

9.根据权利要求8所述的再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机，其特征在于，所述对磨盘为GCr15或陶瓷材料；对磨销采用调质45#钢，对磨销底面为待测喷涂层。

10.根据权利要求9所述的再制造零部件表面涂层加速磨损寿命试验机，其特征在于，所述电机为额定功率为400W，转速范围0～4000r/min的无刷直流电机作。

11.利用权利要求1所述试验机检测再制造零部件表面涂层加速磨损寿命的方法，其特征在于，所述步骤如下：

(5)通过电机驱动系统调节转速，进行试验；

(6)结束试验，并保存试验数据。

12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，所述试验参数条件：测试转速500～4000r/min，润滑条件：干摩擦、油润滑和含磨粒磨损；测试材料为热喷涂层。