CN101963563A - 一种扭转复合微动摩擦磨损的试验方法及其试验装置 - Google Patents

Abstract

一种扭转复合微动摩擦磨损的试验方法及其装置，方法是：a、将上试件夹持在连有六维力/力矩传感器的上夹具上，用下夹具夹持下试件，下夹具固定在倾斜的回转电机13)轴上；b、数据采集控制系统控制上夹具及上试件上下、左右移动，使二者接触并保持设定的法向载荷F_n；同时，数据采集控制系统控制回转电机及下试件以设定参数进行旋转；c、六维力/力矩传感器测出切向力即摩擦力F_t送至数据采集控制系统，分析得出摩擦力F_t和回转角位移幅值θ的曲线，以表征扭转复合微动的动力学特性。该方法更真实地模拟构件在复杂应力作用下的复合微动损伤，控制与测试的精度高，实验数据的重现性好；且其自动化程度高。

Description

一种扭转复合微动摩擦磨损的试验方法及其试验装置

技术领域

本发明涉及一种微动摩擦磨损的试验方法及其试验装置。

背景技术

微动(Fretting)是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热循环等交变载荷作用下，名义上静止的接触表面间发生的振幅极小的相对运动(位移幅度一般为微米量级)，即微动发生在“紧固”配合的机械部件中。微动普遍存在于机械行业、核反应堆、航空航天、桥梁工程、汽车、铁路、船舶、电力工业、武器系统、电讯装备和人工植入器官等领域的紧配合零部件中。紧配合零部件中存在的微动会引起构件咬合、松动、功率损失、噪声增加或形成污染源，或者产生疲劳裂纹并扩展，导致疲劳寿命大大降低。随着高科技机械对高精度、长寿命和高可靠性的要求，以及各种工况条件的日益苛刻，微动损伤的危害日益凸现，已成为引发灾难性事故的主要原因之一，被称为工业界的“癌症”。

在球/平面接触条件下，微动有4种基本模式，即：切向微动、径向微动、扭动微动和转动微动。工业中实际的微动工况十分复杂，往往集两种或两种以上微动基本模式复合的复杂运动也经常出现。

扭转(扭动+转动)复合微动是扭动微动和转动微动两种模式的耦合，是在交变载荷作用下接触副发生微幅扭转的相对运动。扭转复合微动现象大量存在于机械装备和器械中，涉及交通运输、生物医学等众多领域。例如汽车转向系统中球接头与球窝配合面、人体植入器械中的髋关节和膝关节杵臼状接触区、轴承内发生的微动等。扭转复合微动导致的疲劳和磨损大大的缩短了零部件的使用寿命、直接影响了安全生产，同时也带来了巨大的经济损失。由于研究与分析设备及手段的限制，扭转复合微动的相关研究、分析工作一直以来开展的较少。研究扭转复合微动试验的方法及其装置，对减少工程中出现的复杂微动磨损问题，改进机械、生物工程等领域的相关设计，提高装备与器械的性能与寿命、节约能源等具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的第一个发明目的是提供一种扭转复合微动摩擦磨损试验方法，该试验方法能方便地使材料发生小角度的扭转复合微动摩擦磨损，较真实地模拟构件在复杂应力作用下的复合微动损伤，控制与测试的精度高，实验数据的重现性好；且其自动化程度高。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种扭转复合微动摩擦磨损试验方法，其作法是：一种扭转复合微动摩擦磨损的试验方法，其作法是：

a、将平面的上试件夹持在上夹具上，上夹具固定在六维力/力矩传感器上，用下夹具夹持球形的下试件，下夹具固定在倾斜的高精度超低速的回转电机输出轴上的安装盘上，球形的下试件的中心位于回转电机输出轴的轴线上；

b、通过数据采集控制系统控制上夹具及其夹持的上试件的上下、左右移动，使上、下试件接触并使上、下试件间保持设定的法向载荷Fn；同时，数据采集控制系统控制回转电机并带动下夹具及其夹持的下试件以设定的转速ω、回转角位移幅值θ和往复周次N进行往复旋转，上、下试件间即在承受扭动和转动的共同作用下进行扭转复合微动；

c、在上、下试件进行扭转复合微动的同时，与上夹具相连的六维力/力矩传感器测出切向力即摩擦力Ft，并送至数据采集控制系统，数据采集控制系统分析得出设定载荷Fn和转速ω条件下的摩擦力Ft和回转角位移幅值θ的曲线，以表征扭转复合微动的动力学特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明的方法，将电机倾斜一定角度α，使球形的下试件倾斜旋转，从而实现了球形下试件与平面上试件间同时进行扭动和转动的双重复合微动(倾斜旋转的水平分量对应的微动分量为扭动微动，垂直分量对应的微动分量为转动微动)，从而能更加真实有效地对扭转复合微动进行分析和测试。

二、由于球形下试件的中心与高精度超低速回转电机的旋转轴对中，高精度超低速回转电机能保证球形试件绕电机旋转轴回转，不会发生偏心现象；从而确保扭转复合微动得以实现。

三、通过数据采集控制控制系统控制高精度超低速回转电机的转动，能精确实现下夹具及其下试件按给定的微小转角幅值及超低转速进行往复旋转；也能精确实现上夹具位置的调整和设定法向载荷的试加，从而精确实现给定参数条件下的扭转复合微动摩擦磨损试验。

四、通过与上夹具相连的六维力/力矩传感器测出复合微动时的切向力即摩擦力，并送数据采集控制系统处理，得到设定条件下的摩擦力-角位移曲线，可以准确表征扭转复合微动的动力学特性。并可将试验后的材料进行其它相关分析。

总之，该试验方法能方便的使材料发生精确的微小角度的扭转复合微动摩擦磨损，试验直接由数据采集控制系统控制给定相应测试参数，并测出摩擦力，进行自动的分析及处理，能较真实地模拟构件在复杂应力作用下的复合微动损伤，实验结果更准确、可靠；控制与测试的精度高，实验数据的重现性好，且自动化程度高。克服了现有实验方法结果具有单一性，重现性差等缺陷。

本发明的另一目的是提供一种实施上述扭转复合微动摩擦磨损的试验方法的试验装置，该装置结构简单，易操作，能够进行不同工况与规格材料的扭转复合微动摩擦磨损试验，控制与测试的精度高，实验数据更准确、可靠，重现性好。

本发明实现该发明目的所采用的技术方案是：一种上述的试验方法的试验装置，包括夹持平面的上试件的上夹具、上夹具通过六维力/力矩传感器及能够进行水平与垂向移动的二维调整移动台固定在机座的中上部；夹持球形的下试件的下夹具安装在机座的中下部，其特征在于：所述的下夹具安装在机座的中下部的具体结构为：下夹具螺纹连接固定在高精度超低速的回转电机输出轴上的安装盘上，下夹具的夹持腔的中心位于回转电机输出轴的轴线上，回转电机按设定的倾斜角α倾斜地安装在电机倾斜台上，电机倾斜台固定在机座的底部。

回转电机、二维调整移动台、六维力/力矩传感器均与数据采集控制系统电连接。

该装置的使用方法及工作过程为：

将上试件固定在上夹具上，下试件固定在下夹具上。调节电机倾斜台，使电机倾斜到设定角度后固定；通过数据采集控制系统控制二维调整移动台的运动，调整上试件在竖直、水平两个方向的位置，使其与下试件接触并施加给定的法向载荷。再由数据采集控制系统控制高精度超低速回转电机的转动，使下试件按设定的参数绕电机旋转轴进行往复旋转，实现下、上试件的球-平面扭转复合微动，在此过程中，六维力/力矩传感器实时监测扭转复合微动时的切向力(摩擦力)，送数据采集控制系统进行处理，得到摩擦力-角位移幅值(Ft-θ)曲线。同时，六维力/力矩传感器实时监测微动时的法向载荷，传送给数据采集控制系统，由数据采集控制系统对二维调整移动台的垂向位置进行实时调节控制，确保下试件的法向载荷始终处于恒定的给定值。

给定不同的参数，即可进行不同工况下的扭转复合微动摩擦磨损试验。对于不同尺寸的上、下试件，采用相应规格的上、下夹具即可完成试验。

可见，采用以上装置可以方便的实现本发明的试验方法，，能够进行不同工况与规格材料的扭转复合微动摩擦磨损试验，较真实地模拟出构件在复杂应力作用下的复合微动损伤，控制与测试的精度高，实验数据更准确、可靠，重现性好。

上述的电机倾斜台的组成为：回转电机的机身固定在电机固定套内，电机固定套置于电机座的内腔中，且电机固定套两侧的旋转轴和电机座的轴孔配合；紧固螺栓穿过电机座上的弧形槽与电机固定套上的螺孔连接，弧形槽的弧心在旋转轴的轴线上，电机座固定于机座的底部。

这样，电机固定套可以方便地围绕旋转轴发生倾斜，倾斜至任意的设定角度后由紧固螺栓进行紧固，从而方便地实现固定在电机固定套内的电机的倾斜与固定，进行任意倾斜角度上、下试件间的扭转复合微动试验。

上述的电机固定套安装旋转轴的两侧开有若干个定位孔，电机座也开有相应的定位通孔，定位销穿过定位通孔插在定位孔上。

这样，可利用定位销方便地进行倾斜角度的有级调整(如：0°、5°、10°等)，使角度的调整更加简单、方便、准确。

上述电机固定套安装旋转轴的两侧面与电机座的内腔为微量的过盈配合，电机座的内腔侧面与机座底部垂直。

这样，可以使倾斜的电机回转轴始终保持在同一平面上，使设定的倾角保持固定，电机固定套的稳定性更好，试验的测试结果更加精确、可靠。

上述的回转电机的机身紧配合于电机固定套的内腔，回转电机的机身底部安装在电机固定套的底部，并由螺栓紧固。

这使得回转电机能精确定位并牢靠地固定在电机固定套上。

上述的下夹具的底部周缘向下凸起而围成圆形凹腔，回转电机输出轴上的安装盘的侧面与该圆形凹腔紧配合。

这样，下夹具与安装盘之间的构造简单，安装方便，传动直接，可以确保下夹具与回转电机输出轴对中并定位。由于电机输出安装盘的中心线与电机旋转轴的中心线重叠，可确保下夹具夹紧下试件时，球形下试件的旋转中心线与回转电机旋转轴重叠，保证球形下试件旋转时不发生偏心现象，测试结果表明：本发明的球形试件旋转时跳动度≤2μm，从而确保扭转复合微动得以实现。

上述的六维力/力矩传感器的上端安装在二维调整移动台的的水平滑块上。

六维力/力矩传感器安装在二维调整移动台的水平滑块和上夹具之间，六维力/力矩传感器可以发生微量的水平移动，可保证使其测定出的上、下试件间所受的切向力即为精确的摩擦力。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

附图说明

图1是本发明实施例的试验装置主视结构示意图。

图2是本发明实施例的试验装置中未夹持下试件时的下夹具及电机输出安装盘的剖视结构放大的示意图。

图3a、图3b、图3c是用本发明实施例的试验装置及本发明的方法在电机倾斜角α＝10°，在三种不同角位移幅值下的摩擦力-角位移幅值(Ft-θ)曲线。试验的上试件为20mm×10mm×10mm的LZ50车轴钢试块，下试件为Φ40mm的GCr15轴承钢球，法向载荷Fn＝50N，转动角速度为0.2°/s，往复循环周次为1000次。其中，图3a、图3b、图3c的转动角位移幅值θ分别为0.125°、0.5°、2°。

图4a、图4b、图4c分别是与图3a、图3b、图3c的试验装置、实验材料完全相同，其试验参数也基本相同，仅电机倾斜角α均改为40°而进行试验得到的摩擦力-角位移幅值(Ft-θ)曲线。

图5为上试件为20mm×10mm×10mm的LZ50车轴钢试块，下试件为Φ40mm的GCr15轴承钢球，法向载荷Fn＝50N，转动角速度为0.2°/s，电机倾斜角α＝10°，转动角位移幅值θ＝2°时，不同循环次数下得到的磨斑演变过程。

图6a、图6b分别为对应图3c、图4c试验后的上试件扫描电镜照片。

图7a、图7b分别为对应图6a、图6b试验后的上试件磨痕横截面轮廓图。

具体实施方式

本发明的一种具体实施方式是：一种扭转复合微动摩擦磨损的试验方法，其作法是：

a、将平面的上试件6夹持在上夹具5上，上夹具5固定在六维力/力矩传感器4上，用下夹具16夹持球形的下试件14，下夹具16固定在倾斜的高精度超低速的回转电机13输出轴上的安装盘12上，球形的下试件14的中心位于回转电机13输出轴的轴线上；

b、通过数据采集控制系统控制上夹具5及其夹持的上试件6的上下、左右移动，使上、下试件6、14接触并使上、下试件6、14间保持设定的法向载荷Fn；同时，数据采集控制系统控制回转电机13并带动下夹具16及其夹持的下试件14以设定的转速ω、回转角位移幅值θ和往复周次N进行往复旋转，上、下试件6、14间即在承受扭动和转动的共同作用下进行扭转复合微动；

c、在上、下试件6、14进行扭转复合微动的同时，与上夹具5相连的六维力/力矩传感器4测出切向力即摩擦力Ft，并送至数据采集控制系统，数据采集控制系统分析得出设定载荷Fn和转速ω条件下的摩擦力Ft和回转角位移幅值θ的曲线，以表征扭转复合微动的动力学特性。

为使上述试验方法得以更方便快捷地实现，本例采用的试验装置的具体结构如下：

图1、2示出，实施上述的试验方法的一种试验装置，包括夹持平面的上试件6的上夹具5、上夹具5通过六维力/力矩传感器4及能够进行水平与垂向移动的二维调整移动台2固定在机座1的中上部；夹持球形的下试件14的下夹具16安装在机座1的中下部，其特征在于：所述的下夹具16安装在机座1的中下部的具体结构为：下夹具16螺纹连接固定在高精度超低速的回转电机13输出轴上的安装盘12上，下夹具16的夹持腔的中心位于回转电机13输出轴的轴线上，回转电机13按设定的倾斜角α倾斜地安装在电机倾斜台上，电机倾斜台固定在机座1的底部。

回转电机13、二维调整移动台2、六维力/力矩传感器4均与数据采集控制系统电连接。

本例的电机倾斜台的组成为：回转电机13的机身固定在电机固定套18内，电机固定套18置于电机座19的内腔中，且电机固定套18两侧的旋转轴17和电机座19的轴孔配合；紧固螺栓22穿过电机座19上的弧形槽20与电机固定套18上的螺孔连接，弧形槽20的弧心在旋转轴17的轴线上，电机座19固定于机座1的底部。

电机固定套18安装旋转轴17的两侧开有若干个定位孔，电机座19也开有相应的定位通孔，定位销21穿过定位通孔插在定位孔上。

电机固定套18安装旋转轴的两侧面与电机座19的内腔为微量的过盈配合，电机座19的内腔侧面与机座底部垂直。

回转电机13的机身固定在电机固定套18内的具体结构为：回转电机13的机身紧配合于电机固定套18的内腔，回转电机13的机身底部安装在电机固定套18的底部，并由螺栓紧固。

下夹具16的底部周缘向下凸起而围成圆形凹腔26，回转电机13输出轴上的安装盘12的侧面12a与该圆形凹腔26紧配合。

六维力/力矩传感器4的上端安装在二维调整移动台2的的水平滑块2A上。

本发明可以实现高精度超低速回转电机不同程度的倾斜，倾斜角α的范围为0°-90°。

本发明采用的六维力/力矩传感器4的法向载荷测量范围为1-580N；横向及纵向两个方向的切向力测量范围为1-180N，力矩测量范围为1-10000N.mm、测量精度为1N·mm。

采用以上本发明的装置及其试验方法进行的部分具体实验结果如下：

实验材料为：上试件为20mm×10mm×10mm的LZ50车轴钢试块，下试件为Φ40mm的GCr15轴承钢球，共同的实验参数为：法向载荷Fn＝50N，转动角速度为0.2°/s，往复循环周次1000次。

在电机倾斜角α均为10°，转动角位移幅值θ分别为0.125°、0.5°、2°进行实验得到的摩擦力-角位移幅值(Ft-θ)曲线分别为图3a、图3b、图3c。

在电机倾斜角α均为40°，转动角位移幅值θ分别为0.125°、0.5°、2°进行实验得到的摩擦力-角位移幅值(Ft-θ)曲线分别为图4a、图4b、图4c。

从图中可以看出，图3a、图4a的曲线形状呈准直线型，图3b、图4b呈椭圆形图3c、图4c呈平行四边形，依次对应微动的部分滑移区、混合区、滑移区。

图5为α＝10°，θ＝2°时不同循环次数下得到的磨斑演变过程及对应的表面形貌。从图5中可以看出，扭转复合微动在实验条件下，其特征明显不同于单一的微动模式，呈现明显的复合微动的不对称性。

图6a、图6b分别为对应图3c、图4c试验后倾斜角α分别为10°和40°，角位移幅值θ＝2°)的上试件的扫描电镜照片，从图中可以看出不同倾斜角度下的扭转复合微动行为完全不同，且在较小的倾斜角α下，磨屑往一边排出并堆积，而在较大的倾斜角α下，磨屑堆积于运动方向的两侧。

图7a、图7b分别为对应图6a、图6b上试件的磨痕横截面轮廓图，图中横坐标为磨痕宽度，纵坐标为磨痕深度。图7a、图7b表明，在滑移区两种不同的倾斜角度下接触区呈现两种不同的“隆起”现象，在较小的倾斜角α下，“隆起”不对称，呈现一边低一边高；而在较大的倾斜角α下，“隆起”基本对称，且两侧高于中心，这与其他微动模式中的情况有显著差异。

Claims (8)

1.一种扭转复合微动摩擦磨损的试验方法，其作法是：

a、将平面的上试件(6)夹持在上夹具(5)上，上夹具(5)固定在六维力/力矩传感器(4)上，用下夹具(16)夹持球形的下试件(14)，下夹具(16)固定在倾斜的高精度超低速的回转电机(13)输出轴上的安装盘(12)上，球形的下试件(14)的中心位于回转电机(13)输出轴的轴线上；

b、通过数据采集控制系统控制上夹具(5)及其夹持的上试件(6)的上下、左右移动，使上、下试件(6、14)接触并使上、下试件(6、14)间保持设定的法向载荷Fn；同时，数据采集控制系统控制回转电机(13)并带动下夹具(16)及其夹持的下试件(14)以设定的转速ω、回转角位移幅值θ和往复周次N进行往复旋转，上、下试件(6、14)间即在承受扭动和转动的共同作用下进行扭转复合微动；

c、在上、下试件(6、14)进行扭转复合微动的同时，与上夹具(5)相连的六维力/力矩传感器(4)测出切向力即摩擦力Ft，并送至数据采集控制系统，数据采集控制系统分析得出设定载荷Fn和转速ω条件下的摩擦力Ft和回转角位移幅值θ的曲线，以表征扭转复合微动的动力学特性。

2.一种实施权利要求1所述的试验方法的试验装置，包括夹持平面的上试件(6)的上夹具(5)、上夹具(5)通过六维力/力矩传感器(4)及能够进行水平与垂向移动的二维调整移动台(2)固定在机座(1)的中上部；夹持球形的下试件(14)的下夹具(16)安装在机座(1)的中下部，其特征在于：所述的下夹具(16)安装在机座(1)的中下部的具体结构为：下夹具(16)螺纹连接固定在高精度超低速的回转电机(13)输出轴上的安装盘(12)上，下夹具(16)的夹持腔的中心位于回转电机(13)输出轴的轴线上，回转电机(13)按设定的倾斜角α倾斜地安装在电机倾斜台上，电机倾斜台固定在机座(1)的底部；

回转电机(13)、二维调整移动台(2)、六维力/力矩传感器(4)均与数据采集控制系统电连接。

3.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于：所述的电机倾斜台的组成为：回转电机(13)的机身固定在电机固定套(18)内，电机固定套(18)置于电机座(19)的内腔中，且电机固定套(18)两侧的旋转轴(17)和电机座(19)的轴孔配合；紧固螺栓(22)穿过电机座(19)上的弧形槽(20)与电机固定套(18)上的螺孔连接，弧形槽(20)的弧心在旋转轴(17)的轴线上，电机座(19)固定于机座(1)的底部。

4.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于：所述的电机固定套(18)安装旋转轴(17)的两侧开有若干个定位孔，电机座(19)也开有相应的定位通孔，定位销(21)穿过定位通孔插在定位孔上。

5.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于：所述的电机固定套(18)安装旋转轴的两侧面与电机座(19)的内腔为微量的过盈配合，电机座(19)的内腔侧面与机座底部垂直。

6.根据权利要求3所述的试验装置，其特征在于：所述的回转电机(13)的机身固定在电机固定套(18)内的具体结构为：回转电机(13)的机身紧配合于电机固定套(18)的内腔，回转电机(13)的机身底部安装在电机固定套(18)的底部，并由螺栓紧固。

7.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于：所述的下夹具(16)的底部周缘向下凸起而围成圆形凹腔(26)，回转电机(13)输出轴上的安装盘(12)的侧面(12a)与该圆形凹腔(26)紧配合。

8.根据权利要求2所述的试验装置，其特征在于：所述的六维力/力矩传感器(4)的上端安装在二维调整移动台(2)的的水平滑块(2A)上。

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