CN102279137A - 切向微动试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切向微动试验装置及试验方法，其特征在于，通过不同的夹具组合分别实现载荷控制的微动疲劳试验和位移控制的微动磨损试验，产生了一种新的材料摩擦性能的检测方法。接触偶件(接触压头、试件)采用线/平面接触方式，其中可以通过更换不同的接触压头分别实现平面/平面接触、球/平面接触，接触压头与燕尾块连接在燕尾槽中滑动，起到定位的作用，压力测力环起到弹簧的作用，避免接触偶件发生脱离，保证法向压力的施加。其中预拉力、法向压力分别通过拉力测力环、压力测力环得到，循环轴向应力、循环位移通过计算机设置，分别完成微动疲劳、微动磨损试验。主要用于切向式微动试验。

Description

切向微动试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及材料或复合材料的摩擦磨损性能及微动疲劳寿命评估试验装置及试验方法。

背景技术

微动损伤长期以来被认为是在机械部件中由于磨损所产生的比预期寿命超前的疲劳失效。微动损伤可能会发生在接触部件之间的连接处，承受微小的循环滑动位移，滑动幅值很小，一般为微米量级(＜300μm)，接触载荷可以通过对一个或两个接触部件施加外界振动和疲劳应力产生，通常微动可以通过判断接触载荷是由振动还是疲劳应力产生而被分为微动磨损和微动疲劳两种形式，微动磨损和微动疲劳很容易被混淆，微动磨损是一个磨损问题，主要表现为材料的损失；而微动疲劳是由于超过疲劳极限产生的疲劳问题，微动可分为四类基本运行模式：①切向式微动；②径向式微动；③滚动式微动；④扭动式微动；微动损伤广泛存在于机械行业、航空航天、核电、桥梁等领域的紧密接触部件中，产生疲劳裂纹并扩展，从而使疲劳寿命大大降低，甚至造成灾难性事故，被称为工业界的“癌症”。

切向式微动作为最普遍的微动方式，是在法向接触压力的作用下，接触幅受轴向应力或轴向振动产生的微幅切向运动方式，切向式微动的两个接触表面在磨损的过程中，接触表面可能会发生脱离，不能保持接触状态，如果接触表面一旦脱离，就不会产生微动损伤。切向式微动大量存在于机械装备和器械中，例如在各种连接件、紧固件、夹持机构、各种过盈配合、各种点接触部件等。切向式微动大大的缩短了零部件的寿命，往往会造成巨大的经济损失。随着聚合物复合材料作为工程材料的应用越来越广泛，在许多场合下，它们被期望与金属表面紧密接触，比如承受振动的准静态组合中的轴承和抗微动层。研究切向式微动试验的方法、装置及复合材料的微动损伤问题，对相关领域零部件进行优化设计，提高部件的性能与寿命具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种微动试验装置及试验方法，通过不同的夹具组合可以分别实现微动磨损和微动疲劳实验，有效地模拟切向式微动损伤以及复合材料在切向微动条件下的疲劳寿命预估。

为达到以上目的，本发明是采取如下技术方案予以实现的：

一种切向微动试验装置，其特征在于，包括一个U形卡座、一个压力测力环，所述U形卡座下端设有连接试验机的下夹头，U形卡座上端对称的两端面上均开有燕尾槽，每个燕尾槽中配有与燕尾槽相吻合的燕尾块；所述压力测力环中设有对称于压力测力环中心的两个接触压头，其中一个接触压头与U形卡座上一个燕尾槽中的燕尾块连接，另一个接触压头与U形卡座上另一个燕尾槽中的燕尾块连接；每个接触压头都连接有压力调节件，该两个压力调节件对称设置在压力测力环直径方向的环体上；所述两个接触压头之间夹有试件，该试件垂直通过压力测力环中心并延伸至U形卡座中，通过在试件上另外设置锁紧部件或预拉力部件实现微动疲劳试验或微动磨损试验。

上述方案中，所述锁紧部件包括置于U形卡座中的第一对楔形块、第二对楔形块，U形卡座两侧对称开有螺孔，螺孔中连接有锁紧螺栓，锁紧螺栓端部伸进U形卡座对第一对楔形块施以夹紧力，第一对楔形块再对第二对楔形块施以夹紧力，第二对楔形块最终将试件下端锁紧；试件上端直接与试验机的上夹头相连。

所述预拉力部件包括一个竖直置于压力测力环及U形卡座中的拉力测力环，拉力测力环中设有分别夹持试件上、下端的上、下两个试件夹，上试件夹通过拉力测力环上端的上连接件与试验机的上夹头相连，下试件夹与拉力测力环下端的下连接件相连，下连接件连接有预拉力螺母，测力环下端的环体上设有紧定螺栓将下连接件锁紧。

所述接触压头通过螺栓与燕尾块连接，通过更换不同形状的接触压头，实现线/平面、平面/平面、或球/平面不同形式的接触模式。

一种基于前述切向微动试验装置的试验方法，包括微动疲劳试验或微动磨损试验，其中：

在微动疲劳试验中，试件上端直接与试验机上夹头连接；将接触压头与燕尾块连接，燕尾块沿着燕尾槽滑动，U形卡座下端的下夹头与试验机连接，接触压头借助压力调节件将法向压力施加在试件上，法向压力通过压力测力环测出；在试件下端另外设置锁紧部件，将锁紧力施加在试件下端，使之不产生轴向位移，通过计算机进行载荷控制，对试件设置交变的轴向应力；

在微动磨损试验中，将接触压头与燕尾块连接，燕尾块沿着燕尾槽滑动，U形卡座下端的下夹头与试验机连接，接触压头借助压力调节件将法向压力施加在试件上，法向压力通过压力测力环测出；同时将试件置于预拉力部件中，预拉力部件上端与试验机上夹头连接，预拉力部件下端通过预拉力件给试件施加预拉力，试件连同预拉力部件随着试验机在高精度液压伺服系统驱动下产生振动，通过计算机进行微动位移控制。

本发明的优点是，通过装置的不同夹具组合，分别实现载荷控制的微动疲劳实验和位移控制的微动磨损实验，是一种操作简单、能真实模拟切向微动的试验方法。在本发明装置中，接触压头通过压力调节件与燕尾块连接，在燕尾槽中沿着导向滑动，起到了定位的作用，压力测力环起到弹簧的作用，避免了接触偶件(接触压头、试件)接触过程中，由于磨损产生材料的损失，导致接触面脱离而不产生微动。

附图说明

以下结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为图1装置用于微动疲劳试验原理图。

图3为图2微动疲劳试验中试件受力图。

图4为图1装置用于微动磨损试验的预拉力部件结构图。

图5为图1装置用于微动磨损试验的原理图。

图6为微动磨损试验中试件受力图。

图1至图6中：1为下夹头；2为U形卡座；3为锁紧螺栓(X2)；4为燕尾块(X2)；5为压力螺栓(X2)；6为试验机上夹头；7为试件；8为连接螺栓(X2)；9为接触压头(X2)；10为压力测力环；11为楔形块I(X2)；12为楔形块II(X2)；13为下连接件；14为预拉力螺母；15为紧定螺栓；16为拉力测力环；17为上连接件；18为销钉；19为预拉力部件；20为试件夹；P为法向压力；бmax为最大轴向应力；Ps为锁紧力；б为预拉力；ΔD为循环位移。

具体实施方式

如图1所示，本发明切向微动试验包括一个U形卡座2、一个压力测力环10，U形卡座下端设有连接试验机的下夹头1，U形卡座上端对称的两端面上均开有燕尾槽，每个燕尾槽中配有与燕尾槽相吻合的燕尾块4；压力测力环中设有对称于压力测力环中心的两个接触压头9，其中一个接触压头与U形卡座上一个燕尾槽中的燕尾块连接，另一个接触压头与U形卡座上另一个燕尾槽中的燕尾块连接；每个接触压头都连接有压力螺栓5作为压力调节件，该两个压力螺栓对称设置在压力测力环直径方向的环体上。两个接触压头之间夹有试件7，圆柱状的接触压头9与试件7实现线/平面接触方式。燕尾块4沿着燕尾槽运动，可起到弹簧的作用，避免在试验过程中接触偶件发生脱离；本试验装置中，由于接触压头9与燕尾块4是分离的，可以通过更换不同形状的接触压头分别实现平面/平面、球/平面接触，对不同接触形式进行对比。试件7垂直通过压力测力环中心并延伸至U形卡座2中，通过在试件上另外设置锁紧部件或预拉力部件实现微动疲劳试验或微动磨损试验。以下分别予以详述：

实施例1

如图2所示，在实现微动疲劳试验的装置中，锁紧部件包括置于U形卡座2中的第一对楔形块11、第二对楔形块12，U形卡座两侧对称开有螺孔，螺孔中连接有锁紧螺栓3，锁紧螺栓端部伸进U形卡座对第一对楔形块施以夹紧力，第一对楔形块再对第二对楔形块施以夹紧力，第二对楔形块最终将试件7下端锁紧；设计两对楔形快11、12的目的是使试件7越夹越紧，不产生轴向位移。圆柱形接触压头9通过连接螺栓8与燕尾块4连接，沿燕尾槽进行滑动，U形卡座2下夹头1与试验机通过螺纹连接。通过拧紧压力螺栓5使圆柱形接触压头9与试件7接触，其中法向压力P通过压力测力环10得出，试件上端直接与试验机的上夹头6相连。设置交变的轴向应力，通过计算机进行载荷控制实现微动疲劳实验。试件7的受力情况如图3所示。

载荷控制的切向微动疲劳试验步骤如下：

1、首先确定试验参数；

2、调整试验机上夹头6夹紧试件7上端，拧紧锁紧螺栓3使两对楔形块11、12夹紧试件下端，使之不产生轴向位移；

3、通过连接螺栓8使圆柱形接触压头9与燕尾块4连接，沿燕尾槽进行滑动，U形卡座下端的下夹头与试验机连接，拧紧压力螺栓5使圆柱形接触压头9与试件7实现线/平面接触，其中法向压力P通过压力测力环10得出，燕尾块沿燕尾槽的滑动起到弹簧的作用，避免在接触过程中，接触压头与试件发生脱离；

4、通过计算机进行载荷控制，设置循环应力，给出最大轴向应力б_max，应力比R，实现微动疲劳试验，在试验过程中，计算机可以记录并输出任一时间载荷循环最大、最小值，位移循环最大、最小值，得到载荷平均值、位移平均值随循环次数的变化曲线，同时得到法向压力P、最大轴向应力б_max与试件疲劳寿命的关系曲线。

实施例2

如图4、图5所示，在实现微动磨损实验装置中，预拉力部件19包括一个竖直置于压力测力环10及U形卡座2中的拉力测力环16，拉力测力环中设有分别夹持试件7上、下端的上、下两个试件夹20(通过销钉18连接)，上试件夹通过拉力测力环上端的上连接件17与试验机的上夹头相连，下试件夹与拉力测力环下端的下连接件13相连，通过拧紧下连接件13上的预拉力螺母14对试件7施加预拉力，测力环下端的环体上设有紧定螺栓15将下连接件锁紧，保证下连接件13的连接不发生转动。预拉力б通过拉力测力环16得出。圆柱形接触压头9通过连接螺栓8与燕尾块4进行连接，沿燕尾槽进行滑动，U形卡座2下夹头1与试验机通过螺纹连接，通过拧紧压力螺栓5使圆柱形接触压头9与试件7接触，其中法向压力P通过压力测力环10得出，设置循环位移ΔD，使试件连同拉力测力环随着试验机在高精度液压伺服系统驱动下而产生振动，通过计算机进行位移控制(控制接触偶件之间的相对位移)，从而进行微动磨损实验。试件7的受力情况如图6所示。

位移控制的切向微动磨损试验步骤如下：

1、首先确定试验参数；

2、通过销钉18连接使试件7置于上下试件夹20内，上下两连接件17、13可实现试件夹20与拉力测力环16、试验机上夹头的连接，拧紧紧定螺栓15保证下连接件13不发生转动，拧紧预拉力螺母14对试件施加预拉力，其中预拉力通过拉力测力环得出；

3、通过连接螺栓8使圆柱形接触压头9与燕尾块4连接，沿燕尾槽进行滑动，U形卡座下端的下夹头与试验机连接，拧紧压力螺栓5使圆柱形接触压头9与试件7实现线/平面接触，其中法向压力P通过压力测力环10得出，燕尾块4沿燕尾槽的滑动起到弹簧的作用，避免在接触过程中，接触压头与试件发生脱离；

4、通过计算机进行设置，设定微动位移ΔD控制试验机上夹头6做往复运动，使摩擦副间保持恒定的微动位移，即通过控制试验机伺服驱动系统的运动频率(f)来控制摩擦副间的相对运动速度；

5、计算机可以记录并输出任一时间载荷循环最大、最小值，循环位移最大、最小值，得到载荷平均值、位移平均值随着循环次数的变化曲线，得到法向压力、微动位移、预拉力与试件疲劳寿命的关系曲线，同时可以对比未施加预拉力和施加预拉力试件的疲劳寿命。

Claims (5)

1.一种切向微动试验装置，其特征在于，包括一个U形卡座、一个压力测力环，所述U形卡座下端设有连接试验机的下夹头，U形卡座上端对称的两端面上均开有燕尾槽，每个燕尾槽中配有与燕尾槽相吻合的燕尾块；所述压力测力环中设有对称于压力测力环中心的两个接触压头，其中一个接触压头与U形卡座上一个燕尾槽中的燕尾块连接，另一个接触压头与U形卡座上另一个燕尾槽中的燕尾块连接；每个接触压头都连接有一个压力调节件，该两个压力调节件对称设置在压力测力环直径方向的环体上；所述两个接触压头之间夹有试件，该试件垂直通过压力测力环中心并延伸至U形卡座中，通过在试件上另外设置锁紧部件或预拉力部件实现微动疲劳试验或微动磨损试验。

2.如权利要求1所述的切向微动试验装置，其特征在于，所述锁紧部件包括置于U形卡座中的第一对楔形块、第二对楔形块，U形卡座两侧对称开有螺孔，螺孔中连接有锁紧螺栓，锁紧螺栓端部伸进U形卡座对第一对楔形块施以夹紧力，第一对楔形块再对第二对楔形块施以夹紧力，第二对楔形块最终将试件下端锁紧；试件上端直接与试验机的上夹头相连。

3.如权利要求1所述的切向微动试验装置，其特征在于，所述预拉力部件包括一个竖直置于压力测力环及U形卡座中的拉力测力环，拉力测力环中设有分别夹持试件上、下端的上、下两个试件夹，上试件夹通过拉力测力环上端的上连接件与试验机的上夹头相连，下试件夹与拉力测力环下端的下连接件相连，下连接件连接有预拉力螺母，测力环下端的环体上设有紧定螺栓将下连接件锁紧。

4.如权利要求1至3之一所述的切向微动试验装置，其特征在于，所述接触压头通过螺栓与燕尾块连接，通过更换不同形状的接触压头，实现线/平面、平面/平面、或球/平面不同形式的接触模式。

5.一种基于权利要求1所述切向微动试验装置的试验方法，包括微动疲劳试验或微动磨损试验，其中：

在微动疲劳试验中，试件上端直接与试验机上夹头连接；将接触压头与燕尾块连接，燕尾块沿着燕尾槽滑动，U形卡座下端的下夹头与试验机连接，接触压头借助压力调节件将法向压力施加在试件上，法向压力通过压力测力环测出；在试件下端另外设置锁紧部件，将锁紧力施加在试件下端，使之不产生轴向位移，通过计算机进行载荷控制，对试件设置交变的轴向应力；

在微动磨损试验中，将接触压头与燕尾块连接，燕尾块沿着燕尾槽滑动，U形卡座下端的下夹头与试验机连接，接触压头借助压力调节件将法向压力施加在试件上，法向压力通过压力测力环测出；同时将试件置于预拉力部件中，预拉力部件上端与试验机上夹头连接，预拉力部件下端通过预拉力件给试件施加预拉力，试件连同预拉力部件随着试验机在高精度液压伺服系统驱动下产生振动，通过计算机进行微动位移控制。

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