CN102661903A - 变摆角无级加载式双轴向旋转摆动的球-块摩擦磨损试验机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变摆角无级加载式双轴向旋转摆动的球-快摩擦磨损试验机。包括加载部件、双轴向旋转摆动部件、驱动部件。所述加载部件为无级加载式加载机构，通过伺服电机与滚珠丝杠推动，并通过缓冲弹簧将加载力传递给试样块夹持件，实现试样块对对偶试样球施加载荷，实现无级加载；所述驱动部件通过异步电机驱动带有滑动槽的曲柄和摇杆运动，摇杆与双轴向旋转摆动部件的带轴摆动框架的一端短轴相联。所述双轴向旋转摆动部件通过机架的左右支承板固连在底部机座上，带轴摆动框架内试样球轴通过下方的两级圆锥齿轮传动机构随两个相互垂直轴做可调摆角和频率的双轴向旋转摆动。本发明的优点是：摆角摆频可调、加载精确可控、传动可靠、运动平稳，能够完全模拟球?块双轴向旋转摆动工况下的摩擦磨损。

Description

变摆角无级加载式双轴向旋转摆动的球-块摩擦磨损试验机

技术领域

本发明涉及一种变摆角无级加载式双轴向旋转摆动的球-块摩擦磨损试验机，该装置可以模拟点接触双轴向旋转摆动工况下的摩擦磨损试验。

背景技术

自润滑关节轴承是一种无需补充润滑剂的特殊形式的关节轴承,广泛应用于航空航天、矿山冶金、印刷、纺织、交通、医药、电力等各类机械设备中，尤其是在要求高承载、低速摆动和具有自位能力的机构中。其失效的主要形式是磨损失效，磨损使轴承内部的游隙增大，从而引起轴承支承的动部件的振动和噪声增加，使机械的运行状态变差，导致不能正常工作，造成轴承在疲劳损坏前发生破坏。因此通过设计变摆角无级加载式双轴向旋转摆动的球?块磨损试验机来模拟研究点接触旋转摆动磨损寿命的影响因素，为提高其摩擦磨损性能提供改进依据。

在对关节轴承工况环境进行模拟的试验机设计方面，前人做了一些研究：姜韶峰、杨咸启等在“新型关节轴承寿命试验机及关节轴承寿命判断准则”（轴承，1996，(06):30-33）文中以整个关节轴承为试验对象，主轴进行单方向旋转带动关节轴承进行摩擦磨损试验；Horacio Vasquez、Karen Lozano等在“Design of a wear tester for nano-reinforced polymer composites”(Measurement, 2008, (41):870-877, USA)文中研制了往复式摩擦磨损试验机模拟人工关节的运动情况，该试验机采用了顶部试样销固定，底端试样圆盘在曲柄摇杆机构驱动下往复运动进行摩擦磨损试验的工作方式；沈雪瑾等在“单驱动双轴向旋转摆动的球-块磨损试验机”（授权发明专利号：ZL 2010 1 0167639.0）中设计了球-块磨损试验机模拟关节轴承的工况条件，其采用曲柄摇杆机构驱动并利用杠杆方式进行加载。前二者摩擦磨损试验机中的摩擦副与关节轴承的运动方式不尽相同，后者试验机的摆动幅度单一，且只能进行手动有级加载。

发明内容

本发明的目的在于针对已有技术存在的缺陷提供一种变摆角无级加载式双轴向旋转摆动的球-块摩擦磨损试验机，能够模拟大多数关节轴承双轴向旋转摆动的运动方式，并进行重载磨损试验，具有摆角摆频可调、无级加载传动可靠、结构简单紧凑、实用性强且在变摆角点接触的球-块摩擦学试验中应用广泛等特点。

为达到上述目的，本发明的构思是：一种具有模拟点接触双轴向旋转摆动的变摆角无级加载式双轴向旋转摆动的球-块摩擦磨损试验机，对偶试样球可以随相互2个垂直的轴做可调摆角和频率的旋转摆动。首先是电机通过曲柄摇杆机构驱动摆动框架轴旋转摆动，而此轴与摆动框架为一体，即带轴摆动框架，摆动框架的摆角可以通过曲柄摇杆机构中曲柄、摇杆上的滑动槽及销轴位置来调节改变。当带轴摆动框架做旋转摆动时，动力经过两级圆锥齿轮传动机构，驱动与摆动框架轴相互垂直的对偶试样球轴也做旋转摆动。试验机加载由伺服电机通过滚珠丝杠推动直线导轨上的加载部件实现，加载力通过加载部件间的缓冲弹簧传递，加载力大小由缓冲弹簧下方的测力传感器测量，通过对伺服电机加载步数的调整以及测力传感器上加载力的精确读数实现试验机的无级加载。试样块和对偶试样球为高副接触，接触力可达数百MPa。其优点是：摆角摆频可调、加载精确可控、传动可靠、完全模拟点接触双轴向旋转摆动运动方式、实用性强且在变摆角点接触的球块摩擦学试验中应用广泛。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种变摆角无级加载式双轴向旋转摆动的球-块摩擦磨损试验机，包括机座、机架、加载部件、双轴向旋转摆动部件、驱动部件，其特征在于：1）所述加载部件：位于双轴向旋转摆动部件的上方，通过伺服电机与滚珠丝杠推动直线导轨上的加载块向下运动，并将加载力通过缓冲弹簧传递给试样夹持块实现加载；2）所述双轴向旋转摆动部件：对偶试样球固定安装在对偶球轴的中央处，该对偶球轴的两端通过轴承支承于一个带轴摆动框架上，并与该带轴摆动框架的轴线垂直相交；3）所述驱动部件：试验机由异步电机带动，通过曲柄摇杆机构将驱动力传递给带轴摆动框架，带轴摆动框架的摆角可通过改变曲柄摇杆机构中曲柄和摇杆长度来调节，曲柄摇杆机构的曲柄、摇杆的长度可通过移动杆件上的滑动轴的位置调节，滑动轴沿杆件上滑槽移动；所述带轴摆动框架通过一个两级圆锥齿轮传动机构联接对偶试样球轴，并将动力传递给对偶试样球轴实现旋转摆动。

上述异步电机固定安装在机座上，所述带轴摆动框架两边的短轴分别通过轴承支承于机座上，所述加载部件通过带轴摆动框架上方的支承板固定，所述驱动部件是：所述异步电机的输出轴通过曲柄摇杆机构联接带轴摆动框架的一短轴实现带轴摆动框架的摆动，同时驱动力通过两级圆锥齿轮传动机构实现框架内对偶试样球轴的旋转摆动。

上述两级圆锥齿轮传动机构是：一根齿轮轴通过轴承简支在带轴摆动框架底部中央，其中心线对准对偶试样球中心，该齿轮轴上同轴固定安装一个上圆锥齿轮和一个下圆锥齿轮，在机座上固定安装一个固定圆锥齿轮与所述下圆锥齿轮啮合，在所述对偶试样球轴上固连一个垂直圆锥齿轮与所述上圆锥齿轮啮合。

本发明具有以下突出实质性特点和显著的技术进步：

（1）能够完全模拟点接触旋转摆动方式；

（2）被测试样块与对偶试样球是高副接触的重载摩擦磨损；

（3）对偶试样球能够随两个相互垂直的轴做双轴向摆角摆频可调的旋转摆动；

（4）通过伺服电机加载，并由测量传感器精确测量加载力，实现无级精确加载；

（5）无级精确加载，传动可靠，结构简单紧凑，制造成本低，操作简便，可以实现实时控制。

附图说明

图1是本发明一个实施例的结构示意图。图2是图1中A-A处的剖视图。

具体实施方式

本发明的优选实例结合附图详述如下：

实施例一：参看附图，本变摆角无级加载式双轴向旋转摆动的球-块摩擦磨损试验机，包括底部机座（28）、机架、加载部件（I）、双轴向旋转摆动部件（II）和驱动部件（III），其特征在于：

1）所述加载部件（I）为无级加载机构，安装在机架上部，通过一个伺服电机（1）与滚珠丝杠（7）推动，并通过缓冲弹簧（10）将加载力传递给一个试样块夹持件（17），实现试样块对对偶试样球无级加载；

2）所述驱动部件（III）通过一个异步电机（23）驱动一个带有滑动槽的曲柄（24）和摇杆（25）运动，摇杆（25）与所述双轴向旋转摆动机构（II）的一个带轴摆动框架（29）的一端短轴相联；

3）所述双轴向旋转摆动部件（II）通过所述机架的左右支承板（15）固连在底部机座（28）上，所述带轴摆动框架（29）内安装的试样球通过下方的两级圆锥齿轮传动机构随两个相互垂直轴—带轴摆动框架（29）的轴与安装对偶试样球（19）的对偶试样球轴（18），作可调摆角和频率的双轴向旋转摆动。

实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：加载部件（I）安装于加载支承板（5）上通过螺栓联接固定于左右支承板（15）上，所述加载部件（I）的动力由伺服电机（1）提供，通过下方联轴器（4）与滚珠丝杠（7）带动安装于导轨滑块上的连接块（8）加载，加载力通过缓冲弹簧（10）传递给下方的试样块夹持件（17）；所述加载部件（I）中伺服电机（1）通过安装块（2）固定于电机支承板（3）上，通过所述联轴器（4）与滚珠丝杠（7）相联，滚珠丝杠螺母（6）通过连接块（8）与导轨滑块（9）相联，因此所述滚珠丝杠螺母（6）可沿直线导轨（11）进行直线运动，并通过所述缓冲弹簧（10）将加载力传递给试样块夹持件（17），所述试样块夹持件（17）通过连接块（14）与导轨滑块（13）相联并装配于直线导轨（11）上，所述连接块（14）上方通过螺栓联接测力传感器（12），可测量加载力大小，所述测力传感器（12）通过弹簧托盘与所述缓冲弹簧（10）相联。

实施例三：本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：双轴向旋转摆动部件（II）中的两级圆锥齿轮传动机构是：齿轮轴（21）通过轴承简支在所述带轴摆动框架（29）底部中央，其中心线对准所述对偶试样球（19）中心，所述齿轮轴（21）上同轴固定安装上圆锥齿轮（20）和下圆锥齿轮（22），在机座（28）上通过齿轮固定板（26）固定安装固定圆锥齿轮（27）与所述下圆锥齿轮（22）啮合，在所述对偶试样球轴（18）上固连一个垂直圆锥齿轮（31）与所述上圆锥齿轮（20）啮合。在双轴向旋转摆动部件（II）中的摆动框架两侧安装有带滑动槽的平衡块（16），所述带滑动槽的平衡块（16）通过螺钉与带轴摆动框架（29）固定，使其位置可通过滑动槽中螺钉的相对固定位置来调节，确保双轴向旋转摆动部件（II）的质心与带轴摆动框架（29）转动轴和对偶试样球轴（18）的轴心重合，提高试验机运动过程中的稳定性。

实施例四：本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：所述异步电机（23）固定安装在机座（28）上，所述带轴摆动框架（29）的两边短轴通过轴承支承于左右框架支承板（30）上，所述驱动部件（III）是：所述异步电机（23）与带有滑动槽的曲柄（24）相联，所述带有滑动槽的曲柄（24）通过连杆与带有滑动槽的摆动杆（25）相联，所述带有滑动槽的摆动杆（25）与所述带轴摆动框架（29）的一端短轴固连并将所述异步电机（23）驱动力传递给带轴摆动框架（29）使其旋转摆动。

工作原理是：异步电机（23）通过驱动部件（III）带动带轴摆动框架（29）旋转摆动，摆动角度可通过连接销轴在滑动槽中的位置来调节，动力再经此框架，由两级圆锥齿轮传动机构驱动对偶试样球轴（18）做旋转摆动，对偶试样球（19）固定于对偶试样球轴（18）上，这样就实现了对偶试样球（19）同时随对偶试样球轴（18）和与之垂直的带轴摆动框架（29）转动轴作双轴向旋转摆动。加载部件（I）的加载力通过伺服电机（1）提供，并依次经过联轴器（4）、滚珠丝杠（7）、缓冲弹簧（10）将加载力传递给试样块夹持件（17），加载力的大小由测力传感器（12）测量，通过控制伺服电机（1）的步数实现无级加载。

Claims (5)

1. 一种变摆角无级加载式双轴向旋转摆动的球-块摩擦磨损试验机，包括底部机座（28）、机架、加载部件（I）、双轴向旋转摆动部件（II）和驱动部件（III），其特征在于：

1）所述加载部件（I）为无级加载机构，安装在机架上部，通过一个伺服电机（1）与滚珠丝杠（7）推动，并通过缓冲弹簧（10）将加载力传递给一个试样块夹持件（17），实现试样块对对偶试样球无级加载；

2）所述驱动部件（III）通过一个异步电机（23）驱动一个带有滑动槽的曲柄（24）和摇杆（25）运动，摇杆（25）与所述双轴向旋转摆动机构（II）的一个带轴摆动框架（29）的一端短轴相联；

3）所述双轴向旋转摆动部件（II）通过所述机架的左右支承板（15）固连在底部机座（28）上，所述带轴摆动框架（29）内安装的试样球通过下方的两级圆锥齿轮传动机构随两个相互垂直轴—带轴摆动框架（29）的轴与安装对偶试样球（19）的对偶试样球轴（18），作可调摆角和频率的双轴向旋转摆动。

2. 根据权利要求1所述的变摆角无级加载式双轴向旋转摆动的球-块摩擦磨损试验机，其特征在于：所述加载部件（I）安装于一块加载支承板（5）上，加载支承板（5）通过螺栓联接固定于左右两个支承板（15）上；所述加载部件（I）的结构是：一个伺服电机（1）的输出轴通过一个联轴器（4）与一根滚珠丝杠（7）连接，带动连接块（8）加载，在连接块（8）与试样块夹持件（17）之间装有一个缓冲弹簧（10），加载力通过缓冲弹簧（10）传递给下方的试样块夹持件（17），所述试样块夹持件（17）下方安装有对偶试样球（19），对偶试样球（19）安装在一个对偶试样球轴（18）中部，所述对偶试样球轴（18）的两端通过轴承支承于所述带轴摆动框架（29）上，并与带轴摆动框架（29）的转动轴线垂直相交。

3. 根据权利要求2所述的变摆角无级加载式双轴向旋转摆动的球-块摩擦磨损试验机，其特征在于所述伺服电机（1）通过一个安装块（2）固定于一个电机支承板（3）上，通过所述联轴器（4）与滚珠丝杠（7）相联，滚珠丝杠螺母（6）通过连接块（8）与导轨滑块（9）相联，因此所述滚珠丝杠螺母（6）可沿直线导轨（11）进行直线运动，并通过所述缓冲弹簧（10）将加载力传递给试样块夹持件（17），所述试样块夹持件（17）通过连接块（14）与导轨滑块（13）相联并装配于直线导轨（11）上，连接块（14）上方通过螺栓联接一个测力传感器（12），可测量加载力大小，所述测力传感器（12）通过一个弹簧托盘与所述缓冲弹簧（10）相联。

4. 根据权利要求1所述的变摆角无级加载式双轴向旋转摆动的球-块摩擦磨损试验机，其特征在于所述驱动部件（III）的结构是：所述异步电机（23）与带有滑动槽的曲柄（24）相联，所述带有滑动槽的曲柄（24）通过连杆与带有滑动槽的摆动杆（25）相联，所述带有滑动槽的摆动杆（25）与所述带轴摆动框架（29）的一端短轴固连并将所述异步电机（23）驱动力传递给带轴摆动框架（29）使其旋转摆动。

5. 根据权利要求1所述的变摆角无级加载式双轴向旋转摆动的球-块摩擦磨损试验机，其特征在于所述双轴向旋转摆动部件（II）的结构是：所述带轴摆动框架（29）上端安装一根对偶试样球轴（18），其中央安装所述对偶试样球（19），所述对偶试样球轴（18）的两端通过轴承支承于所述带轴摆动框架（29）上，并与带轴摆动框架（29）的转动轴线垂直相交，所述对偶试样球轴（18）的下方安装有两级圆锥齿轮传动机构，所述两级圆锥齿轮传动机构是通过底部齿轮轴（21）转动支承于所述带轴摆动框架（29）底部中央，其中心线对准所述对偶试样球（19）中心，所述齿轮轴（21）上同轴固定安装上圆锥齿轮（20）和下圆锥齿轮（22），在机座（28）上通过一块齿轮固定板（26）固定安装一个固定圆锥齿轮（27）与所述下圆锥齿轮（22）啮合，在所述对偶试样球轴（18）上固连一个垂直圆锥齿轮（31）与所述上圆锥齿轮（20）啮合，实现所述对偶试样球轴（18）的旋转摆动；在双轴向旋转摆动部件（II）中的带轴摆动框架（29）两侧各安装有一个带滑动槽的平衡块（16），所述带滑动槽的平衡块（16）通过螺钉与带轴摆动框架（29）固定，使其位置可通过滑动槽中螺钉的相对固定位置来调节，确保双轴向旋转摆动部件（II）的质心与带轴摆动框架（29）转动轴和对偶试样球轴（18）的轴心重合，提高试验机运动过程中的稳定性。

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