CN103900918A - 一种冲击摩擦疲劳试验机 - Google Patents

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本发明公开了一种冲击摩擦疲劳试验机，它是由往复冲击加载系统、旋转摩擦系统、驱动系统、导向块和机架组成，机架为立式箱架结构，在机架中间设置有上箱板和下箱板，上箱板和下箱板中心均开有通孔，驱动系统安装在下箱板的下底面上；旋转摩擦系统位于驱动系统的正上方，置于上箱板和下箱板上的通孔中安装在机架上，往复冲击加载系统通过导向块安装在机架上，位于旋转摩擦系统的上方。本发明可通过改变不同的试验参数，从而调节不同的冲击载荷以及摩擦载荷，实现冲击力和摩擦力这两种动态载荷同时作用在金属材料上进行疲劳试验，从而对金属材料疲劳失效性能进行测试和评价。

Description

一种冲击摩擦疲劳试验机
技术领域
本发明涉及金属材料疲劳性能测试和评价的试验设备,尤其涉及一种冲击摩擦疲劳试验机。
背景技术
研制疲劳试验机的核心目的在于，使试样或工件承受实际工作环境的反复受力情况，以测定材料疲劳行为和疲劳寿命等指标，并分析材料的疲劳失效机理。为了满足材料不同疲劳试验的需要，疲劳试验机类型和功能不断更新。现有的疲劳试验机主要有电液压伺服式、气动和机械式几种类型，它们通常适于进行单一应力或者应变状态下的常规疲劳试验，比如：通过控制循环应变从而完成低周疲劳试验；通过控制循环应力从而完成高周疲劳试验；通过控制滚动接触表面受到的循环应力从而完成滚动接触疲劳试验等。然而这些疲劳试验机很难应用于同时承受多种应力和应变条件下的疲劳试验。
比如，中国实用新型专利CN202210060U提供了一种卧式冲击疲劳试验机，它能够可靠地实现对试样的多次重复冲击加载；还有中国发明专利CN102393286A提供了一种大吨位冲击疲劳试验机，该试验机适合于对试件或零部件重复施加大吨位高速冲击载荷。两种冲击疲劳试验机都采用机械式冲击加载机构，都能可靠地实现多次重复冲击加载。然而很多工件的工作状况很复杂，造成材料疲劳失效并不是单一的冲击载荷作用的结果，例如铁路辙叉、铁路钢轨、高载荷轴承和齿轮等，在受到冲击力作用的同时还伴随着很大的摩擦力，这个综合的受力过程在材料服役过程中是反复进行的，材料在这种复杂的受力情况下发生疲劳失效，但是现有的疲劳试验设备中还没有能够对材料同时施加冲击力和摩擦力这两种动态载荷，从而实现疲劳试验的试验机。
发明内容
针对现有疲劳试验机所承受的循环载荷单一，不能实现复杂受力情况加载的技术问题，本发明的目的在于提供一种操作简便、效率高，能够进行多次重复冲击摩擦疲劳试验的试验设备。
为解决上述技术问题实现发明目的，本发明采用的技术方案是：
一种冲击摩擦疲劳试验机，它是由往复冲击加载系统、旋转摩擦系统、驱动系统、导向块和机架组成；
所述的机架为立式箱架结构，在机架中间设置有上箱板和下箱板，上箱板和下箱板中心均开有通孔，上箱板位于下箱板的上方，在上箱板和下箱板之间安装有圆筒状的箱板连接块；驱动系统安装在下箱板的下底面上；旋转摩擦系统位于驱动系统的正上方，置于上箱板和下箱板上的通孔中安装在机架上，并与驱动系统相连；往复冲击加载系统通过导向块安装在机架上，位于旋转摩擦系统的上方；
所述的导向块为矩形结构，其中心设置有通孔，导向块的两个长边设置有凹槽，其沿短边横截面呈“工”字型，导向块通过凹槽嵌在两块顶板之间，导向块在两块顶板之间可以滑动，导向块通过机架上的两个调整螺栓定位；
所述的往复冲击加载系统包括外置的空气压缩机和风镐，风镐穿过导向块的通孔与试样台充分接触，风镐与导向块的通孔之间形成紧密配合关系，外置的空气压缩机通过压缩空气管与风镐的进气口相连通；
所述的旋转摩擦系统包括传动机构和夹具固定座；所述的传动机构是由传动轴、套杯、推力调心滚子轴承和深沟球轴承组成，传动轴的上端通过深沟球轴承安装在套杯的上轴承座上，传动轴的下端通过推力调心滚子轴承安装在套杯的下轴承座上，套杯穿过上箱板和下箱板的通孔安装固定在机架上，套杯的上端通过密封圈密封；所述的夹具固定座由托盘和试样台组成，托盘安装固在传动轴的顶端，试样台安装固定在托盘上。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比具有这样的有益效果：
（1）本发明采用机械式往复冲击加载机构，将直线运动转换为旋转运动，结构简单、运动可靠：
（2）本发明可通过改变不同的试验参数，从而调节不同的冲击载荷以及摩擦载荷，实现冲击力和摩擦力这两种动态载荷同时作用在金属材料上进行疲劳试验，从而对金属材料疲劳失效性能进行测试和评价。
附图说明
图1为本发明的立体示意简图；
图2为本发明的整套设备结构示意图和剖视图；
图3为本发明的冲击加载系统的俯视图和剖视图；
图4为本发明的托盘的俯视图和剖视图；
图5为本发明的试样台的俯视图和剖视图；
图6为本发明的传动机构结构示意图；
图7为实施例1处理的辙叉用高锰钢试样的冲击摩擦疲劳表面；
图8为实施例2处理的辙叉用高锰钢试样的冲击摩擦疲劳表面。
图中标记及其所代表的组成部分为：1、底座，2、机架，3、驱动系统，4、下箱板，5、接头式压注油杯，6、箱板连接块，7、上箱板，8、旋转摩擦系统，9、密封盖，10、内六角圆柱头螺钉，11、托盘，12、试样台，13、往复冲击加载系统，14、顶板，15、调整螺栓，16、导向块，17、风镐进气口，18、普通平键A型，19、传动轴，20、套杯，21、推力调心滚子轴承，22、深沟球轴承，23、凹槽I，11-1、螺纹孔I，11-2、螺纹孔II，11-3、凹槽II，11-4、凸台I，12-1、螺纹孔III，12-2、试样槽，12-3、凸台II。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行说明：
图1和图2给出了一种冲击摩擦疲劳试验机，它是由往复冲击加载系统、旋转摩擦系统、驱动系统、导向块16和机架2组成，机架2为立式箱架结构，在机架）中间设置有上箱板7和下箱板4，上箱板7和下箱板4中心均开有通孔，上箱板7位于下箱板4的上方，在上箱板7和下箱板4之间有圆筒状的箱板连接块6，箱板连接块6通过焊接安装在上箱板7和下箱板4之间；驱动系统通过螺栓安装在下箱板4的下底面上，旋转摩擦系统8位于驱动系统的正上方，置于上箱板7和下箱板4上的通孔中且与其间隙配合安装在机架2上，通过焊接固定，并与驱动系统相连，往复冲击加载系统通过导向块1安装在机架2上，位于在旋转摩擦系统上方；
如图3所示，导向块16为矩形结构，其中心设置有通孔，导向块16的两个长边设置有凹槽，其沿短边横截面呈“工”字型，导向块通过凹槽16嵌在两块顶板14之间，导向块16在两块顶板14之间可以滑动，导向块16通过机架2上的两个调整螺栓15定位；
往复冲击加载系统包括外置的空气压缩机（图中没有画出）、压缩空气管、风镐组成，外置的空气压缩机通过压缩空气管与风镐的进气口17相连通，为风镐提供往复冲击的驱动力，往复冲击加载系统的风镐穿过导向块16的通孔与试样台12充分接触，风镐与导向块16的通孔之间形成紧密配合关系；
旋转摩擦系统由传动机构和夹具固定座组成，夹具固定座由托盘11和试样台12组成；
图4和图5分别给出托盘11和试样台12的俯视图和剖视图。托盘为圆盘结构，如图4所示，从其B-B向剖视图可以看出：托盘11的上底面中心有一圆柱形凹槽II11-3，托盘11的下底面有一圆柱形凸台I11-4；试样台12为圆盘结构，如图5所示，从其C-C向剖视图可以看出：试样台12的上底面中心有一矩形试样槽12-2，试样台12的下底面有一圆柱形凸台II12-3；试样台12下底面的圆柱形凸台II12-3置于托盘11上底面的圆柱形凹槽II11-3内，并使用螺栓连接螺纹孔II11-2和螺纹孔III12-1，将试样台12和托盘11固定。托盘11可以避免冲击力过大对传动轴19造成破坏。试样台12材料为40Cr，可加持试样大小为70×70×25mm。试验时，方形试样置于试样台试样槽12-2内，装卸方便，同时可约束试样随传动轴19同速转动。试验时，可根据试样台12在试验中的破损程度更换试样台。
图6给出传动机构的结构示意图。如图6所示，传动机构由传动轴19、套杯20、推力调心滚子轴承21、深沟球轴承22组成，传动轴的两端通过深沟球轴承22和推力调心滚子轴承21安装在套杯20的轴承座上，传动轴19通过深沟球轴承22承受横向的载荷，通过推力调心滚子轴承21承受纵向的冲击载荷，套杯穿过上箱板7和下箱板4的通孔安装在机架2上，并通过焊接固定，传动轴19和套杯材料为40Cr。试验过程中，传动机构所受的纵向冲击载荷由机架的上箱板7、连接块6和下箱板4承担，并通过机架侧箱板传递到地上。套杯20的上端通过密封圈9密封。传动轴19上端面有一圆柱形凹槽I23，托盘11下底面的圆柱形凸台I11-4置于传动轴19上端面的圆柱形凹槽I23内，并使用螺栓通过螺纹孔I11-1和传动轴端的螺纹孔将托盘11固定于传动轴19的顶端。
驱动系统是由变频电动机和变速箱组成，电动机的转速可调节，从而调节试样的转速，改变试验时摩擦力的大小。变频电动机工作电压为380V，额定功率为1.5KW。变频电机的输出轴与变速箱的输入轴同轴连接，变速箱的输出轴通过A型平键18与传动轴19同轴连接，电动机的转速范围为0～240r/min。
本发明的冲击摩擦疲劳试验机在使用时，外置空气压缩机提供的压缩空气进入到压缩空气管，驱动往复冲击加载系统13在试样表面产生交变的冲击载荷。当往复冲击加载系统运行时，可实现对试样偏心5～35mm的区域进行的反复冲击。往复冲击加载系统13的冲击频率为16-49Hz，冲击力为1×104-1×105N。驱动系统运行时，可带动旋转摩擦系统8匀速转动，转速范围为1-300rpm。当往复冲击加载系统和旋转摩擦系统同时运行时，可将直线运动的冲击摩擦疲劳转换为旋转运动的冲击摩擦疲劳，实现对被测试样进行冲击和摩擦两种动态载荷控制的疲劳检测。
实施例1
利用本发明对辙叉用高锰钢进行冲击摩擦疲劳测试，工艺参数为：
旋转摩擦系统转速：28rpm；
冲击加载系统冲击力：104N；
冲击频率：29HZ；
测试温度：25℃；
测试时间：6h；
辙叉用高锰钢组织为水淬处理得到的单相奥氏体组织，平均晶粒尺寸100μm。试样表面经过抛光处理。
处理后试样表面产生少量的冲击摩擦疲劳裂纹和剥落，如图7所示。
实施例2
利用本发明对辙叉用高锰钢进行冲击摩擦疲劳测试，工艺参数为：
旋转摩擦系统转速：28rpm；
冲击加载系统冲击力：104N；
冲击频率：29HZ；
测试温度：25℃；
测试时间：10h；
辙叉用高锰钢组织为水淬处理得到的单相奥氏体组织，平均晶粒尺寸100μm。试样表面经过抛光处理。
处理后试样表面发生大量的冲击摩擦疲劳裂纹和剥落，如图8所示。

Claims (6)

1.一种冲击摩擦疲劳试验机，其特征在于：它是由往复冲击加载系统、旋转摩擦系统、驱动系统、导向块和机架组成；
所述的机架为立式箱架结构，在机架中间设置有上箱板和下箱板，上箱板和下箱板中心均开有通孔，上箱板位于下箱板的上方，在上箱板和下箱板之间安装有圆筒状的箱板连接块；驱动系统安装在下箱板的下底面上；旋转摩擦系统位于驱动系统的正上方，置于上箱板和下箱板上的通孔中安装在机架上，并与驱动系统相连；往复冲击加载系统通过导向块安装在机架上，位于旋转摩擦系统的上方；
所述的导向块为矩形结构，其中心设置有通孔，导向块的两个长边设置有凹槽，其沿短边横截面呈“工”字型，导向块通过凹槽嵌在两块顶板之间，导向块在两块顶板之间可以滑动，导向块通过机架上的两个调整螺栓定位；
所述的往复冲击加载系统包括外置的空气压缩机和风镐，风镐穿过导向块的通孔与试样台充分接触，风镐与导向块的通孔之间形成紧密配合关系，外置的空气压缩机通过压缩空气管与风镐的进气口相连通；
所述的旋转摩擦系统包括传动机构和夹具固定座；所述的传动机构是由传动轴、套杯、推力调心滚子轴承和深沟球轴承组成，传动轴的上端通过深沟球轴承安装在套杯的上轴承座上，传动轴的下端通过推力调心滚子轴承安装在套杯的下轴承座上，套杯穿过上箱板和下箱板的通孔安装固定在机架上，套杯的上端通过密封圈密封；所述的夹具固定座由托盘和试样台组成，托盘安装固在传动轴的顶端，试样台安装固定在托盘上。
2.根据权利要求1所述的一种冲击摩擦疲劳试验机，其特征在于：所述的托盘为圆盘结构，托盘的上底面中心有一圆柱形凹槽，托盘的下底面有一圆柱形凸台；所述的试样台为圆盘结构，试样台的上底面中心有一矩形试样槽，试样台的下底面有一圆柱形凸台；试样台下底面的圆柱形凸台置于托盘上底面的圆柱形凹槽内。
3.根据权利要求1所述的一种冲击摩擦疲劳试验机，其特征在于：所述的驱动系统是由变频电动机和变速箱组成，变频电机的输出轴与变速箱的输入轴同轴连接，变速箱的输出轴与传动轴同轴连接。
4.根据权利要求1或者2所述的一种冲击摩擦疲劳试验机，其特征在于：所述试样台的材料为40Cr。
5.根据权利要求1所述的一种冲击摩擦疲劳试验机，其特征在于：所述传动轴的材料为40Cr。
6.根据权利要求1所述的一种冲击摩擦疲劳试验机，其特征在于：所述套杯的材料为40Cr。
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