CN104458253A - 一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备，包括被测试接触副零件、压头、基座系统、超声振动系统、测力系统和声发射系统；被测试接触副零件固接在基座系统上；超声振动系统装接在基座系统；测力系统装接在基座系统；压头固接在超声振动系统上且与测力系统相连；声发射系统信号连接被测试接触副零件；通过基座系统调节被测试接触副零件与压头的相对位置；通过超声振动系统实现压头与被测试接触副零件相互作用；通过测力系统二者间力的动态变化；通过声发射系统检测被测试接触副零件达到疲劳破坏时的信号。本发明提供了在微观尺度下接触副零件高频疲劳测试设备和方法，为接触副零件的工艺设计、疲劳性能检测等提供了依据。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备。
背景技术
表面疲劳点蚀是齿轮、轴承内外圈等接触副零件主要损坏形式。它的出现使零件有效接触面积减小，传递载荷能力降低，接触表面失去正确的形状，工作中引起振动，发生噪音，特别是疲劳达到3级以后，噪音更为强烈，呈尖叫声，此时疲劳点蚀迅速扩大，振动加剧。发展性疲劳点蚀更是危险，它会引起动力载荷增加和表面强烈磨损，最后导致接触副零件丧失正常工作能力而报废。接触副零件的抗疲劳点蚀能力受到很多因素的影响，比如材料的冶金质量、热处理状态、表面硬度、表面加工精度等等。究其本质，疲劳点蚀是一种微动摩擦和高频冲击作用下产生的材料微观剥落失效。现有技术中还没有发现专门针对接触副零件的抗疲劳点蚀能力进行评价的设备。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备，可以对齿轮、轴承内外圈等接触副零件的点蚀等高频疲劳性能进行测试，相关测试结果可以用于齿轮、轴承内外圈等接触副零件抗疲劳点蚀等能力的评价及相应产品的设计。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：
一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备，包括被测试接触副零件4及与被测试接触副零件4相互作用的压头7；还包括基座系统、超声振动系统、测力系统和声发射系统；
所述被测试接触副零件4固接在基座系统上；所述超声振动系统装接在基座系统上；所述测力系统装接在基座系统上；所述压头7固接在超声振动系统上且与测力系统相连；所述声发射系统信号连接被测试接触副零件4；
通过基座系统调节被测试接触副零件4与压头7的相对位置；通过超声振动系统使压头7发生振动从而实现压头7与被测试接触副零件4相互作用；通过测力系统检测压头7与被测试接触副零件4间力的动态变化；通过声发射系统检测压头7对被测试接触副零件4冲击过程中被测试接触副零件4达到疲劳破坏时的声发射信号。
一实施例中：所述基座系统包括光学平板1，X轴滑台2，Y轴滑台12，Z轴滑台11和分度盘支架3；X轴滑台2滑动装接在光学平板1上且可沿X轴方向滑动；Y轴滑台12滑动装接在光学平板1上且可沿Y轴方向滑动；Z轴滑台11滑动装接在Y轴滑台12上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；分度盘支架3固定装接在X轴滑台2上；所述被测试接触副零件4通过分度盘5固接在分度盘支架3上；
所述超声振动系统包括超声发生器、超声变幅杆9和压力传感器8；超声变幅杆9装接在Z轴滑台11，超声发生器传动连接超声变幅杆9；压力传感器8固接在超声变幅杆9上；所述压头7固接在压力传感器8；
所述测力系统包括上述之压力传感器8，第一电荷放大器和第一数据采集卡；该第一电荷放大器信号连接压力传感器8，该第一数据采集卡信号连接第一电荷放大器；
所述声发射系统包括声发射传感器6，第二电荷放大器和第二数据采集卡；所述声发射传感器6装设在被测试接触副零件4，该第二电荷放大器信号连接声发射传感器6，该第二数据采集卡信号连接第二电荷放大器；
通过X轴滑台2、Y轴滑台12和Z轴滑台11使被测试接触副零件4和压头7可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被测试接触副零件4与压头7的相对位置；通过分度盘5使被测试接触副零件4的不同部位与压头7相对；通过超声发生器产生超声振动并通过超声变幅杆9传递至压头7以使压头7发生振动从而实现压头7与被测试接触副零件4相互作用。
一实施例中：所述压头7材质与被测试接触副零件4适配，其形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.008～0.21mm，圆锥角θ＝55°～125°。
一实施例中：所述X轴滑台2由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μm；所述Y轴滑台12由步进电机驱动，其步进精度优于11μm；所述Z轴滑台11由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μm。
一实施例中：所述压力传感器8的性能参数为：当压头7与被测试接触副零件4间接触力到达临界值时，压力传感器8报警，此时即为压头7与被测试接触副零件4刚好接触；所述临界值根据压头7与被测试接触副零件4的材质决定。
一实施例中：所述声发射传感器6的性能参数为：频率范围为18～1010kHz，谐振频率大于78kHz，灵敏度峰值大于65dB；
一实施例中：所述超声发生器的性能参数为：振动频率f＝18～42KHz，振幅范围为0～22μm，振动波形为正弦波。
一实施例中：所述第一电荷放大器与第二电荷放大器为同一电荷放大器；所述第一数据采集卡与第二数据采集卡为同一数据采集卡。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：
一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备的使用方法，包括：
1)通过Y轴滑台12和Z轴滑台11调整压头7在Y轴方向与Z轴方向上的位置，并通过分度盘5调整被测试接触副零件4的位置，以使压头7正对被测试接触副零件4；
2)通过调整X轴滑台2以使压头7与被测试接触副零件4刚好接触；
3)启动超声振动系统以使压头7发生振动，从而实现压头7与被测试接触副零件4的相互作用；记录相互作用时间；
4)利用分度盘5调整被测试接触副零件4以使压头7与被测试接触副零件4的不同部位间发生相互作用；
5)通过测力系统检测压头7与被测试接触副零件4相互作用过程中力的动态变化；
6)通过声发射系统检测压头7与被测试接触副零件4相互作用过程中被测试接触副零件4达到疲劳破坏时的声发射信号；
7)检测到被测试接触副零件4达到疲劳破坏后的声发射信号时，停止超声振动，得到被测试接触副零件4的疲劳测试数据。
一实施例中：所述步骤2)中，压头7与被测试接触副零件4刚好接触的方法包括：
21)通过调整X轴滑台2以使压头7与被测试接触副零件4逐渐靠近，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过X轴滑台2调整两者相对位置至塞尺最小尺寸；
22)启动测力系统，每次以X轴滑台2的最小位移移动X轴滑台2并通过测力系统检测压头7与被测试接触副零件4间接触力的实时变化；当接触力到达临界值时，停止移动X轴滑台2，此时即为压头7与被测试接触副零件4刚好接触。
本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：
本发明提供的一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备，提供了在微观尺度下接触副零件高频疲劳测试设备和方法，可以对接触副零件在微观尺度下的高频疲劳性能进行测试，实现对接触副零件高频疲劳性能的进一步了解，从而为接触副零件的工艺设计，接触副零件的高频疲劳性能的检测，以及对接触副零件的检测等应用提供依据。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1所示为本发明的实施例1的一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备示意图。
图2所示为本发明的实施例2的一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备示意图。
图3所示为本发明的实施例3的一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备示意图。
图4所示为本发明的实施例4的一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备示意图。
附图标记：1.光学平板；2.X轴滑台；3.分度盘支架；4.被测试接触副零件；5.分度盘；6.声发射传感器；7.压头；8.压力传感器；9.超声变幅杆；10.变幅杆支架；11.Z轴滑台；12.Y轴滑台。
具体实施方式
下面通过实施例具体说明本发明的内容：
实施例1测试滚动轴承内圈的冲击疲劳数据
请查阅图1，一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备，包括被测试接触副零件4及与被测试接触副零件4相互作用的压头7；还包括基座系统、超声振动系统、测力系统和声发射系统；
所述基座系统包括光学平板1，X轴滑台2，Y轴滑台12，Z轴滑台11和分度盘支架3；X轴滑台2滑动装接在光学平板1上且可沿X轴方向滑动；Y轴滑台12滑动装接在光学平板1上且可沿Y轴方向滑动；Z轴滑台11滑动装接在Y轴滑台12上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；分度盘支架3固定装接在X轴滑台2上；所述被测试接触副零件4通过分度盘5固接在分度盘支架3上；
所述超声振动系统包括超声发生器、超声变幅杆9和压力传感器8；超声变幅杆9通过变幅杆支架10装接在Z轴滑台11，超声发生器传动连接超声变幅杆9；压力传感器8固接在超声变幅杆9上；所述压头7固接在压力传感器8；
所述测力系统包括上述之压力传感器8，第一电荷放大器和第一数据采集卡；该第一电荷放大器信号连接压力传感器8，该第一数据采集卡信号连接第一电荷放大器；
所述声发射系统包括声发射传感器6，第二电荷放大器和第二数据采集卡；所述声发射传感器6装设在被测试接触副零件4侧面且与压头7和被测试接触副零件4相互作用的位置相邻，该第二电荷放大器信号连接声发射传感器6，该第二数据采集卡信号连接第二电荷放大器；
通过X轴滑台2、Y轴滑台12和Z轴滑台11使被测试接触副零件4和压头7可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被测试接触副零件4与压头7的相对位置；通过分度盘5使被测试接触副零件4的不同部位与压头7相对；通过超声发生器产生超声振动并通过超声变幅杆9传递至压头7以使压头7发生振动从而实现压头7与被测试接触副零件4相互作用；所述相互作用包括高频径向冲击和/或高频剪切滑动；通过测力系统检测压头7与被测试接触副零件4间力的动态变化；通过声发射系统检测压头7对被测试接触副零件4冲击过程中被测试接触副零件4达到疲劳破坏时的声发射信号。
本实施例之中，所述第一电荷放大器与第二电荷放大器为同一电荷放大器；所述第一数据采集卡与第二数据采集卡为同一数据采集卡。
本实施例之中，所述X轴滑台2由步进电机驱动，其步进精度优于0.3μm；所述Y轴滑台12由步进电机驱动，其步进精度优于10μm；所述Z轴滑台11由步进电机驱动，其步进精度优于0.3μm。
本实施例之中，所述压力传感器8的性能参数为：当压头7与被测试接触副零件4间接触力到达临界值时，压力传感器8报警，此时即为压头7与被测试接触副零件4刚好接触；所述临界值＝0.005～0.02N，根据压头7与被测试接触副零件4的材质决定，材料硬度越大，临界值越高。
测试方法如下：
1)通过Y轴滑台12和Z轴滑台11调整压头7在Y轴方向与Z轴方向上的位置，并通过分度盘5调整被测试接触副零件4的位置，以使压头7正对被测试接触副零件4；
2)通过调整X轴滑台2以使压头7与被测试接触副零件4刚好接触；所述判断压头7与被测试接触副零件4刚好接触的方法如下21)-22)所示：
21)通过调整X轴滑台2以使压头7与被测试接触副零件4逐渐靠近，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过X轴滑台2调整两者相对位置至塞尺最小尺寸；
22)启动测力系统，每次以X轴滑台2的最小位移移动X轴滑台2并通过测力系统检测压头7与被测试接触副零件4间接触力的实时变化；当接触力到达临界值时，压力传感器8报警，停止移动X轴滑台2，此时即为压头7与被测试接触副零件4刚好接触；所述临界值＝0.005～0.02N，根据压头7与被测试接触副零件4的材质决定，材料硬度越大，临界值越高；
3)启动超声振动系统以使压头7发生振动，从而实现压头7与被测试接触副零件4的相互作用；记录相互作用时间；
4)利用分度盘5调整被测试接触副零件4以使压头7与被测试接触副零件4的不同部位间发生相互作用；
5)通过测力系统检测压头7与被测试接触副零件4相互作用过程中力的动态变化；
6)通过声发射系统检测压头7与被测试接触副零件4相互作用过程中被测试接触副零件4达到疲劳破坏时的声发射信号；
7)检测到被测试接触副零件4达到疲劳破坏后的声发射信号时，停止超声振动，得到被测试接触副零件4的疲劳测试数据。
本实施例之中，所述压头7材质与被测试接触副零件4适配，其形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.01～0.2mm，圆锥角θ＝60°～120°；具体地，所述被测试接触副零件4为滚动轴承内圈，其材质为GCr15；所述压头7材质与被测试接触副零件4适配，为GCr15，其形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.2mm，圆锥角θ＝120°(标准洛氏压头)。所述压头7与被测试接触副零件4相互作用为高频径向冲击。所述超声发生器的性能参数为：振动频率f＝20～40KHz，振幅范围为0～20μm，振动波形为正弦波；具体地，振动频率f＝20KHz，振幅范围为15μm，振动波形为正弦波；所述声发射传感器6的性能参数为：频率范围为20～1000kHz，谐振频率480kHz，灵敏度峰值120dB。
实施例2测试滚动轴承内圈的剪切疲劳数据
如图2所示，本实施例之中，所述被测试接触副零件4为滚动轴承内圈，其材质为GCr15；所述压头7材质与被测试接触副零件4适配，为GCr15，其形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.2mm，圆锥角θ＝120°(标准洛氏压头)。所述压头7与被测试接触副零件4相互作用为高频剪切滑动。所述超声发生器的性能参数为：振动频率f＝20KHz，振幅范围为15μm，振动波形为正弦波；所述声发射传感器6的性能参数为：频率范围为20～1000kHz，谐振频率480kHz，灵敏度峰值120dB。其余同实施例1。
实施例3测试齿轮齿面的冲击疲劳数据
如图3所示，本实施例之中，所述被测试接触副零件4为齿轮，其材质为42CrMo；所述压头7材质与被测试接触副零件4适配，为42CrMo，其形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.2mm，圆锥角θ＝120°(标准洛氏压头)。所述压头7与被测试接触副零件4相互作用为高频径向冲击。所述超声发生器的性能参数为：振动频率f＝20KHz，振幅范围为15μm，振动波形为正弦波；所述声发射传感器6的性能参数为：频率范围为20～1000kHz，谐振频率480kHz，灵敏度峰值120dB。其余同实施例1。
实施例4测试齿轮齿面的剪切疲劳数据
如图4所示，本实施例之中，所述被测试接触副零件4为齿轮，其材质为42CrMo；所述压头7材质与被测试接触副零件4适配，为42CrMo，其形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.2mm，圆锥角θ＝120°(标准洛氏压头)。所述压头7与被测试接触副零件4相互作用为高频剪切滑动。所述超声发生器的性能参数为：振动频率f＝20KHz，振幅范围为15μm，振动波形为正弦波；所述声发射传感器6的性能参数为：频率范围为20～1000kHz，谐振频率480kHz，灵敏度峰值120dB。其余同实施例1。
以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (10)
1.一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备，其特征在于：包括被测试接触副零件(4)及与被测试接触副零件(4)相互作用的压头(7)；还包括基座系统、超声振动系统、测力系统和声发射系统；
所述被测试接触副零件(4)固接在基座系统上；所述超声振动系统装接在基座系统上；所述测力系统装接在基座系统上；所述压头(7)固接在超声振动系统上且与测力系统相连；所述声发射系统信号连接被测试接触副零件(4)；
通过基座系统调节被测试接触副零件(4)与压头(7)的相对位置；通过超声振动系统使压头(7)发生振动从而实现压头(7)与被测试接触副零件(4)相互作用；通过测力系统检测压头(7)与被测试接触副零件(4)间力的动态变化；通过声发射系统检测压头(7)对被测试接触副零件(4)冲击过程中被测试接触副零件(4)达到疲劳破坏时的声发射信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备，其特征在于：
所述基座系统包括光学平板(1)，X轴滑台(2)，Y轴滑台(12)，Z轴滑台(11)和分度盘支架(3)；X轴滑台(2)滑动装接在光学平板(1)上且可沿X轴方向滑动；Y轴滑台(12)滑动装接在光学平板(1)上且可沿Y轴方向滑动；Z轴滑台(11)滑动装接在Y轴滑台(12)上且可沿Z轴方向滑动；所述X轴方向、Y轴方向与Z轴方向两两垂直；分度盘支架(3)固定装接在X轴滑台(2)上；所述被测试接触副零件(4)通过分度盘(5)固接在分度盘支架(3)上；
所述超声振动系统包括超声发生器、超声变幅杆(9)和压力传感器(8)；超声变幅杆(9)装接在Z轴滑台(11)，超声发生器传动连接超声变幅杆(9)；压力传感器(8)固接在超声变幅杆(9)上；所述压头(7)固接在压力传感器 (8)；
所述测力系统包括上述之压力传感器(8)，第一电荷放大器和第一数据采集卡；该第一电荷放大器信号连接压力传感器(8)，该第一数据采集卡信号连接第一电荷放大器；
所述声发射系统包括声发射传感器(6)，第二电荷放大器和第二数据采集卡；所述声发射传感器(6)装设在被测试接触副零件(4)，该第二电荷放大器信号连接声发射传感器(6)，该第二数据采集卡信号连接第二电荷放大器；
通过X轴滑台(2)、Y轴滑台(12)和Z轴滑台(11)使被测试接触副零件(4)和压头(7)可在X轴方向、Y轴方向与Z轴方向上移动从而调节被测试接触副零件(4)与压头(7)的相对位置；通过分度盘(5)使被测试接触副零件(4)的不同部位与压头(7)相对；通过超声发生器产生超声振动并通过超声变幅杆(9)传递至压头(7)以使压头(7)发生振动从而实现压头(7)与被测试接触副零件(4)相互作用。
3.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备，其特征在于：所述压头(7)材质与被测试接触副零件(4)适配，其形状为带圆头的圆锥，圆头半径R＝0.008～0.21mm，圆锥角θ＝55°～125°。
4.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备，其特征在于：所述X轴滑台(2)由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μm；所述Y轴滑台(12)由步进电机驱动，其步进精度优于11μm；所述Z轴滑台(11)由步进电机驱动，其步进精度优于0.35μm。
5.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备，其特征在于：所述压力传感器(8)的性能参数为：当压头(7)与被测试接触副零件(4)间接触力到达临界值时，压力传感器(8)报警，此时即为压头(7) 与被测试接触副零件(4)刚好接触；所述临界值根据压头(7)与被测试接触副零件(4)的材质决定。
6.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备，其特征在于：所述声发射传感器(6)的性能参数为：频率范围为18～1010kHz，谐振频率大于78kHz，灵敏度峰值大于65dB。
7.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备，其特征在于：所述超声发生器的性能参数为：振动频率f＝18～42KHz，振幅范围为0～22μm，振动波形为正弦波。
8.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备，其特征在于：所述第一电荷放大器与第二电荷放大器为同一电荷放大器；所述第一数据采集卡与第二数据采集卡为同一数据采集卡。
9.根据权利要求2所述的一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备的使用方法，其特征在于：包括：
1)通过Y轴滑台(12)和Z轴滑台(11)调整压头(7)在Y轴方向与Z轴方向上的位置，并通过分度盘(5)调整被测试接触副零件(4)的位置，以使压头(7)正对被测试接触副零件(4)；
2)通过调整X轴滑台(2)以使压头(7)与被测试接触副零件(4)刚好接触；
3)启动超声振动系统以使压头(7)发生振动，从而实现压头(7)与被测试接触副零件(4)的相互作用；记录相互作用时间；
4)利用分度盘(5)调整被测试接触副零件(4)以使压头(7)与被测试接触副零件(4)的不同部位间发生相互作用；
5)通过测力系统检测压头(7)与被测试接触副零件(4)相互作用过程中 力的动态变化；
6)通过声发射系统检测压头(7)与被测试接触副零件(4)相互作用过程中被测试接触副零件(4)达到疲劳破坏时的声发射信号；
7)检测到被测试接触副零件(4)达到疲劳破坏后的声发射信号时，停止超声振动，得到被测试接触副零件(4)的疲劳测试数据。
10.根据权利要求9所述的一种基于超声振动的接触副零件疲劳测试设备的使用方法，其特征在于：所述步骤2)中，压头(7)与被测试接触副零件(4)刚好接触的方法包括：
21)通过调整X轴滑台(2)以使压头(7)与被测试接触副零件(4)逐渐靠近，至肉眼无法分辨两者相对位置后用塞尺确定两者相对位置，继续通过X轴滑台(2)调整两者相对位置至塞尺最小尺寸；
22)启动测力系统，每次以X轴滑台(2)的最小位移移动X轴滑台(2)并通过测力系统检测压头(7)与被测试接触副零件(4)间接触力的实时变化；当接触力到达临界值时，停止移动X轴滑台(2)，此时即为压头(7)与被测试接触副零件(4)刚好接触。
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |