CN104897502B - 基于控制冲击能量的微幅冲击磨损试验装置及其试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于控制冲击能量的微幅冲击磨损试验装置，解决了现行冲击磨损研究方法的不足的问题。基于控制冲击能量的微幅冲击磨损试验装置包括驱动电机，受所述驱动电机驱动的阻尼冲头，一端与所述阻尼冲头连接的拉杆，位于所述拉杆另一端且在所述拉杆作用下的可作直线运动的能量块，设置在所述能量块一侧的磁栅尺，与所述磁栅尺配合使用的磁栅尺读数头，与所述能量块连接的块夹具，以及位于所述能量块尾端方向且其上固定有管夹具的试样装夹底板。本发明采用控制速度来控制能量块能量的设计，实现了从能量角度来研究微幅冲击磨损，有效地克服了现有通过力的角度来研究微幅冲击磨损的缺陷。

Description

基于控制冲击能量的微幅冲击磨损试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及冲击磨损试验装置，具体涉及一种通过控制冲击能量研究微幅冲击磨损的试验装置及其试验方法。

背景技术

冲击磨损是两个固体表面之间反复动态接触、撞击所造成的表面磨损。在各类机械中,许多零部件都承受着不同程度的冲击磨损，而由冲击微动磨损所引发的机械零部件失效广泛存在于电力、石化、矿山机械、海洋机械、航空航天等领域，从带来了较大的能源浪费，给人民财产安全及国民经济带来了巨大的损失。冲击载荷会造成接触表面破坏，严重时将导致机器零部件失效。在磨损失效的类型中，冲击磨损可能是对材料最为不利、了解最少的一类磨损。为了研究这种磨损，到目前为止，国内外已研制出多类型的试验机。

冲击磨损过程是一个能量分配过程,它将把能量消耗于热现象、声现象、电现象,消耗于表面的磨耗、磨料微粒的压碎等等,也可把磨损的因果关系用能量联系起来。目前，现在的冲击磨损试验机自动化程度低，一般是基于力控制来研究冲击磨损，而冲击磨损是一个能量转化的过程，因此，此类装置不能全面的来研究冲击磨损行为。此外，现有基于控制能量的冲击磨损试验机自动化程度低、频率也较低（仅为零点几Hz），从而导致冲击磨损试验效率较低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述缺陷，提供一种结构简单且从能量角度来研究微幅冲击磨损的试验装置。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于控制冲击能量的微幅冲击磨损试验装置，包括驱动电机，受所述驱动电机驱动的阻尼冲头，一端与所述阻尼冲头连接的拉杆，位于所述拉杆另一端且在所述拉杆作用下的可作直线运动的能量块，设置在所述能量块一侧的磁栅尺，与所述磁栅尺配合使用的磁栅尺读数头，与所述能量块连接的块夹具，以及位于所述能量块尾端方向且其上固定有管夹具的试样装夹底板。

进一步的，在所述能量块的首端方向还设置有限位块，所述限位块上开设有通孔，所述拉杆穿过该通孔。

进一步的，所述驱动电机为音圈电机，所述阻尼冲头的一端通过电机适配板与所述音圈电机连接。

进一步的，所述阻尼冲头包括用于安装所述拉杆的第一套筒，与所述第一套筒配合并通过螺纹连接的第二套筒，一端为凸台结构且位于所述第二套筒内、另一端与所述驱动电机连接的推力杆，分别设置在所述推力杆凸台的两侧的第一弹簧和第二弹簧。

进一步的，所述能量块上靠近所述拉杆的一侧上开设有相互连通的孔和矩形槽，所述拉杆为“T”型杆，其口径较小的一端固定在所述第一套筒上，其口径较大的一端位于所述矩形槽内。

进一步的，还包括具有滑槽和T型槽的安装底板，所述驱动电机、限位块、能量块和试样装夹底板均安装在所述安装底板上；所述磁栅尺读数头通过读数头安装板固定在安装地板上，所述能量块通过直线滚动单元安装在安装底板上，所述直线滚动单元通过直线滚动单元固定板安装在安装底板上。

进一步的，所述限位块、直线滚动单元固定板和试样装夹底板可在所述滑槽内滑动。

进一步的，所述磁栅尺表面与所述磁栅尺读数头的读头间隙为0.1mm～2.0mm。

进一步的，所述限位块和阻尼冲头不发生接触且二者的中心线位于同一条直线上；所述拉杆、孔的中心线位于同一条直线上。

基于控制冲击能量的微幅冲击磨损试验装置的试验方法，包括以下步骤：

（1）音圈电机以正弦曲线运行；

（2）音圈电机达到最大速度时通过阻尼冲头将能量块冲出；

（3）能量块以速度v₁沿直线滚动单元运行作直线运动；

（4）音圈电机速度达到0时，能量块与试样发生冲击；

（5）能量块以速度v₂反弹；

（6）限位块对能量块的反弹进行限位；

（7）阻尼冲头回复至初始位置。

本发明的设计原理：根据动能定理E=（1/2）mv²，可通过控制冲击时的速度和能量块的质量进而控制冲击动能大小。由公式：W=E-E₂，可计算出一个周期过程中冲击磨损对能量的消耗多少（其中，E₁冲击动能，E₂反弹动能）。通过乘以周期次数，得出整个冲击过程中冲击磨损对能量的消耗多少。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

（1）本发明采用控制速度来控制能量块能量的设计，实现了从能量角度来研究微幅冲击磨损，有效地克服了现有通过力的角度来研究微幅冲击磨损的缺陷。

（2）本发明中试验机采用微机控制，实现所有物理参量的自动显示、存储,不仅可以监控试验机的运转情况，而且还可以有效提高试验精度。

（3）本发明中的速度采集采用磁栅尺读数头，采集数据精准。

（4）本发明在控制恒定的冲击能量情况下、实现了高频冲击，极大提高了试验效率。

（5）本发明结构简单，制造成本低，与现有技术相比，不仅具备新颖性和创造性，而且具备非常高的实用性，为其大范围的推广应用，奠定了坚实的基础。

附图说明

图1是本发明的整机结构示意图。

图2是本发明的俯视结构示意图。

图3是本发明的右视结构示意图。

图4是本发明中阻尼冲头安装固定结构示意图。

图5是本发明中阻尼冲头结构示意图。

图6是本发明中阻尼冲头的结构拆分示意图。

图7是本发明中能量块结构示意图。

上述附图中附图标记对应的名称如下：1-驱动电机；2-阻尼冲头；3-能量块；4-试样装夹底板；5-T型螺栓；6-六角螺母；7-安装底板；8-读数头安装板；9-磁栅尺读数头；10-直线滚动单元固定板；11-限位块；12-电机适配板；13-内六角螺栓；14-块夹具；15-块试样；16-管试样；17-管夹具；18-直线滚动单元；19-拉杆；20-第一套筒；21-第二套筒；22-推力杆；23-内六角螺栓；24-第一弹簧；25-第二弹簧；26-磁栅尺；27-滑槽；28-T型槽；29-孔；30-矩形槽。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。

实施例

如图1至7所示，本实施例提供了一种基于控制冲击能量的微幅冲击磨损试验装置，该试验装置主要包括驱动电机、阻尼冲头、拉杆、限位块、能量块、直线滚动单元及其固定板、试样装夹底板、安装底板等部件。其中，驱动电机优选为音圈电机，其是整个试验装置的动力提供单元，驱动电机由电机控制系统，电机控制系统该系统可控制音圈电机的运行频率、运行幅值及运行速度曲线类型，具有数字化和可操作化程度高的优点，可满足不同频率、不同速度和不同加载曲线的试验要求。

安装底板为本试验装置中其它部件提供安装空间，安装底板的中部用于安装限位块、能量块和试样装夹底板的位置处设置有滑槽和T型槽，通过该设计，可以实现限位块、能量块和试样装夹底板相对于安装底板的位置的调节，进而可以调节冲击幅值以适应试验要求。

阻尼冲头主要用于将音圈电机产生的动力传递至能量块，具体的说，阻尼冲头包括第一套筒，与第一套筒配合并通过螺纹连接的第二套筒，一端为凸台结构且位于第二套筒内、另一端与驱动电机连接的推力杆，分别设置在推力杆凸台的两侧的第一弹簧和第二弹簧。其中，阻尼冲头中的推力杆通过电机适配板与音圈电机的输出端连接，推力杆与电机适配板通过螺纹连接，电机适配板通过四个内六角螺栓与音圈电机连接；拉杆安装在第一套筒上并由内六角螺栓进行紧固。第一弹簧和第二弹簧均为阻尼弹簧，可防止冲击和回程拉紧能量块时出现对音圈电机的刚性冲击。

限位块位于能量块的首端方向，其中，首端方向是指能量块靠近驱动电机的一侧方向，限位块上设置有通孔，拉杆穿过该通孔，进一步的，也可将阻尼冲头的部分穿入该通孔，然后用螺栓将拉杆固定在阻尼冲头上；限位块形状不作特别限定，其下端通过T型螺栓和六角螺母与安装底板的T型槽连接，限位块在安装底板上的位置可以调节。限位块与阻尼冲头不接触，且二者的中心线在同一直线上。

限位块之后安装有能量块，能量块上可安装不同类型的冲击试样夹具，以适应不同试验要求。具体的说，能量块设置在直线滚动单元上，而直线滚动单元又通过直线滚动单元固定板安装在安装底板上，其中，直线滚动单元是由日本THK公司生产，其摩擦系数仅为0.0006～0.0012，因此，能量块在冲击和反弹过程中可近似看作是匀速运动。直线滚动单元固定板与安装底板之间的安装方式与限位块与安装底板之间的安装方式相同，故在此不作赘述。本实施例中，在冲击初速度确定的情况下，能量块可通过改变其材料，或是在其上增减质量块以改变其质量，进而改变其运行时的动能。

能量块上靠近拉杆的一侧上开设有相互连通的孔和矩形槽，拉杆为“T”型杆，其口径较小的一端固定在第一套筒上，其口径较大的一端位于矩形槽内。拉杆不与能量块的矩形槽及孔接触，保证了能量块在冲击和反弹过程中不受拉杆影响，最大程度将能量块冲击瞬间的约束降到最小，使得冲击瞬间的能量耗散集中在冲击界面上。块夹具通过双头螺杆与能量块连接，块试样固定在块夹具内，管夹具通过内六角螺栓固定在试样装夹底板上，管试样装夹在管夹具内。

能量块一侧贴有磁栅尺，磁栅尺读数头与读数头安装板用内六角螺母连接，读数头安装板用内六角螺母连接在安装底板上，磁栅尺表面与磁栅尺读数头的读头间隙控制在0.1mm～2.0mm之间。读数头安装支架可沿冲击方向移动以适应能量块的运行范围；磁栅尺及磁栅尺读头用于采集能量块的冲击速度和反弹速度。

本试验装置的工作过程如下：电机控制系统控制音圈电机以正弦曲线作往复运动，进而阻尼冲头和拉杆作往复运动；在冲击过程中，阻尼冲头带动能量块运动，当速度达到电机速度曲线最高点时，阻尼冲头与能量块分离，能量块以最大速度匀速运行，当电机速度曲线达到零点时，发生冲击；在冲击试样时，能量块迅速反弹作回程运动，运行到一定位置由限位块对其限位，为防止能量块回程过程中与限位块发生冲击反弹，此时，拉杆会由阻尼冲头拉紧能量块等待下一次周期的冲击。在此过程中，由磁栅尺及磁栅尺读头采集冲击和反弹时的速度值。

根据动能定理E=（1/2）mv²，可通过控制冲击时的初速度和采集反弹回来的末以及控制速度能量块的质量进而控制冲击动能大小。由公式：W=E₁-E₂，可计算出一个周期过程中冲击磨损对能量的消耗多少（其中，E1冲击动能，E2反弹动能）。通过乘以周期次数，得出整个冲击过程中冲击磨损对能量的消耗多少。

按照上述实施例，便可很好地实现本发明。值得说明的是，基于上述设计原理的前提下，为解决同样的技术问题，即使在本发明所公开的结构基础上做出的一些无实质性的改动或润色，所采用的技术方案的实质仍然与本发明一样，故其也应当在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于控制冲击能量的微幅冲击磨损试验装置，其特征在于，包括驱动电机（1），受所述驱动电机驱动的阻尼冲头（2），一端与所述阻尼冲头（2）连接的拉杆（19），位于所述拉杆（19）另一端且在所述阻尼冲头（2）作用下作分离式直线运动的能量块（3），设置在所述能量块（3）一侧的磁栅尺（26），与所述磁栅尺（26）配合使用的磁栅尺读数头（9），与所述能量块（3）连接的块夹具（14），以及位于所述能量块（3）尾端方向且其上固定有管夹具（17）的试样装夹底板（4）；

还包括安装底板（7）和直线滚动单元（18），所述能量块（3）设置在所述直线滚动单元（18）上，所述直线滚动单元（18）通过直线滚动单元固定板安装在所述安装底板（7）上。

2.根据权利要求1所述的基于控制冲击能量的微幅冲击磨损试验装置，其特征在于，在所述能量块（3）的首端方向还设置有限位块（11），所述限位块（11）上开设有通孔，所述拉杆（19）穿过该通孔。

3.根据权利要求2所述的基于控制冲击能量的微幅冲击磨损试验装置，其特征在于，所述驱动电机（1）为音圈电机，所述阻尼冲头（2）的一端通过电机适配板（12）与所述音圈电机连接。

4.根据权利要求3所述的基于控制冲击能量的微幅冲击磨损试验装置，其特征在于，所述阻尼冲头（2）包括用于安装所述拉杆（19）的第一套筒（20），与所述第一套筒（20）配合并通过螺纹连接的第二套筒（21），一端为凸台结构且位于所述第二套筒（21）内、另一端与所述驱动电机（1）连接的推力杆（22），分别设置在所述推力杆（22）的凸台的两侧的第一弹簧（24）和第二弹簧（25）。

5.根据权利要求4所述的基于控制冲击能量的微幅冲击磨损试验装置，其特征在于，所述能量块（3）上靠近所述拉杆（19）的一侧上开设有相互连通的孔（29）和矩形槽（30），所述拉杆（19）为“T”型杆，其口径较小的一端固定在所述第一套筒（20）上，其口径较大的一端位于所述矩形槽（30）内。

6.根据权利要求5所述的基于控制冲击能量的微幅冲击磨损试验装置，其特征在于，所述安装底板（7）具有滑槽（27）和T型槽（28），所述驱动电机（1）、限位块（11）和试样装夹底板（4）均安装在所述安装底板（7）上；

所述磁栅尺读数头（9）通过读数头安装板（8）固定在安装底板（7）上。

7.根据权利要求6所述的基于控制冲击能量的微幅冲击磨损试验装置，其特征在于，所述限位块（11）、直线滚动单元固定板和试样装夹底板（4）可在所述滑槽（27）内滑动。

8.根据权利要求7所述的基于控制冲击能量的微幅冲击磨损试验装置，其特征在于，所述磁栅尺(26)的表面与所述磁栅尺读数头(9)的读头之间的间隙为0.1mm～2.0mm。

9.根据权利要求8所述的基于控制冲击能量的微幅冲击磨损试验装置，其特征在于，所述限位块（11）和阻尼冲头（2）不发生接触且二者的中心线位于同一条直线上；所述拉杆（19）、孔（29）的中心线位于同一条直线上。

10.如权利要求3~9任一项所述的基于控制冲击能量的微幅冲击磨损试验装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）音圈电机以正弦曲线运行；

（2）音圈电机达到最大速度时通过阻尼冲头将能量块冲出；

（3）能量块以速度v₁沿直线滚动单元运行作直线运动；

（4）音圈电机速度达到0时，能量块与试样发生冲击；

（5）能量块以速度v₂反弹；

（6）限位块对能量块的反弹进行限位；

（7）阻尼冲头回复至初始位置。