CN106950137B - 切向微动磨损试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种切向微动磨损试验装置及试验方法，包括：机架、试验介质腔、下试件、上试件、回转马达、滚珠丝杠、位移传感器、光杠、上夹具和滑块；回转马达与滚珠丝杠一端连接；滚珠丝杠置于机架上；滑块安装于滚珠丝杠上，并与滚珠丝杠构成丝杠螺母机构；光杠穿过滑块置于机架上；上夹具固定上试件与滑块栓接；试验介质腔的底板固定在机架上；下试件置于试验介质腔底板上；上试件的下表面与下试件顶部曲面接触；位移传感器置于滑块上，位移传感器的输出端连接信号采集系统；上试件中心线处内植应变片，应变片连接电桥，电桥通过动态应变仪连接信号采集系统；信号采集系统连接计算机。该装置能高效模拟切向微动磨损行为，结构简单，试验精度高。

Description

切向微动磨损试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及微动磨损试验领域，特别涉及一种滚动微动磨损试验装置及方法。
背景技术
微动是发生在两接触表面之间极小幅度(通常为微米量级)的运动，这些接触表面通常名义上是静止的，即微动发生在“紧固”配合的机械部件中，微动磨损对局部的反复作用，可以造成接触表面摩擦磨损，并能萌生疲劳裂纹，降低局部疲劳强度，使机械零部件的寿命大大降低。微动损伤普遍存在于机械行业、核反应堆、航空航天器、桥梁工程、汽车、铁路、船舶、电力工业甚至人工植入器等领域的紧配合部件中，现已成为一些关键零部件失效的主要原因之一。
目前，为了便于研究，通常对于简化的球-平面接触方式，根据接触体间相对运动的不同，微动可分为4种基本运行模式，即：切向、径向、转动和扭动微动。
切向微动是对磨副在法向载荷的作用下，在接触面上做小位移直线运动，切向微动的法向载荷方向与其运动方向垂直；它是最普遍存在的微动，也是造成微动磨损的最主要形式，对切向微动进行实验与分析，以搞清其磨损机理及与相关工况的关系，可为相关零部件设计、制造与维护提供准确、可靠的试验依据，减少工程中出现的切向微动磨损问题，对提高装备与部件的性能和寿命具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种切向微动磨损试验装置及试验方法，以解决现有技术无法进行相关切向微动磨损实验的问题。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
切向微动磨损试验装置，包括：机架、试验介质腔、下试件、上试件、回转马达、滚珠丝杠、位移传感器、上夹具和滑块；
回转马达与滚珠丝杠一端连接；滚珠丝杠两端置于机架上；
滑块安装于滚珠丝杠上，并与滚珠丝杠构成丝杠螺母机构；
滑块的底部安装有上夹具，上夹具上固定有上试件；试验介质腔的底板固定在机架上；下试件与试验介质腔的底板螺纹连接；上试件的下表面与下试件顶部曲面接触；
位移传感器置于滑块上，位移传感器的输出端连接信号采集系统；上试件中心线处内植应变片，应变片连接电桥，电桥通过动态应变仪连接信号采集系统；信号采集系统连接计算机。
进一步的，光杠穿过滑块，光杠轴线与滚珠丝杠轴线位于同一水平面。
进一步的，上夹具包括底板，上夹具底板上竖直设置有两个侧板，其中一个侧板上开有螺纹孔；上试件夹持于两个侧板之间，并通过螺栓与侧板上的螺纹孔螺纹配合夹紧于两个侧板之间。
进一步的，下试件的底部设有螺纹端，螺纹端旋入试验介质腔底板螺纹孔中。
进一步的，试验介质腔底板攻有M12、M18、M24螺纹孔。
进一步的，试验介质腔的底板上设有带排液孔的围挡，并通过螺塞密闭围挡，围挡与试验介质腔的底板之间形成一个用于存储液体的内腔；上试件与下试件的接触部位位于内腔内。
进一步的，内腔内装有试验液体，上试件与下试件的接触部位位于试验液体内。
进一步的，所述切向微动磨损试验装置包括两个光杠，两个光杠均穿过滑块，两个光杠的轴线与滚珠丝杠轴线位于同一水平面。
切向微动磨损试验方法，包括以下步骤：
首先，安装好切向微动磨损试验装置；旋转下试件至上试件与下试件接触并达到设定法向载荷；
然后，设定法向载荷、微位移、频率和微动次数其中之一为变量，进行微动磨损试验，位移传感器检测出上试件发生的切向位移，应变片测出上试件与下试件间的作用力，测出切向位移与作用力数据由数据采集及控制系统进行处理，得出载荷、微位移、频率及微动次数与微动磨损的关系。
进一步的，在试验介质腔中充入试验液体，使上试件与下试件的接触部位位于试验液体内进行微动磨损试验。
相对于现有技术，本发明的优点在于：
(1)从实验装置可看出，测量的物理量个数少且直接与上、下试件直接作用相关，所以能够保证结构切向微动磨损特性从实验装置系统的动特性中较容易分离出来，而且采用的是直接测量法。
(2)为了便于对影响切向微动磨损特性的各基本影响因素进行研究，本实验装置结构简单、易于定位，能够进行重复试验。
(3)本实验装置介质腔的设计，使得上、下试件可在不同的液体条件下进行切向微动试验，从而全面了解环境对切向微动摩擦磨损机理的影响。
(4)本实验装置下试件的设计，可通过改变下试件端部曲面的曲率，来研究球-平面模型中球体曲率对切向微动磨损的影响。
(5)本实验装置介质腔底板通过设置不同孔径的螺纹孔来匹配不同的下试件直径，从而拓宽端部曲面曲率的可加工范围。而且可以通过下试件的旋入深度改变法向载荷值，加载方便。
(6)本实验装置通过联合使用高精度低速回转马达和滚珠丝杠，大大提高了实验装置运转精度，也大大降低了实验数据处理的难度，使得实验数据的可靠性得到保证。
附图说明
图1是本发明一种切向微动磨损试验装置的正视图；
图2为图1所示切向微动磨损试验装置的俯视图；
图3是本试验装置的上夹具的正视图；
图4为图3所示上夹具的左视图；
图5是本试验装置的试验介质腔的正视图；
图6为图5所示试验介质腔的俯视图；
图7是本试验装置的下试件的正视图。
具体实施方式
以下结合工作原理和结构附图对本发明的切向微动磨损试验装置作进一步详细说明。
如图1至图7所示，本发明一种滚动微动磨损试验装置，包括机架1、试验介质腔2、下试件3、上试件4、支承架5、回转马达6、联轴器7、滚珠丝杠8、位移传感器9、上夹具10、滑块11、光杠12、应变片、信号采集系统和计算机。
机架1呈U型状，包括底板111和竖直设置于底板两侧的侧板112。
请参阅图3和图4所示，上夹具10包括底板100，底板100上竖直设置有两个侧板101，其中一个侧板上开有螺纹孔1011。
请参阅图5和图6所示，试验介质腔2包括底板21和设置于底板21上的围挡22，围挡22与底板21之间形成一个能够用于存储液体的内腔220；围挡22的顶部开口，可供上试件伸入围挡22内。围挡带有排液孔，可以通过螺塞密闭围挡。
请参阅图7所示，下试件3呈圆柱状，顶端设有球形面30，底部设有螺纹端31。
置于支承架5上的回转马达6通过联轴器7与滚珠丝杠8一端连接；滚珠丝杠8两端置于机架1两侧的侧板112上；两光杠12对称布置于滚珠丝杠8两侧，并通过滑块11；上夹具10 的底板100通过螺栓固定在滑块11底部，两个侧板101朝下；下试件3底部的螺纹端31通过螺纹与试验介质腔2底部连接；上试件4夹持于两个侧板101之间，并通过上夹具10侧面的螺栓固定，并与下试件3顶部的球形面30曲面接触；试验介质腔2的底板21通过螺栓连接于机架1的底板111上；位移传感器9置于滑块11上，位移传感器9的输出端连接信号采集系统；上试件4中心线处内植应变片，该应变片连接电桥，电桥通过动态应变仪连接信号采集系统；信号采集系统连接计算机。
本发明对于球-平面切向微动处于不同液体介质环境、法向载荷、位移幅值、频率和循环周次情况下的磨损状态，采用切向微动磨损试验装置进行模拟试验而找出切向微动磨损的特点和规律。
本发明一种滚动微动磨损试验装置的试验方法，包括以下步骤：
首先将光杠12穿过滑块11，并将滚珠丝杠8和光杠12两端置于机架1上，用联轴器7将置于支承架5上的回转马达6与滚珠丝杠8连接以实现驱动，然后将试验介质腔2栓接在机架1底板上，将下试件3螺纹端旋入试验介质腔2底部螺纹孔中，将上夹具10栓接在滑块11上，并通过侧面螺栓夹紧上试件4，通过驱动回转马达6将带有试件的滑块移11动至设定位置，旋转下试件3至上、下试件接触并达到设定法向载荷。
设定法向载荷、微位移、频率和微动次数其中之一为变量，进行微动磨损试验，位移传感器9检测出上试件发生的切向位移，应变片测出两试件间的作用力，测出F-D数据由数据采集及控制系统进行后续的处理，从而得出载荷、微位移、频率及微动次数与微动磨损的关系。
若需进行液体介质条件下的切向微动试验，则试验介质腔2的内腔内充入相应的液体介质，使其浸没上试件与下试件间的接触面，即可进行特定液体介质条件下的切向微动试验。

Claims (8)

1.切向微动磨损试验装置，其特征在于，包括：机架、试验介质腔、下试件、上试件、回转马达、滚珠丝杠、位移传感器、上夹具和滑块；
回转马达与滚珠丝杠一端连接；滚珠丝杠两端置于机架上；
滑块安装于滚珠丝杠上，并与滚珠丝杠构成丝杠螺母机构；
滑块的底部安装有上夹具，上夹具上固定有上试件；试验介质腔的底板固定在机架上；下试件与试验介质腔的底板螺纹连接；上试件的下表面与下试件顶部曲面接触；
位移传感器置于滑块上，位移传感器的输出端连接信号采集系统；上试件中心线处内植应变片，应变片连接电桥，电桥通过动态应变仪连接信号采集系统；信号采集系统连接计算机；
机架上还安装有至少一个光杠，光杠穿过滑块，光杠轴线与滚珠丝杠轴线位于同一水平面；
上夹具包括底板，上夹具底板上竖直设置有两个侧板，其中一个侧板上开有螺纹孔；上试件夹持于两个侧板之间，并通过螺栓与侧板上的螺纹孔螺纹配合夹紧于两个侧板之间。
2.根据权利要求1所述的切向微动磨损试验装置，其特征在于，下试件的底部设有螺纹端，螺纹端旋入试验介质腔底板螺纹孔中。
3.根据权利要求1所述的切向微动磨损试验装置，其特征在于，试验介质腔底板攻有M12、M18、M24螺纹孔。
4.根据权利要求1所述的切向微动磨损试验装置，其特征在于，试验介质腔的底板上设有带排液孔的围挡，围挡与试验介质腔的底板之间形成一个用于存储液体的内腔；上试件与下试件的接触部位位于内腔内。
5.根据权利要求4所述的切向微动磨损试验装置，其特征在于，内腔内装有试验液体，上试件与下试件的接触部位位于试验液体内。
6.根据权利要求1所述的切向微动磨损试验装置，其特征在于，所述切向微动磨损试验装置包括两个光杠，两个光杠均穿过滑块，两个光杠的轴线与滚珠丝杠轴线位于同一水平面。
7.切向微动磨损试验方法，其特征在于，根据权利要求1至6中任一项所述的切向微动磨损试验装置，包括以下步骤：
首先，安装好切向微动磨损试验装置；旋转下试件至上试件与下试件接触并达到设定法向载荷；
然后，设定法向载荷、微位移、频率和微动次数其中之一为变量，进行微动磨损试验，位移传感器检测出上试件发生的切向位移，应变片测出上试件与下试件间的作用力，测出切向位移与作用力数据由数据采集及控制系统进行处理，得出载荷、微位移、频率及微动次数与微动磨损的关系。
8.根据权利要求7所述的切向微动磨损试验方法，其特征在于，在试验介质腔中充入试验液体，使上试件与下试件的接触部位位于试验液体内进行微动磨损试验。
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