CN107036921A - 滚动微动磨损试验装置、方法和磨损深度建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种滚动微动磨损试验装置、方法和磨损深度建模方法，试验装置中，左底座上沿竖向设置有若干导向杆；缓冲台安装于导向杆上；试件与下夹具固定并固定在缓冲台上；试件的上表面为下凹的圆弧面并于圆弧面上放置有对磨球；回转马达固定在右底座上，回转马达的旋转轴连接旋转台；对磨球通过上夹具连接旋转台；ATI六维F/T传感器置于缓冲台上，ATI六维F/T传感器的输出端连接信号采集系统；沿试件的轴线中心处植有应变片，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。本装置结构简单、装卸方便，易于重复试验，解决了滚动微动磨损难以测试的问题。

Description

滚动微动磨损试验装置、方法和磨损深度建模方法

技术领域

本发明涉及微动磨损试验装置领域，特别涉及一种滚动微动磨损试验装置、方法和磨损深度建模方法。

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。转动微动又包含两类，即：滚动微动和转动微动。

滚动微动是滚动体在交变载荷下在滚动表面上发生微动，并产生微幅滚动的相对运动；与转动微动相比，转动微动的旋转轴在运动的时候不存在位移，而滚动微动的旋转轴存在着位移。滚动微动带来的损害是风电轴承的主要失效形式。目前，关于微动磨损的研究都是以简化的球-平面接触形式为基础的，对于复杂接触形式的微动磨损，如滚动微动磨损则由于试验设备的限制，无法进行模拟实验检测研究。

研究滚动微动试验的方法，以改进机械工程的相关设计，减少工程中出现的滚动微动磨损问题，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滚动微动磨损试验装置、方法和磨损深度建模方法，以解决现有技术无法进行滚动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：

滚动微动磨损试验装置，包括：左底座、缓冲台、下夹具、对磨球、上夹具、旋转台、回转马达、右底座、ATI六维F/T传感器、导向杆、应变片、信号采集系统和计算机；左底座上沿竖向设置有若干导向杆；缓冲台安装于导向杆上；试件与下夹具固定并固定在缓冲台上；试件的上表面为下凹的圆弧面并于圆弧面上放置有对磨球；回转马达固定在右底座上，回转马达的旋转轴连接旋转台；对磨球通过上夹具连接旋转台；ATI六维F/T传感器置于缓冲台上，ATI六维F/T传感器的输出端连接信号采集系统；沿试件的轴线中心处植有应变片，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。

进一步的，缓冲台的下表面中央设有螺柱。

进一步的，对磨球通过角接触球轴承与连接于上夹具的短轴相连。

进一步的，短轴偏心安装于上夹具上。

进一步的，试件上表面的弧面为对磨球滚动轨迹的包络面。

进一步的，所述滚动微动磨损试验装置的法向载荷范围处于5～420N之间；滚动的最小角位移幅值为0.36°；角速度控制范围0.01～5°/s，切向力测量范围为1.8～180N，扭矩测量范围10～10000N·mm，测量精度为4N·mm，循环次数1～1000次。

滚动微动磨损试验方法，包括以下步骤：首先将试件与下夹具相连，然后将下夹具与沿竖向导向杆置于底座上的缓冲台栓接在一起；将对磨球置于试件上；回转马达驱动通过回转台连接的上夹具，从而驱动对磨球；设定法向载荷、转动角位移幅值、转速、循环周次、切向力和扭矩其中之一为变量，进行微动磨损试验；随后改变所选的变量，再进行微动磨损试验，分别提取摩擦力矩、法向力和转速实验数据，计算磨损深度。

滚动微动磨损深度建模方法，基于滚动微动磨损试验方法所获得的实验数据，计算磨损深度，具体包括以下步骤：

1)建立基于修正Archard模型的球-平面滚动微动磨损深度计算公式：

Archard磨损模型的公式如下：

式中，V为磨损体积；P为接触面的法向压力；S为对磨球与试件之间的切向相对滑移距离；H为模具硬度；K为磨损因子；

建立磨损体积修正公式：

V＝α∑E (2)

式中，α为耗损系数；∑E为耗散能量；

二维模型中，某一时刻单点的磨损深度用累计耗散能量来表示，公式如下：

h(x,t)＝αE(x,t) (3)

式中，x是接触面中心节点的水平位移，E(x,t)是累计耗散能量：

式中，q(x,t)为局部瞬时切向牵引力，s(x,t)为局部瞬时滑动距离；

2)球-平面滚动微动磨损深度的离散化计算：

接触节点i的第m次磨损深度用下式表示：

Δh_i,m＝αE_i,m (5)

式中，E_im是单次滑移增量的耗散能量，E_im＝q_imΔs_im，q_i,m是接触节点i的第m次作用的切向牵引力，Δs_im是接触节点i的第m次作用的滑移增量；

接触节点i一个微动周期内的磨损总深度h_i表示为：

式中，m_max是一个时间步的最大增量步数，N_T为微动周期，ΔN为单个时间步步长。

相对于现有技术，本发明的优点在于：

(1)从实验装置可看出，测试出来的特性参数都直接与对磨球和试件直接作用有关，测量的物理量个数较少，所以能够保证结构滚动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)为了便于对影响滚动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、易于更换、易于定位，能够进行重复试验。

(3)本实验装置上夹具的设计，通过在圆盘非圆心位置攻螺纹孔，从而将圆盘绕轴心小角度的往复转动，变为与螺纹孔配合的短轴往复摆动。装置制造方便，装配容易。

(4)本实验装置缓冲台采用多孔板便于下夹具在其上定位与安装，有利于对磨球与试件的相互配合，以保证运动精度。

(5)本实验装置可通过改变与对磨球相连的短轴在上夹具中的旋入深度，从而改变对磨球曲面与试件上曲面的接触点。在保证了对磨球的充分利用的同时减少了装置因调整对磨球位置而耗费的时间。

(6)本实验装置通过联合使用高精度低速回转马达和高精度ATI六维F/T传感器，大大提高了实验装置运转和实验数据测量的精度，也大大降低了实验数据处理的难度，使得建模方法的可靠性得到保证。

(7)本发明的建模方法全面的分析了影响微动的所有因素，并综合分析了滚动微动运动过程，理论依据充实，推导过程严密，与实际过程很好的拟合，是一种全新的建模方法。

附图说明

图1是本发明进行滚动微动磨损试验的装置图。

图2是本试验装置上夹具图；其中图2(a)为上夹具的正视图，图2(b)为左视图。

图3是本试验装置对磨球图：其中图3(a)为对磨球的正视图，图3(b)为左(剖)视图。

图4是本试验装置试件图；其中图4(a)为正视图，图4(b)为左(剖)视图。

图5是本试验装置短轴主视图。

具体实施方式

以下结合工作原理和结构附图对本发明的滚动微动磨损试验装置作进一步详细说明。

如图1至图5所示，本发明一种滚动微动磨损试验装置，包括左底座、螺柱、缓冲台、下夹具、对磨球、角接触球轴承、短轴、上夹具、旋转台、高精度低速回转马达、支承架、右底座、高精度ATI六维F/T传感器、导向杆、应变片、信号采集系统、计算机。底座沿竖向导向杆放置有缓冲台，缓冲台中部设螺柱，试件与下夹具固定并通过螺栓与缓冲台相连，试件的上表面为下凹的圆弧面并于所述的圆弧面上放置有对磨球；对磨球通过角接触球轴承与连接于上夹具的短轴相连，上夹具与旋转台相连，旋转台由与其相连的高精度低速回转马达驱动，马达置于支承架上，支承架通过螺栓固定在右底座上；高精度ATI六维F/T传感器置于缓冲台上并将采集的信号送至信号采集系统；试件内置应变片，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，并将采集到的试验数据传送给计算机。获取不同变量条件下的摩擦力矩、法向力和应力值，找出滚动微动磨损的特点和规律。

本发明中试件上表面即与对磨球的接触面加工为弧形，便于滚动的形成。

首先将试样与下夹具相连，然后将下夹具与沿竖向导向杆置于底座上的缓冲台栓接在一起；将通过角接触球轴承连接于短轴的对磨球置于试件上；高精度低速回转马达驱动通过回转台连接的上夹具，从而驱动螺纹连接于上夹具的短轴；高精度ATI六维F/T传感器置于缓冲台上；螺柱置于缓冲台中部；设定法向载荷、转动角位移幅值、转速、循环周次、切向力和扭矩其中之一为变量，进行微动磨损试验；随后改变所选的变量，再进行微动磨损试验，分别提取摩擦力矩、法向力和转速等实验数据，计算磨损深度。

利用本发明一种测试滚动微动磨损特性的装置来测试不同法向载荷、转动角位移幅值、转速、循环周次、切向力和扭矩下的滚动微动磨损特性的方法，包括：分别采用不同的变量控制模式，获取摩擦力矩、法向力转速实验数据，计算磨损深度；根据不同条件下的试验数据，研究影响滚动微动磨损特性的主要因素及主要因素对滚动微动磨损影响的规律。对于不同条件下滚动微动磨损特性，采用模型来进行模拟，达到预测不同条件下滚动微动磨损特性的目的。利用本装置更换不同的条件(如：试件的材质、结合面的加工方法、结合面的加工质量、结合面的介质状况、结合面间的相对位移性质、整体结构的动载荷性质和大小等因素)可以做不同条件下的实验，从而获取不同条件下滚动微动磨损特性，根据实验数据研究影响不同条件下滚动微动磨损特性的主要因素及主要因素对滚动微动磨损的作用规律，从而预测不同条件的滚动微动磨损特性。

本发明对于球-平面滚动微动处于不同转动角位移幅值、法向载荷、转速、循环周次、切向力和扭矩情况下的磨损状态，采用滚动微动磨损试验装置和磨损深度建模方法进行模拟，从而找出滚动微动磨损的特点和规律；

请参阅图1至图5所示，本发明一种滚动微动磨损试验装置，包括：左底座1、螺柱3、缓冲台4、下夹具6、对磨球10、角接触球轴承8、短轴9、上夹具11、旋转台12、高精度低速回转马达13、支承架14、右底座15、高精度ATI六维F/T传感器5、导向杆2、应变片、信号采集系统和计算机。

左底座1上沿竖向导向杆2放置有缓冲台4，缓冲台4中部设螺柱3(通过旋转螺柱3用于调节对磨球10与试件7之间的作用力)，试件7与下夹具6固定并通过螺栓与缓冲台4相连，试件7的上表面为下凹的圆弧面并于圆弧面上放置有对磨球10；对磨球10通过角接触球轴承8与连接于上夹具11的短轴9相连，上夹具11与旋转台12相连，旋转台12由与其相连的高精度低速回转马达13驱动，马达13置于支承架14上，支承架14通过螺栓固定在右底座15上；高精度ATI六维F/T传感器5置于缓冲台4上并将采集的信号送至信号采集系统；沿试件7的轴线中心处植有应变片，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，并将采集到的试验数据传送给计算机。

左底座1上设有缓冲台4，试件7通过缓冲台4上下移动，并通过缓冲台4完成所述螺柱3的加载。

短轴9通过轴身外螺纹旋入上夹具11的轴线偏心螺纹孔中。

试件7上表面即弧面为对磨球10滚动轨迹的包络面。

缓冲台4为多孔板便于下夹具(6)在其上定位与安装，以保证加工精度。

该试验装置的法向载荷范围处于5～420N之间；滚动的最小角位移幅值为0.36°；角速度控制范围0.01～5°/s，切向力测量范围为1.8～180N，扭矩测量范围10～10000N·mm，测量精度为4N·mm，循环次数1～1000次。

本发明一种滚动微动磨损试验装置进行试验时，包括以下步骤：

首先将试件7与下夹具6相连，然后将下夹具6与沿竖向导向杆2置于底座1上的缓冲台4栓接在一起；将通过角接触球轴承8连接于短轴9的对磨球10置于试件7上；高精度低速回转马达13驱动通过回转台12连接的上夹具11，从而驱动螺纹连接于上夹具11的短轴9；高精度ATI六维F/T传感器5置于缓冲台4上；螺柱3置于缓冲台4中部；设定法向载荷、转动角位移幅值、转速、循环周次、切向力和扭矩其中之一为变量，进行微动磨损试验；随后改变所选的变量，再进行微动磨损试验，分别提取摩擦力矩、法向力和转速实验数据，计算磨损深度，从中辨识各因素对微动磨损的影响规律。

本发明一种磨损深度建模方法，应用滚动微动磨损试验装置进行试验测量对磨球与试件滚动微动的相关参数，求解滚动微动磨损深度具体过程如下：

1)建立基于修正Archard模型的球-平面滚动微动磨损深度计算公式：

Archard磨损模型的公式如下

式中，V为磨损体积；P为接触面的法向压力；S为对磨球与试件之间的切向相对滑移距离；H为模具硬度；K为磨损因子。

在此理论模型中，磨损因子受载荷情况的影响，因而提出一种新的方法，即能量耗损法，此理论模型中，接触面的剪切作用作为影响磨损体积的重要因素，这种模型在求解微动磨损问题中显示出优越性，特别是求解包括部分滑移和整体滑移区域的问题，具体修正公式如下：

V＝α∑E (2)

式中，α为耗损系数，通过磨损试验改变负载和位移量后，可识别出的参数；∑E为耗散能量。

二维模型中，某一时刻单点的磨损深度用累计耗散能量来表示，公式如下：

h(x,t)＝αE(x,t) (3)

式中，x是接触面中心节点的水平位移，E(x,t)是累计耗散能量

式中，q(x,t)为局部瞬时切向牵引力，s(x,t)为局部瞬时滑动距离。

2)球-平面滚动微动磨损深度的离散化计算：

接触节点i的第m次磨损深度用下式表示

Δh_i,m＝αE_i,m (5)

式中，E_im是单次滑移增量的耗散能量，E_im＝q_imΔs_im，q_i,m是接触节点i的第m次作用的切向牵引力，Δs_im是接触节点i的第m次作用的滑移增量。

接触节点i一个微动周期内的磨损总深度h_i可表示为

式中，m_max是一个时间步的最大增量步数，N_T为微动周期，ΔN为单个时间步步长。

Claims (8)

1.滚动微动磨损试验装置，其特征在于，包括：左底座(1)、缓冲台(4)、下夹具(6)、对磨球(10)、上夹具(11)、旋转台(12)、回转马达(13)、右底座(15)、ATI六维F/T传感器(5)、导向杆(2)、应变片、信号采集系统和计算机；

左底座上沿竖向设置有若干导向杆；缓冲台安装于导向杆上；试件与下夹具固定并固定在缓冲台上；试件的上表面为下凹的圆弧面并于圆弧面上放置有对磨球；

回转马达固定在右底座上，回转马达的旋转轴连接旋转台；对磨球通过上夹具连接旋转台；

ATI六维F/T传感器置于缓冲台上，ATI六维F/T传感器的输出端连接信号采集系统；沿试件的轴线中心处植有应变片，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。

2.根据权利要求1所述的滚动微动磨损试验装置，其特征在于，缓冲台的下表面中央设有螺柱(3)。

3.根据权利要求1所述的滚动微动磨损试验装置，其特征在于，对磨球通过角接触球轴承与连接于上夹具的短轴相连。

4.根据权利要求3所述的滚动微动磨损试验装置，其特征在于，短轴偏心安装于上夹具上。

5.根据权利要求1所述的滚动微动磨损试验装置，其特征在于，试件上表面的弧面为对磨球滚动轨迹的包络面。

6.根据权利要求1所述的滚动微动磨损试验装置，其特征在于，所述滚动微动磨损试验装置的法向载荷范围处于5～420N之间；滚动的最小角位移幅值为0.36°；角速度控制范围0.01～5°/s，切向力测量范围为1.8～180N，扭矩测量范围10～10000N·mm，测量精度为4N·mm，循环次数1～1000次。

7.滚动微动磨损试验方法，其特征在于，根据权利要求1至6中任一项所述的滚动微动磨损试验装置，包括以下步骤：

首先将试件与下夹具相连，然后将下夹具与沿竖向导向杆置于底座上的缓冲台栓接在一起；将对磨球置于试件上；回转马达驱动通过回转台连接的上夹具，从而驱动对磨球；

设定法向载荷、转动角位移幅值、转速、循环周次、切向力和扭矩其中之一为变量，进行微动磨损试验；随后改变所选的变量，再进行微动磨损试验，分别提取摩擦力矩、法向力和转速实验数据，计算磨损深度。

8.滚动微动磨损深度建模方法，其特征在于，基于权利要求7所述的滚动微动磨损试验方法所获得的实验数据，计算磨损深度，具体包括以下步骤：

1)建立基于修正Archard模型的球-平面滚动微动磨损深度计算公式：

Archard磨损模型的公式如下：

式中，V为磨损体积；P为接触面的法向压力；S为对磨球与试件之间的切向相对滑移距离；H为模具硬度；K为磨损因子；

建立磨损体积修正公式：

V＝α∑E (2)

式中，α为耗损系数；∑E为耗散能量；

二维模型中，某一时刻单点的磨损深度用累计耗散能量来表示，公式如下：

h(x,t)＝αE(x,t) (3)

式中，x是接触面中心节点的水平位移，E(x,t)是累计耗散能量：

式中，q(x,t)为局部瞬时切向牵引力，s(x,t)为局部瞬时滑动距离；

2)球-平面滚动微动磨损深度的离散化计算：

接触节点i的第m次磨损深度用下式表示：

Δh_i,m＝αE_i,m (5)

式中，E_im是单次滑移增量的耗散能量，E_im＝q_imΔs_im，q_i,m是接触节点i的第m次作用的切向牵引力，Δs_im是接触节点i的第m次作用的滑移增量；

接触节点i一个微动周期内的磨损总深度h_i表示为：

式中，m_max是一个时间步的最大增量步数，N_T为微动周期，ΔN为单个时间步步长。