CN108398344B - 一种可原位观测材料内部疲劳裂纹生长的摩擦磨损试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可原位观测材料内部疲劳裂纹生长的摩擦磨损试验装置，包括工作台，工作台上设置有固定下试样的下固定块，工作台上方设置有横梁，横梁上设置有用于固定上试样氮化硅球的上固定块，上试样抵靠在下试样的上表面，驱动机构驱动上固定块位于横梁的水平方向往复移动，下试样由透明材料制成，工作台上还设置有显微镜，显微镜的镜筒一端指向下试样的一侧面，显微镜的镜筒另一端设置有摄像机，工作台上还设置有光源，光源指向下试样的另一侧面，由于下试样为透明材料制成，实验过程中可以通过显微镜直接观察下试样摩擦界面下的内部疲劳裂纹，并且通过摄像机记录裂纹的生长、拓展和消失的过程，获得对材料下表面磨损和破坏机理的进一步认识。

Description

一种可原位观测材料内部疲劳裂纹生长的摩擦磨损试验装置

技术领域

本发明涉及试验设备技术领域，具体涉及一种可原位观测材料内部疲劳裂纹生长的摩擦磨损试验装置。

背景技术

试样的摩擦磨损试验是通过针对工件或制备试样的实际面对摩擦的部位进行加速的摩擦磨损测试，以便在短时间内测试其摩擦系数和磨损率曲线，这对试样的应用研究起到较为关键的作用。本装置中使用的线性往复式摩擦副是一种典型的摩擦磨损实验的实现方式，实际操作时，将待测试的两块试样放置在试验机上，并且两块试样的待测试面贴合，利用加压设备实施对其中一块试样进行加压，并且来回拉动试样，从而实现两个试样的来回摩擦，在设定的时间以及设定的压力下，记录试样摩擦系数与磨损量，从而来判断试样的摩擦学性能。

低摩擦系数下的金属表面疲劳磨损是滚动轴承等摩擦学关键零部件失效的主要方式，由于赫兹接触压力导致材料所受最大剪应力发生在接触面下材料内部某一深度，金属材料内部的天然缺陷成为材料破坏的起点，诱发裂纹的产生、扩大和迁移，当裂纹扩展到表面时，就会产生磨屑，造成表面疲劳磨损和润滑失效。现有技术中，通常采用光学显微镜或其他表面成像技术对试样磨损后的上表面进行观测以判断疲劳磨损的发生，但无法获取材料内部裂纹的分布和扩展情况，缺乏针对起始于接触面下方材料内部的裂纹扩展过程的原位实验能力，妨碍了对下表面疲劳磨损机理的深入研究。

发明内容

本发明的目的是：首次提供一种可原位观测透明材料内部疲劳裂纹生长的摩擦磨损试验装置，从而为滚动轴承疲劳失效机理的相关研究提供重要工具。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

可原位观测材料内部疲劳裂纹生长的摩擦磨损试验装置，包括工作台，所述工作台上设置有固定下试样的下固定块，所述工作台上方设置有横梁，所述横梁上设置有用于固定上试样氮化硅小球的上固定块，所述上试样抵靠在下试样的上表面，驱动机构驱动上固定块位于横梁的水平方向往复移动，所述下试样由透明材料制成，所述工作台上还设置有显微镜，所述显微镜的镜筒一端指向下试样的一侧面，所述显微镜的镜筒另一端设置有摄像机，所述工作台上还设置有光源，所述光源指向下试样的另一侧面。

本发明还存在下列技术特征：

所述下固定块设置在下滑台上，所述下滑台位于工作台的三维度位置可调。

所述下固定块设置在三维力传感器上，所述三维力传感器用于测量下试样的压力及摩擦力。

所述上固定块与横梁之间设置有调节机构，调节机构调节上固定块位于工作台的水平方向及竖直方向移动。

所述调节机构包括滑动设置在横梁上的第一固定块，第一固定块与横梁的滑动方向水平，所述第一固定块上设置有第一滑块，所述第一滑块上端设置有第一调节螺栓用于调节第一滑块位于第一固定块上的竖直位置，所述第一滑块上设置有第二固定块，所述第二固定块上设置有第二滑块，所述第二滑块上设置有第二调节螺栓用于调节第二滑块位于第二固定块上的水平位置，所述上固定块设置在第二滑块上。

所述驱动机构包括设置在横梁上的第一丝杆，所述第一丝杆长度方向水平且与第一固定块的螺母连接，所述第一丝杆的两端转动设置在支架上且杆端与电机的转轴连接。

所述支架上设置有位移传感器，所述位移传感器呈杆状且杆长方向水平，所述位移传感器的杆端指向第一固定块的一侧。

所述三维力传感器下方设置有可调倾斜平台。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：上述的上试样固定在上固定块上，上固定块设置在横梁上，启动驱动机构驱动上固定块水平往复移动，从而使得上试样位于下试样的上端面往复移动，并且下试样为二氧化硅玻璃或其他透明材料制成，上试样对下式样的摩擦产生的裂纹通过显微镜观察，并且通过摄像机记录，从而可获得试样的摩擦下表面裂纹的形貌和变化。

附图说明

图1和图2是摩擦磨损试验装置的两种视角的结构示意图；

图3是摩擦磨损试验装置移出工作台、显微镜、摄像机及光源后的结构示意图。

图4是上试与下式样的摩擦副接触示意图;

图5是平台俯视图；

图6和图7是平台两种视角的侧视图。

具体实施方式

结合图1至图7，对本发明作进一步地说明：

可原位观测材料内部疲劳裂纹生长的摩擦磨损试验装置，包括工作台10，所述工作台10上设置有固定下试样的下固定块20，所述工作台10上方设置有横梁30，所述横梁30上设置有用于固定上试样氮化硅小球的上固定块40，所述上试样抵靠在下试样的上表面，驱动机构驱动上固定块40位于横梁30的水平方向往复移动，所述下试样由透明材料制成，所述工作台10上还设置有显微镜50，所述显微镜50的镜筒一端指向下试样的一侧面，所述显微镜50的镜筒另一端设置有摄像机60，所述工作台10上还设置有光源90，所述光源90指向下试样的另一侧面；

结合图2和图4所示，上述的上试样固定在上固定块40上，上固定块40设置在横梁30上，启动驱动机构驱动上固定块40水平往复移动，从而使得上试样位于下试样的上端面往复移动，并且下试样由二氧化硅玻璃或其他透明材料制成，上试样对下试样的摩擦磨损产生的下表面疲劳裂纹通过显微镜50观察，并且通过摄像机60记录，从而可获得试样的摩擦下表面裂纹的形貌和变化，实现摩擦下表面裂纹的原位观测；

上述的光源90照射在下式样的一侧，从而可方便显微镜50获得准确的图像信息，并利用摄像机60进行记录，从而可准确获得裂纹沟壑的图谱。

作为本发明的优选方案，所述下固定块20设置在下滑台70上，所述下滑台70位于工作台10的三维度位置可调；

上述的下滑台70可实现对下固定块20的各个方位位置的调整，从而使得下式样与显微镜50的位置调整到最佳状态，确保显微镜50获得的裂纹图像的准确度。

为实现对下式样承受的摩擦力及压力的测量，所述下固定块20设置在力传感器上，所述力传感器用于测量下试样所受的压力及摩擦力；

上述的力传感器为常见的三维力传感器80，可方便测量下式样所承受的上试样的压力及摩擦力。

进一步地，所述上固定块40与横梁30之间设置有调节机构，调节机构调节上固定块40位于工作台10的水平方向及竖直方向移动；

上述的调节机构可调节上试样位于下式样的上端面，调节方便，从而确保驱动机构驱动上试样移动时，上试样始终处在下试样的上端面。

具体地，所述调节机构包括滑动设置在横梁30上的第一固定块31，第一固定块31与横梁30的滑动方向水平，所述第一固定块31上设置有第一滑块32，所述第一滑块32上端设置有第一调节螺栓用于调节第一滑块32位于第一固定块31上的竖直位置，所述第一滑块32上设置有第二固定块33，所述第二固定块33上设置有第二滑块34，所述第二滑块34上设置有第二调节螺栓用于调节第二滑块34位于第二固定块33上的水平位置，所述上固定块40设置在第二滑块34上。

更进一步地，所述驱动机构包括设置在横梁30上的第一丝杆35，所述第一丝杆35长度方向水平且与第一固定块31的螺母连接，所述第一丝杆35的两端转动设置在支架36上且杆端与电机37的转轴连接。

为实现对上试样往复移动距离的限定，所述支架36上设置有位移传感器38，所述位移传感器38呈杆状且杆长方向水平，所述位移传感器38的杆端指向第一固定块31的一侧；当距离传感器38测量的距离信号与设定的最短距离信号吻合时，电机驱动程序控制电机37反转，从而使得上试样返回移动，当距离传感器38测量的距离信号与设定的最长距离信号吻合时，程序控制电机37正转，使得上试样位于下式样上端处在限定的往复距离内移动。

为确保上试样与下式样接触的平面度，确保试验精度，所述三维力传感器80下方设置有板面角度可调的平台100，可配合水平仪调整下试样上表面的水平；

结合图5至图7所示，上述的平台100包括板面水平的上、下板101、102，所述上、下板101、102呈正四边形，位于上、下板101、102的对角处分别设置有第一、第二调节杆103、104，所述第一调节杆103的上端与上板101构成螺纹连接，所述第一调节杆103的下端与下板102构成转动连接，所述第一调节杆103上设置有第一调节转盘1031，所述下板102的拐角处设置有容纳第一调节转盘1031的第一缺口1021，所述第二调节杆104的上端与上板101构成转动连接，所述第二调节杆104的下端与下板102构成螺纹连接，所述第二调节杆104上设置有第二调节转盘1041，所述上板101的拐角处设置有容纳第二调节转盘1041的第二缺口1011，所述上、下板101、102之间设置有拉簧105，所述拉簧105位于上、下板101、102之间设置多个；

所述上板101设置有第一支撑弹簧1012，所述第一支撑弹簧1012的端部设置有第一支撑头1013，所述下板102上设置有与第一支撑头1013抵靠的第一支撑柱106，所述下板102上设置有第二支撑弹簧1022，所述第二支撑弹簧1022的端部设置有第二支撑头1023，所述上板101上设置有与第二支撑头1023抵靠的第二支撑柱107；

上述的支撑头与支撑柱配合，从而实现对上、下板101、102的支撑，通过调节上述的第一调节转盘1031及第二调节转盘1041，可实现对上101倾斜度的调整，进而将调整下试样上表面的处在水平状态。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种可原位观测材料内部疲劳裂纹生长的摩擦磨损试验装置，其特征在于：包括工作台（10），所述工作台（10）上设置有固定下试样的下固定块（20），所述工作台（10）上方设置有横梁（30），所述横梁（30）上设置有用于固定上试样氮化硅球的上固定块（40），所述上试样抵靠在下试样的上表面，驱动机构驱动上固定块（40）位于横梁（30）的水平方向往复移动，所述下试样由透明材料制成，所述工作台（10）上还设置有显微镜（50），所述显微镜（50）的镜筒一端指向下试样的一侧面，所述显微镜（50）的镜筒另一端设置有摄像机（60），所述工作台（10）上还设置有光源（90），所述光源（90）指向下试样的另一侧面；

平台（100）设置在下滑台（70）上，所述下滑台（70）位于工作台（10）的三维度位置可调；

所述下固定块（20）设置在三维力传感器（80）上，所述三维力传感器（80）用于测量下试样承受的压力及摩擦力；

所述三维力传感器（80）下方设置在平台（100）上；

所述平台（100）包括板面水平的上、下板（101、102），所述上、下板（101、102）呈正四边形，位于上、下板（101、102）的对角处分别设置有第一、第二调节杆（103、104），所述第一调节杆（103）的上端与上板（101）构成螺纹连接，所述述第一调节杆（103）的下端与下板（102）构成转动连接，所述第一调节杆（103）上设置有第一调节转盘（1031），所述下板（102）的拐角处设置有容纳第一调节转盘（1031）的第一缺口（1021），所述第二调节杆（104）的上端与上板（101）构成转动连接，所述述第二调节杆（104）的下端与下板（102）构成螺纹连接，所述第二调节杆（104）上设置有第二调节转盘（1041），所述上板（101）的拐角处设置有容纳第二调节转盘（1041）的第二缺口（1011），所述上、下板（101、102）之间设置有拉簧（105），所述拉簧（105）位于上、下板（101、102）之间设置多个；

所述上板（101）设置有第一支撑弹簧（1012），所述第一支撑弹簧（1012）的端部设置有第一支撑头（1013），所述下板（102）上设置有与第一支撑头（1013）抵靠的第一支撑柱（106），所述下板（102）上设置有第二支撑弹簧（1022），所述第二支撑弹簧（1022）的端部设置有第二支撑头（1023），所述上板（101）上设置有与第二支撑头（1023）抵靠的第二支撑柱（107）。

2.根据权利要求1所述的可原位观测材料内部疲劳裂纹生长的摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述上固定块（40）与横梁（30）之间设置有调节机构，调节机构调节上固定块（40）位于工作台（10）的水平方向及竖直方向移动。

3.根据权利要求2所述的可原位观测材料内部疲劳裂纹生长的摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述调节机构包括滑动设置在横梁（30）上的第一固定块（31），第一固定块（31）与横梁（30）的滑动方向水平，所述第一固定块（31）上设置有第一滑块（32），所述第一滑块（32）上端设置有第一调节螺栓用于调节第一滑块（32）位于第一固定块（31）上的竖直位置，所述第一滑块（32）上设置有第二固定块（33），所述第二固定块（33）上设置有第二滑块（34），所述第二滑块（34）上设置有第二调节螺栓用于调节第二滑块（34）位于第二固定块（33）上的水平位置，所述上固定块（40）设置在第二滑块（34）上。

4.根据权利要求3所述的可原位观测材料内部疲劳裂纹生长的摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述驱动机构包括设置在横梁（30）上的第一丝杆（35），所述第一丝杆（35）长度方向水平且与第一固定块（31）的螺母连接，所述第一丝杆（35）的两端转动设置在支架（36）上且杆端与电机（37）的转轴连接。

5.根据权利要求4所述的可原位观测材料内部疲劳裂纹生长的摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述支架（36）上设置有位移传感器（38），所述位移传感器（38）呈杆状且杆长方向水平，所述位移传感器（38）的杆端指向第一固定块（31）的一侧。

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