CN109115640B - 材料磨损寿命预测方法、设备、和材料磨损测试装置 - Google Patents

材料磨损寿命预测方法、设备、和材料磨损测试装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种材料磨损寿命的预测方法、设备和材料磨损测试装置。该方法包括设定测试条件的参数；获取材料在测试条件中的摩擦性能的数据和材料的失效临界硬度；对数据进行处理，得到材料的摩擦性能的变化关系；根据变化关系和失效临界硬度，计算材料的磨损寿命。该装置包括：基盘；磨片，磨片用于与样品进行摩擦，磨片被固定在基盘上；温度控制单元，用于控制测试环境的温度；压力控制单元，用于对样品施加恒定压力；平衡臂，平衡臂的一端与样品同轴线相连，通过调整平衡臂，改变样品在磨片上的摩擦角度；驱动单元，与基盘相连，用于控制基盘的转动速度和转动方向。本发明对材料磨损寿命进行准确预测，提高试验效率和试验经济性。

Description

材料磨损寿命预测方法、设备、和材料磨损测试装置
技术领域
本发明涉及一种材料磨损寿命的预测方法、设备和材料磨损测试装置。
背景技术
耐磨性是指材料在一定摩擦条件下抵抗磨损的能力。磨损现象很常见，造成这一现象的原因很多有物理化学和机械方面的，主要由磨粒磨损，粘着磨损，疲劳磨损，腐蚀磨损构成。耐磨性几乎和材料的所有性能都有关系，而且在不同磨耗机理条件下，为提高耐磨性对材料性能亦有不同要求。很多产品在使用过程中需要与使用者直接接触，或者与其它物体发生反复摩擦及接触，这种多次重复接触可能造成产品表面磨损而影响产品外形美观甚至使用性能，因而这类产品的表面耐磨性能是一项重要质量指标，在产品的质量控制过程中，必须要对产品的表面耐磨性能进行测试。尤其对于诸如滚动件和摩擦件等在机械运转中经常使用的部件。由于它们是易损件，其磨损寿命是一个十分重要的指标。
通常，这些运动件是在实际使用中考查磨损寿命，但是为了验证试制产品的磨损寿命或在批量生产之前测定摩擦件或滚动件的磨损寿命，大多使用摩擦机来完成表面耐磨性能测试。摩擦机的原理为，通过与测试头的摩擦而产生磨损，通过计算磨损量，磨损深度等相关数据可以判断产品的表面耐磨性能。但是这种传统的测试很难模拟实际工况，因此测试和模拟结果的可靠性和准确性存在不足。因此，更无法根据少量的试验数据对材料磨损寿命进行准确预测，达到节约试验时间和成本的目的，来提高试验效率和试验经济性。
在改进的已知方案中，摩擦件的加载利用杠杆砝码系统来实现恒负载试验。但是该方案不能完全模拟真实工作环境下产品的磨损情况，如温度的变化对摩擦性能的影响；还有不同旋转方向对材料摩擦性能的影响。因此其结果存在很大的局限性并且准确性还有不足，不能实现对材料磨损寿命的准确预测，达到节约试验时间和成本来提高试验效率和试验经济性。
在另一已知方案中，利用恒温水浴装置模拟不同的温度和液体环境，并进行聚合物与对偶件的滚动摩擦磨损试验。但是该方案也不能完全模拟真实工作环境下产品的磨损情况，如不同旋转方向变化对摩擦性能的影响；还有不同摩擦角度对材料摩擦性能的影响。因此其结果存在很大的局限性并且准确性还有不足，不能实现对材料磨损寿命的准确预测，达到节约试验时间和成本来提高试验效率和试验经济性。
发明内容
为了解决现有技术不能很好的对材料磨损寿命进行准确预测的问题。本发明的实施例提供一种材料磨损寿命的预测方法、设备和材料磨损测试装置。本发明的材料磨损测试装置能够模拟真实工作环境下材料的磨损；本发明的材料磨损寿命的预测方法和设备能够根据少量的试验数据对材料磨损寿命进行准确预测，达到节约试验时间和成本的目的，提高试验效率和试验经济性。
根据本发明的第一方面，提供了一种材料磨损寿命的预测方法，该方法包括如下步骤：设定步骤，设定测试条件的参数；获取步骤，获取材料在测试条件中的摩擦性能的数据和材料的失效临界硬度；处理步骤，对数据进行处理，得到材料的摩擦性能的变化关系；计算步骤，根据变化关系和失效临界硬度，计算材料的磨损寿命。
根据本发明的第二方面，提供一种材料磨损寿命的预测设备，包括如下模块：设定模块，用于设定测试条件的参数；获取模块，用于获取材料在测试条件中的摩擦性能的数据和材料的失效临界硬度；处理模块，用于对数据进行处理，得到材料的摩擦性能的变化关系；计算模块，用于根据变化关系和失效临界硬度，计算材料的磨损寿命。
根据本发明的第三方面，提供一种材料磨损测试装置，材料磨损测试装置包括：基盘；磨片，磨片用于与样品进行摩擦，磨片被固定在基盘上；温度控制单元，用于控制测试环境的温度；压力控制单元，用于对样品施加恒定压力；平衡臂，平衡臂的一端与样品同轴线相连，通过调整平衡臂，改变样品在磨片上的摩擦角度；驱动单元，与基盘相连，用于控制基盘的转动速度和转动方向。
根据本发明的第四方面，还提供一种非易失性存储介质，该非易失性存储介质具有存储在其中的指令，当该指令被执行时，使得处理器执行材料磨损寿命的预测方法，该指令包括：设定指令，设定测试条件的参数；获取指令，获取所述材料在所述测试条件中的摩擦性能的数据和所述材料的失效临界硬度；处理指令，对所述数据进行处理，得到所述材料的所述摩擦性能的变化关系；计算指令，根据所述变化关系和所述失效临界硬度，计算所述材料的磨损寿命。
根据本发明的第五方面，还提供一种系统，包括存储器，存储有计算机可执行指令，处理器，处理器被配置为执行指令以实施材料磨损寿命的预测的过程，该过程包括：设定步骤，设定测试条件的参数；获取步骤，获取所述材料在所述测试条件中的摩擦性能的数据和所述材料的失效临界硬度；处理步骤，对所述数据进行处理，得到所述材料的所述摩擦性能的变化关系；计算步骤，根据所述变化关系和所述失效临界硬度，计算所述材料的磨损寿命。
附图说明
图1示出了根据本发明实施例的实例性的材料磨损测试装置100的结构示意图。
图2示出了根据本发明实施例的实例性的材料磨损测试装置100的平衡臂调节的示意图。
图3示出了根据本发明实施例的材料磨损寿命预测方法300的流程图。
图4示出了根据本发明实施例的用于材料磨损寿命预测的设备的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为了方便理解本发明实施例，首先在此介绍本发明实施例描述中引入的几个要素：
定伸应力：使样品拉伸达到给定长度所需施加的单位截面积上的负荷量。定伸应力是橡胶材料等的一项力学指标。
保有率：指样品经过单位时间的使用后，其力学指标性能所剩余的百分比。
磨损寿命：材料从最佳性能状态经过磨损达到失效临界状态所需的时间。其中，失效通常是指，国家标准中规定，当材料的力学性能保持率降至50％时，材料制品将被认为失效。
图1示出了根据本发明实施例的实例性的材料磨损测试装置100的示意图。磨损测试装置100包括：基盘101、磨片102、测试室103、温度控制单元104、压力控制单元105、平衡臂107、驱动单元108、调节单元109和机座110。
根据本发明的实施例，驱动单元108设置于机座110的内部。驱动单元108通过传动部件与基盘101延伸到机座110内部的主轴动连接，具体地，驱动单元108驱动一主动轮，该主动轮与设于基盘101的主轴的从动轮通过传动带连接，由此，驱动单元108驱动基盘101转动。该基盘101设置在机座110上表面的一侧，基盘101的顶部用于固定磨片102。
测试室103包括外壳、基盘101、磨片102、温度控制单元104、压力控制单元105的一部分和平衡臂107的一部分。测试室103的外壳由隔热材料构成，其中，温度控制单元104设于该外壳上部的内表面，并且外壳设有至少二个通孔，压力控制单元105和平衡臂107的一部分分别穿过通孔进入测试室103中，这样，在不影响各部件操作的前提下，压力控制单元105和平衡臂107各自的一部分被密封在测试室103内。
平衡臂107在测试室103内的一端用于加载样品106。可根据需要选择样品的形状和材质，但由于在实际工况下，滚动件的使用频率较高，因此作为一个实例，样品106一般被塑形为滚轮状。平衡臂107从样品106的轴心穿过并且与样品106同轴线相连，使得样品106以平衡臂107为轴旋转，并在磨片102上滚动。压力控制单元105通过两个竖直的压力臂从上方垂直向下将力作用在平衡臂107上，具体地，样品106与力臂平行并位于两个力臂中间，力臂分别作用在样品106轴心两侧的平衡臂107上，样品106通过平衡臂受到与水平方向垂直的压力，而且这样的结构可以保证样品106与磨片102的接触面上的压力是均匀分布的。
平衡臂107在测试室103外部的一端与调节单元109连接。调节单元109位于测试室103外部，且在机座110上表面与基盘相对的一侧。
另外，如图1所示，作为一个实例，机座还可以包括一由坚固、透明的材质构成的外罩。该外罩用于提高装置操作过程中的安全性和试验环境的稳定性。
当利用上述磨损测试装置100对所需检测的样品进行测试时，首先，根据样品的实际使用工况，选择所需的磨片102。例如，磨片102可以是陶瓷材料，各种标号的钢和/或其他合金材料，进一步地，由相同材料制成的磨片102的摩擦表面还可以具有不同的粗糙程度。另外，根据实际使用情况，磨片102的表面可以涂敷不同的润滑介质。这样，可以模拟不同接触摩擦面和润滑介质对材料耐磨性能的影响关系，也能够使试验数据更为准确和可靠。
接下来，将样品106安装在平衡臂107上，其中样品106与磨片102的摩擦表面相接触并且垂直于摩擦表面。然后，设定温度控制单元104和压力控制单元105，其中，温度控制单元104用于控制测试室103内的温度，使测试环境温度符合样品106实际使用环境温度，压力控制单元105用于控制样品106与磨片102摩擦时的压力。一般地，温度控制单元104可以包括温度传感器、加热部件、温度设定部件和温度调节部件。压力控制单元105可以使用液压机，液压机可以提供较大的压力范围，并且可以确保在试验中样品106受力恒定且均匀。这样，磨损测试装置100可模拟不同温度及压力下对材料耐磨性能的影响关系，也能够使试验数据更为准确、可靠。
如图2所示，调节单元109用于调节和固定平衡臂107。根据本发明的一实施例，当样品106为滚轮形时，调节单元109可以在0度到10度的范围内调节平衡臂107的偏转角。通过调节平衡臂107，使样品106在磨片102上的摩擦角度得到调节。具体地，当平衡臂偏转角为0度时，样品106的滚动方向与磨片102的转动方向的切线平行，这时，样品106与磨片102之间只发生滚动摩擦；当平衡臂的偏转角大于0度时，样品106的滚动方向与磨片的转动方向的切线成一夹角，该夹角等于平衡臂的偏转角，这时，样品106与磨片102之间同时发生滚动摩擦和滑动摩擦。这样，即可模拟在实际使用情况下，不同摩擦角度对材料耐磨性能的影响关系，使试验数据更为准确、可靠。
驱动单元108可根据试验要求，进行不同转动速度及转动方向的控制，模拟不同转速及方向下对材料耐磨性能的影响关系。
本发明还涉及一种材料磨损寿命的预测方法。
对于材料的加速磨损测试，一般需要选取一个力学性能指标作为研究标的。对于诸如橡胶等材料来说，定伸应力是其力学性能变化的重要指标。本发明的材料磨损寿命预测方法将定伸应力保有率用作判断材料寿命到达失效临界状态的判断条件。但是由于从失效材料中获得准确的定伸应力非常困难，本发明通过获得材料在磨损过程中硬度与定伸应力之间的关系并根据失效材料的临界硬度，预测材料的磨损寿命。
图3示出了根据本发明一实施例的材料磨损寿命预测方法300的流程图。
根据本发明的一个实施例，在设定步骤S1，根据材料的实际应用场景和条件，设定测试条件参数。测试条件参数可以包括但不限于，测试时间、环境温度、测试压力、润滑介质、摩擦面的摩擦系数、摩擦角度和摩擦速度等。然后根据已设定的测试条件参数，配置磨损测试装置100，并启动装置对样品进行磨损测试。在磨损测试过程中，保持测试条件不变，根据随机分布或固定间隔的采样时间点，对样品的硬度和定伸应力进行采样。
在获取步骤S2，获取磨损测试中样品的摩擦性能数据，该数据包含样品在相应时间的硬度和定伸应力。此外，获取样品所对应材料在失效时的临界硬度。
接下来，在处理步骤S3，根据已获取的数据，对磨损测试期间硬度以及对应的定伸应力进行处理，将两者的数据制成散点图后进行线性拟合，从而可以构建出硬度保有率(H)及定伸应力保有率(P)的关系式：
P＝f1(H)+A (1)
其中，f1为函数关系，A为关系常数。
同时，进一步构建定伸应力保有率(P)与工作时间(t)的关系。由于在恒定测试温度(T)下，定伸应力保有率(P)与工作时间(t)具有以下关系：
lnP＝-K(T)×t+B (2)
其中，K(T)是性能变化率的系数，其在给定温度下是一个常数。B亦是常数。因此，对于lnP和老化时间t而言，存在着线性关系。根据磨损测试中不同的恒定环境温度对应测试材料的定伸应力保有率，通过取对数及线性回归可以得到不同恒定温度下，工作时间(t)与定伸应力保有率(P)的关系式：
P＝f2(t)+B (3)
其中，f2是函数关系，B为关系常数。
在计算步骤S4，根据关系式(1)和(3)，计算样品材料的磨损寿命。首先，将失效材料的临界硬度的保有率代入关系式(1)中，可以得到失效材料的定伸应力保有率的数据；然后，将该定伸应力保有率代入关系式(3)中，得到恒定温度下样品的能够工作的时间及材料的磨损寿命。
图4是根据本发明示例性的实施例的用于材料磨损寿命预测的设备400的示意图。设备400包括：设定模块401，用于设定测试条件的参数；获取模块402，用于获取所述材料在所述测试条件中的摩擦性能的数据和所述材料的失效临界硬度；处理模块403，用于对所述数据进行处理，得到所述材料的所述摩擦性能的变化关系；计算模块404，用于根据所述变化关系和所述失效临界硬度，计算所述材料的磨损寿命。
需要说明的是，设备400的设定模块401、获取模块402、处理模块403和计算模块404可以被配置为用于执行方法300中相应的操作、动作以及过程，此处省略对这些操作、动作以及过程的描述。
进一步的，根据本发明的另一实施例，还提供一种非易失性存储介质，该非易失性存储介质具有存储在其中的指令，当该指令被执行时，使得处理器执行气蚀预测方法，该指令包括：设定指令，设定测试条件的参数；获取指令，获取所述材料在所述测试条件中的摩擦性能的数据和所述材料的失效临界硬度；处理指令，对所述数据进行处理，得到所述材料的所述摩擦性能的变化关系；计算指令，根据所述变化关系和所述失效临界硬度，计算所述材料的磨损寿命。
进一步的，根据本发明的另一实施例，还提供一种系统，包括存储器，存储有计算机可执行指令，处理器，处理器被配置为执行指令以实施气蚀预测的过程，该过程包括：设定步骤，设定测试条件的参数；获取步骤，获取所述材料在所述测试条件中的摩擦性能的数据和所述材料的失效临界硬度；处理步骤，对所述数据进行处理，得到所述材料的所述摩擦性能的变化关系；计算步骤，根据所述变化关系和所述失效临界硬度，计算所述材料的磨损寿命。
本文描述了一些实施例，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳方式。当然，通过阅读前述描述，这些所述实施例的变型对于本领域普通技术人员将是显而易见的。本发明人预期技术人员会视情况采用这些变型，并且本发明人预期本发明能以不同于本文具体所述的方式实施。因而，本说明书和权利要求按照适用法律所允许的那样包括在所附权利要求书中所述主题的所有修改形式和等同形式。此外，本说明书和权利要求涵盖其所有可能变型中上述要素的任意组合，除非本文另外指明或上下文明显矛盾。
最后，应当理解，本文所公开的实施例是对本发明原理的示例。可采用的其他修改形式也在本发明的范围内。因此，以举例的方式而非限制，可根据本文的教导内容来利用另选构型。因此，本发明不限于明确所示和所述的内容。

Claims (13)

1.一种材料磨损寿命的预测方法，其特征在于，包括：
设定步骤，设定测试条件的参数；
获取步骤，获取所述材料在所述测试条件中的摩擦性能的数据和所述材料的失效临界硬度；
处理步骤，对所述数据进行处理，得到所述材料的硬度保有率与定伸应力保有率之间的变化关系；
计算步骤，根据所述变化关系和所述失效临界硬度，计算所述材料的磨损寿命，
所述磨损寿命为所述材料的所述定伸应力保有率从100％下降至50％所需要的时间，
所述失效临界硬度为所述定伸应力保有率到达50％时所述材料的硬度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述测试条件的所述参数包括：对所述材料施加的应力、环境温度，以及测试时间。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述磨损寿命通过所述材料的所述定伸应力保有率衡量。
4.一种材料磨损寿命预测设备，其特征在于，包括：
设定模块，用于设定测试条件的参数；
获取模块，用于获取所述材料在所述测试条件中的摩擦性能的数据和所述材料的失效临界硬度；
处理模块，用于对所述数据进行处理，得到所述材料的硬度保有率与定伸应力保有率之间的变化关系；
计算模块，用于根据所述变化关系和所述失效临界硬度，计算所述材料的磨损寿命，
所述磨损寿命为所述材料的所述定伸应力保有率从100％下降至50％所需要的时间，
所述失效临界硬度为所述定伸应力保有率到达50％时所述材料的硬度。
5.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述测试条件的所述参数包括：对所述材料施加的应力、环境温度，以及测试时间。
6.根据权利要求4所述的设备，其特征在于，所述磨损寿命通过所述材料的所述定伸应力保有率衡量。
7.一种材料磨损寿命预测系统，其特征在于，包括：
存储器，存储有计算机可执行指令；
处理器，所述处理器被配置为执行所述指令以实施磨损寿命预测的过程，所述过程包括：设定步骤，设定测试条件的参数；
获取步骤，获取所述材料在所述测试条件中的摩擦性能的数据和所述材料的失效临界硬度；
处理步骤，对所述数据进行处理，得到所述材料的硬度保有率与定伸应力保有率之间的变化关系；
计算步骤，根据所述变化关系和所述失效临界硬度，计算所述材料的磨损寿命，
所述磨损寿命为所述材料的所述定伸应力保有率从100％下降至50％所需要的时间，
所述失效临界硬度为所述定伸应力保有率到达50％时所述材料的硬度。
8.一种非易失性存储介质，该非易失性存储介质具有存储在其中的指令，当该指令被执行时，使得处理器执行材料磨损寿命预测方法，该指令包括：
设定指令，设定测试条件的参数；
获取指令，获取所述材料在所述测试条件中的摩擦性能的数据和所述材料的失效临界硬度；
处理指令，对所述数据进行处理，得到所述材料的硬度保有率与定伸应力保有率之间的变化关系；
计算指令，根据所述变化关系和所述失效临界硬度，计算所述材料的磨损寿命，
所述磨损寿命为所述材料的所述定伸应力保有率从100％下降至50％所需要的时间，
所述失效临界硬度为所述定伸应力保有率到达50％时所述材料的硬度。
9.一种材料磨损测试装置，其特征在于，包括：
如权利要求4所述的材料磨损寿命预测设备；
基盘；
磨片，所述磨片用于与样品进行摩擦，所述磨片被固定在所述基盘上；
温度控制单元，用于控制测试环境的温度；
压力控制单元，用于对所述样品施加恒定压力；
平衡臂，所述平衡臂的一端与所述样品同轴线相连，通过调整所述平衡臂，改变所述样品在所述磨片上的摩擦角度；
驱动单元，与所述基盘相连，用于控制所述基盘的转动速度和转动方向。
10.根据权利要求9所述的材料磨损测试装置，其特征在于，所述样品为滚轮形，所述样品以所述平衡臂为转动轴在所述磨片上垂直滚动，并且所述样品的滚动面与所述磨片接触摩擦。
11.根据权利要求9所述的材料磨损测试装置，其特征在于，通过调整所述平衡臂，使所述样品在所述磨片上仅发生滚动摩擦，或者，使所述样品在所述磨片上同时发生滚动摩擦和滑动摩擦。
12.根据权利要求11所述的材料磨损测试装置，其特征在于，所述平衡臂的调整范围为0度至10度。
13.根据权利要求12所述的材料磨损测试装置，其特征在于，所述压力控制单元为液压装置，所述恒定压力通过所述液压装置施加在所述平衡臂固定有所述样品的一端。
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