CN109682704B - 低温扭动微动摩擦磨损试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种低温扭动微动摩擦磨损试验装置，属于精密摩擦磨损测试领域。试验定位—法向力加载单元由高性能伺服液压缸输出动力实现加载；回转扭动单元由精密伺服电机配合蜗轮蜗杆增扭减速，实现高精度低速扭转；低温精密夹持单元由设有冷却循环通道的专用夹具通过液氮循环实现低温加载及下试件夹持；数据采集单元由高精度六维力/转矩传感器、扭矩转速传感器，红外测温仪实现多参数检测；检测控制单元由计算机进行闭环控制，对试验中产生的数据进行实时处理和分析。结构精巧，准确性高，原理创新可靠，可对低温下材料的扭动微动摩擦磨损行为和失效损伤机制进行深入研究。
Description
技术领域
本发明涉及精密摩擦磨损测试领域，特别涉及扭动式微动摩擦磨损试验设计领域，尤指一种低温扭动微动摩擦磨损试验装置。用于低温环境下扭动微动摩擦磨损过程中的材料磨损性能试验，可对材料在低温扭动微动摩擦过程中的摩擦力、摩擦系数、磨损形貌等进行检测，进而研究揭示其在特殊扭动方式摩擦磨损中的磨损特性和失效机理。
背景技术
微动是指接触表面间发生的振幅极小的相对运动，一般发生在紧配合的轴颈，汽轮机和压气机叶片配合处，受振动影响的螺栓、铆钉等联接件的接合面，绳和绳轮，液压装置中的活塞等处。由于两接触表面间的微动导致的接触表面的擦伤、粘着、凹坑(或麻点)、局部磨损条纹(或沟槽)以及表面微裂纹等叫做微动磨损。微动磨损不仅会改变零件的表面质量、尺寸，使得尺寸精度降低、配合件变松，还会引起应力集中，形成微观裂纹，导致零件疲劳断裂。针对具体工况下的接触情况，研究其微动磨损特性及失效机理，对抑制微动磨损，提高构件的使用寿命具有至关重要意义。
根据运动方式的不同，微动磨损分为平移式、径向式、扭转式和滚动式。截至目前，大多数的微动磨损研究局限于平移式。然而，扭转式微动磨损也广泛存在，其不仅发生在人体，如髋关节和膝关节，还发生在许多工程应用中，如汽车中的球体和铁路车辆的中心板等。在实际应用中，扭转微动通常以扁平接触的形式发生，如可控螺距螺旋桨中的叶片轴承和铁路车架中转向架的中心板等，因此，研究扁平接触条件下材料的扭动式微动磨损机制可以为高精尖领域关键零部件服役过程中的微动磨损失效提供理论分析和指导。
同时，上述工程应用中很多材料不可避免的会工作在低温环境中，例如极寒地带的高铁列车的转向架中心板等。有研究表明，低温条件下，两接触表面间微动磨损的摩擦系数、磨损形貌、损伤失效机制等等都会发生显著的改变。因此开展低温条件下材料的扭转式微动摩擦磨损试验有利于深入揭示低温扭转微动环境下零部件失效机理和相关性规律。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低温扭动微动摩擦磨损试验装置，填补现有技术中相关领域的空白，揭示低温环境下材料的摩擦磨损性能及损伤失效机制，研究特殊专用材料在扭动微动条件下的磨损失效机制。本发明针对更符合实际工况的面接触具体形式，还创新性地加入低温单元，具有操作方便，载荷平稳，角位移幅值精度高的特点，能准确反应实际工况扭动磨损研究，是一种综合的、多功能的摩擦磨损精密试验装置。本发明结构布局合理，力学加载单元巧妙耦合设计，节约空间的同时保证结构稳定。下工作台可在导轨上移动以调整上下试件相对位置。借助于现有的精密传感测试技术可实时监测，反馈，进行后期处理。本发明结构小巧，传动精密平稳，可实现动态加载，对材料在微动摩擦磨损试验中的微观力学行为和损伤机制做深入研究。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
低温扭动微动摩擦磨损试验装置，包括试验定位—法向力加载单元、回转扭动单元、低温精密夹持单元、数据采集单元以及检测控制单元，所述试验定位—法向力加载单元是：高性能伺服液压缸1输出动力和位移通过高精度六维力/转矩传感器2、过渡板3带动上试件4实现定位接触和法向力加载；
所述低温精密夹持单元是：下试件5与下试件夹具7直接配合并通过螺钉固定，下试件夹具7内部设置有冷却流道，液氮通过冷却流道实现充入和回流，通过接触制冷创造试件低温环境；
所述回转扭动单元是：精密伺服电机16输出动力，经由蜗杆13、蜗轮10减速增扭，带动下试件5按设定的周期和幅度旋转，实现端面扭动；扭矩转速传感器9与法兰盘8刚性连接，固定在轴B21上，蜗轮10旋转带动轴B21旋转，从而完成扭矩的传递。
所述的高精度六维力/转矩传感器2与过渡板3螺纹连接，上试件4与过渡板3配合连接后刚性固定；所述高性能伺服液压缸1与液压缸法兰盘23连接，通过液压缸法兰连接架22固定在隔振工作台6上。
所述的精密伺服电机16通过电机固定座17刚性固定，输出端通过弹性联轴器15传递动力到轴A12和蜗杆13，轴A12通过精密轴承A14与轴承座19配合，轴承座19通过轴承固定板A11刚性固定在隔振工作台6上。
所述的轴B21与精密轴承B20配合，通过轴承座19通过轴承固定板B18固定在隔振工作台6上。
所述的数据采集单元是：高精度六维力/转矩传感器2精确测量正压力值以及微动的扭矩，同时能闭环控制高性能伺服液压缸1及时补偿，实现精准压力调节；扭矩转速传感器9采集角速度和时间。
所述的检测控制单元是：高精度六维力/转矩传感器2将所测数据送至USB数据采集卡，通过系统得出摩擦系数，绘制载荷和转速下的摩擦扭矩—角位移曲线。
实验过程中可通过软件调节正压力、转速、扭动次数、往复扭动幅值进行不同参数实验。
本发明的有益效果在于：突破现有的摩擦磨损测试手段，提供在低温环境下的扭动微动摩擦磨损试验技术，结构紧凑，应用广泛。能够使材料发生精确的微角度转动摩擦磨损，试验中直接由数据采集控制系统控制给定相应测试参数，进行自动分析，数据重现性好，在扭动微动的过程中既有一定的径向宽度保证接触的均匀性，避免跳变，也避免了接触面积过大，影响实验效率。综上所述，本发明在材料科学，机械装备，国防军工和航空航天具有重要应用前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体外观结构示意图；
图2为本发明的侧视结构示意图。
图中：1、高性能伺服液压缸；2、高精度六维力/转矩传感器；3、过渡板；4、上试件；5、下试件；6、隔振工作台；7、下试件夹具；8、法兰盘；9、扭矩转速传感器；10、蜗轮；11、轴承固定板A；12、轴；13、蜗杆；14、精密轴承A；15、弹性联轴器；16、精密伺服电机；17、电机固定座；18、轴承固定板B；19、轴承座；20、精密轴承B；21、轴B；22、液压缸法兰连接架；23、液压缸法兰盘。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1及图2所示，本发明的低温扭动微动摩擦磨损试验装置，针对更符合实际工况的面接触具体形式，创新性地加入低温单元，揭示低温环境下材料的摩擦磨损性能及损伤失效机制，研究特殊专用材料在扭动微动条件下的磨损失效机制，具有操作方便，载荷平稳，角位移幅值精度高的特点，能准确反应实际工况扭动磨损研究。结构布局合理，力学加载单元巧妙耦合设计，节约空间的同时保证结构稳定。具体由试验定位—法向力加载单元、回转扭动单元、低温精密夹持单元、数据采集单元以及检测控制单元组成。试验定位—法向力加载单元由高性能伺服液压缸输出动力实现加载；回转扭动单元由精密伺服电机配合蜗轮蜗杆增扭减速，实现高精度低速扭转；低温精密夹持单元由设有冷却循环通道的专用夹具通过液氮循环实现低温加载及下试件夹持；数据采集单元由高精度六维力/转矩传感器、扭矩转速传感器，红外测温仪实现多参数检测；检测控制单元由计算机进行闭环控制，通过软件对试验中产生的数据进行实时处理和分析。本发明结构精巧，准确性高，原理创新可靠，可对低温下材料的扭动微动摩擦磨损行为和失效损伤机制进行深入研究。
所述试验定位—法向力加载单元是：高性能伺服液压缸1输出动力和位移通过高精度六维力/转矩传感器2、过渡板3带动上试件4实现定位接触和法向力加载；
所述低温精密夹持单元是：下试件5与下试件夹具7直接配合并通过螺钉固定，下试件夹具7内部设置有冷却流道，液氮通过冷却流道实现充入和回流，通过接触制冷创造试件低温环境；
所述回转扭动单元是：精密伺服电机16输出动力，经由蜗杆13、蜗轮10减速增扭，带动下试件5按设定的周期和幅度旋转，实现端面扭动；扭矩转速传感器9与法兰盘8刚性连接，固定在轴B21上，蜗轮10旋转带动轴B21旋转，从而完成扭矩的传递。
所述的高精度六维力/转矩传感器2与过渡板3螺纹连接，上试件4与过渡板3配合连接后刚性固定；所述高性能伺服液压缸1与液压缸法兰盘23连接，通过液压缸法兰连接架22固定在隔振工作台6上。
所述的精密伺服电机16通过电机固定座17刚性固定，输出端通过弹性联轴器15传递动力到轴A12和蜗杆13，轴A12通过精密轴承A14与轴承座19配合，轴承座19通过轴承固定板A11刚性固定在隔振工作台6上。
所述的轴B21与精密轴承B20配合，通过轴承座19通过轴承固定板B18固定在隔振工作台6上。
所述的数据采集单元是：高精度六维力/转矩传感器2精确测量正压力值以及微动的扭矩，同时能闭环控制高性能伺服液压缸1及时补偿，实现精准压力调节；扭矩转速传感器9采集角速度和时间，提供数据进行后处理。
参见图1及图2所示，实验过程中可通过软件调节正压力、转速、扭动次数、往复扭动幅值进行不同参数实验，高精度传感器将所测数据送至USB数据采集卡，通过系统得出摩擦系数，绘制不同载荷和转速下的摩擦扭矩—角位移曲线。
参见图1及图2所示，本发明的具体测试方法如下，安装试样，设置试验程序并设定相关参数（ω-角速度，θ-角速度幅值，Fn-正压力，t-试验时间），开始实验。开启高性能伺服液压缸1，上试样4以一定的加速度加载，六维传感器将加载信息反馈至控制系统，直到加载至设定载荷并接触；此时安装下试件5，并在下试件夹具7中通入液氮降温，通过红外测温仪测量达到指定温度后，迅速驱动开启精密伺服电机16，调节输入的波形频率和幅值，下试件5开始扭动。实验结束后，数据处理系统能输出任意循环次数下的扭矩—角位移曲线并得到扭矩—角位移—循环次数曲线。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种低温扭动微动摩擦磨损试验装置，其特征在于：包括试验定位—法向力加载单元、回转扭动单元、低温精密夹持单元、数据采集单元以及检测控制单元，所述试验定位—法向力加载单元是：高性能伺服液压缸（1）输出动力和位移通过高精度六维力/转矩传感器（2）、过渡板（3）带动上试件（4）实现定位接触和法向力加载；
所述低温精密夹持单元是：下试件（5）与下试件夹具（7）直接配合并通过螺钉固定，下试件夹具（7）内部设置有冷却流道，液氮通过冷却流道实现充入和回流，通过接触制冷创造试件低温环境；
所述回转扭动单元是：精密伺服电机（16）输出动力，经由蜗杆（13）、蜗轮（10）减速增扭，带动下试件（5）按设定的周期和幅度旋转，实现端面扭动；扭矩转速传感器（9）与法兰盘（8）刚性连接，固定在轴B（21）上，蜗轮（10）旋转带动轴B（21）旋转，从而完成扭矩的传递;
所述的高精度六维力/转矩传感器（2）与过渡板（3）螺纹连接，上试件（4）与过渡板（3）配合连接后刚性固定；所述高性能伺服液压缸（1）与液压缸法兰盘（23）连接，通过液压缸法兰连接架（22）固定在隔振工作台（6）上;
所述的精密伺服电机（16）通过电机固定座（17）刚性固定，输出端通过弹性联轴器（15）传递动力到轴A（12）和蜗杆（13），轴A（12）通过精密轴承A（14）与轴承座（19）配合，轴承座（19）通过轴承固定板A（11）刚性固定在隔振工作台（6）上；
所述的轴B（21）与精密轴承B（20）配合，通过轴承座（19）通过轴承固定板B（18）固定在隔振工作台（6）上；
所述的数据采集单元是：高精度六维力/转矩传感器（2）精确测量正压力值以及微动的扭矩，同时能闭环控制高性能伺服液压缸（1）及时补偿，实现精准压力调节；扭矩转速传感器（9）采集角速度和时间；
所述的检测控制单元是：高精度六维力/转矩传感器（2）将所测数据送至USB数据采集卡，通过系统得出摩擦系数，绘制载荷和转速下的摩擦扭矩—角位移曲线。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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