CN110057700A - 一种弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统及试验方法 - Google Patents

一种弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统及其试验方法，涉及材料强度其摩擦学性能领域。系统包括试件夹持装置，载荷加载装置与计算机控制装置,并提供了一种新的材料强度和摩擦学性能检测方法，通过对称设置的凸轮机构，可以实现弯曲载荷的循环加载，与外部疲劳试验机相连进行弯拉/弯扭微动疲劳试验；也可以将一侧凸轮置换成圆盘，提供恒定法向载荷，另外一侧微动垫与试件形成面接触副，通过凸轮压杆提供微振，从而进行径向/切向微动磨损试验。控制装置可以记录传感器所监测数据并将其传至计算机，并通过驱动电路对电机进行控制，有效地控制载荷加载的情况。

Description

一种弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统及试验方法
技术领域
本发明涉及材料强度及摩擦学性能领域，尤其涉及材料的微动试验方法与装置。
背景技术
微动是发生在两接触表面间的极小幅度(通常为微米量级)的相对运动，既可以造成两接触面之间的表面磨损(微动磨损)，也可能导致零件的疲劳寿命降低从而发生失效(微动疲劳)。这两种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。
工程实际中，发生微动的零件大多处于多轴疲劳应力以及系统微振工作环境下，微动磨损与微动疲劳相互交叉联系。目前所报道的试验装置一般针对性较强，主要集中在切向/径向微动磨损以及单向周期性变应力引起的微动疲劳方面，或者针对具体的实际微动零件配合副。因此，研究基于系统微振条件下的多轴微动疲劳试验的方法和装置及材料的微动损伤，对相关领域的零部件的设计具有一定的指导作用。
发明内容
一种弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统及其实验方法
为了更接近实际模拟微动疲劳与微动磨损情况，通过不同的夹具组合可以实现点、线、面三种不同接触方式的弯扭/弯拉微动疲劳实验，也可以实现径向/切向微动磨损实验。能够实现弯曲交变载荷和普通法向载荷的施加，载荷的大小和频率可以变化。
为达到上述目的，本发明提供了一种弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统及其试验方法，所述弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统包括：试件夹持装置、载荷加载装置及计算机控制装置。
所述试件夹持装置包括：框架，下夹具，下夹具通过螺纹连接固定在所述框架底部；
所述载荷加载装置包括：步进电机，齿轮系，轴，轴承座，凸轮，压杆，直线导轨，压力传感器，滑块式压头，微动垫，所述压力传感器安装在所述滑块式压头内腔，微动垫通过球铰链连接在所述滑块式压头上，滑块式压头通过移动副与直线导轨连接，直线导轨固接于框架上，压杆中间支点通过铰链连接在框架上，两头分别与滑块式压头和凸轮高副接触，所述齿轮系，凸轮和轴组成传动系统，通过轴承座安装于框架底板上。
所述计算机控制装置包括：计算机，控制模块，驱动模块，计算机产生驱动指令并将指令传给控制模块，控制模块经过处理后将控制指令传给驱动模块，进而驱动步进电机的启动停止、转速与转向。控制装置同时采集步进电机和压力传感器的信息，经数据处理后发送至计算机。
进一步，所述微动垫，滑块式压头，直线导轨，压杆，凸轮，轴，齿轮各有两组，对称布置在试件两侧，其运动由步进电机通过齿轮副对称传递。
进一步，两侧凸轮形状完全相同，推程角和回程角相等，为120度，远休止角和近休止角相等，为60度，安装时两轮相位差为180度，从而实现弯曲载荷循环加载。
进一步，所述压杆的支点铰链位置可以通过框架上的滑轨调整。从而实现凸轮推程位移的可调性。
进一步，所述滑块式压头内腔依次装入压力传感器，垫片，弹簧，球形压头，压头挡板。弹簧刚性系数在1×103-1×106N/m范围可选，从而实现弯曲载荷的可调。
进一步，所述微动垫与试件之间的摩擦副可以实现点接触摩擦副，面接触摩擦副和线接触摩擦副。
本发明还公开了一种弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统的控制方法，其特征在于，该控制方法包括如下步骤：
设置所述加载装置，给试件提供初始弯曲载荷，驱动模块驱动加载装置产生不同大小、频率的弯曲交变载荷，以实现不同条件下的弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验；
所述压力传感器安装在滑块式压头内腔，可以检测摩擦副对试件施加的弯曲载荷，所施加的压力信息传输给控制模块，经过控制模块处理后传输给计算机。
计算机接收压力传感器数据，从而可以依据加载装置的参数反馈控制驱动模块执行不同条件下的测试。
一种基于前述弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统的试验方法，其中：
在弯扭/弯拉微动疲劳试验中，试件下端通过下夹具固定，试件上端与疲劳试验机上夹具相连，疲劳试验机可以提供扭/拉交变应力。通过滑块式压头将左右两个微动垫压在试件中部合适的位置，形成点接触副、线接触副或面接触副。由所述计算机给控制模块发送指令，控制步进电机的转速和启动，步进电机带动齿轮系运动，分别传递到两侧的凸轮，凸轮推动压杆实现弯曲载荷的循环加载，弯曲载荷的大小可由调整加载装置中压杆支点铰链位置或滑块式压头中弹簧刚性系数来控制，并由压力传感器测量，传送给计算机控制装置。
在微动磨损试验中，试件下端通过下夹具固定不动，上端自由。一侧微动垫(v型)与试件形成对称的两个点接触副或线接触副，并将该侧凸轮换成圆盘，实现固定法向载荷加载。另外一侧微动垫与试件形成面接触副，通过凸轮压杆提供微振，从而实现径向/切向微动磨损试验。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明系统通过对称的凸轮机构实现弯曲疲劳载荷加载，从而可实现与工程实际中转轴相近似的弯扭微动疲劳试验。2、所述滑块式压头中的弹簧避免了由于磨损产生材料损失而引起接触面脱离的现象，并可以通过弹簧弹性系数和压杆支点位置实现弯曲载荷大小的调整。3、本发明系统可以通过调整凸轮结构，以此实现变载荷的加载或恒定载荷的加载。4、本发明系统既可以与外部疲劳试验机相连，进行多轴微动疲劳试验，也可以单独进行径向/切向微动磨损试验，具有相当的通用性。
附图说明
图1是本发明一种弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统的三维模型图；
图2是本发明中滑块式压头的三维爆炸视图；
图3是本发明装置中微动垫视图；
图4是本发明装置用于弯扭/弯拉微动疲劳试验原理图；
图5是本发明装置用于微动磨损试验原理图
图6是控制流程图；
如图1，图2所示，包括框架1，轴2，轴承座3，轴承4，步进电机5，直线导轨6，弹簧7，滑块式压头8，压力传感器9，球形压头10，压头挡板11，铰链横梁12，压杆13，凸轮14；试件15，齿轮16，长导轨17，长导轨滑块18，下夹具19/20，支撑杆21，压杆铰链22，圆盘23，微动垫24，上夹具25.
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合附图与实施例对本发明进行进一步详细说明。此处所描述的具体实例仅仅用于解释本发明，并不限定于本发明。
如图1所示，本发明提供了一种弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统及其试验方法，其特征包括：试件夹持装置、载荷加载装置及计算机控制装置。所述压力传感器9安装在滑块式压头8内腔，微动垫24通过球铰链连接在滑块式压头8上，滑块式压头8通过移动副与所述直线导轨6连接，直线导轨6固接于长导轨滑块18上。压杆13中间支点通过铰链22连接在横梁12上，两头分别与滑块式压头8和凸轮14高副接触，所述步进电机5，齿轮16，凸轮14和轴2组成传动系统，通过轴承座3安装于所底板上，轴承座3通过螺栓固定在底板上。下夹具19/20通过螺纹连接固定在底板上。所述试件15下端由下夹具19/20垂直固定，中间由微动垫24从左右两个水平方向形成接触，通过更换不同形状的微动垫可以分别实现点接触/线接触/面接触，试件上端根据不同实验有不同的连接方法。
实施例1，在实现弯扭/弯拉微动疲劳试验时，如图4所示，试件15下端通过下夹具19/20固定，上端与疲劳试验机上夹具25相连，按接触方式选择合适的微动垫24安装在滑块式压头上，调整滑块式压头8在直线导轨上6的位置，使微动垫24从左右水平方向与试件接触，调整左右两凸轮14的相位角，使相位角相差180度，调整压杆13中间支点铰链22位置，使压杆13两端分别紧压在凸轮14与滑块式压头8上。
启动外部疲劳试验机，由计算机向疲劳试验机发送所需参数，控制疲劳试验机给试件施加扭/拉交变载荷。
启动步进电机，由计算机向驱动模块发送所需参数，通过齿轮系，轴，凸轮，压杆，滑块式压头，微动垫给试件加载弯曲交变载荷。
弯曲交变疲劳载荷大小由弹簧弹性系数控制，载荷大小由压力传感器获得后输送给控制器模块，载荷频率由电机转速控制。压力传感器数值和电机转速参数输送给控制模块处理后传送给计算机，疲劳试验机试验参数直接传给计算机。
通过更换图3中所示的不同微动垫形式，可以分别实现点、线、面三种不同接触形式的微动疲劳试验。
实施例2，在实现微动磨损试验时，如图5所示，试件下端通过下夹具固定，上端自由，形成悬臂梁结构，中间右侧选择面接触的微动垫24(b)安装在滑块式压头8上，调整滑块式压头8在直线导轨6上的位置，使微动垫24从水平方向与试件接触，调整右侧凸轮14的相位，初始相位角为零，调整右侧压杆中间支点铰链22位置，使其两端分别紧压在凸轮14与滑块式压头8上；
中间左侧按接触方式选择点/线接触的微动垫24(c)/24(a)安装在滑块式压头8上，调整滑块式压头8在直线导轨6上的位置，使微动垫24从水平方向与试件接触，将左侧凸轮14换为相应的圆盘23，调整左侧压杆13中间支点铰链22位置，使其两端分别紧压在圆盘23与滑块式压头8上，由压力传感器9得到法向载荷。启动步进电机5，通过右侧传动系统给试件加载水平方向的微幅振动。位移值可由压力传感器读数和弹簧弹性系数计算得到，频率由电机5转速控制，从而实现微动磨损试验。

Claims (8)

1.一种弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统，该系统包括试件夹持装置、载荷加载装置及计算机控制装置；
所述试件夹持装置包括：框架(1)，下夹具(19/20)，下夹具(19/20)通过螺纹连接固定在所述框架底部；
所述载荷加载装置包括：轴(2)，齿轮(16)系，轴承座(3)，凸轮(14)，压杆(13)，直线导轨(6)，滑块式压头(8)，压力传感器(9)，微动垫(24)；所述压力传感器(9)安装在滑块式压头(8)内腔，微动垫(24)通过球铰链连接在滑块式压头(8)上，滑块式压头(8)通过移动副与直线导轨(6)连接，直线导轨(6)固接于框架(1)上，压杆(13)中间支点通过铰链与框架连接，压杆(13)两头分别与滑块式压头(8)和凸轮(14)高副接触，步进电机(5)，齿轮系(16)，凸轮(14)和轴(2)组成传动系统，通过轴承座(3)安装于框架(1)底板上；
所述计算机控制装置包括：计算机，控制模块，驱动模块，计算机产生驱动指令并将指令传给控制模块，所述控制模块经过处理后将控制指令传给驱动模块，进而驱动所述步进电机(5)的启动停止、转速与转向；所述控制装置同时采集步进电机(5)和压力传感器(9)的信息，经数据处理后发送至计算机。
2.根据权利要求1所述的一种弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统，其特征在于：所述微动垫(24)，滑块式压头(8)，直线导轨(6)，压杆(13)，凸轮(14)，轴(2)，齿轮(16)各有两组，对称布置在试件两侧。
3.根据权利要求2所述的一种弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统，其特征在于：两侧所述凸轮(14)形状完全相同，推程角和回程角相等，为120度，远休止角和近休止角相等，为60度，安装时两轮相位差180度。
4.根据权利要求2所述的一种弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统，其特征在于：所述压杆(13)的支点铰链位置可以通过框架上的滑轨调整。
5.根据权利要求2所述的一种弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统，其特征在于：所述滑块式压头(8)内腔依次装入压力传感器(9)，垫片，弹簧(7)，球形压头(10)，压头挡板(11)；弹簧刚性系数范围为1×103-1×106N/m。
6.根据权利要求2所述的一种弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统，其特征在于：所述微动垫(24)与试件之间的摩擦副可以实现点接触摩擦副，面接触摩擦副和线接触摩擦副。
7.一种基于权利要求1所述的一种弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统的试验方法，包括弯扭/弯拉微动疲劳试验和微动磨损试验，其中：
在弯扭/弯拉微动疲劳试验中，试件下端通过下夹具固定不动，试件上端与多轴疲劳试验机相连，提供拉、扭交变疲劳应力；通过滑块式压头将左右两个微动垫压在试件中部合适的位置，形成点接触副、面接触副或线接触副；步进电机的运动由齿轮系分别传递到两侧的凸轮，凸轮推动压杆实现弯曲载荷的循环加载，弯曲载荷的大小可由调整加载装置中压杆支点铰链位置或滑块式压头中弹簧刚性系数来控制，并由压力传感器测量，传送给计算机控制装置；
在微动磨损试验中，试件下端通过下夹具固定不动，上端自由；一侧微动垫(v型)与试件形成对称的两个点接触副或线接触副，并将该侧凸轮换成圆盘，实现固定法向载荷加载；另外一侧微动垫与试件形成面接触副，通过凸轮压杆提供微振，从而实现径向/切向微动磨损试验。
8.一如权利要求1-7中任意一项所述弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
设置所述加载装置，给试件提供初始弯曲载荷，驱动模块驱动加载装置产生不同大小、频率的弯曲交变载荷，以实现不同条件下的弯扭/弯拉微动疲劳与微动磨损试验；
压力传感器(9)安装在滑块式压头(8)内腔，用于检测摩擦副对试件施加的弯曲载荷，所施加的压力信息传输给控制模块，经过控制模块处理后传输给计算机；
计算机接收压力传感器(9)数据，依据加载装置的参数反馈控制驱动模块执行不同条件下的测试。
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