CN110608963A - 可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳装置及试验方法，包括导轨安装板和滑动固定于导轨安装板上的中箱形梁、右箱形梁和左箱形梁；导轨安装板底部依次与可调垫板和底板螺栓连接；中箱形梁左侧安装摩擦力测量模块，右侧安装箱梁后盖；箱梁后盖与导杆之间通过直线轴承滑动配合，与导杆中部台阶过盈配合的角接触球轴承的外圈与弹簧安装套间隙配合，弹簧安装套内容置的压缩弹簧与静态力传感器接触；右箱形梁右侧通过电机安装座与步进电机相连，步进电机通过螺纹副与导杆连接；左箱形梁左侧安装箱梁后盖，其右侧安装过渡板；过渡板与左微动垫安装座通过螺栓连接，微动安装座安装左微动垫。

Description

可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳装置及试验方法

技术领域

本发明属于材料疲劳性能测试的技术领域，具体涉及一种可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳装置及试验方法。

背景技术

不同于滑动、滚动，微动是两接触表面之间发生的振幅极小(微米量级)的相对运动。微动会造成接触表面摩擦磨损，引起构件咬合、松动，或造成污染源的形成，也可能加速裂纹的萌生、扩展，使零件的疲劳寿命大大降低。

微动疲劳时考虑了微动磨损作用影响的构件或材料的疲劳和断裂的有关理论和实践科学，有研究表明，微动疲劳会使长寿命构件的寿命降低30％以上，也有降低80％的先例。微动疲劳现象广泛存在于核电、航空、铁路等工业领域，因其隐蔽性强，危害性大，被称作工业之癌。

构件的微动疲劳强度或寿命一直是该领域的研究热点，它可以对相关工程技术人员在疲劳寿命设计、可靠性分析、强度标准及故障分析预测中提供指导。目前，有关学者研究显示，微动疲劳强度或寿命是众多因素共同耦合作用的结果，如压紧力、位移幅值、摩擦系数、载荷大小和频率、环境温度、气氛或腐蚀环境等。有学者通过大量实验，发现材料微动疲劳强度有如下关系：

式中P₀为压紧力，μ为摩擦系数，S为微动位移幅值，K为公式常数。可见压紧力、位移幅值和摩擦系数对微动疲劳寿命的影响最大，试验设备能够精确地控制和测量这些实验参数显得尤为重要。

遗憾的是，现有微动疲劳实验设备还无法完全达到科研人员的要求，大多存在以下问题：

1、采用通过螺钉旋紧，挤压微动垫进而夹紧试样的夹紧方式，疲劳试验时振动造成的螺栓松动和微动磨损造成微动垫与试样区域的凹陷都会导致夹紧力的下降或波动，无法保证试样两侧夹紧力的恒定，造成试验结果误差大、可靠性低。

2、目前，大部分实验设备不具备测量试样微动点位移幅值的功能，有一些通过把试样考虑为完全弹性体，根据疲劳试验机的位移，利用胡克定律反推微动点的位移幅值。这是一种测量位移幅值的间接方法，没有考虑材料内部的不均匀性，以及夹持力的作用，其测量值的准确性存疑。

3、微动疲劳试验中,一般通过三维力传感器同时测量法向夹紧力和接触表面的摩擦力。三维力传感器是通过测量两个垂直的应变梁的变形量的大小获取被测力的大小。法向力和摩擦力互相耦合影响，会对另外一方的测量产生干扰，精确性不高。其次，三维传感器内部是互相垂直的悬臂梁，在受力时会发生很大变形(100微米以上)，导致整个试验系统的刚度下降，而微动的位移幅值通常为微米级别，因此三维力传感器不适用于微动疲劳试验设备。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳装置及试验方法，以解决或改善上述的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

一种可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳装置及试验方法，其包括导轨安装板和滑动固定于导轨安装板上的中箱形梁、右箱形梁和左箱形梁；导轨安装板底部依次与可调垫板和底板螺栓连接；中箱形梁、右箱形梁和左箱形梁通过滑块与位于导轨安装板上的导轨滑动连接；

中箱形梁左侧安装摩擦力测量模块，右侧安装箱梁后盖；箱梁后盖与导杆之间通过直线轴承滑动配合，与导杆中部台阶过盈配合的角接触球轴承的外圈与弹簧安装套间隙配合，弹簧安装套内容置的压缩弹簧与静态力传感器接触；

右箱形梁右侧通过电机安装座与步进电机相连，步进电机通过螺纹副与导杆连接；左箱形梁左侧安装箱梁后盖，其右侧安装过渡板；过渡板与左微动垫安装座通过螺栓连接，微动安装座安装左微动垫；左箱形梁和右箱形梁两侧面均通过连接板固定为一个整体，并在连接板上安装视频引伸计。

优选地，摩擦力测量模块通过右微动垫与试样接触，右微动垫安装在右微动垫安装座上，右微动垫安装座通过竖直导向板与固定在直角板内壁上的竖直滑台连接，竖直导向板上固定中间板，中间板上端面左右对称安装两个动态力传感器，两个动态力传感器分别通过传感器安装座与对称安装在直角板上端内壁上的两个水平滑台相连。

优选地，还包括调平螺栓，调平螺栓中的T型槽螺柱上安装有下螺母、中螺母和上螺母；下螺母与疲劳机安装板连接，上螺母和中螺母分布在底板两侧；底板、可调垫板和导轨安装板从下到上依次叠加，通过定位销定位，螺栓固定连接；导轨安装板上铣有定位台阶，导轨紧贴定位台阶设置；导轨与滑块滑动连接。

优选地，导杆左端攻有外螺纹，中部设有一轴承安装台阶，右段攻有T形螺纹；所述步进电机为贯通式直线丝杠步进电机。

优选地，滑块采用滚柱滑块，竖直滑台和水平滑台均为交叉滚柱单元。

优选地，动态力传感器为石英动态力传感器，静态力传感器为应变式静态力传感器。

优选地，步进电机、视频引伸计、动态力传感器和静态力传感器均与外部电脑连接。

优选地，可调垫板的厚度为40mm或20mm或、10mm或5mm。

优选地，左箱形梁、中箱形梁和右箱形梁均采用优质45钢一体铣磨成型，截面为矩形截面。

一种可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳的试验方法，包括：

S1、将试样安装在疲劳机上夹具和下夹具之间，并调整保证试样的对中。

S2、根据试验需求，选择适宜厚度的可调垫板进行组合，并通过调平螺栓进行微调，得到试样材料在不同位置的微动疲劳性能；

S3、控制步进电机开启带动导杆旋转并在直线轴承的导向作用下水平移动，推动中箱形梁向左移动，与试样右侧接触，导杆继续水平移动，通过连接板带动左箱形梁向右移动，左微动垫与试样左侧接触，随后导杆带动角接触球轴承旋转，仅将水平运动传递给压缩弹簧，使试样左右两侧获得相等且恒定的夹紧力；

S4、设置试验所需的循环载荷或位移幅值、频率、波形、循环次数，控制疲劳机上夹具做相应的运动，实现试样与左微动垫和右微动垫之间的微动磨损；

S5、试样与左微动垫和右微动垫磨损的同时，摩擦力带动右微动垫上下运动，右微动垫通过竖直导向板和中间板将摩擦传递给对称分布的两个动态力传感器，两个动态力传感器将测量值发送至外部电脑，数值之和即为试样与右微动垫之间的摩擦力；与此同时，视频引伸计检测试样微动点的动态位移；根据采集的摩擦力和动态位移，外部电脑分析出设定循环载荷、频率和压紧力下的摩擦力和位移曲线，以表征微动磨损中的动力学特征；其次，根据采集试样材料的循环载荷和变形量，获得材料的滞回曲线，得到微动磨损与疲劳紧密之间的联系；

S6、试样发生断裂或者达到特定的循环次数后，疲劳机将自动停止运动，试验结束。

本发明提供的可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳装置及试验方法，具有以下有益效果：

本发明在试样两侧处于相等且恒定的法向载荷下，能够方便调节微动点的位移幅值，且能够精确测量微动点的位移幅值、夹紧力以及摩擦力，可以为相关工程技术人员在零部件微动疲劳寿命设计中提供更加全面、可靠的数据支撑。

视频引伸计，通过追踪试样微动点的散斑图像，实现疲劳变形过程中微动垫的位移场的测量，通过非接触的方式，实现微动疲劳中微动点位移幅值的检测。

采用不同厚度的一个或多个垫板进行组合，在加上调平螺栓的微调，可用于研究材料不同位置的微动疲劳性能。

摩擦力测量模块，将摩擦力与法向力解耦分离，避免出现互相干扰，两个传感器对称分布在试样两侧，摩擦力方向与力传感器中轴线在同一平面，不会出现弯矩，测量精度高。

采用贯通式直线丝杠步进电机直接与丝杠连接，省去中间环节，结构紧凑，节省空间，通过连接角接触球轴承旋转，仅将导杆水平运动传递给弹簧，推动弹簧压缩产生夹紧力，左箱形梁和右箱形梁连接成整体，可在导轨上移动，根据相互作用力相等的原则，试样两侧有相等和恒定的夹紧力。

附图说明

图1为微动疲劳装置的工作示意图。

图2为微动疲劳装置的主剖视图。

图3为微动疲劳装置俯视图。

图4为微动疲劳装置试样装夹时各零件所处位置图。

图5为微动疲劳装置在疲劳机上安装示意图。

图6为微动疲劳装置的摩擦力测量模块示意图。

图7为微动疲劳装置调平螺栓示意图。

其中，1、底板；2、可调垫板；3、导轨安装板；4、调平螺栓；4a、T型槽螺柱；4b、下螺母；4c、中螺母；4d、上螺母；5、导轨；6、滑块；7、左箱形梁；8、中箱形梁；9、右箱形梁；10、步进电机；11、电机安装座；12、导杆；13、弹簧安装套；14、压缩弹簧；15、角接触球轴承；16、静态力传感器；17、限位橡胶圈；18、箱形后盖；19、直线轴承；20、限位螺母；21、过渡板；22、左微动垫安装座；23、左微动垫；24、下夹具；25、上夹具；26、试样；27、连接板；28、视频引伸计；29、直角板；30、竖直滑台；31、竖直导向板；32、中间板；33、动态力传感器；34、传感器安装座；35、水平滑台；36、右微动垫安装座；37、右微动垫；38、疲劳机。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

根据本申请的一个实施例，参考图1-图7，本方案的可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳装置，包括导轨安装板3和滑动固定于导轨安装板3上的中箱形梁8、右箱形梁9和左箱形梁7。

导轨安装板3底部依次与可调垫板2和底板1螺栓连接，中箱形梁8、右箱形梁9和左箱形梁7通过滑块6与位于导轨安装板3上的导轨5滑动连接。

以下对上述各个部件进行详细描述

调平螺栓4上的T型槽螺柱4a上安装有三个螺母，下螺母4b与疲劳机38安装板连接，上螺母4d和中螺母4c分布在底板1两侧。底板1、可调垫板2、导轨安装板3从下到上依次叠加，通过定位销定位，螺栓固定连接。导轨安装板3上铣有定位台阶，导轨5紧贴定位台阶与导轨安装板3通过螺栓固定连接。

其中，可调垫板2的厚度有40mm、20mm、10mm、5mm四种，组合垫板的厚度是其中一个或多个的叠加。

中箱形梁8下方对称安装有滑块6，滑块6与导轨5配合，使得中箱形梁8可跟随滑块6在导轨5上左右滑动。中箱形梁8左侧安装有摩擦力测量模块，右侧安装有箱梁后盖18，箱梁后盖18外侧凸台内安装有限位橡胶圈17和静态力传感器16；箱梁后盖18与导杆12之间通过直线轴承19滑动配合，导杆12左端安装有限位螺母20，导杆12中部台阶与角接触球轴承15过盈配合，角接触球轴承15外圈与弹簧安装套13间隙配合，弹簧安装套13内放置有压缩弹簧14，压缩弹簧14左端与静态力传感器16接触，右侧与弹簧安装套13内壁接触。

导杆12左端攻有小段外螺纹，中部有一轴承安装台阶，右段攻有T形螺纹，整体经过淬火处理。步进电机10选取贯穿式直线电机，可带动丝杠旋转，沿直线运动。

摩擦力测量模块通过右微动垫37与试样26接触，右微动垫37安装在右微动垫安装座36上，安装座通过竖直导向板31与竖直滑台30连接，竖直滑台30固定在直角板29内壁上；中间板32的右端面安装在竖直导向板31上，上端面左右对称安装有两个动态力传感器33，两动态力传感器33分别通过传感器安装座34与两水平滑台35相连，两水平滑台35对称安装在直角板29的上端内壁上。

右箱形梁9下方对称安装有滑块6，可跟随滑块6在导轨5上左右滑动，右侧通过电机安装座11与步进电机10相连，步进电机10内部通过螺纹副与导杆12连接。

左箱形梁7下方对称安装有滑块6，可跟随滑块6在导轨5上左右滑动，左侧安装有箱梁后盖18，右侧安装有过渡板21，过渡板21与左微动垫安装座22通过螺栓连接，左微动安装座22安装有左微动垫23。

其中，左箱形梁7和右箱形梁9两侧面均通过连接板27固定为一个整体，其中一个连接板27安装有视频引伸计28。

左箱形梁7、中箱形梁8和右箱形梁9，均采用优质45钢一体铣磨成型，截面为矩形截面，所述直角板29及中间板32中部铣出可供试样26穿过的方形区域并添加有强化肋板。

滑块6采用滚柱滑块6，竖直滑台30、水平滑台35采用交叉滚柱单元，在垂直于滑动平面的方向基本无间隙，竖直滑台30与水平滑台35垂直安装。

动态力传感器33采用石英动态力传感器33，静态力传感器16采用应变式静态力传感器16。

步进电机10、视频引伸计28、动态力传感器33、静态力传感器16均与电脑连接，用于实时将采集的数据信息传送至外部电脑。

一种可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳的试验方法，包括：

S1、将试样26安装在疲劳机38上夹具25和下夹具24之间，并调整保证试样26的对中。

S2、根据试验需求，选择适宜厚度的可调垫板2进行组合，并通过调平螺栓4进行微调，得到试样26材料在不同位置的微动疲劳性能；

S3、控制步进电机10开启带动导杆12旋转并在直线轴承19的导向作用下水平移动，推动中箱形梁8向左移动，与试样26右侧接触，导杆12继续水平移动，通过连接板27带动左箱形梁7向右移动，左微动垫23与试样26左侧接触，随后导杆12带动角接触球轴承15旋转，仅将水平运动传递给压缩弹簧14，使试样26左右两侧获得相等且恒定的夹紧力；

S4、设置试验所需的循环载荷或位移幅值、频率、波形、循环次数，控制疲劳机38上夹具25做相应的运动，实现试样26与左微动垫23和右微动垫37之间的微动磨损；

S5、试样26与左微动垫23和右微动垫37磨损的同时，摩擦力带动右微动垫37上下运动，右微动垫37通过竖直导向板31和中间板32将摩擦传递给对称分布的两个动态力传感器33，两个动态力传感器33将测量值发送至外部电脑，数值之和即为试样26与右微动垫37之间的摩擦力；与此同时，视频引伸计28检测试样26微动点的动态位移；根据采集的摩擦力和动态位移，外部电脑分析出设定循环载荷、频率和压紧力下的摩擦力和位移曲线，以表征微动磨损中的动力学特征；其次，根据采集试样26材料的循环载荷和变形量，获得材料的滞回曲线，得到微动磨损与疲劳紧密之间的联系；

S6、试样26发生断裂或者达到特定的循环次数后，疲劳机38将自动停止运动，试验结束。

本发明在试样26两侧处于相等且恒定的法向载荷下，能够方便调节微动点的位移幅值，且能够精确测量微动点的位移幅值、夹紧力以及摩擦力，可以为相关工程技术人员在零部件微动疲劳寿命设计中提供更加全面、可靠的数据支撑。

视频引伸计28，通过追踪试样26微动点的散斑图像，实现疲劳变形过程中微动垫的位移场的测量，通过非接触的方式，实现微动疲劳中微动点位移幅值的检测。

采用不同厚度的一个或多个垫板进行组合，在加上调平螺栓4的微调，可用于研究材料不同位置的微动疲劳性能。

摩擦力测量模块，将摩擦力与法向力解耦分离，避免出现互相干扰，两个传感器对称分布在试样26两侧，摩擦力方向与力传感器中轴线在同一平面，不会出现弯矩，测量精度高。

采用贯通式直线丝杠步进电机10直接与丝杠连接，省去中间环节，结构紧凑，节省空间，通过连接角接触球轴承15旋转，仅将导杆12水平运动传递给弹簧，推动弹簧压缩产生夹紧力，左箱形梁7和右箱形梁9连接成整体，可在导轨5上移动，根据相互作用力相等的原则，试样26两侧有相等和恒定的夹紧力。

虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳装置，其特征在于：包括导轨安装板和滑动固定于导轨安装板上的中箱形梁、右箱形梁和左箱形梁；所述导轨安装板底部依次与可调垫板和底板螺栓连接；所述中箱形梁、右箱形梁和左箱形梁通过滑块与位于导轨安装板上的导轨滑动连接；

所述中箱形梁左侧安装摩擦力测量模块，右侧安装箱梁后盖；所述箱梁后盖与导杆之间通过直线轴承滑动配合，与导杆中部台阶过盈配合的角接触球轴承的外圈与弹簧安装套间隙配合，弹簧安装套内容置的压缩弹簧与静态力传感器接触；

所述右箱形梁右侧通过电机安装座与步进电机相连，步进电机通过螺纹副与导杆连接；左箱形梁左侧安装箱梁后盖，其右侧安装过渡板；所述过渡板与左微动垫安装座通过螺栓连接，微动安装座安装左微动垫；所述左箱形梁和右箱形梁两侧面均通过连接板固定为一个整体，并在连接板上安装视频引伸计。

2.根据权利要求1所述的可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳装置，其特征在于：所述摩擦力测量模块通过右微动垫与试样接触，右微动垫安装在右微动垫安装座上，右微动垫安装座通过竖直导向板与固定在直角板内壁上的竖直滑台连接，竖直导向板上固定中间板，中间板上端面左右对称安装两个动态力传感器，两个动态力传感器分别通过传感器安装座与对称安装在直角板上端内壁上的两个水平滑台相连。

3.根据权利要求1所述的可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳装置，其特征在于：还包括调平螺栓，所述调平螺栓中的T型槽螺柱上安装有下螺母、中螺母和上螺母；所述下螺母与疲劳机安装板连接，上螺母和中螺母分布在底板两侧；底板、可调垫板和导轨安装板从下到上依次叠加，通过定位销定位，螺栓固定连接；所述导轨安装板上铣有定位台阶，导轨紧贴定位台阶设置；所述导轨与滑块滑动连接。

4.根据权利要求1所述的可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳装置，其特征在于：所述导杆左端攻有外螺纹，中部设有一轴承安装台阶，右段攻有T形螺纹；所述步进电机为贯通式直线丝杠步进电机。

5.根据权利要求1所述的可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳装置，其特征在于：所述滑块采用滚柱滑块，竖直滑台和水平滑台均为交叉滚柱单元。

6.根据权利要求1所述的可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳装置，其特征在于：所述动态力传感器为石英动态力传感器，静态力传感器为应变式静态力传感器。

7.根据权利要求1所述的可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳装置，其特征在于：所述步进电机、视频引伸计、动态力传感器和静态力传感器均与外部电脑连接。

8.根据权利要求1所述的可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳装置，其特征在于：所述可调垫板的厚度为40mm或20mm或、10mm或5mm。

9.根据权利要求1所述的可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳装置，其特征在于：所述左箱形梁、中箱形梁和右箱形梁均采用优质45钢一体铣磨成型，截面为矩形截面。

10.一种根据权利要求1-9任一所述的可精确测量位移和摩擦力的自协调微动疲劳的试验方法，其特征在于，包括：

S1、将试样安装在疲劳机上夹具和下夹具之间，并调整保证试样的对中。

S2、根据试验需求，选择适宜厚度的可调垫板进行组合，并通过调平螺栓进行微调，得到试样材料在不同位置的微动疲劳性能；

S3、控制步进电机开启带动导杆旋转并在直线轴承的导向作用下水平移动，推动中箱形梁向左移动，与试样右侧接触，导杆继续水平移动，通过连接板带动左箱形梁向右移动，左微动垫与试样左侧接触，随后导杆带动角接触球轴承旋转，仅将水平运动传递给压缩弹簧，使试样左右两侧获得相等且恒定的夹紧力；

S4、设置试验所需的循环载荷或位移幅值、频率、波形、循环次数，控制疲劳机上夹具做相应的运动，实现试样与左微动垫和右微动垫之间的微动磨损；

S5、试样与左微动垫和右微动垫磨损的同时，摩擦力带动右微动垫上下运动，右微动垫通过竖直导向板和中间板将摩擦传递给对称分布的两个动态力传感器，两个动态力传感器将测量值发送至外部电脑，数值之和即为试样与右微动垫之间的摩擦力；与此同时，视频引伸计检测试样微动点的动态位移；根据采集的摩擦力和动态位移，外部电脑分析出设定循环载荷、频率和压紧力下的摩擦力和位移曲线，以表征微动磨损中的动力学特征；其次，根据采集试样材料的循环载荷和变形量，获得材料的滞回曲线，得到微动磨损与疲劳紧密之间的联系；

S6、试样发生断裂或者达到特定的循环次数后，疲劳机将自动停止运动，试验结束。