CN111175159B - 一种卧式球棒式接触疲劳试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卧式球棒式接触疲劳试验机，包括基座和设置于基座顶端呈水平方向设置的试样夹持装置和为试样提供接触试验力的试验力加载装置，所述试验力加载装置下部设置有能够带动试验力加载装置左右移动的调节装置，所述基座下端还设置有为试验力加载装置提供润滑的润滑系统，所述试样夹持装置包括通过试样夹头轴承座设置于基座顶端的用于夹持试样的试样夹头，所述试样夹头通过弹性联轴器与伺服电机的主轴转动连接，弹性联轴器旁的基座上安装有用于计量试样转动圈数的磁接近开关且磁接近开关与设置于电控柜上的计数传感器电性连接，本发明由立式改为卧式，尾端设置弹簧加载，能够降低振动影响，提高试验力控制精度。

Description

一种卧式球棒式接触疲劳试验机

技术领域

本发明涉及一种疲劳试验机，尤其是一种卧式球棒式接触疲劳试验机，属于材料检测领域。

背景技术

接触疲劳是工件（如轧辊、齿轮、轴承、钢轨）表面在接触压应力的长期不断反复作用下引起的一种表面疲劳破坏现象，表现为接触表面出现麻点和疲劳剥落。模拟接触疲劳现象的试验机有很多种，其中一种为球棒式的，试样为圆棒状，沿试样表面径向一周，有数个滚珠与之接触，滚珠两侧套有圆锥滚子轴承外圈，对圆锥滚子轴承外圈施加轴向力，经过力的矢量传递，转化为滚珠对棒状试样施加了径向力。圆棒试样转动时，带动滚珠绕其做行星运动。试样旋转一周，与滚珠接触数次。试验效率很高。由于试样为圆棒状，尺寸公差、形位公差、表面质量均易加工实现。陪试样为圆锥滚子轴承外圈和滚珠，均为标准件，硬度质量均匀一致，试验成本也很低。

目前的球棒式接触疲劳试验机多为立式结构。采用杠杆砝码重力加载、润滑冷却液滴注加入，存在以下问题：一是试样装配精度不高运转时砝码跳动加剧，导致加载力出现冲击的现象。二是润滑液滴注控制不好会导致接触处油膜薄，产生粘着磨损等非正常损坏。三是加载装置位于试样的试验部位和试样夹头之间，所需试样较长，一些需要在工件本体上取样直接进行试验的，长度可能较短，不能满足试验要求。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种卧式球棒式接触疲劳试验机，由立式改为卧式，通过压缩弹簧提供试验力，能够降低振动影响，提高试验力控制精度；同时压缩弹簧设置于试验力加载装置的尾部，节省了较大的空间，试样夹头可以非常接近加载装置的端盖，较短的试样也可以进行试验，短试样也能试验，拓展应用范围；润滑系统设置为两套，能够满足不同润滑介质的切换，便于研究不同润滑介质对接触疲劳寿命的影响。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种卧式球棒式接触疲劳试验机，包括基座、测控保护系统和设置于基座顶端呈水平方向设置的试样夹持装置和为试样提供接触试验力的试验力加载装置，所述试验力加载装置下部设置有能够带动试验力加载装置左右移动的调节装置，所述基座下端还设置有为试验力加载装置提供润滑的润滑系统，所述试样夹持装置包括通过试样夹头轴承座设置于基座顶端用于夹持试样的试样夹头，所述试样夹头通过弹性联轴器与伺服电机的主轴转动连接，弹性联轴器旁的基座上安装有用于计量试样转动圈数的磁接近开关且磁接近开关与设置于电控柜上的计数传感器电性连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述试验力加载装置包括加载外套和固定设置于加载外套一端且向外延伸的弹簧保护套且弹簧保护套的内部设置有压缩弹簧，所述加载外套的内部固定设置有加载内套且加载内套对应试样的位置设置有试样能够在其中转动的内腔，所述加载内套靠近压缩弹簧的一端固定设置有压力传感器，所述压缩弹簧靠近压力传感器的一端设置有传感器顶块、另一端设置有用于挤压压缩弹簧的弹簧顶杆，所述弹簧顶杆与压缩弹簧之间设置有弹簧顶块，所述加载内套远离压缩弹簧的一端固定设置有将压缩弹簧的压力转化为试验力的滚珠装置。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述加载内套一侧设置有凸出加载外套的连接板且连接板上设置有检测加载内套轴向运动的振动传感器。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述滚珠装置包括设置于加载内套内部的两个轴承外圈和设置于轴承外圈内部的滚珠，所述轴承外圈的中心孔为锥形孔且两个轴承外圈内径较大的一端相对设置，所述两个轴承外圈的内部设置有使得滚珠沿试样做行星运动的滚珠保持架。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述加载外套靠近滚珠装置的一端设置有用于固定和拆卸滚珠装置的端盖且端盖的中心设置有试样能够通过的中心孔。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述调节装置包括固定试验力加载装置的调节支座和带动调节支座左右滑动的滑轨装置，所述滑轨装置包括设置于基座上的平行设置的两个圆柱形导轨和设置于两个导轨中间的丝杠，所述丝杠通过设置于两个导轨两端的丝杠轴承座固定且丝杠能够在丝杠轴承座内转动，所述调节支座的下端固定设置有两个套设于导轨和丝杠上的导轨轴承座且导轨轴承座与丝杠转动连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述调节支座包括设置于导轨轴承座上的支座底板和设置于支座底板上的分别固定加载外套、弹簧保护套和弹簧顶杆的立板，所述弹簧顶杆与立板之间转动连接，所述支座底板上设置有指针且基座上对应位置设置有刻度尺。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述支座底板上设置有指针且基座上对应位置设置有刻度尺。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述润滑系统包括充装润滑介质的油箱、将润滑介质由油箱输入加载外套的进油管路和将润滑介质由加载外套流回油箱的回油管路，所述进油管路包括依次连接的吸油过滤器、齿轮泵和流量传感器且进油管路上还设置有溢流阀，所述齿轮泵通过齿轮泵电机带动转动，所述加载外套的相对位置设置有加载外套注油孔和加载外套回油孔且加载外套注油孔与进油管路连接、加载外套回油孔与回油管路连接。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述润滑系统设置为两套且分别与装有不同润滑介质的1#油箱和2#油箱连接，所述两套润滑系统的进油管路合并后流经流量传感器与加载外套注油孔连接且每套进油管路上设置有防止润滑介质倒流的单向阀。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述测控保护系统包括独立电控柜和与独立电控柜电性连接的上位机，所述独立电控柜分别控制伺服电机、计数传感器、压力传感器、振动传感器、流量传感器和齿轮泵电机。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

1、本发明为卧式疲劳接触试验机，试样夹持装置和试验力加载装置均为水平设置，通过压缩弹簧提供试验力，振动惯性小，试样安装精度略低造成的振动也不会导致接触应力产生较大的冲击，能够降低振动影响，提高试验力的控制精度,压缩弹簧设置于试验力加载装置的尾部，节省了较大的空间，试样夹头可以非常接近加载装置的端盖，较短的试样也可以进行试验，同时试验力加载装置的下部设置有能够带动试验力加载装置左右移动的调节装置，能够调节试样夹持端到试样区的距离，满足不同长短的试样，拓展应用范围。

2、本发明的磁接近开关和计数传感器能够记录弹性联轴器的转动圈数，进而计录试样的转动圈数，对于接触疲劳的测定更精确，同时对于实验数据更易把控。

3、本发明试验力加载装置的压力传感器能够精确显示压缩弹簧提供的试验力，便于对实验数据的把控，同时通过手动转动弹簧顶杆进而调整压缩弹簧的压力（即试验力），调节方便准确；振动传感器与振动检测仪电性连接，用于监测加载内套的轴向运动，振动传感器的振动信号传输到振动监测仪上，通过设定振动监测仪的报警限值和延时时间，当振幅达到设定限值，并且持续时间超过设定延时时间后，进行报警。

4、本发明旋转丝杠带动支座沿直线导轨前后滑动，实现对试样不同轴向位置进行试验，并且支座上设置有指针，基座上有刻度尺，能够指示试样的试验位置，便于精确调节试样的试验位置和对试验数据的精确记录，同时方便试验过程中停车退出试样观察疲劳试验表面情况，再返回原位进行试验。

5、本发明润滑系统设置为两套，能够满足不同润滑介质的切换，便于研究不同润滑介质对接触疲劳寿命的影响，单向阀能够防止润滑介质流入另一个油箱内，并且只有当润滑介质通过流量传感器时，齿轮泵电机才能启动，缺液则齿轮泵电机停止转动，防止试验时出现粘着磨损的发生，损坏机器。

附图说明

图1是本发明试验原理图；

图2是本发明总体布局示意图；

图3是本发明主视示意图；

图4是本发明俯视剖面示意图；

图5是本发明试验力加载装置外观斜向俯视图；

图6是本发明图5的A向剖切示意图；

图7是本发明试验力加载装置的外观正向俯视图；

图8是本发明图7的B向剖切示意图；

图9是本发明润滑系统原理图；

其中，1、基座，2、伺服电机，3、弹性联轴器，4、试样夹头轴承座，5、试样夹头，6、磁接近开关，7、调节支座，8、弹簧顶杆，9、导轨，10、丝杠，11、导轨轴承座，12、1#油箱，13、2#油箱，14、端盖，15、滚珠，16加载外套，17、加载内套，18、压力传感器，19、传感器顶块，20、弹簧保护套，21、压缩弹簧，22、连接板，23、轴承外圈，24、滚珠保持架，25、加载外套注油孔，26、加载外套回油孔，27、试样，28、弹簧顶块，29、吸油过滤器，30、齿轮泵，31、齿轮泵电机，32、单向阀，33、流量传感器，34、溢流阀。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

卧式球棒式接触疲劳试验机的工作原理为：接触疲劳试样27设置为长圆棒形状，采用两个圆锥型轴承外圈23和多个滚珠15为其施加接触应力，轴承外圈23不动，试样27旋转，滚珠15绕试样27做行星运动。

试样27与滚珠15接触处的受力情况如图1，外载荷施加的力P（即：弹簧压力）作用在圆锥型轴承外圈上，设定试样与滚珠接触处的力为Q；每个滚珠与轴承外圈接触处的力为R，则：试样27受旋转力Q的脉动循环作用，产生疲劳麻点或剥落，导致振动加剧，通过监控加载内套17的轴向振动情况，继而监控轴承外圈23的轴向振动情况，判定是否剥落并控制停车。

如图2～9所示，一种卧式球棒式接触疲劳试验机，包括基座1、测控保护系统和设置于基座1顶端呈水平方向设置的试样夹持装置和为试样27提供接触试验力的试验力加载装置，试样夹持装置和试验力加载装置均为水平设置，通过压缩弹簧21提供试验力，振动惯性小，试样安装精度略低造成的振动也不会导致接触应力产生较大的冲击，能够降低振动影响，提高试验力的控制精度。所述试验力加载装置下部设置有能够带动试验力加载装置左右移动的调节装置，能够调节试样夹持端到试样区的距离，满足不同长短的试样，拓展应用范围，所述基座1下端还设置有为试验力加载装置提供润滑的润滑系统。

试样夹持装置包括通过试样夹头轴承座4设置于基座1顶端用于夹持试样27的试样夹头5，试样夹头轴承座4上设置有能够转动的轴承主轴，试样夹头5安装于试样夹头轴承座4的轴承主轴上，试样夹头5采用高精度钻夹头，用于紧固试样27，使得试样27的径向跳动小于0.02mm。试样夹头轴承座4的轴承主轴通过弹性联轴器3与伺服电机2的主轴转动连接，伺服电机可从0～6000r/min无极调速。所述弹性联轴器3旁的基座上安装有用于计量试样27转动圈数的磁接近开关6且磁接近开关6与设置于电控柜上的计数传感器电性连接，弹性联轴器3每旋转一周，产生一个计数，进而能够计算试样27的转动圈数，对于接触疲劳的测定更精确，同时对于实验数据更易把控。

试验力加载装置包括加载外套16和固定设置于加载外套16一端且向外延伸的弹簧保护套20，弹簧保护套20的内部设置有压缩弹簧21，加载外套16的相对位置设置有与润滑系统连接的加载外套注油孔25和加载外套回油孔26。所述加载外套16的内部固定设置有加载内套17，加载内套17对应试样27的位置设置有试样27能够在其中转动的内腔。加载内套17一侧设置有凸出加载外套16的连接板22，连接板22上设置有检测加载内套17轴向运动的振动传感器。所述加载内套17靠近压缩弹簧21的一端固定设置有压力传感器18，所述压缩弹簧21靠近压力传感器18的一端设置有传感器顶块19、另一端设置有用于挤压压缩弹簧21的弹簧顶杆8，所述弹簧顶杆8与压缩弹簧21之间设置有弹簧顶块28，所述加载内套17远离压缩弹簧21的一端固定设置有将压缩弹簧21的压力转化为试验力的滚珠装置。滚珠装置包括设置于加载内套17内部的两个轴承外圈23和设置于轴承外圈23内部的滚珠15，滚珠15设置为3～4个。所述轴承外圈23的中心孔为锥形孔且两个轴承外圈23内径较大的一端相对设置，所述两个轴承外圈23的内部设置有使得滚珠15沿试样27做行星运动的滚珠保持架24。加载外套16靠近滚珠装置的一端设置有用于固定和拆卸滚珠装置的端盖14且端盖14的中心设置有试样27能够通过的中心孔。

调节装置包括固定试验力加载装置的调节支座7和带动调节支座7左右滑动的滑轨装置，调节支座7包括设置于导轨轴承座11上的支座底板和设置于支座底板上的分别固定加载外套16、弹簧保护套20和弹簧顶杆8的立板，所述弹簧顶杆8与立板之间转动连接，通过手动转动弹簧顶杆8使得弹簧顶杆8压缩或释放压缩弹簧21，进而调节弹簧压力。所述支座底板上设置有指针且基座1上对应位置设置有刻度尺，能够指示试样的试验位置，便于精确调节试样的试验位置和对试验数据的精确记录，同时方便试验过程中停车退出试样观察疲劳试验表面情况，再返回原位进行试验。所述滑轨装置包括设置于基座1上的平行设置的两个圆柱形导轨9和设置于两个导轨9中间的丝杠10，所述丝杠10通过设置于两个导轨9两端的丝杠轴承座固定，所述调节支座7的下端固定设置有两个套设于和丝杠10上的导轨轴承座11，导轨轴承座11上设置有与导轨9滑动连接的光孔且丝杠10转动连接的螺纹孔，丝杠10能够在丝杠轴承座内正向和反向转动，带动导轨轴承座11前后移动，进而调节试验力加载装置前后移动。

润滑系统包括充装润滑介质的油箱、将润滑介质由油箱输入加载外套16的进油管路和将润滑介质由加载外套16流回油箱的回油管路，所述进油管路包括依次连接的吸油过滤器29、齿轮泵30和流量传感器33且进油管路上还设置有溢流阀34，所述齿轮泵30通过齿轮泵电机31带动转动，所述加载外套16的相对位置设置有加载外套注油孔25和加载外套回油孔26且加载外套注油孔25与进油管路连接、加载外套回油孔26与回油管路连接。所述润滑系统设置为两套且分别与1#油箱12和2#油箱13连接，两个油箱可分别充装不同材质的润滑介质。需要使用哪种介质时，将回油管插入相应油箱的回油孔，开启相应的齿轮泵电机31，电机31驱动齿轮泵30抽取过滤后的润滑介质经流量传感器33至加载套内提供润滑。所述两套润滑系统的进油管路合并后流经流量传感器33与加载外套注油孔25连接，每套进油管路上设置有防止润滑介质倒流的单向阀32。

测控保护系统包括独立电控柜和与独立电控柜电性连接的上位机，所述独立电控柜分别控制伺服电机2、计数传感器、压力传感器18、振动传感器、流量传感器33和齿轮泵电机31，试样27安装完毕，开启电机31进而驱动齿轮泵30，有润滑介质通过流量传感器33时，伺服电机2才能启动，缺液则伺服电机2停止转动，防止试验时出现粘着磨损的发生，损坏机器。振动传感器的振动信号传输到上位机上，设定报警限值和延时时间，当振幅达到设定限值，并且持续时间超过设定延时时间后，上位机发出自动停车和停止计数信号，电控柜接收到信号分别控制伺服电机2和计数传感器停止工作。

Claims (7)

1.一种卧式球棒式接触疲劳试验机，其特征在于：包括基座（1）、测控保护系统和设置于基座（1）顶端呈水平方向设置的试样夹持装置和为试样（27）提供接触试验力的试验力加载装置，所述试验力加载装置下部设置有能够带动试验力加载装置左右移动的调节装置，所述基座（1）下端还设置有为试验力加载装置提供润滑的润滑系统，所述试样夹持装置包括通过试样夹头轴承座（4）设置于基座（1）顶端用于夹持试样（27）的试样夹头（5），所述试样夹头（5）通过弹性联轴器（3）与伺服电机（2）的主轴转动连接，弹性联轴器（3）旁的基座上安装有用于计量试样（27）转动圈数的磁接近开关（6）且磁接近开关（6）与设置于电控柜上的计数传感器电性连接；

所述试验力加载装置包括加载外套（16）和固定设置于加载外套（16）一端且向外延伸的弹簧保护套（20），所述弹簧保护套（20）的内部设置有压缩弹簧（21），所述加载外套（16）的内部固定设置有加载内套（17）且加载内套（17）对应试样（27）的位置设置有试样（27）能够在其中转动的内腔，所述加载内套（17）靠近压缩弹簧（21）的一端固定设置有压力传感器（18），所述压缩弹簧（21）靠近压力传感器（18）的一端设置有传感器顶块（19）、另一端设置有用于挤压压缩弹簧（21）的弹簧顶杆（8），所述弹簧顶杆（8）与压缩弹簧（21）之间设置有弹簧顶块（28），所述加载内套（17）远离压缩弹簧（21）的一端固定设置有将压缩弹簧（21）的压力转化为试验力的滚珠装置；

所述调节装置包括固定试验力加载装置的调节支座（7）和带动调节支座（7）左右滑动的滑轨装置，所述滑轨装置包括设置于基座（1）上的平行设置的两个圆柱形导轨（9）和设置于两个导轨（9）中间的丝杠（10），所述丝杠（10）通过设置于两个导轨（9）两端的丝杠轴承座固定且丝杠（10）能够在丝杠轴承座内转动，所述调节支座（7）的下端固定设置有两个套设于导轨（9）和丝杠（10）上的导轨轴承座（11）且导轨轴承座（11）与丝杠（10）转动连接；

所述调节支座（7）包括设置于导轨轴承座（11）上的支座底板和设置于支座底板上的分别固定加载外套（16）、弹簧保护套（20）和弹簧顶杆（8）的立板，所述弹簧顶杆（8）与立板之间转动连接，所述支座底板上设置有指针且基座（1）上对应位置设置有刻度尺。

2.根据权利要求1所述的一种卧式球棒式接触疲劳试验机，其特征在于：所述加载内套（17）一侧设置有凸出加载外套（16）的连接板（22）且连接板（22）上设置有检测加载内套（17）轴向运动的振动传感器。

3.根据权利要求1所述的一种卧式球棒式接触疲劳试验机，其特征在于：所述滚珠装置包括设置于加载内套（17）内部的两个轴承外圈（23）和设置于轴承外圈（23）内部的滚珠（15），所述轴承外圈（23）的中心孔为锥形孔且两个轴承外圈（23）内径较大的一端相对设置，所述两个轴承外圈（23）的内部设置有使得滚珠（15）沿试样（27）做行星运动的滚珠保持架（24）。

4.根据权利要求3所述的一种卧式球棒式接触疲劳试验机，其特征在于：所述加载外套（16）靠近滚珠装置的一端设置有用于固定和拆卸滚珠装置的端盖（14）且端盖（14）的中心设置有试样（27）能够通过的中心孔。

5.根据权利要求2所述的一种卧式球棒式接触疲劳试验机，其特征在于：所述润滑系统包括充装润滑介质的油箱、将润滑介质由油箱输入加载外套（16）的进油管路和将润滑介质由加载外套（16）流回油箱的回油管路，所述进油管路包括依次连接的吸油过滤器（29）、齿轮泵（30）和流量传感器（33）且进油管路上还设置有溢流阀（34），所述齿轮泵（30）通过齿轮泵电机（31）带动转动，所述加载外套（16）的相对位置设置有加载外套注油孔（25）和加载外套回油孔（26）且加载外套注油孔（25）与进油管路连接、加载外套回油孔（26）与回油管路连接。

6.根据权利要求5所述的一种卧式球棒式接触疲劳试验机，其特征在于：所述润滑系统设置为两套且分别与装有不同润滑介质的1#油箱（12）和2#油箱（13）连接，所述两套润滑系统的进油管路合并后流经流量传感器（33）与加载外套注油孔（25）连接且每套进油管路上设置有防止润滑介质倒流的单向阀（32）。

7.根据权利要求6所述的一种卧式球棒式接触疲劳试验机，其特征在于：所述测控保护系统包括独立电控柜和与独立电控柜电性连接的上位机，所述独立电控柜分别控制伺服电机（2）、计数传感器、压力传感器（18）、振动传感器、流量传感器（33）和齿轮泵电机（31）。