CN112414880A - 金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损试验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料性能测试和研究领域，提供了一种金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损试验台，包括：加载装置、驱动装置、传感器组件、支撑架、环境箱、工作台；通过加载装置向固定在驱动装置上的待测金属材料提供径向载荷，驱动装置使两种金属材料可以沿轴向自转，同时可以通过传感器组件监测载荷变化、获得力矩、转速等试验参数，并可以在环境箱里模拟环境因素的变化，实现了在实验室中可以模拟两种金属材料的实际使用情况，完成了对金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损的试验。

Description

金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损试验台

技术领域

本发明涉及材料性能测试和研究领域，特别涉及一种金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损试验台。

背景技术

随着金属材料在冶金、轨道车辆、制造业等方面的广泛应用，特别是应用在轴承、齿轮、轧辊、轮箍等时，往往是在高速、重载的运行条件下使用，因此金属材料滚动接触疲劳试验就显得即为重要，它可为这些零件的设计、选材、制订冷热加工工艺提供重要依据。

原有的试验方式大体分为两种，一种采用理论计算，创造虚拟模型通过仿真计算以复现两种材料接触关系达到计算效果，但往往理论计算与实际测量有着巨大差异；另一种是通过对金属材料在实际应用中的磨损程度进行测量，但此种受环境、气候、工况等外部条件的干预影响，所得的测量结果往往也不是实际工况产生的。

或者可以查询本国标YB/T5345-2006《金属材料滚动接触疲劳试验方法》。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种不受环境、气候、工况等外部条件的干预影响，在实验室内完成相应试验的试验装置台。本试验设备以金属材料应用于轮轨为例，模拟在轨道车辆行驶中的轮轨关系，以研究接触疲劳为目的进行设计，以缩比对车辆的车轮进行制造，并以缩比轨道轮的方式对轨道进行复现，模拟缩比后的车轮承载力，模拟与真实车辆相同的车轴旋转速度，载荷频率与车速进行对应。

为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损试验台，其特征在于，包括：用于向待测金属件径向加压的加载装置、使两种待测金属件周向旋转的驱动装置、传感器组件；

驱动装置包括用于驱动第一待测金属件转动的第一电机、用于驱动第二待测金属件转动的第二电机；其中，第一待测金属件和第二待测金属件径向抵接，传感器组件采集试验过程中的径向力、径向位移、扭矩中的至少一种。

优选地，第一待测金属件与第一电机的第一转轴固定连接，第二待测金属件与第二电机的第二转轴固定连接，第一转轴与第二转轴平行设置。

优选地，传感器组件包括如下中的至少一种：用于测量径向压力的压力传感器、用于测量加载在第一转轴和第二转轴扭矩和转速的扭矩传感器、用于对待测金属件进行接触疲劳损伤测量的激光位移传感器。

优选地，传感器组件还包括传力柱，传力柱的下端面与第一转轴抵接，传力柱的上端面与加载装置抵接；压力传感器固定设置在传力柱的上端面。

优选地，还包括支撑架；支撑架为中心带通孔的双层平台结构，包括上层用来固定加载装置中的静压油缸的主机平台、下层用来放置加载装置中的配重砝码的加载平台、垂直穿过加载平台的四个角内的通孔且顶端与主机平台固定的四根立柱；位于加载平台下方的立柱部分与加载平台形成一个测试空间。

优选地，还包括模拟环境因素的环境箱，环境箱将测试空间密封。

优选地，加载装置还包括：活塞轴和连接轴；

其中主机平台的中心通孔与静压油缸伸出的活塞轴的直径相适配，使活塞轴竖直穿过主机平台，加载平台的中心通孔与连接活塞轴的连接轴相适配，使连接轴竖直穿过加载平台并固定连接，静压油缸提供的载荷传导至加载平台上；加载平台与传力柱的上端面抵接。

优选地，加载平台四个角上设有通孔，每个通孔内固定有直线轴承，用于带动加载平台以四根立柱为轴上下移动。

优选地，配重砝码均匀对称固定在加载平台上。

优选地，驱动装置还包括：分别位于第二待测金属件两侧用于支撑第二转轴的两个支撑块、分别用于支撑第一电机与第二电机的两个垫块。

本发明能够取得以下技术效果：

1、本设备以缩比的方式在实验室内完成相应的试验，不受环境、气候、工况等外部条件的干预影响。

2、可外加环境箱，调整试验温度，上方载荷为动载，且旋转速度可设置为变速运动，更接近真实的轮轨关系。

附图说明

图1是本发明实施例提供的滚动接触疲劳摩擦磨损试验台试验部分整体示意图；

图2是本发明实施例的原理框图；

图3是本发明实施例提供的驱动装置与传感器组件的连接示意图；

图4是本发明实施例提供的加载装置与支撑架的连接示意图；

图5是本发明实施例提供的整体示意图。

其中的附图标记包括：

加载装置1，包括：

静压油缸11、活塞轴111、连接轴112、配重砝码12；

驱动装置2，包括：

第一电机21、第一转轴211；

第二电机22、第二转轴221、支撑块2211；

垫块23、联轴器24、缩比车轮25、缩比轨道轮26；

传感器组件3，包括：

压力传感器31、传力柱311、扭矩传感器32、激光位移传感器33；

支撑架4，包括：

主机平台41、加载平台42、直线轴承421；

环境箱5、工作台6。

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明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

下面将对本发明提供的一种金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损试验台，通过模拟轨道车辆行驶中的轮轨关系为具体实施例来进行详细说明。

图1示出了本发明实施例提供的滚动接触疲劳摩擦磨损试验台试验部分整体结构，以固定在第一转轴211上的待测金属材料模拟缩比车轮25；以固定在第二转轴221上的待测金属材料模拟缩比轨道轮26，以轨道轮的方式对轨道进行复现。通过主机平台41上方的静压油缸11进行加载，用以模拟车辆行驶过程中轮、轨间的负载。

传感器组件3包括加载平台42下方的压力传感器31、固定在工作台6上的激光位移传感器33，可以采集试验过程中的径向力、径向位移、加载力值中的至少一种。

两个电机上还分别安装有扭矩传感器32，电机运转时通过控制器采集相应扭矩、转速进行闭环控制，保证转速的稳定。

本试验系统采用铸铁底板，四立柱框架结构，缩比车轮25及缩比轨道轮26分别以各自的伺服电机进行驱动，最大驱动转速为4500rpm，两轮间径向最大加载力为10kN，以静压油缸推力进行加载，最大动载频率100Hz。

结合图2所示的原理图，利用静压油缸的径向加载来模拟车辆行驶过程中轮、轨间的负载：

在模拟进行动车车轮的接触疲劳试验时，缩比轨道轮26侧的联轴器24与第二电机22脱开，第一电机驱21驱动缩比车轮25主动旋转，缩比轨道26轮被动旋转；

在进行拖车车轮的接触疲劳试验时，缩比车轮25侧的联轴器24与第一电机21脱开，第二电机22驱动缩比轨道轮26主动旋转，缩比车轮25被动旋转；

当进行滑差磨损试验时，第一电机21、第二电机22同时驱动，按照线速度的滑差比进行旋转，通过两个扭矩传感器32实时采集两侧的扭矩变化；

试验结束后，通过激光位移传感器33测量试样轮缘磨损情况。

图3示出了本发明实施例提供的驱动装置与传感器组件的固定连接方式，其中，缩比车轮25与缩比轨道轮26在竖直方向相抵，并可由各自的电机驱动进行自转，实现变速运动，也可以实现动态运动；试验过程中传感器组件3可以实时采集径向力、径向位移、扭矩、转速、振动等参数中的至少一种，并可通过软件实时绘制成与时间变化的曲线。

在本发明的一个实施例中，缩比车轮25固定在第一转轴211上，第一转轴211通过联轴器24与第一电机21相连，第一电机21通过垫块23固定到工作台6上；缩比轨道轮26固定在第二转轴221上，第二转轴221通过联轴器24与第二电机22相连，第二电机22通过垫块23固定到工作台6上；第一转轴211与第二转轴221相互平行，且两个垫块23不等高，使得缩比车轮25和缩比轨道轮26可以在竖直方向上抵接；

工作台6上还固定有两个对第二转轴221起到支撑作用的支撑块2211，第二转轴221通过支撑块2211上固定的轴座与之相连接。

本发明的工作台6采用灰铁铸造铁底板，浇铸成型后加工。此种结构刚性好，稳定可靠。采用铸铁地板具有一定减振作用，可有效减弱试验时的振动。

在本发明的一个实施例中，四个压力传感器31通过传力柱311俩俩固定在第一转轴211上缩比车轮25的左右两侧，压力传感器31的另一端与加载平台42固定，由此将加载平台42上的载荷全部施加到缩比车轮25上，并且能够实时获取径向力的变化值，又因缩比车轮25与缩比轨道轮26接触，由此模拟了轨道与车轮的相互作用，复现了轮轨在高速、重在的运行条件下产生的接触疲劳的现象。

同时，在第一转轴211和第二转轴221上分别布置两个扭矩传感器32用以测量缩比车轮25与缩比轨道轮26转动时扭矩、转速等参数；

在工作台6合适位置布置两个激光位移传感器33，在试验结束后可对缩比车轮25、缩比轨道轮26接触疲劳损伤进行测量。

图4示出了本发明实施例提供的加载装置1与支撑架4的连接关系，支撑架4与工作台6固定，为加载装置1提供了结构支撑；加载装置1固定在支撑架4上，同时通过活塞轴111和配重砝码12向加载平台4提供径向载荷，由此模拟轨道列车的重载。

在本发明的一个实施例中，径向加载采用静压油缸11进行加载，它具有很高的频响，在动态试验时有很好的反馈能力，能够提高控制精度；为了保证较小径向静载荷试验时的加载精度，采用配重砝码12进行加载，增减配重砝码12的数量时，只需直接将静压油缸活塞与加载平台4断开，在加载平台4上方进行直接加载；单个砝码精度＜0.1％，且砝码可进行多种组合。

如图4所示，支撑架4分为上下两层，上层为主机平台41，用来固定静压油缸11、下层是加载平台42，用来放置配重砝码12；四根立柱垂直穿过主机平台41和加载平台42，立柱的顶端与主机平台41固定，底端穿过工作台6并在工作台6底面进行固定，由此形成了一个对加载装置1进行支撑的框架结构，且加载平台42和工作台6之间还形成了一个测试空间，该测试空间的高度可以通过固定在加载平台42四个角内的四个直线轴承421进行调节，直到固定在加载平台42底面的传力柱311的另一端可以固定在第一转轴211上。

具体的，主机平台41的中心位置设有通孔，其直径大小与活塞轴111的直径向适配，活塞轴111另一端与连接轴112连接，加载平台42中心的通孔直径与连接轴112的直径相适配，连接轴112竖直穿过加载平台42并用螺母将其与加载平台42固定，由此使得静压油缸11提供的载荷可以全部作用到加载平台42上。

更具体的，加载平台42四个角上设有通孔，每个通孔内固定有直线轴承421，可以带动加载平台42以四根立柱为轴上下移动，直到传力柱311可以连接并固定到第一转轴211上，此时容纳空间的高度确定，用至少两个位于对角线位置的锁紧圈固定在立柱上，用锁紧圈将直线轴承421顶住，使其不能再沿立柱轴向下滑。

最后将测试空间密封起来，用以模拟环境因素，测试空间内还可以对两个轮进行介质润滑，通过喷淋水、油来完成。

本发明提供的一种金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损试验台，还可以进行如下试验：

试验一：静载荷匀速旋转试验

序号	名称	内容
			1	载荷	静载1000N(砝码)
2	转速	2400rpm
			3	试验时间	60min

记录试验数据(转速、扭矩)；

试验二：静载荷转速周期波动试验

序号	名称	内容
			1	载荷	静载1000N(砝码)
2	车轮转速	1200rpm
			3	轨道轮转速	851rpm
4	转速波动量	10％
			5	波动频率	5Hz
6	试验时间	60min

记录试验数据(转速、扭矩)

试验三：动载荷匀速旋转试验

序号	名称	内容
			1	静载荷	1000N(油缸)
2	动载荷	10％
			3	动载频率	5Hz
4	转速	1200rpm
			5	试验时间	60min

记录试验数据(载荷、转速、扭矩)试验四：滑差试验

序号	名称	内容
			1	载荷	静载1000N(砝码)
2	第一转轴转速	700rpm
			3	第二转轴转速	550rpm
4	滑差率	10％
			5	喷淋	润滑油
6	试验时间	10min

记录试验数据(载荷、转速、扭矩)试验五：温厂下静载荷匀速旋转试验

序号	名称	内容
			1	载荷	静载1000N(砝码)
2	转速	1200rpm
			3	温度	-30℃
4	试验时间	60min

记录试验数据(载荷、转速、扭矩)

上述试验完成后，通过激光测距仪测量试样轮缘磨损情况，并进行记录。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损试验台，其特征在于，包括：用于向待测金属件径向加压的加载装置(1)、使两种待测金属件周向旋转的驱动装置(2)、传感器组件(3)；

所述驱动装置(2)包括用于驱动第一待测金属件转动的第一电机(21)、用于驱动第二待测金属件转动的第二电机(22)；其中，所述第一待测金属件和所述第二待测金属件径向抵接，所述传感器组件(3)采集试验过程中的径向力、径向位移、扭矩中的至少一种。

2.如权利要求1所述的金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损试验台，其特征在于，所述第一待测金属件与所述第一电机(21)的第一转轴(211)固定连接，所述第二待测金属件与所述第二电机(22)的第二转轴(221)固定连接，所述第一转轴(211)与所述第二转轴(221)平行设置。

3.如权利要求1所述的金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损试验台，其特征在于，所述传感器组件(3)包括如下中的至少一种：用于测量径向压力的压力传感器(31)、用于测量加载在所述第一转轴(211)和所述第二转轴(221)扭矩和转速的扭矩传感器(32)、用于对待测金属件进行接触疲劳损伤测量的激光位移传感器(33)。

4.如权利要求3所述的金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损试验台，其特征在于，所述传感器组件(3)还包括传力柱(311)，所述传力柱(311)的下端面与所述第一转轴(211)抵接，所述传力柱(311)的上端面与所述加载装置(1)抵接；所述压力传感器(31)固定设置在所述传力柱(311)的上端面。

5.如权利要求1所述的金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损试验台，其特征在于，还包括支撑架(4)；所述支撑架(4)为中心带通孔的双层平台结构，包括上层用来固定所述加载装置(1)中的静压油缸(11)的主机平台(41)、下层用来放置所述加载装置(1)中的配重砝码(12)的加载平台(42)、垂直穿过所述加载平台(42)的四个角内的通孔且顶端与所述主机平台(41)固定的四根立柱；位于所述加载平台(42)下方的立柱部分与所述加载平台(42)形成一个测试空间。

6.如权利要求1所述的金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损试验台，其特征在于，还包括模拟环境因素的环境箱(5)，所述环境箱(5)将所述测试空间密封。

7.如权利要求5所述的金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损试验台，其特征在于，加载装置(1)还包括：活塞轴(111)和连接轴(112)；

其中所述主机平台(41)的中心通孔与所述静压油缸(11)伸出的活塞轴(111)的直径相适配，使所述活塞轴(111)竖直穿过所述主机平台(41)，所述加载平台(42)的中心通孔与连接所述活塞轴(111)的连接轴(112)相适配，使所述连接轴(112)竖直穿过所述加载平台(42)并固定连接，静压油缸(11)提供的载荷传导至所述加载平台(42)上；所述加载平台(42)与所述传力柱(311)的上端面抵接。

8.如权利要求5所述的金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损试验台，其特征在于：所述加载平台(42)四个角上设有通孔，每个通孔内固定有直线轴承(421)，用于带动所述加载平台(42)以四根立柱为轴上下移动。

9.如权利要求5所述的金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损试验台，其特征在于：所述配重砝码(12)均匀对称固定在所述加载平台(42)上。

10.如权利要求1所述的金属材料滚动接触疲劳摩擦磨损试验台，其特征在于：所述驱动装置(2)还包括：分别位于所述第二待测金属件两侧用于支撑所述第二转轴(221)的两个支撑块(2211)、分别用于支撑所述第一电机(21)与第二电机(22)的两个垫块(23)。

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