CN114858577A - 一种微动疲劳试验方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微动疲劳试验方法及装置，包括轴向加载机构、法向加载机构、直角固定器以及光学平板，轴向加载机构用于提供循环的轴向载荷，法向加载机构用于施加微动疲劳试验所需的法向载荷，法向加载机构通过直角固定器固定在光学平板上，微动疲劳试验装置通过光学平板放置在减震平台上，法向加载机构包括左传动机构、右传动机构、平衡支撑座、微动夹具以及双头螺杆。本发明设计了一种加载载荷可控的线接触式微动疲劳试验装置，通过搭载测力系统保证试样两侧承受相同的法向载荷，解决了微动疲劳试验中试样法向载荷受力不均等问题，提高微动疲劳试验准确性，并通过测试数据研究材料微动疲劳性能，预测其疲劳寿命。

Description

一种微动疲劳试验方法与装置

技术领域

本发明属于材料性能测试技术领域，具体涉及一种微动疲劳试验方法与装置。

背景技术

微动疲劳损伤是一种涉及磨损、疲劳和腐蚀的复合损伤形式，是导致构件过早失效的主要原因。因此针对不同材料进行微动疲劳性能测试，研究微动疲劳特性，预测其疲劳寿命是十分必要的。

微动疲劳基本运行模式主要包括拉压微动疲劳、弯曲微动疲劳和扭转微动疲劳。其中拉压式微动疲劳研究较为普遍，试验中轴向加载机构对试样施加循环的轴向载荷，法向加载机构通过螺栓紧固或者气缸加载的方式施加微动疲劳试验所需的法向载荷，但是两种加载方式均很难保证试样两侧接触面承受相同的法向载荷，试验过程中试样容易因受力不均而发生弯曲，严重影响试验的准确性。因此本发明设计一种加载载荷可控的线接触式微动疲劳试验装置，通过搭载测力系统保证试样两侧承受相同的法向载荷。

发明内容

针对上述问题情况，本发明提供一种微动疲劳试验方法与装置，为加载载荷可控的线接触式微动疲劳试验装置，通过搭载测力系统保证试样两侧承受相同的法向载荷，解决微动疲劳试验中试样法向载荷受力不均等问题，提高微动疲劳试验准确性，并通过测试数据研究材料微动疲劳性能，预测其疲劳寿命等。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种微动疲劳试验装置，包括轴向加载机构、法向加载机构、直角固定器以及光学平板，所述轴向加载机构用于固定测试试样并提供循环的轴向载荷，法向加载机构用于施加微动疲劳试验所需的法向载荷，法向加载机构通过直角固定器固定在光学平板上，微动疲劳试验装置通过光学平板放置在减震平台上，所述法向加载机构包括左传动机构、右传动机构、平衡支撑座、微动夹具以及双头螺杆，所述左传动机构包括依次连接的左螺杆、螺杆固定座、传感器安装座以及压力传感器，左螺杆旋转时带动螺杆固定座、传感器安装座以及压力传感器一同进给，并通过压力传感器推动微动夹具向前运动。

进一步的，所述右传动机构为右螺杆，所述双头螺杆的两端连接有平衡支撑座进行支撑；双头螺杆的左右两端均设置有锁紧螺母，用于锁死双头螺杆，双头螺杆中间区域为光杆设置；所述平衡支撑座上开设有通孔和螺纹孔，通孔用于连接直角固定器和双头螺杆，螺纹孔用于连接左螺杆和右螺杆。

进一步的，左螺杆穿过平衡支撑座的螺纹孔设置，螺杆固定座锁紧左螺杆并通过螺栓螺母固定在传感器安装座相应位置，传感器安装座右侧安装有压力传感器。

进一步的，所述微动夹具通过双头螺杆进行支撑，微动夹具对称设置，左侧的微动夹具设置在左传动机构的右侧，左传动机构向右移动时，推动左侧的微动夹具一并移动。

进一步的，所述直角固定器两端开设直槽口，一端通过螺栓固定在光学平板相应的螺纹安装孔上，另一端通过螺栓螺母与法向加载机构相连，直角固定器两侧对称分布将整个法向加载机构水平支撑固定。

进一步的，所述微动夹具包括传动连接件、微动垫固定夹具、定位螺栓和微动垫，传动连接件与双头螺杆连接用于支撑微动夹具，微动垫固定夹具固定在传动连接件上，微动垫安装在微动垫固定夹具相应的安装槽中，并通过两侧定位螺栓锁紧，所述微动垫厚度与测试试样宽度相同。

进一步的，所述轴向加载机构包括上横梁、下横梁、保护壳以及传动丝杆，所述上横梁和下横梁套设在传动丝杆上，且上横梁保持固定，在上横梁和下横梁上设置有用于夹紧测试试样的夹头，在下横梁的下部还设置有测力传感器。

再进一步的，所述轴向加载机构还包括驱动器，用于控制传动丝杆的转动，进而带动下横梁作动。

更进一步的，所述微动疲劳试验装置，还设置有控制系统和位移传感器，控制系统用于接收测力传感器和压力传感器反馈的载荷信号，位移传感器用于反馈位移信号。

本发明还提出了一种微动疲劳试验方法，应用于如上所述的微动疲劳试验装置进行，所述微动疲劳试验方法包括如下步骤：

（1）将测试试样通过螺栓固定在上横梁的夹头上，再通过驱动器控制将下横梁移动到合适位置，并将测试试样下端固定在下横梁的夹头上，完成测试试样安装；

（2）为测试试样两侧提供相等的法向载荷，操作如下：左螺杆旋转并通过压力传感器推动微动夹具向右移动，微动夹具与测试试样接触时停止旋转，此时压力传感器受力为零，接着右螺杆旋转推动微动夹具向左移动并开始给测试试样表面施加法向载荷，当压力传感器受力为F时右螺杆停止运动，此时测试试样两侧受力平衡且均为F；

（3）对所述试件施加轴向循环疲劳载荷，记录所述试件受疲劳载荷的循环次数直到试件失效。

比现有技术相比，本发明技术方案具有如下有益效果：

（1）实现一种微动疲劳试验方法

通过轴向加载机构、法向加载机构、直角固定器和光学平板完成微动疲劳试验装置的搭建。轴向加载机构提供试验所需的轴向循环载荷，法向加载机构施加试验所需的法向接触载荷。轴向加载机构与法向加载机构相互独立，因此可以分别设定轴向循环载荷的频率、振幅和法向接触载荷的大小，探究不同加载条件对微动疲劳试验的影响，为更深层次的研究微动疲劳损伤机理提供可行的试验方法。

（2）实现测试试样两侧受力平衡

法向加载机构通过直角固定器、平衡支撑座等保持水平。且法向加载机构中设计并安装了传感器，通过传感器辅助调节测试试样两侧的法向接触载荷确保两侧受力平衡，避免测试试样受力不均导致单侧弯曲现象的产生，提升微动疲劳试验的准确性。

（3）实现微动垫的简单拆卸安装

微动疲劳试验中微动垫安装在相应的微动垫固定夹具内并通过定位螺栓锁紧，更换微动垫时只需拆卸定位螺栓即可。微动疲劳试验中根据试验类型选用点接触或面接触等不同接触形式时只需拆卸更换相应的微动垫固定夹具和微动垫即可。

（4）实现微动疲劳试验中载荷采集

微动疲劳试验中轴向加载机构可以通过力传感器和位移传感器采集载荷和位移数据，法向加载机构可以通过压力传感器记录试验中试样的法向接触载荷，并根据试验数据建立微动疲劳失效模型，预测试样的微动疲劳寿命。

附图说明

图1为本发明的微动疲劳试验装置结构示意图；

图2为本发明的轴向加载机构结构示意图；

图3为本发明的法向加载机构结构示意图；

图4为本发明的左传动机构结构爆炸图；

图5为本发明的微动夹具结构爆炸图；

图中：1、轴向加载机构；2、法向加载机构；3、光学平板；4、直角固定器；5、上横梁；6、下横梁；7、保护壳；8、传动丝杆；9、测力传感器；10、测试试样；11、左螺杆；12、右螺杆；13、螺杆固定座；14、传感器安装座；15、压力传感器；16、微动夹具；17、锁紧螺母；18、双头螺杆；19、平衡支撑座；20、传动连接件；21、微动垫固定夹具；22、定位螺栓；23、微动垫。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明的微动疲劳试验装置主要由四部分组成：轴向加载机构1、法向加载机构2、直角固定器4和光学平板3。其中轴向加载机构1提供循环的轴向载荷，法向加载机构2施加微动疲劳试验所需的法向力。法向加载机构2通过直角固定器4固定在光学平板3上。微动疲劳试验装置通过光学平板3放置在减震平台上保证试验过程安全平稳。

微动疲劳试验装置中光学平板3水平安装在防震平台上保证试验过程中装置的稳定性。直角固定器4两端开设直槽口，一端通过螺栓固定在光学平板3相应的螺纹安装孔上，另一端通过螺栓螺母与法向加载机构2相连，直角固定器4两侧对称分布将整个法向加载机构2水平支撑固定，直角固定器4上的直槽口使得法向加载机构2在固定安装时具有小幅度上下调整空间从而适应不同尺寸的拉伸试样。

轴向加载机构1夹紧试样，提供微动疲劳试验所需的轴向循环载荷，法向加载机构2在测试试样接触表面施加法向接触载荷产生应力集中继而在测试试样轴向往复作动过程中产生一定的摩擦力。微动疲劳试验中测试试样10在轴向循环载荷和表面摩擦力共同作用下完成微动疲劳性能的测试。

如图2所示，轴向加载机构1主要由上横梁5、下横梁6、保护壳7、传动丝杆8和测力传感器9组成。轴向加载机构1还连接有驱动器，试验时上横梁5保持固定，驱动器控制高精度传动丝杆8转动从而带动下横梁6作动。测试试样10装夹时首先通过螺栓固定在上横梁5的夹头上，再通过驱动器控制将下横梁6移动到合适位置，并将测试试样10下端固定在下横梁6的夹头上。下横梁6上装载有测力传感器9用于接收载荷信号并反馈给控制系统，此外轴向加载机构1机体内安装有位移传感器接收并反馈位移信号。微动疲劳试验时轴向加载机构1通过传动丝杆8带动下横梁6和测试试样10上下往复作动。

如图3所示，法向加载机构2包括左传动机构、右传动机构、平衡支撑座19、微动夹具16以及双头螺杆18，所述左传动机构包括依次连接的左螺杆11、螺杆固定座13、传感器安装座14以及压力传感器15，左螺杆11旋转时带动螺杆固定座13、传感器安装座14以及压力传感器15一同进给，并通过压力传感器15推动微动夹具16向前运动，所述右传动机构为右螺杆12。

双头螺杆18的两端连接有平衡支撑座19进行支撑；平衡支撑座19开设相应的通孔和螺纹孔，其中通孔用来连接直角固定器4和双头螺杆18，螺纹孔用来连接左螺杆11和右螺杆12。双头螺杆18安装后左右两侧均用锁紧螺母17锁死，避免试验过程中法向加载机构2出现松动现象。平衡支撑座19、双头螺杆18和直角固定器4共同作用使得法向加载机构2保持水平。传感器安装座14右侧安装压力传感器15，左侧通过螺杆固定座13与左螺杆11相连，使得左螺杆11、螺杆固定座13、传感器安装座14和压力传感器15保持相对固定同时作动。微动夹具16通过双头螺杆18对称分布在测试试样10两侧，压力传感器15与微动夹具16相连接，双头螺杆18中间区域为光杆因此微动夹具16受力时可以自由移动从而对测试试样10施加相应的法向接触载荷。

微动疲劳试验时左螺杆11旋转并通过压力传感器15推动微动夹具16向右移动，微动夹具16与测试试样10接触时停止旋转，此时压力传感器15受力为零，接着右螺杆12旋转推动微动夹具16向左移动并开始给测试试样表面施加法向载荷F，当压力传感器15受力为F时右螺杆12停止旋转，此时测试试样两侧受力平衡且均为F。测试试样10两侧法向接触载荷施加完成后通过轴向加载机构1施加轴向循环载荷并开始微动疲劳试验，记录所述测试试样受疲劳载荷的循环次数直到试件失效。微动疲劳试验时微动疲劳试验装置可以采集相应的力信号和位移信号，根据试验数据建立微动失效模型，预测试样微动疲劳寿命。微动疲劳试验装置中轴向加载机构和法向加载机构相互独立，因此可以分别研究轴向循环载荷频率、振幅和法向接触载荷大小等对微动疲劳试验的影响。

图4示为法向加载机构2中左传动机构爆炸图，压力传感器15和传感器安装座14通过凹头定位螺钉固定连接，螺杆固定座13锁紧左螺杆11并通过螺栓螺母固定在传感器安装座14相应位置。左螺杆11穿过平衡支撑座19旋转进给时可以带动螺杆固定座13、传感器安装座14和压力传感器15同时作动。

如图5所示，微动夹具16主要由传动连接件20、微动垫固定夹具21、定位螺栓22和微动垫23组成。传动连接件20与双头螺杆18连接用来支撑微动夹具16，并使得微动夹具16受力时可以在双头螺杆18光杆区域自由移动。微动垫固定夹具21通过凹头定位螺钉固定在传动连接件20上。微动垫23需要采用高强度、高硬度、高耐磨性材料，且针对板型测试试样选用了线接触式的测试方式，因此采用圆柱状微动垫23。微动垫厚度与测试试样宽度相同从而实现微动垫与测试试样表面的完全相互接触。微动垫23安装在微动垫固定夹具21相应的安装槽中，并通过两侧定位螺栓22锁紧，更换微动垫23时只需通过定位螺栓22拆卸即可。针对不同测试试样若选用点接触或者面接触测试方式只需更换相应的微动垫固定夹具21和微动垫23即可。

Claims (10)

1.一种微动疲劳试验装置，其特征在于，包括轴向加载机构（1）、法向加载机构（2）、直角固定器（4）以及光学平板（3），所述轴向加载机构（1）用于固定测试试样（10）并提供循环的轴向载荷，法向加载机构（2）用于施加微动疲劳试验所需的法向载荷，法向加载机构（2）通过直角固定器（4）固定在光学平板（3）上，微动疲劳试验装置通过光学平板（3）放置在减震平台上，所述法向加载机构（2）包括左传动机构、右传动机构、平衡支撑座（19）、微动夹具（16）以及双头螺杆（18），所述左传动机构包括依次连接的左螺杆（11）、螺杆固定座（13）、传感器安装座（14）以及压力传感器（15），左螺杆（11）旋转时带动螺杆固定座（13）、传感器安装座（14）以及压力传感器（15）一同进给，并通过压力传感器（15）推动微动夹具（16）向前运动。

2.根据权利要求1所述的一种微动疲劳试验装置，其特征在于，所述右传动机构为右螺杆（12），所述双头螺杆（18）的两端连接有平衡支撑座（19）进行支撑；双头螺杆（18）的左右两端均设置有锁紧螺母（17），用于锁死双头螺杆，双头螺杆（18）中间区域为光杆设置；所述平衡支撑座（19）上开设有通孔和螺纹孔，通孔用于连接直角固定器（4）和双头螺杆（18），螺纹孔用于连接左螺杆（11）和右螺杆（12）。

3.根据权利要求2所述的一种微动疲劳试验装置，其特征在于，左螺杆（11）穿过平衡支撑座（19）的螺纹孔设置，螺杆固定座（13）锁紧左螺杆（11）并通过螺栓螺母固定在传感器安装座（14）相应位置，传感器安装座（14）右侧安装有压力传感器（15）。

4.根据权利要求3所述的一种微动疲劳试验装置，其特征在于，所述微动夹具（16）通过双头螺杆（18）进行支撑，微动夹具（16）对称设置，左侧的微动夹具（16）设置在左传动机构的右侧，左传动机构向右移动时，推动左侧的微动夹具（16）一并移动。

5.根据权利要求4所述的一种微动疲劳试验装置，其特征在于，所述直角固定器（4）两端开设直槽口，一端通过螺栓固定在光学平板（3）相应的螺纹安装孔上，另一端通过螺栓螺母与法向加载机构（2）相连，直角固定器（4）两侧对称分布将整个法向加载机构（2）水平支撑固定。

6.根据权利要求5所述的一种微动疲劳试验装置，其特征在于，所述微动夹具（16）包括传动连接件（20）、微动垫固定夹具（21）、定位螺栓（22）和微动垫（23），传动连接件（20）与双头螺杆（18）连接用于支撑微动夹具（16），微动垫固定夹具（21）固定在传动连接件（20）上，微动垫（23）安装在微动垫固定夹具（21）相应的安装槽中，并通过两侧定位螺栓（22）锁紧，所述微动垫（23）厚度与测试试样（10）宽度相同。

7.根据权利要求6所述的一种微动疲劳试验装置，其特征在于，所述轴向加载机构（1）包括上横梁（5）、下横梁（6）、保护壳（7）以及传动丝杆（8），所述上横梁（5）和下横梁（6）套设在传动丝杆（8）上，且上横梁（5）保持固定，在上横梁（5）和下横梁（6）上设置有用于夹紧测试试样（10）的夹头，在下横梁（6）的下部还设置有测力传感器（9）。

8.根据权利要求7所述的一种微动疲劳试验装置，其特征在于，所述轴向加载机构（1）还包括驱动器，用于控制传动丝杆（8）的转动，进而带动下横梁（6）作动。

9.根据权利要求7所述的一种微动疲劳试验装置，其特征在于，还包括控制系统和位移传感器，控制系统用于接收测力传感器（9）和压力传感器（15）反馈的载荷信号，位移传感器用于反馈位移信号。

10.一种微动疲劳试验方法，应用于权利要求8-9任意一项所述的微动疲劳试验装置，其特征在于，所述微动疲劳试验方法包括如下步骤：

（1）将测试试样（10）通过螺栓固定在上横梁（5）的夹头上，再通过驱动器控制将下横梁（6）移动到合适位置，并将测试试样（10）下端固定在下横梁（6）的夹头上，完成测试试样（10）的安装；

（2）为测试试样（10）两侧提供相等的法向载荷，操作如下：左螺杆（11）旋转并通过压力传感器（15）推动微动夹具（16）向右移动，微动夹具（16）与测试试样（10）接触时停止旋转，此时压力传感器（15）受力为零，接着右螺杆（12）旋转推动微动夹具（16）向左移动并开始给测试试样（10）表面施加法向载荷，当压力传感器（15）受力为F时右螺杆（12）停止运动，此时测试试样（10）两侧受力平衡且均为F；

（3）对所述测试试样（10）施加轴向循环疲劳载荷，记录测试试样（10）受疲劳载荷的循环次数直到测试试样（10）失效。

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