CN1391095A - 一种微动试验夹具及其试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种径向微动试验夹具及其试验方法，采取控制载荷和控制变形量两种方式，产生了一种新的材料摩擦性能的检测方法。接触偶件(上、下试件)采用球/平面接触方式，其中上试件固定，下试件随高精度液压侍服系统驱动的活塞而运动。载荷信号由上试件上方的载荷传感器测量，试件间的相对变形大小由高精度的外置位移传感器测量；然后将载荷传感器和外置位移传感器的测量信号输入计算机处理。主要用于径向微动试验。
Description
本发明涉及材料摩擦磨损性能和涂层寿命评估试验技术领域。
不同于滑动、滚动，微动是紧配合件间发生的振幅极小(通常在微米量级)的相对运动。微动可以造成接触表面磨损，引起构件咬合、松动或形成污染源等；它也可以加速裂纹的萌生和扩展，使零部件的疲劳寿命降低。在核电、航空、铁路等工业中微动已成为紧配合部件失效的主要原因之一。微动的运动方式十分复杂，微动的运动方式可分为平移式、径向式、滚动式和扭动式等四种基本类型。径向微动通常是由法向力或热应力的周期性变化产生，接触圆的半径随着法向力或热应力的波动在最大和最小值之间变化，滑移发生在最大和最小接触半径之间的圆环内。径向微动的两个接触表面始终保持接触状态，如果接触表面一旦彼此脱离，其运动模式就会转变为冲击。
本发明的目的是提供一种微动试验夹具及其试验方法：它能有效地模拟径向微动磨损以及涂层在径向微动条件下的接触疲劳寿命评估。
本发明是通过对法国NENE2型高精度液压伺服微动试验台控制程序进行改进，采取控制载荷和控制变形量两种方式，产生了一种新的材料摩擦性能的检测方法。它是一种操作简单、能真实地模拟径向微动的试验方法。接触偶件(上、下试件)采用球/平面接触方式，其中上试件固定，下试件随高精度液压侍服系统驱动的活塞而运动。载荷信号由上试件上方的载荷传感器测量，试件间的相对变形大小由高精度的外置位移传感器测量；然后将载荷传感器和外置位移传感器的测量信号输入计算机处理。要完成上述任务需要包括液压试验台的上、下安装座及其夹具，夹具由一个与液压试验台的上安装座通过螺纹连结的上试件夹头和一个与下安装座通过螺纹连结的下试件夹头组成，下安装座是一个带螺纹的活塞头，试验时活塞作径向运动，载荷传感器设在液压试验台的上安装座上方，上安装座是一个带螺纹的杆，上、下试件夹头都有一个与所述螺纹配合的螺孔，试件夹头通过螺孔分别安装在上安装座和下安装座上，上试件夹头沿螺孔轴线方向设有凸台，下试件夹头沿螺孔轴线方向设有凹槽，沿夹具螺孔径线方向的一侧设有位移传感器。所述上试件夹头的凸台上设有上试件，所述下试件夹头的凹槽中设有下试件。上试件与下试件接触处为平面，下试件与上试件接触处为球面。该试验装置的载荷范围在0～1000N之间；位移测量精度0.2μm，外置位移传感器最大量程60μm；液压侍服系统控制位移变化范围1～12000μm。该试验装置可以分别在控制载荷和控制变形量两种方式下进行试验。控制载荷的径向微动试验步骤如下：1.首先确定试验参数；2.加预载(如10N)，再进行数据清零，以保证摩擦副表面之间接触良好；3.以一定的加载速度加载到最大载荷pmax，再以相同的速度反向加载至最小载荷pmin，pmin的值应大于0，这样才能保证接触表面不发生脱离。以上为第一次加载循环；4.在完成第一次循环之后，在设定的加载速度控制下试样在最大和最小载荷之间循环运动。计算机可以记录并输出所需的任一径向微动循环的载荷-变形位移曲线，记录并输出最大、最小位移及位移幅值随循环次数的变化曲线。该试验的摩擦副间相对运动速度通过加载速度来控制，加载速度范围为-6000～6000μm/min。
控制变形的径向微动试验是通过控制接触偶件之间的相对位移来实现的，其步骤如下：1.首先确定试验参数。2.施加适宜的预载(10N)以保证偶件间接触良好。3.为保证摩擦副表面之间不脱离接触，以一定的加载速度施加一个初始载荷p0。4.设定的变形位移幅值ΔD控制活塞的运动，使摩擦副间保持恒定的变形位移。
每次循环完成一次加载和卸载。计算机可以记录并输出任一径向微动循环的载荷-变形位移-循环次数三维图；并记录最大和最小载荷以及载荷幅值随循环次数的变化曲线。通过控制活塞的运动频率(f)来控制摩擦副间的相对运动速度，频率范围为0.1~800.0Hz。根据需要，可以将2种模式的整个试验过程控制在弹性范围或弹塑性范围，关键取决于第1次循环载荷所加的值。在径向微动的试验研究中，可根据所研究偶件的受力情况选择运行模式。如果载荷变化幅值是恒定的，则宜进行控制载荷模式的试验；如果偶件的运动位移幅值是恒定的，则宜进行控制变形模式的试验；如果外载和相对位移均是变化的，则可以分别在2种模式下进行试验。
本发明的附图说明如下：
图1为本发明的试验过程结构示意图
图2为本发明的试验流程图
图3为本发明的控制载荷相同试样试验结果的重现性
图4为本发明的控制变形相同试样试验结果的重现性
图4为本发明的相同材料不同试验参数结果的可比性
图5为本发明的不同材料相同试验参数结果的可比性
以下结合附图对本发明作进一步说明
本发明是通过对法国NENE2型高精度液压伺服微动试验台控制程序进行改进，采取控制载荷和控制变形量两种方式，产生了一种新的材料摩擦性能的检测方法。它是一种操作简单、能真实地模拟径向微动的试验方法。接触偶件(上、下试件)采用球/平面接触方式，其中上试件3固定，下试件4随高精度液压侍服系统驱动的活塞6而运动。载荷信号由上试件3上方的载荷传感器1测量，试件间的相对变形大小由高精度的外置位移传感器7测量；然后将载荷传感器1和外置位移传感器7的测量信号输入计算机处理。要完成上述任务需要包括液压试验台的上、下安装座及其夹具，夹具由一个与液压试验台的上安装座通过螺纹连结的上试件夹头2和一个与下安装座通过螺纹连结的下试件夹头5组成，下安装座是一个带螺纹的活塞头，试验时活塞6作径向运动，载荷传感器1设在液压试验台的上安装座上方，上安装座是一个带螺纹的杆，上试件夹头2、下试件夹头5都有一个与所述螺纹配合的螺孔，试件夹头通过螺孔分别安装在上安装座和下安装座上，上试件夹头2沿螺孔轴线方向设有凸台，下试件夹头5沿螺孔轴线方向设有凹槽，沿夹具螺孔径线方向的一侧设有位移传感器7。所述上试件夹头2的凸台上设有上试件3，所述下试件夹头5的凹槽中设有下试件4。上试件3与下试件4接触处为平面，下试件4与上试件3接触处为球面。该试验装置的载荷范围在0～1000N之间；位移测量精度0.2μm，外置位移传感器7最大量程60μm；液压侍服系统控制位移变化范围1～12000μm。该试验装置可以分别在控制载荷和控制变形量两种方式下进行试验。控制载荷的径向微动试验步骤如下：1.首先确定试验参数。2.给摩擦副加预载(如10N)，再进行数据清零，以保证摩擦副表面之间接触良好；3.以一定的加载速度加载到最大载荷pmax，再以相同的速度反向加载至最小载荷pmin，pmin的值应大于0，这样才能保证接触表面不发生脱离。以上为第一次加载循环。4.在完成第一次循环之后，在设定的加载速度控制下试样在最大和最小载荷之间循环运动。计算机可以记录并输出所需的任一径向微动循环的载荷-变形位移曲线，记录并输出最大、最小位移及位移幅值随循环次数的变化曲线。该试验的摩擦副间相对运动速度通过加载速度来控制，加载速度范围为-6000～6000μm/min。
控制变形的径向微动试验是通过控制接触偶件之间的相对位移来实现的，其步骤如下：1.首先确定试验参数。2.施加适宜的预载(10N)以保证偶件间接触良好。3.为保证摩擦副表面之间不脱离接触，以一定的加载速度施加一个初始载荷p0。4.设定的变形位移幅值ΔD控制活塞的运动，使摩擦副间保持恒定的变形位移。
每次循环完成一次加载和卸载。计算机可以记录并输出任一径向微动循环的载荷-变形位移-循环次数三维图；并记录最大和最小载荷以及载荷幅值随循环次数的变化曲线。通过控制活塞的运动频率(f)来控制摩擦副间的相对运动速度，频率范围为0.1～800.0Hz。
根据需要，可以将2种模式的整个试验过程控制在弹性范围或弹塑性范围，关键取决于第1次循环载荷所加的值。在径向微动的试验研究中，可根据所研究偶件的受力情况选择运行模式。如果载荷变化幅值是恒定的，则宜进行控制载荷模式的试验；如果偶件的运动位移幅值是恒定的，则宜进行控制变形模式的试验；如果外载和相对位移均是变化的，则可以分别在2种模式下进行试验。
在如图1所示的径向微动试验装置上分别进行了控制载荷和控制变形位移的试验。选用的材料为：上试样为10mm×10mm×20mm的调质45#钢及表面离子镀TiN涂层(涂层厚约2μm，HV2000)，下试样为φ100mm的GCr15滚珠轴承钢球。试验条件：控制载荷时，加载速度为12mm/min，最大载荷为200N、400N、600N和800N，最小载荷50N，循环105次；控制变形位移时，试验频率为20Hz，初始载荷为300N和400N，控制的位移幅值为3μm，循环105次。
图3、图4示出了TiN涂层试样分别在控制载荷和控制变形模式下，以相同试验条件进行3次试验的结果。可以看出，重复试验条件下数据的分散性小，表明试验方法的重复性较好。
图5示出了TiN涂层在控制载荷模式下，不同最大载荷时的试验结果，可见同种材料在不同试验参数下获得的数据之间有很好的可对比性；如图6所示为相同试验参数下不同材料的径向微动试验结果，可见其可比性同样较好。与此同时，从图6还可以看出，TiN涂层比基体有更好的承载能力，这有望使该试验装置可用于评价涂层的摩擦性能。此外，图(5和6)所示的试验结果均表明，当TiN涂层经历高循环次数的径向微动试验时，有相同的变化趋势，即控制载荷时变形量增大，而控制变形量时载荷则降低，这表明径向微动试验装置在2种不同的控制模式下载荷-变形的变化规律是一致的。
Claims (10)
1.一种微动试验夹具，包括液压试验台的上、下安装座，上安装座是一个带螺纹的杆，载荷传感器设在液压试验台的上安装座上方，下安装座是一个带螺纹的活塞头，试件夹头有一个与所述螺纹配合的螺孔，试件夹头通过螺孔分别安装在上安装座和下安装座上，其特征在于试件夹头沿螺孔轴线方向设有凸台或凹槽，沿螺孔径线方向的一侧设有位移传感器。
2.根据权利要求1所述的一种微动试验夹具，其特征在于所述试件夹头的凸台上设有上试件。
3.根据权利要求1所述的一种微动试验夹具，其特征在于所述试件夹头的凹槽中设有下试件。
4.根据权利要求2所述的一种微动试验夹具，其特征在于所述上试件与下试件接触处为平面。
5.根据权利要求3所述的一种微动试验夹具，其特征在于所述下试件与上试件接触处为球面。
6.根据权利要求1所述的一种微动试验夹具，其特征在于该试验装置的载荷范围在0～1000N之间；位移测量精度0.2μm，外置位移传感器最大量程60μm；液压侍服系统控制位移变化范围1～12000μm。
7.一种微动试验方法，首先确定试验参数，确定实验循环次数和数据存取的循环次数，其特征在于控制载荷的径向微动试验步骤如下：步骤1：先给摩擦副加预载，再进行数据清零，以保证摩擦副表面之间接触良好；步骤2：以一定的加载速度加载到最大载荷pmax，再以相同的速度反向加载至最小载荷pmin，pmin的值应大于0，这样才能保证接触表面不发生脱离，以上为第一次加载循环；步骤3：在完成第一次循环之后，在设定的加载速度控制下试样在最大和最小载荷之间循环运动。
8.一种微动试验方法，首先确定试验参数，确定实验循环次数和数据存取的循环次数，其特征在于控制变形的径向微动试验是通过控制接触偶件之间的相对位移来实现的，其步骤如下：步骤3：设定的变形位移幅值ΔD控制活塞的运动，使摩擦副间保持恒定的变形位移。
9.根据权利要求7或8所述的一种微动试验方法，其特征在于加载速度范围为-6000～6000μm/min。
10.根据权利要求7或8所述的一种微动试验方法，其特征在于载荷以设定速率从0加至最大值。
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