CN202522495U - 一种试验环境可控的多向微动疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

一种试验环境可控的多向微动疲劳试验装置，包括由电磁激振作动器、测力传感器一、夹持球形上试件的上夹具等组成的垂向微动机构和由夹持平面下试件的下夹具、测力传感器二、压电陶瓷作动器和纵向横向二维移动平台等组成的横向微动机构，并通过下气氛罩和上气氛罩将垂向微动机构及横向微动机构罩住形成气氛控制空间，且在下夹具周沿设置高出平面试件的液体介质槽。该种试验装置能使紧配合的摩擦副在人工控制的特定气氛和/或液体环境中进行多向微动，从而更真实准确的测试出特定环境条件下，材料的多向微动摩擦磨损性能，为机械与生物工程的相关设计、使用与维护提供更准确、更可靠的依据，以提高装备与器械的性能与寿命。

Description

一种试验环境可控的多向微动疲劳试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种试验环境可控的多向微动疲劳试验装置。

背景技术

微动是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热循环等交变载荷作用下，两个接触表面之间(如紧配合面)发生的极小振幅(微米量级)的相对运动，这些接触表面通常名义上静止，即微动发生在“紧固”配合的机械部件中。微动摩擦学是研究微动运行机理、损伤、测试、监控、预防的一个学科分支，它是一门日益发展的新兴交叉学科，涉及的学科广泛，如机械学、材料学，甚至生物医学、电工学等。微动是一种相对运动幅度很小的摩擦方式，其造成的材料损伤通常表现为两种形式，即：(1)微动导致的磨损：微动可以造成接触面间的表面磨损，产生材料损失和构件尺寸变化，引起构件咬合、松动、功率损失、噪声增加或形成污染源。(2)微动导致的疲劳：微动可以加速裂纹的萌生与扩展，使构件的疲劳寿命大大降低，微动疲劳极限甚至可低于普通疲劳极限的1/3。往往这种损伤形式危险性更大，造成一些灾难性的事故。

在球-平面接触条件下，微动可以分为切向、径向、滚动、扭动等四种基本微动模式。滚动微动与扭动微动均为对磨副在法向载荷的作用下，在接触面上做小角度的旋转运动。切向微动与径向微动均为对磨副在法向载荷的作用下，在接触面上做小位移直线运动，不同之处在于：切向微动的法向载荷方向与其运动方向垂直，径向微动法向载荷方向与运动方向一致。

多向微动是在交变载荷下接触副间发生微幅振动的相对运动，其特征在于它是切向微动与径向微动的复合。在机械装置与生物体内存在大量的多向微动，例如：机车车辆的轮轴、各种轭轴机构的紧配合面的微动磨损和微动疲劳失效、核反应堆的高温复合微动损伤。对多向微动进行试验与分析，以搞清其磨损机理及与相关工况的关系，可为相关零部件的设计、制造与维护提供准确、可靠的试验依据，以降低裂纹的萌生和扩展，提高零部件的疲劳寿命具有重要的意义。而目前尚无专门的多向微动的试验设备及方法。

并且，材料的多向微动摩擦磨损是一个复杂的过程，不仅取决于其本身的结构和性质，而且与摩擦副的工作环境密切相关。实际工程应用中，许多摩擦副处于极端苛刻的环境中，例如气体压缩机、武器发射系统、机车受电弓系统、高温气冷堆、化学化工机械以及宇航航天器往往处于特殊的甚至极端的气体和/或液体介质环境中。相关研究表明，金属表面的气氛和液体介质环境对金属摩擦副的摩擦磨损性能影响较大。因此，开发试验环境可控的多向微动摩擦磨损试验装置，实现在不同气氛和/或液体介质环境中的多向微动摩擦磨损试验，以减少特定环境条件下，工程中出现的多向微动磨损问题，改进机械与生物工程的相关设计，提高装备与器械的性能与寿命，具有十分重要的意义。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种试验环境可控的多向微动疲劳试验装置，该种试验装置能使紧密配合的摩擦副在人工控制的特定气氛和/或液体环境中进行多向微动，从而更真实准确的测试出特定环境条件下，材料的多向微动摩擦磨损性能；为机械与生物工程的相关设计、使用与维护提供更准确、更可靠的依据；以提高装备与器械的性能与寿命。

本实用新型实现其发明目的所采用的技术方案是：一种试验环境可控的多向微动疲劳试验装置，包括多向微动疲劳试验台，多向微动疲劳试验台的机座的顶板上安装有可垂向移动的电磁激振作动器，电磁激振作动器通过测力传感器一与夹持球形上试件的上夹具相连；上夹具的下方为夹持平面下试件的下夹具，下夹具的侧面通过测力传感器二与压电陶瓷作动器相连，压电陶瓷作动器与纵向横向二维移动平台的侧板相连；纵向横向二维移动平台的底部与机座的底板相连；电磁激振作动器、压电陶瓷作动器，测力传感器一、二均与数据采集控制系统电连接；其特征在于，所述的试验台上还设置有气氛环境控制装置和液体介质控制装置，其中：

气氛环境控制装置的组成是：所述的机座的底板上固定有将压电陶瓷作动器、纵向横向二维移动平台及下夹具围住的下气氛罩，下气氛罩的上部开口、侧壁设有通气孔；上气氛罩盖在下气氛罩上，上气氛罩的顶部套合在电磁激振作动器上，上气氛罩的侧壁也开有通气口；

液体介质控制装置的组成是：所述的下夹具的周沿设有高出平面试件的液体介质槽，液体介质槽的侧壁中上部上连有穿出下气氛罩或上气氛罩的进液管，液体介质槽的侧壁底部设有穿出下气氛罩的出液管。

本实用新型的第一种使用方法是：

a、试件安装取下上气氛罩，将球形上试件夹持在上夹具上，然后将平面下试件夹持在下夹具上，并通过电磁激振作动器的垂向移动及纵向横向二维移动平台的纵向、横向移动分别调整好球形上试件和平面下试件的初始位置；盖回上气氛罩，使上夹具与下夹具及其平面下试件、球形上试件、电磁激振作动器、压电陶瓷作动器及纵向横向二维移动平台被上、下气氛罩组成的气氛控制空间罩住；

b、试验环境的控制通过下气氛或上气氛的通气孔向被罩住的气氛控制空间内通入所需的气体，而未用的通气孔则作为排气孔，向外排出气体；当气氛控制空间内的通入气体的浓度达到要求后，再堵上通气孔，随即进行以下c步的多向微动疲劳试验；或者，当气氛控制空间内的通入气体的浓度稳定并达到要求后，一直通气，同时以下c步的进行多向微动疲劳试验；

c、多向微动疲劳试验在测力传感器一的反馈作用下，数据采集控制系统控制向上试件施加设定的垂向载荷P；然后数据采集控制系统同时控制电磁激振作动器和压电陶瓷作动器的作动，使上夹具及其夹持的上试件以设定的振幅和往复次数垂向往复移动，下夹具及其夹持的下试件以设定的振幅和往复次数水平往复移动，实现上、下试件间的多向微动摩擦；在上、下试件发生多向微动摩擦的同时，通过与下夹具相连的测力传感器二测出摩擦力，并送至数据采集控制系统进行分析。

上述的b步的试验环境的控制中，还能进行液体介质的环境控制操作，即：堵住出液管、并通过进液管向液体介质槽充入所需的液体介质，使液体介质的液面淹没球形上试件和平面下试件的接触面。

本实用新型的第二种使用方法是：

a、试件安装取下上气氛罩，将球形上试件夹持在上夹具上，然后将平面下试件夹持在下夹具上，并通过电磁激振作动器的垂向移动及纵向横向二维移动平台的纵向、横向移动分别调整好球形上试件和平面下试件的初始位置；

b、试验环境的控制堵住出液管、并通过进液管向液体介质槽充入所需的液体介质，使液体介质的液面淹没球形上试件和平面下试件的接触面；

c、多向微动疲劳试验在测力传感器一的反馈作用下，数据采集控制系统控制向上试件施加设定的垂向载荷P；然后数据采集控制系统同时控制电磁激振作动器和压电陶瓷作动器的作动，使上夹具及其夹持的上试件以设定的振幅和往复次数垂向往复移动，下夹具及其夹持的下试件以设定的振幅和往复次数水平往复移动，实现上、下试件间的多向微动摩擦；在上、下试件发生多向微动摩擦的同时，通过与下夹具相连的测力传感器二测出摩擦力，并送至数据采集控制系统进行分析。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

一、电磁激振器驱动上夹具夹持的球形上试件作径向(垂向)微动，同时由压电陶瓷作动器驱动下夹具平面下试样作切向(水平)微动；且驱动球形上试件作垂向微动的电磁激振器与驱动平面下试件作水平微动的压电陶瓷作动器各自独立；试验时，垂向微动与水平微动的振幅及频率均能独立设定而可完全不同，从而可实现现有设备上无法实现的振幅及频率均可不同的垂向微动与水平微动构成的多向复合微动，能更加真实有效地进行各种复杂的多向复合微动的模拟、分析与测试。

二、上、下气氛罩将上、下试件及上、下夹具，压电陶瓷作动器、纵向横向二维移动平台电磁激振作动器罩在密闭的气氛控制空间内。通过通气孔向内通气，使上、下试件在人工控制的特定气氛环境中进行多向微动摩擦磨损试验。从而更真实准确的测试出在特定气氛环境条件下，材料的多向微动摩擦磨损性能；为特定气氛条件中工作的机械与生物工程相关设计、使用与维护提供更准确、更可靠的依据；以提高装备与器械的性能与寿命。

三、下夹具的周沿设有高出平面试件的液体介质槽，液体介质槽的侧壁上连有穿出下气氛罩上气氛罩的进液管和出液管；可方便的向槽内灌入淹没上、下试件接触面的特定液体介质，从而使上、下试件在人工控制的特定液体介质环境中进行多向微动摩擦磨损试验。从而更真实准确的测试出在特定液体介质环境中，材料的多向微动摩擦磨损性能；为液体介质环境中工作的机械与生物工程相关设计、使用与维护提供更准确、更可靠的依据；以提高装备与器械的性能与寿命。

四、在向上、下气氛罩内通入特定气体的同时，向液体介质槽内灌入特定的液体介质，则可实现特定液体气氛和特定液体介质的环境下的多向微动摩擦磨损试验，测试与分析。

上述的下气氛罩或上气氛罩还开有水汽进口，并在下气氛罩或上气氛罩内壁上设有湿度计。

从而在上述第一种试验方法的b步的试验环境的控制中，还可进行湿度的环境控制操作，即：通过水汽进口向气氛控制空间内通入水汽，使气氛控制空间内气氛达到设定的湿度。

这样，可完成特定成分的气体和特定湿度环境中的多向微动疲劳试验。

上述的液体介质槽的底部设有加热元件、侧壁设有温度传感器。

从而在上述第二种试验方法的b步的试验环境的控制中，还可进行液体介质的温度控制操作，即：启动液体介质槽底部的加热元件，当温度传感器测出的温度稳定为预设的温度值后，再进行c步的操作。

这样，在向液体介质槽内灌入特定液体介质的同时，还可将液体介质加热至预设温度，以完成设定温度的特定液体介质环境中的多向微动动疲劳试验。

上述的液体介质槽的顶部盖有液体介质盖，液体介质盖的顶部套合在上夹具或电磁激振作动器上；液体介质盖的内壁上设有扬尘风扇。

使用这种带液体介质盖及扬尘风扇的多向微动疲劳试验装置则可进行第三种试验环境可控的多向微动疲劳试验的方法，即：

a、试件安装取下上气氛罩和液体介质盖，将球形上试件夹持在上夹具上，然后将平面下试件夹持在下夹具上，并通过电磁激振作动器的垂向移动及纵向横向二维移动平台的纵向、横向移动分别调整好球形上试件和平面下试件的初始位置；

b、试验环境的控制将液体介质盖盖回液体介质槽上，并通过进液管向液体介质槽喷入设定量的沙粒，并开启液体介质槽盖上的扬尘电扇，使沙粒在液体介质槽内飞扬；

c、多向微动疲劳试验在测力传感器一的反馈作用下，数据采集控制系统控制向上试件施加设定的垂向载荷P；然后数据采集控制系统同时控制电磁激振作动器和压电陶瓷作动器的作动，使上夹具及其夹持的上试件以设定的振幅和往复次数垂向往复移动，下夹具及其夹持的下试件以设定的振幅和往复次数水平往复移动，实现上、下试件间的多向微动摩擦；在上、下试件发生多向微动摩擦的同时，通过与下夹具相连的测力传感器二测出摩擦力，并送至数据采集控制系统进行分析。

这样，即可完成沙粒飞扬环境中的多向微动动疲劳试验。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的描述。

附图说明

图1是本实用新型实施例的主视结构示意图。

具体实施方式

实施例1

图1示出，本实用新型的一种具体实施方式是，一种试验环境可控的多向微动疲劳试验装置，包括多向微动疲劳试验台，多向微动疲劳试验台的机座15的顶板15A上安装有可垂向移动的电磁激振作动器3，电磁激振作动器3通过测力传感器一4与夹持球形上试件6的上夹具5相连；上夹具5的下方为夹持平面下试件7的下夹具，下夹具9的侧面通过测力传感器二10与压电陶瓷作动器11相连，压电陶瓷作动器11与纵向横向二维移动平台12的侧板12A相连；纵向横向二维移动平台12的底部与机座15的底板15B相连；电磁激振作动器3、压电陶瓷作动器11，测力传感器一、二4、10均与数据采集控制系统电连接；其特征在于，所述的试验台上还设置有气氛环境控制装置和液体介质控制装置，其中：

气氛环境控制装置的组成是：所述的机座15的底板15B上固定有将压电陶瓷作动器11、纵向横向二维移动平台12及下夹具9围住的下气氛罩40，下气氛罩40的上部开口、侧壁设有通气孔41；上气氛罩43盖在下气氛罩40上，上气氛罩43的顶部套合在电磁激振作动器3上，上气氛罩43的侧壁也开有通气口44；

液体介质控制装置的组成是：所述的下夹具9的周沿设有高出平面试件7的液体介质槽30，液体介质槽30的侧壁中上部上连有穿出下气氛罩40或上气氛罩43的进液管31，液体介质槽30的侧壁底部设有穿出下气氛罩40的出液管32。

本例的下气氛罩40或上气氛罩43还开有水汽进口33，并在下气氛罩40或上气氛罩43内壁上设有湿度计。

本例的液体介质槽30的底部设有加热元件34、侧壁设有温度传感器35。

本例的液体介质槽30的顶部盖有液体介质盖36，液体介质盖36的顶部套合在上夹具5或电磁激振作动器3上；液体介质盖36的内壁上设有扬尘风扇37。

Claims (4)

1.一种试验环境可控的多向微动疲劳试验装置，包括多向微动疲劳试验台，多向微动疲劳试验台的机座(15)的顶板(15A)上安装有可垂向移动的电磁激振作动器(3)，电磁激振作动器(3)通过测力传感器一(4)与夹持球形上试件(6)的上夹具(5)相连；上夹具(5)的下方为夹持平面下试件(7)的下夹具(9)，下夹具(9)的侧面通过测力传感器二(10)与压电陶瓷作动器(11)相连，压电陶瓷作动器(11)与纵向横向二维移动平台(12)的侧板(12A)相连；纵向横向二维移动平台(12)的底部与机座(15)的底板(15B)相连；电磁激振作动器(3)、压电陶瓷作动器(11)，测力传感器一、二(4、10)均与数据采集控制系统电连接；其特征在于，所述的试验台上还设置有气氛环境控制装置和液体介质控制装置，其中：

气氛环境控制装置的组成是：所述的机座(15)的底板(15B)上固定有将压电陶瓷作动器(11)、纵向横向二维移动平台(12)及下夹具(9)围住的下气氛罩(40)，下气氛罩(40)的上部开口、侧壁设有通气孔(41)；上气氛罩(43)盖在下气氛罩(40)上，上气氛罩(43)的顶部套合在电磁激振作动器(3)上，上气氛罩(43)的侧壁也开有通气口(44)；

液体介质控制装置的组成是：所述的下夹具(9)的周沿设有高出平面下试件(7)的液体介质槽(30)，液体介质槽(30)的侧壁中上部上连有穿出下气氛罩(40)或上气氛罩(43)的进液管(31)，液体介质槽(30)的侧壁底部设有穿出下气氛罩(40)的出液管(32)。

2.根据权利要求1所述的一种试验环境可控的多向微动疲劳试验装置，其特征在于：所述的下气氛罩(40)或上气氛罩(43)还开有水汽进口(33)，并在下气氛罩(40)或上气氛罩(43)内壁上设有湿度计。

3.根据权利要求1所述的一种试验环境可控的多向微动疲劳试验装置，其特征在于：所述的液体介质槽(30)的底部设有加热元件(34)、侧壁设有温度传感器(35)。

4.根据权利要求1所述的一种试验环境可控的多向微动疲劳试验装置，其特征在于：所述的液体介质槽(30)的顶部盖有液体介质盖(36)，液体介质盖(36)的顶部套合在上夹具(5)或电磁激振作动器(3)上；液体介质盖(36)的内壁上设有扬尘风扇(37)。

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