一種微動試驗夾具及其試驗方法
2023-09-27 06:22:25 1
專利名稱：一種微動試驗夾具及其試驗方法
技術領域：
本發明涉及材料摩擦磨損性能和塗層壽命評估試驗技術領域。
不同於滑動、滾動，微動是緊配合件間發生的振幅極小(通常在微米量級)的相對運動。微動可以造成接觸表面磨損，引起構件咬合、鬆動或形成汙染源等；它也可以加速裂紋的萌生和擴展，使零部件的疲勞壽命降低。在核電、航空、鐵路等工業中微動已成為緊配合部件失效的主要原因之一。微動的運動方式十分複雜，微動的運動方式可分為平移式、徑向式、滾動式和扭動式等四種基本類型。徑向微動通常是由法向力或熱應力的周期性變化產生，接觸圓的半徑隨著法向力或熱應力的波動在最大和最小值之間變化，滑移發生在最大和最小接觸半徑之間的圓環內。徑向微動的兩個接觸表面始終保持接觸狀態，如果接觸表面一旦彼此脫離，其運動模式就會轉變為衝擊。
本發明的目的是提供一種微動試驗夾具及其試驗方法它能有效地模擬徑向微動磨損以及塗層在徑向微動條件下的接觸疲勞壽命評估。
本發明是通過對法國NENE2型高精度液壓伺服微動試驗臺控制程序進行改進，採取控制載荷和控制變形量兩種方式，產生了一種新的材料摩擦性能的檢測方法。它是一種操作簡單、能真實地模擬徑向微動的試驗方法。接觸偶件(上、下試件)採用球/平面接觸方式，其中上試件固定，下試件隨高精度液壓侍服系統驅動的活塞而運動。載荷信號由上試件上方的載荷傳感器測量，試件間的相對變形大小由高精度的外置位移傳感器測量；然後將載荷傳感器和外置位移傳感器的測量信號輸入計算機處理。要完成上述任務需要包括液壓試驗臺的上、下安裝座及其夾具，夾具由一個與液壓試驗臺的上安裝座通過螺紋連結的上試件夾頭和一個與下安裝座通過螺紋連結的下試件夾頭組成，下安裝座是一個帶螺紋的活塞頭，試驗時活塞作徑向運動，載荷傳感器設在液壓試驗臺的上安裝座上方，上安裝座是一個帶螺紋的杆，上、下試件夾頭都有一個與所述螺紋配合的螺孔，試件夾頭通過螺孔分別安裝在上安裝座和下安裝座上，上試件夾頭沿螺孔軸線方向設有凸臺，下試件夾頭沿螺孔軸線方向設有凹槽，沿夾具螺孔徑線方向的一側設有位移傳感器。所述上試件夾頭的凸臺上設有上試件，所述下試件夾頭的凹槽中設有下試件。上試件與下試件接觸處為平面，下試件與上試件接觸處為球面。該試驗裝置的載荷範圍在0～1000N之間；位移測量精度0.2μm，外置位移傳感器最大量程60μm；液壓侍服系統控制位移變化範圍1～12000μm。該試驗裝置可以分別在控制載荷和控制變形量兩種方式下進行試驗。控制載荷的徑向微動試驗步驟如下1.首先確定試驗參數；2.加預載(如10N)，再進行數據清零，以保證摩擦副表面之間接觸良好；3.以一定的加載速度加載到最大載荷pmax，再以相同的速度反向加載至最小載荷pmin，pmin的值應大於0，這樣才能保證接觸表面不發生脫離。以上為第一次加載循環；4.在完成第一次循環之後，在設定的加載速度控制下試樣在最大和最小載荷之間循環運動。計算機可以記錄並輸出所需的任一徑向微動循環的載荷-變形位移曲線，記錄並輸出最大、最小位移及位移幅值隨循環次數的變化曲線。該試驗的摩擦副間相對運動速度通過加載速度來控制，加載速度範圍為-6000～6000μm/min。
控制變形的徑向微動試驗是通過控制接觸偶件之間的相對位移來實現的，其步驟如下1.首先確定試驗參數。2.施加適宜的預載(10N)以保證偶件間接觸良好。3.為保證摩擦副表面之間不脫離接觸，以一定的加載速度施加一個初始載荷p0。4.設定的變形位移幅值ΔD控制活塞的運動，使摩擦副間保持恆定的變形位移。
每次循環完成一次加載和卸載。計算機可以記錄並輸出任一徑向微動循環的載荷-變形位移-循環次數三維圖；並記錄最大和最小載荷以及載荷幅值隨循環次數的變化曲線。通過控制活塞的運動頻率(f)來控制摩擦副間的相對運動速度，頻率範圍為0.1~800.0Hz。根據需要，可以將2種模式的整個試驗過程控制在彈性範圍或彈塑性範圍，關鍵取決於第1次循環載荷所加的值。在徑向微動的試驗研究中，可根據所研究偶件的受力情況選擇運行模式。如果載荷變化幅值是恆定的，則宜進行控制載荷模式的試驗；如果偶件的運動位移幅值是恆定的，則宜進行控制變形模式的試驗；如果外載和相對位移均是變化的，則可以分別在2種模式下進行試驗。
本發明的
如下圖1為本發明的試驗過程結構示意2為本發明的試驗流程3為本發明的控制載荷相同試樣試驗結果的重現性圖4為本發明的控制變形相同試樣試驗結果的重現性圖4為本發明的相同材料不同試驗參數結果的可比性圖5為本發明的不同材料相同試驗參數結果的可比性以下結合附圖對本發明作進一步說明本發明是通過對法國NENE2型高精度液壓伺服微動試驗臺控制程序進行改進，採取控制載荷和控制變形量兩種方式，產生了一種新的材料摩擦性能的檢測方法。它是一種操作簡單、能真實地模擬徑向微動的試驗方法。接觸偶件(上、下試件)採用球/平面接觸方式，其中上試件3固定，下試件4隨高精度液壓侍服系統驅動的活塞6而運動。載荷信號由上試件3上方的載荷傳感器1測量，試件間的相對變形大小由高精度的外置位移傳感器7測量；然後將載荷傳感器1和外置位移傳感器7的測量信號輸入計算機處理。要完成上述任務需要包括液壓試驗臺的上、下安裝座及其夾具，夾具由一個與液壓試驗臺的上安裝座通過螺紋連結的上試件夾頭2和一個與下安裝座通過螺紋連結的下試件夾頭5組成，下安裝座是一個帶螺紋的活塞頭，試驗時活塞6作徑向運動，載荷傳感器1設在液壓試驗臺的上安裝座上方，上安裝座是一個帶螺紋的杆，上試件夾頭2、下試件夾頭5都有一個與所述螺紋配合的螺孔，試件夾頭通過螺孔分別安裝在上安裝座和下安裝座上，上試件夾頭2沿螺孔軸線方向設有凸臺，下試件夾頭5沿螺孔軸線方向設有凹槽，沿夾具螺孔徑線方向的一側設有位移傳感器7。所述上試件夾頭2的凸臺上設有上試件3，所述下試件夾頭5的凹槽中設有下試件4。上試件3與下試件4接觸處為平面，下試件4與上試件3接觸處為球面。該試驗裝置的載荷範圍在0～1000N之間；位移測量精度0.2μm，外置位移傳感器7最大量程60μm；液壓侍服系統控制位移變化範圍1～12000μm。該試驗裝置可以分別在控制載荷和控制變形量兩種方式下進行試驗。控制載荷的徑向微動試驗步驟如下1.首先確定試驗參數。2.給摩擦副加預載(如10N)，再進行數據清零，以保證摩擦副表面之間接觸良好；3.以一定的加載速度加載到最大載荷pmax，再以相同的速度反向加載至最小載荷pmin，pmin的值應大於0，這樣才能保證接觸表面不發生脫離。以上為第一次加載循環。4.在完成第一次循環之後，在設定的加載速度控制下試樣在最大和最小載荷之間循環運動。計算機可以記錄並輸出所需的任一徑向微動循環的載荷-變形位移曲線，記錄並輸出最大、最小位移及位移幅值隨循環次數的變化曲線。該試驗的摩擦副間相對運動速度通過加載速度來控制，加載速度範圍為-6000～6000μm/min。
控制變形的徑向微動試驗是通過控制接觸偶件之間的相對位移來實現的，其步驟如下1.首先確定試驗參數。2.施加適宜的預載(10N)以保證偶件間接觸良好。3.為保證摩擦副表面之間不脫離接觸，以一定的加載速度施加一個初始載荷p0。4.設定的變形位移幅值ΔD控制活塞的運動，使摩擦副間保持恆定的變形位移。
每次循環完成一次加載和卸載。計算機可以記錄並輸出任一徑向微動循環的載荷-變形位移-循環次數三維圖；並記錄最大和最小載荷以及載荷幅值隨循環次數的變化曲線。通過控制活塞的運動頻率(f)來控制摩擦副間的相對運動速度，頻率範圍為0.1～800.0Hz。
根據需要，可以將2種模式的整個試驗過程控制在彈性範圍或彈塑性範圍，關鍵取決於第1次循環載荷所加的值。在徑向微動的試驗研究中，可根據所研究偶件的受力情況選擇運行模式。如果載荷變化幅值是恆定的，則宜進行控制載荷模式的試驗；如果偶件的運動位移幅值是恆定的，則宜進行控制變形模式的試驗；如果外載和相對位移均是變化的，則可以分別在2種模式下進行試驗。
在如圖1所示的徑向微動試驗裝置上分別進行了控制載荷和控制變形位移的試驗。選用的材料為上試樣為10mm×10mm×20mm的調質45#鋼及表面離子鍍TiN塗層(塗層厚約2μm，HV2000)，下試樣為φ100mm的GCr15滾珠軸承鋼球。試驗條件控制載荷時，加載速度為12mm/min，最大載荷為200N、400N、600N和800N，最小載荷50N，循環105次；控制變形位移時，試驗頻率為20Hz，初始載荷為300N和400N，控制的位移幅值為3μm，循環105次。
圖3、圖4示出了TiN塗層試樣分別在控制載荷和控制變形模式下，以相同試驗條件進行3次試驗的結果。可以看出，重複試驗條件下數據的分散性小，表明試驗方法的重複性較好。
圖5示出了TiN塗層在控制載荷模式下，不同最大載荷時的試驗結果，可見同種材料在不同試驗參數下獲得的數據之間有很好的可對比性；如圖6所示為相同試驗參數下不同材料的徑向微動試驗結果，可見其可比性同樣較好。與此同時，從圖6還可以看出，TiN塗層比基體有更好的承載能力，這有望使該試驗裝置可用於評價塗層的摩擦性能。此外，圖(5和6)所示的試驗結果均表明，當TiN塗層經歷高循環次數的徑向微動試驗時，有相同的變化趨勢，即控制載荷時變形量增大，而控制變形量時載荷則降低，這表明徑向微動試驗裝置在2種不同的控制模式下載荷-變形的變化規律是一致的。
權利要求
1.一種微動試驗夾具，包括液壓試驗臺的上、下安裝座，上安裝座是一個帶螺紋的杆，載荷傳感器設在液壓試驗臺的上安裝座上方，下安裝座是一個帶螺紋的活塞頭，試件夾頭有一個與所述螺紋配合的螺孔，試件夾頭通過螺孔分別安裝在上安裝座和下安裝座上，其特徵在於試件夾頭沿螺孔軸線方向設有凸臺或凹槽，沿螺孔徑線方向的一側設有位移傳感器。
2.根據權利要求1所述的一種微動試驗夾具，其特徵在於所述試件夾頭的凸臺上設有上試件。
3.根據權利要求1所述的一種微動試驗夾具，其特徵在於所述試件夾頭的凹槽中設有下試件。
4.根據權利要求2所述的一種微動試驗夾具，其特徵在於所述上試件與下試件接觸處為平面。
5.根據權利要求3所述的一種微動試驗夾具，其特徵在於所述下試件與上試件接觸處為球面。
6.根據權利要求1所述的一種微動試驗夾具，其特徵在於該試驗裝置的載荷範圍在0～1000N之間；位移測量精度0.2μm，外置位移傳感器最大量程60μm；液壓侍服系統控制位移變化範圍1～12000μm。
7.一種微動試驗方法，首先確定試驗參數，確定實驗循環次數和數據存取的循環次數，其特徵在於控制載荷的徑向微動試驗步驟如下步驟1先給摩擦副加預載，再進行數據清零，以保證摩擦副表面之間接觸良好；步驟2以一定的加載速度加載到最大載荷pmax，再以相同的速度反向加載至最小載荷pmin，pmin的值應大於0，這樣才能保證接觸表面不發生脫離，以上為第一次加載循環；步驟3在完成第一次循環之後，在設定的加載速度控制下試樣在最大和最小載荷之間循環運動。
8.一種微動試驗方法，首先確定試驗參數，確定實驗循環次數和數據存取的循環次數，其特徵在於控制變形的徑向微動試驗是通過控制接觸偶件之間的相對位移來實現的，其步驟如下步驟3設定的變形位移幅值ΔD控制活塞的運動，使摩擦副間保持恆定的變形位移。
9.根據權利要求7或8所述的一種微動試驗方法，其特徵在於加載速度範圍為-6000～6000μm/min。
10.根據權利要求7或8所述的一種微動試驗方法，其特徵在於載荷以設定速率從0加至最大值。
全文摘要
本發明提供了一種徑向微動試驗夾具及其試驗方法，採取控制載荷和控制變形量兩種方式，產生了一種新的材料摩擦性能的檢測方法。接觸偶件(上、下試件)採用球/平面接觸方式，其中上試件固定，下試件隨高精度液壓侍服系統驅動的活塞而運動。載荷信號由上試件上方的載荷傳感器測量，試件間的相對變形大小由高精度的外置位移傳感器測量；然後將載荷傳感器和外置位移傳感器的測量信號輸入計算機處理。主要用於徑向微動試驗。
文檔編號G01N3/00GK1391095SQ0110852
公開日2003年1月15日 申請日期2001年6月12日 優先權日2001年6月12日
發明者周仲榮, 朱旻昊, 石心餘, 劉啟躍 申請人:西南交通大學