一種多向微動疲勞試驗方法及其試驗機的製作方法

2023-10-23 14:13:52

專利名稱：一種多向微動疲勞試驗方法及其試驗機的製作方法
技術領域：
本發明屬於摩擦技術研究領域，尤其屬於一種多向微動疲勞試驗方法及試驗機。
背景技術：
微動是指在機械振動、疲勞載荷、電磁振動或熱循環等交變載荷作用下，兩個接觸表面之間(如緊配合面)發生的極小振幅(微米量級)的相對運動，這些接觸表面通常名義上靜止，即微動發生在「緊固」配合的機械部件中。微動摩擦學是研究微動運行機理、損傷、 測試、監控、預防的一個學科分支，它是一門日益發展的新興交叉學科，涉及的學科廣泛，如機械學、材料學，甚至生物醫學、電工學等。微動是一種相對運動幅度很小的摩擦方式，其造成的材料損傷通常表現為兩種形式，即(1)微動導致的磨損微動可以造成接觸面間的表面磨損，產生材料損失和構件尺寸變化，引起構件咬合、鬆動、功率損失、噪聲增加或形成汙染源。(2)微動導致的疲勞微動可以加速裂紋的萌生與擴展，使構件的疲勞壽命大大降低，微動疲勞極限甚至可低於普通疲勞極限的1/3。往往這種損傷形式危險性更大，造成一些災難性的事故。在球-平面接觸條件下，微動可以分為切向、徑向、滾動、扭動等四種基本微動模式。滾動微動與扭動微動均為對磨副在法向載荷的作用下，在接觸面上做小角度的旋轉運動。切向微動與徑向微動均為對磨副在法向載荷的作用下，在接觸面上做小位移直線運動， 不同之處在於切向微動的法向載荷方向與其運動方向垂直，徑向微動法向載荷方向與運動方向一致。多向微動是在交變載荷下接觸副間發生微幅振動的相對運動，其特徵在於它是切向微動與徑向微動的複合。在機械裝置與生物體內存在大量的多向微動，例如機車車輛的輪軸、各種軛軸機構的緊配合面的微動磨損和微動疲勞失效、核反應堆的高溫複合微動損傷。對多向微動進行試驗與分析，以搞清其磨損機理及與相關工況的關係，可為相關零部件的設計、製造與維護提供準確、可靠的試驗依據，以降低裂紋的萌生和擴展，提高零部件的疲勞壽命具有重要的意義。而目前尚無多向微動的試驗方法及設備報導。

發明內容
本發明的第一個發明目的是提供一種多向微動疲勞試驗方法，該試驗方法能方便地使材料發生小位移的多向微動摩擦磨損，較真實地模擬構件在交變載荷下的多向微動損傷，控制與測試的精度高，實驗數據的重現性好；且其自動化程度高。本發明實現第一個發明目的所採用的技術方案是一種多向微動疲勞試驗方法， 其作法是a、將上夾具與電磁激振作動器通過測力傳感器一相連，且上夾具的夾持腔的豎向中心線與電磁激振作動器的軸對中，用上夾具夾持球形的上試件；再將下夾具與壓電陶瓷作動器通過測力傳感器二相連，且下夾具的夾持腔的水平中心線與壓電陶瓷作動器的軸對中，用下夾具夾持平面下試件；並使上試件的中心與下試件的試驗點對中；
b、使上、下試件接觸，並在測力傳感器一的反饋作用下，數據採集控制系統控制向上試件施加設定的垂向載荷P ;然後數據採集控制系統同時控制電磁激振作動器和壓電陶瓷作動器的作動，使上夾具及其夾持的上試件以設定的振幅和往複次數垂嚮往復移動，下夾具及其夾持的下試件以設定的振幅和往複次數水平往復移動，實現上、下試件間的多向微動摩擦；C、在上、下試件發生多向微動摩擦的同時，通過與下夾具相連的測力傳感器二測出摩擦力，並送至數據採集控制系統進行分析。與現有技術相比，本發明的有益效果是一、本發明的方法，將球形上試件與平面下試件分別與豎向的電磁激振器和橫向的壓電陶瓷作動器相連，由電磁激振器驅動球形上試件作徑向(垂向)微動，同時由壓電陶瓷作動器驅動平面下試樣作切向(水平)微動，從而實現了球形上試件與平面下試件間同時進行徑向和切向的雙重多向微動，能更加真實有效地對多向微動進行分析和測試。二、由於驅動球形上試件的電磁激振器與驅動平面下試樣的壓電陶瓷作動器定位準確，作動幅度小，頻率高(300HZ)，精度高，且各自獨立；從而能精確實現上試件及下試件按各自設定的微小位移幅值(最小可達IOOnm)進行切向與徑向的多向複合微動；在數據採集系統控制下，也能精確施加設定的法向載荷，從而精確實現給定參數條件下的扭轉複合微動摩擦磨損試驗。三、驅動球形上試件作垂向微動的電磁激振器與驅動平面下試件作水平微動的壓電陶瓷作動器各自獨立；試驗時，垂向微動與水平微動的振幅及頻率均能獨立設定而可完全不同，從而可實現現有設備上無法實現的振幅及頻率均不同的垂向微動與水平微動構成的多向複合微動，能進行各種複雜的多向複合微動的模擬。四、與上夾具相連的力傳感器一與數據採集控制系統結合準確設定與輸出多向微動時的垂向載荷；與下夾具相連的力傳感器二則可準確測出多向微動時的切向力即摩擦力，從而可以準確表徵多向微動的動力學特性。並可將試驗後的材料進行其它相關分析。總之，該試驗方法能方便的使材料發生精確的微小位移值的各種多向微動摩擦磨損，試驗直接由數據採集控制系統控制給定相應測試參數，並測出摩擦力，進行自動的分析及處理，能較真實地模擬構件在交變載荷作用下的多向微動損傷，實驗結果更準確、可靠； 控制與測試的精度高，實驗數據的重現性好，且自動化程度高。克服了現有實驗方法結果具有單一性，重現性差等缺陷。本發明的另一目的是提供一種實施上述多向微動摩擦疲勞的試驗方法的試驗裝置，該裝置結構簡單，易操作，能夠進行不同工況與規格材料的多向微動摩擦磨損試驗，控制與測試的精度高，實驗數據更準確、可靠，重現性好。本發明實現該發明目的所採用的技術方案是一種實施上述的試驗方法的試驗裝置，它由電磁激振驅動裝置、壓電激振驅動裝置、數據採集控制系統和機座構成，其中電磁激振驅動裝置的具體組成為上夾具為夾持球形的上試件的夾具，且上夾具的夾持腔的垂向中心線與電磁激振作動器的軸對中並通過測力傳感器一相連；電磁激振作動器通過圓柱形凸輪機構與固定在機座的頂板上的電機相連；電機、電磁激振作動器和測力傳感器一均與數據採集控制系統電連接。壓電激振驅動裝置的具體組成為下夾具為夾持平面下試件的夾具，且下夾具的夾持腔的水平中心線與壓電陶瓷作動器的軸對中並通過測力傳感器二相連，壓電陶瓷作動器與水平移動臺座的側壁相連；水平移動臺座的一側與固定在縱向移動板上的直線電機相連；水平移動臺座底部的橫向滑塊嵌合在縱向移動板的橫向滑槽中；縱向移動板底部的縱向滑塊嵌合在機座的底板的縱向滑槽中，並由縱向移動板上的定位螺釘實現定位；直線電機、壓電陶瓷作動器和測力傳感器二均與數據採集控制系統電連接。該裝置的使用方法及工作過程為將球形上試件固定在上夾具上，平面下試件固定在下夾具上。通過數據採集控制系統控制直線電機驅動水平移動臺座的橫向移動，並通過縱向移動板的縱向滑塊位置的移動來調整縱向移動板的縱向位置，使下試件的試驗點與上試件的中心垂向對齊。然後，通過數據採集控制系統控制電機驅動圓柱形凸輪機構中的圓柱形凸輪的旋轉位置，使上試件向下移動與下試件接觸，並在測力傳感器一的反饋作用下，向上試件施加給定的垂向載荷。再由數據採集控制系統控制電磁激振器使上試件按設定的參數(振幅、頻率)進行上下(徑向)往復微動；同時數據採集控制系統控制壓電陶瓷作動器使下試件按設定的參數(振幅、頻率)進行橫向(切向)往復微動。實現下、上試件的球-平面多向微動，在此過程中，力傳感器二實時監測多向微動時的切向力(摩擦力)，送數據採集控制系統進行處理，得到摩擦力-位移幅值(Ft-D)曲線。同時，力傳感器一也將實時監測到的垂向(徑向)載荷，反饋給數據採集控制系統，由數據採集控制系統對上夾具的垂向位置進行實時反饋調節控制，確保上試件的法向載荷始終處於恆定的給定值。給定不同的參數(徑向微動和切向微動的參數可分別獨立給出)，即可進行不同工況下的多向微動摩擦磨損試驗。對於不同尺寸的上、下試件，採用相應規格的上、下夾具即可。可見，採用以上裝置可以方便的、自動的按設定條件，實現本發明的試驗方法，能夠進行不同工況與規格材料的多向微動摩擦磨損試驗，較真實地模擬出構件在交變載荷作用下的多向微動損傷，控制與測試的精度高，實驗數據更準確、可靠，重現性好。


圖I是本發明實施例的主視結構示意圖。圖2是本發明實施例的左視結構示意圖。
具體實施例方式圖I、圖2示出，本發明的一種具體具體實施方式
是，一種多向微動疲勞試驗方法， 其作法是a、將上夾具5與電磁激振作動器3通過測力傳感器一 4相連，且上夾具5的夾持腔的豎向中心線與電磁激振作動器3的軸對中，用上夾具5夾持球形的上試件6 ;再將下夾具9與壓電陶瓷作動器11通過測力傳感器二 10相連，且下夾具9的夾持腔的水平中心線與壓電陶瓷作動器11的軸對中，用下夾具9夾持平面下試件7 ;並使上試件的中心與下試件的試驗點對中；b、使上、下試件6、7接觸，並在測力傳感器一 4的反饋作用下，數據採集控制系統控制向上試件6施加設定的垂向載荷；然後數據採集控制系統同時控制電磁激振作動器3和壓電陶瓷作動器11的作動，使上夾具5及其夾持的上試件6以設定的振幅和往複次數垂 嚮往復移動，下夾具9及其夾持的下試件7以設定的振幅和往複次數水平往復移動，實現 上、下試件間的多向微動摩擦；c、在上、下試件6、7發生多向微動摩擦的同時，通過與下夾具9相連的測力傳感器 二 10測出摩擦力，並送至數據採集控制系統進行分析。為使上述試驗方法得以更方便快捷地實現，本例採用的試驗裝置的具體構成如 下圖1、圖2示出，實施上述的試驗方法的多向微動疲勞試驗機，它由電磁激振驅動 裝置、壓電激振驅動裝置、數據採集控制系統和機座15構成，其中電磁激振驅動裝置的具體組成為上夾具5為夾持球形的上試件6的夾具，且上夾 具5的夾持腔的垂向中心線與電磁激振作動器3的軸對中並通過測力傳感器一 4相連；電 磁激振作動器3通過圓柱形凸輪機構2與固定在機座15的頂板15A上的電機1相連；電機 1、電磁激振作動器3和測力傳感器一 4均與數據採集控制系統電連接。壓電激振驅動裝置的具體組成為下夾具9為夾持平面下試件7的夾具，且下夾具 9的夾持腔的水平中心線與壓電陶瓷作動器11的軸對中並通過測力傳感器二 10相連，壓電 陶瓷作動器11與水平移動臺座12的側壁12A相連；水平移動臺座12的一側與固定在縱向 移動板13上的直線電機8相連；水平移動臺座12底部的橫向滑塊12B嵌合在縱向移動板 13的橫向滑槽中；縱向移動板13底部的縱向滑塊13A嵌合在機座15的底板15B的縱向滑 槽中，並由縱向移動板13上的定位螺釘實現定位；直線電機8、壓電陶瓷作動器11和測力 傳感器二 10均與數據採集控制系統電連接。本例採用的電磁激振作動器3的最大載荷3000N，精度0. 5級；測力傳感器4 3000N(x/y/z向載荷)；位移範圍0. 1-200 y m ;精度不低於0. 1 y m ;伺服頻率不低於 100Hz。本例採用的壓電陶瓷作動器11的最大載荷1000N，精度0. 5級；位移範圍 0. l-100um；，精度不低於0. lum;伺服頻率不低於300Hz。本例採用的直線電機8平移位移範圍0. l-10mm ;位移精度1 U m。
權利要求
1.一種多向微動疲勞試驗方法，其作法是a、將上夾具(5)與電磁激振作動器(3)通過測力傳感器一⑷相連，且上夾具(5)的夾持腔的豎向中心線與電磁激振作動器(3)的軸對中，用上夾具(5)夾持球形的上試件(6)； 再將下夾具(9)與壓電陶瓷作動器(11)通過測力傳感器二(10)相連，且下夾具(9)的夾持腔的水平中心線與壓電陶瓷作動器(11)的軸對中，用下夾具(9)夾持平面下試件(7)； 並使上試件的中心與下試件的試驗點對中；b、使上、下試件(6、7)接觸，並在測力傳感器一(4)的反饋作用下，數據採集控制系統控制向上試件(6)施加設定的垂向載荷P;然後數據採集控制系統同時控制電磁激振作動器(3)和壓電陶瓷作動器(11)的作動，使上夾具(5)及其夾持的上試件￠)以設定的振幅和往複次數垂嚮往復移動，下夾具(9)及其夾持的下試件(7)以設定的振幅和往複次數水平往復移動，實現上、下試件間的多向微動摩擦；C、在上、下試件(6、7)發生多向微動摩擦的同時，通過與下夾具(9)相連的測力傳感器二(10)測出摩擦力，並送至數據採集控制系統進行分析。
2.一種實施權利要求I所述的試驗方法的多向微動疲勞試驗機，它由電磁激振驅動裝置、壓電激振驅動裝置、數據採集控制系統和機座(15)構成，其中電磁激振驅動裝置的具體組成為上夾具(5)為夾持球形的上試件(6)的夾具，且上夾具(5)的夾持腔的垂向中心線與電磁激振作動器(3)的軸對中並通過測力傳感器一(4)相連；電磁激振作動器⑶通過圓柱形凸輪機構⑵與固定在機座(15)的頂板(15A)上的電機⑴相連；電機(I)、電磁激振作動器⑶和測力傳感器一⑷均與數據採集控制系統電連接。壓電激振驅動裝置的具體組成為下夾具(9)為夾持平面下試件(7)的夾具，且下夾具(9)的夾持腔的水平中心線與壓電陶瓷作動器(11)的軸對中並通過測力傳感器二(10)相連，壓電陶瓷作動器(11)與水平移動臺座(12)的側壁(12A)相連；水平移動臺座(12)的一側與固定在縱向移動板(13)上的直線電機(8)相連；水平移動臺座(12)底部的橫向滑塊(12B)嵌合在縱向移動板(13)的橫向滑槽中；縱向移動板(13)底部的縱向滑塊(13A) 嵌合在機座(15)的底板(15B)的縱向滑槽中，並由縱向移動板(13)上的定位螺釘實現定位；直線電機(8)、壓電陶瓷作動器(11)和測力傳感器二(10)均與數據採集控制系統電連接。
全文摘要
一種多向微動疲勞試驗方法及其試驗機，其作法是將上夾具與電磁激振作動器通過測力傳感器相連，上夾具夾持球形上試件，將下夾具與壓電陶瓷作動器通過測力傳感器相連，下夾具夾持平面下試件；使上、下試件接觸，數據採集控制系統控制向上試件施加設定的垂向載荷；然後控制電磁激振作動器和壓電陶瓷作動器的作動，實現上、下試件間的多向微動摩擦；同時，通過與下夾具相連的測力傳感器二測出摩擦力，並送至數據採集控制系統進行分析。該方法能方便地使材料發生小位移的多向微動摩擦磨損，較真實地模擬構件在交變載荷下的多向微動損傷，控制與測試的精度高，實驗數據的重現性好，且其自動化程度高。
文檔編號G01N3/56GK102590001SQ20121004326
公開日2012年7月18日 申請日期2012年2月24日 優先權日2012年2月24日
發明者周仲榮, 宋川, 彭金方, 朱旻昊, 石心餘, 莫繼良, 蔡振兵 申請人:西南交通大學