CN101393096A - 涂层滚动接触疲劳试验机 - Google Patents

Abstract

一种涂层滚动接触疲劳试验机，包括试验装置、加载机构、传动机构、润滑系统、以及信息采集和控制系统。本发明的涂层滚动接触疲劳试验机结构简单，操作方便，可靠性高；而且，由于本发明的试验机具有多个滚动体，因此具有多个接触点，能够实现高效测试；并且通过检测振动信号，监测涂层或摩擦副的表面状况，当产生微裂纹时，能够时中止试验，保存失效瞬间。

Description

涂层滚动接触疲劳试验机

技术领域

本发明涉及材料测试领域，具体是一种涂层滚动接触疲劳试验机。

背景技术

接触疲劳破坏是机械接触零部件主要失效形式之一，滚动件和摩擦件是机械运转中经常使用的部件。由于它们是易损件，其寿命和接触疲劳性能是一个十分重要的指标。两相互接触物体，在外力作用下发生相对运动或有相对运动的趋势时，就会产生摩擦。按运动副的运动形式可以分成滑动摩擦和滚动摩擦。在当今的研究中，滑动摩擦的试验机居多。滚动接触的研究多集中在轴承用球疲劳性能上。

申请号为200720039048.8，名称为“一种滚动摩擦磨损试验机”的中国实用新型专利通过步进电机的移动可以在任意滑移率下的实现滚动摩擦试验，但其主动摩擦环试样和摩擦环试样都暴露在外，试验只能在常温和无润滑的条件下进行，在模拟实际工况方面具有一定的局限性。《滚动与摩擦复合试验机》(中国专利03151240.2)公开的是一种可变速的滚动与滑动摩擦复合试验机，分别在其大转轮的左右两侧提供了用于试验滑动摩擦的被试摩擦件，以及在大转轮的圆周外侧提供用于试验滚动摩擦的被试滚动件，其主要特点是它既能完成滚动接触试验又可做滑动摩擦试验。但是，其用作滚动摩擦试验的只有一个接触点，试验效率不够高，并且同样只能在无润滑的条件下进行。

发明内容

本发明的目的在于克服上述滚动接触疲劳试验机技术的不足，提供一种新型的多接触点的涂层滚动接触疲劳试验机。

本发明的涂层滚动接触疲劳试验机包括基座，安装于基座上的传动机构、试验装置、加载机构、润滑系统、以及信息采集和控制系统，其中：

所述传动机构包括电动机和传动轴，该电动机安装于基座的一侧，而传动轴安装于基座上，一皮带连接电动机一侧的大带轮以及所述传动轴，从而电动机的转动可以带动传动轴转动；

所述试验装置安装于基座上方的传动轴上，包括一试验腔，该试验腔内自下而上依次设置有下平垫圈安放架、下平垫圈、保持架、上平垫圈、以及上端盖；其中，保持架上设有若干个通孔，并在通孔内放置有滚动体，且保持架的厚度小于滚动体的直径；另外，下平垫圈的上表面和上平垫圈的下表面均设有对应于滚动体的滚道；

所述加载机构包括顶抵于试验装置的上端盖上的加载杆，与加载杆固接的杠杆，该杠杆的一端与固定于基座上的支座可枢转连接，另一端则连接一砝码加载装置；

所述润滑系统包括油泵、管道、润滑油冷却装置，其中，所述管道分别连接油泵和上端盖上所设的进油孔、上端盖上所设的出油孔和润滑油冷却装置、润滑油冷却装置和油泵；

所述信息采集和控制系统包括速度传感器、振动传感器、以及控制器，其中：所述速度传感器设置于传动轴的一侧，所述振动传感器设置于上端盖上，所述控制器通过线路与所述速度传感器和振动传感器连接。

本发明的涂层滚动接触疲劳试验机结构简单，操作方便，可靠性高；而且，由于本发明的试验机具有多个滚动体，因此具有多个接触点，能够实现高效测试；并且通过检测振动信号，监测涂层或摩擦副的表面状况，当产生微裂纹时，能够时中止试验，保存失效瞬间；不仅适用于涂层滚动接触疲劳性能的测试，还可以检测滚动体的滑动接触疲劳性能。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的传动装置的结构示意图。

图3是本发明的试验装置的结构示意图。

图4是本发明的保持架的结构示意图。

图5是本发明的下平垫圈的结构示意图。

图6是本发明的上端盖的结构示意图。

图7是本发明的下平垫圈安放架的结构示意图。

图号说明：

1、油箱油泵；2、流量计；3、管道；4、润滑冷却装置；5、机架；6、下平垫圈安放架；7、试验腔；8、出油孔；9、下平垫圈；10、滚动体；11、保持架；12、上平垫圈；13、上端盖；14、支座；15、进油孔；16、加载杆；17、凹槽；18、振动传感器；19、环形槽；20、杠杆；21、速度传感器；22、杠杆防摆架；23、基座；24、连接架；25、砝码杆；26、砝码；27、砝码架；28、计算机；29、皮带；30、带轮罩；31、大带轮；32、变频电机；40、传动轴；140、滚道；160、通孔。

具体实施方式

如图1—3所示，本发明的涂层滚动接触疲劳试验机，包括固定于机架5上的基座23，安装于基座23上的传动机构、试验装置、加载机构、润滑系统、以及信息采集和控制系统，其中：

所述传动机构包括电动机32和传动轴40，本实施例中，所述电动机32为变频电机，该电动机32安装于基座23的一侧，而传动轴40安装于基座23上，一皮带29连接电动机32一侧的大带轮31以及所述传动轴40，从而电动机32的转动可以带动传动轴40转动。

所述试验装置安装于基座23上方的传动轴40上，包括一试验腔7，该试验腔7内自下而上依次设置有下平垫圈安放架6、下平垫圈9、保持架11、上平垫圈12、以及上端盖13；其中，保持架11上设有若干个通孔160，并在通孔160内放置有滚动体10，且保持架11的厚度小于滚动体10的直径；另外，下平垫圈9的上表面设有对应于滚动体10的滚道140(图5)；同样的，上平垫圈12的下表面也设有对应于滚动体10的滚道(图未示)。

优选的，如图4所示，所述保持架11为环形圈，通孔160均匀设置于环形圈的外缘。

另外，如图3和图7所示，所述试验腔7底部与下平垫圈安放架6之间的相对部分分别加工成三角形峰起和凹槽，形成迷宫密封。

当进行试验时，上平垫圈12静止不动，而下平垫圈9则跟随传动轴40一起转动，从而带动滚动体10在下平垫圈9的滚道140上滚动。

所述加载机构包括顶抵于试验装置的上端盖13上的加载杆16，与加载杆固接的杠杆20，该杠杆20的一端与固定于基座23上的支座14可枢转连接，另一端则连接一砝码加载装置；该砝码加载装置包括设于杠杆20一端的连接架24，连接架24下方的砝码杆25，以及砝码杆25下端的砝码架27，该砝码架27用于放置砝码26以对加载杆16施压，进而通过上端盖13对滚动体10施加压力。为了防止杠杆20摆动，杠杆20的适当位置处还设有一杠杆防摆架22。该杠杆防摆架22的上端设置成与杠杆20适配的凹槽，下方则通过一连杆固定于基座23上。

如图3所示，本发明的涂层滚动接触疲劳试验机的加载杆16的下端为半球形，相应的，上端盖13的上表面与加载杆16的接触处设有一个凹槽17，从而保证施加在上端盖13上的力是中竖直向下。同时，如图6所示，在上端盖13的侧面设置了环形槽19，以在盖上上端盖13后，可以通过环形槽19释放封闭在试验腔7中的空气。

所述润滑系统包括油泵1、管道3、润滑油冷却装置4，其中，管道3上还设有流量计2以控制润滑油的流量。当使用时，启动油泵1驱动润滑油沿管道3流动，经过上端盖13的进油孔15进入试验腔7，润滑接触部分后，再经出油孔15流出，由管道3流入润滑油冷却装置4，经冷却后进入油泵1，如此循环流动。

所述信息采集和控制系统包括速度传感器21、振动传感器18、以及控制器28，其中：

所述速度传感器21设置于传动轴40的一侧，用于接收转速脉冲信号，并将信号反馈到控制器28；

所述振动传感器18设置于上端盖13上，用于接收振动信号，并将信号反馈到控制器28。

所述控制器28通过线路与所述速度传感器21和振动传感器18连接，并根据速度传感器21和振动传感器18反馈的信号控制变频电机32的转动。本实施例中，所述控制器28为一台计算机。

本发明的涂层滚动接触疲劳试验机的操作和运行流程如下：

1、试样的涂层材料使用常规的涂层工艺设备涂到上平垫圈12的滚道170、滚动体10或下平垫圈9的滚道140上；

2、将滚动体10放入保持架11的通孔160中，一起搁在下平垫圈9的滚道140上；然后将上平垫圈12安装在上端盖13上，再倒扣在试验腔7上；最后安装加载机构，将加载杆16的半球形末端置于上端盖13的凹槽内，杠杆20则限于杠杆防摆架22的凹槽内；

3、启动润滑冷却装置4和油泵1，润滑油经上端盖13的进油孔15进入试验腔7，冷却和润滑接触部分后，再经出油孔8回到润滑油循环系统中；

4、开启变频电机32，带动传动轴40转动，此时上平垫圈12静止不动，而下平垫圈9则跟随传动轴40一起转动，从而带动滚动体10在下平垫圈9的滚道140上滚动；

5、根据杠杆比例计算所需施加的砝码数量，将砝码26放置于砝码架27上，砝码加载装置通过杠杆20放大所施加的载荷，通过上端盖13施加到试件上；

6、开启信息采集和控制系统，通过安装在传动轴40一侧的速度传感器21接收转速信号，反馈到计算机28中，调整变频电机32至所需的转速；同时通过安装在上端盖13上的振动传感器18检测振动信号，并反馈到计算机28中；当检测到的振动信号连续10～30次超过设定的加速度临界值(一般取2g～15g)时，即可认定涂层表面产生微裂纹发生失效。此时，通过信息采集和控制系统及时终止变频电机32转动，停止试验，保存失效瞬间。

本发明的上平垫圈12、下平垫圈9之间中含有多个滚动体10，因此涂层有多个接触点，这些接触点的最大接触应力相等，每转一周受到多次等接触强度的循环载荷作用，实现高效测试；并且滚动体10的个数根据需要自己调整，灵活性大；本发明通过在线检测振动信号，监测涂层表面状况的改变，并能实时进行急停，从而捕捉摩擦副表面疲劳裂纹失效瞬间状态。

Claims (10)

1、一种涂层滚动接触疲劳试验机，其特征在于，包括基座，安装于基座上的传动机构、试验装置、加载机构、润滑系统、以及信息采集和控制系统，其中：

所述传动机构包括电动机和传动轴，该电动机安装于基座的一侧，而传动轴安装于基座上，一皮带连接电动机一侧的大带轮以及所述传动轴，从而电动机的转动可以带动传动轴转动；

所述试验装置安装于基座上方的传动轴上，包括一试验腔，该试验腔内自下而上依次设置有下平垫圈安放架、下平垫圈、保持架、上平垫圈、以及上端盖；其中，保持架上设有若干个通孔，并在通孔内放置有滚动体，且保持架的厚度小于滚动体的直径；另外，下平垫圈的上表面和上平垫圈的下表面均设有对应于滚动体的滚道；

所述加载机构包括顶抵于试验装置的上端盖上的加载杆，与加载杆固接的杠杆，该杠杆的一端与固定于基座上的支座可枢转连接，另一端则连接一砝码加载装置；

所述润滑系统包括油泵、管道、润滑油冷却装置，其中，所述管道分别连接油泵和上端盖上所设的进油孔、上端盖上所设的出油孔和润滑油冷却装置、润滑油冷却装置和油泵；

所述信息采集和控制系统包括速度传感器、振动传感器、以及控制器，其中：所述速度传感器设置于传动轴的一侧，所述振动传感器设置于上端盖上，所述控制器通过线路与所述速度传感器和振动传感器连接。

2、如权利要求1所述的试验机，其特征在于，所述砝码加载装置包括设于杠杆一端的连接架，连接架下方的砝码杆，以及砝码杆下端的砝码架。

3、如权利要求2所述的试验机，其特征在于，所述杠杆的适当位置处还设有一杠杆防摆架。

4、如权利要求3所述的试验机，其特征在于，所述杠杆防摆架的上端设置成与杠杆相适配的凹槽，下方则通过一连杆固定于基座上。

5、如权利要求1所述的试验机，其特征在于，所述加载杆的下端为半球形，相应的，上端盖的上表面与加载杆的接触处设有一个凹槽。

6、如权利要求1所述的试验机，其特征在于，所述上端盖的侧面设置有环形槽。

7、如权利要求1所述的试验机，其特征在于，所述保持架为环形圈，而所述通孔则均匀设置于环形圈的外缘。

8、如权利要求1所述的试验机，其特征在于，所述润滑系统的管道上还设有流量计。

9、如权利要求1所述的试验机，其特征在于，所述试验腔底部与下平垫圈安放架之间的相对部分分别加工成三角形峰起和凹槽，形成迷宫密封。

10、一种使用权利要求1—9中任一项所述的涂层滚动接触疲劳试验机进行涂层滚动接触疲劳试验的方法，其特征在于包括以下步骤：

A、试样的涂层材料使用常规的涂层工艺设备涂到上平垫圈的滚道、滚动体或下平垫圈的滚道上；

B、将滚动体放入保持架的通孔中，一起搁在下平垫圈的滚道上；然后将上平垫圈安装在上端盖上，再倒扣在试验腔上；最后安装加载机构，将加载杆的半球形末端置于上端盖的凹槽内，杠杆则限于杠杆防摆架的凹槽内；

C、启动润滑冷却装置和油泵，润滑油经上端盖的进油孔进入试验腔，冷却和润滑接触部分后，再经出油孔回到润滑油循环系统中；

D、开启变频电机，带动传动轴转动，此时上平垫圈静止不动，而下平垫圈则跟随传动轴一起转动，从而带动滚动体在下平垫圈的滚道上滚动；

E、根据杠杆比例计算所需施加的砝码数量，将砝码放置于砝码架上，砝码加载装置通过杠杆放大所施加的载荷，通过上端盖施加到试件上；

F、开启信息采集和控制系统，通过安装在传动轴一侧的速度传感器接收转速信号，反馈到计算机中，调整变频电机至所需的转速；同时通过安装在上端盖上的振动传感器检测振动信号，并反馈到计算机中；当检测到的振动信号连续10～30次超过设定的临界值时，即可认定涂层表面产生微裂纹发生失效。此时，通过信息采集和控制系统及时终止变频电机转动，停止试验，保存失效瞬间。

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