CN102590001A - 一种多向微动疲劳试验方法及其试验机 - Google Patents

Abstract

一种多向微动疲劳试验方法及其试验机，其作法是：将上夹具与电磁激振作动器通过测力传感器相连，上夹具夹持球形上试件，将下夹具与压电陶瓷作动器通过测力传感器相连，下夹具夹持平面下试件；使上、下试件接触，数据采集控制系统控制向上试件施加设定的垂向载荷；然后控制电磁激振作动器和压电陶瓷作动器的作动，实现上、下试件间的多向微动摩擦；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。该方法能方便地使材料发生小位移的多向微动摩擦磨损，较真实地模拟构件在交变载荷下的多向微动损伤，控制与测试的精度高，实验数据的重现性好，且其自动化程度高。

Description

一种多向微动疲劳试验方法及其试验机

技术领域

本发明属于摩擦技术研究领域，尤其属于一种多向微动疲劳试验方法及试验机。

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。而目前尚无多向微动的试验方法及设备报道。

发明内容

本发明的第一个发明目的是提供一种多向微动疲劳试验方法，该试验方法能方便地使材料发生小位移的多向微动摩擦磨损，较真实地模拟构件在交变载荷下的多向微动损伤，控制与测试的精度高，实验数据的重现性好；且其自动化程度高。

本发明实现第一个发明目的所采用的技术方案是：一种多向微动疲劳试验方法，其作法是：

a、将上夹具与电磁激振作动器通过测力传感器一相连，且上夹具的夹持腔的竖向中心线与电磁激振作动器的轴对中，用上夹具夹持球形的上试件；再将下夹具与压电陶瓷作动器通过测力传感器二相连，且下夹具的夹持腔的水平中心线与压电陶瓷作动器的轴对中，用下夹具夹持平面下试件；并使上试件的中心与下试件的试验点对中；

b、使上、下试件接触，并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；

c、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，本发明的有益效果是：

一、本发明的方法，将球形上试件与平面下试件分别与竖向的电磁激振器和横向的压电陶瓷作动器相连，由电磁激振器驱动球形上试件作径向(垂向)微动，同时由压电陶瓷作动器驱动平面下试样作切向(水平)微动，从而实现了球形上试件与平面下试件间同时进行径向和切向的双重多向微动，能更加真实有效地对多向微动进行分析和测试。

二、由于驱动球形上试件的电磁激振器与驱动平面下试样的压电陶瓷作动器定位准确，作动幅度小，频率高(300Hz)，精度高，且各自独立；从而能精确实现上试件及下试件按各自设定的微小位移幅值(最小可达100nm)进行切向与径向的多向复合微动；在数据采集系统控制下，也能精确施加设定的法向载荷，从而精确实现给定参数条件下的扭转复合微动摩擦磨损试验。

三、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不同的垂向微动与水平微动构成的多向复合微动，能进行各种复杂的多向复合微动的模拟。

四、与上夹具相连的力传感器一与数据采集控制系统结合准确设定与输出多向微动时的垂向载荷；与下夹具相连的力传感器二则可准确测出多向微动时的切向力即摩擦力，从而可以准确表征多向微动的动力学特性。并可将试验后的材料进行其它相关分析。

总之，该试验方法能方便的使材料发生精确的微小位移值的各种多向微动摩擦磨损，试验直接由数据采集控制系统控制给定相应测试参数，并测出摩擦力，进行自动的分析及处理，能较真实地模拟构件在交变载荷作用下的多向微动损伤，实验结果更准确、可靠；控制与测试的精度高，实验数据的重现性好，且自动化程度高。克服了现有实验方法结果具有单一性，重现性差等缺陷。

本发明的另一目的是提供一种实施上述多向微动摩擦疲劳的试验方法的试验装置，该装置结构简单，易操作，能够进行不同工况与规格材料的多向微动摩擦磨损试验，控制与测试的精度高，实验数据更准确、可靠，重现性好。

本发明实现该发明目的所采用的技术方案是：一种实施上述的试验方法的试验装置，它由电磁激振驱动装置、压电激振驱动装置、数据采集控制系统和机座构成，其中：

电磁激振驱动装置的具体组成为：上夹具为夹持球形的上试件的夹具，且上夹具的夹持腔的垂向中心线与电磁激振作动器的轴对中并通过测力传感器一相连；电磁激振作动器通过圆柱形凸轮机构与固定在机座的顶板上的电机相连；电机、电磁激振作动器和测力传感器一均与数据采集控制系统电连接。

压电激振驱动装置的具体组成为：下夹具为夹持平面下试件的夹具，且下夹具的夹持腔的水平中心线与压电陶瓷作动器的轴对中并通过测力传感器二相连，压电陶瓷作动器与水平移动台座的侧壁相连；水平移动台座的一侧与固定在纵向移动板上的直线电机相连；水平移动台座底部的横向滑块嵌合在纵向移动板的横向滑槽中；纵向移动板底部的纵向滑块嵌合在机座的底板的纵向滑槽中，并由纵向移动板上的定位螺钉实现定位；直线电机、压电陶瓷作动器和测力传感器二均与数据采集控制系统电连接。

该装置的使用方法及工作过程为：

将球形上试件固定在上夹具上，平面下试件固定在下夹具上。通过数据采集控制系统控制直线电机驱动水平移动台座的横向移动，并通过纵向移动板的纵向滑块位置的移动来调整纵向移动板的纵向位置，使下试件的试验点与上试件的中心垂向对齐。然后，通过数据采集控制系统控制电机驱动圆柱形凸轮机构中的圆柱形凸轮的旋转位置，使上试件向下移动与下试件接触，并在测力传感器一的反馈作用下，向上试件施加给定的垂向载荷。

再由数据采集控制系统控制电磁激振器使上试件按设定的参数(振幅、频率)进行上下(径向)往复微动；同时数据采集控制系统控制压电陶瓷作动器使下试件按设定的参数(振幅、频率)进行横向(切向)往复微动。实现下、上试件的球-平面多向微动，在此过程中，力传感器二实时监测多向微动时的切向力(摩擦力)，送数据采集控制系统进行处理，得到摩擦力-位移幅值(F_t-D)曲线。同时，力传感器一也将实时监测到的垂向(径向)载荷，反馈给数据采集控制系统，由数据采集控制系统对上夹具的垂向位置进行实时反馈调节控制，确保上试件的法向载荷始终处于恒定的给定值。

给定不同的参数(径向微动和切向微动的参数可分别独立给出)，即可进行不同工况下的多向微动摩擦磨损试验。对于不同尺寸的上、下试件，采用相应规格的上、下夹具即可。

可见，采用以上装置可以方便的、自动的按设定条件，实现本发明的试验方法，能够进行不同工况与规格材料的多向微动摩擦磨损试验，较真实地模拟出构件在交变载荷作用下的多向微动损伤，控制与测试的精度高，实验数据更准确、可靠，重现性好。

附图说明

图1是本发明实施例的主视结构示意图。

图2是本发明实施例的左视结构示意图。

具体实施方式

图1、图2示出，本发明的一种具体具体实施方式是，一种多向微动疲劳试验方法，其作法是：

a、将上夹具5与电磁激振作动器3通过测力传感器一4相连，且上夹具5的夹持腔的竖向中心线与电磁激振作动器3的轴对中，用上夹具5夹持球形的上试件6；再将下夹具9与压电陶瓷作动器11通过测力传感器二10相连，且下夹具9的夹持腔的水平中心线与压电陶瓷作动器11的轴对中，用下夹具9夹持平面下试件7；并使上试件的中心与下试件的试验点对中；

b、使上、下试件6、7接触，并在测力传感器一4的反馈作用下，数据采集控制系统控制向上试件6施加设定的垂向载荷；然后数据采集控制系统同时控制电磁激振作动器3和压电陶瓷作动器11的作动，使上夹具5及其夹持的上试件6以设定的振幅和往复次数垂向往复移动，下夹具9及其夹持的下试件7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；

c、在上、下试件6、7发生多向微动摩擦的同时，通过与下夹具9相连的测力传感器二10测出摩擦力，并送至数据采集控制系统进行分析。

为使上述试验方法得以更方便快捷地实现，本例采用的试验装置的具体构成如下：

图1、图2示出，实施上述的试验方法的多向微动疲劳试验机，它由电磁激振驱动装置、压电激振驱动装置、数据采集控制系统和机座15构成，其中：

电磁激振驱动装置的具体组成为：上夹具5为夹持球形的上试件6的夹具，且上夹具5的夹持腔的垂向中心线与电磁激振作动器3的轴对中并通过测力传感器一4相连；电磁激振作动器3通过圆柱形凸轮机构2与固定在机座15的顶板15A上的电机1相连；电机1、电磁激振作动器3和测力传感器一4均与数据采集控制系统电连接。

压电激振驱动装置的具体组成为：下夹具9为夹持平面下试件7的夹具，且下夹具9的夹持腔的水平中心线与压电陶瓷作动器11的轴对中并通过测力传感器二10相连，压电陶瓷作动器11与水平移动台座12的侧壁12A相连；水平移动台座12的一侧与固定在纵向移动板13上的直线电机8相连；水平移动台座12底部的横向滑块12B嵌合在纵向移动板13的横向滑槽中；纵向移动板13底部的纵向滑块13A嵌合在机座15的底板15B的纵向滑槽中，并由纵向移动板13上的定位螺钉实现定位；直线电机8、压电陶瓷作动器11和测力传感器二10均与数据采集控制系统电连接。

本例采用的电磁激振作动器3的最大载荷：3000N，精度0.5级；测力传感器4：3000N(x/y/z向载荷)；位移范围：0.1-200μm；精度不低于0.1μm；伺服频率：不低于100Hz。

本例采用的压电陶瓷作动器11的最大载荷：1000N，精度0.5级；位移范围：0.1-100μm；，精度不低于0.1μm；伺服频率：不低于300Hz。

本例采用的直线电机8平移位移范围：0.1-10mm；位移精度：1μm。

Claims (2)

1.一种多向微动疲劳试验方法，其作法是：

a、将上夹具(5)与电磁激振作动器(3)通过测力传感器一(4)相连，且上夹具(5)的夹持腔的竖向中心线与电磁激振作动器(3)的轴对中，用上夹具(5)夹持球形的上试件(6)；再将下夹具(9)与压电陶瓷作动器(11)通过测力传感器二(10)相连，且下夹具(9)的夹持腔的水平中心线与压电陶瓷作动器(11)的轴对中，用下夹具(9)夹持平面下试件(7)；并使上试件的中心与下试件的试验点对中；

b、使上、下试件(6、7)接触，并在测力传感器一(4)的反馈作用下，数据采集控制系统控制向上试件(6)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(3)和压电陶瓷作动器(11)的作动，使上夹具(5)及其夹持的上试件(6)以设定的振幅和往复次数垂向往复移动，下夹具(9)及其夹持的下试件(7)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；

c、在上、下试件(6、7)发生多向微动摩擦的同时，通过与下夹具(9)相连的测力传感器二(10)测出摩擦力，并送至数据采集控制系统进行分析。

2.一种实施权利要求1所述的试验方法的多向微动疲劳试验机，它由电磁激振驱动装置、压电激振驱动装置、数据采集控制系统和机座(15)构成，其中：

电磁激振驱动装置的具体组成为：上夹具(5)为夹持球形的上试件(6)的夹具，且上夹具(5)的夹持腔的垂向中心线与电磁激振作动器(3)的轴对中并通过测力传感器一(4)相连；电磁激振作动器(3)通过圆柱形凸轮机构(2)与固定在机座(15)的顶板(15A)上的电机(1)相连；电机(1)、电磁激振作动器(3)和测力传感器一(4)均与数据采集控制系统电连接。

压电激振驱动装置的具体组成为：下夹具(9)为夹持平面下试件(7)的夹具，且下夹具(9)的夹持腔的水平中心线与压电陶瓷作动器(11)的轴对中并通过测力传感器二(10)相连，压电陶瓷作动器(11)与水平移动台座(12)的侧壁(12A)相连；水平移动台座(12)的一侧与固定在纵向移动板(13)上的直线电机(8)相连；水平移动台座(12)底部的横向滑块(12B)嵌合在纵向移动板(13)的横向滑槽中；纵向移动板(13)底部的纵向滑块(13A)嵌合在机座(15)的底板(15B)的纵向滑槽中，并由纵向移动板(13)上的定位螺钉实现定位；直线电机(8)、压电陶瓷作动器(11)和测力传感器二(10)均与数据采集控制系统电连接。

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