CN108254410B - 基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测方法及装置，方法包括：确定在喷涂层受到滚动和滑动共同作用下影响喷涂层的接触疲劳寿命的因素，按照n因素2水平的组合方法将多个因素的取值进行组合，根据每一组合中多个因素的取值进行喷涂层的接触疲劳试验，通过红外热像仪监测每一组喷涂层在接触疲劳试验中的温度变化并获取温度极差，并根据每一组的温度极差计算多个组合的温度极差均值；在喷涂层接触疲劳寿命预测中，若喷涂层的温度持续上升且喷涂层的实时温度极差大于温度极差均值，则确定喷涂层失效。本发明实现了通过温度来判断喷涂层接触疲劳寿命失效的方法，提高喷涂层接触疲劳寿命预测的准确率。
Description
技术领域
本发明涉及喷涂层寿命预测技术领域，具体涉及一种基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测方法及装置。
背景技术
热喷涂技术是再制造工程中用于修复轴类、齿轮等可再制造旋转部件的重要的表面处理技术，这些旋转部件在服役中受到循环接触应力的作用而处于滚动、滑动或滚动/滑动并存的运动状态。随着再制造技术的发展，耐磨性喷涂层的寿命预测问题已成为再制造工程中的重点和难点。
现有技术中，通过建立接触疲劳寿命与影响因素之间的多元预测模型，采用多元预测模型对喷涂层的接触疲劳寿命进行预测，但是受喷涂工艺的影响及使用工况的日趋多变，使得依据多元预测模型进行预测结果的准确率降低。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测方法及装置，采用红外热像技术检测喷涂层的表面温度并判断其损伤状态，实现提高喷涂层接触疲劳寿命预测的准确率。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测方法，包括：
确定在喷涂层受到滚动和滑动共同作用的状态下，影响喷涂层的接触疲劳寿命的多个因素，并设置每个因素的取值区间；
按照n因素2水平的组合方法将多个因素的取值进行组合，得到多个组合；
其中，n为影响喷涂层接触疲劳寿命的因素的数目；
根据每一组合中多个因素的取值进行喷涂层的接触疲劳试验，并通过红外热像仪监测每一组喷涂层在接触疲劳试验中的温度变化；
获取每一组中喷涂层温度变化的温度极差，并根据每一组的温度极差计算多个组合的温度极差均值；
在喷涂层接触疲劳寿命预测中，若喷涂层的温度持续上升且喷涂层的实时温度极差大于温度极差均值，则确定喷涂层失效。
进一步的，所述根据每一组合中多个因素的取值进行喷涂层的接触疲劳试验，包括：采用接触疲劳试验机对标准辊和设置有喷涂层的测试辊相互作用过程中的多个因素的取值进行控制，完成接触疲劳试验。
进一步的，所述通过红外热像仪监测每一组喷涂层在接触疲劳试验中的温度变化，包括：
在接触疲劳试验开始至喷涂层失效期间，采用红外热像仪监测接触疲劳试验机上标准辊与设置有喷涂层的测试辊之间的接触点的表面温度。
进一步的，所述影响喷涂层的接触疲劳寿命的多个因素，包括：接触应力、滑差率和转速。
进一步的，所述接触应力的取值区间为：0.5-0.7GPa；所述滑差率的取值区间为：0％-100％；所述转速的取值区间为：100-600r·min-1。
另一方面，本发明还提供了一种基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测装置，包括：
因素确定模块，用于确定在喷涂层受到滚动和滑动共同作用的状态下，影响喷涂层的接触疲劳寿命的多个因素，并设置每个因素的取值区间；
因素组合模块，用于按照n因素2水平的组合方法将多个因素的取值进行组合，得到多个组合；
其中，n为影响喷涂层接触疲劳寿命的因素的数目；
疲劳试验模块，用于根据每一组合中多个因素的取值进行喷涂层的接触疲劳试验，并通过红外热像仪监测每一组喷涂层在接触疲劳试验中的温度变化；
极差计算模块，用于获取每一组中喷涂层温度变化的温度极差，并根据每一组的温度极差计算多个组合的温度极差均值；
预测模块，用于在喷涂层接触疲劳寿命预测中，若喷涂层的温度持续上升且喷涂层的实时温度极差大于温度极差均值，则确定喷涂层失效。
进一步的，所述疲劳试验模块，包括：
测试单元，用于采用接触疲劳试验机对标准辊和设置有喷涂层的测试辊相互作用过程中的多个因素的取值进行控制，完成接触疲劳试验。
进一步的，所述疲劳试验模块，还包括：
监测单元，用于在接触疲劳试验开始至喷涂层失效期间，采用红外热像仪监测接触疲劳试验机上标准辊与设置有喷涂层的测试辊之间的接触点的表面温度。
进一步的，所述影响喷涂层的接触疲劳寿命的多个因素，包括：接触应力、滑差率和转速。
进一步的，所述接触应力的取值区间为：0.5-0.7GPa；
所述滑差率的取值区间为：0％-100％；
所述转速的取值区间为：100-600r·min-1。
由上述技术方案可知，本发明所述的一种基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测方法及装置，通过红外热像仪实时监测喷涂层接触疲劳失效的过程，获取喷涂层表面温度变化状态，根据喷涂层表面温度的突变点，对喷涂层接触疲劳失效进行预测。实现通过温度来判断喷涂层接触疲劳寿命失效的方法，提高喷涂层接触疲劳寿命预测的准确率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测方法的流程示意图。
图2是本发明实施例提供的一种基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测方法中各个试验点的示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测方法中测试辊和标准辊的接触示意图；
图4是本发明实施例提供的一种基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测方法中测试辊和标准辊的剖视图；
图5是本发明实施例提供的一种基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测方法中涂层接触疲劳红外热像监测示意图；
图6是本发明实施例提供的一种基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测方法中喷涂层表面温度变化示意图；
图7是本发明实施例提供的一种基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明下述实施例提供了一种基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测方法，参见图1，该方法具体包括如下步骤：
S101：确定在喷涂层受到滚动和滑动共同作用的状态下，影响喷涂层的接触疲劳寿命的多个因素，并设置每个因素的取值区间；
在本步骤中，喷涂层的接触疲劳寿命受到多个因素的影响，如接触应力、滑差率、转速等服役条件的影响，又如喷涂层与基体的结合强度、喷涂层的显微硬度、喷涂层厚度等质量及表面的性能参数的影响。采用相同的性能参数喷涂层，则影响喷涂层的接触疲劳寿命的主要因素为服役条件。因此本步骤中影响喷涂层的接触疲劳寿命的多个因素，包括：接触应力、滑差率和转速。
S102：按照n因素2水平的组合方法将多个因素的取值进行组合，得到多个组合；
其中，n为影响喷涂层接触疲劳寿命的因素的数目；
在本步骤中，根据上述步骤S101，确定影响喷涂层的接触疲劳寿命的因素有3个，即n为3，采用3因素2水平的组合方法进行各因素取值组合。
在3因素2水平因子设计的基础上，即23，采用中心复合设计并加入中心实验点和轴实验点构成的统计学实验方法。参考图2，试验点数共有N＝mc+mr+m0个，也就是说，要进行N组实验。其中，mc为2n因子设计的试验点数，由于因素个数n为3，因此mc为8，图2中编号为1-8的8个试验点，mr为分布在n个坐标轴上的试验点数，图2中编号为9-14的6个试验点，m0为中心点重复实验的次数，图2中编号为15的试验点的重复次数。轴试验点到中心点的距离为待定参数r，调节r可以调节正交性、旋转性等，一般而言，若想要具有较好的旋转性，则要求r4＝mc。在本实施例中，中心点重复实验的次数为5次，r取1.68。参见表1和表2，其中表1为中心复合设计试验方案，表2为中心复合设计试验方案中三个因素的取值表。其中，图2中编号为1-8的试验点对应下表1中1-8试验编号；图2中编号为9-14的轴试验点对应下表1中9-14的试验编号；图2中编号为15的中心点对应下表1中编号为15-19的试验编号，即中心点需要5次重复试验。设试验点9和试验点10的连线为x轴，对应第1个因素；试验点11和试验点12的连线为y轴，对应第2个因素；试验点13和14为z轴，对应第3个因素；以试验点15为坐标原点。设立方体的边长为2，例如，试验点1的坐标值为(1,1,1)，则试验点1对应的三个因素的组合为：第一个因素取1对应的值，第二个因素取1对应的值，第三个因素取1对应的值。试验点10对应的三个因素的组合为：第一个因素取1.68对应的值，第二个因素取0对应的值，第三个因素取0对应的值，其他试验点的含义可以参照试验点1、10依次类推，这里不一一说明。
表1中心复合设计实验方案
表2中心复合设计试验方案中三个因素的取值表
表1和表2是针对以接触应力、滑差率和转速作为三个因素的试验组合方式以及三因素的取值。
S103：根据每一组合中多个因素的取值进行喷涂层的接触疲劳试验，并通过红外热像仪监测每一组喷涂层在接触疲劳试验中的温度变化；
在本步骤中，采用接触疲劳试验机对标准辊和设置有喷涂层的测试辊相互作用过程中的多个因素的取值进行控制，完成接触疲劳试验。例如，采用RM-1型多功能实验机进行接触疲劳实验，通过设置滑差率、接触应力和转速等因素的值，模拟喷涂层受滚动和滑动运动状态共同作用的真实接触状态。参见图3，采用标准辊32和设置有喷涂层的测试辊31模拟喷涂层受滑动和滚动共同作用下的真实接触状态，其中测试辊31与标准辊32的线接触长度可为8mm，外周边缘倒角可以为0.5mm，而标准辊32可以采用调质处理后的45#优质碳素钢，图4为测试辊31和标准辊32的剖面视图。同时，在接触疲劳试验开始至喷涂层失效期间，采用红外热像仪监测接触疲劳试验机上标准辊与设置有喷涂层的测试辊之间的接触点的表面温度。例如，参见图5，采用NEC R300红外热像仪在接触疲劳失效过程进行在线监测。以喷涂AT40喷涂层的辊子作为测试辊，与测试辊进行接触疲劳实验的标准辊为45#优质碳素钢。采用中心复合设计实验方法，进行接触应力、滑差率、转速3因素影响下接触疲劳寿命实验方案的接触疲劳试验，实验方案见表1所示。为保证实验的安全性和可执行性，设定滑差率的取值范围为0％～100％，转速的取值范围为100-600r·min-1，接触应力的取值范围为0.5-0.7GPa。
根据上表2中各因素的取值进行接触疲劳试验，可以得到下表3的试验结果：
表3试验结果表
表3为对编号1#至编号5#的5种喷涂层的进行接触疲劳寿命的检验结果。
S104：获取每一组中喷涂层温度变化的温度极差，并根据每一组的温度极差计算多个组合的温度极差均值；
在本步骤中，根据每一组中喷涂层温度变化，计算该组中温度的温度极差，温度极差为该组中最大的温度值与最小的温度值的差。按照上述方式计算其余18组中每一组的温度极差，获取19组温度极差的温度极差平均值。将温度极差均值的单侧置信下限为阈值，该阈值用于判断喷涂层是否失效的条件。
S105：在喷涂层接触疲劳寿命预测中，若喷涂层的温度持续上升且喷涂层的实时温度极差大于温度极差均值，则确定喷涂层失效。
在本步骤中，在喷涂层接触疲劳失效的整个过程中，喷涂层的温度随着时间的延伸呈现增减交错波动上升趋势，期间伴随有多个温度突增点；处于喷涂层失效阶段时，喷涂层的温度总是处于上升阶段，且喷涂层的温度无下降趋势。参见图6，当试验进行到350s时，喷涂层的温度表现出明显的突然升高，如箭头所示，此时喷涂层发生失效断裂。
在喷涂层接触疲劳寿命预测中，检测待预测喷涂层与标准辊之间的接触点的温度，当接触点的温度持续上升且无下降趋势以及喷涂层的实时温度极差大于阈值时，则确定喷涂层失效。
从上述描述可知，本发明实施例通过红外热像仪实时监测喷涂层接触疲劳失效的过程，获取喷涂层表面温度变化状态，根据喷涂层表面温度的突变点，对喷涂层接触疲劳失效进行预测。实现通过温度来判断喷涂层接触疲劳寿命失效的方法，提高喷涂层接触疲劳寿命预测的准确率。
在一种可选实施方式中，提供了上述实施例中1#喷涂层至5#喷涂层的制备方式，具体如下：
涂层的接触疲劳寿命受到多个因素的影响，如接触应力、滑差率、转速等服役条件，又如涂层与基体的结合强度、涂层的显微硬度、涂层厚度等质量及表面性能参数。其中，影响涂层服役寿命的涂层与基体的结合强度、涂层的显微硬度、涂层厚度与涂层制备有关。涂层与基体的结合强度、涂层的显微硬度主要受到制备过程中Ar气流量、喷涂功率、喷涂距离的影响。涂层厚度可首先通过喷涂相同厚度的涂层，然后采用砂轮磨削的方式进行后处理，这样的方式同时也降低了涂层表面的粗糙度。为了制备不同质量表面性能参数的涂层，以考察涂层接触疲劳失效的规律性，采用4因素5水平的均匀设计制备方案，考察因素为Ar气流量、喷涂功率、喷涂距离和涂层厚度。
采用高效能超音速等离子喷涂设备(HEPJET)在调质45#钢测试辊的外周面上制备涂层。喷涂前采用棕刚玉对基体表面进行喷砂处理。采用质量分数为90％Ni，10％Al的Ni/Al合金作为粘结层，以提高涂层与基体的结合强度。采用Al2O3-40wt％TiO2涂层作为喷涂层。基体为线接触长度为8mm，外周边缘倒角0.5mm的辊子。采用相同的喷涂时间及喷涂次数，使得涂层和基体受到的冷却时间、受热状态等热力学因素的影响相同，喷涂后涂层厚度为500-600μm。通过喷涂参数的变化得到不同质量表面性能参数的涂层，喷涂参数如表4所示。采用E7高强度胶对试件进行粘结，并在烘干箱内以1000C烘烤4小时，按照GB/T 8642-2002标准，使用UTM 5504实验机测试结合强度。采用Micromet-6030自动显微硬度计测量显微硬度。通过砂轮磨削得到不同厚度的涂层，涂层厚度、结合强度和显微硬度如表4所示。
表4涂层喷涂参数及质量与表面性能参数
本发明实施例提供了一种基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测装置，参见图7，该装置具体包括：
因素确定模块10，用于确定在喷涂层受到滚动和滑动共同作用的状态下，影响喷涂层的接触疲劳寿命的多个因素，并设置每个因素的取值区间；
因素组合模块20，用于按照n因素2水平的组合方法将多个因素的取值进行组合，得到多个组合；
其中，n为影响喷涂层接触疲劳寿命的因素的数目；
疲劳试验模块30，用于根据每一组合中多个因素的取值进行喷涂层的接触疲劳试验，并通过红外热像仪监测每一组喷涂层在接触疲劳试验中的温度变化；
极差计算模块40，用于获取每一组中喷涂层温度变化的温度极差，并根据每一组的温度极差计算多个组合的温度极差均值；
预测模块50，用于在喷涂层接触疲劳寿命预测中，若喷涂层的温度持续上升且喷涂层的实时温度极差大于温度极差均值，则确定喷涂层失效。
所述疲劳试验模块30，包括：
测试单元，用于采用接触疲劳试验机对标准辊和设置有喷涂层的测试辊相互作用过程中的多个因素的取值进行控制，完成接触疲劳试验。
所述疲劳试验模块30，还包括：
监测单元，用于在接触疲劳试验开始至喷涂层失效期间，采用红外热像仪监测接触疲劳试验机上标准辊与设置有喷涂层的测试辊之间的接触点的表面温度。
所述影响喷涂层的接触疲劳寿命的多个因素，包括：接触应力、滑差率和转速。所述接触应力的取值区间为：0.5-0.7GPa；所述滑差率的取值区间为：0％-100％；所述转速的取值区间为：100-600r·min-1。
对于装置实施方式而言，由于其与方法实施方式基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施方式的部分说明即可。
由上述技术方案可知，本发明实施例通过红外热像仪实时监测喷涂层接触疲劳失效的过程，获取喷涂层表面温度变化状态，根据喷涂层表面温度的突变点，对喷涂层接触疲劳失效进行预测。实现通过温度来判断喷涂层接触疲劳寿命失效的方法，提高喷涂层接触疲劳寿命预测的准确率。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本发明并不局限于任何单一的方面，也不局限于任何单一的实施例，也不局限于这些方面和/或实施例的任意组合和/或置换。而且，可以单独使用本发明的每个方面和/或实施例或者与一个或更多其他方面和/或其实施例结合使用。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
Claims (10)
1.一种基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测方法，其特征在于，包括：
确定在喷涂层受到滚动和滑动共同作用的状态下，影响喷涂层的接触疲劳寿命的多个因素，并设置每个因素的取值区间；
按照n因素2水平的组合方法将多个因素的取值进行组合，得到多个组合；
其中，n为影响喷涂层接触疲劳寿命的因素的数目；
根据每一组合中多个因素的取值进行喷涂层的接触疲劳试验，并通过红外热像仪监测每一组喷涂层在接触疲劳试验中的温度变化；
获取每一组中喷涂层温度变化的温度极差，并根据每一组的温度极差计算多个组合的温度极差均值；
在喷涂层接触疲劳寿命预测中，若喷涂层的温度持续上升且喷涂层的实时温度极差大于温度极差均值，则确定喷涂层失效。
2.根据权利要求1所述的喷涂层接触疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述根据每一组合中多个因素的取值进行喷涂层的接触疲劳试验，包括：采用接触疲劳试验机对标准辊和设置有喷涂层的测试辊相互作用过程中的多个因素的取值进行控制，完成接触疲劳试验。
3.根据权利要求1所述的喷涂层接触疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述通过红外热像仪监测每一组喷涂层在接触疲劳试验中的温度变化，包括：
在接触疲劳试验开始至喷涂层失效期间，采用红外热像仪监测接触疲劳试验机上标准辊与设置有喷涂层的测试辊之间的接触点的表面温度。
4.根据权利要求1所述的喷涂层接触疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述影响喷涂层的接触疲劳寿命的多个因素，包括：接触应力、滑差率和转速。
5.根据权利要求4所述的喷涂层接触疲劳寿命预测方法，其特征在于，所述接触应力的取值区间为：0.5-0.7GPa；所述滑差率的取值区间为：0％-100％；所述转速的取值区间为：100-600r·min-1。
6.一种基于红外检测的喷涂层接触疲劳寿命预测装置，其特征在于，包括：
因素确定模块，用于确定在喷涂层受到滚动和滑动共同作用的状态下，影响喷涂层的接触疲劳寿命的多个因素，并设置每个因素的取值区间；
因素组合模块，用于按照n因素2水平的组合方法将多个因素的取值进行组合，得到多个组合；
其中，n为影响喷涂层接触疲劳寿命的因素的数目；
疲劳试验模块，用于根据每一组合中多个因素的取值进行喷涂层的接触疲劳试验，并通过红外热像仪监测每一组喷涂层在接触疲劳试验中的温度变化；
极差计算模块，用于获取每一组中喷涂层温度变化的温度极差，并根据每一组的温度极差计算多个组合的温度极差均值；
预测模块，用于在喷涂层接触疲劳寿命预测中，若喷涂层的温度持续上升且喷涂层的实时温度极差大于温度极差均值，则确定喷涂层失效。
7.根据权利要求6所述的喷涂层接触疲劳寿命预测装置，其特征在于，所述疲劳试验模块，包括：
测试单元，用于采用接触疲劳试验机对标准辊和设置有喷涂层的测试辊相互作用过程中的多个因素的取值进行控制，完成接触疲劳试验。
8.根据权利要求6所述的喷涂层接触疲劳寿命预测装置，其特征在于，所述疲劳试验模块，还包括：
监测单元，用于在接触疲劳试验开始至喷涂层失效期间，采用红外热像仪监测接触疲劳试验机上标准辊与设置有喷涂层的测试辊之间的接触点的表面温度。
9.根据权利要求6所述的喷涂层接触疲劳寿命预测装置，其特征在于，所述影响喷涂层的接触疲劳寿命的多个因素，包括：接触应力、滑差率和转速。
10.根据权利要求9所述的喷涂层接触疲劳寿命预测装置，其特征在于，
所述接触应力的取值区间为：0.5-0.7GPa；
所述滑差率的取值区间为：0％-100％；
所述转速的取值区间为：100-600r·min-1。
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