CN101226122A - 一种转动微动摩擦磨损试验方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种转动微动摩擦磨损试验方法及其装置，方法是：将平面上试件夹持在上夹具上；下夹具固定在高精度超低速转动电机水平旋转轴上，下夹具夹持球形下试件，下试件的水平中心线与转动电机旋转轴对中；通过数据采集控制***控制上夹具的上下、左右移动，使上、下试件接触并施加设定的法向载荷，同时通过数据采集控制***控制转动电机使下夹具及其下试件以设定的转动幅角、转速和往复次数进行往复旋转，实现上、下试件间的转动微动摩擦；同时，通过六维力/力矩传感器测出摩擦力，并送至数据采集控制***，分析得出摩擦力－角位移曲线。该试验方法方便地使材料发生小角度转动微动摩擦磨损，且其自动化程度高，控制与测试的精度高，试验数据的重现性好。

Description

一种转动微动摩擦磨损试验方法及其装置

技术领域

本发明属于机械工程的摩擦学技术研究领域，尤其属于一种微动摩擦磨损试验方法及其试验装置。

背景技术

微动(Fretting)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，接触表面间发生的振幅极小的相对运动，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、扭动、转动等四种基本微动模式。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。扭动微动与转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，不同之处在于：扭动微动的旋转轴与接触面垂直；转动微动的旋转轴与接触平面平行。

转动微动是在交变载荷作用下紧配合接触副间发生微幅转动的相对运动。转动微动现象大量存在于各种机械装备和器械中，例如机车车辆的轮轴紧配合面在机车服役过程中、飞机涡轮发动机中的涡轮叶片榫槽配合面在工作时发生的摩擦磨损，各种轭轴机构的紧配合面发生的摩擦磨损，人体植入器械中的髋关节和膝关节杵臼状接触区内发生的摩擦磨损等。转动微动摩擦给工业生产、生活带来了较大的损失与麻烦。由于其人工控制再现或模拟困难，转动微动的相关研究工作一直以来开展较少。研发转动微动试验的新方法及其装置，对减少工程中出现的转动微动磨损问题，改进机械与生物工程的相关设计，提高装备与器械的性能与寿命、节约能源等具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种转动微动摩擦磨损试验方法，该试验方法能方便地使材料发生小角度转动微动摩擦磨损，且其自动化程度高，控制与测试的精度高，试验数据的重现性好。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种转动微动摩擦磨损试验方法，其作法是：

a、将平面上试件夹持在上夹具上，再将下夹具固定在水平安装的高精度超低速转动电机旋转轴的安装盘上，用下夹具夹持球形的下试件，球形下试件的水平中心线与转动电机旋转轴对中；

b、通过数据采集控制***控制上夹具的上下、左右移动，使上、下试件接触并施加设定的法向载荷P，同时通过数据采集控制***控制转动电机、下夹具及其夹持的下试件以设定的转动幅角θ、转速ω和往复次数N进行往复旋转，实现上、下试件间的转动微动摩擦；

c、在上、下试件发生转动微动摩擦的同时，通过与上夹具相连的六维力/力矩传感器测出切向力即摩擦力，并送至数据采集控制***，数据采集控制***分析得出设定载荷和转速条件下的摩擦力-角位移曲线，以表征转动微动摩擦的动力学特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、由于球形下试件的水平中心线与高精度超低速转动电机的旋转轴对中，高精度超低速转动电机旋转时能保证球形下试件以其水平中心线为轴进行转动，不会发生偏心现象，从而使单纯的转动微动得以实现。二、通过数据采集控制***控制高精度超低速转动电机的转动，能精确实现下夹具及其下试件按给定微小转角幅值及超低转速进行往复旋转；也能精确实现上夹具位置的调整和设定法向载荷的施加，从而精确实现给定参数条件下的转动微动摩擦磨损试验。三、通过与上夹具相连的六维力/力矩传感器测出转动微动时的切向力即摩擦力，并送数据采集控制***处理，得到设定条件下的摩擦力-角位移曲线，可以准确表征转动微动的动力学特性；并可将试验后的材料进行其它相关的磨损分析。

总之，该试验方法能方便的使材料发生精确的微角度转动微动摩擦磨损，试验直接由数据采集控制***控制给定相应测试参数，并测出摩擦力，进行自动分析及处理，自动化程度高，控制与测试的精度高，试验数据的重现性好。

本发明的另一目的是提供一种实施上述的转动微动摩擦磨损试验方法的试验装置，该装置结构简单，能够方便的实现该试验方法，能够进行不同工况与规格的材料的试验，可以精确控制试验参数。

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，包括上、下夹具，安装上、下夹具的机座，其结构特点是：

下夹具安装在机座上的具体结构为：下夹具为夹持球形下试件的夹具，下夹具固定在高精度超低速转动电机旋转轴的安装盘上；转动电机安装在机座底板上的电机座上，且转动电机的转动轴水平；

上夹具安装在机座上的具体结构为：上夹具为夹持平面上试件的夹具，上夹具的上端与六维力/力矩传感器相连，六维力/力矩传感器与能够进行水平与垂向移动的二维移动台相连，二维移动台固定在机座的中上部；

高精度超低速转动电机、二维移动台、六维力/力矩传感器均与数据采集控制***电连接。

该装置的使用方法及工作过程为：

将上试件固定上夹具上，下试件固定在下夹具上。并使下试件的水平中心线与转动电机的旋转轴对中；通过数据采集控制***控制二维移动平台的运动，调整上试件在竖直、水平两个方向的位置，使其与下试件接触并施加给定法向载荷。再由数据采集控制***控制高精度超低速转动电机的转动，使下试件按设定参数以其水平中心线为旋转轴进行往复旋转，实现下、上试件的球-平面转动微动，再用六维力/力矩传感器实时监测转动微动时的切向力(摩擦力)，送数据采集控制***进行处理，得到摩擦力-角位移曲线。同时，六维力/力矩传感器实时监测转动时的法向载荷，传送给数据采集控制***，由数据采集的控制***对二维移动平台的垂向位置进行实时调节控制，确保下试件的法向载荷始终处于恒定的给定值。

给定不同的参数，即可进行不同工况下的转动微动摩擦磨损试验。对于不同形状和尺寸的上、下试件，采用相应的上、下夹具即可完成试验。

可见，采用以上装置，可以方便的实现本发明的试验方法，能够进行不同工况与规格的材料的试验，可以精确控制试验参数，并且该装置结构简单。

上述的下夹具夹持腔的靠近转动电机安装盘的侧面中间开有圆孔，使夹持的球形下试件能直接与转动电机安装盘的中心孔接触并定位。

由于电机安装盘中心孔的中心线与电机旋转轴的中心线重叠，可确保下夹具夹紧下试件时，球形下试件的水平中心线与转动电机旋转轴重叠，保证球形下试件旋转时不会发生偏心现象，测试表明：本发明的球形试件的水平中心线和电机的转动轴的同轴度≤2μm，从而确保单纯的转动微动得以实现。

上述的下夹具的夹持腔为与球形下试件适配的水平半圆槽或弧形槽。这样可进一步确保下夹具能更紧密牢固地夹紧下试件，保证下试件按给定的参数进行往复转动。

上述的高精度超低速转动电机的最小转角θ为0.05°，转速ω的范围为0.006-180°/s。

上述的六维力/力矩传感器的法向载荷测量范围为5-580N；横向及纵向两个方向的切向力测量范围1.9-190N，力矩测量范围为50-10000N·mm、测量精度为5N·mm。

这样使得本发明装置能够实现高精度小角度的转动微动摩擦磨损试验，区别于常规滑动状态下的转动，测试结果精确、可靠。

上述的二维移动台的组成为：垂向电机固定在机座上部的顶板上，垂向电机轴与垂向丝杆联接，垂向丝杆与滑动支架的内螺纹配合，滑动支架内侧的导槽与机座上的垂向导轨配合，滑动支架的外侧与横梁固定连接；横梁下部的水平导轨与运动板上部的导槽配合，水平驱动电机固定在横梁上，水平驱动电机的轴与水平丝杆联接，水平丝杆与运动板的内螺纹配合，运动板的下部与六维力/力矩传感器连接。

采用电机驱动丝杆机构及导轨、导槽机构来实现水平及垂向的运动。这些机构构造简单、运行可靠；并且电机受数据采集控制***控制，使得其位置调整精确，简便。此外，通过六维力/力矩传感器实时测出法向载荷的瞬时值，传送数据采集控制***，由数据采集的控制***对垂向伺服电机进行实时调节控制，确保所施加的法向载荷始终处于恒定的给定值。

上述的运动板与六维力/力矩传感器连接的具体方式为：运动板的下部与联接块螺纹连接，联接块的下部与六维力/力矩传感器连接。

这样使得传感器能更平稳牢固的安装在运动板上、并且方便更换。

上述的上夹具的上端通过缓冲装置再与六维力/力矩传感器连接。

这样，调整缓冲装置的弹性，可实现不现刚度条件下的转动微动测试。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述。

附图说明

图1是本发明实施例的试验装置的主视结构示意图。

图2是图1的左视图。

图3a是本发明实施例的试验装置的下夹具、下试件及安装盘的剖视放大结构示意图。

图3b是图3a去掉下试件后的A-A剖视图。

图4a、图4b、图4c是用本发明实施例的试验装置及本发明的方法在三种工况下对同一具体试件材料进行试验得到的摩擦力-角位移(F-θ)曲线。试验的上试件为20mm×10mm×10mm的LZ50车轴钢试块，下试件为Φ40mm的GCr15轴承钢球，法向载荷P＝10N，转动频率为0.1Hz，往复循环次数N＝100。图4a、图4b、图4c对应的不同试验参数：转动幅角θ＝1°、 0.5°、0.25°，转动速度ω＝0.1°/s、0.05°/s、0.025°/s。

图5是用图4a相同的试验装置、试件材料，在转动幅角θ＝0.5°，转动速度ω＝0.05°/s，往复循环次数N＝100，法向载荷P则分别5N、10N、20N条件下进行试验得到的摩擦力-角位移曲线，其中的曲线a的法向载荷P为5N，曲线b的法向载荷P为10N，曲线c的法向载荷P为20N。

图6a、图6b、图6c分别是进行图4a、图4b、图4c试验后的上试件磨痕横截面轮廓图。

图7a、图7b、图7c分别是进行图4a、图4b、图4c试验后的上试件磨痕扫描电镜(SEM)形貌照片。

图8是上试件原始表面和图7(c)中点A、B位置处的X射线能谱图(EDX)，其中横坐标为：能量/千电子伏(Energy/kev)；纵坐标为：计数(Counts)。

具体实施方式

实施例

本发明的转动微动摩擦磨损试验方法的一种具体实施方式是：

a、将平面上试件夹持在上夹具上，再将下夹具固定在水平安装的高精度超低速转动电机旋转轴的安装盘上，用下夹具夹持球形的下试件，球形下试件的水平中心线与转动电机旋转轴对中；

b、通过数据采集控制***控制上夹具的上下、左右移动，使上、下试件接触并施加设定的法向载荷P，同时通过数据采集控制***控制转动电机、下夹具及其夹持的下试件以设定的转动幅角θ、转速ω和往复次数N进行往复旋转，实现上、下试件间的转动微动摩擦；

c、在上、下试件发生转动微动摩擦的同时，通过与上夹具相连的六维力/力矩传感器测出切向力即摩擦力，并送至数据采集控制***，数据采集控制***分析得出设定载荷和转速条件下的摩擦力-角位移曲线，以表征转动微动摩擦的动力学特性。

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、2示出，实现本发明的转动微动摩擦试验方法的试验装置，包括上、下夹具15、19，安装上、下夹具15、19的机座1。

下夹具19安装在机座1上的具体结构为：下夹具19为夹持球形下试件17的夹具，下夹具19固定在高精度超低速转动电机20旋转轴的安装盘20a上；转动电机20安装在机座1底板24上的电机座24a上，且转动电机20的转动轴水平；

上夹具15安装在机座1上的具体结构为：上夹具15为夹持平面上试件21的夹具，上夹具15的上端与六维力/力矩传感器13相连，六维力/力矩传感器13与能够进行水平与垂向移动的二维移动台相连，二维移动台固定在机座1的中上部；

高精度超低速转动电机20、二维移动台、六维力/力矩传感器13均与数据采集控制***电连接。

图3a、图3b示出，下夹具19夹持腔的靠近转动电机安装盘20a的侧面中间开有圆孔31，使夹持的球形下试件17能直接与转动电机20安装盘20a的中心孔32接触并定位。

本例采用的高精度超低速转动电机20的最小转角θ为0.05°，转速ω的范围为0.006-180°/s。六维力/力矩传感器13的法向载荷测量范围为5-580N；横向及纵向两个方向的切向力测量范围1.9-190N，力矩测量范围为50-10000N·mm、测量精度为5N·mm。

图1、2示出，本例中二维移动台的组成为：二维移动台的组成为：垂向电机3固定在机座1上部的顶板上，垂向电机3的轴与垂向丝杆5联接，垂向丝杆5向下与滑动支架25的内螺纹配合，滑动支架25内侧的导槽与机座1上的垂向导轨6配合，滑动支架25的外侧与下面的横梁7固定连接；横梁7下部的水平导轨10与运动板11上部的导槽配合，水平驱动电机8固定在横梁7上，水平驱动电机8的轴与水平丝杆9联接，水平丝杆9与运动板11的内螺纹配合，运动板11的下部与六维力/力矩传感器13连接。

运动板11与六维力/力矩传感器13连接的具体方式为：运动板11的下部与联接块12螺纹连接，联接块12的下部与六维力/力矩传感器13连接。

上夹具15的上端通过缓冲装置26再与六维力/力矩传感器13连接。

采用以上本发明的装置及其试验方法进行的六个具体试验的结果如下：

试验材料为：上试件21为20mm×10mm×10mm的LZ50车轴钢试块，下试件17为Φ40mm的GCr15轴承钢球。试验条件：法向载荷P＝5N、10N、20N，转动幅角θ＝1°、0.5°、0.25°，转动速度ω＝0.1°/s、0.05°/s、0.025°/s，对应转动频率为0.1Hz，往复循环次数N＝100。分别考察了转动幅角(相同法向载荷条件下)和法向载荷(相同转动幅角条件下)对转动微动动力学特征的影响。

图4a、图4b、图4c为法向载荷P＝10N，转动幅角θ分别为1°、0.5°、0.25°时试验得到的LZ50车轴钢转动微动摩擦力-角位移曲线。随着转动幅角的减小，图4a、图4b、图4c的曲线形状由宽扁的平行四边形状逐渐转变为直线状，可以判定图4a与图4b对应于微动的完全滑移，图4c对应于微动的部分滑移。这与切向微动摩擦的试验特征一致。

图5为转动幅角θ＝0.5°，法向载荷P分别为5N、10N、20N时试验得到的三条车轴钢转动微动摩擦力-角位移曲线。随着法向载荷的增大，曲线a、b、c的形状由宽扁的平行四边形状逐渐变窄，同时接触界面的摩擦力上升，说明试验可以反映同一材料在不同试验参数下的不同动力学行为。

图6a、图6b、图6c分别是进行图4a、图4b、图4c试验后的上试件磨痕横截面轮廓图。图6a和图6b表明车轴钢在完全滑移和部分滑移时，磨屑随着摩擦的进行往磨痕中心靠拢并堆积，这与切向微动中的磨屑主要往磨痕两端排出的情况有显著差异，这是材料不同变形行为的结果；图6c则表明车轴钢在部分滑移时磨痕极浅，损伤轻微，这与切向微动摩擦的损伤特征一致。

图7a、图7b、图7c分别是进行图4a、图4b、图4c试验后的上试件磨痕扫描电镜(SEM)形貌照片。图7a和图7b所示的磨痕心部可以观测到犁沟以及磨屑被挤压、撕裂等滑动磨损所具有的典型特征，表明车轴钢接触界面发生了完全滑移。图7c表明磨痕中心粘着，没有发生滑移，几乎无损伤；外侧发生微滑，可以观察到轻微损伤，表明车轴钢接触界面发生了部分滑移，这与图4a、图4b、图4c对应的判定一致。

图8为试件原始表面和图7c中点A、B位置处的X射线能谱图(EDX)，最上边为磨痕中心(A处)的微动磨痕的EDX结果，表明磨痕中心即A处的O含量极低，与最下边的车轴钢原始表面的O含量接近，而图中间的磨痕外侧即B处的O含量明显提高，说明磨痕中心没有发生滑移，而外侧发生微滑，验证了图7a、图7b、图7c的判定。进一步说明摩擦过程是一种特殊的微动磨损过程。

Claims (9)

1.一种转动微动摩擦磨损试验方法，其作法是：

a、将平面上试件夹持在上夹具上，再将下夹具固定在水平安装的高精度超低速转动电机旋转轴的安装盘上，用下夹具夹持球形的下试件，球形下试件的水平中心线与转动电机旋转轴对中；

b、通过数据采集控制***控制上夹具的上下、左右移动，使上、下试件接触并施加设定的法向载荷P，同时通过数据采集控制***控制转动电机、下夹具及其夹持的下试件以设定的转动幅角θ、转速ω和往复次数N进行往复旋转，实现上、下试件间的转动微动摩擦；

c、在上、下试件发生转动微动摩擦的同时，通过与上夹具相连的六维力/力矩传感器测出切向力即摩擦力，并送至数据采集控制***，数据采集控制***分析得出设定载荷和转速条件下的摩擦力角位移曲线，以表征转动微动摩擦的动力学特性。

2.一种实施权利要求1所述的试验方法的试验装置，包括上、下夹具(15、19)，安装上、下夹具(15、19)的机座(1)，其特征在于：

所述的下夹具(19)安装在机座(1)上的具体结构为：下夹具(19)为夹持球形下试件(17)的夹具，下夹具(19)固定在高精度超低速转动电机(20)旋转轴的安装盘(20a)上；转动电机(20)安装在机座(1)底板(24)上的电机座(24a)上，且转动电机(20)的转动轴水平；

上夹具(15)安装在机座(1)上的具体结构为：上夹具(15)为夹持平面上试件(21)的夹具，上夹具的上端与六维力/力矩传感器(13)相连，六维力/力矩传感器(13)与能够进行水平与垂向移动的二维移动台相连，二维移动台固定在机座(1)的中上部；

高精度超低速转动电机(20)、二维移动台、六维力/力矩传感器(13)均与数据采集控制***电连接。

3.根据权利要求2所述的一种试验装置，其特征在于：所述的下夹具(19)夹持腔的靠近转动电机安装盘(20a)的侧面中间开有圆孔(31)，使夹持的球形下试件(17)能直接与转动电机(20)安装盘(20a)的中心孔(32)接触并定位。

4.根据权利要求3所述的一种试验装置，其特征在于：所述的下夹具(19)的夹持腔为与球形下试件(17)适配的水平半圆槽或弧形槽。

5.根据权利要求2所述的一种试验装置，其特征在于：所述的高精度超低速转动电机(20)的最小转角θ为0.05°，转速ω的范围为0.006-180°/s。

6.根据权利要求2所述的一种试验装置，其特征在于：所述的六维力/力矩传感器(13)的法向载荷测量范围为5-580N；横向及纵向两个方向的切向力测量范围1.9-190N，力矩测量范围为50-10000N·mm、测量精度为5N·mm。

7.根据权利要求2所述的一种试验装置，其特征在于，所述的二维移动台的组成为：垂向电机(3)固定在机座(1)上部的顶板上，垂向电机(3)的轴与垂向丝杆(5)联接，垂向丝杆(5)向下与滑动支架(25)的内螺纹配合，滑动支架(25)内侧的导槽与机座(1)上的垂向导轨(6)配合，滑动支架(25)的外侧与下面的横梁(7)固定连接；横梁(7)下部的水平导轨(10)与运动板(11)上部的导槽配合，水平驱动电机(8)固定在横梁(7)上，水平驱动电机(8)的轴与水平丝杆(9)联接，水平丝杆(9)与运动板(11)的内螺纹配合，运动板(11)的下部与六维力/力矩传感器(13)连接。

8.根据权利要求7所述的一种试验装置，其特征在于，所述的运动板(11)与六维力/力矩传感器(13)连接的具体方式为：运动板(11)的下部与联接块(12)螺纹连接，联接块(12)的下部与六维力/力矩传感器(13)连接。

9.根据权利要求2所述的一种试验装置，其特征在于，所述的上夹具(15)的上端通过缓冲装置(26)再与六维力/力矩传感器(13)连接。

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