CN109060575A - 压电驱动式低温原位高频往复微动摩擦磨损试验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压电驱动式低温原位高频往复微动摩擦磨损试验平台，属于精密原位测试领域。试验压力加载单元由精密伺服电机提供动力，经由两级蜗轮蜗杆减速机构配合丝杠螺母副完成精确压力加载；高频往复单元布置在下侧，采用先进的压电陶瓷驱动技术，配合自主设计的柔性铰链输出高频微动位移；低温精密夹持单元由上下夹具配合实现精准夹持，并通过下夹具中的液氮管道实现低温加载；数据采集单元包括拉力传感器、压力传感器、双比色红外测温仪。本发明原理可靠，体积小巧，结构紧凑，频率高，与主流光学显微镜，拉曼光谱仪以及X射线衍射仪等具有开放式空间结构的显微成像***具有良好的兼容性。
Description
技术领域
本发明涉及精密原位测试领域，特别涉及微动摩擦磨损试验设计领域，尤指一种压电驱动式低温原位高频往复微动摩擦磨损试验平台。用于试件在低温环境下高频往复微动摩擦磨损过程中原位试验，可对特定材料在此过程中的摩擦磨损行为进行监测，为揭示其在微观尺度下的摩擦特性和损伤办法提供测试方法。
背景技术
材料作为一切高新技术的支撑和先导，对科学的发展有至关重要的意义，提高材料各类性能的测试水平，特别是提高服役条件下材料的微观变形损伤机制和性能演变规律的测试能力，是提升材料及其制品性能稳定性和使用寿命的关键，也是国家经济建设和科技进步的重要保障。
摩擦磨损是材料失效的主要方式之一，摩擦普遍发生在两个相互接触并相对运动的表面之间，摩擦导致的表面材料逐渐损失的现象称为磨损。摩擦磨损会导致零件的表面形状和尺寸缓慢而连续地损坏，从而使得整个设备的工作性能和可靠性降低。
特别的，在螺纹联接、花键联接和过盈配合联接等紧配合的接触表面间会发生微米量级振幅运动而产生磨损，这种在相互压紧的金属表面间由于小振幅振动而产生的复合形式的磨擦称为微动摩擦。微动摩擦不仅可以造成接触表面间的摩擦磨损，引起构件咬合、松动或形成污染源等，而且可以加速裂纹的萌生、扩展，使构件的疲劳寿命大大降低，普遍存在于机械行业、航空航天、核反应堆、电力工业、桥梁工程、交通运输工具，甚至人工植入器官等领域的紧配合部件中。随着高科技领域对高精度、长寿命和高可靠性的要求，以及各种工况条件的苛刻，微动损伤的危害日益凸现，已成为一些关键零部件失效的主要原因之一。
温度在0~-150℃的条件下的摩擦磨损属于低温摩擦磨损，在低温条件下，摩擦系数、摩擦特性等都会发生改变。有研究表明，材料在低温条件下会更容易产生脆性破坏。开展低温条件下材料的微动摩擦试验有利于深入揭示极端环境零部件失效机理和相关性规律。传统的摩擦磨损试验技术已经比较成熟，但是对于磨损区的分析都是基于离线的测试手段，并不能对摩擦试验过程中试件的微观组织形貌进行动态的监测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电驱动式低温原位高频往复微动摩擦磨损试验平台，结合原位测试技术，通过光学显微镜、X射线衍射仪等成像仪器对试件在摩擦磨损测试过程中的微观变形、内部损伤的过程进行全程动态监测，揭示低温微动摩擦条件下材料的摩擦磨损性能及损伤失效机制。研究特殊专用材料在低温高频微动条件下的磨损失效机制，填补相关领域的空白。本发明突破性地将微动摩擦与原位测试相结合，并且通过压电驱动技术实现精确、高频控制，此外，还创新性地加入低温单元，是一种综合的、多功能的摩擦磨损精密原位试验装置。本发明设计了高频往复支撑平台，平台通入液氮后为试件提供低温环境，双比色红外测温仪可直接对试件中心位置的温度进行测量，光学显微镜，X射线衍射仪等对试件进行实时损伤裂纹观测。
本发明结构布局合理，整体分为上下结构，上部主要布置压力加载单元，结合精密伺服电机以及精密蜗轮蜗杆减速增扭机构，可实现压力动态加载；利用低温压电陶瓷和柔性铰链实现高频往复精密驱动，其频率在30kHz左右，位移达到20um；借助于现有的精密传感测试技术可实时监测，反馈，进行后期处理。该测试平台结构小巧，传动精密平稳，可实现动态加载，并可借助多种成像仪器，对载荷作用下材料发生的微观变形、损伤直至失效破坏的过程进行动态监测，对材料在微动摩擦磨损试验中的微观力学行为和损伤机制做深入研究。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
压电驱动式低温原位高频往复微动摩擦磨损试验平台，包括试验压力加载单元、高频往复驱动单元、低温精密夹持单元以及数据采集单元，所述试验压力加载单元是：精密伺服电机23驱动扭矩经由一级蜗杆24、一级蜗轮27和二级蜗杆22、二级蜗轮19增扭减速后，带动精密丝杠30将旋转运动变为移动平台16的整体移动，使移动平台16向着平面试件方向接近，完成对平面试件的压力加载；其中，精密丝杠30通过精密滚珠丝杠轴承座18刚性支撑，通过调节精密伺服电机23的脉冲数控制加载速度，并通过压力传感器14的反馈实现压力的精准控制；精密伺服电机23通过电机支撑座26与试验支撑台1刚性固定；
所述的低温精密夹持单元是：上球形试件与上球形试件夹具12刚性连接，下平面试件通过凹槽放进平面试件下夹具8中，两个平面试件上夹具9通过螺钉固定在平面试件下夹具8上，平面试件下夹具8通过夹具支撑座11固定在高频往复支撑平台7上并进行刚性连接；夹具支撑座11内部设置有冷却流道，液氮通过液氮通道29实现充入和回流，创造试件低温环境；
所述的高频往复驱动单元是：低温压电陶瓷3安装在柔性铰链2的凹槽中，拉力传感器4一端与柔性铰链2的输出端螺纹连接，另一端与平面试件夹具支撑座11连接，低温压电陶瓷3在信号驱动电压的驱动下输出高频交变微小位移，驱动柔性铰链2带动拉力传感器4牵引低温精密夹持单元在试验支撑平台1上做往复微小位移，实现上下试件微动摩擦；低温精密夹持单元在两对左滑块6和两对右滑块10的带动下在前导轨5和后导轨28上移动。
所述的数据采集单元是：拉力传感器4测量高频移动的驱动力并进行反馈调节，控制压电陶瓷驱动器输出准确信号，实现精准控制；压力传感器4输出数据并实现压力的精准控制、双比色红外测温仪实时监测试件的温度、光学显微镜，拉曼光谱仪进行摩擦试件微观表面的实时原位观测。
所述的精密丝杠30与螺母座31相配合，螺母座31与移动平台16刚性连接，将旋转运动转化为直线运动，实现压力加载。
所述的压力传感器14一端与带法兰盘固定座15螺纹连接，另一端与连接件13刚性连接，上球形试件夹具12固定在连接件13上。
所述的一级蜗轮27、二级蜗杆22通过一根公共轴25和轴承21固定在轴固定座20上，轴固定座20与移动平台16刚性连接。
通过拉力传感器4和压力传感器14采集到的信号，自行拟合载荷加载过程中的压力和摩擦力关系，同时配合采集到的温度参数呈现曲线。
本发明的有益效果在于：突破现有的摩擦磨损测试手段，提供在低温环境下的原位高频微动摩擦磨损试验技术，体积小巧，结构紧凑，应用广泛。此外，测试平台与拉曼光谱仪、X射线衍射仪、原子力显微镜及光学显微镜等具有开放式载物及成像条件的仪器均具有结构兼容性，实现微动摩擦过程中的裂纹萌生和扩展实时监测，精密压电驱动实现高频往复位移，运动频率和位移幅值可调；精密伺服电机结合双级减速机构实现压力加载，法向载荷和压力值可调。同时，利用先进传感器技术精确闭环控制加载参数，通过相关控制算法可自行拟合载荷加载过程中的压力和摩擦力关系，采集呈现曲线。综上所述，本发明在航空航天、核反应堆、电力工业等具有重要应用前景。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体外观结构示意图；
图2为本发明的侧视图；
图3为本发明的切向微动示意图；
图4为本发明的柔性铰链示意图。
图中：1、试验支撑台；2、柔性铰链；3、低温压电陶瓷；4、拉力传感器；5、前导轨；6、左滑块；7、高频往复单元支撑平台；8、平面试件下夹具；9、平面试件上夹具；10、右滑块；11、夹具支撑座；12、上球形试件夹具；13、连接件；14、压力传感器；15、带法兰盘固定座；16、移动平台；17、法兰盘连接平台；18、精密滚珠丝杠轴承座；19、二级蜗轮；20、轴固定座；21、轴承、22、二级蜗杆；23、精密伺服电机；24、一级蜗杆；25、轴；26、电机支撑座；27、一级蜗轮；28、后导轨；29、液氮通道；30、精密丝杠；31、螺母座；32、上滑块；33、上导轨。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图4所示，本发明的压电驱动式低温原位高频往复微动摩擦磨损试验平台，突破性地将原位观测与微动摩擦磨损集成于一体，提供在低温环境下微动摩擦微观形貌和裂纹损伤的测试模式,为测试特殊环境专用材料在特殊紧配合的环境中的失效机理以及温度对摩擦磨损的影响方式基础研究提供设备和手段。本发明整体分为上下立体布置结构，在有效的空间内增加了平台的集成度，具体由试验压力加载单元，高频往复驱动单元，低温精密夹持单元以及数据采集单元组成。
所述试验压力加载单元是：精密伺服电机23驱动扭矩经由一级蜗杆24、一级蜗轮27和二级蜗杆22、二级蜗轮19增扭减速后，带动精密丝杠30将旋转运动变为直线运动，即移动平台16的整体移动，使移动平台16向着平面试件方向接近，完成对平面试件的压力加载；其中，精密丝杠30通过精密滚珠丝杠轴承座18刚性支撑，提高丝杠传动环节的传动刚度；整个过程中，通过调节精密伺服电机23的脉冲数可精准地控制加载速度，并通过压力传感器14的反馈实现压力的精准控制；精密伺服电机23通过电机支撑座26与试验支撑台1刚性固定；
所述的低温精密夹持单元是：上球形试件与上球形试件夹具12刚性连接，保证在摩擦过程中达到精确接触摩擦，下平面试件通过凹槽放进平面试件下夹具8中，两个平面试件上夹具9通过螺钉固定在平面试件下夹具8上，平面试件下夹具8通过夹具支撑座11固定在高频往复支撑平台7上并进行刚性连接；夹具支撑座11内部设置有冷却流道，液氮通过液氮通道29实现充入和回流，创造试件低温环境；
所述的高频往复驱动单元是：低温压电陶瓷3安装在柔性铰链2的凹槽中，拉力传感器4一端与柔性铰链2的输出端螺纹连接，另一端与平面试件夹具支撑座11连接，保证力的传递平稳。低温压电陶瓷3在信号驱动电压的驱动下输出高频交变微小位移，驱动柔性铰链2带动拉力传感器4牵引低温精密夹持单元在试验支撑平台1上做往复微小位移，实现上下试件微动摩擦；低温精密夹持单元在两对左滑块6和两对右滑块10的带动下在前导轨5和后导轨28上移动。
所述的数据采集单元是：拉力传感器4测量高频移动的驱动力并进行反馈调节，控制压电陶瓷驱动器输出准确信号，实现精准控制；压力传感器4输出数据并实现压力的精准控制、双比色红外测温仪实时监测试件的温度、光学显微镜，拉曼光谱仪等则进行摩擦试件微观表面的实时原位观测。
所述的精密丝杠30与螺母座31相配合，螺母座31与移动平台16刚性连接，将旋转运动转化为直线运动，实现压力加载。
所述的压力传感器14一端与带法兰盘固定座15螺纹连接，另一端与连接件13刚性连接，上球形试件夹具12固定在连接件13上。上球形试件的直线位移实现了摩擦磨损上下试件的接触，并施加了压力，压力传感器14及时输出力的大小并反馈，通过调节控制伺服电机的脉冲数实现精准加载。
所述的一级蜗轮27、二级蜗杆22通过一根公共轴25和轴承21固定在轴固定座20上，轴固定座20与移动平台16刚性连接，确保传动稳定可靠。移动平台16与螺母座31和上滑块32刚性连接，在上导轨33的导向下移动。同时，移动平台16通过带法兰盘固定座15与法兰盘连接平台17螺纹连接。
通过拉力传感器4和压力传感器14采集到的信号，通过相关控制算法可自行拟合载荷加载过程中的压力和摩擦力关系，同时配合采集到的温度参数呈现曲线。
实施例：
参见图1至图4所示，本发明设计的基于压电驱动方式的扫描电镜下原位高频往复式微动摩擦磨损测试平台，由试验压力加载单元，高频往复驱动单元，低温精密夹持单元以及数据采集单元组成四大部分组成。其中，试验压力加载单元由精密伺服电机提供动力，经由两级蜗轮蜗杆减速机构配合丝杠螺母副完成精确压力加载；高频往复单元布置在下侧，采用先进的压电陶瓷驱动技术，配合自主设计的柔性铰链输出高频微动位移；低温精密夹持单元由上下夹具配合实现精准夹持，并通过下夹具中的液氮管道实现低温加载；数据采集单元包括拉力传感器、压力传感器、双比色红外测温仪。本发明原理可靠，体积小巧，结构紧凑，频率高，与主流光学显微镜，拉曼光谱仪以及X射线衍射仪等具有开放式空间结构的显微成像***具有良好的兼容性，可对材料在低温条件下微动摩擦磨损试验中的微观力学行为和损伤机制做深入研究。
参见图1及图2所示，本发明所述的试验压力加载单元结构如下：精密伺服电机23输出扭矩，一级蜗轮27与电机输出轴花键连接，一级蜗轮27与二级蜗杆22通过一根公共轴(25)安装到轴承21并固定在轴固定座20上，扭矩经由一级蜗杆蜗轮副和二级蜗杆蜗轮副传递，带动丝杠螺母副，将旋转运动转化为直线运动，移动平台16与螺母座31和上滑块32刚性连接，在上导轨33的导向下移动。同时，移动平台16通过带法兰盘固定座15与法兰盘连接平台17螺纹连接，压力传感器14一端与带法兰盘固定座15螺纹连接，一端与连接件13刚性连接，上球形试件夹具12固定在连接件13上，上球形试件的直线位移实现了摩擦磨损上下试件的接触，并施加压力，压力传感器14及时输出力的大小并反馈，通过调节控制伺服电机的脉冲数实现精准加载。
参见图1至图3所示，本发明所述的低温精密夹持单元的结构如下：平面试件夹具支撑座11内部设置有冷却流道，液氮通过液氮通道29实现充入和回流，创造试件低温环境，下平面试件通过凹槽放进平面试件下夹具8中，两个平面试件上夹具9盖上并通过螺钉固定，整个部分放置在高频往复支撑平台上7并进行刚性连接，上球形试件与上球形试件夹具12刚性连接，保证在摩擦过程中达到精确接触摩擦。
参见图1、图2、图4所示，本发明所述的高频往复驱动单元的结构如下：低温压电陶瓷3配套安装在柔性铰链2的凹槽中，柔性铰链2输出微位移，与拉力传感器4螺纹连接，拉力传感器4与平面试件夹具支撑座11刚性连接，在信号驱动电压的驱动下，压电陶瓷3驱动柔性铰链2带动精密拉力传感器4牵引整个低温精密夹持单元在试验支撑平台1上做往复微小位移，实现上下试件微动摩擦，其中整个低温精密夹持单元与左滑块6右滑块10固定，在前导轨5和后导轨28的牵引下运动。
参见图1，拉力传感器测量高频移动的驱动力并进行反馈调节，控制压电陶瓷驱动器输出准确信号，实现精准控制；压力传感器输出数据并实现压力的精准控制、双比色红外测温仪实时监测试件的温度、高精度扫描电子显微镜则进行摩擦试件微观表面的实时原位观测，通过相关控制算法可自行拟合载荷加载过程中的压力和摩擦力关系，采集并形成曲线。
本发明的外形尺寸为85mm×45mm×72mm(依次为长宽高)，体积小巧，结构紧凑，可与主流光学显微镜兼容使用，实现实时观测。
参见图1至图4所示，本发明的具体测试方法如下：平面试件***平面试件下夹具8，左右两侧盖上平面试件上夹具9，然后拧上螺钉固定，确保不再晃动，安装球形上试件，刚性固定，在安装之前可以先通过控制精密伺服电机驱动器，使上下试件保持距离。检查夹具支撑座11是否有气体，检查无误后，开始通入氮气降温。准备就绪后，放入到扫描电镜的腔体内，此时，双比色红外测温仪已经检测到试件温度，温度合适后，开始压力加载，压力经由传感器输出，达到约定数值后，驱动压电陶瓷带动下平面试件开始高频往复微动，铰链输出的拉力由传感器采集，频率由压电陶瓷驱动器控制，所有数据经过A/D 数据采集卡采集，利用上位机进行数据计算，微观损伤形变由电镜采集输出，经相关软件处理分析。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种压电驱动式低温原位高频往复微动摩擦磨损试验平台，其特征在于：包括试验压力加载单元、高频往复驱动单元、低温精密夹持单元以及数据采集单元，所述试验压力加载单元是：精密伺服电机（23）驱动扭矩经由一级蜗杆（24）、一级蜗轮（27）和二级蜗杆（22）、二级蜗轮（19）增扭减速后，带动精密丝杠（30）将旋转运动变为移动平台（16）的整体移动，使移动平台（16）向着平面试件方向接近，完成对平面试件的压力加载；其中，精密丝杠（30）通过精密滚珠丝杠轴承座（18）刚性支撑，通过调节精密伺服电机（23）的脉冲数控制加载速度，并通过压力传感器（14）的反馈实现压力的精准控制；精密伺服电机（23）通过电机支撑座（26）与试验支撑台（1）刚性固定；
所述的低温精密夹持单元是：上球形试件与上球形试件夹具（12）刚性连接，下平面试件通过凹槽放进平面试件下夹具（8）中，两个平面试件上夹具（9）通过螺钉固定在平面试件下夹具（8）上，平面试件下夹具（8）通过夹具支撑座（11）固定在高频往复支撑平台（7）上并进行刚性连接；夹具支撑座（11）内部设置有冷却流道，液氮通过液氮通道（29）实现充入和回流，创造试件低温环境；
所述的高频往复驱动单元是：低温压电陶瓷（3）安装在柔性铰链（2）的凹槽中，拉力传感器（4）一端与柔性铰链（2）的输出端螺纹连接，另一端与平面试件夹具支撑座（11）连接，低温压电陶瓷（3）在信号驱动电压的驱动下输出高频交变微小位移，驱动柔性铰链（2）带动拉力传感器（4）牵引低温精密夹持单元在试验支撑平台（1）上做往复微小位移，实现上下试件微动摩擦；低温精密夹持单元在两对左滑块（6）和两对右滑块（10）的带动下在前导轨（5）和后导轨（28）上移动。
2.根据权利要求1所述的压电驱动式低温原位高频往复微动摩擦磨损试验平台，其特征在于：所述的数据采集单元是：拉力传感器（4）测量高频移动的驱动力并进行反馈调节，控制压电陶瓷驱动器输出准确信号，实现精准控制；压力传感器（4）输出数据并实现压力的精准控制、双比色红外测温仪实时监测试件的温度、光学显微镜，拉曼光谱仪进行摩擦试件微观表面的实时原位观测。
3.根据权利要求1所述的压电驱动式低温原位高频往复微动摩擦磨损试验平台，其特征在于：所述的精密丝杠（30）与螺母座（31）相配合，螺母座（31）与移动平台（16）刚性连接，将旋转运动转化为直线运动，实现压力加载。
4.根据权利要求1所述的压电驱动式低温原位高频往复微动摩擦磨损试验平台，其特征在于：所述的压力传感器（14）一端与带法兰盘固定座（15）螺纹连接，另一端与连接件（13）刚性连接，上球形试件夹具（12）固定在连接件（13）上。
5.根据权利要求1所述的压电驱动式低温原位高频往复微动摩擦磨损试验平台，其特征在于：所述的一级蜗轮（27）、二级蜗杆（22）通过一根公共轴（25）和轴承（21）固定在轴固定座（20）上，轴固定座（20）与移动平台（16）刚性连接。
6.根据权利要求1所述的压电驱动式低温原位高频往复微动摩擦磨损试验平台，其特征在于：通过拉力传感器（4）和压力传感器（14）采集到的信号，自行拟合载荷加载过程中的压力和摩擦力关系，同时配合采集到的温度参数呈现曲线。
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