CN110702549A

CN110702549A - 一种基于超声技术微动磨损试验装置

Info

Publication number: CN110702549A
Application number: CN201910951786.8A
Authority: CN
Inventors: 秦志; 薛红前; 李斌; 靳泓睿
Original assignee: Northwest University of Technology
Current assignee: Northwestern Polytechnical University; Northwest University of Technology
Priority date: 2019-10-09
Filing date: 2019-10-09
Publication date: 2020-01-17

Abstract

本发明公开了一种基于超声技术微动磨损试验装置，由超声波发生器、伺服电动缸、力传感器、加载装置、驱动装置和数据采集装置组成；通过伺服电动缸推动加载头与微动垫和试验件接触，对试验件施加正压力。通过力传感器采集该正压力信号，并设置计算机数据处理装置与采集到的正压力信号形成闭环反馈控制，保持加载装置所施加载荷恒定。微动磨损试验装置结构简单、操作便捷，各部件由底板、固定平台固定支撑，稳定性好，具有可靠性和精度高的特点。采用换能器将超声波信号转化为振动头的往复直线机械运动，并通过放大器将振动位移放大，作为摩擦副之间形成微动磨损的激励源，振动频高，且振幅可调，可缩短试验时间、减少试验成本。

Description

一种基于超声技术微动磨损试验装置

技术领域

本发明涉及一种磨损试验装置，具体地说，涉及一种基于超声技术微动磨损试验装置，属于材料的微动摩擦、磨损测试技术领域。

背景技术

微动是指两个接触表面发生极小振幅微米量级的相对运动，通常存在于一个振动工况下的近似紧固的机械配合件之中。微动可导致接触表面的磨损，构件咬合、松动、功率损失、噪声增加或污染源形成；微动也可以加速局部疲劳裂纹的萌生和扩展，使整体构件的疲劳寿命大大降低。

微动磨损是发生于两接触体表面位置的极小位移幅的磨损，一般两接触体相对位移幅值小于300μm。当相互接触的两个表面发生微动，且这种微动对表面造成损伤时，即发生了微动损伤。这种极小位移幅值的相对运动极难被发现。微动对局部材料的反复作用，造成接触表面摩擦磨损，并能萌生疲劳裂纹，降低局部疲劳强度，使构件的疲劳寿命大大降低，相比一般的滑动磨损严重得多。

微动磨损是工程中一种广泛存在的现象，但就其发生部位而言，大体可分两大类，第一类为原设计时接触面是相对静止的，由环境振动或接触面之一受到交变应力引起微动，危害是使接触处产生裂纹，降低构件的疲劳强度，并造成配合面的松动。第二类是各种运动副停止运转时由于环境振动而引起的微动。还有一些很难归入这两类，即微动是其工作状态。由于其普遍存在于航天、汽车、电力电缆、生物医学、核电设备等众多领域中，涉及的损伤材料十分广泛，且损伤形式极其复杂，因此微动磨损的研究难度远高于常见的摩擦磨损研究。

中国专利CN 101017129A“多功能微摩擦磨损试验机”，该试验机使用悬臂弹性板和连杆铰接驱动装置和运动装置，采用电动机直接驱动连杆推动滑台或转动台，做微小振幅的往复直线运动或扭动，驱动力大，振幅较大，稳定性好，可实现不同形式的微动磨损试验，但其频率不高，且结构复杂，活动件较多，造成其精度、可靠性不高。

中国专利CN 103308407B“高频往复式微动摩擦磨损试验机”，针对小载荷加载要求，通过磁力加载的方式将试验力加载到试验件上，采用电磁感应原理，构建磁力驱动机构，实现位移的往复移动，通过调节电流大小可调节振动幅值大小，具有自动化程度较高，功耗低，小载荷适应性好的特点，但其结构较为复杂，抗干扰能力差，不适应大载荷加载要求。

发明内容

为避免现有技术存在的不足，本发明提出一种基于超声技术微动磨损试验装置；该微动磨损试验装置采用换能器将超声波信号转化为振动头的往复直线机械运动，并通过放大器将振动位移放大，作为摩擦副之间形成微动磨损的激励源，振动频率可可调，可缩短试验时间，大大减少微动磨损试验的时间成本。通过加载装置对摩擦副施加正压力，通过力传感器采集该正压力信号，并设置计算机数据处理装置与采集到的正压力信号形成闭环反馈控制，保持加载装置所施加载荷恒定。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括超声波发生器、电动缸支架、伺服电动缸、电动缸接头、力传感器、垫块、固定平台、支撑垫、底板、加载装置支架、放大器支架、加载装置、驱动装置和数据采集装置，其特征在于所述底板为各部件提供支撑，底板下部装有支撑垫用于底板的水平、高度调节；固定平台位于底板上，加载装置与加载装置支架配合安装在固定平台中间部位，加载装置固定在加载装置支架上部，伺服电动缸支架位于加载装置支架的侧面安装在固定平台上，伺服电动缸通过螺栓固定在伺服电动缸支架上，放大器支架与固定平台通过螺栓固连；

所述驱动装置包括换能器、放大器和振动头，换能器、放大器和振动头之间依次通过螺杆连接并安装在放大器支架上，所述换能器与超声发生器连接，换能器用于将超声发生器发出的超声波信号转变为轴向的机械振动位移，通过改变超声发生器的输出功率，可改变放大器的放大位移；

所述加载装置包括框架，加载螺头，加载头和微动垫，所述微动垫为两个结构相同部件，两个微动垫分别位于框架内侧对称安装，加载螺头、加载头分别穿过框架两侧端凸台圆孔与微动垫相接触，加载头另一端通过双头螺栓与垫块相连，伺服电动缸接头与力传感器通过螺栓相连接，力传感器与垫块连接，伺服电动缸推动加载头与微动垫和试验件接触，对试验件施加正压力，力传感器用于采集正压力信号；

数据采集装置与力传感器连接，接收力传感器采集到的信息，数据采集装置与伺服电动缸、超声发生器接入计算机控制端，计算机通过对比采集到的数据与初始设定试验数据，控制伺服电动缸与超声发生器进行调节，实现试验所需要的位移、压力。

所述换能器、放大器和振动头与加载装置连接后处于同一轴线上；所述放大器位于放大器支架上，且与放大器支架过盈配合，放大器中轴轴线垂直于固定平台。

试验件通过双头螺栓与驱动装置上的振动头相连，连接后试验件的轴线与振动头的纵轴轴线位于同一轴线上。

有益效果

本发明提出的一种基于超声技术微动磨损试验装置，由超声波发生器、伺服电动缸、力传感器、加载装置、驱动装置和数据采集装置组成；通过伺服电动缸推动加载头与微动垫和试验件接触，对试验件施加正压力；通过力传感器采集该正压力信号，并设置计算机数据处理装置与采集到的正压力信号形成闭环反馈控制，保持加载装置所施加载荷恒定。微动磨损试验装置结构简单、操作便捷，各部件由底板、固定平台固定支撑，稳定性好，具有可靠性和精度高的特点。采用换能器将超声波信号转化为振动头的往复直线机械运动，并通过放大器将振动位移放大，作为摩擦副之间形成微动磨损的激励源，振动频高，且振幅可调，可大大缩短试验时间，减少微动磨损试验的时间成本。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种基于超声技术微动磨损试验装置作进一步的详细说明。

图1为本发明基于超声技术微动磨损试验装置结构示意图。

图2为图1的局部放大图。

图3为本发明基于超声技术微动磨损试验装置的加载装置示意图。

图4a、图4b为试验件结构及A-A向示意图。

图5为本发明的微动垫结构示意图。

图中

1.超声波发生器 2.换能器 3.放大器 4.试验件 5.电动缸支架 6.伺服电动缸7.电动缸接头 8.力传感器 9.垫块 10.固定平台 11.支撑垫 12.底板 13.加载装置支架14.放大器支架 15.加载装置 16.振动头螺孔 17.振动头 18.试验件安装孔 19.加载螺头20.加载头 21.加载头螺孔 22.框架 23.微动垫 24.螺钉

具体实施方式

本实施例是一种基于超声技术微动磨损试验装置。

参阅图1～图5，本实施例基于超声技术微动磨损试验装置，由超声波发生器1、电动缸支架5、伺服电动缸6、电动缸接头7、力传感器8、垫块9、固定平台10、支撑垫11、底板12、加载装置支架13、放大器支架14、加载装置15、驱动装置和数据采集装置组成；其中，底板12由高强度钢加工制成，底板12为各部件提供支撑；底板12下部装有支撑垫11，支撑垫11用于调节高度，通过调整支撑垫11的高度使底板始终处于水平状态。固定平台10位于底板上部，加载装置15与加载装置支架13配合通过螺栓安装在固定平台10中间部位，加载装置15固定在加载装置支架15上部。伺服电动缸支架5位于加载装置支架13的侧面通过螺栓安装在固定平台10上。伺服电动缸6通过螺钉固定在伺服电动缸支架上；放大器支架14与固定平台10通过螺栓连接。

驱动装置包括换能器2、放大器3和振动头17；换能器2、放大器3和振动头17之间依次通过螺杆连接安装在放大器支架14上。换能器2、放大器3和振动头17与加载装置连接后处于同一轴线上。放大器位于放大器支架14上，且与放大器支架过盈配合，放大器中轴轴线垂直于底板。换能器2与超声发生器1连接，换能器2用于将超声发生器1发出的超声波信号转变为轴向的机械振动位移；通过改变超声发生器1的输出功率，可改变放大器3的放大位移，满足不同的实验要求。放大器3通过过盈配合固定于放大器支架14上；根据试验要求将换能器2转换后的轴向机械振动位移放大，并将放大后的轴向机械振动位移传递给振动头17。振动头17下方设有振动头螺孔16，振动头螺孔16通过双头螺栓将振动头17和试验件4连接在一起，连接后试验件4和振动头17纵轴轴线保持一致，并且纵轴轴线垂直通过加载装置13的中心。伺服电动缸支架5上安装有伺服电动缸6，伺服电动缸6设有电动缸接头7，伺服电动缸6接收计算机的指令通过电动缸接头7输出实验所需要的位移，通过加载头传递给微动垫23，使微动垫23与试验件4产生正压力。电动缸接头7与力传感器8相连，将伺服电动缸6输出的位移产生的正压力传递给力传感器8。力传感器8与垫块9相连，力传感器8采集伺服电动缸6施加位移传递到微动垫23产生的正压力信号，数据采集装置收集接入力传感器8采集到的信息。数据采集装置与伺服电动缸6及超声发生器1接入计算机控制端，计算机通过对比采集到的数据与初始设定试验数据，控制伺服电动缸6与超声发生器1进行调节，最终达到试验所需要的位移及压力。垫块9通过双头螺栓与加载头20上的螺纹孔21相连，把伺服电动缸输出的位移传递给加载头20。加载装置支架13通过螺钉24与加载装置15连接，通过加载装置使微动垫23与试验件4之间产生正压力。

加载装置15包括框架22，加载螺头19，加载头20和微动垫23，微动垫23为两个结构相同部件分别位于框架22内侧对称安装，加载螺头19、加载头20分别穿过框架22两侧端凸台圆孔与微动垫23相接触，加载头20另一端通过双头螺栓与垫块9相连。伺服电动缸接头7通过螺栓与力传感器相连接；力传感器8通过螺栓与垫块相连接；伺服电动缸推动加载头20与微动垫和试验件接触，对试验件施加正压力。力传感器8分别与伺服电动缸、垫块相连，力传感器8用于采集正压力信号。本实施例中，当试验件4装夹好后，调整加载螺头长度，使加载螺头19推动微动垫23与试验件4轻微接触，不产生压力。加载头20由伺服电动缸6推动微动垫23与试验件4接触，根据计算机设置的实验压力，加载头20对微动垫23和试验件4施加正压力。试验开始后，超声发生器1产生超声信号，超声信号经换能器2转换为轴向的机械振动位移，轴向机械振动位移经过放大器3放大，然后输出到振动头17上的试验件4，带动试验件4沿纵轴轴向做频率极高的往复直线运动；最后通过推动微动垫23与试验件4接触，产生正压力，进而试验件4在受到微动垫23正向压力作用下做轴向的往复直线运动，产生微动磨损。

数据采集装置与力传感器连接，接收力传感器8采集到的信息；数据采集装置与伺服电动缸6及超声发生器1接入计算机控制端；计算机通过对比采集到的数据与初始设定试验数据，控制伺服电动缸6与超声发生器1进行调节，实现试验所需要的位移、压力，达到试验所需要求。

工作过程:

步骤一、试验件的安装。试验件4安装到振动头17上时，试验件4应穿过加载装置15上的中心，并将试验件安装孔18对准振动头上的双头螺栓拧紧，连接后保证试验件4纵轴轴线与底板12的水平面保持垂直。

步骤二、微动垫的安装。试验件4安装好后，通过旋转加载装置15一侧的加载螺头19推动微动垫23与试验件4贴合；加载装置15另一侧设置伺服电动缸6运动到初始零位置，伺服电动缸6连接加载头20推动试验件4另一侧的微动垫23与试验件4贴合；此时加载装置15两侧的微动垫23仅与试验件4相贴合，并没有产生正向压力。

步骤三、试验参数的设定及启动。试验件4和微动垫23安装完毕，在计算机端输入实验要求的轴向移动位移和接触压力。试验开始，计算机对超声发生器1和伺服电动缸6输出启动信号，超声发生器1接收到启动信号后发出超声信号，换能器2把超声信号转换为轴向的机械位移，并通过振动头17输出给试验件4，带动试验件4做轴向往复直线运动。同时计算机控制端输出指令控制伺服电动缸6推动加载头20水平移动，使微动垫23与试验件4产生正向压力；力传感器8采集压力信号并反馈到计算机控制端，计算机控制端接收反馈的信号并与初始设置信号对比，最终调整试验件4与微动垫23间压力达到试验要求的设定数值。

Claims

1.一种基于超声技术微动磨损试验装置，包括超声波发生器、电动缸支架、伺服电动缸、电动缸接头、力传感器、垫块、固定平台、支撑垫、底板、加载装置支架、放大器支架、加载装置、驱动装置和数据采集装置，其特征在于:

所述底板为各部件提供支撑，底板下部装有支撑垫用于底板的水平、高度调节；固定平台位于底板上，加载装置与加载装置支架配合安装在固定平台中间部位，加载装置固定在加载装置支架上部，伺服电动缸支架位于加载装置支架的侧面安装在固定平台上，伺服电动缸通过螺栓固定在伺服电动缸支架上，放大器支架与固定平台通过螺栓固连；

2.根据权利要求1所述的基于超声技术微动磨损试验装置，其特征在于:所述换能器、放大器和振动头与加载装置连接后处于同一轴线上；所述放大器位于放大器支架上，且与放大器支架过盈配合，放大器中轴轴线垂直于固定平台。

3.根据权利要求1所述的基于超声技术微动磨损试验装置，其特征在于:试验件通过双头螺栓与驱动装置上的振动头相连，连接后试验件的轴线与振动头的纵轴轴线位于同一轴线上。