CN114354402A - 一种基于丝杠控制位移的弯扭微动损伤试验***及其实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于丝杠控制位移的弯扭微动损伤试验***及其实验方法。***包括试件夹持***、弯曲载荷施加***、扭转载荷施加***与计算机控制***。在弯曲载荷施加***中，密闭丝杠机构对称设置，实现对称循环的弯曲疲劳载荷加载，与扭转载荷施加***相配合由计算机控制***控制进行弯扭微动损伤实验。计算机控制***中包括计算机，计算机上软件可以通过控制器、驱动器与步进电机控制丝杠速度、加速度、导程和行程，并可由控制器接收弯曲载荷施加***与扭转载荷施加***中传感器的反馈，经数据处理后将数据传递到所述计算机。

Description

一种基于丝杠控制位移的弯扭微动损伤试验***及其实验 方法

技术领域

本发明涉及材料强度及摩擦学性能领域，尤其涉及材料的微动试验装置与方法。

背景技术

微动损伤(Fretting damage)是存在于近似静止配合的机械零件中的一种损伤方式。微动损伤的定义为：两个相互接触的表面在一定的法向载荷作用下，出现振幅极小的相对运动(相对振动幅＜300μm)，引发接触表面出现的损伤现象。按损伤模式的不同，可以分为微动疲劳、微动磨损和微动腐蚀3大类(微动腐蚀现象比较少，通常不予考虑)。(1)微动疲劳是指接触体由于承受外界交变疲劳应力产生不同的变形引起接触界面发生微幅相对运动，促使疲劳裂纹早期萌生和加速扩展，从而导致构件过早失效破坏的现象。(2)微动磨损，是指由于微动在接触表面间产生细小的磨屑，磨屑氧化后的颜色与微动件材质的颜色有所不同，因而在损伤区有无“微动斑”是区分通常磨损与微动磨损的一个重要标志。在微动损伤的发展过程中，微动磨损，微动疲劳都有可能发生，但它们的损伤速率不同。微动损伤又被称为“工业癌症”。但由于问题的复杂性和研究设备的单一性等原因，为此展开的实验研究较少。

目前所报道的微动损伤试验装置主要难点一是实验中变化量的测量，二是难以很精确地进行量化研究。因此，研究能够精确控制变量且重复性好的微动损伤试验装置和实验方法，对相关领域的零部件的设计具有一定的指导作用。

发明内容

根据以上问题，研究了一种基于丝杠控制位移的弯扭微动损伤试验***及其实验方法，可以实现点、线、面三种不同接触方式以满足各种实际情况要求。也可精确控制载荷的大小和频率且重复性好，能够进行量化研究。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

本发明提供了一种基于丝杠控制位移的弯扭微动损伤试验***及其实验方法，试验装置主要包括如下几个***：试件夹持***、弯曲载荷施加***、扭转载荷施加***、计算机控制***。

所述试件夹持***包括：基座、微动支架、微动支撑、微动支撑底座、三爪卡盘、上支架。

其中，所述微动支架、微动支撑底座与三爪卡盘通过螺纹连接固定在所述基座上，所述上支架通过螺纹连接固定在所述微动支架上，所述微动支撑通过螺纹连接固定在所述微动支撑底座上。

所述弯曲载荷施加***包括：步进电机，丝杠，直线导轨，滑块，微动垫。

其中，所述微动垫通过球铰链连接在所述滑块上，所述滑块与所述直线导轨连接，所述直线导轨固接于所述微动支撑上，所述丝杠与所述滑块通过滚动摩擦传递运动，使所述滑块能够沿所述直线导轨进行微米量级移动，所述步进电机与丝杠连接。

所述扭转载荷施加***包括：步进电机，联轴器，扭矩传感器，上夹具。

其中，所述步进电机固接于所述上支架上，所述联轴器与所述电机连接，所述扭矩传感器与所述联轴器通过磁力进行连接，所述上夹具与所述联轴器通过键进行连接，用来装夹试件。

所述计算机控制***包括：计算机，控制器，驱动器。

其中，所述计算机与所述控制器连接，所述控制器与所述驱动器连接，所述驱动器与所述步进电机连接。信号传递过程为，通过所述计算机上软件产生信号使所述控制器驱动所述驱动器，进而驱动所述步进电机，最后所述控制器接收所述步进电机和所述传感器的反馈，经数据处理后将数据传递到所述计算机。

本方案还具有以下特点：

其一，在所述丝杠，滑块，直线导轨上采用不锈钢外壳密封使之成为一个可以防尘，防水的模组。

其二，所述微动垫，滑块，直线导轨，丝杠，各有两组，对称布置在试件两侧，其运动由所述步进电机通过滚珠丝杠对称传递，实现对称循环的弯曲疲劳载荷加载。

其三，所述微动垫与试件之间的摩擦副可以实现点接触摩擦副，线接触摩擦副和面接触摩擦副。

本发明还公开了一种基于前述基于丝杠控制位移的弯扭微动损伤试验***的实验方法，其中：

在弯扭微动疲劳实验中，试件下端通过三爪卡盘固定，试件上端与上夹具相连，可以提供扭转交变应力，并由传感器测量，传送给计算机控制器。弯曲交变应力则是通过滑块将左右两个微动垫压在试件中部合适的位置，形成点接触副、线接触副或面接触副。由所述计算机给控制器发送指令，控制丝杠的速度、导程和行程，丝杠带动滑块运动，从而实现弯曲载荷的循环加载，弯曲载荷的大小可由调整丝杠的加速度来控制，并由压力传感器测量，传送给计算机控制器。

在微动磨损实验中，试件下端由三爪卡盘固定，上端自由，形成悬臂梁结构，试件右侧微动垫提供面接触直接压紧试件，试件左侧微动垫可选择点接触或者线接触。法向载荷由左丝杠加速度与左微动垫内弹簧刚度控制，载荷大小通过压力传感器反馈到控制器然后被计算机接收显示，试件加载水平方向的微幅振动由右微动垫提供。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

第一、通过对称的丝杠机构实现弯曲交变载荷和普通法向载荷加载，可精确的控制变量，实验重复性好，从而可进行量化实验。第二、试验机振幅小，稳定性好，使用计算机软件可直接操纵丝杠的速度、加速度、导程和行程，操作方便，容易控制。第三、试验机装拆方便，可与其他疲劳试验机配合使用，通用性广。

附图说明

图1为本发明中弯扭微动损伤试验机的结构示意图；

图2为本发明中弯扭微动损伤试验机的主视图；

图3为本发明中微动垫结构示意图；

图4为本发明微动垫***示图；

图5为本发明装置用于微动疲劳实验原理图；

图6为本发明装置用于微动磨损实验原理图；

图7为本发明控制流程图；

图中包括，1、基座，2、左微动支架，3、左下支撑架，4、上支撑架，5、左直线导轨，6、左滑块，7、左微动垫，8、试件，9、右微动支撑，10、右微动支撑底座，11、三爪卡盘，12、左微动支撑，13、左微动支撑底座，14、1号电机，15、左丝杠，16、3号电机，17、联轴器，18、上夹具，19、右微动垫，20、右滑块，21、右丝杠，22、右直线导轨，23、2号电机，24、右下支撑架，25、微动垫后盖，26、压球，27、弹簧，28、微动垫上盖，29、微动垫中间体，30、压力传感器，31、点接触，32、线接触，33、面接触，34、微动垫下盖。

具体实施方式

下面将结合本发明附图与实施例对本发明进一步进行完整清晰的详细说明，以使其目的、技术方案和优点更加清楚。此处所描述的具体实例仅仅用于解释本发明，并不限定于本发明。

参见图1、图2、图3、图4，图1为本发明中弯扭微动损伤试验机的结构示意图，图2是它的主视图，图3是微动垫结构示意图；图4是微动垫***示图；本发明提供了一种基于丝杠控制位移的弯扭微动损伤试验***及其实验方法，其主要包括如下几个***：试件夹持***、弯曲载荷施加***、扭转载荷施加***、计算机控制***。所述电机14、左丝杠15、左直线导轨5、左滑块6、左微动垫7共同组成一个密闭丝杠机构，其中由不锈钢密闭外壳与所述左直线导轨5与电机14连接构成密闭机构，与所述左微动支撑12固接，所述左丝杠15在所述密闭机构内通过滚动摩擦为左滑块6提供动力，左滑块6通过移动副与所述左直线导轨5连接，所述左微动垫7通过球铰链连接于左滑块6固接，压力传感器30安装在所述左微动垫7内，其中所述左微动垫7可通过更换所述点接触31，线接触32，面接触33分别实现点接触/线接触/面接触试验，上述零部件各有两组，对称安装，共同构成所述弯曲载荷施加***。所述上夹具18通过所述联轴器17与所述电机16连接，所述电机16固接于所述上支撑架4上，所述上支撑架4通过螺栓连接固接于所述左微动支架2上，上述零部件共同构成所述扭转载荷施加***。所述试件8下端由所述三爪卡盘11固定，上端由所述上夹具18固定，所述三爪卡盘11通过螺栓连接与基座1固接。

实施例1，在实现弯扭微动疲劳实验时，如图5所示，试件8下端由所述三爪卡盘11固定，上端由所述上夹具18固定，所述微动垫7/19可在所述点接触31，线接触32，面接触33中选择符合实验想法的接触方式进行安装，将所述滑块6/20通过所述计算机控制***调整到合适初始位置。由计算机软件输入所需参数，通过控制器，控制驱动器，驱动所述电机14/16/23给试件施加合适的弯曲交变载荷与扭转交变载荷。

弯曲交变载荷大小由所述丝杠15/21加速度与所述弹簧27刚度控制，载荷大小通过所述压力传感器30反馈到所述控制器然后被计算机接收显示，载荷频率可由计算机软件直接输入通过控制所述电机14/23实现。

扭转交变载荷频率由所述电机16转速控制，大小由所述电机16扭矩控制，频率和大小可通过选择合适的扭转角传感器和扭矩传感器进行测量，然后反馈给控制器然后被计算机接收显示。

从而实现弯扭微动疲劳实验。

实施例2，在实现微动磨损实验时，如图6所示，试件8下端由所述三爪卡盘11固定，上端自由，形成悬臂梁结构，试件右侧右微动垫19选择面接触33进行安装并直接压紧试件8，试件左侧左微动垫7选择点接触31或者线接触32进行安装，将滑块6通过计算机控制***调整到合适初始位置。法向载荷由左丝杠15加速度与弹簧27刚度控制，载荷大小通过所述压力传感器30反馈到所述控制器然后被计算机接收显示，位移值可由压力传感器读数和弹簧弹性系数计算得到，载荷频率可由计算机软件直接输入通过控制所述电机14实现。试件加载水平方向的微幅振动由右微动垫19提供。

从而实现微动磨损实验。

Claims (7)

1.一种基于丝杠控制位移的弯扭微动损伤试验***，该***包括试件夹持***、弯曲载荷施加***、扭转载荷施加***、计算机控制***；

所述弯曲载荷施加***包括：基座(1)、直线导轨(5)、滑块(6)、微动垫(7)、微动支撑(12)、步进电机(14)、丝杠(15)、压力传感器(30)；步进电机(14)、丝杠(15)、直线导轨(5)、滑块(6)、微动垫(7)共同组成一个密闭丝杠机构，丝杠(15)在密闭丝杠机构内通过滚动摩擦为滑块(6)提供动力，滑块(6)通过移动副与直线导轨(5)连接，微动垫(7)通过球铰链连接于滑块(6)固接，压力传感器(30)安装在微动垫(7)内并与微动支撑(12)固接，微动支撑(12)通过螺纹连接固定在基座(1)上；所述的步进电机(14)带动丝杠(15)转动；

所述扭转载荷施加***包括：微动支架(2)、上支撑架(4)、电机(16)、联轴器(17)、上夹具(18)；上夹具(18)通过联轴器(17)与电机(16)连接组成传动***，电机(16)固接于上支撑架(4)上，上支撑架(4)通过螺栓连接固接于微动支架(2)上，微动支架(2)通过螺纹连接固定在基座(1)上；

所述计算机控制***包括：计算机，控制器，驱动器；所述计算机上软件产生信号使所述控制器驱动所述驱动器，驱动所述步进电机，最后所述控制器接收所述步进电机和所述传感器的反馈，经数据处理后将数据传递到所述计算机。

2.根据权利要求1所述的一种基于丝杠控制位移的弯扭微动损伤试验***，其特征在于：所述微动垫、滑块、直线导轨和丝杠各有两组，对称布置在试件两侧。

3.根据权利要求2所述的一种基于丝杠控制位移的弯扭微动损伤试验***，其特征在于：其运动由所述步进电机通过滚珠丝杠对称传递，实现对称循环的弯曲疲劳载荷加载。

4.根据权利要求2所述的一种基于丝杠控制位移的弯扭微动损伤试验***，其特征在于：可有所述计算机控制所述滑块速度、加速度、导程和行程。

5.根据权利要求2所述的一种基于丝杠控制位移的弯扭微动损伤试验***，其特征在于：所述微动垫(7)与试件之间的摩擦副可以实现点接触摩擦副，线接触摩擦副和面接触摩擦副。

6.一种基于权利要求1所述的一种基于丝杠控制位移的弯扭微动损伤试验***的试验方法，包括弯扭微动疲劳试验和微动磨损试验，其中：

在弯扭微动疲劳实验中，试件下端通过三爪卡盘固定，试件上端与上夹具相连，可以提供扭转交变应力，并由传感器测量，传送给计算机控制器；弯曲交变应力则是通过滑块将左右两个微动垫压在试件中部合适的位置，形成点接触副、线接触副或面接触副；由所述计算机给控制器发送指令，控制丝杠的速度、导程和行程，丝杠带动滑块运动，从而实现弯曲载荷的循环加载，弯曲载荷的大小可由调整丝杠的加速度来控制，并由压力传感器测量，传送给计算机控制器；

在微动磨损实验中，试件下端由三爪卡盘固定，上端自由，形成悬臂梁结构，试件右侧微动垫提供面接触直接压紧试件，试件左侧微动垫可选择点接触或者线接触；法向载荷由左丝杠加速度与左微动垫内弹簧刚度控制，载荷大小通过压力传感器反馈到控制器然后被计算机接收显示，试件加载水平方向的微幅振动由右微动垫提供。

7.如权利要求1-6中任意一项所述弯扭微动疲劳试验和微动磨损试验***的控制方法，其特征在于，控制方法包括如下步骤：计算机上软件产生信号使控制器驱动驱动器，进而通过控制步进电机的启动停止，正转反转和转速，控制滑块的速度、导程和行程。

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