一種點接觸式微動疲勞試驗裝置及試驗方法
【專利摘要】本發明公開了一種點接觸式微動疲勞試驗裝置及試驗方法，本發明的點接觸式微動疲勞試驗裝置包括與試樣直接接觸的微動橋，環面與試樣軸向垂直的加載環，穿過加載環環壁與微動橋接觸的加載螺栓，所述試樣穿過加載環的環面中心，所述微動橋與試樣的接觸面上設置有凸弧面形的微動橋腳，所述微動橋或加載螺栓上設置有應變片并連有應變儀；通過微動橋的微動橋腳與試樣直接接觸，實現微動橋與試樣的點接觸，通過調節加載螺栓對微動橋加載壓力，能夠使試樣接觸表面產生微幅相對運動并對試樣接觸表面施加法向壓力，該裝置配合疲勞試驗機可實現對拉壓、扭轉和拉扭復合微動疲勞模式的理論研究。
【專利說明】一種點接觸式微動疲勞試驗裝置及試驗方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種微動疲勞試驗裝置，特別涉及一種點接觸式微動疲勞試驗裝置及試驗方法。
【背景技術】
[0002]在工程實際中，零構件的損傷往往來源于拉扭復合微動疲勞的作用，因此設計多參數可調的點接觸式微動疲勞裝置研究拉壓、扭轉和拉扭復合微動疲勞零構件的損傷行為，找到模型上危險區域和避免損傷造成的危害是十分必要的。目前，對微動疲勞的研究基本都是以實驗的方式進行的，定性地通過實驗來得出一些規律，從而應用到工程實際中。對于微動疲勞實驗研究，多集中在拉壓微動疲勞和扭轉微動疲勞且多采用實物研究或面接觸的方式進行研究，而拉扭復合微動疲勞模式比較罕見，而實際工況中零構件承受單一的拉壓應力或者扭轉應力的情況卻比較少見。
[0003]在微動疲勞實驗研究中，存在著許多形式不一和研究對象不一的微動試驗設備，國際上還沒有統一標準的試驗臺。微動疲勞是微動磨損和疲勞聯合作用的過程，涉及到摩擦磨損、疲勞和腐蝕三種失效形式，影響微動疲勞的主要因素有接觸應力、頻率、位移幅值和應力幅值等；研究微動疲勞必須結合摩擦學理論和疲勞理論，對于微動疲勞實驗研究，多集中在拉壓微動疲勞和扭轉微動疲勞且多采用實物研究或面接觸的方式進行研究，這樣能夠較好運用疲勞理論，而摩擦學理論的運用相對困難，無法對微動磨損中粘著區、滑移區和張開區進行研究。同時拉扭復合微動疲勞模式比較罕見，采用實物研究或者面接觸的方式不能更好的進行理論研究。而現有技術不能較好解決設備的問題，對于微動疲勞理論的深入研究將受到制約。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于克服現有技術中所存在的上述不足，提供一種在MTS809型拉扭組合電液伺服材料試驗機基礎上設計的點接觸式微動疲勞試驗裝置，能夠使試樣接觸表面產生微幅相對運動并對試樣接觸表面施加法向壓力，形成點接觸的方式以更好使用摩擦學和疲勞斷裂的方式對其進行研究。
[0005]為了實現上述發明目的，本發明提供了以下技術方案:
一種點接觸式微動疲勞試驗裝置，包括與試樣直接接觸的微動橋，環面與試樣軸向垂直的加載環，穿過加載環環壁與微動橋接觸的加載螺栓，和設置在加載環內的裝配框，所述試樣穿過加載環的環面中心，所述微動橋上與試樣的接觸面處設置有凸弧面形的微動橋腳，所述加載環或加載螺栓上設置有應變片并連有應變儀。
[0006]作為優選，所述裝配框的一對稱側面中空貫穿，所述中空貫穿腔用來放置微動橋，沿裝配框上下面中心連線開有能讓試樣穿過的孔；通過裝配框來固定微動橋的位置以及微動橋和試樣之間的相對位置；裝配框裝在試樣上，利用中空貫穿腔的一面來放置微動橋，保證兩微動橋在同一平面且受到的接觸應力一致。
[0007]作為優選，所述微動橋為長條形方塊，微動橋的數量為兩個，所述微動橋受裝配框固定均勻對稱地壓在試樣的兩邊，每塊微動橋上的凸弧面形的微動橋腳的數量為兩個且均勻布置；兩個微動橋均勻地設置在試樣的兩邊，使試樣兩個方向受力均勻，而呈凸弧面形的微動橋腳，實現微動橋與試樣的點接觸形式，用于研究點接觸式微動疲勞。
[0008]作為優選，所述加載環環壁上均布開有四個螺紋孔，螺紋孔的中心線與加載環中心線垂直；四個螺紋孔用于安裝加載螺栓和固定加載環及整個裝置。
[0009]作為優選，所述加載螺栓的數量為兩個，加載螺栓穿過加載環環壁上對稱的兩螺紋孔與微動橋接觸；加載螺栓穿過螺紋孔與微動橋接觸，旋轉調節加載螺栓即可改變螺栓對微動橋施加的壓力大小，進而改變微動橋與試樣點接觸應力。
[0010]作為優選，所述加載環上與安裝加載螺栓孔對稱的兩孔外設置有固定支持板，所述固定支持板長度方向與試樣軸向垂直，通過螺栓將加載環與固定支持板連接，固定支持板兩端與疲勞試驗機的固定豎直軸固定連接；固定支持板用于將整個點接觸式微動疲勞裝置固定。
[0011]作為優選，所述加載螺栓的螺紋段設置在螺栓端部與加載環接觸的部分，螺紋段的長度與加載環、試樣以及微動橋的尺寸相適應；螺紋段的位置和長度根據加載環、試樣和微動橋的具體尺寸確定。
[0012]一種點接觸式微動疲勞試驗方法，實驗前對試樣和微動橋橋腳用超聲清洗，將經過超聲清洗的試樣上部夾持在疲勞試驗機的上夾具上，再將下夾具與高精低速轉動臺通過螺紋固定，且下夾具的夾持腔的垂向中心線與高精低速轉動臺旋轉軸對中；將微動橋與試樣緊密接觸，同時給一定的預壓力固定試樣和微動橋的接觸部位，將試樣固定在微動橋的中心位置，裝配裝配框，以固定微動橋的位置，裝配粘貼好應變片并連接好應變儀的加載環和加載螺栓；用下夾具夾持試樣的下部；
疲勞實驗機將平均拉應力加到預定應力水平，然后根據微動橋上的應變儀數據，調整加載環上的加載螺栓把接觸應力加到預定要求并保證接觸壓力不變。通過數據采集控制系統控制上夾具的上下移動，使試樣夾緊并施加設定的載荷，同時通過數據采集控制系統的控制使下夾具及其夾持的試樣下部以設定的轉速和轉角進行多次往復旋轉；同時，通過與上夾具相連的傳感器測出軸向載荷和扭矩，并送至數據采集控制系統進行分析。
[0013]作為優選，試樣所受接觸應力通過加載環上的加載螺栓施加，通過旋轉調節加載螺栓來改變試樣表面受到的接觸應力，其接觸應力的大小通過加載環或加載螺栓上連接的應變片和應變儀來測量。
[0014]與現有技術相比，本發明的有益效果:
1、通過微動橋獨特設計的呈凸弧形的微動橋橋腳與試樣直接接觸，實現微動橋與試樣的點接觸，通過調節加載螺栓對微動橋加載壓力，能夠使試樣接觸表面產生微幅相對運動并對試樣接觸表面施加法向壓力，形成微動疲勞試驗的條件，并形成點接觸的方式以更好使用摩擦學和疲勞斷裂的方式對其進行研究；
2、該裝置配合疲勞試驗機可對試樣施加拉應力、扭轉應力和拉扭復合應力，通過設置在微動橋或加載螺栓上的應變片和連接的應變儀、疲勞試驗機連接的數據采集裝置和控制系統，并可以對微動疲勞過程中位移幅值進行計算，實現控制接觸應力、應力幅值、頻率和位移幅值對拉壓、扭轉和拉扭復合微動疲勞模式影響的試驗研究。
[0015]【專利附圖】
【附圖說明】:
圖1為本發明的點接觸式微動疲勞試驗裝置的結構示意圖。
[0016]圖2為本發明的點接觸式微動疲勞試驗裝置與MTS809電液伺服試驗機配合使用的示意圖。
[0017]圖3為圖1中微動橋的結構示意圖。
[0018]圖4為圖1中加載環的結構示意圖。
[0019]圖5是圖1中加載螺栓的結構示意圖。
[0020]圖6為圖2中裝配框的結構示意圖。
[0021]圖7為圖6的俯視圖。
[0022]圖8為試樣的結構示意圖。
[0023]圖中標記:1_試樣,2-微動橋，3-加載環，4-加載螺栓，5-裝配框，6-固定支持板，7-下夾具，8-上夾具。
【具體實施方式】
[0024]下面結合試驗例及【具體實施方式】對本發明作進一步的詳細描述。但不應將此理解為本發明上述主題的范圍僅限于以下的實施例，凡基于本
【發明內容】
所實現的技術均屬于本發明的范圍。
[0025]實施例1
本實施例中所稱疲勞試驗機是MTS809電液伺服試驗機。
[0026]如圖1、圖2所示，一種點接觸式微動疲勞試驗裝置，包括與試樣I直接接觸的微動橋2，環面與試樣I軸向垂直的加載環3，穿過加載環環壁與微動橋2接觸的加載螺栓4，和設置在加載環3內的裝配框5，所述試樣I穿過加載環3的環面中心，所述微動橋2與試樣I的接觸面上設置有凸弧面形的微動橋腳，且加載環3上設置有應變片并連有應變儀。
[0027]如圖6、圖7所示，所述裝配框5的一對稱側面中空貫穿，所述中空貫穿腔用來放置微動橋2，沿裝配框5上下面中心連線開有能讓試樣穿過的孔，所述微動橋2放置在裝配框5的中空貫穿腔內；通過裝配框來固定微動橋的位置以及微動橋和試樣之間的相對位置，裝配框裝在試樣上，利用中空貫穿腔的一面來放置微動橋，保證兩微動橋在同一平面且受到的接觸應力一致。
[0028]在本實施例中，裝配框沿中心線分為兩半，裝配框只起支撐作用，不承受任何外加載荷，實際實驗時套在微動橋上后，用塑料帶輕輕系上固定即可。
[0029]如圖1、圖3所示,所述微動橋2為長條形方塊,微動橋2的數量為兩個,所述微動橋2受裝配框固定均勻對稱地壓在試樣I的兩邊，每塊微動橋2上的凸弧面形的微動橋腳的數量為兩個且均勻布置；兩個微動橋均勻地設置在試樣的兩邊，使試樣兩個方向受力均勻，而呈凸弧面形的微動橋腳，實現微動橋與試樣的點接觸形式，用于研究點接觸式微動疲勞。
[0030]如圖2、圖4所示，所述加載環3環壁上均布開有四個螺紋孔，螺紋孔的中心線與加載環3中心線垂直，開螺紋孔的加載環環壁處有加厚的設置；四個螺紋孔用于安裝加載螺栓和固定加載環及整個裝置。
[0031]如圖1、圖5所示，所述加載螺栓4的數量為兩個，加載螺栓4穿過加載環3環壁上對稱的兩螺紋孔與微動橋2接觸；加載螺栓穿過螺紋孔與微動橋接觸，旋轉加載螺栓即可改變螺栓對微動橋施加的壓力大小，進而改變微動橋與試樣點接觸應力。
[0032]如圖2所示，所述加載環3上與安裝加載螺栓孔對稱的兩孔外設置有固定支持板
6,所述固定支持板6長度方向與試樣I軸向垂直，通過螺栓將加載環3與固定支持板6連接，固定支持板6兩端與疲勞試驗機的固定豎直軸固定連接；固定支持板用于將整個點接觸式微動疲勞裝置固定。
[0033]如圖5所示，所述加載螺栓4的螺紋段設置在螺栓端部與加載環接觸的部分，螺紋段的長度與加載環3、試樣2以及微動橋2的尺寸相適應；螺紋段的位置和長度根據加載環、試樣和微動橋的具體尺寸確定。
[0034]如圖1、圖2所示，一種點接觸式微動疲勞試驗方法，實驗前對試樣I和微動橋2橋腳用超聲清洗，將經過超聲清洗的試樣I上部夾持在疲勞試驗機的上夾具8上，再將下夾具7與高精低速轉動臺通過螺紋固定，且下夾具7的夾持腔的垂向中心線與高精低速轉動臺旋轉軸對中；將微動橋2與試樣I緊密接觸，同時給一定的預壓力固定試樣I和微動橋2的接觸部位，將試樣I固定在微動橋2的中心位置，裝配裝配框5，以固定微動橋2的位置，裝配粘貼好應變片并連接好應變儀的加載環3和加載螺栓4 ;用下夾具夾持試樣2的下部；
疲勞實驗機將平均拉應力加到預定應力水平，然后根據微動橋2上的應變儀數據，調整加載環3上的加載螺栓4把接觸應力加到預定要求并保證接觸壓力不變。通過數據采集控制系統控制上夾具8的上下移動，使試樣I夾緊并施加設定的載荷，同時通過數據采集控制系統的控制使下夾具7及其夾持的試樣I下部以設定的轉速和轉角進行多次往復旋轉；同時，通過與上夾具8相連的傳感器測出軸向載荷和扭矩，并送至數據采集控制系統進行分析。
[0035]作為優選，試樣所受接觸應力通過加載環3上的加載螺栓4施加，通過旋轉加載螺栓4來改變試樣I表面受到的接觸應力，其接觸應力的大小通過微動橋2上連接的應變片和應變儀來測量。
[0036]本實施例中，試樣為Al-Zn-Mg合金的軸，如圖8所示，試驗采用對稱循環載荷(R=-1),試驗頻率9Hz，應力控制。在不同的應力幅值下(72MPa，132MPa，192MPa，252MPa，312MPa，372MPa)，通過點接觸式微動疲勞裝置控制接觸應力，進行單軸拉_壓加載下的微動疲勞試驗。
[0037]實施例2
本實施例中所稱疲勞試驗機是MTS809電液伺服試驗機。
[0038]如圖1、圖2所示，一種點接觸式微動疲勞試驗裝置，包括與試樣I直接接觸的微動橋2，環面與試樣I軸向垂直的加載環3，穿過加載環環壁與微動橋2接觸的加載螺栓4，和設置在加載環3內的裝配框5，所述試樣I穿過加載環3的環面中心，所述微動橋2與試樣I的接觸面上設置有凸弧面形的微動橋腳，且加載螺栓4上設置有應變片并連有應變儀。
[0039]如圖6、圖7所示，所述裝配框5的一對稱側面中空貫穿，所述中空貫穿腔用來放置微動橋2，沿裝配框5上下面中心連線開有能讓試樣穿過的孔，所述微動橋2放置在裝配框5的中空貫穿腔內；通過裝配框來固定微動橋的位置以及微動橋和試樣之間的相對位置，裝配框裝在試樣上，利用中空貫穿腔的一面來放置微動橋，保證兩微動橋在同一平面且受到的接觸應力一致。
[0040]如圖1、圖3所示,所述微動橋2為長條形方塊,微動橋2的數量為兩個,所述微動橋2受裝配框固定均勻對稱地壓在試樣I的兩邊，每塊微動橋2上的凸弧面形的微動橋腳的數量為兩個且均勻布置；兩個微動橋均勻地設置在試樣的兩邊，使試樣兩個方向受力均勻，而呈凸弧面形的微動橋腳，實現微動橋與試樣的點接觸形式，用于研究點接觸式微動疲勞。
[0041]如圖2、圖4所示，所述加載環3環壁上均布開有四個螺紋孔，螺紋孔的中心線與加載環3中心線垂直，開螺紋孔的加載環環壁處有加厚的設置；四個螺紋孔用于安裝加載螺栓和固定加載環及整個裝置。
[0042]如圖1、圖5所示，所述加載螺栓4的數量為兩個，加載螺栓4穿過加載環3環壁上對稱的兩螺紋孔與微動橋2接觸；加載螺栓穿過螺紋孔與微動橋接觸，旋轉加載螺栓即可改變螺栓對微動橋施加的壓力大小，進而改變微動橋與試樣點接觸應力。
[0043]如圖2所示，所述加載環3上與安裝加載螺栓孔對稱的兩孔外設置有固定支持板
6,所述固定支持板6長度方向與試樣I軸向垂直，通過螺栓將加載環3與固定支持板6連接，固定支持板6兩端與疲勞試驗機的固定豎直軸固定連接；固定支持板用于將整個點接觸式微動疲勞裝置固定。
[0044]如圖5所示，所述加載螺栓4的螺紋段設置在螺栓端部與加載環接觸的部分，螺紋段的長度與加載環3、試樣2以及微動橋2的尺寸相適應；螺紋段的位置和長度根據加載環、試樣和微動橋的具體尺寸確定。
[0045]如圖1、圖2所示，一種點接觸式微動疲勞試驗方法，實驗前對試樣I和微動橋2橋腳用超聲清洗，將經過超聲清洗的試樣I上部夾持在疲勞試驗機的上夾具8上，再將下夾具7與高精低速轉動臺通過螺紋固定，且下夾具7的夾持腔的垂向中心線與高精低速轉動臺旋轉軸對中；將微動橋2與試樣I緊密接觸，同時給一定的預壓力固定試樣I和微動橋2的接觸部位，將試樣I固定在微動橋2的中心位置，裝配裝配框5，以固定微動橋2的位置，裝配粘貼好應變片并連接好應變儀的加載螺栓4和加載環3 ;用下夾具夾持試樣2的下部；
疲勞實驗機將平均拉應力加到預定應力水平，然后根據微動橋2上的應變儀數據，調整加載環3上的加載螺栓4把接觸應力加到預定要求并保證接觸壓力不變。通過數據采集控制系統控制上夾具8的上下移動，使試樣I夾緊并施加設定的載荷，同時通過數據采集控制系統的控制使下夾具7及其夾持的試樣I下部以設定的轉速和轉角進行多次往復旋轉；同時，通過與上夾具8相連的傳感器測出軸向載荷和扭矩，并送至數據采集控制系統進行分析。
[0046]作為優選，試樣所受接觸應力通過加載環3上的加載螺栓4施加，通過旋轉加載螺栓4來改變試樣I表面受到的接觸應力，其接觸應力的大小通過微動橋2上連接的應變片和應變儀來測量。
[0047]如圖8所示，本實施例中，試樣為Al-Zn-Mg合金的軸，試驗采用對稱循環載荷(R=-1),試驗頻率9Hz，應力控制。在不同的扭轉應力幅值下，通過點接觸式微動疲勞裝置控制接觸應力，進行單軸扭轉加載下的微動疲勞試驗。扭轉頻率為1Hz，扭轉應力比均r=0.1，加載波形為正弦波，試驗環境為室溫靜態空氣介質，溫度為22°C左右，相對濕度為40%左右。
[0048]實施例3 本實施例中，點接觸微動疲勞試驗裝置的結構與實施例2相同。
[0049]如圖8所示，本實施例中，試樣為LZ50車軸鋼，在圓形路徑加載下微動疲勞的測試在添加點接觸式微動疲勞試驗裝置的MTS809型拉扭組合電液伺服材料試驗機上進行，在圓形路徑加載下拉扭復合微動在軸向及扭向均在控制載荷模式下進行，對試樣分別施加 300Mpa、400Mpa、450Mpa、500Mpa 的軸向應力幅值，173MPa、231MPa、260MPa、289MPa 的扭轉應力幅值，接觸壓力通過加載螺栓與應變儀控制并保持恒定，軸向和扭轉頻率均為1Hz，軸向和扭轉應力比均為r=0.1，加載波形為正弦波，試驗環境為室溫靜態空氣介質，溫度為220C左右，相對濕度為40%左右。
[0050]本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。
[0051]本說明書(包括任何附加權利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。
【權利要求】
1.一種點接觸式微動疲勞試驗裝置，其特征在于，包括與試樣直接接觸的微動橋，環面與試樣軸向垂直的加載環，穿過加載環環壁與微動橋接觸的加載螺栓，和設置在加載環內的裝配框，所述試樣穿過加載環的環面中心，所述微動橋上與試樣的接觸面處設置有凸弧面形的微動橋腳，所述加載環或加載螺栓上設置有應變片并連有應變儀。
2.根據權利要求1所述的點接觸式微動疲勞試驗裝置，其特征在于，所述裝配框的一對稱側面中空貫穿，所述中空貫穿腔用來放置微動橋，沿裝配框上下面中心連線開有能讓試樣穿過的孔。
3.根據權利要求1或2所述的點接觸式微動疲勞試驗裝置，其特征在于，所述微動橋為長條形方塊，微動橋的數量為兩個，所述微動橋受裝配框固定均勻對稱地壓在試樣的兩邊，每塊微動橋上的凸弧面形的微動橋腳的數量為兩個且均勻布置。
4.根據權利要求1所述的點接觸式微動疲勞試驗裝置，其特征在于，所述加載環環壁上均布開有四個螺紋孔，螺紋孔的中心線與加載環中心線垂直。
5.根據權利要求1或4所述的點接觸式微動疲勞試驗裝置，其特征在于，所述加載螺栓的數量為兩個，加載螺栓穿過加載環環壁上對稱的兩螺紋孔與微動橋接觸。
6.根據權利要求1或4所述的點接觸式微動疲勞試驗裝置，其特征在于，所述加載環上與安裝加載螺栓孔對稱的兩孔外設置有固定支持板，所述固定支持板長度方向與試樣軸向垂直，通過螺栓將加載環與固定支持板連接，固定支持板兩端與疲勞試驗機的固定豎直軸固定連接。
7.根據權利要求5所述的點接觸式微動疲勞試驗裝置，其特征在于，所述加載螺栓的螺紋段設置在螺栓端部與加載環接觸的部分，螺紋段的長度與加載環、試樣以及微動橋的尺寸相適應。
8.一種點接觸式微動疲勞試驗方法，實驗前對試樣和微動橋橋腳用超聲清洗，將經過超聲清洗的試樣上部夾持在疲勞試驗機的上夾具上，再將下夾具與高精低速轉動臺通過螺紋固定，且下夾具的夾持腔的垂向中心線與高精低速轉動臺旋轉軸對中；將微動橋與試樣緊密接觸，同時給一定的預壓力固定試樣和微動橋的接觸部位，將試樣固定在微動橋的中心位置，裝配裝配框，以固定微動橋的位置，裝配粘貼好應變片并連接好應變儀的加載環和加載螺栓；用下夾具夾持試樣的下部； 疲勞實驗機將平均拉應力加到預定應力水平，然后根據微動橋上的應變儀數據，調整加載環上的加載螺栓把接觸應力加到預定要求并保證接觸壓力不變；通過數據采集控制系統控制上夾具的上下移動，使試樣夾緊并施加設定的載荷，同時通過數據采集控制系統的控制使下夾具及其夾持的試樣下部以設定的轉速和轉角進行多次往復旋轉；同時，通過與上夾具相連的傳感器測出軸向載荷和扭矩，并送至數據采集控制系統進行分析。
9.根據權利要求8所述的點接觸式微動疲勞試驗方法，其特征在于，試樣所受接觸應力通過加載環上的加載螺栓施加,通過旋轉加載螺栓來改變試樣表面受到的接觸應力，其接觸應力的大小通過加載環或加載螺栓上連接的應變片和應變儀來測量。
【文檔編號】G01N3/00GK104181031SQ201410454125
【公開日】2014年12月3日 申請日期:2014年9月9日 優先權日:2014年9月9日
【發明者】蔣小松, 李俊, 蔣佳芯, 劉晚霞, 李景潤, 朱德貴, 邵甄胰 申請人:西南交通大學
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