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一种点接触式微动疲劳试验装置及试验方法
【专利摘要】本发明公开了一种点接触式微动疲劳试验装置及试验方法，本发明的点接触式微动疲劳试验装置包括与试样直接接触的微动桥，环面与试样轴向垂直的加载环，穿过加载环环壁与微动桥接触的加载螺栓，所述试样穿过加载环的环面中心，所述微动桥与试样的接触面上设置有凸弧面形的微动桥脚，所述微动桥或加载螺栓上设置有应变片并连有应变仪；通过微动桥的微动桥脚与试样直接接触，实现微动桥与试样的点接触，通过调节加载螺栓对微动桥加载压力，能够使试样接触表面产生微幅相对运动并对试样接触表面施加法向压力，该装置配合疲劳试验机可实现对拉压、扭转和拉扭复合微动疲劳模式的理论研究。
【专利说明】一种点接触式微动疲劳试验装置及试验方法

【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微动疲劳试验装置，特别涉及一种点接触式微动疲劳试验装置及试验方法。

【背景技术】
[0002]在工程实际中，零构件的损伤往往来源于拉扭复合微动疲劳的作用，因此设计多参数可调的点接触式微动疲劳装置研究拉压、扭转和拉扭复合微动疲劳零构件的损伤行为，找到模型上危险区域和避免损伤造成的危害是十分必要的。目前，对微动疲劳的研究基本都是以实验的方式进行的，定性地通过实验来得出一些规律，从而应用到工程实际中。对于微动疲劳实验研究，多集中在拉压微动疲劳和扭转微动疲劳且多采用实物研究或面接触的方式进行研究，而拉扭复合微动疲劳模式比较罕见，而实际工况中零构件承受单一的拉压应力或者扭转应力的情况却比较少见。
[0003]在微动疲劳实验研究中，存在着许多形式不一和研究对象不一的微动试验设备，国际上还没有统一标准的试验台。微动疲劳是微动磨损和疲劳联合作用的过程，涉及到摩擦磨损、疲劳和腐蚀三种失效形式，影响微动疲劳的主要因素有接触应力、频率、位移幅值和应力幅值等；研究微动疲劳必须结合摩擦学理论和疲劳理论，对于微动疲劳实验研究，多集中在拉压微动疲劳和扭转微动疲劳且多采用实物研究或面接触的方式进行研究，这样能够较好运用疲劳理论，而摩擦学理论的运用相对困难，无法对微动磨损中粘着区、滑移区和张开区进行研究。同时拉扭复合微动疲劳模式比较罕见，采用实物研究或者面接触的方式不能更好的进行理论研究。而现有技术不能较好解决设备的问题，对于微动疲劳理论的深入研究将受到制约。


【发明内容】

[0004]本发明的目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种在MTS809型拉扭组合电液伺服材料试验机基础上设计的点接触式微动疲劳试验装置，能够使试样接触表面产生微幅相对运动并对试样接触表面施加法向压力，形成点接触的方式以更好使用摩擦学和疲劳断裂的方式对其进行研究。
[0005]为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案:
一种点接触式微动疲劳试验装置，包括与试样直接接触的微动桥，环面与试样轴向垂直的加载环，穿过加载环环壁与微动桥接触的加载螺栓，和设置在加载环内的装配框，所述试样穿过加载环的环面中心，所述微动桥上与试样的接触面处设置有凸弧面形的微动桥脚，所述加载环或加载螺栓上设置有应变片并连有应变仪。
[0006]作为优选，所述装配框的一对称侧面中空贯穿，所述中空贯穿腔用来放置微动桥，沿装配框上下面中心连线开有能让试样穿过的孔；通过装配框来固定微动桥的位置以及微动桥和试样之间的相对位置；装配框装在试样上，利用中空贯穿腔的一面来放置微动桥，保证两微动桥在同一平面且受到的接触应力一致。
[0007]作为优选，所述微动桥为长条形方块，微动桥的数量为两个，所述微动桥受装配框固定均匀对称地压在试样的两边，每块微动桥上的凸弧面形的微动桥脚的数量为两个且均匀布置；两个微动桥均匀地设置在试样的两边，使试样两个方向受力均匀，而呈凸弧面形的微动桥脚，实现微动桥与试样的点接触形式，用于研究点接触式微动疲劳。
[0008]作为优选，所述加载环环壁上均布开有四个螺纹孔，螺纹孔的中心线与加载环中心线垂直；四个螺纹孔用于安装加载螺栓和固定加载环及整个装置。
[0009]作为优选，所述加载螺栓的数量为两个，加载螺栓穿过加载环环壁上对称的两螺纹孔与微动桥接触；加载螺栓穿过螺纹孔与微动桥接触，旋转调节加载螺栓即可改变螺栓对微动桥施加的压力大小，进而改变微动桥与试样点接触应力。
[0010]作为优选，所述加载环上与安装加载螺栓孔对称的两孔外设置有固定支持板，所述固定支持板长度方向与试样轴向垂直，通过螺栓将加载环与固定支持板连接，固定支持板两端与疲劳试验机的固定竖直轴固定连接；固定支持板用于将整个点接触式微动疲劳装置固定。
[0011]作为优选，所述加载螺栓的螺纹段设置在螺栓端部与加载环接触的部分，螺纹段的长度与加载环、试样以及微动桥的尺寸相适应；螺纹段的位置和长度根据加载环、试样和微动桥的具体尺寸确定。
[0012]一种点接触式微动疲劳试验方法，实验前对试样和微动桥桥脚用超声清洗，将经过超声清洗的试样上部夹持在疲劳试验机的上夹具上，再将下夹具与高精低速转动台通过螺纹固定，且下夹具的夹持腔的垂向中心线与高精低速转动台旋转轴对中；将微动桥与试样紧密接触，同时给一定的预压力固定试样和微动桥的接触部位，将试样固定在微动桥的中心位置，装配装配框，以固定微动桥的位置，装配粘贴好应变片并连接好应变仪的加载环和加载螺栓；用下夹具夹持试样的下部；
疲劳实验机将平均拉应力加到预定应力水平，然后根据微动桥上的应变仪数据，调整加载环上的加载螺栓把接触应力加到预定要求并保证接触压力不变。通过数据采集控制系统控制上夹具的上下移动，使试样夹紧并施加设定的载荷，同时通过数据采集控制系统的控制使下夹具及其夹持的试样下部以设定的转速和转角进行多次往复旋转；同时，通过与上夹具相连的传感器测出轴向载荷和扭矩，并送至数据采集控制系统进行分析。
[0013]作为优选，试样所受接触应力通过加载环上的加载螺栓施加，通过旋转调节加载螺栓来改变试样表面受到的接触应力，其接触应力的大小通过加载环或加载螺栓上连接的应变片和应变仪来测量。
[0014]与现有技术相比，本发明的有益效果:
1、通过微动桥独特设计的呈凸弧形的微动桥桥脚与试样直接接触，实现微动桥与试样的点接触，通过调节加载螺栓对微动桥加载压力，能够使试样接触表面产生微幅相对运动并对试样接触表面施加法向压力，形成微动疲劳试验的条件，并形成点接触的方式以更好使用摩擦学和疲劳断裂的方式对其进行研究；
2、该装置配合疲劳试验机可对试样施加拉应力、扭转应力和拉扭复合应力，通过设置在微动桥或加载螺栓上的应变片和连接的应变仪、疲劳试验机连接的数据采集装置和控制系统，并可以对微动疲劳过程中位移幅值进行计算，实现控制接触应力、应力幅值、频率和位移幅值对拉压、扭转和拉扭复合微动疲劳模式影响的试验研究。
[0015]【专利附图】

【附图说明】:
图1为本发明的点接触式微动疲劳试验装置的结构示意图。
[0016]图2为本发明的点接触式微动疲劳试验装置与MTS809电液伺服试验机配合使用的示意图。
[0017]图3为图1中微动桥的结构示意图。
[0018]图4为图1中加载环的结构示意图。
[0019]图5是图1中加载螺栓的结构示意图。
[0020]图6为图2中装配框的结构示意图。
[0021]图7为图6的俯视图。
[0022]图8为试样的结构示意图。
[0023]图中标记:1_试样,2-微动桥，3-加载环，4-加载螺栓，5-装配框，6-固定支持板，7-下夹具，8-上夹具。

【具体实施方式】
[0024]下面结合试验例及【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本
【发明内容】
所实现的技术均属于本发明的范围。
[0025]实施例1
本实施例中所称疲劳试验机是MTS809电液伺服试验机。
[0026]如图1、图2所示，一种点接触式微动疲劳试验装置，包括与试样I直接接触的微动桥2，环面与试样I轴向垂直的加载环3，穿过加载环环壁与微动桥2接触的加载螺栓4，和设置在加载环3内的装配框5，所述试样I穿过加载环3的环面中心，所述微动桥2与试样I的接触面上设置有凸弧面形的微动桥脚，且加载环3上设置有应变片并连有应变仪。
[0027]如图6、图7所示，所述装配框5的一对称侧面中空贯穿，所述中空贯穿腔用来放置微动桥2，沿装配框5上下面中心连线开有能让试样穿过的孔，所述微动桥2放置在装配框5的中空贯穿腔内；通过装配框来固定微动桥的位置以及微动桥和试样之间的相对位置，装配框装在试样上，利用中空贯穿腔的一面来放置微动桥，保证两微动桥在同一平面且受到的接触应力一致。
[0028]在本实施例中，装配框沿中心线分为两半，装配框只起支撑作用，不承受任何外加载荷，实际实验时套在微动桥上后，用塑料带轻轻系上固定即可。
[0029]如图1、图3所示,所述微动桥2为长条形方块,微动桥2的数量为两个,所述微动桥2受装配框固定均匀对称地压在试样I的两边，每块微动桥2上的凸弧面形的微动桥脚的数量为两个且均匀布置；两个微动桥均匀地设置在试样的两边，使试样两个方向受力均匀，而呈凸弧面形的微动桥脚，实现微动桥与试样的点接触形式，用于研究点接触式微动疲劳。
[0030]如图2、图4所示，所述加载环3环壁上均布开有四个螺纹孔，螺纹孔的中心线与加载环3中心线垂直，开螺纹孔的加载环环壁处有加厚的设置；四个螺纹孔用于安装加载螺栓和固定加载环及整个装置。
[0031]如图1、图5所示，所述加载螺栓4的数量为两个，加载螺栓4穿过加载环3环壁上对称的两螺纹孔与微动桥2接触；加载螺栓穿过螺纹孔与微动桥接触，旋转加载螺栓即可改变螺栓对微动桥施加的压力大小，进而改变微动桥与试样点接触应力。
[0032]如图2所示，所述加载环3上与安装加载螺栓孔对称的两孔外设置有固定支持板
6,所述固定支持板6长度方向与试样I轴向垂直，通过螺栓将加载环3与固定支持板6连接，固定支持板6两端与疲劳试验机的固定竖直轴固定连接；固定支持板用于将整个点接触式微动疲劳装置固定。
[0033]如图5所示，所述加载螺栓4的螺纹段设置在螺栓端部与加载环接触的部分，螺纹段的长度与加载环3、试样2以及微动桥2的尺寸相适应；螺纹段的位置和长度根据加载环、试样和微动桥的具体尺寸确定。
[0034]如图1、图2所示，一种点接触式微动疲劳试验方法，实验前对试样I和微动桥2桥脚用超声清洗，将经过超声清洗的试样I上部夹持在疲劳试验机的上夹具8上，再将下夹具7与高精低速转动台通过螺纹固定，且下夹具7的夹持腔的垂向中心线与高精低速转动台旋转轴对中；将微动桥2与试样I紧密接触，同时给一定的预压力固定试样I和微动桥2的接触部位，将试样I固定在微动桥2的中心位置，装配装配框5，以固定微动桥2的位置，装配粘贴好应变片并连接好应变仪的加载环3和加载螺栓4 ;用下夹具夹持试样2的下部；
疲劳实验机将平均拉应力加到预定应力水平，然后根据微动桥2上的应变仪数据，调整加载环3上的加载螺栓4把接触应力加到预定要求并保证接触压力不变。通过数据采集控制系统控制上夹具8的上下移动，使试样I夹紧并施加设定的载荷，同时通过数据采集控制系统的控制使下夹具7及其夹持的试样I下部以设定的转速和转角进行多次往复旋转；同时，通过与上夹具8相连的传感器测出轴向载荷和扭矩，并送至数据采集控制系统进行分析。
[0035]作为优选，试样所受接触应力通过加载环3上的加载螺栓4施加，通过旋转加载螺栓4来改变试样I表面受到的接触应力，其接触应力的大小通过微动桥2上连接的应变片和应变仪来测量。
[0036]本实施例中，试样为Al-Zn-Mg合金的轴，如图8所示，试验采用对称循环载荷(R=-1),试验频率9Hz，应力控制。在不同的应力幅值下(72MPa，132MPa，192MPa，252MPa，312MPa，372MPa)，通过点接触式微动疲劳装置控制接触应力，进行单轴拉_压加载下的微动疲劳试验。
[0037]实施例2
本实施例中所称疲劳试验机是MTS809电液伺服试验机。
[0038]如图1、图2所示，一种点接触式微动疲劳试验装置，包括与试样I直接接触的微动桥2，环面与试样I轴向垂直的加载环3，穿过加载环环壁与微动桥2接触的加载螺栓4，和设置在加载环3内的装配框5，所述试样I穿过加载环3的环面中心，所述微动桥2与试样I的接触面上设置有凸弧面形的微动桥脚，且加载螺栓4上设置有应变片并连有应变仪。
[0039]如图6、图7所示，所述装配框5的一对称侧面中空贯穿，所述中空贯穿腔用来放置微动桥2，沿装配框5上下面中心连线开有能让试样穿过的孔，所述微动桥2放置在装配框5的中空贯穿腔内；通过装配框来固定微动桥的位置以及微动桥和试样之间的相对位置，装配框装在试样上，利用中空贯穿腔的一面来放置微动桥，保证两微动桥在同一平面且受到的接触应力一致。
[0040]如图1、图3所示,所述微动桥2为长条形方块,微动桥2的数量为两个,所述微动桥2受装配框固定均匀对称地压在试样I的两边，每块微动桥2上的凸弧面形的微动桥脚的数量为两个且均匀布置；两个微动桥均匀地设置在试样的两边，使试样两个方向受力均匀，而呈凸弧面形的微动桥脚，实现微动桥与试样的点接触形式，用于研究点接触式微动疲劳。
[0041]如图2、图4所示，所述加载环3环壁上均布开有四个螺纹孔，螺纹孔的中心线与加载环3中心线垂直，开螺纹孔的加载环环壁处有加厚的设置；四个螺纹孔用于安装加载螺栓和固定加载环及整个装置。
[0042]如图1、图5所示，所述加载螺栓4的数量为两个，加载螺栓4穿过加载环3环壁上对称的两螺纹孔与微动桥2接触；加载螺栓穿过螺纹孔与微动桥接触，旋转加载螺栓即可改变螺栓对微动桥施加的压力大小，进而改变微动桥与试样点接触应力。
[0043]如图2所示，所述加载环3上与安装加载螺栓孔对称的两孔外设置有固定支持板
6,所述固定支持板6长度方向与试样I轴向垂直，通过螺栓将加载环3与固定支持板6连接，固定支持板6两端与疲劳试验机的固定竖直轴固定连接；固定支持板用于将整个点接触式微动疲劳装置固定。
[0044]如图5所示，所述加载螺栓4的螺纹段设置在螺栓端部与加载环接触的部分，螺纹段的长度与加载环3、试样2以及微动桥2的尺寸相适应；螺纹段的位置和长度根据加载环、试样和微动桥的具体尺寸确定。
[0045]如图1、图2所示，一种点接触式微动疲劳试验方法，实验前对试样I和微动桥2桥脚用超声清洗，将经过超声清洗的试样I上部夹持在疲劳试验机的上夹具8上，再将下夹具7与高精低速转动台通过螺纹固定，且下夹具7的夹持腔的垂向中心线与高精低速转动台旋转轴对中；将微动桥2与试样I紧密接触，同时给一定的预压力固定试样I和微动桥2的接触部位，将试样I固定在微动桥2的中心位置，装配装配框5，以固定微动桥2的位置，装配粘贴好应变片并连接好应变仪的加载螺栓4和加载环3 ;用下夹具夹持试样2的下部；
疲劳实验机将平均拉应力加到预定应力水平，然后根据微动桥2上的应变仪数据，调整加载环3上的加载螺栓4把接触应力加到预定要求并保证接触压力不变。通过数据采集控制系统控制上夹具8的上下移动，使试样I夹紧并施加设定的载荷，同时通过数据采集控制系统的控制使下夹具7及其夹持的试样I下部以设定的转速和转角进行多次往复旋转；同时，通过与上夹具8相连的传感器测出轴向载荷和扭矩，并送至数据采集控制系统进行分析。
[0046]作为优选，试样所受接触应力通过加载环3上的加载螺栓4施加，通过旋转加载螺栓4来改变试样I表面受到的接触应力，其接触应力的大小通过微动桥2上连接的应变片和应变仪来测量。
[0047]如图8所示，本实施例中，试样为Al-Zn-Mg合金的轴，试验采用对称循环载荷(R=-1),试验频率9Hz，应力控制。在不同的扭转应力幅值下，通过点接触式微动疲劳装置控制接触应力，进行单轴扭转加载下的微动疲劳试验。扭转频率为1Hz，扭转应力比均r=0.1，加载波形为正弦波，试验环境为室温静态空气介质，温度为22°C左右，相对湿度为40%左右。
[0048]实施例3 本实施例中，点接触微动疲劳试验装置的结构与实施例2相同。
[0049]如图8所示，本实施例中，试样为LZ50车轴钢，在圆形路径加载下微动疲劳的测试在添加点接触式微动疲劳试验装置的MTS809型拉扭组合电液伺服材料试验机上进行，在圆形路径加载下拉扭复合微动在轴向及扭向均在控制载荷模式下进行，对试样分别施加 300Mpa、400Mpa、450Mpa、500Mpa 的轴向应力幅值，173MPa、231MPa、260MPa、289MPa 的扭转应力幅值，接触压力通过加载螺栓与应变仪控制并保持恒定，轴向和扭转频率均为1Hz，轴向和扭转应力比均为r=0.1，加载波形为正弦波，试验环境为室温静态空气介质，温度为220C左右，相对湿度为40%左右。
[0050]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0051]本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
【权利要求】
1.一种点接触式微动疲劳试验装置，其特征在于，包括与试样直接接触的微动桥，环面与试样轴向垂直的加载环，穿过加载环环壁与微动桥接触的加载螺栓，和设置在加载环内的装配框，所述试样穿过加载环的环面中心，所述微动桥上与试样的接触面处设置有凸弧面形的微动桥脚，所述加载环或加载螺栓上设置有应变片并连有应变仪。
2.根据权利要求1所述的点接触式微动疲劳试验装置，其特征在于，所述装配框的一对称侧面中空贯穿，所述中空贯穿腔用来放置微动桥，沿装配框上下面中心连线开有能让试样穿过的孔。
3.根据权利要求1或2所述的点接触式微动疲劳试验装置，其特征在于，所述微动桥为长条形方块，微动桥的数量为两个，所述微动桥受装配框固定均匀对称地压在试样的两边，每块微动桥上的凸弧面形的微动桥脚的数量为两个且均匀布置。
4.根据权利要求1所述的点接触式微动疲劳试验装置，其特征在于，所述加载环环壁上均布开有四个螺纹孔，螺纹孔的中心线与加载环中心线垂直。
5.根据权利要求1或4所述的点接触式微动疲劳试验装置，其特征在于，所述加载螺栓的数量为两个，加载螺栓穿过加载环环壁上对称的两螺纹孔与微动桥接触。
6.根据权利要求1或4所述的点接触式微动疲劳试验装置，其特征在于，所述加载环上与安装加载螺栓孔对称的两孔外设置有固定支持板，所述固定支持板长度方向与试样轴向垂直，通过螺栓将加载环与固定支持板连接，固定支持板两端与疲劳试验机的固定竖直轴固定连接。
7.根据权利要求5所述的点接触式微动疲劳试验装置，其特征在于，所述加载螺栓的螺纹段设置在螺栓端部与加载环接触的部分，螺纹段的长度与加载环、试样以及微动桥的尺寸相适应。
8.一种点接触式微动疲劳试验方法，实验前对试样和微动桥桥脚用超声清洗，将经过超声清洗的试样上部夹持在疲劳试验机的上夹具上，再将下夹具与高精低速转动台通过螺纹固定，且下夹具的夹持腔的垂向中心线与高精低速转动台旋转轴对中；将微动桥与试样紧密接触，同时给一定的预压力固定试样和微动桥的接触部位，将试样固定在微动桥的中心位置，装配装配框，以固定微动桥的位置，装配粘贴好应变片并连接好应变仪的加载环和加载螺栓；用下夹具夹持试样的下部； 疲劳实验机将平均拉应力加到预定应力水平，然后根据微动桥上的应变仪数据，调整加载环上的加载螺栓把接触应力加到预定要求并保证接触压力不变；通过数据采集控制系统控制上夹具的上下移动，使试样夹紧并施加设定的载荷，同时通过数据采集控制系统的控制使下夹具及其夹持的试样下部以设定的转速和转角进行多次往复旋转；同时，通过与上夹具相连的传感器测出轴向载荷和扭矩，并送至数据采集控制系统进行分析。
9.根据权利要求8所述的点接触式微动疲劳试验方法，其特征在于，试样所受接触应力通过加载环上的加载螺栓施加,通过旋转加载螺栓来改变试样表面受到的接触应力，其接触应力的大小通过加载环或加载螺栓上连接的应变片和应变仪来测量。
【文档编号】G01N3/00GK104181031SQ201410454125
【公开日】2014年12月3日 申请日期:2014年9月9日 优先权日:2014年9月9日
【发明者】蒋小松, 李俊, 蒋佳芯, 刘晚霞, 李景润, 朱德贵, 邵甄胰 申请人:西南交通大学