专利名称：一种扭动微动摩擦磨损试验台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及摩擦试验设备，尤其涉及一种微动摩擦试验台。 背景4支术
微动(Fretting)是指在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热循环等交变 载荷作用下，接触表面间发生的振幅极小的相对运动，这些接触表面通常名义 上静止，即微动发生在"紧固"配合的机械部件中。微动摩擦学是研究微动运 行机理、损伤、测试、监控、预防的一个学科分支，它是一门日益发展的新兴 交叉学科，涉及的学科广泛，如机械学、材料学，甚至生物医学、电工学等。 微动是一种相对运动幅度很小的摩擦方式，其造成的材料损伤通常表现为两种 形式，即(l)微动导致的磨损微动可以造成接触面间的表面磨损，产生材 料损失和构件尺寸变化，引起构件咬合、松动、功率损失、噪声增加或形成污 染源。(2)微动导致的疲劳微动可以加速裂紋的萌生与扩展，使构件的疲劳 寿命大大降低，微动疲劳极限甚至可低于普通疲劳极限的1/3。往往这种损伤形 式危险性更大，造成一些灾难性的事故。
在球-平面接触条件下，微动可以分为切向、径向、滚动、扭动等四种基本 微动模式。切向微动与径向微动均为对磨副在法向载荷的作用下，在接触面上 做小位移直线运动，不同之处在于切向微动的法向载荷方向与其运动方向垂 直，径向微动法向载荷方向与运动方向一致。滚动微动与扭动微动均为对磨副 在法向载荷的作用下，在接触面上做小角度的旋转运动，不同之处在于滚动 微动的旋转轴与接触平面平行，如车轮与地面的摩擦；扭动微动的旋转轴与接 触面垂直，如髋关节与髋关节盘发生的摩擦。
扭动微动是在交变载荷下接触副间发生微幅扭动的相对运动。扭动微动现 象大量存在于机械装备和器械中，例如汽车前轮转向机构的转向球关节的转向 过程中、机车车辆转向架与车体连接的心盘在机车转弯时的摩擦，人体植入器 械中的人工心脏瓣膜的阀门轴与轴座的摩擦、髋关节和膝关节杵臼状接触区内 发生的微动等。扭动微动摩擦给生产、生活带来了较大的损失与麻烦。由于其 人工控制再现或模拟困难，扭动微动的相关研究工作一直以来开展较少。研制
出能够进行扭动微动试验的设备，对减少工程中出现的扭动微动磨损问题，改 进机械与生物工程的相关设计，提高装备与器械的性能与寿命、节约能源等具 有十分重要的意义。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种扭动微动摩擦磨损试验台，该试验台能方便 地使材料发生小角度扭动微动摩擦磨损，可以精确控制试验参数，且其自动化
程度高，试验数据的重现性好；能够进行不同工况与规格的材料的试验。
本实用新型实现其发明目的所采用的技术方案是 一种扭动微动摩擦磨损 试验台，包括机座，机座上安装的上、下夹具，其结构特点是
下夹具安装在机座上的具体结构为下夹具为夹持球形试件的夹具，下夹 具与高精低速转动台通过螺紋固定，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；高精低速转动台安装在机座的底板上；
上夹具安装在^^座上的具体结构为上夹具的上端与六维力/力矩传感器相 连，六维力/力矩传感器与能够进行水平与垂向移动的二维移动台相连，二维移 动台固定在机座的中上部；
高精低速转动台、二维移动台、六维力/力矩传感器均与数据采集控制系统 电连接。
该试验台的使用方法及工作过程为
将上试样固定上夹具上，下试样固定在下夹具上，通过数据釆集控制系统 控制二维移动平台的运动，以调整上试样在水平、竖直两个方向的位置，使其
与下试样接触并给定设定载荷。通过数据采集控制系统控制，控制高精低速转 动台，使下试样按设定参数进行往复旋转，再用六维力/力矩传感器实时监测扭 动微动时的扭矩，送数据采集控制系统进行处理，得到扭矩-角位移曲线。
给定不同的参数，即可进行不同工况下的扭动微动摩擦磨损试验。对于不 同尺寸的下试件，采用对应尺寸的下夹具即可完成试验。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是
一、由于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，高 精低速转动台旋转时能保证下夹具夹持的球形试件的垂向中心线与其旋转轴重 叠，使得旋转时球形试件的垂向顶点在水平位置不发生改变，也即不会发生两 轴不重合时的销-盘磨损现象，从而使扭动微动得以实现。二、通过数据采集控
制系统控制二维移动台，能精确实现上夹具位置的调整及加载设定载荷；通过 数据采集控制系统控制高精低速转动台，则能精确实现下夹具及其下试件按给 定转速、转角进行往复旋转；从而精确实现给定参数条件下的小角度扭动微动 摩擦磨损试验。三、通过与上夹具相连的六维力/力矩传感器测出扭动微动时的 摩擦扭矩，并送数据采集处理系统处理，得出设定条件下的扭矩-角位移曲线， 可以准确表征扭动微动的动力学特性；并可将试—睑后的材料进行其它相关的磨 损分析。
总之，该试验台能方便的使材料发生精确的小角度扭动微动摩擦磨损，试 验直接由数据釆集控制系统控制给定相应测试参数，并用其进行自动分析及处 理，自动化程度高，这样可精确控制试验参数，试验数据的重现性好，能够进 ;f于不同工况与规P格的材料的试—验，适应性强。
上述高精低速转动台的组成为支架安装在机座的底板上，高精度低速电 机垂向固定在支架上，高精度低速电机的输出轴上固定旋转台面，旋转台面上 螺紋固定下夹具。
这样构造方式使得高精低速转动台便于固定安装在机座上，且其构造简单， 传动直接，控制精确。
上述的二维移动台的组成为垂向电4几固定在4几座上部的顶4反上，垂向电 机轴与垂向丝杆联接，垂向丝杆与运动块的内螺紋配合，运动块内侧的滑槽与 立板上的导轨配合，运动块的外侧与横梁固定连接；横梁下部的滑轨与运动板 上部的滑槽配合，水平电机固定在机座侧部立板上，水平电机的轴与水平丝杆 联接，水平丝杆与运动板的内螺紋配合，运动板的下部与六维力/力矩传感器连 接。
采用电机驱动丝杆机构及滑轨、滑槽机构来实现水平及垂向的运动。这些 机构构造简单、运行可靠；并且电机受数据采集控制系统控制，使得其位置调 整精确，简便。
上述的运动板与六维力/力矩传感器连接的具体方式为运动板的下部与联 接块螺紋连接，联接块的下部与六维力/力矩传感器连接。
这样使得传感器能更平稳牢固的安装在运动板上、并且更换时也很方便。 上述的立板上设有导向轴承，垂向丝杆的下部穿过该导向轴承。 这样使得二维移动台的垂向稳定性更好。
上述的下夹具夹持腔的底部中间开有圓弧面，该圆弧面的曲率半径与球形
下试件的半径相同，在圆弧面的中心部位开有定位通孔；下夹具压板开有圆弧 形通孔，其曲率半径也与球形下试件半径相同，定位通孔、下夹具夹持腔的圆 弧面及下夹具压板的圆弧形通孔，三者的中心线重合。
这样可确保旋转时下夹具夹持的球形试件的垂向中心线与其旋转轴重叠， 使得旋转时球形试件的垂向顶点在水平位置不发生改变，使扭动微动磨损得以 精确实现，避免出现销-盘磨损。
上述的高精低速转动台的扭转运动最小转角6为0.05。，转速co的范围为 0.01 -5 7s。
上述的六维力/力矩传感器的法向载荷测量范围为1-580 N;横向及纵向两个 方向的切向力测量范围1-180N,扭矩测量范围为1-10 000N'mm、测量精度为1 N.mm。
这样使得本实用新型装置能够实现高精度小角度的扭动微动摩擦磨损试 验，其测试结果精确、可靠。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步详细的描述。
图l是本实用新型实施例的主视结构示意图。 图2是图1的右视图。
图3是本实用新型实施例的试验台，未夹持下试件时的下夹具及旋转台面的 剖视放大结构示意图。
图4a是用本实用新型实施例的试验台对一具体试件材料进行扭动微动试验 得到的扭矩-角位移(r-^)曲线。试验的上试件为20mmxl0mmxl0mm的LZ50 车轴钢试块，下试件为①40mm的GCrl5钢球，试验参数为载荷P二50N，往复 旋转(扭转)角速度o^0.27s,转角0为0.5°，往复循环次数N^03。
图4b是用图4a相同的试验台、试件材料，其试验参数也基本相同，仅仅 是转角0改为2。进行试验得到的扭矩-角位移曲线。
图5a是图4a的上试件试验后的磨痕磨屑X射线能谱图(EDX),其中横坐 标为能量/千电子伏(energy/kev);纵坐标为计数(counts)。
具体实施方式
实施例
图1、 2示出，本实用新型的一种具体具体实施方式
是， 一种扭动微动摩擦 磨损试验台，包括机座l，机座l上安装的上、下夹具15、 19。
下夹具19安装在机座1上的具体结构为下夹具19为夹持球形试件的夹 具，下夹具19与高精低速转动台通过螺紋固定，且下夹具19的夹持腔的垂向 中心线与高精低速转动台旋转轴对中；高精低速转动台安装在机座1的底板24 上。
上夹具15安装在才几座1上的具体结构为上夹具15的上端与六维力/力矩 传感器13相连，六维力/力矩传感器13与能够进行水平与垂向移动的二维移动 台相连，二维移动台固定在机座的中上部。
高精低速转动台、二维移动台、六维力/力矩传感器13均与数据采集控制系 统电连接。
以上的高精低速转动台的组成为支架23安装在机座的底板24上，高精 度低速电机22垂向固定在支架23上，高精度低速电才几22的输出轴21上固定 旋转台面20,旋转台面20上螺紋固定下夹具19。
以上的二维移动台的组成为垂向电机3固定在才几座1上部的顶板上，垂 向电机轴与垂向丝杆5联接，垂向丝杆5与运动块25的内螺紋配合，运动块25 内侧的滑槽与立板2上的导轨6配合，运动块25的外侧与横梁7固定连接；横 梁7下部的滑轨10与运动板11上部的滑槽配合，水平电机8固定在机座1侧 部立板2上，水平电机轴与水平丝杆9联接，水平丝杆9与运动板11的内螺紋 配合，运动板11的下部与六维力/力矩传感器13连接。
以上的运动板11与六维力/力矩传感器13连"t妻的具体方式为运动板11的 下部与联接块12螺紋连接，联接块12的下部与六维力/力矩传感器13连接。
机座的立板上还设有导向轴承26，垂向丝杆5的下部穿过该导向轴承26。
图3示出，下夹具19夹持腔的底部中间开有圓弧面31，该圆弧面31的曲 率半径与球形下试件17的半径相同，在圆弧面的中心部位开有定位通孔32;下 夹具压板18开有圆弧形通孔30，其曲率半径也与球形下试件17半径相同，定 位通孔32、下夹具19夹持腔的圆弧面31及下夹具压板18的圓弧形通孔30， 三者的中心线重合。这样，可确保下试件17置入夹持腔、再压紧下夹具压板18后，被夹持的下试件17的垂向直径与夹持腔的垂向中心线重叠，也即与高精低 速旋转台的旋转轴重叠。
本例采用的高精低速转动台的扭转运动最小转角6为0.05°,转速co的范围 为0.01 -5 7s。也即，高精度低速电机22的最小输出转角为0.05。,转速的范围为 0.01陽5 7s。
本例采用的六维力/力矩传感器13的法向载荷测量范围为1-580 N;横向及 纵向两个方向的切向力测量范围1-180N，扭矩测量范围为1-10 000N'mm、测量 精度为1 N.mm。
采用以上本实用新型的试验台进行的两次具体试验的结果如下 试验材料为上试件为20mmxl0mmxl0mm的LZ50车轴钢试块，下试件 为O40mm的GCrl5钢球。试验条件载荷P二50N,角速度co=0.27s,转角9为
0.5°、 2°，往复次数N-iooo。两个试验仅仅是转角e不同，第一个的转角e为
0.5°,第二个的转角e为2°。
图4a为第一个(小角度，0=0.5°)试验得到的LZ50钢扭动微动条件下的扭 矩一角位移曲线。曲线形状呈椭圆状，可以判定其属于^:动的部分滑移状态。这 与切向微动摩擦的试验特征一致。
图4b为第二个(大角度，0=2。)试验得到的呈现出平行四边形状T-e曲线，
可以判定其属于^f鼓动的完全滑移状态；也与切向^:动摩擦的试验特征一致。
以上第一个试验后的LZ50钢的磨痕形貌显微照片也表明部分滑移时，上试 件的磨痕中心粘着、损伤轻微；外侧发生微滑即相对滑移，其磨损较严重。说 明发生了部分滑移，也与图4a的判定一致。
以上第二个试验后的LZ50钢的磨痕形貌显微照片也能看出，接触区产生完 全滑移，所有接触区域均磨痕损伤严重，这也与图4b的判定一致。也与切向微 动磨损的试验特征一致。
图5a为经过以上第一个试验后的LZ50钢，其微动磨痕表面红褐色磨屑的 EDX结果，发现经磨损后的氧含量明显升高，说明接触表面产生了扭动微动磨损。
以上试验结果证明，本实用新型能够很好地进行扭动微动摩擦磨损试验， 其条件参数、测试参数精确可靠。
显然，本实用新型的上夹具15及二维移动台，下夹具19及高精低速转动 台可对称互换，也即将上夹具及二维移动台旋转180度，安装在机座l的下部； 而下夹具19及高精低速转动台旋转180度安装于机座1的上部；属于本实用新 型试验台的筒单等同替换，属于本实用新型的保护范围。
权利要求1、一种扭动微动摩擦磨损试验台，包括机座(1)，机座(1)上安装的上、下夹具(15、19)，其特征在于所述的下夹具(19)安装在机座(1)上的具体结构为下夹具(19)为夹持球形的下试件(17)的夹具，下夹具(19)与高精低速转动台通过螺纹固定，且下夹具(19)的夹持腔的垂向中心线与高精低速转动台旋转轴对中；高精低速转动台安装在机座(1)的底板(24)上；上夹具(15)安装在机座(1)上的具体结构为上夹具(15)的上端与六维力/力矩传感器(13)相连，六维力/力矩传感器(13)与能够进行水平与垂向移动的二维移动台相连，二维移动台固定在机座(1)的中上部；高精低速转动台、二维移动台、六维力/力矩传感器(13)均与数据采集控制系统电连接。
2、 根据权利要求l所述的一种扭动微动摩擦磨损试验台，其特征在于所 述高精低速转动台的组成为支架(23)安装在机座(l)的底板(24)上，高精 度低速电机(22 )垂向固定在支架(23 )上，高精度低速电机(22)的输出轴(21 ) 上固定旋转台面(20),旋转台面(20)上螺紋固定下夹具(19)。
3、 根据权利要求l所述的一种扭动微动摩擦磨损试验台，其特征在于，所 述的二维移动台的組成为垂向电机(3)固定在机座(1)上部的顶板上，垂 向电机(3)的轴与垂向丝杆(5)联接，垂向丝杆(5)与运动块(25)的内螺 紋配合，运动块(25)内侧的滑槽与立板(2)上的导轨(6)配合，运动块(25) 的外侧与横梁(7)固定连接；横梁(7)下部的滑轨(IO)与运动板(ll)上部的 滑槽配合，水平电机(8)固定在机座(1)的立板(2)上，水平电机(8)的 轴与水平丝杆(9)联接，水平丝杆(9)与运动板(11)的内螺紋配合，运动 板(ll)的下部与六维力/力矩传感器(13)连接。
4、 根据权利要求3所述的一种扭动微动摩擦磨损试验台，其特征在于，所 述的运动板(ll)与六维力/力矩传感器(13 )连接的具体方式为运动板(11)的 下部与联接块(12)螺紋连接，联接块(12)的下部与六维力/力矩传感器(13 ) 连接。
5、 根据权利要求3所述的一种扭动微动摩擦磨损试验台，其特征在于，所 述的机座(1)的立板(2)上设有导向轴承(26),垂向丝杆(5)的下部穿过该导向轴 承(26)。
6、 根据权利要求1所述的一种扭动微动摩擦磨损试验台，其特征在于所 述的下夹具(19)夹持腔的底部中间开有圆弧面(31)，该圆弧面(31)的曲率半 径与球形下试件(17)的半径相同，在圆弧面(31)的中心部位开有定位通孔(32);下夹具压板(18)开有圆弧形通孔(30)，其曲率半径也与球形下试件 (17)半径相同；定位通孔(32)、下夹具(19)夹持腔的圆弧面(31)及下夹具 压板(18)的圆弧形通孔(30)，三者的中心线重合。
7、 根据权利要求1所述的一种扭动微动摩擦磨损试验台，其特征在于所 述的高精低速转动台的扭转运动最小转角6为0.05°,转速w的范围为0.01 -5 7s。
8、 根据权利要求1所述的一种扭动微动摩擦磨损试验台，其特征在于所 述的六维力/力矩传感器(13)的法向载荷测量范围为1-580 N;横向及纵向两个 方向的切向力测量范围1-180N，扭矩测量范围为1-10 000N'mm、测量精度为1 N-mm。
专利摘要一种扭动微动摩擦磨损试验台，其下夹具安装在机座上的具体结构为下夹具为夹持球形的下试件的夹具，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；高精低速转动台安装在机座的底板上；上夹具安装在机座上的具体结构为上夹具的上端与六维力/力矩传感器相连，六维力/力矩传感器与能够进行水平与垂向移动的二维移动台相连，二维移动台固定在机座的中上部；高精低速转动台、二维移动台、六维力/力矩传感器均与数据采集控制系统电连接。该试验台能方便地使材料发生小角度扭动微动摩擦磨损，可以精确控制试验参数，且其自动化程度高，试验数据的重现性好；能够进行不同工况与规格的材料的试验。
文档编号G01M99/00GK201177589SQ20072008226
公开日2009年1月7日 申请日期2007年12月5日 优先权日2007年12月5日
发明者周仲荣, 朱旻昊, 石心余, 莫继良, 蔡振兵 申请人:西南交通大学