專利名稱：工況模擬滾動接觸疲勞試驗機的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種接觸疲勞摩擦磨損試驗機，特別是一種模擬實際工況并能在線檢測接觸疲勞摩擦磨損試驗機。
背景技術：
表面摩擦磨損狀態、接觸疲勞壽命是評價涂層工藝優劣、涂層材料表面性能的主要手段之一。目前，還沒有一種完整的能模擬實際工況進行涂層材料摩擦磨損狀態和疲勞壽命檢測的接觸疲勞摩擦磨損試驗機。
美國方群公司制造的涂層粘附力測量儀，雖然能夠在標準微觀條件下進行涂層粘附力測量，但是局部微觀測量得到的表面涂層材料性能與實際工況下接觸區表面涂層材料的表現行為有很大的差別，難以滿足工程使用評估要求。
《滾動與摩擦復合試驗機》(中國專利03151240.2)公開的是一種可變速的滾動與滑動摩擦復合試驗機，其主要特點是具有復合試驗功能。但是，這種試驗機只能用于常溫、常規、無潤滑環境下的摩擦試驗。《軸承球滾動接觸疲勞壽命試驗機》(中國專利03230586.9)公開的是一種專用于軸承球體接觸疲勞試驗機。該試驗機通過監控振幅參量的變化判別試驗軸承球體的接觸疲勞失效。上述兩種試驗機均無捕捉試驗過程中摩擦副表面疲勞微裂失效、膠合失效和磨損失效瞬間狀態的功能；無模擬實際工況潤滑狀態、工況溫度、工況載荷等功能。
發明內容
為了滿足工程應用對表面涂層摩擦副零件使用性能精確評估要求，本發明提供一種工況模擬滾動接觸疲勞試驗機，通過對載荷、轉速、溫度、潤滑形式、接觸狀態等多參數控制來模擬實際工況。本發明不僅對表面涂層或非涂層摩擦副表面在線瞬時滾動接觸疲勞摩擦磨損過程進行檢測，而且當發現裂紋產生、疲勞失效、膠合失效時進行急停保護瞬時接觸疲勞狀態；可對表面涂層工藝、潤滑油和潤滑脂潤滑效果進行檢測評定并能實現快速疲勞磨損試驗，縮短疲勞試驗時間；還可以對推力軸承的使用壽命、極限轉速、承載能力和滾道表面涂層工藝進行檢測和評定。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是這種工況模擬滾動接觸疲勞試驗機，構成包括試驗裝置、加載、驅動油品分析與潤滑和信號采集各部分，其中試驗裝置部分由試驗腔、溫度控制腔、急停凸輪、上試件、滾動體、下試件和壓力塊構成，溫度控制腔套裝在傳動軸上，試驗腔的下端與傳動軸的端部過盈配合，并置于溫度控制腔之中，下試件裝配在試驗腔內，上試件裝配在急停凸輪階梯狀凸臺上，上下試件之間為滾動體，急停凸輪的上端面裝有軸承并與加載杠桿下部的壓力塊相配合；加載部分由壓力塊、加載杠桿、砝碼加載裝置構成，加載杠桿一端與支架鉸鏈連接，另一端安裝砝碼加載裝置，加載杠桿下部裝有壓力塊，壓力塊的中心有進油孔；驅動部分的變頻電機固定在機座的側面上，變頻電機通過大皮帶輪、皮帶與傳動軸上的小皮帶輪傳動連接；油品分析與潤滑部分由流量計、管道、潤滑泵站和油品分析儀構成，潤滑泵站通過管道、壓力塊進油孔和急停凸輪的進油孔與試驗腔相連通；溫度控制腔的出油孔通過管道和油品分析儀與潤滑泵站相連通；信號采集部分由扭矩傳感器、溫度傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、噪聲傳感器、數據轉接卡和計算機構成，扭矩傳感器安裝在軸的下端，扭矩傳動軸通過軸承座固定在支架上，扭矩傳動軸上端安裝齒輪和摩擦離合器；齒輪與急停凸輪的外圓周輪齒相嚙合；溫度傳感器置于急停凸輪上表面環形凹槽內；速度傳感器固定在基座上，轉動過程中皮帶輪將轉速脈沖信號傳遞給速度傳感器；噪聲傳感器放置在溫度控制腔一側孔內；加速度傳感器安裝在加載杠桿加載端的上部；接觸開關固定在加載杠桿側面；上述傳感器的輸出信號通過轉接卡輸入到計算機進行處理。
上述的工況模擬滾動接觸疲勞試驗機，所說的急停凸輪的外圓周加工有輪齒，其上端面有圓柱凸輪，圓柱凸輪周圍有環形凹槽，中心加工進油孔；急停凸輪的下端面有階梯狀凸臺，階梯狀凸臺與上試件相配合。
上述的工況模擬滾動接觸疲勞試驗機，所說的試驗腔腔體周圍有3-5個出油孔，腔體上部為試件放入端，底部有與下試件定位孔和傳動軸的配合孔。
上述的工況模擬滾動接觸疲勞試驗機，所說的溫度控制腔腔體周圍加工一個出油孔和一個放置噪聲傳感器的通孔，移動式加熱器安裝在溫度控制腔腔體的外部；腔體上部為試件裝入端，下部為傳動軸配合孔，并在孔內表面加工有密封槽。
上述的工況模擬滾動接觸疲勞試驗機，也可以采用液壓施加載荷，液壓缸安裝在機座的機架上，液壓缸活塞桿的端部安裝液壓加壓塊，急停凸輪的上端面裝有軸承與裝液壓加壓塊相配合，液壓加壓塊加工有進油通孔與急停凸輪的進油孔相聯通。
本發明的有益效果是通過添加磨粒、減少軸承滾動體數目實現快速疲勞磨損試驗，縮短疲勞試驗時間；可以直接將涂層材料沉積在推力軸承滾道表面，也可將涂層材料沉積在與推力軸承內、外圓直徑相同的環片試件表面，對其各種表面涂層材料接觸疲勞磨損進行檢測評定；采用杠桿加載或液壓加載有效控制和模擬實際工況載荷；測試系統對摩擦力、摩擦扭矩、溫度、轉速、振動加速度及其變化進行在線精確測量和記錄；采用凸輪急停機構和故障診斷系統能在線診斷表面微裂紋萌生和表面失效，并能實時進行急停，保護瞬時接觸表面狀態；可在線監測潤滑系統潤滑油的成份變化，可對潤滑油、潤滑脂油品性能參數和摩擦學參數進行評價。
圖1為杠桿加載式接觸疲勞摩擦磨損試驗機結構示意2為杠桿加載式接觸疲勞摩擦磨損試驗機結構左視3為液壓加載式接觸疲勞摩擦磨損試驗機結構示意4為急停凸輪結構示意5為試驗腔結構示意6為溫度控制腔結構示意7為上試件結構示意8為下試件結構示意圖在圖1、圖2、圖3中，1.機座，2.扭矩傳感器，3.扭矩傳動軸，4.小皮帶輪，5.溫度控制腔，6.出油孔，7.試驗腔，8.傳動軸，9.摩擦離合器，10.出油孔，11.急停凸輪，12.進油孔，13.壓力塊，14.軸承，15.上試件，16.滾動體，17.下試件，18.速度傳感器，19.皮帶，20.大皮帶輪，21.變頻電機，22.流量計，23.管道，24.管道，25.潤滑泵站，26.油品分析儀，27.管道，28.支架，29.大齒輪，30.噪聲傳感器，31.接觸開關，32.溫度傳感器，33.杠桿，34.加速度傳感器，35.砝碼加載裝置，36.液壓缸，37.進油管，38.回油管，39.機架，40.液壓加壓塊，41.移動式加熱器.
具體實施例方式
實施例1圖1、圖2是本發明公開的一個實施例(見圖1、圖2)，實驗之前，按試驗要求將所需檢測的上試件15和下試件17的表面加工為滾道或平面，之后把涂層材料用涂層工藝設備沉積在上試件15、滾動體16或下試件17的表面。將試件放入試驗腔7中，啟動電機21調整轉速，然后加載，啟動潤滑冷卻裝置25和信號采集裝置。由變頻電動機21的大皮帶輪20通過皮帶19帶動小皮帶輪4和傳動軸8轉動，并將速度信號傳給速度傳感器18，傳動軸8帶動試驗腔7一起轉動，滾動體16和下試件17隨之轉動。根據試驗要求，將潤滑油由潤滑系統25、管道23、24、壓力塊13的進油孔和急停凸輪11中心孔，流入試驗腔7，對試件潤滑或冷卻后在離心力的作用下，由試驗腔出油孔10流入溫度控制腔5經過出油孔6、管道27和油品分析儀26后流入潤滑泵站25。移動式加熱器41安裝在溫度控制腔5的外部；砝碼加載裝置35通過杠桿33放大所施加的載荷，通過壓力塊13、軸承14、急停凸輪11施加在試件上。振動信號通過杠桿33放大傳遞給振動傳感器34；扭矩信號通過急停凸輪11的周齒與齒輪29嚙合經扭矩傳動軸3傳遞給扭矩傳感器2；溫度信號通過急停凸輪11周圍凹槽中的油介質直接傳給溫度傳感器32。在試件表面產生初始微裂紋或轉動過程中潤滑油膜破壞時，由于滾動體16與上試件15間摩擦力增大帶動急停凸輪11轉動觸發接觸開關31實現自動停機。臨界摩擦力通過摩擦離合器9設定；同時故障診斷系統通過控制軟件設定溫度信號、速度信號、振動信號、噪聲信號和扭矩信號閥值實現急停。
實施例2圖3是本發明公開的另一個實施例(見圖3)，液壓缸36上端與機架39固定連接，液壓加壓塊40安裝在液壓缸36的活塞桿上，加速度傳感器34螺紋連接在急停凸輪11圓弧平面上。急停凸輪11的凹槽內放置溫度傳感器32，圓柱凸輪與接觸開關31接觸。變頻電機21帶動大皮帶輪20通過皮帶19帶動小皮帶輪4，小皮帶輪4帶動傳動軸8轉動，傳動軸8通過軸承及軸承支座固定在支架26，傳動軸8上端連接試驗腔7帶動下試件17轉動，上試件15上端為急停凸輪11，急停凸輪11周齒與齒輪29嚙合，上部通過軸承14與壓力塊13接觸，液壓加壓塊40，傳遞液壓缸36所施加壓力，液壓缸36的壓力由液壓系統提供。根據試驗要求，將潤滑油由潤滑泵站25分別通過管道23、24混合后經過液壓加壓塊40和急停凸輪11進油孔12流入試驗腔7，潤滑或冷卻上試件15、滾動體16、下試件17，然后通過試驗腔7出油孔10流入到溫度控制腔5并通過溫度控制腔出油孔6經管道27流經油品分析儀26后流入潤滑泵站25。
扭矩傳感器2檢測由齒輪29傳遞的扭矩信號；速度傳感器18檢測試件的轉速；流量計22檢測潤滑油流速以及與添加劑其配比關系；油品分析儀26監測實驗過程中潤滑油的成分變化情況；噪聲傳感器30監測試件轉動過程中的噪聲信號；行程開關31與急停凸輪11凸輪接觸監測摩擦副表面摩擦力狀況；溫度傳感器32檢測試件溫度信號；加速度傳感器34檢測軸承試件的振動信號；各路信號通過轉接卡輸入到計算機進行處理。
權利要求
1.一種工況模擬滾動接觸疲勞試驗機，其特征于構成包括試驗裝置、加載、驅動、油品分析與潤滑和信號采集各部分，其中試驗裝置部分由試驗腔(7)、溫度控制腔(5)、急停凸輪(11)試件(15，16，17)和壓力塊(13)構成，溫度控制腔(5)套裝在傳動軸(8)上，試驗腔(7)的下端與傳動軸(8)的端部過盈配合并置于溫度控制腔(5)之中，試驗腔(7)內放置試件(15，16，17)，上試件(15)上設置急停凸輪(11)，急停凸輪(11)的上端面裝有軸承(14)并與加載杠桿(33)下部的壓力塊(13)相配合；加載部分由壓力塊(13)、加載杠桿(33)、砝碼加載裝置(35)構成，加載杠桿(33)一端與支架(28)鉸鏈連接，另一端安裝砝碼加載裝置(35)，加載杠桿(33)下部裝有壓力塊(13)；驅動部分的變頻電機(21)固定在機座(1)的側面上，變頻電機(21)通過大皮帶輪(20)、皮帶(19)與軸(8)上的小皮帶輪(4)傳動連接；油品分析與潤滑部分由流量計(22)、管道(23，24)、潤滑泵站(25)和油品分析儀(26)構成，潤滑泵站(25)通過管道(23、24)、壓力塊進油孔12和急停凸輪(11)進油孔與試驗腔(7)相連同；溫度控制腔(5)出油孔(6)通過管道(27)和油品分析儀(26)與潤滑泵站(25)相連通；信號采集部分由扭矩傳感器(2)、溫度傳感器(32)、速度傳感器(18)、加速度傳感器(32)、噪聲傳感器(30)、數據轉接卡和計算機構成，扭矩傳感器(2)安裝在扭矩傳動軸(3)的下端，扭矩傳動軸(3)通過軸承座固定在支架(28)上，扭矩傳動軸(3)上端安裝齒輪(29)和摩擦離合器(9)，齒輪(29)與急停凸輪(11)的外圓周的齒形相嚙合；溫度傳感器(32)放置在急停凸輪(11)圓柱凸輪外凹槽內；溫度控制腔(5)一側孔內放置噪聲傳感器(30)；加速度傳感器(34)安裝在加載杠桿(33)加載端的上部；加載杠桿(33)進油孔處側面固定接觸開關(31)，急停凸輪11上表面圓柱凸輪與接觸開關(31)觸點接觸；以上各路信號通過轉接卡傳到計算機處理。
2.根據權利要求1所述的工況模擬滾動接觸疲勞試驗機，其特征于所說的急停凸輪(11)的外圓周加工有齒形，其上端面有圓柱凸輪，圓柱凸輪周圍有凹槽，中心加工進油孔，急停凸輪(11)的下端面有階梯狀凸臺，階梯狀凸臺與上試件(15)相配合。
3.根據權利要求1或2所述的工況模擬滾動接觸疲勞試驗機，其特征于所說的試驗腔(7)腔體周圍有3-5個出油孔(10)，腔體上部為試件放入端，底部有下試件(17)的定位孔和傳動軸(8)的配合孔。
4.根據權利要求3所述的工況模擬滾動接觸疲勞試驗機，其特征于所說的溫度控制腔(5)腔體周圍加工一個出油孔(6)和一個放置噪聲傳感器的通孔，移動式加熱器(41)安裝在溫度控制腔(5)腔體的外部；腔體上部為試件裝入端，下部為傳動軸(8)配合孔，并在孔內表面加工有密封槽。
5.根據權利要求4所述的工況模擬滾動接觸疲勞試驗機，其特征于機座(1)的機架(39)上安裝液壓缸(36)，液壓缸(36)活塞桿上安裝液壓加壓塊(40)，急停凸輪(11)的上端面裝有軸承(14)與液壓缸(36)活塞桿的液壓加壓塊(40)相配合，液壓加壓塊(40)加工有進油通孔與急停凸輪的進油孔相聯通。
全文摘要
本發明公開一種在線檢測工況模擬滾動接觸疲勞試驗機。該發明包括驅動、加載、試驗裝置和信號采集各部分，其中溫度控制腔套裝在傳動軸上，試驗腔的下端與傳動軸的端部過盈配合并置于溫度控制腔之中，試驗腔內放置上試件、滾動體、下試件，在上試件上設置急停凸輪，急停凸輪的上端面裝有滾針推力軸承并與加載杠桿下部的壓力塊相配合；本發明可模擬實際工況對表面涂層或非涂層摩擦副表面接觸疲勞摩擦磨損過程、對表面涂層工藝、潤滑油和潤滑脂潤滑效果、對推力軸承的使用壽命等進行檢測，當發現裂紋產生、疲勞失效、膠合失效時進行急停保護瞬時接觸失效狀態。
文檔編號G01M13/04GK1715869SQ20051001267
公開日2006年1月4日 申請日期2005年7月9日 優先權日2005年7月9日
發明者楊育林 申請人:燕山大學