专利名称：微动摩擦超声振动超长寿命疲劳试验装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及疲劳试验装置，具体是微动摩擦超声振动超长寿命疲劳试验装置。
背景技术：
微动摩擦疲劳是指紧密配合部件在疲劳载荷下，通常发生接触界面间微米量级的相对运动，并造成材料磨损或产生疲劳裂纹。微动摩擦可以造成接触面表面磨损，引起构件咬合、松动和造成噪声增加等；微动摩擦可以加速疲劳裂纹的萌生和扩展，使构件的疲劳寿命大大降低。在航空、铁道和机械等领域中，容易出现因微动摩擦疲劳失效而导致机件故障，甚至出现灾难事故。近二十多年来，随着医疗技术的发展，骨移植和牙科等医疗领域也出现了微动摩擦疲劳的问题。国内外诸多研究学者也对摩擦疲劳开展了一系列实验研究，但是微动疲劳损伤过程十分复杂，通常涉及到疲劳、磨损和腐蚀三类主要失效方式，影响因素多达50余个。微动摩擦疲劳的研究主要集中在高低周疲劳范围的某种材料的微动疲劳 行为和失效影响因素及如何通过某种表面处理技术提高微动磨损疲劳性能。疲劳寿命的研究之所以被限制在高低周范围内，是由于受到实验设备的限制，传统的伺服液压实验机频率只能达到lO-lOOHz，进行超长寿命疲劳实验，要耗时数月甚至上年，而同样的实验用超声振动加速循环应力的疲劳实验(频率20 KHz)则只需要十几分钟到数小时。近年来，Mason基于压电磁致伸缩原理并利用高能超声波谐振技术建立的超声(或压电振动)疲劳方法开始应用于疲劳断裂研究[Roth L D. Ultrasonic fatigue testing, Metals Handbook[M], Ninth Edition, ASM1Metals Park, Ohio, USA, 1987，8:240 25.]，其工作频率一般在15 22 kHz。由于节省实验时间和费用，超声疲劳振动技术得到了很好的推广和应用，广泛应用在材料的超长寿命疲劳研究中。微动疲劳试验装置必须同时进行疲劳试验和微动损伤试验，其中疲劳试验装置基于现有的超长寿命疲劳试验，而微动损伤试验装置必须必备以下功能首先能使试样接触表面产生微幅相对运动；其次能对试样接触表面施加接触压力；再者能控制和测量相关试验参数。目前，用于微动摩擦超声振动超长寿命疲劳试验的装置主要包括两部分第一部分是超声振动疲劳装置，包括计算机系统、超声波发生器、压电陶瓷换能器、变幅杆以及测温仪；第二部分是微动摩擦转置，包括摩擦压头、固定圆环和螺栓。它的主要工作原理是由超声波发生器将50Hz的电信号转变为20KHz的超声正弦波电信号输出，再由压电陶瓷换能器把电信号转变成机械振动信号，最后变幅杆把来自压电陶瓷换能器的振动位移振幅放大至试样所需的位移振幅,在变幅杆端部输出纵向位移。但由于是微动摩擦,此时材料的力学行为很复杂，很难达到超声疲劳实验必需的试样与实验系统谐振的要求，设计难度很高，同时，由于微动摩擦产生的温度也可能影响实验的精度。

发明内容
本发明提供了微动摩擦超声振动超长寿命疲劳试验装置，解决了以往微动摩擦超长寿命疲劳试验装置实验精度不高、设计难度较大的问题。本发明为解决技术问题主要通过以下技术方案实现微动摩擦超声振动超长寿命疲劳试验装置，包括超声疲劳试验装置、微动摩擦装置以及温度测试装置，超声疲劳试验装置包括依次连接的计算机系统、超声波发生器、压电陶瓷换能器，压电陶瓷换能器的下端固定连接有变幅杆，变幅杆的输出端连接有与变幅杆同轴的圆柱形延长杆，变幅杆的输出端的横截面与延长杆的横截面大小相等，温度测试装置包括测温仪，所述延长杆的正下方设有支撑装置，微动摩擦装置固定在支撑装置上，所述微动摩擦装置包括带有两个固定孔的固定圆环以及通过固定孔设置在固定圆环上的螺栓，固定孔设有内螺纹，内螺纹与螺栓上的外螺纹相配合，两个固定孔位于固定圆环的同一直径上，螺栓的螺杆长度大于固定圆环的半径，螺栓的头部位于固定圆环外，螺栓的前端固定连接有摩擦压头。计算机系统主要是控制超声波发生器和记录相关的试验数据；超声波发生器是将50Hz的电信号转变为20KHz的超声正弦波电信号输出；压电陶瓷换能器是把电信号转变成机械振动信号；而变幅杆是把来自压电陶瓷换能器的振动位移振幅放大至试样所需的位移振幅,并在变幅杆端部输出纵向位移；摩擦压头之间用于放置试样，然后旋紧螺栓，让摩擦压头与试样实现微动摩擦。
所述摩擦压头的前端接触面为球面。所述摩擦压头的前端接触面为平面。所述支撑装置为三角支撑架。本发明与现有技术相比具有以下优点和有益效果
(I)本发明在现有的超声振动疲劳系统的基础上增加微动摩擦装置，可以研究微动损伤下的超高周疲劳行为，并根据工业上实际的摩擦情况，通过改变摩擦压头的前端接触面的形状，实现球面/平面和平面/平面两种接触方式。(2)本发明结构简单易于操作，采用测温仪对试样的摩擦段的温度进行实时测量，进而可以得出不同温度下的疲劳试验结果，提高试验精度。


图I为本发明的整体结构示意 图2为本发明的实施例I的微动摩擦装置的结构示意 图3为本发明的实施例2的微动摩擦装置的结构示意 图4为本发明工作时的结构示意 图5为本发明的连接框图。附图中所对应的附图标记为1、计算机系统，2、超声波发生器，3、压电陶瓷换能器，4、变幅杆，5、试样，6、微动摩擦装置，7、支撑装置，8、测温仪，9、试样，10、固定圆环，11、螺栓，12、摩擦压头，13、固定孔。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。实施例I :
如图I、图2及图4所示，本发明包括超声疲劳试验装置、微动摩擦装置6以及温度测试装置，超声疲劳试验装置包括依次连接的计算机系统I、超声波发生器2、压电陶瓷换能器3，压电陶瓷换能器3的下端固定连接有变幅杆4，变幅杆4的输出端连接有与变幅杆4同轴的圆柱形延长杆5，变幅杆4的输出端的横截面与延长杆5的横截面大小相等，温度测试装置包括测温仪8，测温仪8用于测量试样摩擦段的温度，延长杆5的正下方设有支撑装置7，支撑装置7为三角支撑架，微动摩擦装置6固定在支撑装置7上。本实施例的微动摩擦装置6包括带有两个固定孔13的固定圆环10以及通过固定孔13设置在固定圆环10上的螺栓11，固定孔13设有内螺纹，内螺纹与螺栓11上的外螺纹相配合，两个固定孔13位于固定圆环10的同一直径上，螺栓11的螺杆长度大于固定圆环10的半径，螺栓11的头部位于固定圆环10外，螺栓11的前端固定连接有摩擦压头12，摩擦压头12的前端接触面为球面。根据试样的位移振幅和工业上实际的摩擦情况，确定试样安放在微动摩擦装置6上的位置，根据试样上摩擦的位置，调整固定圆环10以及螺栓11的位置，得到最终的摩擦位置,并通过调整摩擦压头12对试样接触面施加压力实现微动摩擦，此时用测力计测量摩 擦压头12的压力。实施例2:
如图I、图3及图4本实施例与实施例I基本相同，不同的地方是摩擦压头12的前端接触面为平面。本发明的工作原理为如图5所示，首先，在计算机系统I的控制下，超声波发生器2将50Hz的电信号转变为20KHz的超声正弦波信号输出，再由压电陶瓷换能器3把该超声正弦波信号转换成机械振动信号，变幅杆4把来自压电陶瓷换能器3的振动位移振幅放大至试样9所需的位移振幅，同时根据位移振幅确定安装微动摩擦装置6的位置，实现微动摩擦系统。其中，微动摩擦系统是根据试样上摩擦的位置，调整固定圆环10及螺栓11的位置得到摩擦的位置，并通过调整摩擦压头12对试样接触面施加压力实现微动摩擦，用测力计测量摩擦压头12的压力。试样5开始振动，微动摩擦装置实现试样处于微动摩擦环境下，计算机系统I记录试样的振动周次；测温仪7实时测量试样5的温度。最后，通过计算机系统I记录的试样9的振动周次来判断试样9的疲劳程度，当振动周次小于IO5时，该试样9为低周疲劳；当振动周次为KTlO7时，该试样9为高周疲劳；当振动周次大于IO7次时，该试样9为超高周疲劳。如上所述，则能很好地实现本发明。
权利要求
1.微动摩擦超声振动超长寿命疲劳试验装置，包括超声疲劳试验装置、微动摩擦装置(6)以及温度测试装置，超声疲劳试验装置包括依次连接的计算机系统(I)、超声波发生器(2)、压电陶瓷换能器(3)，压电陶瓷换能器(3)的下端固定连接有变幅杆(4)，变幅杆(4)的输出端连接有与变幅杆(4 )同轴的圆柱形延长杆(5 ),变幅杆(4 )的输出端的横截面与延长杆(5)的横截面大小相等，温度测试装置包括测温仪(8)，其特征在于所述延长杆(5)的正下方设有支撑装置(7)，微动摩擦装置(6)固定在支撑装置(7)上，所述微动摩擦装置(6)包括带有两个固定孔(13)的固定圆环(10)以及通过固定孔(13)设置在固定圆环(10)上的螺栓(11)，固定孔(13)设有内螺纹，内螺纹与螺栓(11)上的外螺纹相配合，两个固定孔(13)位于固定圆环(10)的同一直径上，螺栓(11)的螺杆长度大于固定圆环(10)的半径，螺栓(11)的头部位于固定圆环(10)外，螺栓(11)的前端固定连接有摩擦压头(12)。
2.根据权利要求I所述的微动摩擦超声振动超长寿命疲劳试验装置，其特征在于所述摩擦压头(12)的前端接触面为球面。
3.根据权利要求I所述的微动摩擦超声振动超长寿命疲劳试验装置，其特征在于所述摩擦压头(12)的前端接触面为平面。
4.根据权利要求I所述的微动摩擦超声振动超长寿命疲劳试验装置，其特征在于所述支撑装置(7)为三角支撑架。
全文摘要
本发明公开了微动摩擦超声振动超长寿命疲劳试验装置，包括超声疲劳试验装置、微动摩擦装置(6)以及温度测试装置，超声疲劳试验装置包括依次连接的计算机系统(1)、超声波发生器(2)、压电陶瓷换能器(3)，压电陶瓷换能器(3)的下端固定连接有变幅杆(4)，变幅杆(4)的输出端连接有与变幅杆(4)同轴的圆柱形延长杆(5)，变幅杆(4)的输出端的横截面与延长杆(5)的横截面大小相等，温度测试装置包括测温仪(8)。本发明采用上述结构，能减小实验设计的难度，同时获得较高的试验精度。
文档编号G01N3/56GK102830029SQ20111032856
公开日2012年12月19日 申请日期2011年10月26日 优先权日2011年10月26日
发明者王清远, 田仁慧, 刘永杰 申请人:四川大学