一种双轴加载微动疲劳试验系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种双轴加载微动疲劳试验系统及方法，该系统包括电液伺服双轴加载装置、微动疲劳加载装置、液压油源、电控系统以及上位机；所述电液伺服双轴加载装置设置有试验机承力框架、水平导轨、水平轴作动器和垂直轴作动器；所述微动疲劳加载装置设置有微动垫的水平加载装置、试件的垂直加载装置以及摩擦力采集装置。本发明专利技术可实现微动疲劳试验过程中法向载荷的实时控制，从而实现不同波形的交变法向载荷与交变远端载荷双轴比例与非比例加载条件下的微动疲劳试验，同时可对微动疲劳试验过程中微动垫和试件间的摩擦力、摩擦系数等微动关键参数进行实时测量和采集。

A test system and method of fretting fatigue under biaxial loading

【技术实现步骤摘要】
一种双轴加载微动疲劳试验系统及方法
本专利技术涉及一种双轴加载微动疲劳试验系统及方法，属于疲劳试验设备

技术介绍
试验是开展微动疲劳研究的基础。随着微动疲劳问题研究的广泛开展，相应的微动疲劳试验设备不断被开发和改进，功能日趋完善，实验精度不断提高。早期的微动疲劳试验装置，主要以摩擦学研究中使用的磨损试验机改装而来。目前，大多为微动疲劳试验专用设备，多采用液压伺服系统，如美国普渡大学（参考文献：SzolwinskiMP,FarrisTN.Observation,analysisandpredictionoffrettingfatiguein2024-T351aluminumalloy[J].Wear,1998,221(1):24-36.）和美国空军理工学院（参考文献：LykinsC.D.,MallS.,JainV.K.Combinedexperimental-numericalinvestigationoffrettingfatiguecrackinitiation[J].InternationalJournalofFatigue,2001,23（8）:703-711.）的相关试验装置。也有一些为特定机械结构设计的试验机，如牛津大学开发的针对航空涡轮发动机榫连接的微动疲劳试验机（参考文献：RuizC.,BoddingtonPHB,ChenK.C.Aninvestigationoffatigueandfrettinginadovetailjoint[J].ExperimentalMechanics,1984,24（3）:208-217.）。20世纪90年代以前，常用桥式微动滑块，其结构简单，弯曲或循环应力情况下都可应用普通疲劳试件进行试验，但由于其接触状态难于描述，逐渐被接触状态明确的圆柱形的微动垫所取代。以上试验方法均在恒定法向载荷作用下进行单轴加载微动疲劳试验。然而，通过对如航空发动机压气机轮盘榫连接、柴油机主轴承盖螺栓连接、轨道车辆轮对与轮轴过盈配合等典型微动疲劳失效问题的分析发现，大多数微动疲劳失效均发生在交变法向载荷与交变远端载荷的共同作用的多轴加载工况下。因此，设计能够实现交变法向载荷与交变远端载荷同时加载的双轴微动疲劳试验系统，对进一步研究实际工程中的微动问题，深入研究交变法向载荷对微动疲劳行为的影响十分必要。
技术实现思路
为了解决上述存在的问题，本专利技术针对目前微动疲劳试验设备和方法的不足，公开了一种双轴加载微动疲劳试验系统及方法，以实现对交变法向载荷与交变远端载荷共同作用下的微动疲劳问题的研究，其具体技术方案如下：一种双轴加载微动疲劳试验系统，包括电液伺服双轴加载装置1、微动疲劳加载装置2、液压油源6、电控系统7以及上位机8；电液伺服双轴加载装置1，其特征在于，所述电液伺服双轴加载装置1设置有试验机承力框架9、水平导轨10、水平轴作动器18和垂直轴作动器20；所述的微动疲劳加载装置2包括微动垫的水平加载装置、试件的垂直加载装置以及摩擦力采集装置；所述微动垫的水平加载装置包括水平轴向力传感器5、水平加载滑块17、水平加载滑轮支架26、水平加载滑轮25、微动垫夹具22、水平支反力滑轮21、水平支反力滑块12和水平支反力横梁11，所述水平加载滑块17和水平支反力滑块12均贯穿在水平导轨10上，所述水平加载滑块17与水平轴作动器18的液压杆连接，所述水平轴向力传感器5与水平加载滑块17应用螺栓紧固连接，设置在朝向水平支反力滑块12的一侧表面，所述两个水平加载滑轮25与水平加载滑轮支架26用滚动轴承连接，与所述微动垫夹具22形成滚动接触；所述试件的垂直加载装置包括垂直轴向力传感器3、上液压夹头19和下液压夹头13，所述上液压夹头19和下液压夹头13位于同一竖直轴线上，用于加持试件15，所述垂直轴作动器20的液压杆的末端与上液压夹头19连接，所述下液压夹头13的下方设置有支撑杆，可调节高度以适应不同尺寸的试件，所述垂直轴向力传感器3与支撑杆连接；所述摩擦力采集装置包括摩擦力传感器连接杆24、摩擦力传感器4、T型滑块23和摩擦力传感器支架14，所述摩擦力传感器4的顶面与摩擦力传感器连杆24采用螺纹连接，底面与所述T型滑块23采用螺栓连接，T型滑块23通过设置在摩擦力传感器支架14上的T型槽与其连接；所述电液伺服双轴加载装置1包括试验机承力框架9、水平导轨10、水平轴作动器18、垂直轴作动器20，所述试验机承力框架9呈中空的矩形框架结构，所述4条水平导轨10通过螺栓紧固安装在试验机承力框架9上，形成两两平行的水平向框架结构，所述的水平轴作动器18通过螺栓紧固安装在试验机承力框架9的侧面，所述垂直轴作动器20通过螺栓紧固安装在试验机承力框架9上方，两作动器的轴线成90°相互垂直放置；所述微动垫夹具22在朝向试件15一侧中心位置开有矩形槽，并在垂直方向加工螺纹通孔，微动垫16安装在矩形槽内，通过垂直方向上的压紧螺栓将微动垫16与微动垫夹具22固定；所述水平支反力滑块12朝向试件15的一侧设置有水平支反力滚轮21，另一侧与所述的水平支反力横梁11连接，所述水平支反力滑块12一侧为两平行带孔U型板结构，所述水平支反力滚轮21置于两U型板之间，且通过滚动轴承与水平支反力滑块相连并能够自由旋转，所述结构通过水平支反力横梁11调节水平方向的位置以适应不同厚度的试件；所述水平加载滑块17朝向试件15的一侧与水平轴向力传感器5通过螺栓紧固连接，水平轴向力传感器5朝向试件15的一侧与水平加载滑轮支架26连接，所述水平加载滑轮支架26采用滚动轴承与上下两个水平加载滑轮25连接并保证其能够自由旋转，所述水平加载滑轮25与微动垫夹具22形成滚动接触；所述水平支反力横梁11，水平支反力滑块12和水平支反力滑轮21组成支反力系统用以平衡所述水平轴作动器18对试件15的法向载荷（水平轴向力）且水平支反力滚轮21与微动垫16的圆心或中心线在同一水平线上；所述两个水平加载滑轮25与微动垫夹具22形成两点滚动接触，该结构有如下特点：（1）将水平轴向载荷传递到微动垫16上；（2）不约束微动垫夹具22和微动垫16在垂直轴向的运动，从而保证摩擦力传感器4对微动垫与试件间摩擦力的测量精度；（3）水平加载滑轮25与微动垫夹具22的两点接触能够平衡因微动垫与试件间摩擦力产生的附加力矩，约束微动垫夹具22和微动垫16的上下摆动，从而保证微动现象的实现；所述水平导轨10有四根，所述水平支反力滑块12和水平加载滑块17均呈规格一致的矩形形状，四根水平导轨10分别从水平支反力滑块12和水平加载滑块17的四个拐角处的圆孔处穿过，水平导轨10起到为两滑块导向的作用。水平支反力滑块可带动安装在其上的水平支反力滑轮21沿水平方向自由滑动，水平加载滑块17可带动安装在其上的水平轴向力传感器5、水平加载滑轮支架26和水平加载滑轮25沿水平方向自由滑动；所述摩擦力传感器4的下方通过螺栓与T型滑块23紧固连接，所述摩擦力传感器支架14的顶部开设有T形槽，通过该T形槽与T形滑块23连接，T形滑块2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种双轴加载微动疲劳试验系统，包括电液伺服双轴加载装置、微动疲劳加载装置、液压油源、电控系统以及上位机；电液伺服双轴加载装置，其特征在于，所述电液伺服双轴加载装置设置有试验机承力框架、水平导轨、水平轴作动器和垂直轴作动器；所述的微动疲劳加载装置包括微动垫的水平加载装置、试件的垂直加载装置以及摩擦力采集装置；/n所述微动垫的水平加载装置包括水平轴向力传感器、水平加载滑块、水平加载滑轮支架、水平加载滑轮、微动垫夹具、水平支反力滑轮、水平支反力滑块和水平支反力横梁，所述水平加载滑块和水平支反力滑块均贯穿在水平导轨上，所述水平加载滑块与水平轴作动器的液压杆连接，所述水平轴向力传感器与水平加载滑块应用螺栓紧固连接，设置在朝向水平支反力滑块的一侧表面，所述两个水平加载滑轮与水平加载滑轮支架用滚动轴承连接，与所述微动垫夹具形成滚动接触；/n所述试件的垂直加载装置包括垂直轴向力传感器、上液压夹头和下液压夹头，所述上液压夹头和下液压夹头位于同一竖直轴线上，用于加持试件，所述垂直轴作动器的液压杆的末端与上液压夹头连接，所述下液压夹头的下方设置有支撑杆，所述垂直轴向力传感器与支撑杆连接；/n所述摩擦力采集装置包括摩擦力传感器连接杆、摩擦力传感器、T型滑块和摩擦力传感器支架，所述摩擦力传感器的顶面与摩擦力传感器连杆采用螺纹连接，底面与所述T型滑块采用螺栓连接，T型滑块通过设置在摩擦力传感器支架上的T型槽与其连接。/n...

【技术特征摘要】
1.一种双轴加载微动疲劳试验系统，包括电液伺服双轴加载装置、微动疲劳加载装置、液压油源、电控系统以及上位机；电液伺服双轴加载装置，其特征在于，所述电液伺服双轴加载装置设置有试验机承力框架、水平导轨、水平轴作动器和垂直轴作动器；所述的微动疲劳加载装置包括微动垫的水平加载装置、试件的垂直加载装置以及摩擦力采集装置；
所述微动垫的水平加载装置包括水平轴向力传感器、水平加载滑块、水平加载滑轮支架、水平加载滑轮、微动垫夹具、水平支反力滑轮、水平支反力滑块和水平支反力横梁，所述水平加载滑块和水平支反力滑块均贯穿在水平导轨上，所述水平加载滑块与水平轴作动器的液压杆连接，所述水平轴向力传感器与水平加载滑块应用螺栓紧固连接，设置在朝向水平支反力滑块的一侧表面，所述两个水平加载滑轮与水平加载滑轮支架用滚动轴承连接，与所述微动垫夹具形成滚动接触；
所述试件的垂直加载装置包括垂直轴向力传感器、上液压夹头和下液压夹头，所述上液压夹头和下液压夹头位于同一竖直轴线上，用于加持试件，所述垂直轴作动器的液压杆的末端与上液压夹头连接，所述下液压夹头的下方设置有支撑杆，所述垂直轴向力传感器与支撑杆连接；
所述摩擦力采集装置包括摩擦力传感器连接杆、摩擦力传感器、T型滑块和摩擦力传感器支架，所述摩擦力传感器的顶面与摩擦力传感器连杆采用螺纹连接，底面与所述T型滑块采用螺栓连接，T型滑块通过设置在摩擦力传感器支架上的T型槽与其连接。


2.根据权利要求1所述的一种双轴加载微动疲劳试验系统，其特征在于，所述电液伺服双轴加载装置包括试验机承力框架、水平导轨、水平轴作动器和垂直轴作动器，所述试验机承力框架呈中空的矩形框架结构，所述4条水平导轨通过螺栓紧固安装在试验机承力框架上，形成两两平行的水平向框架结构，所述的水平轴作动器通过螺栓紧固安装在试验机承力框架的侧面，所述垂直轴作动器通过螺栓紧固安装在试验机承力框架上方，两作动器的轴线成90°相互垂直放置。


3.根据权利要求1所述的一种双轴加载微动疲劳试验系统，其特征在于，所述微动垫夹具在朝向试件一侧中心位置开有矩形槽，并在垂直方向加工螺纹通孔，微动垫安装在矩形槽内，通过垂直方向上的压紧螺栓将微动垫与微动垫夹具固定。


4.根据权利要求1所述的一种双轴加载微动疲劳试验系统，其特征在于，所述水平支反力滑块朝向试件的一侧设置有水平支反力滚轮，另一侧与所述的水平支反力横梁连接，所述水平支反力滑块一侧为两平行带孔U型板结构，所述水平支反力滚轮置于两U型板之间，且通过滚动轴承与水平支反力滑块相连并能够自由旋转。


5.根据权利要求1所述的一种双轴加载微动疲劳试验系统，其特征在于，所述水平加载滑块朝向试件的一侧与水平轴向力传感器通过螺栓紧固连接，水平轴向力传感器朝向试件的一侧与水平加载滑轮支架连接，所述水平加载滑轮支架采用滚动轴承与上下两个水平加载滑轮连接并保证其能够自由旋转，所述水平加载滑轮与微动垫夹具形成滚动接触。


6.根据权利要求4所述的一种双轴加载微动疲劳试验系统，其特征在于，所述水平支反力横梁，水平支反力滑块和水平支反力滑轮组成支反力系统用以平衡所述水平轴作动器对试...

【专利技术属性】
技术研发人员：李欣，杨建伟，白堂博，祝赫锴，刘东一，
申请(专利权)人：北京建筑大学，
类型：发明
国别省市：北京;11