一种超声高频滚珠磨损疲劳试验装置

摘要

本发明公开了一种超声高频滚珠磨损疲劳试验装置,利用超声加载的方式实现磨损载荷作用下不同滚珠试样超高周疲劳寿命测试，以及高频振动、滚动磨损复合载荷作用下振动试件超高周疲劳性能测试；定位丝杠带动两个滚珠移动装置轴向相向运动，滑板带动超声加载装置沿支撑板燕尾槽纵向运动，可精确确定出滚珠试样与纵向振动试件的相对位置；纵向振动试件承受纵向振动高频循环载荷以及滚动磨损复合载荷作用，进行不同振动试件材料复合载荷作用下超高周疲劳性能测试；通过调节纵向振动试件与滚珠试样的纵向接触位置，实现对滚珠试样不同大小振动摩擦位移的加载；滚珠移动装置连接滚珠夹持装置，可一次实现两个滚珠试样的超声疲劳试验。

权利要求

1.一种超声高频滚珠磨损疲劳试验装置，包括立式试验台架、超声加载装置、滚珠移动装置、滚珠夹持装置、定位丝杠、摇动杆，其特征在于:所述立式试验台架还包括底座、支撑板、滑板、横梁，所述底座为长方体，底座中间轴向开有梯形凹槽，用于安装滚珠移动装置，底座两端中间有轴向安装孔与凹槽相通，底座上表面凹槽的两侧对称分布4个螺孔，底座四角有支撑柱；所述支撑板为两块长方形板，支撑板下端侧面各有两个带螺孔的支座，两支撑板分别通过螺栓固定在底座上，支撑板下端中间部位开有矩形槽，支撑板矩形槽宽度与底座凹槽宽度相同，两支撑板相对的侧面上部中间分别开有燕尾槽，上端部有对称的螺孔；所述滑板中间有中心孔，两端凸块端有燕尾结构，滑板两端的燕尾结构与支撑板的燕尾槽配合安装，沿着燕尾槽竖直方向滑动；横梁两端有螺孔，横梁通过螺栓连接在两支撑板内侧上部；所述超声加载装置包括上定位盘、连接杆、换能器、纵向位移放大器、下定位盘、纵向振动试件，超声加载装置通过螺栓连接在立式试验台架内，所述上定位盘与所述下定位盘为结构相同的薄板圆盘，定位盘中间有通孔，依通孔中心等距离均布有三个螺孔，连接杆两端有螺纹，上定位盘与下定位盘通过连接杆、螺母固连；换能器下端中心有螺孔，纵向位移放大器两端中心分别开有螺孔，换能器位于纵向位移放大器的上端，且与纵向位移放大器通过螺栓连接，纵向位移放大器与下定位盘的中间通孔配合固定在下定位盘上，纵向振动试件连接在纵向位移放大器的下端，上定位盘与滑板通过螺栓、螺母固连；所述滚珠移动装置由移动块、连接板、压紧螺栓组成，两个滚珠移动装置结构相同位于超声加载装置的下方，两个滚珠移动装置对称安装在底座的凹槽内；所述移动块下部为梯形结构，中间有螺孔，且与定位丝杠同轴向，移动块上端部有两个对称的螺孔，移动块上部为矩形结构，两侧有凸耳，凸耳中心开有螺孔，压紧螺栓与凸耳螺孔配合，通过旋转压紧螺栓至底座上面固定移动块的位置；所述连接板上中间有通孔，且与移动块中间螺孔同轴向平行,连接板下部底座两端有螺孔，连接板位于移动块上端通过螺栓固连；所述滚珠夹持装置包括压球盖、滚珠试样、内嵌块、弹簧、芯棒、夹头，两个滚珠夹持装置结构相同，所述夹头为台阶圆柱体，夹头一端有外螺纹，夹头另一端中心开有三段台阶内孔，外端面均布三个螺孔；芯棒一端嵌套在夹头的第三段台阶孔内，弹簧套在芯棒上位于夹头的第二段台阶孔内,内嵌块一端嵌套在夹头的第一段台阶孔内，内嵌块一端开有中心孔，芯棒另一端嵌套在内嵌块中心孔内，内嵌块另一端中心有球面凹槽；压球盖中心开有球面形通孔，外侧壁面周向均布有三个凸耳，凸耳上开有中心孔，压球盖与夹头通过螺栓连接；滚珠试样位于内嵌块与压球盖之间，滚珠试样在内嵌块与压球盖内做旋转运动；两个夹头有外螺纹的一端分别穿过两个连接板上的通孔通过螺母紧固连接；所述定位丝杠中间部位有两段等长度旋向相反的螺纹，两端为方形结构，定位丝杠分别穿过移动块中间螺孔，定位丝杠安装在底座两端的安装孔上，定位丝杠旋转带动两个滚珠移动装置沿着底座梯形槽轴向相向运动；所述摇动杆中间有方形通孔，两端为圆柱杆，摇动杆与定位丝杠一端固连,通过摇动杆带动定位丝杠旋转运动。

2.根据权利要求1所述的超声高频滚珠磨损疲劳试验装置，其特征在于:支撑板的燕尾槽与底座中间轴向凹槽、底座两端通孔的中心线位于同一垂直面内。

3.根据权利要求1所述的超声高频滚珠磨损疲劳试验装置，其特征在于:横梁与底座平行安装。

说明书

一种超声高频滚珠磨损疲劳试验装置

技术领域

[0001] 本发明涉及滚动摩擦接触疲劳寿命测试技术领域，具体地说，涉及一种测试滚珠磨损超高周疲劳寿命，以及振动试件滚动磨损作用下超高周疲劳性能的超声高频滚珠磨损疲劳试验装置。

背景技术

[0002] 在航空航天、铁路交通工业领域，机械结构部件长期承受高频振动循环载荷以及滚动磨损循环载荷的复合作用，这些载荷循环周次高达109～1011周，属于超高周范畴，在这种复合载荷作用下造成的复合损伤会大大加速机械结构件的疲劳破坏。所以，针对这种复合载荷作用下的机械部件开展关于高频滚动磨损试样的超高周疲劳寿命测试已经成为一个新的研究课题。

[0003] 轴承是机械结构支撑承载部件，长期承受高频循环载荷作用，滚珠作为轴承的关键部件，滚珠的高频滚动磨损又是轴承破坏的主要方式，现有的专用轴承疲劳试验装置试验成本较高，试验过程限制因素多，并且尚没有针对滚珠高频磨损的超高周疲劳试验装置。中国专利CN102147341A(20110810)中公开了“一种轴承滚子接触疲劳试验机及操作方法”，该试验机及操作方法可进行滚子接触疲劳试验，但采用电机驱动增速性较差，对于超高周疲劳寿命测试时间成本高，同时一次只能进行一个滚子的疲劳试验。另一方面，针对长期承受高频滚动磨损复合载荷作用下的机械部件，也尚没有测试在此复合载荷作用下部件疲劳性能的疲劳试验装置。在中国专利CN102830029A(201212190)中提出一种“微动摩擦超声振动超长寿命疲劳试验装置”，该试验装置可进行微动摩擦接触试件超长寿命测试，但试验装置的摩擦接触类型是针对静摩擦，摩擦压头固定不动，而现实中接触试件均是相互运动的。
针对上述试验装置中存在的问题，目前现有技术中特需要一种测试复合载荷作用下滚珠超高周疲劳寿命，以及滚动磨损试件疲劳性能的高频滚动磨损疲劳试验装置。

[0004] 超声疲劳试验技术采用共振原理，将超声发生器产生的高频电信号通过换能器转化为同频率的振动位移输出，然后通过纵向位移放大器将振动位移放大并加载到试样上，从而实现结构的超声高频加载，获得超高周疲劳性能。所以，可通过超声加载方式实现滚珠以及振动试件高频滚动磨损超高周疲劳试验。

发明内容

[0005] 为了避免现有技术存在的不足，本发明提出一种超声高频滚珠磨损疲劳试验装置,利用超声加载的方式实现磨损载荷作用下不同滚珠试样超高周疲劳寿命测试以及高频振动、滚动磨损复合载荷作用下振动试件超高周疲劳性能测试。

[0006] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括立式试验台架、超声加载装置、滚珠移动装置、滚珠夹持装置、定位丝杠、摇动杆，所述立式试验台架包括底座、支撑板、滑板、横梁，所述底座为长方体，底座中间轴向开有梯形凹槽，用于安装滚珠移动装置，底座两端中间有轴向安装孔与凹槽相通，底座上表面凹槽的两侧对称分布4个螺孔，底座四角有支撑柱；所述支撑板为两块长方形板，支撑板下端侧面各有两个带螺孔的支座，两支撑板分别通过螺栓固定在底座上，支撑板下端中间部位开有矩形槽，支撑板矩形槽宽度与底座凹槽宽度相同，两支撑板相对的侧面上部中间分别开有燕尾槽，上端部有对称的螺孔；所述滑板中间有中心孔，两端凸块端有燕尾结构，滑板两端的燕尾结构与支撑板的燕尾槽配合安装，沿着燕尾槽竖直方向滑动；横梁两端有螺孔，横梁通过螺栓连接在两支撑板内侧上部；所述超声加载装置包括上定位盘、连接杆、换能器、纵向位移放大器、下定位盘、纵向振动试件，超声加载装置通过螺栓连接在立式试验台架内，所述上定位盘与所述下定位盘为结构相同的薄板圆盘，定位盘中间有通孔，依通孔中心等距离均布有三个螺孔，连接杆两端有螺纹，上定位盘与下定位盘通过连接杆、螺母固连；换能器下端中心有螺孔，纵向位移放大器两端中心分别开有螺孔，换能器位于纵向位移放大器的上端，且与纵向位移放大器通过螺栓连接，纵向位移放大器与下定位盘的中间通孔配合固定在下定位盘上，纵向振动试件连接在纵向位移放大器的下端，上定位盘与滑板通过螺栓、螺母固连；所述滚珠移动装置由移动块、连接板、压紧螺栓组成，两个滚珠移动装置结构相同位于超声加载装置的下方，两个滚珠移动装置对称安装在底座的凹槽内；所述移动块下部为梯形结构，中间有螺孔，且与定位丝杠同轴向，移动块上端部有两个对称的螺孔，移动块上部为矩形结构，两侧有凸耳，凸耳中心开有螺孔，压紧螺栓与凸耳螺孔配合，通过旋转压紧螺栓至底座上面固定移动块的位置；所述连接板上中间有通孔，且与移动块中间螺孔同轴向平行,连接板下部底座两端有螺孔，连接板位于移动块上端通过螺栓固连；所述滚珠夹持装置包括压球盖、滚珠试样、内嵌块、弹簧、芯棒、夹头，两个滚珠夹持装置结构相同，所述夹头为台阶圆柱体，夹头一端有外螺纹，夹头另一端中心开有三段台阶内孔，外端面均布三个螺孔；芯棒一端嵌套在夹头的第三段台阶孔内，弹簧套在芯棒上位于夹头的第二段台阶孔内,内嵌块一端嵌套在夹头的第一段台阶孔内，内嵌块一端开有中心孔，芯棒另一端嵌套在内嵌块中心孔内，内嵌块另一端中心有球面凹槽；压球盖中心开有球面形通孔，外侧壁面周向均布有三个凸耳，凸耳上开有中心孔，压球盖与夹头通过螺栓连接；滚珠试样位于内嵌块与压球盖之间，滚珠试样在内嵌块与压球盖内做旋转运动；两个夹头有外螺纹的一端分别穿过两个连接板上的通孔通过螺母紧固连接；所述定位丝杠中间部位有两段等长度旋向相反的螺纹，两端为方形结构，定位丝杠分别穿过移动块中间螺孔，定位丝杠安装在底座两端的安装孔上，定位丝杠旋转带动两个滚珠移动装置沿着底座梯形槽轴向相向运动；所述摇动杆中间有方形通孔，两端为圆柱杆，摇动杆与定位丝杠一端固连,通过摇动杆带动定位丝杠旋转运动。

[0007] 支撑板的燕尾槽与底座中间轴向凹槽、底座两端通孔的中心线位于同一垂直面内。

[0008] 横梁与底座平行安装。

[0009] 有益效果

[0010] 本发明提出的超声高频滚珠磨损疲劳试验装置，利用共振原理，保证超声加载装置20kHz振动频率，进行高频加载实现超高周疲劳寿命测试；定位丝杠带动两个滚珠移动装置轴向相向运动，滑板带动超声加载装置沿着支撑板燕尾槽纵向运动，可精确确定出滚珠试样与纵向振动试件的相对位置；纵向振动试件承受纵向振动高频循环载荷以及滚动磨损复合载荷作用，进行不同振动试件材料复合载荷作用下超高周疲劳性能测试；纵向振动试件不同位置上的纵向振动位移不同，通过调节纵向振动试件与滚珠试样的纵向接触位置，实现对滚珠试样不同大小振动摩擦位移的加载，并保证滚珠的循环滚动；两个滚珠夹持装置与两个滚珠移动装置连接，可一次实现两个滚珠试样的超声疲劳试验；滚珠在滚珠夹持装置中循环滚动，且与纵向振动试件相接触，实现滚动磨损载荷加载；滚珠夹持装置为减震结构，可缓冲滚珠试样与纵向振动试件碰撞接触；通过检测超声加载装置整个共振系统的谐振频率，可确定滚珠试样是否出现疲劳破坏；滚珠试样与纵向振动试件可根据试验对象的不同进行更换。

附图说明

[0011] 下面结合附图和实施方式对本发明一种超声高频滚珠磨损疲劳试验装置作进一步详细说明。

[0012] 图1为本发明超声高频滚珠磨损疲劳试验装置结构示意图。

[0013] 图2为本发明的超声加载装置结构示意图。

[0014] 图3为本发明的滚珠移动装置结构示意图。

[0015] 图4为本发明的滚珠夹持装置爆炸图。

[0016] 图5为本发明的滚珠夹持装置剖视图。

[0017] 图6为本发明的底座结构示意图。

[0018] 图7为本发明的支撑板结构示意图。

[0019] 图8为本发明的滑板结构示意图。

[0020] 图9为本发明的横梁结构示意图。

[0021] 图10为本发明的上定位盘示意图。

[0022] 图11为本发明的连接杆结构示意图。

[0023] 图12为本发明的换能器示意图。

[0024] 图13为本发明的纵向位移放大器示意图。

[0025] 图14为本发明的下定位盘示意图。

[0026] 图15为本发明的纵向振动试件结构示意图。

[0027] 图16为本发明的定位丝杠结构示意图。

[0028] 图17为本发明的纵向振动试件谐振位移示意图。

[0029] 图18为本发明的纵向振动试件谐振应力示意图。

[0030] 图19为本发明的摇动杆结构示意图。

[0031] 图20为本发明的移动块结构示意图。

[0032] 图21为本发明的连接板结构示意图。

[0033] 图22为本发明的压球盖结构示意图。

[0034] 图23为本发明的内嵌块结构示意图。

[0035] 图24为本发明的夹头结构示意图。

[0036] 图中:

[0037] 1.底座 2.支撑板 3.滑板 4.横梁 5.上定位盘 6.连接杆 7.换能器 8.纵向位移放大器 9.下定位盘 10.纵向振动试件 11.定位丝杠 12.摇动杆 13.移动块 14.连接板 15.压紧螺栓 16.压球盖 17.滚珠试样 18.内嵌块 19.弹簧 20.芯棒 21.夹头具体实施方式

[0038] 本实施例是一种超声高频滚珠磨损疲劳试验装置。该试验装置应用共振原理，换能器、纵向位移放大器与纵向振动试件构成纵向谐振系统，通过精确计算各组件的结构尺寸保证整个纵向谐振系统的20kHz振动频率。通过调节立式试验台架上滑板纵向位置带动超声加载装置纵向运动，定位丝杠的旋转带动两个滚珠移动装置连同滚珠夹持装置横向相向运动，从而精确确定出滚珠相对于纵向振动试件的相对位置。纵向振动试件在超声加载装置的纵向振动高频循环载荷作用下，同时还承受滚珠的滚动磨损载荷，可进行振动试件复合载荷作用下超高周疲劳性能测试。纵向振动试件不同位置上的纵向振动位移不同，通过调节纵向振动试件与滚珠的纵向接触位置，实现对滚珠试样不同大小振动摩擦位移加载。超声加载装置可外接监测系统，通过检测整个共振系统的谐振频率来确定滚珠试样是否出现疲劳破坏进而测试出滚珠试样的疲劳寿命。滚珠试样与纵向振动试件可根据试验对象的不同进行更换。

[0039] 参阅图1～图24，本实施例超声高频滚珠磨损疲劳试验装置，由立式试验台架、超声加载装置、滚珠移动装置、滚珠夹持装置、定位丝杠和摇动杆组成；超声加载装置固定在立式试验台架上端滑板3的中间部位，通过滑板3的滑动来调节竖直方向的位置；定位丝杠11安装在立式试验台架的底座1中间，并穿过滚珠移动装置下部；滚珠移动装置安装在立式试验台架底座1中间部位；滚珠夹持装置连接在滚珠移动装置上部，摇动杆12与定位丝杠11固连，通过转动摇动杆12调节滚珠移动装置的横向位移，使得位于滚珠夹持装置上的滚珠试样17与超声加载装置纵向振动试件10相接触。

[0040] 本实施例中，立式试验台架包括底座1、支撑板2、滑板3、横梁4，底座1为长方体，中间轴向开有梯形凹槽，用于安装滚珠移动装置，底座1两端中间有轴向安装孔与凹槽相通，用于安装定位丝杠11，底座上表面凹槽的两侧对称分布有4个螺孔，底座1下部四角有支撑。支撑板2为两块结构相同的长方形板，支撑板2下端侧面各有两个带螺孔的支座，两支撑板分别通过螺栓固定在底座上，支撑板2下端中间部位加工有矩形槽，支撑板2矩形槽的宽度与底座1凹槽的宽度相同，两支撑板相对的侧面上部中间分别加工有燕尾槽，上端部有对称的螺孔。滑板3中间开有中心孔，两端凸块端有燕尾结构，滑板3两端的燕尾结构与支撑板2的燕尾槽配合安装，且沿着燕尾槽竖直方向滑动。横梁4两端开有螺孔，横梁4通过螺栓连接在两支撑板内侧上部。

[0041] 超声加载装置包括上定位盘5、连接杆6、换能器7、纵向位移放大器8、下定位盘9、纵向振动试件10，上定位盘5与下定位盘9结构相同，定位盘为圆形薄板，中间部位开有通孔，依通孔中心等距离均布有三个螺孔。连接杆6两端有螺纹，上定位盘5与下定位盘9通过连接杆6连接，上定位盘5通过螺栓和螺母固连在滑块3上。换能器7下端中心有螺孔，纵向位移放大器8两端中间分别开有螺孔，换能器7通过螺栓连接在纵向位移放大器8的上端，纵向位移放大器8通过下定位盘的中间通孔安装在下定位盘9上；纵向振动试件10安装在纵向位移放大器8的下端，纵向振动试件10满足超声加载装置的谐振频率；纵向振动试件10为回转体结构，上端面螺纹连接在纵向位移放大器8下端的螺孔上，上下两端为非对称结构，上端柱体直径大于下端柱体直径，结构上的非对称性导致纵向振动试件谐振位移与应力分布对称位置向上部偏移。

[0042] 滚珠移动装置由移动块13、连接板14、压紧螺栓15组成，两个滚珠移动装置结构相同对称安装在立式试验台架底座1的凹槽内；移动块13下部分为梯形结构，中间部位加工有螺孔，且与定位丝杠11同轴向,移动块13上端部有两个对称的螺孔，移动块13上部两侧有凸耳,凸耳中心加工有螺孔，压紧螺栓15与凸耳螺孔配合，通过旋转压紧螺栓15至底座1上面固定移动块13的位置。连接板14上部中间有通孔，且与移动块13中间螺孔同轴向平行,连接板14下部底座两端有螺孔，连接板14安装在移动块13上端通过螺栓固连。

[0043] 滚珠夹持装置由压球盖16、滚珠试样17、内嵌块18、弹簧19、芯棒20、夹头21组成，两个滚珠夹持装置结构相同，两个滚珠夹持装置的夹头分别穿过两个滚珠移动装置的连接板上的通孔通过螺母紧固连接。夹头21一端表面有外螺纹，夹头21另一端为三段台阶孔结构，外端面均布有三个螺孔；芯棒20一端嵌套在夹头21的第三段台阶孔内，弹簧19套在芯棒20上安装在夹头21的第二段台阶孔内,并与芯棒20及夹头21第二段台阶孔间有微小间隙；
内嵌块18一端嵌套在夹头21的第一段台阶孔内，内嵌块18一端面开有中心孔，芯棒20另一端嵌套在内嵌块18中心孔内，且端面中心孔底部与芯棒20端面有间隙，且与内嵌块18端面至夹头21的第一段台阶孔肩间隙距离相等，内嵌块18另一端面中心加工有球面凹槽。压球盖16中心加工有球面形通孔，压球盖16外侧壁面周向均布三个凸耳，凸耳上开有中心通孔，压球盖16与夹头21通过螺栓连接；滚珠试样17嵌套在内嵌块18与压球盖16之间的球面槽孔中，保证滚珠试样17一部分高出压球盖16端面,滚珠试样17与纵向振动试件10线性摩擦接触，弹簧19对于碰撞接触起到一定的缓冲作用，同时滚珠试样17在内嵌块18与压球盖16中做旋转运动。

[0044] 定位丝杠11为圆柱形，定位丝杠11上中间部位有两段同长度旋向相反的螺纹，定位丝杠11两端为方形块结构，定位丝杠11分别穿过两个滚珠移动装置的移动块13，且与移动块13下部中间螺孔配合连同滚珠移动装置一同安装,定位丝杠11安装在底座1两侧端的安装孔上,定位丝杠11旋转带动两个滚珠移动装置沿着底座1梯形槽轴向相向运动。摇动杆12中间有方形通孔，两端为圆柱杆，摇动杆12与定位丝杠11一端固连,通过摇动杆12转动带动定位丝杠11旋转运动。

[0045] 实施例一

[0046] 本实施例中，超声高频滚珠磨损疲劳试验装置进行滚珠试样高频磨损超高周疲劳试验时，首先将滚珠夹持装置以及超声加载装置分别安装在立式试验台架上，然后根据试验需求将滚珠试样17安装在滚珠夹持装置上，并将滚珠夹持装置连接到滚珠移动装置上，然后转动摇动杆12带动定位丝杠11转动调节滚珠试样的轴横向位置，同时通过滑板3调节超声加载装置的纵向位置，使得滚珠试样17与纵向振动试件10线性接触并保证滚珠试样17可循环滚动，确定好位置后旋转压紧螺栓15将滚珠移动装置进行锁紧定位，最后启动超声加载装置进行滚珠试样17高频磨损疲劳试验。

[0047] 实施例二

[0048] 本实施例中，超声高频滚珠磨损疲劳试验装置进行纵向振动试件高频振动、滚动磨损复合载荷作用下超高周疲劳性能测试时，根据要进行的试验材料制作合适的振动试件，首先将滚珠夹持装置以及超声加载装置分别安装在立式试验台架上，然后根据试验需求将滚珠试样17安装在滚珠夹持装置上，并将滚珠夹持装置连接到滚珠移动装置上，然后转动摇动杆12带动定位丝杠11转动调节滚珠试样17的轴向位置，同时通过滑板3调节超声加载装置的纵向位置，使得滚珠试样17与纵向振动试件10线性接触并保证滚珠试样17可循环滚动，启动超声加载装置进行纵向振动试件10高频滚动磨损疲劳试验。