[发明专利]微动摩擦超声振动超长寿命疲劳试验装置

说明书

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10-100Hz，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, ASM,Metals 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：