可实现失效预警的热喷涂层接触疲劳试验机的制作方法

本发明涉及疲劳试验机，尤其是一种可实现失效预警的热喷涂层接触疲劳试验机。

背景技术：

滚动接触疲劳(RCF)是较为常见的机械零部件与工程结构件的主要失效形式，例如轴，齿轮、凸轮和滚子等。滚动接触疲劳会造成巨大经济损失，并限制工作设备属性。磨损的主要表现形式是：由在滑动接触下引起附着力导至的表面材料的去除。滚动接触疲劳常常发生在滚动接触的摩擦副表面上。它是一种持久性损伤方式，其包括裂纹萌生，裂纹扩展和裂纹由于所产生的剪切应力在交变载荷的作用下引起的表面层断裂。滚动接触疲劳都是有关材料表面失效的学科，它们在接触，摩擦和表面累积损伤方面有共同的特点。

滚动接触疲劳寿命试验机为了模拟真实的接触条件，即表面涂层的“滑滚动”，一般采用竖直加载的方法给试件施加载荷，主轴转动带动滚子对试件进行滚动。传统滚动接触疲劳试验机采用的是急停凸轮来进行涂层破坏的判定。其原理是在滚动过程中，试样的滚道表面产生了疲劳微裂纹，使得试样与滚子之间的滚动摩擦力逐渐增大，当试样与滚子间的摩擦扭矩大于摩擦离合器预先设置的摩擦扭矩极限T_f时，急停凸轮转动，急停接触开关闭合，PC机收到信号，控制驱动电机停转。然而这种判定失效方法是不合理的，因为急停凸轮转动时，试样表面往往已经产生较为明显的疲劳破坏。在滚子滚动过程中，涂层内部出现微裂纹时，试件其实就已经疲劳失效。

技术实现要素：

为了克服已有滚动接触方式的无法检测滚动疲劳程度的不足，本发明提供一种有效检测滚动疲劳程度的可实现失效预警的热喷涂层接触疲劳试验机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可实现失效预警的热喷涂层接触疲劳试验机，包括试验装置、润滑模块、加载模块、驱动模块和信号采集模块；

所述试验装置包括试腔、润滑液腔、上试样固定盘、上试样、滚子和下试样，所述润滑液腔套装在主轴上，所述试腔的下端与主轴的端部过盈配合并与主轴固定，所述下试样装配在试腔内，下试样与试腔之间为过盈配合；上试样和上试样固定盘为过盈配合，上试样和下试样之间为滚子，所述加载模块加载的力直接作用在上试样固定盘，并由上试样固定盘间接作用于上试样上；

所述信号采集模块包括声发射传感器、数据转接卡和计算机，所述声发射传感器安装在上试样固定盘中，所述声发射传感器和上试样上表面直接接触，下试样带动滚子滚动时滚子在上试样下表面滚道滚动，声发射传感器接收到的AE输出信号通过转接卡输入到计算机。

进一步，所述润滑模块包括齿轮油泵、YCTD系列电磁调速电动机、油箱和滤网，所述油箱分为左右两个腔，由滤网一分为二，左腔为干净油液，右腔为带有杂质的油液；所述齿轮油泵的出油口和加载模块上部进油口通过管子相连，进油口和油箱左腔通过管子相连，油箱右腔和润滑液出油口通过管子相连。

再进一步，所述加载模块包括加载杠杆和砝码加载组件，所述砝码加载组件包括悬挂体、托盘和砝码，所述悬挂体的下部放置托盘，所述托盘内放置砝码，所述加载杠杆一端和支架的铰链连接，所述加载杠杆的另一端和砝码加载组件通过铜套与销相连，所述加载杠杆的下部装有上试样固定盘，上试样固定盘的中心有进油孔。

所述驱动模块为变频调速电机YVP90L-4，变频调速电机固定在箱体的内部，变频调速电机通过大带轮、传动带和主轴上的小带轮进行动力传递。

轴承套杯固定在箱盖上，主轴由一对角接触球轴承和一个深沟球轴承进行固定，润滑液腔和轴承套杯固定，并带有一个出油口。上试样固定盘与上试样过盈配合；试腔的腔体周围有2个出油孔，腔体上部为试件放入端，腔体的底部有两个和主轴相固定的配合孔。

本发明的技术构思为：采用声发射(AE)技术来监测表面涂层的破坏，尤其是RCF失效。声发射信号的能量和幅度可以敏锐地监测因疲劳裂纹扩展导致材料断裂所产生的应力波。因此该试验机在实验过程中声发射信号可以在常用的振动信号前预警故障的发生。这有助于减少人为错误，并准确确定故障点。

本发明的有益效果主要表现在：通过声发射传感器，可以在上试样涂层内部出现微裂纹或其他细小疲劳失效时便可接收到特定能量和幅度的AE信号，经放大处理后反馈给PC机，并由PC机控制急停。这可以使得滚动接触疲劳磨损试验机具备预警功能。

附图说明

图1是滚动接触疲劳磨损试验机结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1的侧视图。

图4是图1试腔的结构放大图。

图5是图1润滑模块的结构放大图。

图6是润滑液腔结构示意图。

图7是试腔结构示意图。

图8是上试样结构示意图。

图9是下试样结构示意图。

其中，1、钢结构用高强度大六角头螺栓-平头M30*60；2、标准型弹簧垫圈30；3、六角头螺栓-全螺纹M10*55；4、标准型弹簧垫圈10；5、加载杠杆；6、上试样固定盘；7、轴承套杯；8、YCTD系列电磁调速电动机；9、齿轮油泵；10、六角头螺栓-全螺纹M30*120；11、标准型弹簧垫圈30；12、箱盖；13、油箱；14、滤网；15、箱体；16、六角头螺栓-全螺纹M12*30；17、传动带；18、小带轮；19、主轴；20、大带轮；21、普通型平键-A型18*70；22、B型螺栓紧固轴端挡圈B90；23、六角头螺栓-全螺纹M12*45；24、六角头螺栓-全螺纹M14*70；25、标准型弹簧垫圈14；26、六角头螺栓-全螺纹M10*50；27、六角头螺栓-全螺纹M8*40；28、六角头螺栓-全螺纹M5*20；29、B型螺栓紧固轴端挡圈B90；30、带轮；31、润滑液腔；32、六角螺母-C级M30；33、声发射传感器；34、上试样；35、滚子；36、下试样；37、试腔；38、深沟球轴承6218；39、悬挂座；40、钢结构用高强度大六角头螺栓-平头M42*50；41、六角螺母-C级M42；42、六角头螺栓-全螺纹M24*65；43、标准型弹簧垫圈24；44、六角头铰制孔用螺栓-B级M36*150；45、铜套；46、圆柱销-不淬硬钢和奥氏体不锈钢20*100；47、悬挂体；48、调整垫片；49、轴承透盖；50、钢结构用高强度大六角头螺栓-平头M20*50；51、托盘；52、圆螺母M24*1.5；53、六角头铰制孔用螺栓-A级M24*100；54、挡板；55、变频调速电机YVP90L-4；56、套筒；57、角接触球轴承；58、毡圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图9，一种可实现失效预警的热喷涂层接触疲劳试验机，包括试验装置、润滑模块、加载模块、驱动模块和信号采集模块；

所述试验装置包括试腔37、润滑液腔31、上试样固定盘6、上试样34、滚子35和下试样36，润滑液腔31套装在主轴19上，试腔37的下端与主轴19的端部过盈配合并与主轴固定，使得主轴在旋转过程中带动试腔进行周向转动；下试样36装配在试腔37内，下试样36与试腔37之间为过盈配合；上试样34和上试样固定盘6为过盈配合，上试样34和下试样36之间为滚子35，所述加载模块加载的力直接作用在上试样固定盘6，并由上试样固定盘6间接作用于上试样上。

所述润滑模块包括齿轮油泵9、YCTD系列电磁调速电动机8、油箱13和滤网14，所述油箱13分为左右两个腔，由滤网14一分为二，左腔为干净油液，右腔为带有杂质的油液，通过滤网14做到油液的二次利用，所述齿轮油泵9的出油口和加载杠杆5上部进油口通过管子相连，进油口和油箱左腔通过管子相连，油箱右腔和润滑液,31出油口通过管子相连。

所述加载模块包括加载杠杆5、悬挂体47、托盘51和砝码，所述加载杠杆5一端和支架的铰链连接，所述加载杠杆5的另一端和砝码加载装置通过铜套与销相连，所述加载杠杆5的下部装有上试样固定盘6，上试样固定盘6的中心有进油孔；

所述驱动模块为变频调速电机YVP90L-4，变频调速电机55固定在箱体的内部，变频调速电机通过大带轮20、传动带17和主轴19上的小带轮18进行动力传递。

所述信号采集模块包括声发射传感器、数据转接卡和计算机，所述声发射传感器安装在上试样固定盘中，所述声发射传感器和上试样上表面直接接触，下试样带动滚子滚动时滚子在上试样下表面滚道滚动，声发射传感器接收到的AE输出信号通过转接卡输入到计算机进行处理。

轴承套杯通过四个六角螺栓固定在箱盖上，主轴由一对角接触球轴承和一个深沟球轴承进行固定。润滑液腔通过三个六角头螺栓和轴承套杯固定，并带有一个出油口。上试样固定盘与上试样过盈配合，其本身通过四个六角头螺栓和润滑液腔固定。

试腔37的腔体周围有2个出油孔，腔体上部为试件放入端，底部有两个和主轴相固定的配合孔。

采用电液伺服系统施加载荷，液压缸安装在机座的机架上，液压缸活塞杆的端部安装液压加压块，加载系统和润滑系统可以共用一个油箱，有简化其机构的作用。

参照图1～图3，实验之前，按照测试要求将所需测试的上试样34和下试样36的表面分别加工为滚道和平面，然后把涂层材料用热喷涂工艺设备沉积在上试样34上。并将试样放入试腔37中，启动变频调速电机55调整转速，然后在托盘51上加砝码加载，启动电磁调速电机8，使之带动齿轮油泵9进行循环润滑并开启信号采集装置。由变频调速电动机55的大带轮20通过传动带17带动小带轮18和主轴19转动。主轴19带动试腔37一起转动，下试样36随之转动。下试样转动带动了滚子35转动。上试样34与上试样固定盘6过盈配合，其上表面与声发射传感器33直接接触，下表面与滚子35直接接触。测试过程中，滚子35不断在上试样34下表面滚刀进行滚动接触。加载模块通过加载杠杆5放大所施加的载荷，通过上试样固定盘6传递载荷到上试样34上。在上试样34下表面涂层内部发生微裂纹或细小疲劳破坏时，声发射传感器33可以接收到特定振幅强度的AE信号，信号经过放大处理后可由PC机进行急停，从而起到预警作用。

图4是图1的局部结构放大图，其中主轴由下至上共有7个轴段。第一轴段与小带轮18过渡配合。小带轮18轴向通过轴端挡圈和轴肩固定，周向通过普通平键带动主轴旋转。第二轴段和毡圈58配合，主要用于轴承的防尘。第三轴段有一对角接触球轴承57和一个套筒58，轴承轴向通过套筒58、轴肩和轴承透盖49固定。第六轴段上是一个深沟球轴承38，深沟球轴承38外圈与轴承套杯7配合。第七轴段与试腔37和润滑液腔31配合，其中润滑液腔通过3个六角头螺栓和轴承套杯固定。

参照图5可知箱盖上部润滑模块主要由四部分组成：电磁调速电机8、齿轮油泵9、油箱13和滤网14。根据测试要求，将润滑液由油箱13的左腔、齿轮油泵9、上试样固定盘6的进油孔流入试腔37，对试样进行润滑、冷却后在主轴旋转离心力的作用下由试腔37出油孔流入润滑液腔31，经过润滑液腔出油孔、管子流入油箱13的右腔。油箱的左右两腔中间有一滤网，左腔为干净油液，右腔为带杂质油液，这样起到了润滑液的二次利用。

图7为试腔结构示意图，试腔37与主轴19过盈配合，并通过两个六角头螺栓带动周向旋转。试腔37内部有两个出油口，从试样经过的润滑液不断从出油口流出试腔，进入润滑液腔31。试腔37内部由下至上依次为下试样36、滚子35、上试样34，它是进行滚动接触疲劳测试的主要场所。