一种双轴加载微动疲劳试验系统及方法与流程

本发明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领域。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为了解决上述存在的问题，本发明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23与t型槽为精密配合耦件，并采用石墨润滑，滑动方向与水平导轨10平行，摩擦力传感器支架14的底部通过螺栓与所述试验机承力框架9紧固连接，所述摩擦力传感器4的上方与摩擦力传感器连杆24采用螺纹连接，摩擦力传感器连杆24的顶部与微动垫夹具22采用螺纹连接，通过摩擦力传感器连杆24将微动垫16与试件5的摩擦力传递给摩擦力传感器4；

所述t形滑块23与摩擦力传感器支架14顶部的t形槽的连接，有如下特点：（1）t形滑块23与t形槽的精密配合，约束摩擦力传感器4、摩擦力传感器连接杆24和微动垫夹具22在垂直轴方向的运动，保证摩擦力采集装置在垂直方向的固定，从而实现对微动垫16与试件5的摩擦力的采集；（2）在水平轴方向，t形滑块23可在t形槽内自由滑动，保证水平轴向加载不受摩擦力采集装置的影响；

本发明还包括液压油源6、电控系统7和上位机8，所述液压油源6为电液伺服双轴加载装置1提供动力，所述上位机8通过专用控制软件实现试验加载参数设置和试验数据的存储及处理，并联合电控系统7实现对试验加载的pid闭环控制，所述垂直轴向力传感器3、水平轴向力传感器5和摩擦力传感器4实时采集试验过程中加载力和试件15与微动垫16之间的摩擦力数据并传输给上位机8进行记录和处理；

一种双轴加载微动疲劳试验方法，包括以下操作步骤：

步骤1：安装试件：将试件安装在如上述任一权利要求所述的双轴加载微动疲劳试验系统的夹具中，调节各作动器和夹具位置，使上液压夹头19与下液压夹头13将试件加紧，调整微动垫16及水平支反力滑轮21的位置，使其分别与试件的试验段两侧平面接触，并保证试件不受弯曲应力的作用；

步骤2：设置试验参数：在上位机的专用软件上分别设置远端载荷（垂直轴）参数、法向载荷（水平轴）参数和试验终止条件，根据研究需要，远端载荷可为拉-压载荷、拉-拉载荷等多种形式，法向载荷只能为压-压载荷，设置好参数后开始试验；

步骤3：试验加载：驱动器驱动对应的水平轴作动器18和/或垂直轴作动器20，水平轴作动器18和/或垂直轴作动器20实现对试件的加载；

步骤4：试验力采集与反馈：垂直轴向力传感器测得试件所受的垂直轴向力，并传递给电控系统7，水平轴向力传感器测得试件所受的水平轴向力，并传递给电控系统7，摩擦力传感器测得试件在水平方向的摩擦力，并传递给电控系统7，电控系统7将垂直轴向力、水平轴向力和摩擦力等加载力反馈信号传递给上位机以实现试验数据存储与处理；

步骤5：加载控制：加载力反馈信号和给定信号相比较，得到一次误差信号，经过pid调节器调节输出，经驱动器驱动水平轴作动器18和/或垂直轴作动器20，实现对加载力的闭环控制以提高试验精度；

步骤6：试验终止：上位机通过对各传感器信号的监测，判断试件是否达到试验设置的终止条件，终止试验。

本发明的工作原理是：

上位机8通过专用控制软件实现试验加载参数设置，信号发生器将试验参数转化为控制指令，控制指令信号与各传感器采集的反馈信号在比较器输出一个误差信号。这个误差信号经过pid调节后同时送到水平轴和垂直轴的两个阀驱动器上，控制两个阀推动各自的作动器向着指令要求的方向加载，来减小误差以趋向控制指令目标，实现对试验过程的闭环控制。整个控制过程中，调节器不断地调整两个驱动器的输出，使其相应的反馈信号与设定信号之间的误差最小。垂直轴向力传感器、水平轴向力传感器和摩擦力传感器采集的加载数据和摩擦力数据传输到上位机以实现对试验过程的记录和处理。

其中，试件15通过上夹头19和下夹头13固定并通过垂直轴作动器20实现垂直轴向交变载荷（远端载荷）的加载；微动垫16通过水平轴作动器18实现水平轴向交变载荷（法向载荷）的加载；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；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组成的摩擦力采集装置通过t形槽与t形滑块的精密配合实现垂直轴向的定位和水平方向的自由滑动，从而保证摩擦力测量及水平轴向加载的精度；两个水平加载滑轮25与微动垫夹具22形成两点滚动接触，即能传递水平轴向加载力，又不约束微动垫夹具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，此外水平加载滑轮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。

本发明的有益效果是：

一、本发明可实现微动疲劳试验过程中对交变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。

二、与传统微动疲劳试验设备相比，该系统可实现对微动垫与试件间摩擦力、摩擦系数等微动参量的实时测量和记录，为研究微动疲劳损伤机理提供更为全面的数据。

三、本发明可实现单侧微动垫与试件的微动疲劳试验，与传统试验双侧微动垫加载结构相比，可节省微动垫试件，节约试验成本。

四、本发明可对多种形式的微动接触形式（如：球面与平面接触、圆柱面与平面接触，平面与平面接触）进行试验，试验机的适用范围更广。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图，

图2是本发明的电液伺服双轴加载装置和微动疲劳加载装置的结构示意图，

图3是本发明微动垫的水平加载装置和摩擦力采集装置部分的局部放大图，

图4是本发明的原理框图，

附图标记列表：1—电液伺服双轴加载装置，2—微动疲劳加载装置，3—垂直轴向力传感器，4—摩擦力传感器，5—水平轴向力传感器，6—液压油源，7—电控系统，8—上位机，9—试验机承力框架，10—水平导轨，11—水平支反力横梁，12—水平支反力滑块，13—下液压夹头，14—摩擦力传感器支架，15—试件，16—微动垫，17—水平加载滑块，18—水平轴作动器，19—上液压夹头，20—垂直轴作动器，21—水平支反力滚轮，22—微动垫夹具，23—t形滑块，24—摩擦力传感器连杆，25—水平加载滑轮，26—水平加载滑轮支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

图1是本发明的结构示意图，结合附图可见，本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、垂直轴向力传感器3、摩擦力传感器4、水平轴向力传感器5、液压油源6、电控系统7和上位机8。其中微动疲劳加载装置2通过水平导轨10和试验机承力框架安装在电液伺服双轴加载装置1上，试件上下两端分别通过上液压夹头19和下液压夹头13固定，并通过垂直轴作动器20施加远端载荷。微动垫16通过微动垫夹具22固定，并通过水平轴作动器18施加交变法向载荷。整套系统通过上位机8设置加载参数，并与电控系统7共同控制实现对双轴加载系统的pid闭环控制。各力传感器实时采集试验过程中加载力和试件15与微动垫16之间的摩擦力并传输给上位机8进行记录和处理，具体可参见图4。

其中，垂直轴作动器20安装在试验机承力框架9上方，水平轴作动器18安装在试验机承力框架9的侧部，垂直轴作动器20和水平轴作动器18所在轴线垂直交叉，四根水平导轨10安装在试验机承力框架上用于各水平加载零部件的安装与定位。

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。如图3所示，水平加载滑块17安装在水平导轨10上，可在水平轴方向自由滑动并通过螺栓与水平轴作动器18连接。水平加载滑块17朝向水平支反力滑块12的一侧依次与水平轴向力传感器5、水平加载滑轮支架26通过螺栓串联安装。水平加载滑轮支架26上安装两个竖直分布的水平加载滑轮25。水平加载滑轮25与微动垫夹具22形成两点滚动接触，使微动垫夹具22在垂直方向上能够自由移动，从而保证微动垫夹具22即能承受水平向加载，又不影响垂直方向摩擦力的测量。微动垫16安装在微动垫夹具22的凹槽内并与螺栓紧固，保证其在垂直方向不发生摆动。微动垫16与试件15接触，形成典型的微动结构。微动垫夹具22通过摩擦力传感器连杆24与摩擦力传感器4相连。摩擦力传感器4通过t形滑块23与摩擦力传感器支架14连接。摩擦力传感器支架14通过螺栓与试验机承力框架9连接。t形滑块23与摩擦力传感器支架14之间的t形槽为精密配合耦件，并采用石墨润滑，在约束垂直向运动的同时减小水平向摩擦系数。通过上述结构，可保证法向载荷的精确施加，同时保证微动垫与试件产生微动现象并精确测量摩擦力。为平衡水平向载荷并保证试件不因水平轴加载而产生弯曲应力，在微动垫16的对侧安装支反力部件。水平支反力滚轮21安装在水平支反力滑块12上并可以自由转动。水平支反力滚轮21的圆心与微动垫16的圆心或中心线在同一水平线上以保证水平加载时不对试件15产生弯曲和剪切作用。水平支反力横梁11与试验机承力框架9采用螺纹连接，可实现对支反力部件水平位置的调节以适应不同厚度的试件。

试验过程中水平导轨10、水平支反力滑块12、水平加载滑块17、t形滑块23和摩擦力传感器支架14保证水平轴加载机构只能在水平方向上运动，水平加载滑轮25与微动垫夹具22形成滚动接触，从而在实现水平轴向加载的同时，不对微动垫产生垂直方向上的额外载荷。从而提高摩擦力传感器5的测量精度，实现对微动垫与试件间摩擦力的大小和时间历程的采集。同时，水平加载滑轮25与微动垫夹具22之间的两点接触结构的设计，可约束微动垫夹具22在垂直面内的转动，保证试件与微动垫之间产生可控的微动。水平支反力滚轮21的直径远大于微动垫弧面的曲率半径，其通过滚动轴承与水平支反力滑块12连接，使支反力滚轮与试件为纯滚动，不产生磨损现象，从而保证微动现象只在试件与微动垫之间产生。另外，通过更换不同直径的摩擦力传感器连接杆24，可改变微动垫16加持部分的刚度，实现对微动滑移量和摩擦力的调节。

本发明设备采用两套独立的伺服控制系统组成微动垫的水平加载系统和试件的垂直加载系统。其中水平轴作动器18和垂直轴作动器20是相互独立的，水平轴作动器18和垂直轴作动器20采用单缸加载方式，可产生正弦波、三角波、梯形波、矩形波等多种形式的载荷。试验过程中，可根据不同研究要求对微动试验结构施加恒定的法向载荷，进行常规的微动疲劳试验，也可施加交变的法向载荷，实现法向载荷与远端载荷的比例加载与非比例加载（包括不同相位和不同频率的情况）从而模拟实际工程中的微动疲劳工况。

附图4是本发明实例的原理框图。信号发生器将试验参数转化为控制指令，控制指令信号与各传感器采集的反馈信号在比较器输出一个误差信号。这个误差信号经过pid调节后同时送到水平轴和垂直轴的两个阀驱动器上，控制两个阀推动各自的作动器向着指令要求的方向加载，来减小误差以趋向控制指令目标，实现对试验过程的闭环控制。整个控制过程中，调节器不断地调整两个驱动器的输出，使其相应的反馈信号与设定信号之间的误差最小。垂直轴向力传感器、水平轴向力传感器和摩擦力传感器采集的加载数据和摩擦力数据传输到上位机以实现对试验过程的记录和处理。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。