预应力下微动摩擦磨损试验装置的制作方法

本实用新型涉及材料性能测试领域，特别涉及精密摩擦学领域，尤指一种预应力下微动摩擦磨损试验装置。用于试件在预应力条件下的摩擦磨损试验，可对特定材料在此过程中的摩擦磨损行为进行评估，为揭示其在特殊工况环境下的磨损特性和损伤机理提供测试方法。

背景技术：

不同于传统的滑动和滚动，微动（fretting）指的是两个接触表面发生极小幅度的相对运动，它通常存在于振动工况（如发动机运转、气流波动、热循环应力、疲劳载荷、电磁震动、传动等）下的“近似紧固”的机械配合件中，位移幅度为微米量级，微动可以造成接触面间的表面磨损，产生材料损失和构件尺寸变化，引起构件咬合、松动。微动也能加速裂纹的萌生和扩展，使构件疲劳寿命大大降低，造成一些灾难性事故。

要探寻材料磨损机理，明确各种因素对材料磨损过程的影响，研究新的耐磨、减磨材料和表面处理技术，必须掌握相应的摩擦磨损试验技术，摩擦磨损试验装置/试验机是进行摩擦学试验必不可少的试验设备。

材料实际服役过程中，不可避免的会受到拉/压等复杂应力的作用。在预加拉/压应力条件下，材料的微动摩擦磨损特性会发生显著改变。预应力条件下材料的微动摩擦磨损特性及失效机理的研究是相关材料安全服役的重要保障。然而，目前有关预应力条件下材料的微动摩擦磨损研究鲜见报道，其主要原因是目前尚缺乏有效的预应力条件下材料微动磨损磨损试验装置。因此，开发预应力条件下材料微动摩擦磨损试验装置并进行相关试验，探究预应力条件下材料的微动摩擦磨损特性及失效机理具有非常重要的理论价值和实际意义。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种预应力下微动摩擦磨损试验装置，揭示预应力工况条件下材料的微动摩擦磨损特性及损伤失效机理，填补相关领域的空白。本实用新型突破性地将摩擦磨损试验与传统材料拉伸性能测试相结合，并且通过电动缸实现精确加载控制，是一种综合的、多功能的摩擦磨损精密试验装置。本实用新型使用二维力传感器同步输出压力和摩擦力数值，并实时进行反馈修正，确保压力加载准确无误。

本实用新型结构布局合理，整体分为上下结构，上部主要布置压力加载单元，往复微动单元。精密电动缸结构可实现直接位移输出，反馈式压力动态加载。精密压电促动器实现可控微小位移同步往复摩擦。下部主要布置核心预拉压力加载模块，结合精密伺服电机以及精密蜗轮蜗杆减速增扭机构，可实现拉压力动态加载；借助于现有的精密传感测试技术可实时监测，反馈，进行后期处理。本实用新型结构精巧，传动精密平稳，可实现动态加载，反馈闭环式精准输出，可对特殊工况环境材料磨损参数做准确计量与分析，对特殊材料在摩擦磨损试验中的微观力学行为和损伤机制做深入研究。

本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：

预应力下微动摩擦磨损试验装置，包括试验压力加载单元、预应力加载单元、往复微动单元以及数据采集单元，试验压力加载单元布置在上侧，由精密伺服电动缸14提供动力，完成精确闭环压力加载；预应力加载单元布置在下侧，由精密伺服电机2提供动力，经由两级蜗轮蜗杆减速机构配合双向丝杠螺母副完成精确预应力加载；往复微动单元布置在上侧，由精密压电促动器13输出动力实现往复位移；数据采集单元包括二维力传感器11、拉压力传感器23等。

所述试验压力加载单元是：精密伺服电动缸14直接输出位移，带动上试件杆12向着平面试件接近，当上、下试件接触后完成压力加载，并通过二维力传感器11的反馈实现压力的精确控制。

所述的精密伺服电动缸14通过电动缸连接板17与侧支撑板16刚性连接。

所述预应力加载单元是：精密伺服电机2驱动扭矩经由一级蜗轮24、一级蜗杆3和二级蜗杆27、二级蜗轮8增扭减速后，带动精密丝杠21旋转，精密丝杠21与螺母座20配合将旋转运动变为预应力单元支撑台5在导轨18上的整体移动，通过平面试件下夹具9和平面试件上夹具10实现预应力加载。

所述的一级蜗轮24、二级蜗杆27通过一根公共轴26及精密轴承28固定在轴承支座4上，轴承支座4与下支撑平台1刚性连接。

所述的精密丝杠21通过精密滚珠丝杠轴承座7刚性支撑，配合连接精密螺母座20，精密螺母座20与预应力单元支撑台5通过螺钉连接，平面试件下夹具9通过过渡板6与预应力单元支撑台5刚性连接。

所述往复微动单元是：精密压电促动器13输出轴直接输出位移带动上试件杆12实现往复微动；精密压电促动器13与促动器连接座15刚性连接，促动器连接座15与侧支撑板16刚性固定，上试件杆12与精密压电促动器13的输出端螺纹连接。

所述的数据采集单元是：拉压力传感器23一端与预应力单元支撑台5刚性连接，另一端通过轴孔方式与固定座板19配合并与固定螺母22连接，拉压力传感器23测量预应力并进行反馈调节，控制精密伺服电机2输出准确信号，实现精准控制；二维力传感器11采集压力和摩擦力，同时进行反馈和补偿，保证压力的精准加载和摩擦力的准确输出。

本实用新型的有益效果在于：体积精巧，结构紧凑，原理可靠，同步性高，补偿精确，可为预应力工况条件下微动摩擦磨损提供有效测试手段，应用广泛。突破传统摩擦磨损测试手段和领域，提供在特殊预拉压应力工况环境下的摩擦磨损试验技术。精密电动缸结构可实现直接位移输出，反馈闭环式压力动态加载结构。精密压电促动器输出微米级往复位移，运动频率和位移幅值可调；精密伺服电机结合双级减速机构实现预拉压力加载，法向载荷和压力值可调。同时，利用先进传感器技术精确闭环控制加载参数，通过相关控制算法可自行拟合载荷加载过程中参数关系，采集呈现曲线。综上所述，本实用新型在核工业、航空航天、电力工业等具有重要应用前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。

图1为本实用新型的整体外观结构示意图；

图2为本实用新型的侧视结构示意图。

图中：1、下支撑平台；2、精密伺服电机；3、一级蜗杆；4、轴承支座；5、预应力单元支撑台；6、过渡板；7、精密滚珠丝杠轴承座；8、二级蜗轮；9、平面试件下夹具；10、平面试件上夹具；11、二维力传感器；12、上试件杆；13、精密压电促动器；14、精密伺服电动缸；15、促动器连接座；16、侧支撑板；17、电动缸连接板；18、导轨；19、固定座板；20、精密螺母座；21、精密丝杠、22、固定螺母；23、拉压力传感器；24、一级蜗轮；25、电机支撑座；26、轴；27、二级蜗杆；28、精密轴承。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。

参见图1及图2所示，本实用新型的预应力下微动摩擦磨损试验装置，突破性地将微动摩擦与传统材料拉伸性能测试相结合，并且通过电动缸实现精确加载，通过压电驱动实现精确控制，是一种综合的、多功能的摩擦磨损精密试验装置，可对特定材料在此过程中的摩擦磨损行为进行监测，为揭示其在特殊工况环境下的摩擦特性和损伤办法提供测试方法。本实用新型整体为上下立体布置结构，在有效的空间内增加了平台的集成度，具体由试验压力加载单元、预拉压力加载单元、往复微动单元以及数据采集单元组成。

所述试验压力加载单元是：精密伺服电动缸14直接输出位移，向着平面试件接近，被测上、下试件接触后进行压力加载，并通过二维力传感器11的反馈闭环实现压力的精确控制，精密伺服电动缸14与侧支撑板16通过电动缸连接板17刚性连接。

所述的预拉压力加载单元是：精密伺服电机2通过电机支撑座25固定在下支撑平台1上，精密伺服电机2驱动扭矩经由一级蜗杆3、一级蜗轮24和二级蜗杆27、二级蜗轮8增扭减速后，带动精密丝杠21旋转，精密丝杠21与螺母座20配合将旋转运动变为预应力单元支撑台5的整体移动，通过平面试件下夹具9和平面试件上夹具10实现下试件预拉压力加载。其中，一级蜗轮24、二级蜗杆27通过一根公共轴26及精密轴承28固定在轴承支座4上，确保传动可靠，轴承支座4与下支撑平台1刚性连接。精密丝杠21通过精密滚珠丝杠轴承座7刚性支撑，提高丝杠传动环节的传动刚度，配合连接精密螺母座20，精密螺母座20与预应力单元支撑台5通过螺钉连接，平面试件下夹具9通过过渡板6与预应力单元支撑台5刚性连接。

所述的往复微动单元是：精密压电促动器13输出轴直接输出位移带动上试件杆12实现往复微动。其中，精密压电促动器13通过促动器连接座15与侧支撑板16刚性固定，上试件杆12与精密压电促动器13输出端螺纹连接。

所述的数据采集单元是：拉压力传感器23测量预拉压并进行反馈调节，控制伺服电机输出准确信号，实现精准控制；二维力传感器11采集压力和摩擦力，同样进行反馈和补偿、保证压力的精准加载和摩擦力的准确输出。

所述二维力传感器11左端与预应力单元支撑台5刚性连接，右端与固定螺母22连接。通过二维力传感器11和拉压力传感器23采集到的信号，自行拟合载荷加载过程中的压力、摩擦力、预拉力关系，呈现曲线。

参见图1及图2所示，本实用新型的具体测试方法如下：调节二维力传感器11位置并固定，安装平面下试件，将其插入平面试件下夹具9，左右两侧盖上平面试件上夹具10，中间和两端固定，确保不再晃动也没有翘起，安装上试件杆12，刚性固定，在安装之前可以先通过控制精密伺服电动缸14驱动器，调整试件到合适位置，连接精密压电促动器13并将其在促动器连接座15上固定，促动器连接座15用螺钉固定在侧支撑板16上。准备就绪后，测试传感器状态，确认稳定后开始压力加载，压力经由二维力传感器11输出，此时显示摩擦力数值为零，压力增加，达到约定数值后，驱动精密压电促动器13带动下平面试件开始往复微动，二维力传感器11开始采集摩擦力，频率由电机驱动器控制，所有数据经过a/d数据采集卡采集，利用上位机进行数据计算、处理分析。

以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。