基于压电元件的高温扭动微动摩擦磨损试验装置

本发明属于摩擦磨损试验机，特别是一种高温扭动微动摩擦磨损试验装置。

背景技术：

1、机械设备中普遍存在摩擦磨损的现象，而大部分零件的失效就是由摩擦磨损导致的，甚至会引起一些机械装备恶性事故。微动是摩擦学的一个重要分支，是指两个接触表面间发生的振幅极小的相对运动。微动一般发生在近似“紧固”配合的零部件中，对材料造成的损伤可能导致构件松动，加速疲劳裂纹的产生从而降低零件寿命。因此研究微动磨损特性及失效机理，对抑制微动磨损，提高构件的使用寿命具有重大意义。在球与平面接触条件下，微动可以分为切向、径向、扭动、转动等四种基本微动模式。其中扭动微动旋转轴与接触面垂直，对磨副在法向载荷的作用下在接触面上做小角度的旅转运动。目前，扭转式微动磨损广泛存在，例如汽车中的球体和铁路车辆的中心板等。同时，很多材料不可避免地会在高温环境中工作，例如高温环境下运行的机械设备等。并且高温会影响材料的强度，进而可能导致失效机制的变化。因此，研究高温下扭动微动磨损机制可以为相关高温环境下工作的零件的微动磨损失效提供理论分析和指导。此外，目前扭动微动机多采用转动台或蜗轮蜗杆传动实现扭动，而压电原件能实现亚纳米范围内的运动，精度更高。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于压电元件的高温扭动微动摩擦磨损试验装置，以实现高温下扭动微动磨损机制的研究。

2、实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于压电元件的高温扭动微动摩擦磨损试验装置，包括扭动单元、法向力加载单元、高温加载单元、数据采集单元以及检测控制单元；扭动单元用于对试件施加扭矩，法向力加载单元用于对试件施加重力方向的载荷，高温加载单元用于对试件施加试验温度，数据采集单元以及检测控制单元用于控制试验和采集分析测试数据；

3、其中，扭动单元包括圆盘下试件，球形上试件，第一齿条滑块和第二齿条滑块，第一多层压电元件、第二多层压电元件，固定盘，上试件夹具，外壳，陶瓷隔热板；圆盘下试件放置在陶瓷隔热板上，然后固定在固定盘上，固定盘转动安装在底座上，球形上试件固定在上试件夹具上，上试件夹具滑动安装在外壳上；第一齿条滑块和第二齿条滑块对称滑动安装在外壳的滑槽内且分别与固定盘啮合；第一多层压电元件和第二多层压电元件安装在齿条滑块和外壳内壁之间。

4、进一步地，所述第一多层压电元件通过第一空气轴承固定在外壳内壁上，第二多层压电元件通过第二空气轴承固定在外壳内壁上。

5、进一步地，固定盘为外圈设置有均匀分布的轮齿的齿轮。

6、进一步地，所述所述第一齿条滑块和第二齿条滑块的结构相同，包含直线部和齿条部；第一齿条滑块和第二齿条滑块结构齿面的直线部分别轴对称滑动安装在外壳上；第一齿条滑块和第二齿条滑块结构齿面的齿条部分别与固定盘外圈的齿轮配合；两个齿条滑块的齿面在同一高度，齿条相互平行。

7、进一步地，固定盘通过推力轴承和轴承座安装在底座上。

8、进一步地，所述法向力加载单元包括砝码和砝码固定盘；砝码固定盘与上试件夹具固定连接，通过在砝码固定盘上添加相应重量的砝码，使上下试件紧密接触同时达到试验所需的磨损载荷的施加。

9、进一步地，高温加载单元包括加热炉，圆盘下试件和球形上试件都处于加热炉内，通过加热炉内的加热装置控制温度；加热炉外表面配有隔热层，用于保温。

10、进一步地，数据采集单元以及检测控制单元包括电脑、电压信号发生器、控制器，放大器，扭矩传感器；其中电脑与控制器相连，电压信号发生器与控制器相连，控制器与放大器相连，放大器与第一多层压电元件和第二多层压电元件相连接；扭矩传感器扭矩传感器安装在上试件夹具上。

11、进一步地，固定盘的扭动角度α的公式如下：α＝x/r＝de/r式中，x为多层压电元件在滑动方向上的形变，e为滑动方向上电场，d为压电常数，r为固定盘分度圆半径。

12、一种包含权利要求1-9中任意一项所述高温扭动微动摩擦磨损试验装置的试验方法，

13、步骤1：试件的安装以及载荷的加载。先将需要进行高温扭动微动摩擦磨损试验的试件圆盘下试件，球形上试件进行安装，添加相应重量的砝码达到试验所需的载荷，通过电脑设定好角速度，角速度幅值，实验时间，实验温度等实验参数；

14、步骤2：设置试验的温度。通过加热炉内的加热装置设定温度，等待加热炉达到设定温度后开始实验；

15、步骤3：编辑控制器，进行高温扭动微动摩擦磨损试验。在控制器和放大器的控制下，电压信号发生器将电压信号传递到第一多层压电元件和第二多层压电元件，使得第一齿条滑块和第二齿条滑块带动固定盘转动相应的角度，圆盘下试件在高温下扭动；

16、步骤4：数据采集和处理。来自扭矩传感器的信号通将传送到电脑，实验结束后可通过操作电脑输出扭矩-角位移曲线。

17、本发明与现有技术相比，其显著优点是：

18、(1)通过利用压电原件的逆压电效应将电能与机械能进行直接转换，使得压电原件带动齿条能实现亚纳米范围内的运动，从而使齿条带动固定盘实现更加高精度的扭动。

19、(2)压电材料的压电特性不随时间而改变，有较好的时间稳定性；压电元件的机械强度高、刚度大，并具有较高的固有振动频率；压电元件具有较高的居里点，可以较宽的温度范围正常工作。

20、(3)通过设置高温加载单元，提供了在从室温到600摄氏度温度范围内的的扭动微动摩擦磨损试验条件。

技术特征：

1.一种基于压电元件的高温扭动微动摩擦磨损试验装置，其特征在于，包括扭动单元、法向力加载单元、高温加载单元、数据采集单元以及检测控制单元；扭动单元用于对试件施加扭矩，法向力加载单元用于对试件施加重力方向的载荷，高温加载单元用于对试件施加试验温度，数据采集单元以及检测控制单元用于控制试验和采集分析测试数据；

2.根据权利要求1所述的基于压电元件的高温扭动微动摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述第一多层压电元件通过第一空气轴承固定在外壳内壁上，第二多层压电元件通过第二空气轴承固定在外壳内壁上。

3.根据权利要求1所述的基于压电元件的高温扭动微动摩擦磨损试验装置，其特征在于，固定盘为外圈设置有均匀分布的轮齿的齿轮。

4.根据权利要求2所述的基于压电元件的高温扭动微动摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述所述第一齿条滑块和第二齿条滑块的结构相同，包含直线部和齿条部；第一齿条滑块和第二齿条滑块结构齿面的直线部分别轴对称滑动安装在外壳上；第一齿条滑块和第二齿条滑块结构齿面的齿条部分别与固定盘外圈的齿轮配合；两个齿条滑块的齿面在同一高度，齿条相互平行。

5.根据权利要求1所述的基于压电元件的高温扭动微动摩擦磨损试验装置，其特征在于，固定盘通过推力轴承和轴承座安装在底座上。

6.根据权利要求1所述的基于压电元件的高温扭动微动摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述法向力加载单元包括砝码和砝码固定盘；砝码固定盘与上试件夹具固定连接，通过在砝码固定盘上添加相应重量的砝码，使上下试件紧密接触同时达到试验所需的磨损载荷的施加。

7.根据权利要求1所述的基于压电元件的高温扭动微动摩擦磨损试验装置，其特征在于，高温加载单元包括加热炉，圆盘下试件和球形上试件都处于加热炉内，通过加热炉内的加热装置控制温度；加热炉外表面配有隔热层，用于保温。

8.根据权利要求1所述的基于压电元件的高温扭动微动摩擦磨损试验装置，其特征在于，数据采集单元以及检测控制单元包括电脑、电压信号发生器、控制器，放大器，扭矩传感器；其中电脑与控制器相连，电压信号发生器与控制器相连，控制器与放大器相连，放大器与第一多层压电元件和第二多层压电元件相连接；扭矩传感器扭矩传感器安装在上试件夹具上。

9.根据权利要求1所述的基于压电元件的高温扭动微动摩擦磨损试验装置，其特征在于，固定盘的扭动角度α的公式如下：

10.一种包含权利要求1-9中任意一项所述高温扭动微动摩擦磨损试验装置的试验方法，其特征在于，

技术总结
本发明属于摩擦磨损试验机技术领域，具体为一种基于压电元件的高温扭动微动摩擦磨损试验装置，包括扭动单元、法向力加载单元、高温加载单元、数据采集单元以及检测控制单元；扭动单元用于对试件施加扭矩，法向力加载单元用于对试件施加重力方向的载荷，高温加载单元用于对试件施加试验温度，数据采集单元以及检测控制单元用于控制试验和采集分析测试数据。与现有技术相比，本发明通过利用压电原件将电能与机械能进行直接转换，使齿条带动固定盘实现更加高精度的扭动；且压电材料的压电特性不随时间而改变，有较好的时间稳定性；压电元件的机械强度高、刚度大，并具有较高的固有振动频率；具有较高的居里点，可以得到较宽的工作温度范围。

技术研发人员：周克栋,解一琳,杨玉磊,赫雷,陆野
受保护的技术使用者：南京理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16