一种球棒/球盘双模式滚动接触疲劳试验系统及使用方法

本发明涉及材料性能研究试验机设计，特别涉及材料的滚动接触疲劳性能研究试验机的设计，具体地说是一种球棒/球盘双模式滚动接触疲劳试验系统及使用方法。

背景技术：

1、滚动接触疲劳损伤是滚动轴承、齿轮和轮轨等关键基础件在服役过程中出现的主要典型损伤，相应材料的滚动接触疲劳性能对于部件的服役性能具有重要影响。目前对于金属材料的滚动接触疲劳测试，由于有相应的测试标准《gb 10622-89金属材料滚动接触疲劳试验方法》，人们多采用双辊式滚动接触疲劳试验机。但是双辊式滚动接触疲劳试验机存在系统复杂、主/陪试样尺寸大且加工困难、转速低周期长、润滑油无法更换和失效试样分析表征困难等等问题。此外，试验机普遍占地面积大、油箱多，对于通常需要多台试验机同时开展试验的滚动接触疲劳研究来说很不友好。

2、球棒式滚动接触疲劳试验机较好的解决了以上问题。首先，试验机小巧简单，一台双辊式试验机所占用的空间差不多能放6台球棒式试验机。其次，球棒式试验机的测试试样就是一根直径12mm，长度120mm的圆棒，尺寸小加工简单，特别是一根圆棒的不同位置可以开展10次试验。同时，球棒式试验机的转速通常是双辊式的3倍左右，再加上滚动体是3个，其接触疲劳应力循环频率是双辊式的9倍左右，可以大大缩短测试周期。最后也是最重要的一点是，球棒式试验机特别利于开展亚表层分析表征，利于研究轴承钢中夹杂物和碳化物尺寸、类型、形状和分布与滚动接触疲劳性能间的关系；滚动接触疲劳过程中亚表层白蚀区、蝴蝶组织、黑蚀区和白蚀条带等组织结构随周次、应力等的发展演化。

3、球棒式试验机美中不足的有三点。第一就是接触疲劳应力循环频率还是有点低。现在的轴承钢普遍做的更干净更均匀，所以球棒式试验机往往做一个完全失效试验就要半个月。此时，球盘式滚动接触疲劳试验机的优势就体现出来了。球盘式试验机的滚动体通常为9个，同等转速下，测试时间是球棒式的1/3。第二点，球棒式试验机利于亚表层分析，但是由于其试样表面为弧面，表面的夹杂物和碳化物剥落、微凹坑和磨损等损伤就不容易表征了。相反的，球盘式试验机的试样测试表面是平面，可以方便的开展不同应力和周次下的表面损伤演化研究。第三点，表面粗糙度对滚动接触疲劳性能影响很大，轴承的滚道面粗糙度都很低，球棒式试验机的测试面是弧面，粗糙度控制和测量都较为困难。球盘式试验机的试样测试表面是平面，实验室内可通过磨抛机较为方便的控制表面粗糙度。

4、对于高校和研究所等开展轴承材料滚动接触疲劳行为研究的人员来说，通常既希望快速得到疲劳寿命曲线，也需要开展机理分析。机理分析时，大家既关注表面损伤演化，因为其与表面启裂和精度寿命等密切相关，同时也关心亚表层中的组织结构转变，这与轴承可靠性和寿命密切联系。因此，一种球棒/球盘双模式试验机就非常有必要了。特别是，疲劳试验通常需要多台套试验机才能满足测试需求，这样双模式试验机的优势就更加明显，可以用同一空间和润滑系统，实现两种模式的滚动接触疲劳测试。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种球棒/球盘双模式滚动接触疲劳试验系统及使用方法，以解决现有的单一模式试验机无法兼顾寿命研究的高效率需求和机理研究的表面及亚表层表征分析需求的问题，同时也能够解决疲劳测试需要的试验机台套多，设备空间需求大的问题。

2、本发明的技术方案是：

3、一种球棒/球盘双模式滚动接触疲劳试验系统，该系统包括试验台及其上安装的旋转驱动装置、加载装置、润滑装置、对摩副固定装置、机电控制装置以及球棒模块或球盘模块，具体结构如下：

4、球棒模块或球盘模块安装于驱动电机的输出端下方与对摩副固定装置油盒内下锥环底座的之间，对摩副固定装置通过油盒内腔与润滑装置的循环油路相连通，对摩副固定装置通过油盒底部安装的下推力轴承与加载装置的直线轴承底座相连，竖直的直线轴承下端与杠杆的一端连接，杠杆的另一端通过托架安装砝码，机电控制装置与旋转驱动装置、加载装置、润滑装置连接。

5、所述的球棒/球盘双模式滚动接触疲劳试验系统，球棒模块为固定限位板、上推力轴承、上锥环底座、上锥环、保持架、下锥环自上至下依次套装于圆柱状试样，上锥环、下锥环的内表面为环形锥面且上下相对应，上锥环嵌设于上锥环底座内，下锥环嵌设于下锥环底座内，在上锥环、下锥环之间设置保持架和球状滚动体，三个球状滚动体均匀安装于保持架上，通过上锥环的上表面向下加载，由上锥环的内表面对球状滚动体施加压力，通过下锥环的下表面向上加载，由下锥环的内表面对球状滚动体施加压力。

6、所述的球棒/球盘双模式滚动接触疲劳试验系统，固定限位板上开设三个孔，位于两侧的孔与对摩副固定装置的立柱相对应并匹配，位于中间的孔与圆柱状试样相对应并匹配；装配后，固定限位板套设于两个立柱和圆柱状试样，并与立柱和圆柱状试样呈滑动配合。

7、所述的球棒/球盘双模式滚动接触疲劳试验系统，球盘模块为空心夹具轴、推力球轴承轴圈、球状滚动体及保持架依次连接构成，空心夹具轴的一端安装推力球轴承轴圈，球状滚动体及保持架安装于推力球轴承轴圈的滚道内，圆环状试样安装到油盒的下锥环底座内。

8、所述的球棒/球盘双模式滚动接触疲劳试验系统的使用方法，当开展球棒模式的滚动接触疲劳测试时，将球棒模块安装于驱动电机的输出端与油盒之间；待测试圆柱状试样上端通过高精度筒夹和螺母连接到旋转驱动电机的输出端，固定限位板、上推力轴承、上锥环底座、上锥环、保持架、下锥环自上至下依次套过圆柱状试样后，将下锥环放入油盒的下锥环底座中，将下推力轴承一面放入油盒底部的推力轴承座圈内，一面放到直线轴承的底座上；然后，将对摩副3个球状滚动体放到保持架上呈120°分布的3个兜孔中，通过两个螺母把固定限位板与两个立柱连接固定；旋转直线轴承的升降螺栓，提升直线轴承上端的底座，固定限位板的位置固定，直线轴承的底座上升会带着下推力轴承、油盒和下锥环底座依次上升，开口朝上的下锥环的内表面通过3个球状滚动体与开口朝下的上锥环内表面传递压力，从而把上锥环、上锥环底座、上推力轴承压紧到固定限位板上；直线轴承的往复运动轴与加载杠杆相连，当在杠杆一端放置不同数量的砝码时，运动轴对上锥环、下锥环之间施加不同的压紧力；上锥环、下锥环的内表面有倾角，两者由球状滚动体隔开，上锥环、下锥环在载荷作用下的靠近，在球状滚动体与圆柱状试样之间施加了不同的载荷，最终形成的球状滚动体与圆柱状试样之间的接触受力。

9、所述的球棒/球盘双模式滚动接触疲劳试验系统的使用方法，球棒模式的对摩副为圆柱状试样和3个球状滚动体，将待测试轴承钢做成直径12mm、长度120mm的圆柱试样，与之发生滚动对摩的球状滚动体为3个直径12.7mm的陶瓷球或钢球，球棒模块使用的上锥环、下锥环是从商品化的圆锥滚子轴承中拆解出来的。

10、所述的球棒/球盘双模式滚动接触疲劳试验系统的使用方法，试验时，在驱动电机的带动下，圆柱状试样发生高速旋转，3个球状滚动体在圆柱状试样带动下发生绕圆柱状试样的公转和自转，两者实现滚动对摩；润滑油通过润滑装置的油箱通过出油管路泵入油盒内腔的底部，从油盒内腔的上部由油泵通过回油管路吸回油箱，对对摩副的滚动接触进行润滑；或者，试验采用脂润滑，将润滑脂在试验前涂抹到3个球状滚动体上，同时关闭润滑装置的循环油路；试验系统的机电控制装置实时记录圆柱状试样旋转的周次、润滑油的温度和试验系统的振动加速度，其中加速度传感器安装在油盒的外表面；当圆柱状试样发生滚动接触疲劳剥落时，试验系统的振动增大，达到设定的阈值时试验系统自动停止。

11、所述的球棒/球盘双模式滚动接触疲劳试验系统的使用方法，当开展球盘模式的滚动接触疲劳测试时，将球盘模块安装于驱动电机的输出端与油盒之间；试验开始前，将空心夹具轴旋紧到驱动电机的输出端，保证两者之间无相对转动；安装好空心夹具轴后，将推力球轴承轴圈套装到空心夹具轴的末端凸台上；然后，将9个由保持架约束住的球状滚动体放入推力球轴承轴圈的滚道内，将圆环状试样安装到油盒的下锥环底座内，圆环状试样与下锥环底座两者之间过盈配合；旋转直线轴承的升降螺栓，提升直线轴承的底座，直线轴承的底座上升会带着下推力轴承、油盒和下锥环底座及下锥环底座内的圆环状试样依次上升，圆环状试样表面与安装在空心夹具轴末端凸台上的球状滚动体接触后，在杠杆的一端放置砝码，从而对安装在下锥环底座内的圆环状试样与球状滚动体之间施加载荷。

12、所述的球棒/球盘双模式滚动接触疲劳试验系统的使用方法，球盘模式的对摩副为圆环状试样和9个球状滚动体，将待测试轴承钢加工成外径42mm、内径12mm、厚度10mm的圆环，与之发生滚动对摩的球状滚动体为9个安装在保持架上的直径4.76mm钢球或陶瓷球，钢球或陶瓷球、保持架是一起从商品化的推力球轴承上拆出来的。

13、所述的球棒/球盘双模式滚动接触疲劳试验系统的使用方法，试验开始时，在驱动电机的带动下，空心夹具轴高速旋转，带动9个球状滚动体在圆环状试样的表面发生滚动，滚动体与圆环试样之间产生滚动接触对摩；润滑油通过润滑装置的油箱通过出油管路泵入油盒内腔的底部，从油盒内腔的上部由油泵通过回油管路吸回油箱，对对摩副的滚动接触进行润滑；或者，试验采用脂润滑，需要将润滑脂在试验前涂抹到9个球状滚动体上，同时关闭润滑装置的循环油路；试验系统的机电控制装置实时记录空心夹具轴旋转的周次、润滑油的温度和试验系统的振动加速度，其中加速度传感器安装在油盒的外表面；当圆环状试样发生滚动接触疲劳剥落时，试验系统的振动增大，达到设定的阈值时试验系统自动停止。

14、本发明的设计思想是：

15、本发明在同一台试验系统上，利用同一套旋转驱动装置、加载装置、润滑装置、对摩副固定装置和机电控制装置，通过方便的模块更换，既可以开展球棒式滚动接触疲劳试验，也可以开展球盘式滚动接触疲劳试验。

16、由于在同一台试验机上实现了两种模式的滚动接触疲劳试验，该试验系统既可以开展利于机理分析的球棒模式滚动接触疲劳试验，也可以开展高效率需求的球盘模式滚动接触疲劳寿命试验。

17、由于在同一台试验机上实现了两种模式的滚动接触疲劳试验，该试验系统既可以开展利于试验后亚表层内蝶状白蚀、夹杂物附近的组织结构和裂纹等分析表征的球棒模式滚动接触疲劳试验，也可以开展利于表面微凹坑、磨损、裂纹和剥落损伤研究的球盘模式滚动接触疲劳寿命试验。

18、由于在同一台试验机上实现了两种模式的滚动接触疲劳试验，对于通常需要多台套试验机同时工作才能满足效率要求的滚动接触疲劳试验研究，大大节省了实验室的房间费用和试验机购置费用等。

19、本发明相对于现有技术，具有如下优点和有益效果：

20、1、本发明在同一台试验系统上，利用同一套旋转驱动装置、加载装置、润滑装置、对摩副固定装置和机电控制装置，既可以利用球棒模块开展利于机理分析的球棒模式滚动接触疲劳试验，也可以利用球盘模块开展高效率需求的球盘模式滚动接触疲劳寿命试验。

21、2、本发明试验系统结构简单、造价低、占地面积小。在24平方米的实验室内，用同一套润滑装置和同一台电脑控制采集数据，可以轻松的放置6台试验系统，能够满足90％以上的滚动接触疲劳测试需求。

22、3、由于具备双模式滚动接触疲劳测试能力，本发明试验系统不仅利于开展滚动接触疲劳寿命研究，也利于开展试验后的分析表征。

23、4、由于具备双模式滚动接触疲劳测试能力，本发明试验系统利于开展试验后的表面和亚表层损伤随周次、应力、粗糙度等的演化机理。利用同一台试验系统，既可以利用球棒模块开展滚动接触疲劳试验中材料亚表层损伤随应力、周次的演化历程，也可以利用球盘模块开展滚动接触疲劳试验中材料表面损伤随应力、周次和粗糙度的演化历程。

24、5、本发明的双模式滚动接触疲劳试验系统，不管是球棒模式的圆柱状试样还是球盘模式的圆环状试样均具有尺寸小、制备加工简单和用料少的特点，而且两种试样均具有在同一个试样上开展多次试验的可能。

25、6、本发明根据待测试材料的实际服役工况，滚动接触疲劳试验既可以采用油润滑也可以采用脂润滑。