加速寿命接触疲劳试验机的研制.pdf

試测
加速寿命接触疲券试验机的研制
口曹珍口廖凯口梁爽口王文
上海大学机电工程及自动化学院上海200072
摘要:介绍一种加速寿命接触疲劳试验机,主要包括驱动部分、实验部分和加载部分,附加装置中的热电偶、加速
度传感器分别则量温度和振动。该试验机的特点是:接触应力较大(最大接触应力可达4GPa);转速高(最高转速为4100r/
min);功耗小(<0.5kW);还具有自动停机、自动计时、温度测试等功能。该机通过自行开发的 Labview测试系统,可以实时
采集试验的振动信号,从而准确判不同时段摩擦表面的磨损情况。试验机润滑系统采用可控式滴油润滑方式,在节省润
滑油的同时也避免了因润滑油过剩而引发的发热现象。该试验机不仅可对企属材料进行接触疲劳性能试验,还可以进行
油品及润滑油添加剂性能评价试验。该试验机工作稳定可靠,试验效果良好。
关键词:润滑油添加剂钢球接触疲劳寿命试验
中图分类号:TH16;TGI15
文献标识码:A
文章编号:1000-4998(2010)07-0066-04
随着人们对滚动轴承研究的不断深人,接触疲劳面产生循环接触应力,当应力循坏到一定次数时,试棒
寿命作为滚动轴承最重要的性能之一,已引起各轴承就会产生疲劳点蚀。
生产单位及相关用户的广泛关注。但由于影响其疲劳
寿命的因素太多,再加上滚动轴承疲劳寿命理论仍1试验机工作原理
完善,进行寿命试验无疑成为评定这项指标的唯一有1.1试验机总体设计
效途径。现在很多单位所采用的低负荷高转速的常规1.1.1设计思路
寿命试验方法费时费力,而且试验结果的可靠性差,因
为了提高试验效率,加快试验进度,采用增大载荷
此开发一种加速寿命接触疲劳试验机是很有必要的。和转速的方法加速疲劳寿命试验。而且试验机需在无
目前国内常用米检验滚动接触疲劳寿命性能的试人监控时,其试验参数如载荷、转速、润滑等不会发生
验机种类较多。包括有4球试验机、5球试验机、球变化。试验机系统的一些基本零部件也存在疲劳破坏
与V形环试验机、推力片试验机]等。其中4球试验的问题,因此试验机上一些关键零部件寿命要比试件
机和5球试验机在进行试验的时候被试球与陪试球之高出很多倍,以保证试验能够顺利完成。此外,试验机
间是滚、滑状态,这与实际工况有所不同,因而导致测应易于保养,能长期可靠、高效运行,以保证试验结果
试结果失真。球与形环试验机的两个各有两接触点长期一致性。基于上述要求,设计了加速寿命接角触疲劳
的圆截面分别在最大圆截面的两側,但因被试球的受试验机
力不是稳定平衡面需中心支承,故难以用实际轴承球1.1.2工作原理
进行试验。推力片试验机是最接近纯滚动接触疲劳寿
图1为试验机原理图,图2为试验机试验部分剖视
命工况的一类试验机,其分別模仿推力轴承和向心轴图。由图1可知,载荷由砝码杠杆机构加在加载套上。由
承工作原理进行试验。但是这种试验机的被试球上仍图2可知载荷通过加载套压在锥环上,由于上、下锥环
有一些滑动摩擦,这些滑动摩擦和一些附加结构都增
加了滚接触疲劳寿命的影响因素。以上各种试验机
传动电机
有些试验状态和实际工况有较大差异,而且大部分试
电ⅰ机
验周期较长。
试件夹头
因此我们在哈工大试验机设计原理基础上,自
试棒
行研制了一台加速接触式疲劳寿命试验机。其中试验
加载套『
加速度传感器
机主体部分为球与柱体点接触,因此当压力足够时,接
触点赫兹应力是很大的。试验机中,试件为一园柱试
试验锥环
试验球
棒,工作时试棒旋转,钢球绕试棒作行星转动,试验表
试验缸体
加载砝码
SKF荷兰研发中心基金支持项目(编号:D)10010909015
中、垫块加截
上海大学研究生创新基金支持项目(编号:A1601090922)
收稿目期:2010年1月
▲图1试验机原理图
562010/7
机械制造48卷第ss期ラ
的斜面作用,通过钢球传递到试棒上的力被明显放大行有级调速。调速等级分别为4100r/min、2400r
了。3个球靠保持架的作用以120°均布在试棒周围,这min、1400r/min、800r/min、480x/min。当试棒转动
样试棒与钢球之间会产生较大的接触应力。试棒在电时,だ在棒上的3个钢球将作行星转动,按运动学关系
机带动下高速旋转,当试棒表面产生疲劳剥落时,接触可以算出每分钟理论接触次数为:
处的振动值会明显变大,当振动超过已设定好的某一
值时,可判定试棒已发生疲劳损坏。这时试验机上高灵式中:n为试棒转速;ん为接触系数。
敏的测振系统会自动停止试验机工作。试验机可以进
M1=3×4100×0.762=9372.6(次)
行诸如:润滑剂性质、金属表面处理方法、材料性质对1.3受力分祈
接触疲劳强度的影响的试验。
设砝码重F,如图4知加载套受力:
图3为加速寿命接触疲劳试验机正在试验的实物
P=6F1
图,图中信号采集电脑上为 Labview程序采集的振动
图5所示为试棒与球体接触处的受力情况,外载荷
信号。
施加的力P作用在锥环上。设定试棒与球体接触处的
2达动学分析
力为Q;每个球体与锥环接触处的力为R。则
试验机最高转速为4100r/min,并可利用塔轮进
Q=2P/(3tan0
式中:锥环锥度θ=28.8。
Q=1.2
在快速疲劳试验中,如果载荷过大,试件会发生较
大的塑性变形,使其转动困难,无法继续试验。如载荷
加载套
试验锥环
过小,试件不易发生疲劳损坏,所以初始载荷的确定是
保持架
试验球
比较重要的。根据赫兹弹性接触理论,在弹性变形条件
下,球与柱在接触处一般为椭圆接触,其最大 Hertz接
试棒
垫块
触应力为:
OHMAX=3 Q/(2m ab)
式中:a为接触椭圆的长轴;b为接触椭圆的短轴。
试验缸体
2F(A+B)
b=んb
3
7
2E(+B)
式中:A、B为几何常数;kn、ん为尺寸系数;E为当量
▲图2试验机剖视图
单性模量。
加载方式为砝码加载W,不加砝码时杠杆自重约
Fl
1.电机
2.加载套
▲图4试验机受力分析图
3.杠杆加载系统
4.信号采集卡
5.控制系统
6.加载砝码
7.信号采集电肘
8.出油管
9.试验缸体
10.加速度传感器
11.润滑系统
▲图3加速疲芳寿命试验机
▲图5试棒与钢球接触处受力分析图
Nラ机械制造48卷第55期
2010/7167