[发明专利]滚动微动磨损试验装置、方法和磨损深度建模方法

权利要求书

1.滚动微动磨损试验装置，其特征在于，包括：左底座(1)、缓冲台(4)、下夹具(6)、对磨球(10)、上夹具(11)、旋转台(12)、回转马达(13)、右底座(15)、ATI六维F/T传感器(5)、导向杆(2)、应变片、信号采集系统和计算机；

左底座上沿竖向设置有若干导向杆；缓冲台安装于导向杆上；试件与下夹具固定并固定在缓冲台上；试件的上表面为下凹的圆弧面并于圆弧面上放置有对磨球；

回转马达固定在右底座上，回转马达的旋转轴连接旋转台；对磨球通过上夹具连接旋转台；

ATI六维F/T传感器置于缓冲台上，ATI六维F/T传感器的输出端连接信号采集系统；沿试件的轴线中心处植有应变片，该应变片连接电桥，电桥通过动态应变仪连接信号采集系统；信号采集系统连接计算机。

2.根据权利要求1所述的滚动微动磨损试验装置，其特征在于，缓冲台的下表面中央设有螺柱(3)。

3.根据权利要求1所述的滚动微动磨损试验装置，其特征在于，对磨球通过角接触球轴承与连接于上夹具的短轴相连。

4.根据权利要求3所述的滚动微动磨损试验装置，其特征在于，短轴偏心安装于上夹具上。

5.根据权利要求1所述的滚动微动磨损试验装置，其特征在于，试件上表面的弧面为对磨球滚动轨迹的包络面。

6.根据权利要求1所述的滚动微动磨损试验装置，其特征在于，所述滚动微动磨损试验装置的法向载荷范围处于5～420N之间；滚动的最小角位移幅值为0.36°；角速度控制范围0.01～5°/s，切向力测量范围为1.8～180N，扭矩测量范围10～10000N·mm，测量精度为4N·mm，循环次数1～1000次。

7.滚动微动磨损试验方法，其特征在于，根据权利要求1至6中任一项所述的滚动微动磨损试验装置，包括以下步骤：

首先将试件与下夹具相连，然后将下夹具与沿竖向导向杆置于底座上的缓冲台栓接在一起；将对磨球置于试件上；回转马达驱动通过回转台连接的上夹具，从而驱动对磨球；

设定法向载荷、转动角位移幅值、转速、循环周次、切向力和扭矩其中之一为变量，进行微动磨损试验；随后改变所选的变量，再进行微动磨损试验，分别提取摩擦力矩、法向力和转速实验数据，计算磨损深度。

8.滚动微动磨损深度建模方法，其特征在于，基于权利要求7所述的滚动微动磨损试验方法所获得的实验数据，计算磨损深度，具体包括以下步骤：

1)建立基于修正Archard模型的球-平面滚动微动磨损深度计算公式：

Archard磨损模型的公式如下：

式中，V为磨损体积；P为接触面的法向压力；S为对磨球与试件之间的切向相对滑移距离；H为模具硬度；K为磨损因子；

建立磨损体积修正公式：

V＝α∑E   (2)

式中，α为耗损系数；∑E为耗散能量；

二维模型中，某一时刻单点的磨损深度用累计耗散能量来表示，公式如下：

h(x,t)＝αE(x,t)   (3)

式中，x是接触面中心节点的水平位移，E(x,t)是累计耗散能量：

式中，q(x,t)为局部瞬时切向牵引力，s(x,t)为局部瞬时滑动距离；

2)球-平面滚动微动磨损深度的离散化计算：

接触节点i的第m次磨损深度用下式表示：

Δh_i,m＝αE_i,m   (5)

式中，E_im是单次滑移增量的耗散能量，E_im＝q_imΔs_im，q_i,m是接触节点i的第m次作用的切向牵引力，Δs_im是接触节点i的第m次作用的滑移增量；

接触节点i一个微动周期内的磨损总深度h_i表示为：

式中，m_max是一个时间步的最大增量步数，N_T为微动周期，ΔN为单个时间步步长。