新型小载荷冲击磨损试验机的研制及其实验研究

　　冲击磨损是2个固体表面之间反复动态接触、撞击所造成的表面磨损[1].在各类机械中,许多零部件都承受着不同程度的冲击磨损,如磁接触器件、模具凹凸模、刀具剪口以及锻锤等.冲击载荷会造成接触表面破坏,严重时将导致机器零部件失效.在磨损失效的类型中,冲击磨损可能是对材料最为不利、了解最少的一类磨损[2],这一方面反映了冲击磨损问题的复杂性,另一方面也与冲击磨损试验装置的缺乏有关.

　　到目前为止,国内外研究承受往复性冲击的固体表面特性的试验机,其冲击原理主要可分为: (1)自由落体[2]; (2)杠杆机构原理,系统主要由电动机、偏心轮或凸轮、连杆及弹簧等组成[3~6]; (3)汽缸驱动活塞冲击[7~11]; (4)气枪喷射固体粒子流[12]; (5)模拟工况专用设备[13].但这些试验机大多还是由企业和研究工作者根据工业的需要和实际工况自行设计和制造的,其冲击力通常在几十到几千牛顿,对于承受更小往复冲击载荷的零部件材料,有必要引入小载荷冲击试验机来评价其力学性能,这样才能使试验结果和实际工况更好对应,但目前市上未见此类设备供应.本文在参考文献[14, 15]的基础上,研制出1台针对小载荷冲击磨损进行实验室研究的试验机,该试验机能够对材料在小载荷下的冲击磨损特性进行一般性研究.

　　1　试验机原理及结构

　　图1示出了试验机工作原理示意图,即系统由任意波信号发生器产生指定频率的连续信号,该信号通过功率放大器后输入电动式激振器,激振器由弹簧、动圈及铁芯等组成,动圈在可变频率电流作用下产生激振力,从而带动激振顶杆及安装在顶杆末端的冲头按所给频率做上、下运动,冲头接触到试样后反作用力于传感器而产生相应电荷,电荷经放大、滤波后送入计算机内的A/D板,通过采集程序获得A/D板上输出端口的数值.

　　试验机由信号发生器模块、试验机台体以及计算机数据采集处理系统3部分组成,图2所示为试验机结构示意图.

　　1.1　信号发生器模块

　　采用4通道的波形发生器模块,最高频率为100 kHz,分辨率12位,频率从0. 1~100. 0 Hz可调,波形占空比从0% ~100%调节.配合软件可以控制信号频率从而控制试验冲击频率.

　　1.2　冲击试验机台体

　　台体主要由导板、激振器、冲头、试样夹具、底座及立板等组成.底座上有T形槽,试样夹具由固定螺钉通过滑槽固定在底板上,调整夹具可改变试样在底板的水平位置及其冲击角度;导板与立板相连,激振器固定在导板上,转动导板手柄可调整冲击行程.系统冲击力(F)由冲击行程(X0)以及功率放大器输出电流(I)决定.在确定X0下,F∝I.冲击试验中,常用的冲头形状有球形和平底2种,球形冲头不必考虑冲头与试样的相对位置,这种简化的球2平面体系可以模拟很多加载模式;而平底必须保证良好的接触才能使试验具有可比性[6],因此该试验机采用球形冲头.