超硬涂层材料滚动接触疲劳试验机的研制
超硬纳米材料涂层改性技术,广泛用于改善传动摩擦副表面高温稳定性、化学稳定性、机械性能和摩擦学性能[1-3]。表面改性后的传动摩擦副应用性能参数定量评价对使用者至关重要。目前涂层零件应用性能参数定量评估技术还处于简单、间接试验研究阶段,试验评价结果和工程实际误差甚大难以满足使用要求[4-6]。模拟实际工况条件定量评定超硬材料涂层改性零件综合使用性能的评估理论和评估方法还没有被人们所认知[7-9]。偏离实际工况条件简单的、常用的试验方法如纳米划痕、纳米压入和高频冲击试验评估方法难以精确表征实际工况条件下涂层零件层基结合强度、接触疲劳强度和摩擦学性能[10-12]。
本文作者提出了超硬涂层零件接触疲劳失效机制模型;介绍了自主研制的超硬涂层材料滚动接触疲劳试验机的特殊功能;对51300纳米超硬材料涂层轴承滚动接触疲劳失效行为进行了试验检测评定;试验表明该接触疲劳试验机能较好的模拟工程实际工况条件,其智能检测控制系统能动态探测诊断涂层轴承表面原发初始疲劳裂纹并实时急停,可准确捕捉接触区疲劳裂纹初始状态,为超硬涂层零件接触疲劳失效机制分析提供可靠的试验依据。
1 超硬涂层材料滚动接触疲劳试验机
1·1 涂层零件滚动接触疲劳试验评估机制
涂层零件滚动接触疲劳试验评估机制模型如图1所示,径向载荷N和切向载荷T分别作用于滚动体1劳试验评估机制模型上,滚动体1以角速度ω沿涂层零件表面滚动。随着滚动体沿接触表面滚滑,接触区滚入方向的表面承受压力,滚出方向表面被释放。接触区前面表层材料受碾压上凸,接触区后面表层材料被释放而下凹。这样,接触区前面表层材料上凸阻力产生附加剪切分布应力τf作用于滚动体。
1·2 滚动接触疲劳实验机设计
选择51306推力球轴承环为滚动接触疲劳试验机的标准试件,试验机由机械传动系统、检测控制系统、润滑冷却系统和计算机数据处理系统组成。试验机传动与监控系统简图如图2所示。
1·2·1 机械传动系统
机械传动系统由加载机构、传动机构和急停机构组成。加载重块Q通过1∶5的加载杠杆将试验载荷N施加到试件上。加载重块Q的极限取值由51306轴承的当量静载荷极限确定。主传动由主电机通过皮带动轴承主件将运动和动力传到试件试验腔。急停机构由急停凸轮、急停接触开关和限扭摩擦离合器组成。试验过程中试件与滚动体间产生的摩擦扭矩超过限扭摩擦离合器的极限扭矩时,急停凸轮转动触发急停接触开关停止主电机。
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