[發(fā)明專利]壓電驅(qū)動(dòng)式低溫原位高頻往復(fù)微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)平臺(tái)

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810964978.8
• 申請(qǐng)日: 2018-08-23
• 公開（公告）號(hào): CN109060575A
• 公開（公告）日: 2018-12-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉欣;李磊;田媛;趙宏偉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/56
• 分類號(hào): G01N3/56
• 代理公司: 吉林長(zhǎng)春新紀(jì)元專利代理有限責(zé)任公司 22100
• 代理人: 王怡敏

本發(fā)明涉及一種壓電驅(qū)動(dòng)式低溫原位高頻往復(fù)微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)平臺(tái)，屬于精密原位測(cè)試領(lǐng)域。試驗(yàn)壓力加載單元由精密伺服電機(jī)提供動(dòng)力，經(jīng)由兩級(jí)蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)配合絲杠螺母副完成精確壓力加載；高頻往復(fù)單元布置在下側(cè)，采用先進(jìn)的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)技術(shù)，配合自主設(shè)計(jì)的柔性鉸鏈輸出高頻微動(dòng)位移；低溫精密夾持單元由上下夾具配合實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)夾持，并通過下夾具中的液氮管道實(shí)現(xiàn)低溫加載；數(shù)據(jù)采集單元包括拉力傳感器、壓力傳感器、雙比色紅外測(cè)溫儀。本發(fā)明原理可靠，體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，頻率高，與主流光學(xué)顯微鏡，拉曼光譜儀以及X射線衍射儀等具有開放式空間結(jié)構(gòu)的顯微成像系統(tǒng)具有良好的兼容性。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及精密原位測(cè)試領(lǐng)域，特別涉及微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤指一種壓電驅(qū)動(dòng)式低溫原位高頻往復(fù)微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)平臺(tái)。用于試件在低溫環(huán)境下高頻往復(fù)微動(dòng)摩擦磨損過程中原位試驗(yàn)，可對(duì)特定材料在此過程中的摩擦磨損行為進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為揭示其在微觀尺度下的摩擦特性和損傷辦法提供測(cè)試方法。

背景技術(shù)

材料作為一切高新技術(shù)的支撐和先導(dǎo)，對(duì)科學(xué)的發(fā)展有至關(guān)重要的意義，提高材料各類性能的測(cè)試水平，特別是提高服役條件下材料的微觀變形損傷機(jī)制和性能演變規(guī)律的測(cè)試能力，是提升材料及其制品性能穩(wěn)定性和使用壽命的關(guān)鍵，也是國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和科技進(jìn)步的重要保障。

摩擦磨損是材料失效的主要方式之一，摩擦普遍發(fā)生在兩個(gè)相互接觸并相對(duì)運(yùn)動(dòng)的表面之間，摩擦導(dǎo)致的表面材料逐漸損失的現(xiàn)象稱為磨損。摩擦磨損會(huì)導(dǎo)致零件的表面形狀和尺寸緩慢而連續(xù)地?fù)p壞，從而使得整個(gè)設(shè)備的工作性能和可靠性降低。

特別的，在螺紋聯(lián)接、花鍵聯(lián)接和過盈配合聯(lián)接等緊配合的接觸表面間會(huì)發(fā)生微米量級(jí)振幅運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生磨損，這種在相互壓緊的金屬表面間由于小振幅振動(dòng)而產(chǎn)生的復(fù)合形式的磨擦稱為微動(dòng)摩擦。微動(dòng)摩擦不僅可以造成接觸表面間的摩擦磨損，引起構(gòu)件咬合、松動(dòng)或形成污染源等，而且可以加速裂紋的萌生、擴(kuò)展，使構(gòu)件的疲勞壽命大大降低，普遍存在于機(jī)械行業(yè)、航空航天、核反應(yīng)堆、電力工業(yè)、橋梁工程、交通運(yùn)輸工具，甚至人工植入器官等領(lǐng)域的緊配合部件中。隨著高科技領(lǐng)域?qū)Ω呔取㈤L(zhǎng)壽命和高可靠性的要求，以及各種工況條件的苛刻，微動(dòng)損傷的危害日益凸現(xiàn)，已成為一些關(guān)鍵零部件失效的主要原因之一。

溫度在0~-150℃的條件下的摩擦磨損屬于低溫摩擦磨損，在低溫條件下，摩擦系數(shù)、摩擦特性等都會(huì)發(fā)生改變。有研究表明，材料在低溫條件下會(huì)更容易產(chǎn)生脆性破壞。開展低溫條件下材料的微動(dòng)摩擦試驗(yàn)有利于深入揭示極端環(huán)境零部件失效機(jī)理和相關(guān)性規(guī)律。傳統(tǒng)的摩擦磨損試驗(yàn)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，但是對(duì)于磨損區(qū)的分析都是基于離線的測(cè)試手段，并不能對(duì)摩擦試驗(yàn)過程中試件的微觀組織形貌進(jìn)行動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種壓電驅(qū)動(dòng)式低溫原位高頻往復(fù)微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)平臺(tái)，結(jié)合原位測(cè)試技術(shù)，通過光學(xué)顯微鏡、X射線衍射儀等成像儀器對(duì)試件在摩擦磨損測(cè)試過程中的微觀變形、內(nèi)部損傷的過程進(jìn)行全程動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，揭示低溫微動(dòng)摩擦條件下材料的摩擦磨損性能及損傷失效機(jī)制。研究特殊專用材料在低溫高頻微動(dòng)條件下的磨損失效機(jī)制，填補(bǔ)相關(guān)領(lǐng)域的空白。本發(fā)明突破性地將微動(dòng)摩擦與原位測(cè)試相結(jié)合，并且通過壓電驅(qū)動(dòng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)精確、高頻控制，此外，還創(chuàng)新性地加入低溫單元，是一種綜合的、多功能的摩擦磨損精密原位試驗(yàn)裝置。本發(fā)明設(shè)計(jì)了高頻往復(fù)支撐平臺(tái)，平臺(tái)通入液氮后為試件提供低溫環(huán)境，雙比色紅外測(cè)溫儀可直接對(duì)試件中心位置的溫度進(jìn)行測(cè)量，光學(xué)顯微鏡，X射線衍射儀等對(duì)試件進(jìn)行實(shí)時(shí)損傷裂紋觀測(cè)。

本發(fā)明結(jié)構(gòu)布局合理，整體分為上下結(jié)構(gòu)，上部主要布置壓力加載單元，結(jié)合精密伺服電機(jī)以及精密蝸輪蝸桿減速增扭機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)壓力動(dòng)態(tài)加載；利用低溫壓電陶瓷和柔性鉸鏈實(shí)現(xiàn)高頻往復(fù)精密驅(qū)動(dòng)，其頻率在30kHz左右，位移達(dá)到20um；借助于現(xiàn)有的精密傳感測(cè)試技術(shù)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，反饋，進(jìn)行后期處理。該測(cè)試平臺(tái)結(jié)構(gòu)小巧，傳動(dòng)精密平穩(wěn)，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)加載，并可借助多種成像儀器，對(duì)載荷作用下材料發(fā)生的微觀變形、損傷直至失效破壞的過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)材料在微動(dòng)摩擦磨損試驗(yàn)中的微觀力學(xué)行為和損傷機(jī)制做深入研究。

本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：