【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于金属材料微动损伤测试领域，尤其涉及一种对金属配合面的微动磨损和疲劳性能进行测试的装置及方法
技术介绍
1、磁流变液(magnetic fluid)是由纳米级(小于10nm)的铁磁性或超顺磁性微细颗粒借助于表面活性剂稳定地分散于基液(如油、水等液体)中形成的一类兼具磁体磁性和液体流动性的功能流体。自磁流体的概念出现以来，国内外研究人员对磁流体的应用研究十分活跃。目前，磁流体已逐渐在磁液密封、电声器件、润滑、选矿、磁回路、医疗卫生、生物磁学等诸多领域得到应用。但在电磁微动领域，研究者们还没有投入足够的关注。
2、电磁式微动驱动方式采用电磁激振器输出相对位移，最大优点是频带宽，可模拟高频微动。然而其却存在着激振力和位移振幅不高、控制精度差、激振力方向相对单一的缺点。
3、微动损伤主要包括接触表面磨损和微动疲劳裂纹形成、扩展两种机制。在金属配合后的使用过程中，金属材料常常会受到反复的微动载荷，从而导致配合面存在交变的切向和法向载荷从而引起切向和径向微动共同作用的复合微动模式，最终导致配合面的表面磨损和微动疲劳。这种疲劳现象会影响配合面的寿命和性能，因此，对金属配合面微动磨损和疲劳行为的研究具有重要意义。然而，现有的微动磨损测试方法在微动接触界面的动态检测手段、模拟复合方向振动和低的位移幅值控制、大位移幅值跨度、大运动频率跨度方面存在一定的局限性，难以全面反映金属配合面的实际工作状况。
4、鉴于以上问题，需要设计一种能在复合方向高频振动的方式，这能有效提升微动磨损测试实验的测试精度、减少测
技术实现思路
1、针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于磁流变的电磁微动疲劳测试装置及方法，其能够利用磁流体特性达到复合方向微动的功能，具有低成本、高输出力、低能耗、微动幅值可调、微动频率可调的特点。
2、本专利技术基于磁流变的电磁驱动复合微动疲劳测试装置，包括机架和两个复合微动疲劳测试机构。所述的复合微动疲劳测试机构包括电磁激振装置、夹具、两个t型支架和两个超声磁控振动单元；所述的t型支架由垂直设置的滑杆和连接杆组成，所述的滑杆两端设有一体成型的两个滑环，其中一个t型支架的两个滑环固定在机架的其中两个滑轨上，另一个下t型支架的两个滑环固定在机架的另外两个滑轨上；所述的超声磁控振动单元包括u型腔体、超声振子和梯度线圈；其中一个超声磁控振动单元的超声振子和梯度线圈均与一个t型支架的连接杆侧面固定，另一个超声磁控振动单元的超声振子和梯度线圈均与另一个t型支架的连接杆侧面固定，且同一个t型支架上，梯度线圈比超声振子靠近t型支架的滑环；两个超声磁控振动单元的u型腔体外凸部分与两个t型支架的连接杆端部分别通过球铰链连接，且u型腔体内设有磁流变液；两个超声磁控振动单元的u型腔体的内凹部分正对设置，且均固定在夹具尾部；所述夹具的尾端与电磁激振装置固定。两个复合微动疲劳测试机构的夹具上下正对，上方复合微动疲劳测试机构的电磁激振装置与机架固定，升降台和下方复合微动疲劳测试机构的电磁激振装置均与液压缸的缸体固定，液压缸的活塞杆通过约束轨道与机架固定；升降台与固定在机架上的约束轨道以及机架的四个滑轨均构成滑动副；所述的约束轨道上设有刻度。
3、优选地，所述的机架包括顶板、底板、滑轨和底部框架，所述的顶板和底板通过四个滑轨固定；上方复合微动疲劳测试机构的电磁激振装置与顶板固定，约束轨道与底板固定，底板与底部框架固定。
4、优选地，所述t型支架的连接杆端部与球铰链的球形支座固定，u型腔体的外凸部分与球铰链的球头固定。
5、优选地，所述t型支架的滑环通过滚动轴承支承在滑轨上。
6、优选地，所述的梯度线圈为壁厚均匀的圆筒状，固定在t型支架中圆柱形的连接杆上，所述的连接杆与梯度线圈的内壁贴合。
7、优选地，超声振子、电磁激振装置、梯度线圈、频率传感器、位移传感器和陀螺仪均与pid控制器连接，pid控制器调节超声振子的振动频率、电磁激振装置的激振参数和梯度线圈产生的磁场，并接收频率传感器检测的振动频率、位移传感器检测的振幅和陀螺仪检测的振动方向。
8、更优选地，所述的pid控制器连接显示模块。
9、本专利技术基于磁流变的电磁驱动复合微动疲劳测试方法，包括以下步骤：
10、步骤一：金属配合面通过两个夹具进行装夹；设定金属配合面振动的方向、频率、振幅、持续时间，电磁激振装置的频率、振幅，超声振子的振幅，并设定疲劳边界条件。
11、步骤二：pid控制器通过改变两个超声磁控振动单元的超声振子振动频率来改变u型腔体的微动频率，从而改变金属配合面的微动频率，并通过改变两个超声磁控振动单元的梯度线圈电流来改变梯度线圈磁场，进一步改变磁场对u型腔体内磁流变液的作用，来调节u型腔体的微动振幅和方向，从而改变金属配合面的微动振幅和方向，且u型腔体的微动与电磁激振装置产生的激振结合，使金属配合面按照设定的振动方向和振幅实现复合方向微动，从而对金属配合面进行疲劳测试。
12、优选地，梯度线圈在空间任意一点(x,y,z)的磁场强度h(x,y,z)与电流的关系如下：
13、
14、其中，gx、gy、gz分别为梯度线圈在x、y、z三个方向的梯度，ix、iy、iz分别为梯度线圈在x、y、z三个方向的电流，分别为x、y、z三个方向的单位向量。
15、更优选地，梯度线圈在u型腔体与夹具接触面的形心处所能产生的磁场强度与u型腔体内磁流变液的体积模量与剪切模量的关系构建如下：
16、u型腔体与夹具接触面的形心处磁流变液在该处所受的磁场强度h作用下的综合力学响应g*(h)为：
17、g*(h)＝10g′(h)+ig″(h)
18、g′(h)为储能模量，g″(h)为耗能模量，i为虚数单位。
19、g′(h)和g″(h)取经验公式为：
20、g′(h)＝3.11×10-8h2+3.56×10-5h+0.578×102
21、g″(h)＝3.47×10-9h2+3.85×10-6h+6.31×10-3
22、超声磁控振动单元中的u型腔体内磁流变液的等效拉梅常数为：
23、
24、其中，λ(d)为拉梅第一参数，表示磁流变液材料的体积模量；μ(d)为拉梅第二参数，表示磁流变液材料的剪切模量；c为修正因子，e为磁流变液材料的杨氏模量，磁流变液材料的泊松比v计算如下：
25、
26、超声振子的振动频率ω与u型腔体任意点位移之间的关系如下：
27、超声磁控振动单元垂直入射到u型腔体的弹性波在磁流变液中传递的波动方程为：
28、
29、其中，ξ(d,t)为弹性波的位移函数；t为时间变量，σ为阻尼系数，d表示沿某一维度(x、y、z)的距离，定义磁流变液距离超声振子最近点对应的d＝0，磁流变液距离超声振子最本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于磁流变的电磁驱动复合微动疲劳测试装置，包括机架和两个复合微动疲劳测试机构，其特征在于：所述的复合微动疲劳测试机构包括电磁激振装置、夹具、两个T型支架和两个超声磁控振动单元；所述的T型支架由垂直设置的滑杆和连接杆组成，所述的滑杆两端设有一体成型的两个滑环，其中一个T型支架的两个滑环固定在机架的其中两个滑轨上，另一个下T型支架的两个滑环固定在机架的另外两个滑轨上；所述的超声磁控振动单元包括U型腔体、超声振子和梯度线圈；其中一个超声磁控振动单元的超声振子和梯度线圈均与一个T型支架的连接杆侧面固定，另一个超声磁控振动单元的超声振子和梯度线圈均与另一个T型支架的连接杆侧面固定，且同一个T型支架上，梯度线圈比超声振子靠近T型支架的滑环；两个超声磁控振动单元的U型腔体外凸部分与两个T型支架的连接杆端部分别通过球铰链连接，且U型腔体内设有磁流变液；两个超声磁控振动单元的U型腔体的内凹部分正对设置，且均固定在夹具尾部；所述夹具的尾端与电磁激振装置固定；两个复合微动疲劳测试机构的夹具上下正对，上方复合微动疲劳测试机构的电磁激振装置与机架固定，升降台和下方复合微动疲劳测试机构的电磁激振装置均与
2.根据权利要求1所述基于磁流变的电磁驱动复合微动疲劳测试装置，其特征在于：所述的机架包括顶板、底板、滑轨和底部框架，所述的顶板和底板通过四个滑轨固定；上方复合微动疲劳测试机构的电磁激振装置与顶板固定，约束轨道与底板固定，底板与底部框架固定。
3.根据权利要求1所述基于磁流变的电磁驱动复合微动疲劳测试装置，其特征在于：所述T型支架的连接杆端部与球铰链的球形支座固定，U型腔体的外凸部分与球铰链的球头固定。
4.根据权利要求1所述基于磁流变的电磁驱动复合微动疲劳测试装置，其特征在于：所述T型支架的滑环通过滚动轴承支承在滑轨上。
5.根据权利要求1所述基于磁流变的电磁驱动复合微动疲劳测试装置，其特征在于：所述的梯度线圈为壁厚均匀的圆筒状，固定在T型支架中圆柱形的连接杆上，所述的连接杆与梯度线圈的内壁贴合。
6.根据权利要求1所述基于磁流变的电磁驱动复合微动疲劳测试装置，其特征在于：超声振子、电磁激振装置、梯度线圈、频率传感器、位移传感器和陀螺仪均与PID控制器连接，PID控制器调节超声振子的振动频率、电磁激振装置的激振参数和梯度线圈产生的磁场，并接收频率传感器检测的振动频率、位移传感器检测的振幅和陀螺仪检测的振动方向。
7.根据权利要求6所述基于磁流变的电磁驱动复合微动疲劳测试装置，其特征在于：所述的PID控制器连接显示模块。
8.根据权利要求6或7所述基于磁流变的电磁驱动复合微动疲劳测试装置的疲劳测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
9.根据权利要求8所述基于磁流变的电磁驱动复合微动疲劳测试装置的疲劳测试方法，其特征在于：梯度线圈在空间任意一点(x,y,z)的磁场强度H(x,y,z)与电流的关系如下：
10.根据权利要求9所述基于磁流变的电磁驱动复合微动疲劳测试装置的疲劳测试方法，其特征在于：梯度线圈在U型腔体与夹具接触面的形心处所能产生的磁场强度与U型腔体内磁流变液的体积模量与剪切模量的关系构建如下：
...【技术特征摘要】
1.基于磁流变的电磁驱动复合微动疲劳测试装置，包括机架和两个复合微动疲劳测试机构，其特征在于：所述的复合微动疲劳测试机构包括电磁激振装置、夹具、两个t型支架和两个超声磁控振动单元；所述的t型支架由垂直设置的滑杆和连接杆组成，所述的滑杆两端设有一体成型的两个滑环，其中一个t型支架的两个滑环固定在机架的其中两个滑轨上，另一个下t型支架的两个滑环固定在机架的另外两个滑轨上；所述的超声磁控振动单元包括u型腔体、超声振子和梯度线圈；其中一个超声磁控振动单元的超声振子和梯度线圈均与一个t型支架的连接杆侧面固定，另一个超声磁控振动单元的超声振子和梯度线圈均与另一个t型支架的连接杆侧面固定，且同一个t型支架上，梯度线圈比超声振子靠近t型支架的滑环；两个超声磁控振动单元的u型腔体外凸部分与两个t型支架的连接杆端部分别通过球铰链连接，且u型腔体内设有磁流变液；两个超声磁控振动单元的u型腔体的内凹部分正对设置，且均固定在夹具尾部；所述夹具的尾端与电磁激振装置固定；两个复合微动疲劳测试机构的夹具上下正对，上方复合微动疲劳测试机构的电磁激振装置与机架固定，升降台和下方复合微动疲劳测试机构的电磁激振装置均与液压缸的缸体固定，液压缸的活塞杆通过约束轨道与机架固定；升降台与固定在机架上的约束轨道以及机架的四个滑轨均构成滑动副；所述的约束轨道上设有刻度。
2.根据权利要求1所述基于磁流变的电磁驱动复合微动疲劳测试装置，其特征在于：所述的机架包括顶板、底板、滑轨和底部框架，所述的顶板和底板通过四个滑轨固定；上方复合微动疲劳测试机构的电磁激振装置与顶板固定，约束轨道与底板固定，底板与底部框架固定。
3.根据权利要求1所述基于磁流...
【专利技术属性】
技术研发人员：王毅刚，周浩铭，钱佳慧，陈嘉豪，王昱晨，刘国振，
申请(专利权)人：杭州电子科技大学，
类型：发明
国别省市：
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