一种研究同步器的拨叉环和滑块随机振动磨损的试验装置及振动对机构磨损系数的分析方法

摘要

本发明提供一种研究同步器的拨叉环和滑块随机振动磨损的试验装置及振动对机构磨损系数的分析方法，本发明是在原静态试验条件下，通过加装激振器来组成新的动态试验装置。在需要测量的部位(本发明是对同步器中拨叉和滑块的磨损进行研究)通过加装位移和正压力传感器来测出相应的实验数据，实验数据传输到计算机内进行储存和分析，并通过事先给出的数学模型来计算磨损系数，然后得出结果显示在屏幕上。本发明大大简化了工作量，况且由于仪器比较固定，得出的每次数据偏差不大，同时减少了人为因素的影响。修正原来传统Archard公式中静态磨损系数的局限性，扩展Archard公式的应用范围。

说明书

技术领域

本发明涉及振动对磨损的影响，尤其涉及一种研究同步器的拨叉环和滑块随机振动磨损 的试验装置及振动对机构磨损系数的分析方法。

背景技术

非振动条件下，计算磨损量或磨损率时，使用Archard公式中的磨损系数都是靠查表选取， 这个磨损系数是在静态条件下得到的。如果求得动态条件下的磨损量或磨损率，显然用动态 条件下的磨损系数更符合实际。这个系数反映了振动频率、振幅、功率谱密度、振动方向及 振动随机性等因素的影响。

静态条件下的磨损系数的测定方法及试验装置是比较多的，但在动态条件下，当前还没 有较合适的试验装置。

振动条件下，计算磨损量或磨损率时，由于没有动态磨损系数可查，通常采用静态磨损 系数替代，然后将振动每一时段的载荷及移动的距离相乘累加，代替静态的载荷和整个行程， 用Archard公式给出。

对于振动条件下的试验装置，往往用静态试验装置替代。

在许多机械运行过程中，经常会出现振动的情况，而在计算磨损量或磨损率时，通常采 用静态条件下的磨损系数，这显然不符合实际情况。实际工况中，这种影响有时还是很大的， 本专利就是解决该问题。通过在本发明的实验装置上加装激振器来模拟机械装置在运行中出 现的振动，并通过传感器来测出实验数据，然后在计算机上利用编制的软件进行计算，从而 算出机械装置在振动情况下的磨损系数。

目前在计算振动条件下的磨损量或磨损率的比较常用的技术，是利用传统Archard公式， 仍采用静态的磨损系数，给出磨损量或磨损率。这种方法的缺点是，没有考虑振动的方向、 振动的随机性及模态等因素的影响，况且在实际磨损测量情况下都是人工拆卸试验装置，然 后取出磨损部件人工测量，浪费人力、物力、财力，测得的实验数据也会因人而异，浮动很 大。因此，得出的结果是与实际有较大的误差。

发明内容

本发明的目的是为了研究实际工况中的振动对磨损的影响而提供一种研究同步器的拨叉 环和滑块随机振动磨损的试验装置及振动对机构磨损系数的分析方法。

本发明的目的是这样实现的：一种研究同步器的拨叉环和滑块随机振动磨损的试验装置， 同步器的箱体安装在实验台上，在所述箱体的下表面或者箱体的第一侧面与下表面或者箱体 的下表面与第二侧面上设置有激振器顶杆，激振器顶杆的端部通过加载导杆与激振器连接， 所述激振器安装在激振器座上，所述箱体的第一侧面与第二侧面是相邻的箱体的两个侧面， 在同步器的拨叉环上设置有信号接收器，在同步器的滑块上设置有信号发射器，在拨叉环与 滑块接触的表面上还设置有三个压阻式压力传感器，所述信号发射器、信号接收器和三个压 阻式压力传感器分别通过数据传输线与外部的数据采集卡连接，数据采集卡与计算机连接。

一种振动对机构磨损系数的分析方法，

第一步：数学计算模型的建立：

同步器工作过程中，同步器的滑块与拨叉环之间产生相对滑动和正压力，而滑块的磨损 率h用Archard公式表示是：

$h=\frac{W}{\rho A}=\frac{1}{\rho A}·K·\frac{FL}{H}$

其中：h表示滑块的磨损率，W表示滑块的磨损量，ρ表示滑块密度，A表示拔叉环和 滑块的接触面积，H表示接触材料硬度，F表示正压力，L表示拔叉环与滑块的相对滑动距 离，K表示磨损系数；

而对于随机振动过程，由于正压力F是随机变量，则修订后的Archard公式是：

$h=\frac{W}{\rho A}=K·\frac{1}{\rho A}·\frac{({\mu }_{f_i}+{\sigma }_{f_i}){\mathrm{\Sigma l}}_i}{H}$

其中：∑l_i＝L表示每个计算时间步长中的相对滑动距离，和是通过传感器测出的 随机变量F的均值和标准差，其余相同；

则磨损系数K是：

$K=\frac{W·H}{({\mu }_{f_i}+{\sigma }_{f_i}){\mathrm{\Sigma l}}_i};$

第二步：滑块的磨损量W的测量：

在同步器的拨叉环上设置有信号发射器，在同步器的滑块上设置有信号接收器，由发射 器发射一个脉冲信号到接收器，接收器接收到信号后将收到的信号传输到计算机中，计算机 将计算出收到信号和发射信号的时间差，用时间差乘以信号的传输速度计算出滑块和拔叉环 的距离值，N次测量后形成一条曲线，在曲线上取出距离的最小值即为磨损的最大处的值L_e， 同步器静止状态时的滑块与拔叉环的距离L_s，则滑块的磨损量W＝L_s-L_e；

第三步：随机变量F的均值和标准差

在拨叉环与滑块接触的表面上设置有三个压阻式压力传感器，在同步器工作过程中，测 得一次接触的三组压力数据，并传输到计算机中进行分析计算存储，N次测量后经计算机计 算得出正压力的均值和标准差

第四步：将第二步与第三步得出的W、和代入至磨损系数K的公示中，求出磨损 系数K。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述N次测量是指拨叉环与滑块接触1000次。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明给出动态条件下的磨损系数，通过仪器 测量磨损量和正压力，大大简化了工作量，况且由于仪器比较固定，得出的每次数据偏差不 大，同时减少了人为因素的影响。修正原来传统Archard公式中静态磨损系数的局限性，扩 展Archard公式的应用范围。动态磨损系数的分析中，采用传感器和仪器测量的方法大大简 化了实验步骤，节约了工时，减小了人为因素的影响；对于振动随机过程，选取载荷的均值 和标准差，改造Archard公式，给出动态磨损系数的数学模型。给出动态条件下，测定和分 析综合传动装置的磨损系数的试验装置的结构。本发明利用了传感器和高精度测量仪器测量 实验数据和计算机采集分析计算方法，误差较小，分析简单，精度更高。本发明提出一种考 虑振动工程实际的机械零件的磨损系数的分析方法，能有效处理在随机振动过程的载荷分析。 给出动态条件下的磨损系数，比起静态的系数更体现了动态条件下影响。本发明弥补了动态 条件下磨损系数的空白，使Archard公式在动态条件下，计算磨损量或磨损率的精度提高。

附图说明

图1是一向试验装置结构示意图；

图2是二向试验装置结构示意图；

图3是同步器装配关系图；

图4是磨损量测量装置图；

图5是正压力测量装置图；

图6是压力传感器布置图；

图7是履带车环境垂直轴振动功率谱；

图8是履带车环境横测轴振动功率谱；

图9是履带车环境纵向轴振动功率谱；

图10是设计原理图；

图11是本发明的具体流程图；

图12是计算机显示面板的示意图。

1、拔叉环，2、滑块，3、拔叉，4、二档齿轮，5、输出轴，6、箱体，7、数据传输线， 8、激振器顶杆，9、数据采集卡，10、激振器座，11、激振器，12、加载导杆，13、计算机， 14、同步器体，15、连接齿套，16是同步器销，17是拔叉轴，18是信号发射器，19是信号 接收器，20是数据传输线，21是压阻式压力传感器，22是数据传输线，23是弹簧。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的技术方案是在原静态试验条件下，通过加装激振器来组成新的动态试验装置。 在需要测量的部位(本专利是对同步器中拨叉环和滑块的磨损进行研究)通过加装位移和正 压力传感器来测出相应的实验数据，实验数据传输到计算机内进行储存和分析，并通过事先 给出的数学模型来计算磨损系数，然后得出结果显示在屏幕上。

1、数学计算模型的建立

同步器同步过程中，同步器体滑块与拨叉环之间产生相对滑动和正压力，通过传感器来 获取正压力和相对滑动造成的磨损量，然后使用Archard公式，即可以求解出同步器滑块的 磨损率。

Archard公式如下：

$h=\frac{W}{\rho A}=\frac{1}{\rho A}·K·\frac{FL}{H}$

其中，W表示滑块的磨损量；

ρ＝7.8×10³kg/m³，表示滑块密度；

A＝325mm²，表示拔叉和滑块的接触面积；

H＝45～52HRC表示接触材料硬度，取平均值，即48.5HRC；

F表示正压力。

L表示拔叉与滑块的相对滑动距离；

对于随机振动过程，由于正压力也会受到振动的影响，因此正压力也为随机变量。因此， Archard公式中的正压力可有f_i的标准差及均值带入式上式中有：

$h=\frac{W}{\rho A}=K·\frac{1}{\rho A}·\frac{({\mu }_{f_i}+{\sigma }_{f_i}){\mathrm{\Sigma l}}_i}{H}$

其中，L＝Σl_i表示每个计算时间步长中的相对滑动距离；

上面等式中的h可以有代换，这样上式就可以变形成如下式子：

$K=\frac{W·H}{({\mu }_{f_i}+{\sigma }_{f_i}){\mathrm{\Sigma l}}_i}$

此等式中，由于W是磨损量，是通过仪器测量出来的；H是根据零件的特性决定的，因 此为已知量；为通过传感器测出的随机变量F的均值和标准差，是通过仪器可以测 出来的；∑l_i是根据实际情况事先定好的数据。由此上述各个变量都是已知或者可以通过方 法计算和测量出来的，就可以计算出某一要求下的磨损系数。

2、实验装置的改进

改进后的综合实验装置的结构图如图1和如图2，包括完整同步器的所有零件：拨叉轴、 拨叉、拨叉环、滑块、同步器体、同步器销、弹簧、销钉、滑移齿套、二档齿轮以及输出轴。

具体的装配关系为如图3所示，同步器处在实验装置箱体内部，同步器通过同步器体里 面的连接轴套与轴相连，同步器可以沿着轴上的滑移键槽进行左右滑动，输出轴和箱体壁通 过滑动轴承相配合，各个零件均参考某型号履带车同步器的实际结构和尺寸建立。其工作过 程为拔叉带动滑块，滑块带动拔叉环，然后拔叉环带动同步器体运动。在这个运动过程中拔 叉与滑块之间、滑块与拔叉环之间都会产生磨损，相互之间接触的次数越多，压力越大磨损 量也就越大。但是考虑履带车的工作环境复杂，一般在野外居多，因此振动较大，这就不可 避免的对滑块与拔叉、拔叉与拔叉环之间的磨损产生影响。因此本装置在原来静态装置的基 础之上加装了激振器和公式中参数的测量装置，以模拟同步器在工作过程中的振动影响，计 算在振动条件下的动态磨损系数。

如图1所示为改进后的一向振动试验装置。本装置在原有静态装置之上进行改进，在试 验台底部加装了一台激振器，激振器固定在平整地面上，通过加载导杆作用到试验台的下部 底板，使试验台由原来的静止状态变成可以垂直上下振动的试验台，可以模拟机器在运转中 受垂直方向振动比较严重的状态。如图2的二向改进实验装置是在一装置的基础之上在试验 台输出轴的方向加装一台激振器，改进后的装置可以模拟机器运转过程中在垂直和水平方向 的振动以及两种综合情况下的振动。同样，也可以在试验台的侧面垂直于底面的方向上增加 一台激振器，这样就可以模拟机器在实际运动过程受到得侧方振动的影响。而且加装了三台 激振器的试验台可以同时开启三台激振器产生不同方向的振动，这样的装置更加符合机器真 实的运动环境，到达模拟的实际效果。这种装置测得的磨损系数比静态下测得的磨损系数值 更加真实有说服力。

3、磨损量的测量(距离传感器)

距离传感器的原理：“飞行时间法”(flyingtime)是通过发射特别短的光脉冲，并测量此 光脉冲从发射到被物体反射回来的时间，通过测时间间隔来计算与物体之间的距离。由于现 在市面上的高精度距离传感器的精度已经达到0.01mm,因此对于本实验装置其精度已经达到 要求，可以采用这种距离传感器。

由于同步器中拔叉与滑块、滑块与拔叉环之间反复接触，根据磨损机理肯定会产生磨损。 并且接触次数越多磨损量越大，如果同步器在振动条件下工作，那么磨损量肯定与静态状态 下有所不同。本试验装置对同步器中拔叉与滑块、滑块与拔叉环之间的在一定接触次数下的 磨损看成是随机变量，通过仪器测出来实时数据，通过数据采集卡传输到计算机上，并有相 应编制的软件进行处理分析。多次处理相同接触次数的数据就可以得出实验的平均值，即为 所得的数据。

如图4所示，信号发射器装在滑块上，而接收器装在拔叉环上，发射器和接收器都通过 数据线和数据采集卡相连，并实时向数据采集卡传输信号。同步器中测量磨损量的方法如下：

首先，由发射器发射一个脉冲信号到接收器，然后接收器接收到信号并把收到的信号传 输到计算机中，计算机会把收到信号和发射信号的时间差计算出来，然后时间乘以信号的传 输速度就可以计算出滑块和拔叉环的距离值(都在计算机预先设计的程序计算)，计算机把结 果存储起来并通过绘图形式显示于计算机屏幕上。由于，不停的测量滑块和拔叉环的距离变 化，这样计算机窗口中就会形成一条曲线。等到实验结束，取出其距离的最小值即为磨损的 最大处的值L_e。然后由起初同步器静止状态时的滑块与拔叉环的距离L_s减去L_e即可得到所需 的磨损量W＝L_s-L_e。

4、正压力测量与数据获取

本发明中测量正压力的正压力传感器类型是压阻式压力传感器，它具有极低的价格和较 高的精度以及较好的线性特性。这种传感器的原理在此不做赘述。

如图5、6所示为正压力传感器的位置布置图，在拔叉环和滑块接触的过程中，在接触面 上总共布置了3个正压力传感器，分别布置在拔叉与滑块的接触部位，这种正压力传感器通 过传感器片的变形而计算出压力值。

其测量过程如下：滑块在拔叉的带动下向左运动，先接触到正压力传感器，然后挤压正 压力传感器，压力传感器随着滑块一起向左运动当运动到极限状态下滑块和拔叉环接触，测 得最大压力数据。测得的一次接触的三组压力数据传输到计算机中经过分析计算进行存储。 一次实验结束后，测得的所有正压力数据就存储在计算机中。由于此数据在振动条件下而非 静态状态下测得的，因此数据有随机性，经过计算机的处理分析，就可以求取本次试验正压 力的均值和标准差

5、振动条件的输入

陆地机动环境主要是由于车体的支承和结构同路面平度作用引起的宽带随机振动组成。 地形特点、车速、车体的动力特性以及装载都会影响振动响应。一般来说，轮车和拖车的振 动谱均有突出的随机性，在各种离散频率外还有很多峰和谷。履带车的环境特点是履带拍打 的影响很大，车体的运动、支承以及路面平度都会产生宽带随机激励，在轮车和拖车的环境 基础上进一步补充拍打路面的频率。根据GJB150.16《军用装备实验室环境试验方法第16 部分：振动试验》，这种环境可以使用图7～9给出的3个轴方向振动功率谱来模拟。

通过给装置的底部、侧面和轴向加装三个激振器可以模拟同步器在工作中遇到的各种震 动。在实验开始时可以让不同部位的激振器按照上述三种振动功率谱同时或者分别振动，以 模拟不同环境下的同步器振动问题，此时测得实验所需的数据就能代表真实条件下的数据。

6、数据的采集、输入、分析、计算和输出显示

有上述可知，本试验所需数据的采集有测量仪器和传感器测得数据，传输到数据采集卡 上，再有数据采集卡通过数据传输线传到计算机中存储。计算机有相应的分析计算软件对于 一次实验磨损量的分析计算过程流程图10和图11所示：本实验的采集处理计算步骤如流程 图：首先分析拔叉与滑块接触次数为1000次为一次实验，三个压阻式压力传感器的应变片产 生变形引起阻值的变化，阻值的变化被数据采集卡采集传输到计算机中，有相应的程序得出 每个压力传感器的压力值，上述过程循环1000次，就可以得到三组变量值，对这三组变量值 按照概率统计的计算公式求得压力的均值和标准差，并把这些数值存储于计算机中。距离传 感器根据实际的零件尺寸不同，布置的个数也不一样。由于距离的不断变化就会在计算机的 距离传感器的显示窗口以正弦波的形式绘制出来，并在实验的结束时自动求出波谷位置的Y 值，即为L_e。

上述过程计算机的分析计算得出的是一次实验(拔叉与滑块反复接触1000次)过程中振 动环境下的磨损系数K。

其中，Σl_i表示每个计算时间步长中的相对滑动距离，它的选取是根据实验要求在实验 之前确定的。

计算机计算结果的输出显示如图12所示。