用于弯曲载荷和扭转载荷试验的装配结构、试验机及方法

技术领域

本专利主要应用于塑性加工及高铁轮对等过盈配合表面的服役性能和寿命测试领域，对弯扭联合载荷作用下过盈配合面的微动损伤实验研究提供极大的便利。具体涉及一种用于弯曲载荷和扭转载荷试验的装配结构、试验机及试验方法。

背景技术

塑性加工是使金属在外力，通常是压力作用下，产生塑性变形，获得所需形状，尺寸和组织，性能的制品的一种基本的金属加工技术，以往常称压力加工。金属塑性加工的种类很多，根据加工时工件的受力和变形方式，基本的塑性加工方法有锻造，轧制，挤压，拉拔，拉伸，弯曲，剪切等几类。

金属塑性加工与金属铸造，切削，焊接等加工方法相比，有以下特点:

金属塑性加工是金属整体性保持的前提下，依靠塑性变形发生物质转移来实现工件形状和尺寸变化的，不会产生切屑，因而材料的利用率高得多。

塑性加工过程中，除尺寸和形状发生改变外，金属的组织，性能也能得到改善和提高，尤其对于铸造坯，经过塑性加工将使其结构致密，粗晶破碎细化和均匀，从而使性能提高。此外，塑性流动所产生的流线也能使其性能得到改善。

塑性加工过程便于实现生产过程的连续化，自动化，适于大批量生产，如轧制，拉拔加工等，因而劳动生产率高。

目前，塑性加工过程组合式支承辊以及高铁轮对运行过程中的过盈配合面一般在弯扭联合载荷作用下产生微动损伤，而目前的过盈配合面微动实验大多只考虑弯曲载荷的影响，并没有考虑扭转载荷的作用。

另外实验过程中要首先将辊套和辊芯热装或冷装完成后才可以得到过盈配合结构，加载完成实验后再把辊套切割开完成辊芯形貌检测和分析以得到某一种载荷和循环次数时的损伤结果。这种传统的实验方法效率低、成本高、材料浪费严重并且实验结果精度不容易保证。

发明内容

为了解决传统实验中辊套和辊芯装配复杂及精度不高等问题，设计了一种可用于弯曲载荷和扭转载荷试验的装配结构，此结构装拆方便，装拆过程对过盈配合面形貌影响很小，材料利用率高并且可多次重复使用。

具体地，本发明提供一种用于弯曲载荷和扭转载荷试验的装配结构，其包括辊套、辊芯、第一螺栓连接结构、第二螺栓连接结构和拆装螺钉，

所述辊套呈阶梯状，所述辊套包括第一部分以及第二部分，所述第二部分的直径大于所述第一部分的直径，所述第二部分中间设置有供辊芯插入的通孔，所述辊套的第二部分的中间位置开设有缝隙大小能调的辊缝，所述辊缝的大小能够借助于所述拆装螺钉进行调节，

所述辊套第二部分的上半部分及下半部分的外圆周上均分别开设有多个凹槽，上半部分的凹槽和下半部分的凹槽的位置相对应，上半部分的每一个凹槽开设有一个或多个通孔，下半部分的每一个凹槽开设有一个或多个螺纹孔，所述螺纹孔的直径大于所述通孔的直径，所述拆装螺钉与所述螺纹孔相配合，所述拆装螺钉的配置用于插入所述螺纹孔后顶起所述辊套第二部分的上半部分，以使辊缝的缝隙增大，从而方便辊芯插入，

当所述辊芯插入通孔后，拧下所述拆装螺钉，在所述辊套第二部分的上半部分的通孔内拧入第一螺栓连接结构，在所述辊套第二部分的下半部分的螺纹孔内拧入第二螺栓连接结构，

所述辊套借助于第一螺栓连接结构和第二螺栓连接结构的箍紧从而在辊套与辊芯的配合面生产生弯曲载荷和扭转载荷试验的配合应力。

优选地，所述第一螺栓连接结构为弹簧垫圈和螺母，弹簧垫圈和螺母相互配合使用，所述第二螺栓连接结构为螺栓。

优选地，所述辊芯在插入所述辊套内部的一端设置有锥形尖端，辊套和辊芯工作时所承受的扭矩分别为W1和W2,承受载荷集中力为F1和F2。

优选地，所述辊套第二部分的上半部分及下半部分的外圆周上均分别开设有四个凹槽。

优选地，所述上半部分的每一个凹槽开设有两个通孔，所述下半部分的每一个凹槽开设有两个螺纹孔。

所述螺纹孔的直径为10mm，所述通孔的直径为8.5mm。

优选地，所述第一螺栓连接结构和第二螺栓连接结构分别设置有8个，所述螺栓为六角螺栓，所述螺母为六角螺母。

优选地，所述拆装螺钉的数量为2个或4个。

优选地，本发明还提供一种用于弯曲载荷和扭转载荷试验的试验机，其包括工作电机，多个传动链轮、多个传动链条以及磁粉制动器，所述多个传动链轮包括第一传动链轮、第二传动链轮、第三传动链轮以及第四传动链轮，所述多个传动链条包括第一传动链条以及第二传动链条，

所述工作电机接通电源后，通过所述第一传动链轮和第一传动链条将转矩传递到第二传动链轮，所述第二传动链轮与所述辊套通过销轴固连，所述第二传动链轮带动辊套正向转动，所述磁粉制动器的配置用于产生反作用力矩，所述磁粉制动器产生的反作用力矩通过第三传动链轮、第四传动链轮和第二传动链条传送到所述辊芯，从而为实验提供反作用力矩。

优选地，所述试验机放置在压力机工作台上，所述压力机将压力垂直施加在所述辊套和所述辊芯的连接处，从而实现弯扭载荷共同作用下的实验。

优选地，本发明还提供一种弯曲载荷和扭转载荷的试验方法，

其包括以下步骤：

S1、将所述拆装螺钉插入所述螺纹孔后，继续拧入顶起所述辊套第二部分的上半部分，在拆装螺钉和螺纹作用下使辊套产生一定的弹性变形，增大辊缝的缝隙，使辊套的通孔直径变大；

S2、在所述辊套第二部分的上半部分的通孔内拧入第一螺栓连接结构，在所述辊套第二部分的下半部分的螺纹孔内拧入第二螺栓连接结构；

S3、所述辊套借助于第一螺栓连接结构和第二螺栓连接结构的箍紧从而在辊套与辊芯的配合面生产生弯曲载荷和扭转载荷试验的配合应力；

S4、将试验机的第二传动链轮与所述辊套通过销轴固连，辊芯与第二链条连接，第二传动链轮带动辊套正向转动，所述磁粉制动器的配置用于产生反作用力矩，所述磁粉制动器产生的反作用力矩通过第三传动链轮、第四传动链轮和第二传动链条传送到所述辊芯，为实验提供反作用力矩；

S5、将所述试验机放置在压力机工作台上，所述压力机工作台上放置有压力机，所述压力机将压力垂直施加在所述辊套和所述辊芯的连接处，从而实现弯扭载荷共同作用下的实验；

S6、实验结束后，按顺序取下辊套和辊芯，先取下第一传动链条和第二传动链条，然后退出销轴，取下和辊套连接的第二传动链轮，取下和辊芯连接的第三传动链轮，拧下第一螺栓连接机构和第二螺栓连接机构，重新拧入拆装螺钉，顺利取出辊芯，在光学显微镜下对辊芯外表面进行形貌观察，分析辊芯在一定次数的循环载荷作用后表面的损伤状态，得出所需的实验数据。

与现有技术相比，本发明具有一下有益效果：

本发明一方面可以避免热装和冷装工艺，还可以大大提高试样的使用率，在试验过程中任一循环次数时可以终止实验将辊芯取出来进行检测，检测完后可以再将其装进辊套继续进行实验，一组试样可以得到多组数据。

本发明的辊套内孔在实验后可以将内孔进行表面加工后重复使用，大大简化了实验进程，提高了实验效率，并且降低了成本减少了材料消耗。

附图说明

下面对本发明的附图进行进一步说明：

图1为本发明的装配结构正面示意图；

图2为本发明的螺栓连接结构的工作断面图；

图3为本发明的拆装螺钉工作断面图；

图4为本发明的辊套的断面图；

图5为本发明的辊芯的断面图；

图6为本发明的等轴侧示图；

图7为本发明的剖面结构示意图；

图8为本发明的辊套的剖面结构示意图；以及

图9为本发明的试验机的结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

本发明提供一种用于弯曲载荷和扭转载荷试验的装配结构，如图1至图8所示，其包括辊套2、辊芯1、第一螺栓连接结构、第二螺栓连接结构和拆装螺钉6。辊套2通过第一螺栓连接结构以及第二螺栓连接结构将辊套2箍紧从而在配合面产生一定的配合应力完成连接。

辊套2呈阶梯状，辊套2包括第一部分21以及第二部分22，第二部分22的直径大于第一部分21的直径，第二部分22中间设置有供辊芯1插入的通孔23，辊套2的第二部分的中间位置开设有缝隙大小能调的辊缝24，辊缝24的大小能够借助于拆装螺钉6进行调节。

辊套2的第二部分22的上半部分及下半部分的外圆周上均分别开设有多个凹槽25，上半部分的凹槽25和下半部分的凹槽25的位置相对应，上半部分的每一个凹槽25开设有一个或多个通孔251，下半部分的每一个凹槽25开设有一个或多个螺纹孔252，螺纹孔252的直径大于通孔251的直径，拆装螺钉6与螺纹孔252相配合，拆装螺钉6插入螺纹孔252后继续向内拧入从而顶起辊套2的第二部分22的上半部分，以使辊缝24的缝隙增大，从而方便辊芯1插入。

当辊芯1插入通孔后，拧下拆装螺钉6，在辊套2的第二部分的上半部分的通孔内拧入第一螺栓连接结构，在辊套2第二部分的下半部分的螺纹孔252内拧入第二螺栓连接结构。

辊套2借助于第一螺栓连接结构和第二螺栓连接结构的箍紧从而在辊套2与辊芯1的配合面生产生弯曲载荷和扭转载荷试验的配合应力。

第一螺栓连接结构为弹簧垫圈4和螺母5，弹簧垫圈4和螺母5相互配合使用，第二螺栓连接结构为螺栓3。

优选地，辊套2的第二部分的上半部分及下半部分的外圆周上均分别开设有四个凹槽。

优选地，上半部分的每一个凹槽25开设有两个通孔，下半部分的每一个凹槽25开设有两个螺纹孔。

优选地，螺纹孔的直径为10mm，通孔的直径为8.5mm。

优选地，第一螺栓连接结构和第二螺栓连接结构分别设置有8个，螺栓3为六角螺栓，螺母5为六角螺母。

优选地，拆装螺钉6的数量为2个或4个。

辊套2借助于第一螺栓连接结构和第二螺栓连接结构箍紧在配合面生产生配合应力，第一螺栓连接结构为弹簧垫圈4和螺母5，弹簧垫圈4和螺母5相互配合使用，第二螺栓连接结构为螺栓3，其中螺栓3为六角头螺栓M8，弹簧垫圈4为标准型弹簧垫圈，螺母5为六角头螺母M8，共计八组。

配合时，辊套2可在拆装螺钉6和螺纹作用下使辊套2产生一定的弹性变形后辊套2内孔直径变大，辊套2的开口余量为2mm，将辊芯1放入孔中后松开拆装螺钉6然后再用多个螺栓连接结构将辊套2箍紧即可。

拆装螺钉6可以根据过盈量要求使用2个或4个。辊套2和辊芯1工作时所承受的扭矩分别为W1和W2,承受载荷集中力为F1和F2。

如图2至图7所示，螺栓连接结构包括螺栓3、弹簧垫圈4以及螺母5，其中螺栓3为六角头螺栓M8，弹簧垫圈4为标准型弹簧垫圈，螺母5为六角头螺母M8，共计八组。

拆装螺钉6选用六角头螺栓M10，并在辊套2上半部开直径8.5的通孔251，下半部开M10螺纹孔252。通孔和螺纹槽上均开设有螺纹孔。辊芯1的配合面设置有锥形尖端11，辊芯1配合面处有较小的锥度可以保证在不影响实验结果的前提下装配和拆卸比较容易。

本发明的具体安装步骤如下：

首先将拆装螺钉6装配到M10的螺纹孔中，直到拆装螺钉6头部顶到上半部的通孔，继续施加外力直到辊套2产生一定的弹性变形，辊缝24的缝隙增大，然后放入辊芯1，取出拆装螺钉6，再通过螺栓连接组合使装配面产生一定的应力。取出辊芯1的步骤与此相反。

图6是本发明的立体结构示意图，本发明包括辊套2、辊芯1和螺栓连接结构，在辊套2上加工特定形状的孔和槽，方便实现螺栓连接的同时还保证内孔可在拆装螺钉和螺纹孔作用下产生一定弹性变形，可以实现轴和辊套2内孔的无损拆装。

本发明的整体结构布置合理，拆卸方便。避免了传统的热装和冷装工艺，还大大提高试样的使用率。而且辊套内孔在实验后可以将内孔进行表面加工后重复使用。

图7是本发明的试验机布置结构示意图，其包括工作电机7、第一传动链轮8、第二传动链轮10、第三传动链轮11、第四传动链轮13、第一传动链条9、第二传动链条12以及磁粉制动器14。

本发明的具体工作方式如下：

电机接通电源后传递动力和转矩，通过第一传动链轮8和第一传动链条9将转矩传递到第二传动链轮10，第二传动链轮10与辊套2通过销轴固连，进而带动辊套2正向转动。磁粉制动器14起阻力矩作用，通过第三传动链轮11、第四传动链轮13和第二传动链条12连接到辊芯1，为摩擦磨损实验提供反作用力矩。

在使用时，同时将该摩擦磨损试验机水平放置在压力机工作台上，压力机将压力垂直施加在辊套2和辊芯1的连接处，可以实现弯扭载荷共同作用下的实验。

具体实施例

一种弯曲载荷和扭转载荷的试验方法，其包括以下步骤：

S1、将拆装螺钉插入螺纹孔后，继续拧入顶起辊套第二部分的上半部分，在拆装螺钉和螺纹作用下使辊套产生一定的弹性变形，增大辊缝的缝隙，使辊套的通孔直径变大；

S2、在辊套第二部分的上半部分的通孔内拧入第一螺栓连接结构，在辊套第二部分的下半部分的螺纹孔内拧入第二螺栓连接结构；

S3、辊套借助于第一螺栓连接结构和第二螺栓连接结构的箍紧从而在辊套与辊芯的配合面生产生弯曲载荷和扭转载荷试验的配合应力；

S4、将试验机的第二传动链轮与辊套通过销轴固连，辊芯与第二链条连接，第二传动链轮带动辊套正向转动，磁粉制动器的配置用于产生反作用力矩，磁粉制动器产生的反作用力矩通过第三传动链轮、第四传动链轮和第二传动链条传送到辊芯，为实验提供反作用力矩；

S5、将试验机放置在压力机工作台上，压力机工作台上放置有压力机，压力机将压力垂直施加在辊套和辊芯的连接处，从而实现弯扭载荷共同作用下的实验；

S6、实验结束后，按顺序取下辊套和辊芯，先取下第一传动链条和第二传动链条，然后退出销轴，取下和辊套连接的第二传动链轮，取下和辊芯连接的第三传动链轮，拧下第一螺栓连接机构和第二螺栓连接机构，重新拧入拆装螺钉，顺利取出辊芯，在光学显微镜下对辊芯外表面进行形貌观察，分析辊芯在一定次数的循环载荷作用后表面的损伤状态，得出所需的实验数据。循环载荷作用的次数可以根据实验需要进行设定。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明一方面可以避免热装和冷装工艺，还可以大大提高试样的使用率，在试验过程中任一循环次数时可以终止实验将辊芯取出来进行检测，检测完后可以再将其装进辊套继续进行实验，一组试样可以得到多组数据。

本发明的辊套内孔在实验后可以将内孔进行表面加工后重复使用，大大简化了实验进程，提高了实验效率，并且降低了成本减少了材料消耗。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。