一种入土部件材料可靠性评价试验系统及其试验方法

摘要

本发明公开一种入土部件材料可靠性评价试验系统及其试验方法，入土部件材料可靠性评价试验系统包括样品夹具和摩擦夹具，所述样品夹具用于夹持试样，所述摩擦夹具用于夹持对磨材料，所述摩擦夹具连接有驱动装置，所述试样与所述对磨材料形成摩擦副并进行摩擦；还包括喷射装置，所述喷射装置的喷嘴朝向所述摩擦副接触面并向所述摩擦副接触面喷射模拟土壤环境的介质。本发明通过采用对磨材料直接与试样摩擦，并在摩擦副接触面喷射模拟土壤环境的介质的方式，可以缩短失效所需的时间，提高试验效率，在为入土部件材料提供评价依据的基础上进行加速可靠性试验。

说明书

技术领域

本发明涉及零部件材料的可靠性评价领域，特别是涉及一种入土部件材料可靠性评价试验系统及其试验方法。

背景技术

农机装备的好坏直接影响着农民劳作的效率、可靠性及作业安全。农机装备的入土部件如犁壁、犁铧、耙片等更是其最重要的组成之一。入土部件的工作环境很复杂，包括磨损、冲击、腐蚀等。地域、季节和时间的变化都会使得入土部件的工作环境(土壤酸碱性、湿度、温度、土壤板结度等)发生很大改变。农机装备工作中，材料磨损大部分来自于农机具触土或与农作物直接接触的工作部件。然而对磨损问题的研究主要集中在与工业相关的材料上，对农机装备的磨损受到的相对较少。

现有技术中缺少可以对入土部件材料进行高效、准确的加速可靠性试验装置。现有的试验装置或所需测试时间过长、或需要竞争农时、或无法对入土部件工况进行充分模拟。

例如，申请公布号为CN 105675422A的中国专利公开了一种新型农机具摩擦磨损试验机，其传动系统上采用齿轮和V型带相结合的传动方式，工作部件上的两个旋转支架相互垂直交叉分布，其中一个在两端分别安装试样夹具，另一个在两端各安装一组回土及压实机构。该方案通过将试样与土壤接触摩擦来模拟农机具在工作时和土壤的摩擦磨损情况，这种测试方式磨损变化量较小，需要较长的测试时间才能获得试验结果。

再如，授权公告号为CN 202471412 U的中国专利公开了农机具土壤耕作部件摩擦磨损试验设备，由机架、电机、变速装置、传动装置、旋转支架总成、圆形土槽构成，机架上安装有圆形土槽，电机连接变速装置，变速装置连接传动装置，传动装置连接旋转支架总成的转套；旋转支架总成有三个悬臂，三个悬臂分别固定被测部件、回土板和镇压磙子，被测部件、回土板、镇压磙子在同一圆周面上；被测部件、回土板、镇压磙子向下伸入到圆形土槽中。该方案根据不同耕作部件田间实际作业速度、深度改变被测部件运动速度和入土深度，但实质上同申请公布号为CN 105675422A一样是将试样与土槽内的土壤接触摩擦，该方式磨损变化量较小，需要较长的测试时间才能获得试验结果。

因此，如何提供一种可以进行加速可靠性试验的试验装置及方法是亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种入土部件材料可靠性评价试验系统及其试验方法，以解决上述现有技术存在的问题，通过采用对磨材料直接与试样摩擦，并在摩擦副接触面喷射模拟土壤环境的介质的方式，可以缩短失效所需的时间，提高试验效率，在为入土部件材料提供评价依据的基础上进行加速可靠性试验。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种入土部件材料可靠性评价试验系统，包括样品夹具和摩擦夹具，所述样品夹具用于夹持试样，所述摩擦夹具用于夹持对磨材料，所述摩擦夹具连接有驱动装置，所述试样与所述对磨材料形成摩擦副并进行摩擦；还包括喷射装置，所述喷射装置的喷嘴朝向所述摩擦副接触面并向所述摩擦副接触面喷射模拟土壤环境的介质。

优选地，所述喷射装置包括气液喷射装置和/或砂石喷射装置。

优选地，包括试验箱，所述样品夹具和所述摩擦夹具均位于所述试验箱内。

优选地，所述试验箱设置有连通废物箱的排污口，所述排污口设置有封堵螺栓。

优选地，所述样品夹具连接有加载装置，所述加载装置包括丝杠螺母机构和连接在所述丝杠螺母机构移动端的弹簧座，所述弹簧座用于沿弹簧轴向方向压缩或释放弹簧，对所述样品夹具进行试验载荷的加载或卸载。

优选地，所述加载装置与所述样品夹具之间设置有扭矩传感器。

优选地，所述摩擦夹具包括往复摩擦夹具，所述往复摩擦夹具沿垂直于所述加载装置的加载方向往复移动。

优选地，所述摩擦夹具包括旋转摩擦夹具，所述旋转摩擦夹具与所述加载装置同轴。

本发明还提供一种入土部件材料可靠性评价试验方法，包括以下内容：

将试样夹持在样品夹具，对磨材料夹持在摩擦夹具，所述试样与所述对磨材料进行接触摩擦；

向所述试样和所述对磨材料组成的摩擦副的接触面喷射介质，所述介质用于模拟土壤环境；

记录试验数据，并在试验结束后对试验结果和试样进行评价。

优选地，所述介质包括气液介质和砂石介质，砂石喷射压力0～0.4MPa，气液喷射压力0～0.5MPa。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明通过采用对磨材料直接与试样摩擦，并在摩擦副接触面喷射模拟土壤环境的介质的方式，既可以得到更趋近于实际工况的失效机理或潜在失效机理，又可以缩短失效所需的时间，提高试验效率，从而能够在为入土部件材料提供评价依据的基础上进行加速可靠性试验；

(2)本发明喷射装置包括气液喷射装置和砂石喷射装置，通过将气液混合体喷射到摩擦副的接触面，可实现PH值3～10的环境条件，通过将不同粒度、粘度、湿度的砂石喷射到摩擦副的接触面，可实现类土壤环境因素的改变，从而能够模拟多种土壤环境条件，能够不受地域、时间、季节限制对农机具入土部件材料进行可靠性评价；

(3)本发明通过采用往复摩擦或旋转摩擦的摩擦方式，并改变喷射装置的喷射介质，可以为入土部件材料可靠性提供评价依据，并进一步认识入土部件在不同工况下的失效机理，以此对入土部件进行改进，从而提高入土部件的使用寿命，减少经济财产损失；

(4)本发明在试验箱上设置有排污口，并在排污口设置有封堵螺栓，封堵螺栓能够用于控制试验环境的变化，当拧紧封堵螺栓时，试验箱内能够形成环境池，充满土壤、砂石或气液体后可在土壤环境或液体中进行摩擦磨损试验；完成试验打开封堵螺栓后，试验箱内的土壤或气液体等可以流入废物箱，实现废气液体、土壤和沙石回收处理再利用；当不安装封堵螺栓时，可实现动态变化环境条件下的试验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明加载装置及其连接部件结构示意图；

其中，1、旋转驱动电机；2、废物箱；3、封堵螺栓；4、旋转轴；5、旋转摩擦夹具；6、往复摩擦夹具；7、移动盘；8、直线驱动电机；9、砂石喷射装置；10、气液喷射装置；11、试验箱；12、试样；13、样品夹具；14、扭矩传感器；15、加载装置；16、弹簧；17、弹簧座。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种入土部件材料可靠性评价试验系统及其试验方法，以解决现有技术存在的问题，通过采用对磨材料直接与试样摩擦，并在摩擦副接触面喷射模拟土壤环境的介质的方式，可以缩短失效所需的时间，提高试验效率，在为入土部件材料提供评价依据的基础上进行加速可靠性试验。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1～2所示，本发明提供一种入土部件材料可靠性评价试验系统，包括样品夹具13和摩擦夹具，其中，样品夹具13用于夹持试样12，试样12由农机入土部件材料进行制作，并利用样品夹具13进行装夹，需要说明的是，大部分入土部件、包括带有涂层的入土部件、想要了解特定环境失效机理的零件等均可以制作成试样12并进行试验，试样12的规格、形状不作具体限定，根据试验设计可以进行改变和选择。摩擦夹具用于夹持对磨材料，对磨材料可以在现有材料中进行选择，其规格、形状可进行常规设置，一般来说，对磨材料的硬度会高于土壤的硬度，在与试样12进行摩擦时，能够相对于与土壤接触摩擦来说提高摩擦效率，缩短试样12达到失效状态的时间。摩擦夹具连接有驱动装置，驱动装置可以驱动摩擦夹具相对于样品夹具13运动，具体可以是直线往复运动，也可以是旋转运动等。通过驱动装置带动摩擦夹具动作，可以使得试样12与对磨材料形成摩擦副并在摩擦副的接触面之间进行摩擦。对于试样12与对磨材料之间的位置关系，可以是竖直方向上上下设置的关系，也可以是水平方向上顺次设置的关系等等。试样12与对磨材料之间的接触力可以由夹持试样12的样品夹具13提供，也可以由夹持对磨材料的摩擦夹具提供，提供相向的挤压接触力能够进一步的提高摩擦效率。还包括喷射装置，喷射装置设置有喷嘴，喷嘴朝向试样12与对磨材料组成的摩擦副的接触面，并向摩擦副接触面喷射模拟土壤环境的介质，介质可以为砂石，也可以为土壤、液流或者均含有上述介质等等，液流可以用于调节pH值大小。根据入土部件的实际工作环境(包括土壤的pH值)进行相应的设置和选择。可以对同一应用部位的不同材料进行试验，以能够评价不同材料的优劣。因此，本发明通过采用对磨材料直接与试样12摩擦，并在摩擦副接触面喷射模拟土壤环境的介质，既可以得到更趋近于实际工况的失效机理或潜在失效机理，又可以缩短失效所需的时间，提高试验效率，从而能够在为入土部件材料提供评价依据的基础上进行加速可靠性试验。

喷射装置可以包括气液喷射装置10和砂石喷射装置9中的一种或两种，气液喷射装置10和砂石喷射装置9可以由空气压缩系统驱动，喷嘴角度可调节，以更好的对准摩擦副的接触面。气液喷射装置10可以喷射具有腐蚀性的气液混合体，通过将气液混合体喷射到摩擦副的接触面，可实现PH值3～10的环境条件。砂石喷射装置9可以喷射不同粒度、粘度、湿度的砂石，通过将不同的砂石喷射到摩擦副的接触面，可实现类土壤环境因素的改变，从而能够模拟多种土壤环境条件，能够不受地域、时间、季节限制对农机具入土部件材料进行可靠性评价。

可以包括试验箱11，试验箱11内部具有空腔，样品夹具13及其装夹的试样12和摩擦夹具及其装夹的对磨材料等部件均位于试验箱11内。试验箱11的设置，能够形成相对封闭的试验环境，可以不受或降低外界环境的干扰，达到更好的试验精度。

试验箱11可以设置有连通废物箱2的排污口，排污口直接或通过管路连通废物箱2，废物箱2可以位于试验箱11的正下方或侧下方，试验箱11内的砂石、气液等物料能够在重力作用下通过排污口进入废物箱2。排污口处可以设置有封堵螺栓3，通过旋拧封堵螺栓3能够实现排污口的打开或封闭。封堵螺栓3能够用于控制试验箱11内试验环境的变化，具体的，当拧紧封堵螺栓3时，试验箱11内形成了环境池，充满土壤、砂石或气液体后可在土壤环境或液体中进行摩擦磨损试验；完成试验打开封堵螺栓3后，试验箱11内的土壤或气液体等流入废物箱2，实现废气液体、土壤和沙石回收处理再利用；当不安装封堵螺栓3时，可实现动态变化环境条件下的试验。

样品夹具13可以连接有加载装置15，当设置有试验箱11且样品夹具13位于试验箱11内时，加载装置15可以位于试验箱11外部，通过利用推杆贯穿试验箱11的侧壁实现样品夹具13的加载过程。加载装置15可以包括丝杠螺母机构和连接在丝杠螺母机构移动端的弹簧座17，可以采用伺服电机驱动齿轮箱中的蜗轮蜗杆减速机构旋转，带动丝杠螺母机构旋转实现直线前进或后退移动。在丝杠螺母的驱动下，弹簧座17能够沿弹簧16的轴向方向压缩或释放弹簧16，从而实现对样品夹具13进行试验载荷的加载或卸载。加载装置15采用弹簧16在摩擦过程中实现自动加载，最大试验载荷1000N。

在加载装置15与样品夹具13之间还可以设置有扭矩传感器14。扭矩传感器14可以监测力矩变化，通过计算机处理后得到实时摩擦力数据。通过实时记录载荷和摩擦力随时间的变化，并绘制摩擦系数-摩擦力-载荷-时间曲线，通过分析所得曲线，以及后续对磨痕形貌、磨屑成分、金相组织进行分析，可以推断在该工作条件下材料的可靠性，从而对试样12可靠性进行判定。

摩擦夹具可以包括往复摩擦夹具6，往复摩擦夹具6通过移动盘7连接有直线驱动电机8，通过直线驱动电机8的驱动，可以使得往复摩擦夹具6沿垂直于加载装置15的加载方向进行直线往复移动，实现试样12与对磨材料的往复摩擦，往复摩擦速度在0～0.2m/s可调。

摩擦夹具还可以包括旋转摩擦夹具5，旋转摩擦夹具5通过旋转轴4与旋转驱动电机1相连(可以直接相连，也可以通过皮带、齿轮等中间结构间接相连)，通过旋转驱动电机1的驱动，旋转摩擦夹具5能够与加载装置15同轴转动，实现试样12与对磨材料的旋转摩擦，旋转摩擦转速在0～1000rpm可调。

通过采用本发明的试验系统，可实现多种环境因素(磨损、冲击与腐蚀)条件下农机装备入土部件材料的可靠性评价试验，有助于规避大田野外环境考核受农时、地域、季节与天气等诸多因素的影响，更可以通过提高负载、冲击力和环境腐蚀浓度等条件，开展农机装备入土部件材料的加速可靠性试验，有利于高可靠性农机装备的入土部件的研制与新材料在农机入土部件的应用研究。

本发明还提供一种入土部件材料可靠性评价试验方法，该方法可以应用前文记载的入土部件材料可靠性评价系统，可以包括以下内容：

将试样12夹持在样品夹具13上，将对磨材料夹持在摩擦夹具上，开启摩擦夹具的驱动装置，使得试样12与对磨材料进行接触摩擦，摩擦环境可以为敞开的环境也可以为封闭的环境，为封闭环境时，可以将各摩擦结构设置在试验箱11内。

向试样12和对磨材料组成的摩擦副的接触面喷射用于模拟土壤环境的介质，介质可以为砂石，也可以为土壤、液流等等，介质喷射后，可以在摩擦副接触面模拟一定的土壤环境。

记录相关的试验数据，并在试验结束后对试验结果和试样12进行评价；通过采用对磨材料直接与试样12摩擦，并在摩擦副接触面喷射模拟土壤环境的介质，既可以得到更趋近于实际工况的失效机理或潜在失效机理，又可以缩短失效所需的时间，提高试验效率，从而能够在为入土部件材料提供评价依据的基础上进行加速可靠性试验。

喷射的介质可以包括气液介质和砂石介质，其中，砂石介质的喷射压力为0～0.4MPa，气液介质的喷射压力为0～0.5MPa。

进一步的，本发明的试验方法在应用时可以按以下步骤进行：

1)在气液喷射装置10、砂石喷射装置9中加入具体所需环境对应的气体、液体和砂石。如有需要，可以设置试验箱11并在试验箱11内加一些泥土、石头、树枝等田间常见物体以模拟实际工况。

2)根据试验需求(参考入土部件的实际工况)选择往复摩擦夹具6或旋转摩擦夹具5，并根据设定好的方式将试样12、对磨材料分别固定在样品夹具13和往复摩擦夹具6(或旋转摩擦夹具5)上；设定往复摩擦速率0～0.2m/s或旋转摩擦速率0～1000rpm。

3)根据试验条件开启气液喷射装置10、砂石喷射装置9并设定砂石喷射装置9喷射压力0～0.4MPa，气液喷射装置10喷射压力0～0.5MPa。

4)根据需求在0～1000N范围内设定加载装置15的载荷。

5)调整加载装置15，使试样12与对磨材料刚好接触，启动加载装置15，缓慢加载至设定载荷；启动直线驱动电机8或旋转驱动电机1，开始进行旋转或往复摩擦；根据试验需求启动气液喷射装置10和/或砂石喷射装置9，进行气液氛围和/或砂石冲击的模拟，试验过程中，可对砂石、气体和液体进行适量补充。

6)试验过程中通过扭矩传感器14收集力矩信号并传输至电脑，通过电脑处理得到摩擦力，实时记录载荷和摩擦力随时间的变化，并绘制摩擦系数-摩擦力-载荷-时间曲线，通过分析所得曲线，对样品可靠性进行判定。

7)试验结束后，操作加载装置15进行卸载，并打开封堵螺栓3，将使用过的砂石、废液、废气排至废物箱2，进行后续回收处理和再利用；将试样12和对磨材料卸下，对磨材料清洗并回收，试样12清洗后可以进行后续金相检测及进一步试验分析。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。