接触疲劳寿命（钢球接触疲劳试验）

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金属材料抗接触疲劳性能的优劣，主要是以试样或零件接触表面层某一单元体，在某一应力水平下运转至疲劳剥落所承受的应力循环次数（疲劳寿命）作为判据。因此，判据是否可靠，除了其它试验因素严格控制外，试样受力的均匀性和稳定性是一个重要的因素，即试样接触表面层的每一个单元体，每承受一次应力循环，其应力幅值应基本相同或接近，这样所得的试验结果作为在某一应力水平下的疲劳寿命才是准确可靠的。

推力片试验机的接触原理，可以简化为一个半径为r的钢球与一个平面（半径为file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.gif）相接触。根据赫兹理论在轴向力P的作用下，由于弹性变形，钢球与平面的点接触，变成椭圆面接触，即椭圆面的长短半轴相等，其接触应力分布示意图如图2所示，图中file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.gif为最大接触应力，file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.gif为接触椭圆的短半轴。钢球沿滚动中心公转一圈，试样表面接触带宽度为file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.gif，触带中心每一单元体承受最大接触压应力一次。若一个或若干个钢球准确不变地沿滚动中心连续滚动，试样的接触带和每个单元体所承受的压应力也均保持不变，直到试样疲劳破坏为止，这样所得的疲劳数据是准确可靠的。

file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.gif

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图2 钢球接触应力

若试验过程中，由于试验机和陪试件的精度较差，或同轴度较差造成钢球的滚动中心不重合，试样的接触应力分布和接触宽度均会发生变化，如图2所示，若钢球的滚动中心相差file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.gif，试样接触带宽度就增大到file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.gif，这样接触带中心file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.gif处单元体所受接触应力就由file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.gif降低至file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.gif，file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image020.gif、file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.gif处单元体所受接触应力在file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.gif与file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.gif之间变化，file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.gif越大，所受接触应力相差就越大，接触带就越宽。当file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image023.gif时，试样上就出现双接触带或交叉接触带，即钢球滚动一圈，某些单元体不承受接触压应力；当file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image025.gif时，试验过程中试样出现宽接触带，两个滚动中心file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image020.gif和file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.gif所受接触应力在file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.gif与file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.gif之间无序变化，而在file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image020.gif和file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.gif中心处的file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image027.gif值则保持不变，其接触应力的变化范围可由下列公式计算：

file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image029.gif     ‥‥‥‥‥‥‥‥‥（1）

   file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image031.gif  ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（2）

   file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image033.gif     ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（3）

   file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image035.gif            ‥‥‥‥‥‥‥‥‥‥（4）

式中：  file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.gif—由于钢球滚动中心不重合，在file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image020.gif和file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.gif处所受的低幅接触应力  kgf/mm2

       file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image027.gif—实际接触带中心（file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image038.gif）处所受接触应力  kgf/mm2

   R—钢球半径  mm

  B—实际接触带宽度 mm

file:///C:/DOCUME~1/ADMINI~1/LOCALS~1/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.gif—钢球滚动中心距 mm

1）试样的形状和尺寸：

推力片试样：φ35mm/φ52mm

钢球（陶瓷球）直径范围：φ8～φ25mm

2）试验载荷： 0.2～20kN，控制精度±2%F.S

3）转速： 300～3000r/min, 控制精度±1%F.S

4) 主轴径向跳动：≤0.01mm

4）测量参数:  载荷、速度、温度、电流和振动   

5）控制方式： 自动控制

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6）主机功率：3kW

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动图未附上

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钢球与平面接触，书上都说是椭圆面接触。钢球是完全对称结构，想象不出椭圆到底是啥样的，有的方向长？有的方向短？
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既然长短半轴相等，为何还要说是椭圆面接触，不能说圆面接触？

接触区域的应力，除了有压应力，还有剪应力。比如接触的钢板变形量不一致，中心变形大，边缘变形小，存在错层运动，一定会存在剪应力。

如果钢球是滚动的，摩擦力还会产生侧向弯矩。如果考虑摩擦热影响，其受力将很复杂。

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钢球试验机