Fretting Fatigue Evaluation Produced by A New Vertical Machine.pdf

1、F e b 2 0 1 0 ， Vo l u me 4 ， No 2( S e r i a l N o 2 7 ) J o u r n a l o f Ma t e ria l s S c i e n c e a n d E n g i n e e rin g ， I S S N 1 9 3 4 8 9 5 9 ， US A 瓣L I 嚣辩 争 瞄 F r e t t i n g Fa t i gu e Ev al ua t i on Pr odu c e d b y A Ne w Ve r t i c al Ma chi n e Gu i U e r mo Ur r i o l a g o

2、i t i a S o s a ， Gu i l l e r mo Ur r i o l a g o i t i a Ca l d e r 6 n ， L u i s H& t o r He r n fi n d e z G6 me z a n d Be a t r i z R o me r o A n g e l e s S e c c i d n d e E s t u d i o s de Po s g r a d o e I m e s t i g a c i r n ， E s c u e l a S u pe r i o r d e l n g e n i e r i a Me c

3、 d n i c a y El d c t r i c a ， l n s t i t u t o Po l i t d c n i c o N a c i o n a l , U n i d a dP r o f e s i o n a l A d o lf o L 6 p e z Ma t e o s ， 5 t h B u i l d i n g , 2 n dF l o o r , L i n d m， i s t a , C P 0 7 7 3 8 , G u s t a v o A Ma d e r o ， Me x i c o ， D F M e xi c o R e c e i

4、 v e d ： S e p t e mb e r 1 5 ， 2 0 0 9 Ac c e p t e d ： No v e mb e r 2 5 ， 2 0 0 9 P u b l i s h e d ： F e b r u a r y 2 5 ， 2 0 1 0 Ab s t r a c t ：I t h a s b e e n we l l d o c u me n t e d i n t h e o p e n l i t e r a t u r e t h a t f r e t t i n g f a t i g u e t e s t s a r e g e n e r a l

5、 l y p e r f o r me d o n ma c h i n e s w1 t h h o r i z o n t a l c o n fi g u r a t i o n T h i s k i n d o f c o n fig u r a t i o n h a s t h e p r o b l e m o f mi s a l i g n me n t b e t we e n t h e a c t u a t o r a n d t h e s p e c i me n T h e mi s a l i g n me n t g e n e r a l l y o c

6、 c u r s o n t h e s u p p o r t o f t h e a c t u a t o r ， wh i c h i s h e l d b y a s o l i d b a r i n a c a n t i l e v e r b e a m c o n fi g u r a t i o n ， c a u s e d b y t h e f r e t t i n 2 f a t i g u e e f f e c t T h e p r e s e n t wo r k d e s c r i b e s t h e d e s i g n a n d c

7、o n s t r u c t i o n o f a n e w v e r t i c a l fre tt i n g f a t i g u e ma c h i n e T h e i n t e n t i o n o f t h i s wo r k i s t o s o l v e t h e mi s a l i g n me n t p r o b l e m o b s e r v e d i n t h e h o r i z o n t a 】 c o n fi g u r a t i o n a n d t o e x p l o r e t h e a d v

8、a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s o f f e r e d b y t h e v e rt i c a l c o n fig u r a t i o n I n t h i s wo r k u n i a x i a l a n d fr e t t i n g f a t i g u e e x p e rime n t s we r e r u n t o e v a l u a t e t h e p e rfo r m a n c e o f t h e n e w a p p a r a tus a n d a l l

9、 t h e fr e t t i n g t e s t s we r e d o n e i n a p a r t i a l s l i p r e g i me ， s o t h a t t h e r e l a t i v e d i s p l a c e me n t wi t h i n t h e c o n t a c t c o u l d b e c a l c u l a t e d F u r t h e rm o r e ，i n t h i s r e s e a r c h t h e d a ma g e c a u s e d b y t h e r

10、 e l a t i v e s l i p fre t t i n g wa s i n v e s t i g a t e d a n d t h e p e r f o r ma n c e o f t h e n e w v e r t i c a l l y mo u n t e d c o a x i a I fre t t i n g f a t i g u e ma c h i n e wa s a s s e s s e d Th e r e s u l t s wi t h c o mp a r e d we r e t h o s e o b t a i n e d i

11、n a h o r i z o n t a l c o n fig u r a t i o n ma c h i n e a n d h a v e p r o v i d e d c o mp l e t e c o n fi d e n c e o n t h e n e w d e s i g n Ke y wo r d s ： F r e t t i n gt i g u e ， He rt z i a n c o n t a c t ， p a rt i a l s l i p ， v e rti c a l c o n fig u r a t i o n 1 I n t r O d

12、u c t i O n F o r t h e p a s t c e n t u r y ， t h e d e v e l o p me n t o f f a t i g u e a s a di s c i p l i n e o f s t u d y c o ul d n ot ha v e be e n p o s s i b l e wi t ho u t t h e s u p po r t o f t he m e c h a n i c a l d e s i g n d i s c i p l i n e W i t h o u t ma c h i n e s t o

13、 t e s t ma t e r i a l s a n d c o mp o n e n t s ， i n o r d e r t o i mp r o v e t he l e ve l s o f r e s e a r c h wo u l d n ot ha v e b e e n p o s s i b l e E d e n 1 】 w a s t h e fi r s t o n e t o p e r f o r m t e s t s u n de r fre t t i ng f a t i g u e c o nd i t i o ns ，s t a t i ng

14、t h e f a c t t ha t f a t i g u e s t r e n gt h d e c r e a s e s by t he pr e s e n c e o f t h i s p h e n o me n o n L a t e r Gi l l e t a n d Ma c k 【 2 r e p o rt e d s i m i l a r r e s u l t s e v e n a t v e r y l o w s t r e s s 1 e ve l s ， whi c h a r e i nd e pe n d e n t o f t h e t

15、e n s i l e s t r e ng t h o f t he s pe c i me n S i n c e t h e n ，ma n y r e s e a r c h e r s h a v e c a i e d o u t i n v e s t i ga t i o n s o n t h e e f f e c t o f fre t t i n g o n f a t i g ue Co r r e s p o n d i n g a u t h o r ：Gu i l l e r mo Ur r i o l a g o i t i a S o s a ( 1 9 6

16、 3 ) ， ma l e ，P h D ，r e s e a r c h fi e l d ： r e s i d u a l s t r e s s e s a n d b i o me c h a n i c s E - ma i l ： g u i u r r i h o t ma i l c o m s t r e ng t hI n 1 9 60 s t h e m o s t po pu l a r me t h od f o r a s s e s s i n g fre t t i n g f a t i g u e wa s t o us e s t a n d a r d

17、 r o t a t i ng b e n di ng f a t i g ue t e s t i ng a p p a r a tus The s e t y p e s o f t e s t s we r e e a s y t o c o n du c t ， b u t t he y di d n o t s a t i s f a c t o r i l y r e pr e s e n t t he a c tua l fre t t i ng c o nd i t i o ns o b s e r v e d i n r e a l s i tua t i o n s 【 3

18、 】 At t h e e nd o f t h e 1 9 6 0 s ，Ni s h i o k a a n d Hi r a k a wa pr e s e n t e d t h e d e s i g n a nd c o ns t r u c t i o n o f a fre t t i n g f a t i g u e ma c h i n e i n wh i c h t h e s pe c i me n i s l o c a t e d a s a c a n t i l e ve r b e a m ，c l a mpe d r i g i d l y a t o

19、n e e n d of t h e ma c h i n e 4 T h e fr e e e n d o f t h e s p e c i me n i s s u b j e c t e d t o a l t e r na t i n g d e f l e c t i o n b y a c o n ne c t i n g r o d t h a t i s d r i v e n b y a r ot a t i n g whe e l wi t h a v a r i a bl e e c c e n t r i c pi n T h e fre t t i n g s h

20、o e s a r e p r e s s e d a g a i n s t t h e fl a t s p e c i me n t o p a n d b o t t o m s u r f a c e s wi t h a g i v e n p r e s s u r e b y a c o i l s p r i n g ，c a u s i n g d a ma g e t o t h e s u r f a c e ， wh i c h wo u l d d e c r e a s e t h e f a t i g u e s t r e n g t h F r e t t

21、 i n g Fa t i gu e E v a l u a t i on Pr odu c e d b y A Ne w Ver t i c al Ma c h i n e B r a mh a l l 【 5 】 u s e d a c l a m p e d j o i n t s u b j e c t e d t o a n o s c i l l a t i ng be nd i ng mo me n t He u s e d t wo c o n figu r a t i o n s wi t h e s s e nt i a l l y t h e s a me o ve r

22、a l l s h a p e Th e a s s e mbl i e s c o ns i s t e d o f r e c t a n g ul a r b l o c k s c l a mp e d a g a i n s t f a t i g u e s p e c i me n s S o me y e a r s l a t e r ， O C o n n o r 6 】u s e d t h e s a me i d e a f o r a d e s i g n o f a fre t t i n g f a t i g u e ma c h i n e Hi l l

23、s a n d No w e l l 7 b u i l t a d e v i c e for t h i s k i n d o f t e s t s A s t a nd a r d t e ns i l e t e s t s p e c i me n ，wi t h a l o n g wa s t e d s e c t i o n ， wa s mo u nt e d i n a c o n v e nt i o n a l s e r v o h y d r a u l i c t e s t ma c h i n e a n d s u b j e c t e d t o

24、a f u l l y r e v e r s e d t e n s i l e c o mp r e s s i v e c y c l e i n d u c i n g s i n us o i d a l u ni f o r m s t r e s s a mp l i t ud e s Two b l o c ks a r e pr e s s e d o n t o t hi s s p e c i me n ，o ne o n e i t he r s i d e ，b y c o mp l i a n t s p ri n g s T h e s e a r c t i g

25、 h t e n e d a t t h e b e g i n n i n g o f t h e t e s t t o g i v e t h e n o r ma l c o n t a c t f o r c e n e e d e d T h e us e o f c o mp l i a n t s p r i n g s me a ns t h a t a n e g l i gi bl e f a l l i n l o a d s h o u l d o c c u r A s h e a r f o r c e i s d e v e l o p e d i n p h

26、a s e wi t h t h e b ul k l o a di n g a c t i n g o n t he m a i n s pe c i me n， a s a c o n s e q u e n c e o f t he t e nd e n c y o f t he pa ds t o mo ve i n t h e d i r e c t i o n o f t h e s pe c i me n s a x i s t o g e t h e r wi t h t h e c or r e s p on d i n g p o i n t s o n t h e s u

27、 r f a c e S o me y e a r s l a t e r ， P r o f Ca r l os Ru i z from t h e De p a r t me n t of En g i n e e rin g Sc i e n c e a t Un i v e r s i t y o f Ox f o r d d e s i g n e d a h o r i z o n t a l fr e t t i n g f a t i g u e ma c h i n e 8 T h e ma c h i n e wa s c a p a b l e o f c a r r y

28、 i n g o u t fr e t t i n g f a t i g ue t e s t s wi t h ve r y a c c ur a t e r e s ul t s a n d a v a r i e t y o f d i f f e r e n t p a d s h a p e s T h e s p e c i me n i s c l a m p e d b y j a ws ， c o n ne c t e d t o a hy d r a ul i c a c t u a t o r a n d l o a de d t o a ful l y r e v e

29、 r s e d t e ns i l e c ompr e s s i v e c y c l e The p a d s a r e p r e s s e d o nt o t h e s u r f a c e o f t he s p e c i me n us i ng a r i g c o n n e c t e d t o a s ma l l h y dr a u l i c p i s t o n ，whi c h mo v e s i n d e pe nd e n t l y o f t he ma i n a c t ua t o r Th e t wo a c t

30、ua t o r s a r e s y nc h r o n i s e d t o e ns u r e d a ma g e t o t he s u r f a c e a t t h e s a me t i me t he s p e c i me n i s e i t he r pu l l e d o r p u s he d Ne v e r t h e l e s s ，t he mi s a l i g n me n t pr o bl e m r e ma i n e d on t h e c o n t a c t l o c a t i o n I t i s c

31、 a u s e d b y t h e wa y i n wh i c h t h e fr e t t i n g a c t u a t o r i s s u p p o rt e d ( i n a c a n t i l e v e r ma n n e r ， F i g 1 ) T h e ma i n o b j e c t i v e o f t h i s p a p e r i s t o p r e s e n t a D e w fre t t i ng f a t i g ue ma c hi ne t h a t wa s d e s i g n e d a n

32、 d b u i l t t o 2 7 F i g 1 Ho r i z o n t a l f r e t t i n g f a t i g u e m a c h i n e pe r f o rm t e s t s i n a v e r t i c a l m a n ne r I t wa s h o p e d t h a t t h e ve rti c a l c o nfig u r a t i o n o f t he ne w fre t t i ng ma c h i n e wo u l d( a ) h e l p t o p r e v e n t mi s

33、 a l i gnme n t b e t we e n t h e fr e t t i n g p a d s a n d t h e s p e c i me n ， ( b )s a v e t i me a t t h e mo me n t o f p l a c i n g t h e t e s t c o n fi g u r a t i o n a n d( c ) a v o i d t h e o u t c e n t r e e f f e c t t h a t t h e fre t t i n g a c t u a t o r i n t h e h o r

34、iz o n t a l c o n fig u r a t i o n s uf f e r s be c a u s e o f f a t i g ue 2 Fr e t t i ng Fa t i g ue Te s t i ng M a c hi ne Th e b a s i c i de a o n t h e d e s i gn of t h e ve r t i c a l fre t t i n g f a t i g u e ma c h i n e i s t o u s e t h e a d v a n t a g e s a n d s i mp l i c i

35、 t y o n c o n c e p t s of t he u ni a x i a l t e ns i l e t e s t i n g ma c h i n e s T h e d e s i g n o f t h e n e w f r e tt i n g f a t i g u e ma c h i n e wa s d o n e wi t h b a s i c l i n e a r me c h a n i c c o n s i d e r a t i o n s a s we l l a s b e a m a n d c o l u mn t h e o r

36、y 9 T h e“ i n l i n e ” form o f t he fre t t i ng f a t i g u e t e s t a pp a r a tus h a s n o w b e e n a do p t e d by s e v e r a l r e s e a r c h g r ou ps ，i n c l u d i n g t h o s e a t Pu r d u e 1 O ， MI T 1 1 a n d WP AF B 1 2 T h e s e h a v e a l l b e e n v a r i a t i o n s of t h

37、e e q ui p me n t o r i g i n a l l y d e v e l o p e d a t Un i v e r s i t y o f Oxf o r d b y Gu i l l e r mo Ur r i o l a g o i t i a S os a 【 1 3 a n d Da v i d Hi l l s 1 4 ， i n wh i c h a s e r v o h y d r a u l i c t e ns i l e t e s t i ng ma c hi ne wa s mod i fie d b y i nt r o d uc i n

38、g a c a rri a g e ，c a r r y i n g pa d s ，whi c h a r e p r e s s e d a g a i n s t t he ma i n s pe c i me nA s h e a r i n g f o r c e i s d e v e l op e d ，e i t h e r b y ha vi ng s t i f f s p r i n g s p r e s e n t ，wh i c h a n c ho r t he c a r r i a g e t o a fi x e d r e f e r e n c e 1

39、5 1 7 】 ， o r ， for g r e a t e r v e r s a t i l i t y ，a s e c o n d a c tua t o r ma y b e u s e d t o e x e rt a s h e a r i n g f o r c e o n t h e c a rr i a g e a s s e mb l y 1 8 1 9 Al l t h e de s i g n c a l c u l a t i on s we r e s e t t o a s e c ur i t y f a c t o r o f f o ur ， wi t

40、h r e s p e c t o f t h e ma t e r i a l s yi e l d s t r e s s 2 8 F r e t t i n g F a t i g ue Ev a l ua t i on Pr o du c e d b y A Ne w Ve r t i c al Ma c h i n e u s e d f o r t h e d e s i g n F i g 2 s h o ws a s c h e ma t i c d r a wi n g o f t h e n e w v e r t i c a l fre t t i n g f a t i

41、 g u e ma c h i n e P l a t e e l e me n t s we r e e v a l u a t e d b y b e a m t h e o r y a n d t h e ma x i mu m d e fle c t i o n p e r mi s s i b l e wa s s e t t o b e 0 2 ml n 9 】 C a l c u l a t i o n s w e r e p e r f o r me d a d j u s t i n g t h e c r o s s s e c t i o n a n d g e o me

42、 t r y o f t h e p l a t e s t o b e u n d e r t h i s ma x i mu m d e fle c t i o n Th e r o d s a n d r e c t a n g u l a r t u b u l a r c o mp o n e n t s we r e d e s i g n e d b y c o l u mn t h e o ry， wh e r e b u c k l i n g wa s t a k e n a s t h e mo s t s e r i o u s ri s k F i n a l l y

43、 ， t h e a c tua t o r s w e r e s e l e c t e d( t h e ma i n a c t u a t o r o f 1 5 0 k N a n d t h e fre t a c t ua t o r of 5 0 k N1 Th e d e s i g n of t h e ne w f r e t t i n g f a t i g u e ma c h i ne i s s h o wn i n Fi g 2 I n t h i s fig u r e ， Pi e c e s 2， 4 ，5 a n d 8 a r e s u p p

44、o rti n g p l a t e s o f d i f f e r e n t c o mp o n e n t s ； P i e c e s 3 a r e s o l i d c i r c u l a r b a r s wi t h n u t s a n d t h r e a t s( t h e y a l l o w a d j u s t a b l e u p a n d d o wn mo v e me n t i n o r d e r t o fi x c o mp o n e n t s wi t h d i f f e r e n t s i z e s

45、 ) ； P i e c e s 1 a n d 9 a r e t h e a c tua t o r s ， t h e fi r s t o n e p r o d u c e s t h e f r e t t i n g e f f e c t i n t o t he s pe c i me n a nd t h e s e c o n d on e i s t h e a c tua t o r t h a t l o a d s t h e s pe c i me n i n un i a x i a l d i r e c t i on ； Pi e c e 7 i s t

46、h e fre t t i ng r i g a nd Pi e c e 1 0 i s t he s u pp o r t i ng b a s e o f t h e ma c hi ne Th e l e gs o f t h e m a c h i n e we r e ma de wi t h s q u a r e t u b ul a r b a r s a nd a n g l e d b a r s t o s u p po r t t he ma i n pl a t e ， wh e r e a l l t he c o mp o ne n t s we r e we l

47、 d e d t o g e t he r ： I t s ho ul d b e n o t e d t h a t Pi e c e 8 ，i s a t hi c k pl a t e ， whi c h s u p po rts t he a c tua t o r s a n d a s s oc i a t e d c o mpo n e n t s The r o ds ， r e p r e s e n t e d by Pi e c e s 3 ， a l l o w t he v e r t i c a l a d j u s t m e n t o f t h e s u

48、 p p o rt i n g p l a t e s o f b o t h a c tua t o r s ( P i e c e 2 ) T h e u p p e r j a w( P i e c e 6 ) i s a t t a c h e d t o u p p e r p l a t e( P i e c e 5 ) a n d b y t h e a c t i o n o f t h e l o w e r a c t u a t o r ( P i e c e 9 ) t h e ma c h i n e i s a b l e t o p e r f o r m u n

49、 i a x i a l t e s t s ( t e n s i l e o r c o mp r e s s i v e ) T h e fr e t t i n g mo t i o n i s a c h i e v e d b y t h e u p p e r a c tua t o r( P i e c e 1 ) ，w h i c h i s s up p o rte d b y P i e c e s 2 a n d 3 I t i s i mp o rta nt t o s t a t e t h a t t h e v e r t i c a l c o n fig u

50、 r a t i o n wi l l s o l v e t h e mi s a l i g n me n t p r o b l e m f o u n d i n t h e c o n t a c t a r e a o f t h e s p e c i me n ， b e c a us e t he f a t i g ue e f f e c t c a u s e d b y t he c a n t i l e v e r s e t u p wo u l d s h o ul d n o t b e c o m e a p pa r e n t i n t h i s

51、c o nfig u r a t i o n， wi t h a n e f f e c t a s de t r i me n t a l a s t h e o n e o n t h e h o r i z o n t a l c o n fi g u r a t i o n ， i n wh i c h t h e u n i - a x i a l a c t ua t o r i s s u p po rte d i n a c a n t i l e v e r ma n ne r The ma c h i n e pr o vi de s t h e f a c i l i t

52、 y t o mo u n t t e s t s p e c i me n s o f d i f f e r e n t s i z e s a n d s h a p e s T h e r i g h t s e l e c t i o n o f t h e s p e c i me n g e o me t ry i s a v e ry i mp o r t a n t ma t t e r ， a s i t c o ul d s a v e ho u r s o f ma n u f a c t ur i ng wo r k Th e ma i n i d e a of th

53、e v e rti c a l c o n fig u r a t i o n of t h e ma c hi ne i s t o p r e v e n t t h e mi s a l i g n m e n t s t h a t u s u a l l y a pp e a r o n t h e h o r i z o n t a l c o n figu r a t i on Th e s e mi s a l i g mne n t s a r e p r o d u c e d b y t h e a c tua l wo r k o f t h e h o riz o n

54、 t a l ma c h i n e a n d t h e i r c o r r e c t i o n i s d i ffic u l t I n F i g 3 ， t h e ma i n c r o s s h e a d s p a c e ( z o n e o f wo r k a n d t e s t ) a n d t h e fr e t t i n g ri g( o n e o f ma n y )a r e s h o w n T h i s v e rti c a l ma c h i n e wa s p rima r i l y d e s i gn

55、e d t o p e r f o rm a l a r g e r a n ge o f t e s t s i n a s ma l l s pa c e The ma i n a d va n t a g e s o f t h i s ma c h i n e ma y be l i s t e d a s f o l l o ws ： Te s t s wi t h o r wi t h o u t a c o nt r o l l i n g e n vi r o n me n t c a n be pe r f or me d ，a s t he p os i t i on o

56、f t h e c r os s he a d c a n b e a d j u s t e d( P i e c e 5 i n F i g 2 ) Ex pe r i me nt s wi t h s pe c i me ns o f d i f f e r e nt l e n g t h s mi g h t b e p e r f o rm e d( F i g s 2 a n d 3 ) T h e p o s i t i o n o f t h e fr e tt i n g a c tua t o r ( P i e c e 1 i n F i g 2 ) c a n b e

57、 a d j u s t e d t o r e d u c e t h e s i z e s o f t h e ma c h i n i n g wo r k d o n e t o ma n u f a c t u r e t h e s p e c i me n s( a t t h e fi a t d a ma g e a b l e s u r f a c e a n d t o p r e s s t h e p a d s a n y wh e r e i n t h e s u r f a c e ) Va r i o us i n t e r c ha n ge a b

58、 l e fre t t i ng r i gs c a n be u s e d ( P i e c e 7 i n F i g 2 ) Fa t i g u e l o a d s p r o d u c e n o mi s a l i g nme nt of t h e a p p l i e d l oa d i n t o t h e s p e c i m e n Th e r e we r e s o me o t he r f a c t o r s c o ns i d e r e d wh e n t h i s n e w v e rt i c a l ma c h i n e wa s d e s i g n e d 2 0 2 1 T h e d e s i g n f e a tur e s o f t h e ma c h i n e i n c l u d e ：( 1 )T h e fr e t p a d s a r e e a s i e r t o l o c a t e a n d a l i g n ， ( 2 ) Di f f e r e n t k i n d o f Fr e t t i n g Fa t i g ue t e s t s c a n b e p e