CN102819280A - 一种球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制方法及装置，旨在提供一种环境温度控制技术，它包括箱体、高温控制系统和低温控制系统，试验机的电主轴Ⅰ和电主轴Ⅱ分别通过箱体侧面和底部的圆孔伸入箱体内部，箱体内设有电主轴Ⅰ带动的球试件和电主轴Ⅱ带动的圆盘；所述高温控制系统包括电加热棒、风扇、热电偶和PID温控仪；所述低温控制系统包括铜管、杜瓦瓶A、杜瓦瓶B、液氮、电加热芯、风扇、热电偶和PID温控仪。本发明制冷时间短，结构简单，控温精度高。

Description

一种球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制方法及装置

技术领域

本发明涉及环境温度控制技术领域，尤其涉及一种球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制方法及装置。

背景技术

油脂在不同的环境温度下会呈现出不同的摩擦特性，而其在不同环境温度下所表现出来的摩擦特性决定了其所适用的领域和场合。由于球盘式摩擦试验机是用来模拟航空、航天轴承的润滑情况，而航空、航天轴承实际工作的环境温度为-20℃～65℃。为了进一步获得油脂在这种特定环境温度下的摩擦特性，需要对原有的试验机进行改进，通过加装局部环境温度控制装置的方法来模拟特殊的环境温度，从而达到对油脂性能做进一步分析的目的。现有高低温箱技术，低温采用的原理如下：制冷剂（氟利昂）经压缩机绝热压缩到较高的压力，消耗的功使排出的制冷剂温度升高，之后制冷剂经冷凝器在等压状态下和四周介质进行热交换将热量传给四周介质。然后制冷剂经节流阀绝热膨胀做功，这时制冷剂温度降低。最后制冷剂通过蒸发器等压地从温度较高的物体吸热，使环境温度降低。此循环周而复始以达到降温的目的。试验箱高温控制部分采用镍铬丝作为电加热器，此加热器热惰性小，寿命长，通过固态继电器来控制电加热器的加热时间，从而控制升温温度。现有的高低温箱技术存在的问题：1）适合于对整个试验机环境温度进行控制，不能进行局部环境控制，若整个试验机都装进高低温箱进行温度控制，会影响液压加载系统、动力系统、一些电器元件、电线、皮管等的正常工作，造成试验机不能正常工作。2）现有的低温控制方法及结构不适合于空间狭小的局部环境的温度控制，因为在狭小的空间内布置冷凝器、蒸发器等复杂的控制元件难以实现。3）制冷时间长，一般从室温到-20℃，需要至少40分钟，工作效率低，不能满足某些特殊试验的要求。4) 目前高低温箱体积大、造价高、控制系统复杂、存在噪声污染。5）控温精度±1℃，精度较低。

目前球盘摩擦试验机，只需要对球盘接触区进行局部环境的高低温控制，要求环境温度在-20℃～65℃；要求达到试验所需温度的时间要短，低于10分钟；因为球盘试验机结构复杂，要求局部环境控制装置结构要简单；要求控温精度达到±0.5℃。目前已公开的高低温控制方法及装置不能满足上述要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制装置，来满足试验机对环境温度（-20℃～65℃）的要求，同时该局部环境温度控制装置所需改变温度的区域要限制在球盘接触区，不能影响为其提供动力元件的性能，并且制冷时间短，结构简单，控温精度高。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制装置，包括箱体、高温控制系统和低温控制系统，试验机的电主轴Ⅰ和电主轴Ⅱ分别通过箱体侧面和底部的圆孔伸入箱体内部，箱体内设有电主轴Ⅰ带动的球试件和电主轴Ⅱ带动的圆盘，油脂经喷油嘴喷射到圆盘和球试件构成的球盘接触区；所述高温控制系统包括电加热棒、风扇、热电偶和PID温控仪；箱体内设有不低于圆盘的竖直挡油板，挡油板远离球盘接触区的一侧安装有金属框架，电加热棒设置在框架上，箱体侧壁上与电加热棒相对应的位置安装有风扇，风扇的风叶位于箱体内部，风叶通过贯穿箱体侧壁的转动轴与箱体外的马达相连；箱体内部靠近球盘接触区的位置安装有热电偶，热电偶与PID温度仪电路联接，PID温控仪的输出端与电加热棒输入端连接；所述低温控制系统包括铜管、杜瓦瓶A、杜瓦瓶B、液氮、电加热芯、风扇、热电偶和PID温控仪；铜管呈弯曲状布置在箱体内靠近球盘接触区处，位于箱体内部的铜管管壁上开有排气孔，铜管的入口与杜瓦瓶A连通，出口与杜瓦瓶B连通，杜瓦瓶A中盛满液氮，电加热芯置于液氮中，电加热芯两端的电线经杜瓦瓶A瓶盖上的孔引出与PID温控仪相连，杜瓦瓶B上设有放气阀，该低温控制系统与高温控制系统共用风扇、热电偶和PID温控仪。

所述箱体的内胆由不锈钢焊接成型，箱体的外壳采用A3钢板，内胆和外壳之间填充有玻璃纤维棉；箱体上部的上盖上设有可视窗，可视窗采用中空石英玻璃，其中空夹层中充填有惰性气体，上盖两侧安装有两个把手。

电主轴Ⅱ的外围套有一套筒，套筒下端焊接于箱体内部底面上，套筒上端与圆盘上的圆环形槽相配合。 

所述电加热棒并排设置为3根，每根400W；电加热棒与风扇的距离不小于23 mm。 

所述铜管外径为10mm，位于箱体内部的铜管的管壁上均匀的开有29个直径为6mm的排气孔。 

电加热棒和风扇的线路分别缠有绝缘胶带，然后通过耐热橡胶管引出箱体外部。 

箱体外的铜管外部缠绕有保温材料聚氨酯硬质泡沫组合聚醚。   

箱体底部开有回油孔。

上述球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制装置的控制方法，如下： 

高温控制方法：

（1）打开PID温控仪，设定预期温度；接通电加热棒，加热箱体内的空气；打开风扇使加热的空气流动；

（2）热电偶检测出箱体内的环境温度，并转化成电信号反馈至PID温控仪，与设定的预期温度进行比较，经PID运算，决定电加热棒通电时间；

低温控制方法：

（1）打开PID温控仪，设定预期温度；接通杜瓦瓶A中的电加热芯，使液氮汽化为低温氮气，低温氮气进入铜管后从铜管管壁上的排气孔逸出；打开风扇使箱体内的冷空气流动；

（2）热电偶检测处箱体内的环境温度，并转化成电信号反馈给PID温控仪，与设定的预期温度进行比较，经PID运算，决定电加热芯的通电时间；

（3）系统稳定在设定的工作温度后，通过杜瓦瓶B上的放气阀将箱体内过多的氮气放掉。

与已有高低温控制方法和装置相比，本发明带来的有益效果为：（1）可实现球盘接触区局部环境的升温和降温，可以模拟环境温度-20℃～65℃，同时不影响其它工作部件的工况和运行状态，还可以清楚地看到试验过程中内部的状况。（2）制冷时间短，从室温冷却到-20℃，由现有技术的40分钟缩短至5分钟，提高了工作效率，并且能够满足某些特殊试验的要求。（3）结构简单，成本低。（4）控温精度达到±0.5℃，高于目前高低温控制技术的±1℃。

附图说明

图1为球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制装置的温度箱箱体图；

图2为球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制装置的安装主视图；

图3为球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制装置的安装俯视图；

图4为球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制装置的高温控制原理图；

图5为球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制装置的低温控制原理图。

其中，10.箱体，11.箱体外壳，12.玻璃纤维棉，13.内胆，20上盖，21可视窗，22.把手，30.B口，31球试件入口，32.盘式件入口，33.风扇轴孔，40喷油嘴，41.电主轴Ⅰ，42电主轴Ⅱ，43.球试件，44.圆盘，45套筒，46.回油口，50.铜管，51.杜瓦瓶A，52.杜瓦瓶B，53.电加热芯，54.放气阀，55.液氮，60.挡油板，61.电加热棒，62.风扇，70.热电偶，71.热电偶附件电路，72.PID温控仪。 

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图1-5，本发明的球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制方法和装置包括高温控制系统、低温控制系统和密闭箱体（图1-3），高温控制方法和低温控制方法（图4-5）.

箱体10水平安装在电主轴Ⅰ41上；在箱体10内包含有电主轴Ⅰ41带动的球试件43和电主轴Ⅱ42带动的圆盘44，圆盘44和球试件43分别通过箱体10底部和侧壁的盘式件入口32和球试件入口31伸入箱体10内部。油脂经穿过箱体10侧壁的喷油嘴40喷射到圆盘44和球试件43构成的球盘接触区。所述箱体10的内胆13由不锈钢焊接成型，箱体10的外壳11采用A3钢板，内胆13和外壳11之间填充有玻璃纤维棉12；箱体10的上盖20上设有可视窗21，可视窗21采用中空石英玻璃，其中空夹层中充填有惰性气体，上盖20两侧安装有两个把手22。通过可视窗21可观察球盘摩擦机的运行状况，喷油嘴40用于将达到预定温度的油脂喷射到球盘接触区，箱体10底部设有回油口46，其用于将球盘接触区流出的油脂排出到箱体10外部。为防止轴承运转时润滑油渗入电主轴Ⅱ42，在箱体10底部电主轴Ⅱ42伸入箱体10端焊接一个套筒45，该套筒45上部与圆盘44上加工的圆环形槽配合，起到密封作用；考虑到轴承运转时会造成润滑油的飞溅，电加热棒上不能有飞溅油，故在箱体10内增加一挡油板60，其高度不低于轴承的上表面，取45mm；箱体10的左侧壁上部开有B口30，与杜瓦瓶B相连，排出箱体10内的氮气。

其中的高温控制系统包括电加热棒61、风扇62、热电偶70和PID温控仪72，如图1、图2，电加热棒61布置在温度箱箱体10内远离球盘接触区的一端，并安装在一个金属框架上，框架焊接在挡油板60右侧，为了加快箱内热传递速率，选取3根电加热棒61，每根400W，安放在金属框架上。箱体10侧壁上与电加热棒61相对应的位置安装有风扇62，风扇62的风叶位于箱体10内部，箱体10上留有风扇轴孔33，风叶通过贯穿箱体10侧壁的转动轴与箱体10外的马达相连；考虑到风扇62的马达的寿命，风扇62不能直接贴近电加热棒61，风扇62安装在试验箱箱体10右壁上，电加热棒61框架右壁至风扇62最近距离为23mm。电加热棒61用来加热箱体10内空气，风扇62用于保证空气循环加热来保证内部温度均衡。为了使得箱体10内温度均匀，电加热棒61与风扇62配套使用，做高温试验时，工作室内的高温空气可加速线路的老化，为了防止这种现象的发生，电加热棒61和风扇62的线路要分别缠上绝缘胶带，再通过耐热橡胶管引出箱体10外部。箱体10内部靠近球盘接触区的位置安装有热电偶70，热电偶70与PID温度仪72通过热电偶附件电路71电路联接，PID温控仪72的输出端与电加热棒61输入端连接。

其中低温控制系统如图2和图3，包括铜管50、液氮55、杜瓦瓶A 51、杜瓦瓶B 52、电加热芯53、风扇62、热电偶70和PID温控仪72。铜管5弯曲布置在箱体10内靠近球盘接触区，呈蛇形或U形布置，铜管50上均匀布置有29个直径为6mm的小孔，铜管50的入口（A口）与杜瓦瓶A 51连接。杜瓦瓶A 51中盛满液氮55，220V、100W的电加热芯53放于其中，电加热芯53两端的电线经杜瓦瓶A 51瓶盖上的孔引出，与PID温控仪72相连，它的通断由PID温控仪72控制，电加热芯53通电加热液氮53，可使液氮53气化为低温氮气。低温氮气可通过箱体10上的A口，经由铜管50上的小孔进入箱体10。箱体10左侧壁上部B口30处连接有铜管50，箱体10内的氮气可经过铜管50进入另一个杜瓦瓶B 52，杜瓦瓶B 52上有放气阀54，工作一段时间后，可将瓶内的氮气经放气阀54放掉。箱体10外的铜管50外部需缠绕保温材料聚氨酯硬质泡沫组合聚醚。风扇62加速温度箱内部空气的循环，并使箱体10内部温度达到均衡。由试验可知，由于铜管50的表面积占到箱体10内部表面积的1/3以上，外径取10mm，管壁上均匀的开有29个直径为6mm的小孔，故达到所需的低温只需5分钟。

其中高温控制方法如下：如图4所示，先打开PID温控仪72，设定预期温度，接通电加热棒61（电加热棒61的输入端与PID温控仪72输出端相连），加热箱体10内的空气，打开风扇62使加热的空气流动起来，加速箱体10内部的温度升高至所需温度。热电偶70用于检测球盘接触区即箱体10内的环境温度，并转化成电信号反馈给PID温控仪72的输入端，与设定的预期温度进行比较，经PID运算，决定电加热棒61通电时间，使系统稳定在设定的工作温度。采用的高精度PID温控仪72可以实现工作温度误差在±0.5℃范围内，所以可以很好地满足试验的要求。

其中低温控制方法如下：如图5，先打开PID温控仪72，设定预期温度，接通杜瓦瓶A 51中的电加热芯53（电加热芯53的输入端与PID温控仪72输出端相连），电加热芯53通电发热后，液氮55汽化为低温氮气，低温氮气通过箱体10上的A口，进入布置在球盘接触区周围的铜管50中，然后从铜管50管壁上的29个小孔中逸出，将箱体10内的温度迅速降至所需温度，热电偶70用于检测球盘接触区即箱体10内的环境温度，并转化成电信号通过热电偶附件电路71反馈给PID温控仪72，与设定的预期温度进行比较，经PID运算，决定电加热芯53的通电时间，使系统稳定在设定的工作温度。箱体10侧壁上的B口30经铜管50与另一个空的杜瓦瓶B 52相连，使得箱体10内的氮气流出，避免箱体10内气体压力过高，杜瓦瓶B 52上有放气阀54，可通过放气阀54将过多的氮气放掉。风扇62可以维持箱体10内部空气循环，保证球盘接触区的环境温度分布均匀。PID温控仪72可以实现工作温度误差在±0.5℃范围内，所以可以很好地满足试验的要求。经实验验证，达到预期的-20℃，只需5分钟。 

Claims (9)

1.一种球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制装置，包括箱体、高温控制系统和低温控制系统，其特征在于：试验机的电主轴Ⅰ和电主轴Ⅱ分别通过箱体侧面和底部的圆孔伸入箱体内部，箱体内设有电主轴Ⅰ带动的球试件和电主轴Ⅱ带动的圆盘，油脂经喷油嘴喷射到圆盘和球试件构成的球盘接触区；

所述高温控制系统包括电加热棒、风扇、热电偶和PID温控仪；箱体内设有不低于圆盘的竖直挡油板，挡油板远离球盘接触区的一侧安装有金属框架，电加热棒设置在框架上，箱体侧壁上与电加热棒相对应的位置安装有风扇，风扇的风叶位于箱体内部，风叶通过贯穿箱体侧壁的转动轴与箱体外的马达相连；箱体内部靠近球盘接触区的位置安装有热电偶，热电偶与PID温控仪电路联接，PID温控仪的输出端与电加热棒输入端连接； 

所述低温控制系统包括铜管、杜瓦瓶A、杜瓦瓶B、液氮、电加热芯、风扇、热电偶和PID温控仪；铜管呈弯曲状布置在箱体内靠近球盘接触区处，位于箱体内部的铜管管壁上开有排气孔，铜管的入口与杜瓦瓶A连通，出口与杜瓦瓶B连通，杜瓦瓶A中盛满液氮，电加热芯置于液氮中，电加热芯两端的电线经杜瓦瓶A瓶盖上的孔引出与PID温控仪相连，杜瓦瓶B上设有放气阀，该低温控制系统与高温控制系统共用风扇、热电偶和PID温控仪。

2.根据权利要求1所述的一种球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制装置，其特征在于：所述箱体的内胆由不锈钢焊接成型，箱体的外壳采用A3钢板，内胆和外壳之间填充有玻璃纤维棉；箱体的上盖上设有可视窗，可视窗采用中空石英玻璃，其中空夹层中充填有惰性气体，上盖两侧安装有两个把手。

3.根据权利要求1或2所述的一种球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制装置，其特征在于：电主轴Ⅱ的外围套有一套筒，套筒下端焊接于箱体内部底面上，套筒上端与圆盘上的圆环形槽相配合。

4.根据权利要求3所述的一种球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制装置，其特征在于：所述电加热棒并排设置为3根，每根400W；电加热棒与风扇的距离不小于23 mm。

5.根据权利要求4所述的一种球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制装置，其特征在于：所述铜管外径为10mm，位于箱体内部的铜管管壁上均匀的开有29个直径为6mm的排气孔。

6.根据权利要求5所述的一种球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制装置，其特征在于：电加热棒和风扇的线路分别缠有绝缘胶带，然后通过耐热橡胶管引出箱体外部。

7.根据权利要求6所述的一种球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制装置，其特征在于：箱体外的铜管外部缠绕有保温材料聚氨酯硬质泡沫组合聚醚。

8.根据权利要求7所述的一种球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制装置，其特征在于：箱体底部开有回油孔。

9.根据权利要求1所述的一种球盘式摩擦试验机用局部环境温度控制装置的控制方法，其特征在于， 

高温控制方法如下：

（1）打开PID温控仪，设定预期温度；接通电加热棒，加热箱体内的空气；打开风扇使加热的空气流动；

（2）热电偶检测出箱体内的环境温度，并转化成电信号反馈至PID温控仪，与设定的预期温度进行比较，经PID运算，决定电加热棒通电时间；

低温控制方法如下：

（1）打开PID温控仪，设定预期温度；接通杜瓦瓶A中的电加热芯，使液氮汽化为低温氮气，低温氮气进入铜管后从铜管管壁上的排气孔逸出；打开风扇使箱体内的冷空气流动；

（2）热电偶检测处箱体内的环境温度，并转化成电信号反馈给PID温控仪，与设定的预期温度进行比较，经PID运算，决定电加热芯的通电时间；

（3）系统稳定在设定的工作温度后，通过杜瓦瓶B上的放气阀将箱体内过多的氮气放掉。

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