CN104535491A - 圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置 - Google Patents

Abstract

一种圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置，包括用以提供载荷的试验机，试验机的动力输出端与上盖压板的上端固定连接，上盖压板的下端安装上压紧件，上盖压板的侧面安装上传感器支座，上盖压板的顶面布置位移传感器，上盖压板的下部布置下盖压板，下盖压板安装在试验机的机架上，下盖压板的上端安装下压紧件，上压紧件和下压紧件均呈环形，下压紧件位于上压紧件的正下方且两者之间为供待测试的圆环结构金属构件放置的测试工位，下盖压板的侧面安装下传感器支座，下传感器支座和上传感器支座成对设置，且下传感器支座和上传感器支座之间安装变形传感器。本发明结构简单、操作方便、结构合理、有效测量摩擦系数、数据稳定可靠。

Description

圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置

技术领域

本发明涉及材料性能—如垫片及核电反应堆堆内构件压紧弹性环回弹性试验、摩擦系数测试等领域，尤其是一种圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置。

背景技术

大型或在苛刻工况条件下工作的压力容器对圆环形金属垫片的密封结构的性能要求极为严格。为了使密封垫片正常的工作，保证密封性能往往需要对圆环形金属垫片进行回弹性试验，同时在安装操作过程中，为了压紧垫片往往需要施加预紧力，而由于垫片表面与法兰存在摩擦力的影响导致施加的预紧力与设计值存在差距，因此也需要计算其摩擦系数。从而保证设备不发生密封泄露，安全可靠的运行。

另外，CAP1400及AP1000核反应堆堆内构件的压紧弹性环，是一种圆环状压缩型弹簧，它有一定的弹性反弹能力并能保持必须的压紧力。它位于上部支承法兰与吊篮筒体法兰之间，当反应堆压力容器顶盖螺栓预紧时，会将弹性环压缩预定的变形量，其产生的预紧力使吊篮筒体组件及上部支承板组件定位，在正常运行工况下，吊篮筒体组件不能因弹性环的预紧力过小而使其与两法兰界面之间的接触过松，从而造成吊篮筒体组件过大的流致振动。同时，弹性环预紧力也不能过大而超出其弹性范围，从而造成弹性环变形回弹量减少，长时间也会造成吊篮筒体组件流致振动振幅增加和频率降低。但是，在弹性环设计分析时发现，弹性环与上下法兰接触面之间的摩擦力会直接影响其轴向刚度。当摩擦系数增加时其轴向刚度值相应会增大，使相同初始变形条件下需要的轴向预紧力增加，也使其环内应力值增加。由于实际的摩擦系数不能从分析中得到；为此，需要进行对弹性环进行摩擦系数的侧量，以获得弹性环的轴向力与轴向位移等参数之间的关系，最后推算接触面上的摩擦系数。因此，弹性环摩擦系数对核反应堆压紧弹性环安装设计起到至关重要的作用，也对核反应堆安全可靠的运行有着重要的影响。

发明内容

为了克服已有技术中无法有效测量圆环结构金属构件的摩擦系数的不足，本发明提供一种结构简单、操作方便、结构合理、有效测量摩擦系数、数据稳定可靠的圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置，包括用以施加载荷的试验机，所述试验机的静止端与上盖压板的上端固定连接，所述上盖压板的下端安装上压紧件，所述上盖压板的侧面安装上传感器支座，所述上盖压板的顶面布置用于检测待测试的圆环结构金属构件的轴向位移的位移传感器，所述上盖压板的下部布置下盖压板，所述下盖压板安装在所述试验机的机架上，所述下盖压板的上端安装下压紧件，所述上压紧件和下压紧件均呈环形，所述下压紧件位于上压紧件的正下方且两者之间为供待测试的圆环结构金属构件放置的测试工位，所述下盖压板的侧面安装下传感器支座，所述下传感器支座和上传感器支座成对设置，且所述下传感器支座和上传感器支座之间安装用于检测待测试的圆环结构金属构件的轴向变形的传感器。

进一步，所述上盖压板包括圆筒形臂和阶梯轴压板，所述圆筒形臂的上端设有具有螺纹孔的连接端，所述连接端与所述试验机的动力输出端连接，所述圆筒形臂的下端与所述阶梯轴压板固定连接。

所述下压盖板的下部与球形配合垫连接，所述球形配合垫与试验机机架上的球形底座配合。

所述位移传感器为千分尺，所述变形传感器为引伸计。

所述位移传感器有至少两个，至少两个位移传感器等圆弧间隔布置在一圈上；所述引伸计有至少两个，至少两个引伸计等圆弧间隔布置在一圈上。

所述阶梯轴压板的第一级轴端面为放置千分表，所述阶梯轴压板的第二级轴下端面放置所述上压紧件。

所述下盖压板具有阶梯轴形状，第一端面具要求表面光滑并且与上压盖板端面相平行；第二端面放置所述下压紧件；第二级轴外圆面固定所述下传感器支座；第三级轴下端面中部为圆柱形孔，所述圆柱形孔内放置所述球形配合垫。

所述上压紧件和下压紧件均为圆环，所述圆环的两个端面相互平行。

所述上压紧件的上端面与上压盖板第二级轴的下端面相配合，所述上压紧件的下端面与待测试的圆环结构金属构件相接触；所述上压紧件的厚度与上盖压板第三级轴的厚度相同，所述上压紧件的内径与第三级轴的直径相同，所述上压紧件的外径则与第二级轴直径一致；

所述下压紧件的上端面与待测试的圆环结构金属构件相接触，所述下压紧件的下端面与下盖压板的第二级轴的上端面配合，所述下压紧件的厚度与下盖压板第一级轴的厚度相同，所述下压紧件的内径与第二级轴的直径相同，所述下压紧件的外径则与第一级轴直径一致。所述球形配合垫包括圆柱形底和球冠形头，所述圆柱形底的上部安装在下压盖板的圆柱形槽内，所述圆柱形底的下部与球冠形头，所述球形底座上开有与所述球冠形头匹配的内凹式球面。

本发明的有益效果主要表现在：结构简单、操作方便、结构合理、有效测量摩擦系数、数据稳定可靠。

附图说明

图1是圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置的示意图。

图2是上盖压板的示意图。

图3是下盖压板的示意图。

图4是上压紧件和下压紧件的示意图。

图5是圆环结构金属构件的示意图。

图6是球形配合垫的示意图。

图7是上传感器支座和下传感器支座的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置，包括用以提供载荷的试验机1，所述试验机1的静止端与上盖压板2的上端固定连接，所述上盖压板2的下端安装上压紧件3，所述上盖压板3的侧面安装上传感器支座4，所述上盖压板2的顶面布置用于检测待测试的圆环结构金属构件的轴向位移的位移传感器5，所述上盖压板2的下部布置下盖压板6，所述下盖压板6安装在所述试验机1的机架上，所述下盖压板6的上端安装下压紧件7，所述上压紧件3和下压紧件7均呈环形，所述下压紧件7位于上压紧件3的正下方且两者之间为供待测试的圆环结构金属构件8放置的测试工位，所述下盖压板6的侧面安装下传感器支座9，所述下传感器支座9和上传感器支座4成对设置，且所述下传感器支座9和上传感器支座4之间安装用于检测待测试的圆环结构金属构件的轴向变形的变形传感器10。

进一步，所述上盖压板2包括圆筒形臂和阶梯轴压板，所述圆筒形臂的上端设有具有螺纹孔的连接端，所述连接端与所述试验机1的动力输出端连接，所述圆筒形臂的下端与所述阶梯轴压板固定连接。

所述下压盖板6的下部与球形配合垫11连接，所述球形配合垫11与试验机1机架上的球形底座配合。

所述位移传感器5为千分尺，所述变形传感器10为引伸计。

所述位移传感器5有至少两个，至少两个位移传感器5等圆弧间隔布置在一圈上；所述引伸计有至少两个，至少两个引伸计等圆弧间隔布置在一圈上。

所述阶梯轴压板的第一级轴端面为放置千分表，所述阶梯轴压板的第二级轴下端面放置所述上压紧件。

所述下盖压板6具有阶梯轴形状，第一端面具要求表面光滑并且与上压盖板端面相平行；第二端面放置所述下压紧件；第二级轴外圆面固定所述下传感器支座；第三级轴下端面中部为圆柱形孔，所述圆柱形孔内放置所述球形配合垫。

所述上压紧件3和下压紧件7均为圆环，所述圆环的两个端面相互平行。

所述上压紧件3的上端面与上压盖板2第二级轴的下端面相配合，所述上压紧件3的下端面与待测试的圆环结构金属构件8相接触；所述上压紧件3的厚度与上盖压板第三级轴的厚度相同，所述上压紧件3的内径与第三级轴的直径相同，所述上压紧件3的外径则与第二级轴直径一致；

所述下压紧件7的上端面与待测试的圆环结构金属构件8相接触，所述下压紧件7的下端面与下盖压板6的第二级轴的上端面配合，所述下压紧件7的厚度与下盖压板第一级轴的厚度相同，所述下压紧件7的内径与第二级轴的直径相同，所述下压紧件7的外径则与第一级轴直径一致。

所述球形配合垫11包括圆柱形底和球冠形头，所述圆柱形底的上部安装在下压盖板的圆柱形槽内，所述圆柱形底的下部与球冠形头，所述球形底座上开有与所述球冠形头匹配的内凹式球面。

本实施例中，首先将上盖压板2通过螺栓与试验机固定，从而悬挂于试验机1之上，并将上压紧件3通过沉头螺钉固定于上压盖板2的下方，将上传感器支座4固定于上压盖板2外侧；另外，将球形配合垫11放置于试验机下方的正中央，将下盖压板6装配与在其上；下盖压板6的外圆柱上通过螺栓固定4只下传感器支座9，而下压紧件7套入下盖压板6的上端，并且通过沉头螺钉安装于其上。其后将圆环结构的待测试的圆环结构金属构件8放在下压紧件7的内环面上；最后，将4只引伸计绑定在上传感器支座4和下传感器支座9之间，将4只千分表放置在上盖压板2的第二阶梯轴面上。

所述装置安装完成后，通过试验机1对测试的待测试的圆环结构金属构件8进行逐步加载，每加载一次记录载荷P及对应的千分表与引伸计数据，从0载荷开始加载到设定载荷后，开始卸载到0载荷；对4只千分表取其平均值作为其测试构件的平均位移、取4只引伸计的平均变形作为平均变形δ，从而可以绘制得到载荷变形(P-δ)数据及压缩性曲线。

再进一步，所述绘制得到载荷变形(P-δ)数据，也P为横坐标，δ为纵坐标按照最小二乘法进行拟合，从而得到其柔度系数λ；通过对圆环构件进行力学推导可以得测试构件摩擦系数f，

所述推导公式如下：

$f=\frac{a}{h}-\frac{{2\mathrm{\πJ}}_{x}E}{\mathrm{ahc}}\·\frac{\mathrm{\δ}}{p}$

其中，a为圆环结构金属构件的圆环宽度；c为圆环结构金属构件的内半径；h为圆环结构金属构件的厚度；J_x为圆环结构金属构件的惯性矩；E为弹性模量；δ为(位移)变形量；p是载荷。

Claims (10)

1.一种圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置，其特征在于：所述测试装置包括用以施加载荷的试验机，所述试验机的静止端与上盖压板的上端固定连接，所述上盖压板的下端安装上压紧件，所述上盖压板的侧面安装上传感器支座，所述上盖压板的顶面布置用于检测待测试的圆环结构金属构件的轴向位移的位移传感器，所述试验机的下部加载端上布置球形配合垫，所述下盖压板固定在所述的球形配合垫上，所述下盖压板的上端安装下压紧件，所述上压紧件和下压紧件均呈环形，所述下压紧件位于上压紧件的正下方且两者之间为供待测试的圆环结构金属构件放置的测试工位，所述下盖压板的侧面安装下传感器支座，所述下传感器支座和上传感器支座成对设置，且所述下传感器支座和上传感器支座之间安装用于检测待测试的圆环结构金属构件的轴向变形的传感器。

2.如权利要求1所述的圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置，其特征在于：所述上盖压板包括圆筒形臂和阶梯轴压板，所述圆筒形臂的上端设有具有螺纹孔的连接端，所述连接端与所述试验机的静止端连接，所述圆筒形臂的下端与所述阶梯轴压板固定连接。

3.如权利要求1或2所述的圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置，其特征在于：所述下压盖板的下部与球形配合垫连接，所述球形配合垫与试验机机架上的球形底座配合。

4.如权利要求1或2所述的圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置，其特征在于：所述位移传感器为千分尺，所述变形传感器为引伸计。

5.如权利要求1或2所述的圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置，其特征在于：所述位移传感器有至少两个，至少两个位移传感器等圆弧间隔布置在一圈上；所述引伸计有至少两个，至少两个引伸计等圆弧间隔布置在一圈上。

6.如权利要求2所述的圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置，其特征在于：所述阶梯轴压板的第一级轴端面为放置千分表，所述阶梯轴压板的第二级轴下端面放置所述上压紧件。

7.如权利要求1或2所述的圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置，其特征在于：所述下盖压板具有阶梯轴形状，第一端面具要求表面光滑并且与上压盖板端面相平行；第二端面放置所述下压紧件；第二级轴外圆面固定所述下传感器支座；第三级轴下端面中部为圆柱形孔，所述圆柱形孔内放置所述球形配合垫。

8.如权利要求1或2所述的圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置，其特征在于：所述上压紧件和下压紧件均为圆环，所述圆环的两个端面相互平行。

9.如权利要求8所述的圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置，其特征在于：所述上压紧件的上端面与上压盖板第二级轴的下端面相配合，所述上压紧件的下端面与待测试的圆环结构金属构件相接触；所述上压紧件的厚度与上盖压板第三级轴的厚度相同，所述上压紧件的内径与第三级轴的直径相同，所述上压紧件的外径则与第二级轴直径一致；所述下压紧件的上端面与待测试的圆环结构金属构件相接触，所述下压紧件的下端面与下盖压板的第二级轴的上端面配合，所述下压紧件的厚度与下盖压板第一级轴的厚度相同，所述下压紧件的内径与第二级轴的直径相同，所述下压紧件的外径则与第一级轴直径一致。

10.如权利要求3所述的圆环结构金属构件摩擦系数的测试装置，其特征在于：所述球形配合垫包括圆柱形底和球冠形头，所述圆柱形底的上部安装在下压盖板的圆柱形槽内，所述圆柱形底的下部与球冠形头，所述球形底座上开有与所述球冠形头匹配的内凹式球面。