CN104949894A - 高温环境微动磨损试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温环境微动磨损试验机，其中针对工业领域内振动引起的部件磨损失效问题，搭建了一套可提供高温常压水化学环境或者高温常压气体环境，且可进行较高频率、微小位移幅值的摩擦磨损试验设备，从而可以获得高温环境下部件之间摩擦系数和磨损系数，进而可为工程设计提供的设计基础。

Description

高温环境微动磨损试验机

技术领域

本发明涉及一种高温环境微动磨损试验机。

背景技术

   工业领域内部件之间的磨损常常发生于高温水化学环境或者气体环境中，常规的力学试验机上所测得的部件之间的磨损并不使用。现有技术中并没有针对该种工业领域内高温水化学环境或者高温气体环境的微动磨损试验机，本申请即使针对上述问题而提出，为高温常压水化学环境、高温常压气体环境下微动磨损试验、摩擦系数和磨损系数的测定提供整套的试验装置。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种高温环境微动磨损试验机，以提供高温常压水化学环境或高温常压气体环境的微动磨损试验。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高温环境微动磨损试验机，用于高温环境下第一工件与第二工件之间的微动磨损试验，所述试验机包括：

机架，所述机架至少包括沿竖直方向上下升降的中横梁；

环境箱，所述环境箱具有环境腔，所述环境箱固定地设于所述中横梁上；

夹具，所述夹具设于所述环境腔中，所述夹具至少包括用于与所述环境箱相固定的下夹具体、用于夹持所述第一工件的第一夹持组件、用于夹持所述第二工件的第二夹持组件，所述第一工件与所述第二工件沿水平方向相接触，所述第一夹持组件至少包括一可上下运动的上夹具体，所述第一工件安装在所述上夹具体上，所述夹具还包括用于提供所述第一工件与所述第二工件沿水平方向压紧力的压紧组件；

加载装置，所述加载装置包括固定地设于所述机架上并位于所述环境箱上方的作动器、固设于所述作动器上端的位移传感器、固设于所述作动器下端的载荷传感器、上端连接于所述载荷传感器的连接轴，所述连接轴伸入所述环境箱与所述上夹具体相固定连接；

所述试验机还包括用于提供所述环境箱的环境腔以设定高温环境的环境控制系统。

优选地，所述作动器为电磁激振作动器，所述位移传感器、所述载荷传感器在所述作动器的上下两端均位于所述作动器的中心位置处，所述连接轴的上端通过万向节与所述载荷传感器相固定连接。

优选地，所述环境箱为液体环境箱，所述环境控制系统为用于控制所述液体环境箱中高温常压水化学环境状态的水化学循环控制系统。

进一步地，所述液体环境箱的顶部具有用于供所述连接轴沿轴向穿入的开口，所述开口的周向边部与所述连接轴动密封连接设置；所述环境箱的上部还开设有与所述环境腔相连通的溢流孔、与所述环境腔相连通且用于安装液位计的液位孔，所述液位孔沿竖直方向低于所述溢流孔。

进一步地，所述液体环境箱包括呈六面体结构的箱体，所述箱体上的其中一面为可拆卸的设于其上的箱盖，所述箱体由透明的PVC材料制作而成。

优选地，所述环境箱为气氛恒温炉，所述气氛恒温炉具有封闭炉腔的炉体，所述炉腔中位于所述后侧板的前方固定地设有风扇挡板，所述风扇挡板将所述炉腔沿前后方向分隔为前腔室与后腔室，所述前腔室构成用于放置所述夹具的环境腔，所述后腔室中设有均温风扇与加热器，所述炉体的后方还设有用于驱使所述均温风扇工作的驱动装置和用于控制所述加热器工作状态的加热控制装置，所述风扇挡板上设有连通所述前腔室与所述后腔室的导风结构，所述环境控制系统为用于控制所述环境腔内高温气体环境状态的气氛保护恒温系统。

进一步地，所述炉体包括分别具有双层钢板结构的前盖、底板、顶板、左侧板、右侧板及后侧板，双层的所述钢板之间的间隙形成冷却水通道，所述炉腔中位于所述前盖、底板、顶板、左侧板及右侧板的内壁上均设有保温板。

更进一步地，所述气氛保护恒温系统包括用于控制所述冷却水通道中冷却水循环的循环冷却装置、用于控制所述环境腔中气体环境的真空供气系统。

更进一步地，所述炉体上位于所述后侧板的后方固定地设有风扇座，所述风扇座中设有沿前后方向延伸的风扇轴，所述风扇轴可绕自身轴心线旋转地安装在所述后侧板上，所述均温风扇固定地安装在所述风扇轴的前端并位于所述后腔室中，所述驱动装置包括电机，所述电机的输出轴与所述风扇轴的后端通过磁力联轴器相连接，所述磁力联轴器包括内轴、外轴、用于将所述内轴与外轴相隔离的中壳法兰，所述中壳法兰固定且密封地连接在所述风扇座的后端，所述内轴与所述风扇轴相固定连接，所述外轴与所述电机的输出轴相固定连接。

进一步地，所述导风结构包括设于所述风扇挡板中部且沿前后方向贯穿的多个导风孔、分别设于所述风扇挡板的上下两端且沿前后方向贯穿的两个导风通道。

由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明的高温环境微动磨损试验机，其中针对工业领域内振动引起的部件磨损失效问题，搭建了一套可提供高温常压水化学环境或者高温常压气体环境，且可进行较高频率、微小位移幅值的摩擦磨损试验设备，从而可为工程设计提供的设计基础。

附图说明

附图1为本发明实施例一的试验机的主视结构示意图；

附图2为本发明实施例一的试验机的立体图；

附图3为实施例一中环境箱的结构示意图；

附图4为实施例一中夹具的结构示意图；

附图5为实施例一中水化学循环控制系统的工作原理示意图；

附图6为本发明实施例二的试验机的主视结构示意图；

附图7为本发明实施例二的试验机的立体图；

附图8为实施例二中的气氛恒温炉的整体结构示意图一；

附图9为实施例二中的气氛恒温炉的整体结构示意图二；

附图10为实施例二中的气氛恒温炉的主视图；

附图11为实施例二中的气氛恒温炉的后视图；

附图12为沿附图10中A-A向剖视结构示意图；

附图13为沿附图10中B-B向剖视结构示意图；

附图14为沿附图11中C-C向剖视结构示意图；

附图15为实施例二中气氛保护恒温系统的工作原理示意图；

其中：1、机架；11、底座；12、上横梁、13、中横梁；14、立柱；

2、液体环境箱；21、开口；22、溢流孔；23、液位孔；24、连接件；25、测量孔；

3、气氛恒温炉；31、炉体；311、前盖；312、底板；313、顶板；314、左侧板；315、右侧板；316、后侧板；317、冷却水通道；318、保温板；

32、风扇挡板；321、导风孔；322、导风通道；

33、均温风扇；331、风扇盘；332、风扇叶片；333、风扇轴；

34、加热器（电加热丝）；35、风扇座；36、电机；361、输出轴；

37、磁力联轴器；371、内轴；372、外轴；373、中壳法兰；

38、加热电极；39、外罩；3110、法兰；3101、真空管；3102、观察窗；3103、充气孔；3104、氧分析仪取样管道；3105、测温热电偶；3106、顶板冷却水接口；3107、真空电离硅管；3108、压力表；3109、压力安全阀；

4、夹具；41、下夹具体；42、上夹具体；43、第二夹持组件；44、压紧组件；

5、作动器；51、作动器输出轴；6、位移传感器；7、载荷传感器；8、万向节；9、连接轴；91、连接轴一；92、连接轴二。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例来对本发明的技术方案作进一步的阐述。

参见各附图所示，本发明的高温环境微动磨损试验机，用于高温环境下两工件之间的微动磨损试验。这两个工件分别为第一工件与第二工件，第一工件与第二工件之间形成摩擦副，摩擦副之间的相对运动模式可以是滑移和冲击，摩擦副之间的接触方式可以为点、线或面接触，测量可以得到摩擦副之间的摩擦系数和磨损系数。

在核电工业领域内，设备工作的环境通常有：高温常压水化学环境、高温常压气体环境，根据试验环境的不同，环境箱及相应的环境控制系统各有不同。以下结合具体的实施例，说明相应试验环境时试验机的不同结构。

实施例一

该试验机用于高温常压水化学环境下工件的微动磨损试验。

参见图1至图5所示，该试验机包括机架1、设于机架1上具有环境腔的环境箱2、用于夹持两工件且设于环境箱2的环境腔内的夹具4、用于施加加载力的加载装置，该试验机还包括用于提供环境箱2的环境腔以设定环境的环境控制系统。

参见图1、图2所示，该机架1包括底座11、位于顶部的上横梁12、位于底座11与上横梁12之间的立柱14、上下升降地设于立柱14上且在竖直方向上位于上横梁12与底座11之间的中横梁13，环境箱2即固定地设于该中横梁13上。

参见图1、图2、图4所示，夹具4至少包括用于与环境箱相固定的下夹具体41、用于夹持第一工件的第一夹持组件、用于夹持第二工件的第二夹持组件43，第一工件与第二工件沿水平方向相接触，其中第一夹持组件至少包括一可上下运动的上夹具体42，第一工件安装在该上夹具体42上，该夹具4还包括用于提供第一工件与第二工件沿水平方向压紧力的压紧组件44。在压紧组件44的作用下，第一工件与第二工件之间形成摩擦副。在实施例一与实施例二中，该夹具4采用的为中国专利号为ZL201210353366.8，公告号为CN 102866058 B，专利名称为“管- 平板线接触微动磨损实验用夹持装置”，其结构此处不再详述。

参见图1、图2所示，加载装置包括固定地设于机架1上并位于环境箱2上方的作动器5、固设于作动器5上端的位移传感器6、固设于作动器5下端的载荷传感器7、上端连接于载荷传感器6的连接轴9，该连接轴9的下端伸入环境箱2的环境腔室中与上夹具体42相固定连接。在本实施例中，作动器5为电磁激振作动器，其固定于上横梁12上，可以实现较高频率的振动，位移传感器6与载荷传感器7在作动器5的上下两端均位于作动器5的中心位置处，即均位于作动器输出轴51的轴心线上。连接轴9的上端通过万向节8与载荷传感器7相固定连接，这样有利于保护电磁激振作动器免受额外侧向力的损伤。此处，该连接轴9包括上端与万向节8相连接的连接轴一91、上端与连接轴一91相固定连接且下端伸入环境箱2中与环境箱2相密封连接的连接轴二92。

参见图1至图5所示，该环境箱2为液体环境箱，相应地，环境控制系统为用于控制该液体环境箱2中高温常压水化学环境状态的水化学循环控制系统。

该液体环境箱2包括呈六面体结构的箱体，该箱体的其中一面为可拆卸的设于其上的箱盖，从而便于将夹具4安装于环境腔室中，该箱盖通过分布在箱盖边缘的螺孔和密封圈与箱体密封连接。该箱体由透明的PVC材料制作而成，便于操作人员从外观察环境箱2内部的情况。

该液体环境箱2的顶部具有用于供连接轴二92沿轴向穿入的开口21，该开口21的周向边部与连接轴二92动密封连接设置。液体环境箱2的上部还开设有与环境腔相连通的溢流孔22、与环境腔相连通且用于安装液位计的液位孔23，分别用于溢出口和安装液位计，液位孔23沿竖直方向低于溢流孔22，此处，该液位孔23与溢流孔22设于箱体的后侧箱板上。当液位低于液位计设定值，说明环境箱2水位低，需要补充液体。试验机运行时，环境箱2内的液位需位于液位计设定值与溢出水位之间，而当水位高出溢流孔23，液体自动从溢流孔22溢出，经由水化学循环控制系统回收。液体环境箱2上的顶部还设有

在本实施例中，水化学循环控制系统如图5所示，其主要由恒温水槽T-2、循环水泵P-2、液体环境箱T-3（即环境箱2）、填料塔T-4、配液罐T-1、补液水泵P-1、除氧系统、测量及控制系统、pH值调节系统组成，用于配置试验要求的溶液供应至液体环境箱2的环境腔中，并保证环境腔中的溶液在试验过程中始终满足设定的要求。该水化学循环控制系统中还包括测量系统，该测量系统包括安装于液体环境箱2内的溶解氧传感器、PH传感器和温度传感器，用于在线测量和控制液体的溶解氧含量、PH值和温度。

实施例二

该试验机用于高温常压气氛环境下工件的微动磨损试验。

参见图6、图7所示，该试验机与实施例一的区别之处主要在于环境箱和相应环境控制系统的设置。在本实施例中，环境箱采用的气氛恒温炉3，该气氛恒温炉3的环境腔中充盈着试验要求的高温气体。该气氛恒温炉3内部的高温常压气体环境状态由气氛保护恒温系统予以控制。

该气氛恒温炉3的具体结构参见图8至图14所示。

该气氛恒温炉3包括具有封闭炉腔的炉体31，该炉体31由前盖311、底板312、顶板313、左侧板314、右侧板315及后侧板316围设而成，其中前盖311可打开或关闭的设置。

前盖311、底板312、顶板313、左侧板314、右侧板315及后侧板316均为双层钢板结构，两层钢板之间的间隙约为4mm，每个面上两层钢板之间的间隙分别形成冷却水通道317，每个面上均设有与该冷却水通道317相连通的冷却水接口，如顶板冷却水接口3106。冷却水流经冷却水通道317以冷却炉体31，防止炉体31外壳温度过高损坏装置或烫伤操作者。炉腔中位于前盖311、底板312、顶板313、左侧板314及右侧板315的内壁上均设有保温板318，用于保证炉腔内的温度。该保温板318包括位于内部的耐火棉和包裹在该耐火棉外侧周部的金属板（图中未示出）。通过采用具有双层钢板结构并设有冷却水通道的炉体31并附设保温板318，在炉体31内冷却水与保温板318的共同作用下，可实现炉温的均匀控制。

炉腔中位于后侧板316的前方固定地设有风扇挡板32，该风扇挡板32将炉腔沿前后方向分隔为前腔室与后腔室，前腔室形成用于放置试验用夹具4的环境腔，后腔室中设有均温风扇33与加热器34，风扇挡板32上设有连通前腔室与后腔室的导风结构，炉体31的后方还设有用于驱使均温风扇33工作的驱动装置和用于控制加热器34工作状态的加热控制装置。通过加热器34将炉腔内的气氛不断加热，均温风扇33工作时使得炉腔内部形成气流循环流动，进而使得环境腔的温度分布均匀。

参见图12所示，风扇挡板32上导风结构包括设于风扇挡板32上沿前后方向贯穿的多个导风孔321、分别设于风扇挡板32上下两端且沿前后方向贯穿的两个导风通道322，在这里，风扇挡板32的顶部与顶板313之间存在间距，风扇挡板32的底部与底板312之间存在间距，这两处的间距位置即形成了上述的导风通道322。这样，当均温风扇33工作时，均温风扇33的中部吸风，沿切向出风，并经导风通道322进入环境腔，从而在炉腔内部形成气流循环流动，保证温度分布均匀。

参见图10、图11所示，炉体31上位于后侧板316的后方固定地设有风扇座35，该风扇座35中设有沿前后方向延伸的风扇轴333，该风扇轴333可绕自身轴心线旋转地安装在后侧板316上，均温风扇33固定地安装在风扇轴333的前端并位于炉腔的后腔室中，均温风扇33包括风扇盘331和设于风扇盘331上的风扇叶片332，风扇盘331通过风扇轴套与风扇轴333相连接。风扇轴333通过轴套及轴承安装于风扇座35上，安装时应使得后侧板316上该安装位置处的密封，防止炉腔内的气氛泄露。

驱动装置包括电机36，该电机36的输出轴361与风扇轴333的后端通过磁力联轴器37相连接，该磁力联轴器37包括内轴371、外轴372及用于将内轴371与外轴372相隔离的中壳法兰373。中壳法兰373通过螺钉紧密地连接在风扇座35的后端，同时保证中壳法兰373法兰面的密封，进而形成密闭腔体，内轴371与风扇轴333的后端在上述密闭腔体内固定连接，外轴372与电机36的输出轴361相固定地连接。采用磁力联轴器37传递转动运动的设计，避免了转动动力源与密闭容器间的接触，使得风扇轴333与均温风扇33密闭于炉腔内，避免了使用过程中由于风扇轴333转动密封问题而引起无法抽真空或空气进入炉腔内的问题。在这里，炉体31的后部固定地安装有外罩39，风扇座35设于外罩39的内腔中，电机36固定地安装在外罩39上，输出轴361沿前后方向穿入外罩39的内腔并通过磁力联轴器37与风扇轴333相连接。

参见图10所示，加热器34包括电加热丝，该电加热丝沿周向绕设在均温风扇33的外侧周部上。加热控制装置包括固定地设置于后侧板316上用于对电加热丝进行加热的加热电极38，通过控制加热电极38的工作状态而控制电加热丝的加热状态，从而对炉腔内的气氛温度进行调节。

参见图6所示，炉体31的后侧板316上开设有抽真空口，该抽真空口处连接有向后延伸的且用于与真空泵相连接的真空管3101，在接通真空泵后可抽取炉腔内的空气，使得炉腔内形成真空环境。顶板313上设有氧分析仪取样管道3104、测温热电偶3105、真空电离硅管3107、压力表3108及压力安全阀3109，以配合控制系统实现对气氛恒温炉33炉腔内气氛和温度的控制。前盖311上设有用于向炉腔内充气的充气孔3103，前盖311上还设有观察窗3102，以方便试验者在试验过程中随时观察炉腔内的状况。

参见图6至图15所示，加载装置设于气氛恒温炉3的上方，炉体31的顶板313上通过法兰3110，从而使得炉体31与连接轴二92动密封连接，连接轴二92伸入炉腔内与夹具4相连接，从而实现加载。在这里，炉体1的顶板313的中部向上凸出而形成法兰结构，其与法兰螺母之间压紧一个高温薄壁的密封橡胶，抽真空时，密封橡胶在内腔负压的作用下与连接轴二92贴合紧密而实现炉体上部的密封。当充入试验所需气体时，炉腔内形成略微正压，保证炉内气氛。

参见图12所示，炉体下方依次设置法兰3113、波纹管3112及连接组件3111与试验机的中横梁13连接。连接组件3111上部穿过波纹管3112内部，伸入炉腔内部与试验夹具相连接。由于波纹管3112的可压缩可弯曲特点，采用波纹管3112的这种连接方式，便于调整炉腔内夹具4的高度和平面内的位置。同时，由于波纹管3112具有一定的刚度，可以抵抗抽真空而产生的波纹管3112内外壁压差，因此可以保证炉腔内抽真空的需求。

参见图13所示为气氛保护恒温系统的控制原理图，其中包括对气氛恒温炉2上冷却水通道317形成冷却水循环的循环冷却装置、用于对环境腔抽真空或向其供气的真空供气系统。试验时，先将环境腔内抽真空，再向其中充入试验要求的气体，然后再依次启动冷却系统、加热系统（包括均温风扇33、加热器34、驱动装置及加热控制装置），使炉腔内部升温，当炉腔内环境和升温满足试验要求，且稳定一段时间后，开启试验机进行试验。

综上，本发明的高温环境微动磨损试验机，其中针对工业领域内振动引起的部件磨损失效问题，搭建了一套可提供高温常压水化学环境或者高温常压气体环境，且可进行较高频率、微小位移幅值的摩擦磨损试验设备，从而可为工程设计提供的设计基础。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高温环境微动磨损试验机，用于高温环境下第一工件与第二工件之间的微动磨损试验，其特征在于，所述试验机包括：

机架，所述机架至少包括沿竖直方向上下升降的中横梁；

环境箱，所述环境箱具有环境腔，所述环境箱固定地设于所述中横梁上；

夹具，所述夹具设于所述环境腔中，所述夹具至少包括用于与所述环境箱相固定的下夹具体、用于夹持所述第一工件的第一夹持组件、用于夹持所述第二工件的第二夹持组件，所述第一工件与所述第二工件沿水平方向相接触，所述第一夹持组件至少包括一可上下运动的上夹具体，所述第一工件安装在所述上夹具体上，所述夹具还包括用于提供所述第一工件与所述第二工件沿水平方向压紧力的压紧组件；

加载装置，所述加载装置包括固定地设于所述机架上并位于所述环境箱上方的作动器、固设于所述作动器上端的位移传感器、固设于所述作动器下端的载荷传感器、上端连接于所述载荷传感器的连接轴，所述连接轴伸入所述环境箱与所述上夹具体相固定连接；

所述试验机还包括用于提供所述环境箱的环境腔以设定高温环境的环境控制系统。

2.根据权利要求1所述的高温环境微动磨损试验机，其特征在于：所述作动器为电磁激振作动器，所述位移传感器、所述载荷传感器在所述作动器的上下两端均位于所述作动器的中心位置处，所述连接轴的上端通过万向节与所述载荷传感器相固定连接。

3.根据权利要求1所述的高温环境微动磨损试验机，其特征在于：所述环境箱为液体环境箱，所述环境控制系统为用于控制所述液体环境箱中高温常压水化学环境状态的水化学循环控制系统。

4.根据权利要求3所述的高温环境微动磨损试验机，其特征在于：所述液体环境箱的顶部具有用于供所述连接轴沿轴向穿入的开口，所述开口的周向边部与所述连接轴动密封连接设置；所述环境箱的上部还开设有与所述环境腔相连通的溢流孔、与所述环境腔相连通且用于安装液位计的液位孔，所述液位孔沿竖直方向低于所述溢流孔。

5.根据权利要求3所述的高温环境微动磨损试验机，其特征在于：所述液体环境箱包括呈六面体结构的箱体，所述箱体上的其中一面为可拆卸的设于其上的箱盖，所述箱体由透明的PVC材料制作而成。

6.根据权利要求1所述的高温环境微动磨损试验机，其特征在于：所述环境箱为气氛恒温炉，所述气氛恒温炉具有封闭炉腔的炉体，所述炉腔中位于所述后侧板的前方固定地设有风扇挡板，所述风扇挡板将所述炉腔沿前后方向分隔为前腔室与后腔室，所述前腔室构成用于放置所述夹具的环境腔，所述后腔室中设有均温风扇与加热器，所述炉体的后方还设有用于驱使所述均温风扇工作的驱动装置和用于控制所述加热器工作状态的加热控制装置，所述风扇挡板上设有连通所述前腔室与所述后腔室的导风结构，所述环境控制系统为用于控制所述环境腔内高温气体环境状态的气氛保护恒温系统。

7.根据权利要求6所述的高温环境微动磨损试验机，其特征在于：所述炉体包括分别具有双层钢板结构的前盖、底板、顶板、左侧板、右侧板及后侧板，双层的所述钢板之间的间隙形成冷却水通道，所述炉腔中位于所述前盖、底板、顶板、左侧板及右侧板的内壁上均设有保温板。

8.根据权利要求7所述的高温环境微动磨损试验机，其特征在于：所述气氛保护恒温系统包括用于控制所述冷却水通道中冷却水循环的循环冷却装置、用于控制所述环境腔中气体环境的真空供气系统。

9.根据权利要求7所述的高温环境微动磨损试验机，其特征在于：所述炉体上位于所述后侧板的后方固定地设有风扇座，所述风扇座中设有沿前后方向延伸的风扇轴，所述风扇轴可绕自身轴心线旋转地安装在所述后侧板上，所述均温风扇固定地安装在所述风扇轴的前端并位于所述后腔室中，所述驱动装置包括电机，所述电机的输出轴与所述风扇轴的后端通过磁力联轴器相连接，所述磁力联轴器包括内轴、外轴、用于将所述内轴与外轴相隔离的中壳法兰，所述中壳法兰固定且密封地连接在所述风扇座的后端，所述内轴与所述风扇轴相固定连接，所述外轴与所述电机的输出轴相固定连接。

10.根据权利要求6所述的高温环境微动磨损试验机，其特征在于：所述导风结构包括设于所述风扇挡板中部且沿前后方向贯穿的多个导风孔、分别设于所述风扇挡板的上下两端且沿前后方向贯穿的两个导风通道。