CN105806725A - 金属轴表面磨损疲劳试验装置 - Google Patents

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罗蓉蓉
李鹏远
魏海鸿
孙林煜
闫腾飞
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Abstract

一种金属轴表面磨损疲劳试验装置。为了克服新型特种材料金属轴的旋转、平移运动磨损疲劳试验需要分别在两台设备上进行，且缺少在超低温及隔离大气环境条件下试验的不足，本发明芯轴的一端与偏心电机轴连接，另一端与旋转电机轴连接；样品轴的下端部位于箱体内；箱体内装有液氮；箱体放置于真空室内；加力轴瓦基座端轴的端面为凸球面，和旋转电机轴连接的芯轴端轴与真空室之间采用低温真空旋转密封；和偏心电机轴连接的芯轴端轴、加力轴瓦基座端轴与真空室之间采用焊接波纹管动密封结构。其有益效果是设计合理，在同一台设备上完成超低温液氮温区及隔离大气环境条件下，对特种轴表面完成旋转、平移运动磨损疲劳测试，提高工作效率和测试条件的仿真度。

Description

金属轴表面磨损疲劳试验装置
技术领域
本发明属于材料性能测试技术领域，涉及一种材料磨损疲劳试验装置，尤其是涉及一种金属轴表面磨损疲劳试验装置，特别适用于在超低温隔绝大气环境下进行金属轴表面磨损疲劳试验。
背景技术
随着对低温超导技术研究的不断深入，大型超导实验装置中新型特种材料金属轴的应用也越来越多。新型特种材料金属轴(如特种陶瓷涂层工艺)表面在设计允许受力条件下轴的表面性能是否满足设计要求，相关受力条件下的试验测试必不可少。
目前，常规轴的摆动摩擦试验机及旋转摩擦试验机均为单功能试验机，同一试样的旋转、轴向平移往复运动磨损疲劳相关试验需要在两台试验机上分别进行，且这两种试验机均不能提供超低温液氮(LN2)温区及隔离大气环境试验条件，实验室的样品轴试验条件与实际应用环境条件相去甚远，试验结论难以直接应用；试验周期长，成本高。
发明内容
为了克服新型特种材料金属轴表面的旋转、轴向往复运动磨损疲劳试验需要分别在两台设备上进行，且缺少在超低温液氮(LN2)温区及隔离大气环境条件下试验的不足，本发明提供一种金属轴表面磨损疲劳试验装置。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：金属轴表面磨损疲劳试验装置包括旋转电机、液压电机、偏心轴电机、样品轴、芯轴、对磨轴瓦，样品轴固定安装在芯轴的中部，样品轴的径向两侧分别安装有对磨加力轴瓦总成和反对磨加力轴瓦总成，偏心轴电机通过连杆机构带动芯轴做轴向往复运动。芯轴的一端与旋转电机轴连接，另一端与连杆机构连接。
对磨加力轴瓦总成的加力轴瓦基座端轴与过渡轴、加力轴、力传感器、液压电机依次连接，加力轴瓦基座端轴与过渡轴的接触端面为球面。反对磨加力轴瓦总成的反加力轴瓦基座一端固定安装有反对磨加力轴瓦，另一端安装有微调机构(本专利申请人已就“微调机构”另行申请了实用新型专利《金属轴表面磨损疲劳试验装置的微调机构》，在此对“微调机构”相关技术方案不再赘述)。
样品轴位于箱体内；箱体内装有液氮；箱体放置于真空室内，真空室上方安装有液氮注入管和氮气排放管。
和旋转电机轴连接的芯轴端轴与真空室之间采用低温真空旋转密封；和连杆机构连接的芯轴端轴与真空室之间采用焊接波纹管动密封结构；加力轴瓦基座端轴与真空室之间采用焊接波纹管动密封结构。
液氮注入管位于样品轴的上方，样品轴的下端部浸入液氮中。
箱体的下方固定安装有隔热骨架，隔热骨架固定安装在隔热底板上，隔热底板固定安装在真空室内的底部。
芯轴表面与样品轴内孔之间安装有平键；样品轴两端的芯轴上安装有定位套，定位套上径向安装定位销钉后将样品轴轴向固定。
在做旋转试验时，需要断开芯轴与连杆机构的连接；在做平移运动试验时，需要断开芯轴与旋转电机轴之间的连接。
本发明的有益效果是，设计合理，能够在同一台设备上完成特种轴表面旋转、轴向往复运动磨损疲劳测试；在箱体中加入液氮，并放置于真空室内，可以在超低温液氮(LN2)温区及隔离大气环境条件下完成样品轴表面旋转、轴向往复运动磨损疲劳测试，提高工作效率，降低成本，提高测试条件的仿真度。
附图说明
图1是本发明金属轴表面磨损疲劳试验装置结构示意图。
图2是本发明试验装置对磨加力轴瓦处的横截剖面图。
图中：1.样品轴，2.对磨加力轴瓦，3.反对磨加力轴瓦，4.加力轴瓦基座，5.过渡轴，6.反加力轴瓦基座，7.微调机构，8.芯轴，9.平键，10.定位套，11.加力轴，12.定位销钉，13.箱体，14.隔热骨架，15.隔热底板，16.固定螺栓。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。但是，本领域技术人员应该知晓的是，本发明不限于所列出的具体实施方式，只要符合本发明的精神，都应该包括于本发明的保护范围内。
参见附图1-2。本发明金属轴表面磨损疲劳试验装置，样品轴1是进行轴表面磨损疲劳试验的样轴，样品轴1为特种不锈钢轴，或者是表面经过硬化处理的轴，或者是表面有涂层(如陶瓷涂层)的轴等等，样品轴1为空心轴，样品轴1与芯轴8同轴且固定安装在芯轴8的中部。通常在芯轴8表面与样品轴1内孔之间安装有平键9，防止样品轴1旋转。样品轴1两端的芯轴8上安装有定位套10，定位套10上径向安装定位销钉12后将定位套10与芯轴8轴向固定，2个定位套10将样品轴1轴向固定。
本发明配置有旋转电机、偏心轴电机和液压电机。芯轴8的一端与旋转电机轴连接，旋转电机带动芯轴8旋转完成样品轴1的旋转磨损疲劳试验。芯轴8的另一端与连杆机构的连杆连接，偏心轴电机通过连杆机构带动芯轴做轴向往复运动，完成样品轴1的轴向平移往复运动磨损疲劳试验，其平移距离由偏心电机的偏心距确定，偏心距通常为1-10mm。
样品轴1的径向两侧分别安装有对磨加力轴瓦总成和反对磨加力轴瓦总成。
对磨加力轴瓦总成包括对磨加力轴瓦2和加力轴瓦基座4，加力轴瓦基座4与样品轴1对应的一侧固定安装有对磨加力轴瓦2，加力轴瓦基座4另一侧的端轴与过渡轴5、加力轴11、力传感器、液压电机依次连接。液压电机向对磨加力轴瓦2提供水平推力F。加力轴瓦基座4端轴与过渡轴为端面接触，接触端面为球面，通常加力轴瓦基座4端轴的端面为凸球面，过渡轴5端面为凹球面。
反对磨加力轴瓦总成由反对磨加力轴瓦3、反加力轴瓦基座6和微调机构7组成，反加力轴瓦基座6与样品轴1对应的一侧固定安装有反对磨加力轴瓦3，另一端的端轴固定安装有微调机构7(本专利申请人已就“微调机构”另行申请了实用新型专利《金属轴表面磨损疲劳试验装置的微调机构》，在此对“微调机构”的技术方案不再赘述)。在液压电机向对磨加力轴瓦2提供水平推力F的同时，反对磨加力轴瓦3受到与水平推力F数值相等、方向相反的力-F，此时微调机构的主要功能是保证芯轴8的在测试过程中位置不变。
为了满足特种材料金属轴在超低温液氮(LN2)温区及隔离大气环境条件下的测试需求，在箱体13内装入液氮，并将箱体13放置于真空室内，真空室固定安装在底座上。芯轴8的两端、加力轴瓦基座4的端轴及其连接件的径向支撑件均安装在真空室外，且支撑件均固定安装在底座上。反加力轴瓦基座6端轴安装有微调机构7，微调机构7的立柱穿过真空室的底部固定安装在底座上。
和旋转电机轴连接的芯轴8端轴与真空室之间采用低温真空旋转密封；和连杆机构连接的芯轴8端轴与真空室之间采用焊接波纹管动密封结构；加力轴瓦基座4端轴与真空室之间采用焊接波纹管动密封结构。
在箱体13的下方固定安装有隔热骨架14，隔热骨架14通过固定螺栓16安装在隔热底板15上，隔热底板15固定安装在真空室内的底部，有利于减少试验过程中的热传导。
真空室的上方安装有液氮注入管和氮气排放管。液氮注入管在真空室外通过液氮(LN2)输入管与液氮连续自动供给系统联通。低温氮气排放管排出的低温氮气依次通过真空阀、单向阀、排气管等直接将低温氮气排到真空室外。
本发明配置的液氮(LN2)自动供给系统，通过液氮阀门及真空箱的液氮连接管道与真空箱内的输送液氮波纹管连接，便于调节液氮输出口的位置。
试验中，样品轴1的旋转运动和平移运动测试需要分别进行试验。在做旋转试验时，需要断开芯轴与连杆机构的连接；在做平移运动试验时，需要断开芯轴与旋转电机轴之间的连接。
应用本发明在超低温液氮(LN2)温区及隔离大气环境条件下做金属轴表面磨损疲劳试验装置，
首先，将样品轴安装完毕后，调整芯轴位置，由液压电机通过加力轴瓦基座总成向样品轴施加水平推力F，通过加力轴瓦基座端轴与过渡轴的凹、凸球面结构和安装在反加力轴瓦基座端轴的微调机构，调整对磨加力轴瓦、反对磨加力轴瓦与样品轴之间的接触面符合测试要求，并固定微调机构。
然后，采用机械泵、罗茨泵等真空抽气及真空监测系统，对真空室进行抽真空，当真空度达到0.5×10-1～1×10-1Pa，稳压30分钟，压力不变，表明真空箱内的条件符合试验测试对水蒸气含量的基本要求。
再向真空箱内充入氮气至6kPa左右的微正压，充入的微正压低温氮气由单向阀门控制，再将氮气排出真空室外。
试验测试前，启用液氮自动供给系统，液氮连续不断地从真空室上方的液氮注入管由上向下喷淋到样品轴上，待箱体内的液氮注满并开始向外溢流，样品轴下部约有四分之一浸泡在液氮中，样品轴表面温度为液氮温度。
此时，可根据旋转运动或平移运动试验需要，断开芯轴与连杆机构的连接或断开芯轴与旋转电机轴之间的连接，开始试验工作。
应该注意的是上述实施例是示例而非限制本发明，本领域技术人员将能够设计很多替代实施例而不脱离本专利的权利要求范围。

Claims (5)

1.一种金属轴表面磨损疲劳试验装置，包括旋转电机、液压电机、偏心轴电机、样品轴、芯轴、对磨轴瓦，样品轴固定安装在芯轴的中部，样品轴的径向两侧分别安装有对磨加力轴瓦总成和反对磨加力轴瓦总成，偏心轴电机通过连杆机构带动芯轴做轴向往复运动，其特征是：
所述芯轴(8)的一端与旋转电机轴连接，另一端与连杆机构连接；
所述对磨加力轴瓦总成的加力轴瓦基座(4)端轴与过渡轴(5)、加力轴(11)、力传感器、液压电机依次连接，加力轴瓦基座(4)端轴与过渡轴(5)的接触端面为球面；
所述反对磨加力轴瓦总成的反加力轴瓦基座(6)一端固定安装有反对磨加力轴瓦(3)，另一端安装有微调机构(7)；
所述样品轴(1)位于箱体(13)内；箱体(13)内装有液氮；所述箱体(13)放置于真空室内，真空室上方安装有液氮注入管和氮气排放管；
所述和旋转电机轴连接的芯轴(8)端轴与真空室之间采用低温真空旋转密封；所述和连杆机构连接的芯轴(8)端轴与真空室之间采用焊接波纹管动密封结构；所述加力轴瓦基座(4)端轴与真空室之间采用焊接波纹管动密封结构。
2.根据权利要求1所述金属轴表面磨损疲劳试验装置，其特征是：所述液氮注入管位于样品轴(1)的上方，样品轴(1)的下端部浸入液氮中。
3.根据权利要求2所述金属轴表面磨损疲劳试验装置，其特征是：所述箱体(13)的下方固定安装有隔热骨架(14)，隔热骨架(14)固定安装在隔热底板(15)上，隔热底板(15)固定安装在真空室内的底部。
4.根据权利要求1-3任一所述金属轴表面磨损疲劳试验装置，其特征是：所述芯轴(8)表面与样品轴(1)内孔之间安装有平键(9)；所述样品轴(1)两端的芯轴(8)上安装有定位套(10)，定位套(10)上径向安装定位销钉(12)后将样品轴(1)轴向固定。
5.根据权利要求4所述金属轴表面磨损疲劳试验装置，其特征是：在做旋转试验时，需要断开所述芯轴(8)与连杆机构的连接；在做平移运动试验时，需要断开所述芯轴(8)与旋转电机轴之间的连接。
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