CN105866023B - 一种高温高压水环境中材料静摩擦系数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温高压水环境中材料静摩擦系数测试方法，针对高温高压特殊服役环境中材料静摩擦系数测量提供了试验方法，其通过测量摩擦副之间未施加压紧力和施加压紧力这两种情况下的“载荷‑位移/时间关系曲线”，并巧妙地运用弹簧的压缩力与压缩量成正比的特点，实现了密封件之间动摩擦、摩擦副之间静摩擦两个物理过程的分解，可以求解得到“摩擦力‑位移/时间关系曲线”，从而方便地获取高温高压水环境下材料的静摩擦系数。该测试方法中仅利用常规试验设备，无需高温高压环境载荷传感器和位移传感器便可实现高温高压密闭环境中材料静摩擦系数的测量，测试方法简单，成本较低，结果保守可靠，对于工程设计或评估具有较大的应用价值。

Description

一种高温高压水环境中材料静摩擦系数测试方法

技术领域

本发明涉及一种高温高压水环境中材料静摩擦系数测试方法。

背景技术

摩擦性能是材料的基本性质之一，某种材料的摩擦性能可以通过材料的静、动摩擦系数来表征，其中，静摩擦系数定义为静摩擦力与法向力之比(静摩擦力是两接触表面在相对移动开始时的最大阻力)。在实际工程设计和评估中，摩擦系数是部件结构稳定性计算的关键参数之一，尤其是静摩擦系数，是判断部件从稳定到失稳的关键参数，需要通过试验获得。

现有技术中，测量静摩擦系数的通用试验原理如下：将试样1水平置于试样2表面上，假设试样1和试样2之间接触面是理想的，即接触面的物理状态是理想均匀的，并且接触面积足够大。试样1在正压力F_n和牵引力F_t作用下在试样2表面上运动。试样1的力平衡图见附图1，牵引力F_t—时间t、相对速度v—时间t、摩擦力F_f—时间t的关系曲线见附图2。

由图1可知，支持力F_n’与试样1重力G₁与正压力F_n的和力平衡，牵引力F_t与摩擦力f平衡。由图2可知，当施加的牵引力F_t从0线性增加到F_t,max，试样1和试样2之间的相对速度近似为0，物体仍处于静止状态，此时的摩擦状态为“静摩擦”；一旦牵引力超过F_t,max，相对速度在很短的时间内快速增加，从近似为0快速增加到一个稳定的滑动速度；若试样1加速所需要的力超过了原来施加的牵引力，则达到稳定的滑动速度后，牵引力将降到一常数值F_t,d_yn，此时的摩擦状态为“动摩擦”。静摩擦系数定义为静摩擦力与法向力之比，此时，静摩擦力f_s是两接触表面在相对移动开始时的最大阻力F_t,max：

然而，上述试验方法是处于理想状态，在实际测量中，样品的表面状态并非理想均匀的，样品之间的接触区并非足够大。因此，理想状态的曲线在实际测量中并不会出现，最大静摩擦力往往与摩擦副接触面上局部区域凸出表面的受切向力被剪切导致局部滑移有关，而非整个摩擦副系统克服的最大运动阻力。

目前，ASTM等国际通用行业标准中仅对一些非常简单的摩擦副种类、接触形式、环境条件的组合情况规范了试验方法，而对于实际工程中存在的较为复杂的摩擦副种类、接触形式、环境条件的组合情况没有规范相应的试验方法。因此，目前无论是设计阶段还是运行评估阶段，摩擦副之间静摩擦系数的取值通常仅参考机械手册中的类似情况，而机械手册中的参考值往往与工程实际部件的摩擦副种类、接触形式、环境条件等情况不符，这样会出现设计或评估安全系数过大或过小的现象，对于工业生产的经济性、安全性是不利的。尤其是对于服役在高温高压密闭容器环境中部件而言，由于高温高压水(或蒸汽)环境中载荷传感器和位移传感器的限制使用，其静摩擦系数测量更是困难。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的缺点，提供一种测量高温高压水环境下材料静摩擦系数的测试方法，以使得测量获取的静摩擦系数对工程设计或评估提供可靠依据。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种高温高压水环境中材料静摩擦系数测试方法，用于测量第一试样与第二试样在高温高压水环境中的静摩擦系数，所述测试方法包括如下步骤：

(1)设置试验装置：

将夹具装置设于高温高压容器内，所述夹具装置包括上夹具和下夹具，所述第一试样固设于所述上夹具的下端，所述第二试样固设于所述下夹具上；

将拉伸试验机的拉伸轴向下伸入所述高温高压容器内，所述拉伸轴与所述高温高压容器之间通过密封件密封设置，所述上夹具的上端可上下滑动地设于所述拉伸轴的下端，且所述上夹具的上端与所述拉伸轴的下端之间设有弹簧；

(2)预测试阶段：

ⅰ)、使得上夹具的上端底部与所述弹簧之间预留间隙，并使得第一试样与第二试样保持分离；

ⅱ)、向上提拉所述拉伸轴，直至所述弹簧被压缩，且所述上夹具被完全提起后匀速上升一段距离后，停止提拉所述拉伸轴；

ⅲ)、记录上述过程中牵引力F_t-拉伸轴位移L关系曲线，并根据该F_t-L曲线获取所述上夹具被提起后所述拉伸轴相对所述密封件产生滑移时对应的牵引力F_tLl数值，其中F_tLl＝f_圈+G_夹具，f_圈为密封件与拉伸轴之间的摩擦力，G_夹具为上夹具与第一试样的自重和；

(3)测试阶段：

ⅰ)使得所述第一试样与所述第二试样相接触，并使得两者的接触面位于所述拉伸轴的中心面内；使得上夹具与所述弹簧之间预留间隙，该预留间隙与所述预测试阶段的预留间隙大小一致；施加第一试样与第二试样以沿水平方向的恒定的压紧力F_n；

ⅱ)、向上提拉所述拉伸轴，直到所述弹簧被压缩且所述上夹具被完全提起后匀速上升一段距离后，停止提拉所述拉伸轴；

ⅲ)、记录上述过程中牵引力F_t-拉伸轴位移L关系曲线，并根据该F_t-L曲线获取第一试样与第二试样之间刚开始产生滑移时对应的牵引力F_tL2数值，其中f_s为第一试样与第二试样之间静摩擦力值；

(4)计算阶段：

根据所述步骤(2)和步骤(3)的测试结果，计算第一试样与第二试样之间的静摩擦系数μ_s，其中：

优选地，所述上夹具的上端开设有通孔，所述拉伸轴间隙配合地穿过所述通孔，所述拉伸轴的下端固定地设有限位件，所述弹簧套设在所述拉伸轴的下部且所述弹簧的下端固定在所述限位件上。

优选地，所述上夹具的下端支撑在所述下夹具上而使得所述上夹具的上端与所述弹簧之间预留间隙。

优选地，所述高温高压容器为高压釜，所述高压釜内环境与待模拟工况下的高温高压环境相一致。

优选地，所述拉伸试验机通过其上的作动器施加所述拉伸轴以牵引力，所述作动器与拉伸轴之间设有载荷传感器以检测所述拉伸轴所受的牵引力。

进一步地，所述待测试阶段、所述测试阶段中所述拉伸轴所受的牵引力最大值介于所述载荷传感器的20％～80％量程的范围内。

优选地，所述拉伸试验机的加载方式为位移加载控制，所述拉伸轴以恒定速率连续增加位移。

优选地，所述测试阶段的步骤ⅰ)中，压紧力F_n为所述第一试样与第二试样在待模拟工况下所受到的压紧力。

优选地，所述测试方法还包括步骤(5)：重复步骤(2)、步骤(3)与步骤(4)至少三次，取这至少三次获取的静摩擦系数μ_s的平均值作为静摩擦系数值。

优选地，所述第一试样为板材，所述第二试样为管材，所述高温高压容器固定在所述拉伸试验机的机座上，所述下夹具固定地设于所述高温高压容器中，所述下夹具上还设有用于夹紧所述第一试样与第二试样以施加水平方向压紧力的压紧机构。

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：本发明针对高温高压特殊环境中材料静摩擦系数测量提供了试验方法，其通过测量摩擦副之间未施加压紧力和施加压紧力这两种情况下的“载荷-位移/时间关系曲线”，并巧妙地运用弹簧的压缩力与压缩量成正比的特点，实现了密封件之间动摩擦、摩擦副之间静摩擦两个物理过程的分解，可以求解得到“摩擦力-位移/时间关系曲线”，从而方便地获取高温高压水环境下材料的静摩擦系数。该测试方法中仅利用常规试验设备，无需高温高压环境载荷传感器和位移传感器便可实现高温高压密闭环境中材料静摩擦系数的测量，填补了该领域的空白，该测试方法简单，成本较低，结果保守可靠，对于工程设计或评估具有较大的应用价值。

附图说明

附图1为现有技术中平面-平面接触时静摩擦系数测量示意图；

附图2为现有技术中摩擦系数测量过程中牵引力F_t、相对速度v、摩擦力f与时间t之间的关系曲线图；

附图3为本申请实施例中静摩擦系数测试用试验装置示意图；

附图4为预测试阶段初始时试验装置的示意图，其中，加载力为0；

附图5为预测试阶段试验装置的示意图，其中，拉伸轴与弹簧被提起，而上夹具未被提起；

附图6为预测试阶段试验装置的示意图，其中，上夹具被提起；

附图7为测试阶段初始时试验装置的示意图，其中，加载力为0；

附图8为测试阶段试验装置的示意图，其中，拉伸轴与弹簧被提起，而上夹具未被提起；

附图9为测试阶段试验装置的示意图，其中，上夹具被提起；

附图10为预测试阶段的牵引力F_t-拉伸轴位移L关系曲线；

附图11为测试阶段的牵引力F_t-拉伸轴位移L关系曲线；

附图12为图10与图11相减后的牵引力F_t-拉伸轴位移L关系曲线；

其中：1、第一试样(板材)；2、第二试样(管材)；3、上夹具；4、下夹具；41、压紧机构；5、高压釜；6、拉伸轴；7、作动器；8、载荷传感器；9、密封圈；10、限位件；11、弹簧；12、垫板；

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。

本实施例中以工程应用中最常见的平板与管材线接触静摩擦系数测量为例来说明本申请中静摩擦系数的测量方法与测量原理，其中平板为第一试样1，管材为第二试样2，该静摩擦力的测量试验在常规的拉伸试验机上进行。

参见图3所示为该测试试验所用的试验装置，其包括固设于拉伸试验机机座上的高温高压容器，该高温高压容器采用的为高压釜5，该高压釜5内可设置为与待测试工况环境相同的高温高压环境。

试验用夹具装置设于该高压釜内，从而使得待测试的第一试样1与第二试样2均处于待测试工况环境中。该夹具装置至少包括上夹具3与下夹具4，其中第一试样1固定地设于上夹具3的下端，第二试样2设于下夹具4上，该夹具装置上还设有用于压紧第一试样1与第二试样2以施加水平方向压紧力的压紧装置41。具体地，在本实施例中，夹具装置可采用如中国专利号为ZL201210353366.8所公开的管-平板线接触微动磨损实验用夹持装置，在该夹持装置的基础上稍作改进便可形成本实施例的夹持装置，如图4至图9所示。

拉伸试验机的拉伸轴6沿轴向向下穿入高压釜5的内腔中，拉伸轴6与高压釜5之间通过密封件9予以密封设置，该密封件9具体可采用密封圈，该密封圈9在选择时，应保证拉伸轴6与密封圈9之间的摩擦力不大于第一试样1与第二试样2之间最大静摩擦力的2倍。

上夹具3的上端可上下滑动地设于拉伸轴6的下端，且上夹具3的上端与拉伸轴6的下端之间设有弹簧11。具体地，上夹具3的上端开设有通孔，拉伸轴6间隙配合地穿过上述通孔，且拉伸轴6的下端固定地设有限位件10，弹簧11套设在拉伸轴6伸出通孔外的下部轴段处，且弹簧11的下端固定在限位件10上。当拉伸轴6未被提起且上夹具3的下端支撑在下夹具4上时，弹簧11的上端与上夹具3的上端之间应存在间隙。此外，弹簧11在选择时，可根据预估的最大静摩擦力值进行选定。

拉伸轴6通过拉伸试验机的作动器7施加牵引力，该作动器7与拉伸轴6之间设有载荷传感器8以检测拉伸轴6所受的牵引力。该载荷传感器8的选择应根据预估的牵引力大小来选定，此处，载荷传感器8的精度等级选用0.5级，在测试过程中牵引力的最大值应介于载荷传感器8的20％～80％量程的范围内。选用之前可根据第一试样1与第二试样2的材料属性来预估静摩擦系数，从而预估需要选用的载荷传感器，再根据预试验来确定所需要的载荷传感器8，以保证试验的精度。

该拉伸试验机采用位移加载控制的方式进行加载，亦即拉伸轴6以恒定速率增加位移的方式进行加载。拉伸试验机上设置有位移传感器(图中未示出)来即时检测拉伸轴6的位移量。

以下具体阐述该静摩擦系数测试的过程：

首先，制备平板状第一试样1和管材状第二试样2，并在对第一试样1和第二试样2进行清洗后，将两者分别安装至上夹具3与下夹具4上。安装时，将第一试样1的平板和第二试样2的管材垂直放置，第一试样1与第二试样2在接触时的接触面与水平面垂直，且该接触面位于拉伸轴6的中心面内，这样可保证牵引力与摩擦力相平衡。在高压釜5内形成待测试工况环境。

测试分为预测试阶段和测试阶段，在预测试阶段及测试阶段分别记录测试过程中的牵引力F_t-拉伸轴位移L关系曲线，即F_t-L曲线。

预测试阶段：

参见图4至图6所示，在该预测试阶段的整个过程中，使用垫块12将压紧机构41沿水平方向撑开而使得第一试样1与第二试样2之间保持分离，使得第一试样1与第二试样2不接触而未施加压紧力，即压紧力F_n＝0。

参见图4所示，初始时，拉伸轴6的牵引力F_t＝0，此时，上夹具3的下部支撑在下夹具4上，上夹具3的上端底部与弹簧11顶部之间预留间隙h，该预留间隙h的大小根据具体需要进行调整，需满足摩擦力稳定的要求。

参见图5所示，开始向上提升拉伸轴6，仅拉伸轴6及弹簧11被提升，提升位移为弹簧11与上夹具3之间的预留间隙h，初始阶段受到密封圈9的影响而出现波动，此后，密封圈9与拉伸轴6之间发生稳定的滑动摩擦，F_t值稳定，此时，F_t＝F_圈，在如图10所示的F_t-L曲线中表现为牵引力F_t先波动，后趋于稳定。

继续提升拉伸轴6，当弹簧11上部与上夹具3接触，弹簧11开始对上夹具3施加向上的作用力，使上夹具3逐渐克服自身重力，直至上夹具3被提拉至离开下夹具4。在图10的F_t-L曲线中表现为牵引力F_t逐渐增大，直至F_t达到F_tLl，其中F_tLl＝f_圈+G_夹具，f_圈为密封件9与拉伸轴6之间的摩擦力，G_夹具为上夹具3与第一试样1的自重和。

参见图6所示，继续提升拉伸轴6，在恒定的牵引力F_tLl作用下匀速上升一段距离，上夹具3相对下夹具4上升一段距离，在图10的F_t-L曲线中表现为牵引力F_t保持F_tLl不变。

测试阶段：

首先利用夹具装置自身的结构将垫块12移除，使得第一试样1与第二试样2相接触，且两者的接触面位于拉伸轴6的中心面内，下夹具4上的压紧机构41施加第一试样1与第二试样2以水平方向恒定的压紧力F_n，该压紧力F_n为第一试样1与第二试样2在待模拟的实际工况下所受到的压紧力。

参见图7所示，初始时，拉伸轴6的牵引力F_t＝0，此时，上夹具3的下部支撑在下夹具4上，上夹具3的上端底部与弹簧11顶部之间预留间隙h，该预留间隙h应与预测试阶段的预留间隙h大小一致。

参见图8所示，向上提拉拉伸轴6，仅拉伸轴6与弹簧11被提升，直至密封圈9与拉伸轴6之间发生稳定的滑动摩擦，F_t值稳定，此时，F_t＝F_圈，在如图11所示的F_t-L曲线中表现为牵引力F_t先波动，后趋于稳定。

继续向上提升拉伸轴6，当弹簧11上部与上夹具3相接触，弹簧11开始对上夹具3施加向上的作用力，使得上夹具3逐渐克服自身重力，直至上夹具3对下夹具4无压力，即上夹具3被完全提起。在图11的F_t-L曲线中表现为牵引力F_t逐渐增大，直至F_t达到F_tLl，其中F_tLl＝f_圈+G_夹具。

继续向上提升拉伸轴6，弹簧11被压缩，第一试样1与第二试样2之间开始出现静摩擦力，由于第一试样1牵引力的施加是通过压缩弹簧11来实现的，且弹簧11的力与压缩量呈正比关系，因此，弹簧11被匀速压缩而使得加载方式由位移控制模式转化为载荷控制模式，第一试样1将以一定的载荷增加速率被向上提升。当F_t达到时，第一试样1克服最大静摩擦力而开始相对第二试样2滑动，如图9所示。此处，f_s为第一试样1与第二试样2之间静摩擦力值。在图11的F_t-L曲线中表现为牵引力F_t逐渐增大，直至F_t达到

继续向上提升拉伸轴6，第一试样1以一定位移加载速率被匀速提拉，发生滑动摩擦。

将测试阶段与预测试阶段所记录的F_t-L曲线相减，即可得到摩擦力f_s-拉伸轴位移L关系曲线，如图12所示，该曲线上f首次下降前的最大值为最大静摩擦力f_s，利用如下公式，便可计算静摩擦系数μ_s，具体为：

以上预测试阶段与测试阶段的试验应分别进行三次以上，且应保持统一试验条件，将所有次试验计算得到的静摩擦系数μ_s数值取平均值作为最终的静摩擦系数值，从而提高测量精度。

在上述测试过程中，作动器7对拉伸轴6加载牵引力的过程中，应根据预估的最大静摩擦力来选择合适的加载频率，该加载频率应不超过最大静摩擦力的1/50(N/s)/弹簧刚度系数，并合理地设置数据采集频率，形成F_t—t关系曲线。

本发明中，由于待测摩擦副放置在高温高压密闭容器中，外置载荷传感器的测量值不仅仅是摩擦副之间的摩擦力，还包含密封件之间的摩擦力。本发明的技术方案中，对于静摩擦系数测量，如何同时实现密封件之间动摩擦、摩擦副这一物理过程，若能实现这一过程，摩擦副之间的摩擦力-时间关系曲线便可以通过连续两侧试验，即测量摩擦副之间未施加压紧力和施加压紧力这两种情况下的“载荷-位移/时间关系曲线”，得到有效地分离和求解。同时，本发明中还巧妙地运用弹簧的压缩力与压缩量成正比的特点，实现了密封件之间动摩擦、摩擦副之间静摩擦两个物理过程的分解，可以求解得到“摩擦力-位移/时间关系曲线”。

综上，本发明针对高温高压特殊环境中材料静摩擦系数测量提供了试验方法，其利用常规试验设备，无需高温高压环境载荷传感器和位移传感器便可实现高温高压密闭环境中材料静摩擦系数的测量，填补了该领域的空白，该测试方法简单，成本较低，结果保守可靠，对于工程设计或评估具有较大的应用价值。

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加以实施，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内。

Claims (10)

1.一种高温高压水环境中材料静摩擦系数测试方法，用于测量第一试样与第二试样在高温高压水环境中的静摩擦系数，其特征在于，所述测试方法包括如下步骤：

（1）设置试验装置：

将夹具装置设于高温高压容器内，所述夹具装置包括上夹具和下夹具，所述第一试样固设于所述上夹具的下端，所述第二试样固设于所述下夹具上；

将拉伸试验机的拉伸轴向下伸入所述高温高压容器内，所述拉伸轴与所述高温高压容器之间通过密封件密封设置，所述上夹具的上端可上下滑动地设于所述拉伸轴的下端，且所述上夹具的上端与所述拉伸轴的下端之间设有弹簧；

（2）预测试阶段：

ⅰ）、使得上夹具的上端底部与所述弹簧之间预留间隙，并使得第一试样与第二试样保持分离；

ⅱ）、向上提拉所述拉伸轴，直至所述弹簧被压缩，且所述上夹具被完全提起后匀速上升一段距离后，停止提拉所述拉伸轴；

ⅲ）、记录该预测试阶段步骤ⅱ）的操作过程中牵引力F_t-拉伸轴位移L关系曲线，并根据该F_t-L曲线获取所述上夹具被提起后所述拉伸轴相对所述密封件产生滑移时对应的牵引力F _tLl数值，其中F _tLl= f _圈+ G_夹具， f _圈为密封件与拉伸轴之间的摩擦力，G_夹具为上夹具与第一试样的自重和；

（3）测试阶段：

ⅰ）使得所述第一试样与所述第二试样相接触，并使得两者的接触面位于所述拉伸轴的中心面内；使得上夹具与所述弹簧之间预留间隙，该预留间隙与所述预测试阶段的预留间隙大小一致；施加第一试样与第二试样以沿水平方向的恒定的压紧力F_n；

ⅱ）、向上提拉所述拉伸轴，直到所述弹簧被压缩且所述上夹具被完全提起后匀速上升一段距离后，停止提拉所述拉伸轴；

ⅲ）、记录该测试阶段步骤ⅱ）的操作过程中牵引力F_t-拉伸轴位移L关系曲线，并根据该F_t-L曲线获取第一试样与第二试样之间刚开始产生滑移时对应的牵引力F _tL2 数值，其中F _tL2= f _圈+ G_夹具+ f _s ，f _s为第一试样与第二试样之间静摩擦力值；

（4）计算阶段：

根据所述步骤（2）和步骤（3）的测试结果，计算第一试样与第二试样之间的静摩擦系数μ _s，其中：μ _s=（F _tL2-F _tLl）/F_n。

2.根据权利要求1所述的高温高压水环境中材料静摩擦系数测试方法，其特征在于：所述上夹具的上端开设有通孔，所述拉伸轴间隙配合地穿过所述通孔，所述拉伸轴的下端固定地设有限位件，所述弹簧套设在所述拉伸轴的下部且所述弹簧的下端固定在所述限位件上。

3.根据权利要求1所述的高温高压水环境中材料静摩擦系数测试方法，其特征在于：所述上夹具的下端支撑在所述下夹具上而使得所述上夹具的上端与所述弹簧之间预留间隙。

4.根据权利要求1所述的高温高压水环境中材料静摩擦系数测试方法，其特征在于：所述高温高压容器为高压釜，所述高压釜内环境与待模拟工况下的高温高压环境相一致。

5.根据权利要求1所述的高温高压水环境中材料静摩擦系数测试方法，其特征在于：所述拉伸试验机通过其上的作动器施加所述拉伸轴以牵引力，所述作动器与拉伸轴之间设有载荷传感器以检测所述拉伸轴所受的牵引力。

6.根据权利要求5所述的高温高压水环境中材料静摩擦系数测试方法，其特征在于：所述预测试阶段、所述测试阶段中所述拉伸轴所受的牵引力最大值介于所述载荷传感器的20%～80%量程的范围内。

7.根据权利要求1所述的高温高压水环境中材料静摩擦系数测试方法，其特征在于：所述拉伸试验机的加载方式为位移加载控制，所述拉伸轴以恒定速率连续增加位移。

8.根据权利要求1所述的高温高压水环境中材料静摩擦系数测试方法，其特征在于：所述测试阶段的步骤ⅰ）中，压紧力F_n为所述第一试样与第二试样在待模拟工况下所受到的压紧力。

9.根据权利要求1所述的高温高压水环境中材料静摩擦系数测试方法，其特征在于：所述测试方法还包括步骤（5）：重复步骤（2）、步骤（3）与步骤（4）至少三次，取这至少三次获取的静摩擦系数μ_s的平均值作为静摩擦系数值。

10.根据权利要求1至9任一所述的高温高压水环境中材料静摩擦系数测试方法，其特征在于：所述第一试样为板材，所述第二试样为管材，所述高温高压容器固定在所述拉伸试验机的机座上，所述下夹具固定地设于所述高温高压容器中，所述下夹具上还设有用于夹紧所述第一试样与第二试样以施加水平方向压紧力的压紧机构。