CN105973740A - 高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置及试验方法 - Google Patents

高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置及试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高差速旋转“面‑面”接触磨损试验装置及试验方法，支撑架设置于基座顶部，限制架固定在支撑架上部；旋转单元包括安装固定在限制架和支撑架上的上旋转单元，以及安装于基座上的下旋转单元；下旋转单元顶部安装有下试样，上旋转单元底部安装有上试样，加载单元设置于上试样上部；动力单元包括用于驱动上旋转单元旋转的上动力单元和用于驱动下旋转单元旋转的下动力单元。本发明所述的高差速旋转“面‑面”接触磨损试验装置及试验方法，通过对置上旋转盘和下旋转盘，采用差速旋转的方式提高上试样和下试样之间的线速度，采用弹簧组加载，既在高速旋转时保持了载荷的稳定，又能够起到减震的作用。

Description

高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及摩擦磨损测试技术领域，具体地说是一种高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置及试验方法。
背景技术
目前，随着工程领域的不断扩展，零部件的服役工况也越来越为苛刻，许多核心摩擦副(如航空涡轮发动机气路密封环-气缸套，超长直列汽缸套-活塞环等)均在相对线速度超过50m/s的高速工况下工作。已有工程实例表明：在高速工况条件下，零部件的摩擦磨损行为与使役性能具有全新的特点和磨损机制，对摩擦副的试验研究提出了诸多新的要求，必须模拟高速工况条件下进行摩擦磨损试验研究才能取得有意义的结果。
目前已有许多科研机构研发了高速磨损试验机，如MMS-1G高速销盘摩擦磨损试验机最高线速度近100m/s；中科院金属研究所研制的高速高温多功能摩擦磨损试验机最高线速度可达450m/s。这些试验装置为获得较高线速度，其结构采用“销-盘”或“环-块”结构。为了获得较好的动平衡，这种结构要求旋转轴旋转半径较小，而转速需每分钟超过10000转，甚至20000转。因此试验装置及试验试样的加工精度及材质均有很高的要求，装置造价昂贵，试验成本高。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置及试验方法，用于解决现有的高速磨损试验装置造价昂贵，成本高的问题。本发明采用的技术手段如下：
一种高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置，包括：用于提供压力的加载单元、用于提供旋转动力的动力单元、用于提供旋转运动的旋转单元、限制架、上试样、下试样、支撑架和基座；所述的支撑架设置于基座顶部，限制架固定在支撑架上部；所述的旋转单元包括安装固定在限制架和支撑架上的上旋转单元，以及安装于基座上的下旋转单元；所述的下旋转单元顶部安装有下试样，上旋转单元底部安装有上试样，加载单元设置于上试样上部；所述的动力单元包括用于驱动上旋转单元旋转的上动力单元和用于驱动下旋转单元旋转的下动力单元。
作为优选所述加载单元的主体为加载杆，所述的加载杆通过上下端部设置的直线轴承安装在上旋转单元内部；所述的加载杆顶部依次设置有压力传感器和加载螺杆，所述的加载杆底部依次设置有止推轴承、弹簧压片、弹簧和加载定位柱，加载定位柱底部同上旋转单元底部的上旋转盘顶部间设置有定位球。
作为优选所述的上旋转单元的加载套杆通过直线轴承设置于加载杆外侧，所述的加载套杆外侧通过滚针轴承设置有上旋转轴，所述的上旋转轴外侧通过上轴承设置有上轴承座，所述的上轴承座固定在限制架和支撑架上。
所述的上旋转轴底部设置有弹簧套，所述的弹簧和加载定位柱设置于弹簧套内部，所述的弹簧套底部两端通过扭矩杆和平衡弹簧同上旋转盘连接在一起，所述的上旋转盘底部设置有用于夹紧上试样的上试样夹具。
作为优选所述下旋转单元中的下旋转轴通过下轴承设置于下轴承座上，所述的下轴承座上固定于基座上，所述的上试样固定于下旋转轴顶部。
作为优选所述上动力单元中的上带轮同上旋转轴传动连接，所述的上带轮通过上皮带同上电机传动连接；所述的上电机固定在支撑架上。
作为优选所述下动力单元中的下带轮同下旋转单元中的下旋转轴传动连接，所述的下带轮通过下皮带传动连接有下电机；所述的下电机固定于下电机架上，所述的下电机架固定于基座上。
一种使用上述高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置的试验方法，包括以下步骤：
S1、测试前，将上试样安装在上试样夹具内，将下试样固定在下旋转轴上，并且在下试样表面涂抹润滑油。
S2、接通电源，旋转加载螺杆施加压力，使下试样收到向下的压力，并且将压力传递给下试样。
S3、设置上电机和下电机的转速，使上旋转轴和下旋转轴分别带动上试样和下试样相向旋转进行磨损试验。
与现有技术相比较，本发明所述的高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置及试验方法，具有以下优点：
1、本发明使用上旋转盘和下旋转盘，差速高速旋转，以简单可靠的结构使摩擦副获得较高的线速度(最高线速度可达100m/s)。
2、本发明所述的加载杆和上旋转轴，由直线轴承隔离，最大幅度的减少了上旋转单元，因加载时带来的位移，使装置整体结构刚度大大加强。
3、本发明所述的加载单元底部采用弹簧组进行加载，既在高速旋转时保持了载荷的稳定，又能够起到减震的作用，提高设备整体的柔性。
4、本发明所述的加载单元的加载机构，采用球-盘式的接触结构，上试样和下试样接触时自适应能力强，接触状态稳定，试验结果重复性好。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明上试样磨损量对比图。
图3是本发明下试样磨损量对比图。
其中，1、加载螺杆，2、压力传感器，3、加载杆，4、限制架，5、直线轴承，6、滚针轴承，7、加载套杆，8、上旋转轴，9、上轴承，10、上轴承座，11、止推轴承，12、弹簧压片，13、弹簧，14、弹簧套，15、加载定位柱，16、平衡弹簧，17扭矩杆，18、定位球，19、上旋转盘，20、上试样夹具，21、上试样，22、下试样，23、下旋转轴，24、下轴承座，25、下轴承，26、下带轮，27、下皮带，28、下电机架，29、下电机，30、上带轮，31、上皮带，32、上电机，33、支撑架，34、基座。
具体实施方式
下述非限制性实施例能够使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
如图1所示，一种高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置，包括：用于提供压力的加载单元、用于提供旋转动力的动力单元、用于提供旋转运动的旋转单元、限制架4、上试样21、下试样22、支撑架33和基座34；所述的支撑架33设置于基座34顶部，限制架4固定在支撑架33上部。
所述的旋转单元包括安装固定在限制架4和支撑架33上的上旋转单元，以及安装于基座34上的下旋转单元；所述的下旋转单元顶部安装有下试样22，上旋转单元底部安装有上试样21，加载单元设置于上试样21上部；所述的动力单元包括用于驱动上旋转单元旋转的上动力单元和用于驱动下旋转单元旋转的下动力单元。
所述的加载单元包括加载螺杆1、压力传感器2、加载杆3、止推轴承11、弹簧压片12、弹簧13和加载定位柱15；所述加载单元的主体为加载杆3，所述的加载杆3通过上下端部设置的直线轴承5安装在上旋转单元内部；所述的加载杆3顶部依次设置有压力传感器2和加载螺杆1，所述加载螺杆1与支撑架33相连，人们能够通过压力传感器2读取加载压力。
所述的加载杆3底部依次设置有止推轴承11、弹簧压片12、弹簧13和加载定位柱15，加载定位柱15底部同上旋转单元底部的上旋转盘19顶部间设置有定位球18，使所述的加载单元一端通过直线轴承5和定位球18同上旋转单元相连，另一端与支撑架33相连。
所述的上旋转单元包括直线轴承5、滚针轴承6、加载套杆7、上旋转轴8、上轴承9、上轴承座10、弹簧套14、平衡弹簧16、扭矩杆17、上旋转盘19和上试样夹具20；所述的上旋转单元的加载套杆7通过直线轴承5设置于加载杆3外侧，所述的加载套杆7外侧通过滚针轴承6设置有上旋转轴8，所述的上旋转轴8外侧通过上轴承9设置有上轴承座10，所述的上轴承座10固定在限制架4和支撑架33上；所述的上旋转轴8底部设置有弹簧套14，所述的弹簧13和加载定位柱15设置于弹簧套14内部，所述的弹簧套14底部两端通过扭矩杆17和平衡弹簧16同上旋转盘19连接在一起，所述的上旋转盘19底部设置有用于夹紧上试样21的上试样夹具20。
所述下旋转单元包括下旋转轴23、下轴承座24和下轴承25；所述下旋转单元中的下旋转轴23通过下轴承25设置于下轴承座24上，所述的下轴承座24上固定于基座34上，所述的上试样21固定于下旋转轴23顶部具有的下旋转盘上。
所述上动力单元包括上带轮30、上皮带31和上电机32；所述上动力单元中的上带轮30同上旋转轴8传动连接，所述的上带轮30通过上皮带31同上电机32传动连接；所述的上电机32固定在支撑架33上。使所述上动力单元与上旋转单元相连。
所述下动力单元包括下带轮26、下皮带27、下电机架28和下电机29；所述下动力单元中的下带轮26同下旋转单元中的下旋转轴23传动连接，所述的下带轮26通过下皮带27传动连接有下电机29；所述的下电机29固定于下电机架28上，所述的下电机架28固定于基座34上。使所述下动力单元与下旋转单元相连。
一种使用上述高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置的试验方法，包括以下步骤：
S1、测试前，将上试样21安装在上试样夹具20内，将下试样22固定在下旋转轴23上，并且在下试样22表面涂抹润滑油。
S2、接通电源，旋转加载螺杆1施加压力至230N，压力经压力传感器2、加载杆3、止推轴承11、弹簧压片12、弹簧13、加载定位柱15、定位球18、上旋转盘19、上试样夹具20、上试样21传递给下试样22，即使下试样22收到向下的压力，并且传递给下试样22。
S3、设置上电机32和下电机29的转速，上电机32通过上带轮30、上皮带31带动上旋转轴8、弹簧套14、扭矩杆17、上旋转盘19、上试样夹具20和上试样21转动，下电机29通过下带轮26、下皮带27带动下旋转轴23和下试样22进行转动，使上旋转轴8和下旋转轴23分别带动上试样21和下试样22相向旋转进行磨损试验。
本发明所述的高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置及试验方法，通过对置上旋转盘19和下旋转盘，采用差速旋转的方式提高上试样和下试样之间的线速度，以简单可靠的结构使摩擦副获得较高的线速度(最高线速度可达100m/s)；采用轴承组将加载轴与旋转轴隔离，大幅减少了旋转机构因加载带来的位移，设备整体刚度高；采用弹簧组加载，既在高速旋转时保持了载荷的稳定，又能够起到减震的作用，配合球-盘式的接触结构，使上试样和下试样接触时自适应能力强，接触状态稳定，提高设备整体的柔性。
本发明的试验装置特点在于进行试验的上试样21和下试样22均为运动状态，且运动形式均为旋转。因此上试样21在旋转中构成一个“面”，下试样22在旋转中构成另一个“面”，试样接触形式属于“面-面”接触；传统磨损试验机通常为一个试样静止、另一个试样运动，其试样的接触及运动形式主要有“销-盘”式、“环-块”式以及往复式等。这种结构的弊端就是，随着试验速度的提高，运动的试样的震动也愈发严重。
为了降低震动对试验精度造成的影响，这种单一试样运动的结构必须配有复杂的动平衡结构，且试验速度越高，动平衡结构越精密复杂，试验装置的造价也更加昂贵。同时，为了进一步减少震动，这种结构磨损试验装置对运动试样表面的粗糙度、平整度有着苛刻的要求，一般至少要求抛光表面，这也进一步提高了试验成本。
本申请的试验装置结构是上试样21和下试样22进行差速旋转运动。同传统单一试样运动结构相比，试样差速运动结构的最大优点是：试样自身的旋转速度很低，但两个试样之间的相对速度很高。即获得同样的相对速度，本装置的结构仅需要一半旋转速度。因此本装置的动平衡结构更简单，对试样加工精度有着较低的需求，即装置造价低、试验成本少。
摩擦磨损试验结果的重复性好，接触状态的稳定是前提。因此通过观察试验结果的重复性，能够推断试验时试样的接触状态是否稳定。
如图2和图3所示，为6种上试样材质，在60m/s，15MPa条件下，上试样21和下试样22磨损量对比图。能够看出不同材质试样的试验结果有较强的分辨性，且重复性良好。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置，其特征在于包括：用于提供压力的加载单元、用于提供旋转动力的动力单元、用于提供旋转运动的旋转单元、限制架(4)、上试样(21)、下试样(22)、支撑架(33)和基座(34)；
所述的支撑架(33)设置于基座(34)顶部，限制架(4)固定在支撑架(33)上部；
所述的旋转单元包括安装固定在限制架(4)和支撑架(33)上的上旋转单元，以及安装于基座(34)上的下旋转单元；
所述的下旋转单元顶部安装有下试样(22)，上旋转单元底部安装有上试样(21)，加载单元设置于上试样(21)上部；
所述的动力单元包括用于驱动上旋转单元旋转的上动力单元和用于驱动下旋转单元旋转的下动力单元。
2.根据权利要求1所述的高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置，其特征在于：
所述加载单元的主体为加载杆(3)，所述的加载杆(3)通过上下端部设置的直线轴承(5)安装在上旋转单元内部；
所述的加载杆(3)顶部依次设置有压力传感器(2)和加载螺杆(1)，所述的加载杆(3)底部依次设置有止推轴承(11)、弹簧压片(12)、弹簧(13)和加载定位柱(15)，加载定位柱(15)底部同上旋转单元底部的上旋转盘(19)顶部间设置有定位球(18)。
3.根据权利要求2所述的高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置，其特征在于：
所述的上旋转单元的加载套杆(7)通过直线轴承(5)设置于加载杆(3)外侧，所述的加载套杆(7)外侧通过滚针轴承(6)设置有上旋转轴(8)，所述的上旋转轴(8)外侧通过上轴承(9)设置有上轴承座(10)，所述的上轴承座(10)固定在限制架(4)和支撑架(33)上；
所述的上旋转轴(8)底部设置有弹簧套(14)，所述的弹簧(13)和加载定位柱(15)设置于弹簧套(14)内部，所述的弹簧套(14)底部两端通过扭矩杆(17)和平衡弹簧(16)同上旋转盘(19)连接在一起，所述的上旋转盘(19)底部设置有用于夹紧上试样(21)的上试样夹具(20)。
4.根据权利要求1所述的高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置，其特征在于：
所述下旋转单元中的下旋转轴(23)通过下轴承(25)设置于下轴承座(24)上，所述的下轴承座(24)上固定于基座(34)上，所述的上试样(21)固定于下旋转轴(23)顶部。
5.根据权利要求3所述的高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置，其特征在于：
所述上动力单元中的上带轮(30)同上旋转轴(8)传动连接，所述的上带轮(30)通过上皮带(31)同上电机(32)传动连接；
所述的上电机(32)固定在支撑架(33)上。
6.根据权利要求4所述的高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置，其特征在于：
所述下动力单元中的下带轮(26)同下旋转单元中的下旋转轴(23)传动连接，所述的下带轮(26)通过下皮带(27)传动连接有下电机(29)；
所述的下电机(29)固定于下电机架(28)上，所述的下电机架(28)固定于基座(34)上。
7.一种使用上述权利要求1-6任意一项权利要求所述的高差速旋转“面-面”接触磨损试验装置的试验方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、测试前，将上试样(21)安装在上试样夹具(20)内，将下试样(22)固定在下旋转轴(23)上，并且在下试样(22)表面涂抹润滑油；
S2、接通电源，旋转加载螺杆(1)施加压力，使下试样(22)收到向下的压力，并且将压力传递给下试样(22)；
S3、设置上电机(32)和下电机(29)的转速，使上旋转轴(8)和下旋转轴(23)分别带动上试样(21)和下试样(22)相向旋转进行磨损试验。
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