CN106546504B - 一种加载力方向自适应调整装置、压力釜及试验平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种加载力方向自适应调整压力釜及其试验平台，主要包括试验台操作柜、摩擦磨损试验台主装置、加载与测量组件。试验台能模拟深海超高压(0‑11000米海深)环境，同步进行动态腐蚀试验与摩擦磨损试验；加载装置采用非接触式组合密封，密封与散热一体化设计，具有精确传递加载力、散热良好的特点；加载组件和测量组件相对独立，有效隔离了附加摩擦力和摩擦力矩对测量数据的干扰，实现加载力在压力釜体内、外精确传递与准确测量；压力釜采用快开式卡箍结构连接，拆装方便、连接可靠；试验台采用定位光轴、支撑套筒与阶梯孔配合实现定位，定位精度高，加工制造成本低、结构紧凑。

Description

一种加载力方向自适应调整装置、压力釜及试验平台

技术领域

本发明属于摩擦磨损试验台设计领域，具体涉及一种加载力方向自适应调整装置、压力釜及试验平台。

背景技术

海洋是高新技术发展的前沿领域，海洋的开发对工程技术有高度的依赖性。从上世纪90年代开始，我国开始重视海洋开发中高技术的发展。1996年将海洋高技术列为《国家高技术研究发展计划》(863计划)的第八个领域；2011年《国家“十二五”科学和技术发展规划》将高端海洋工程装备列为大力培育和发展的战略性新兴产业，发展海洋油气勘探开发、深海运载作业和海洋环境监测关键技术与装备，重点开发高精度勘探系统、深水平台、水下生产系统及辅助作业等重大装备，研制一批载人/非载人深海潜水器作业。通过前沿技术的发展，以形成海上高技术作业能力为目标，强化核心技术开发和装备研制，推进海洋技术由近浅海向深远海的战略转移。

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》进一步指出加强深海、深地、深空、深蓝等领域的战略高技术部署。2016年，科技部公布了“深海关键技术与装备”重点专项的一批重大项目，启动了全海深载人潜水器总体设计。

海洋装备，尤其是深海装备是海洋技术发展的基础，而不同材料的深海摩擦腐蚀特性又是海洋装备研制的基础。目前，深海装备中部分关键元、器件的摩擦副直接在苛刻的海洋环境下工作，如海水泵的柱塞/柱塞套、推进器的水润滑轴承等。蛟龙号潜器这些在使用过程中均发生严重失效。这主要是现有摩擦学理论尚未延伸至深海领域，人们缺乏对不同材料在深海水环境中的摩擦、磨损、腐蚀特性、摩擦与腐蚀相互作用机理的系统认识。

为提高海洋装备的性能，急需进行系统地研究深海摩擦学，而摩擦特性的研究需要大量的试验。而在茫茫大海上做试验是昂贵的、费时的，而且往往很难得出结论。为了消除外海试验的必要性，因而搭建“全海深模拟摩擦试验台”，同步进行摩擦磨损试验和动态腐蚀试验，探索材料在极端海洋环境下的摩擦磨损行为、规律以及服役失效机理，具有迫切的需求。

然而，模拟海洋环境摩擦磨损试验机通常采用高压泵压缩海水，在压力釜内模拟深海高压，试验试件放置在压力釜体内，加载装置、测量组件位于压力釜体外。因此，试验力、加载力需要在压力釜体内、外精确传递与准确测量。然而，现有技术中运动部件在压力釜上的超高压密封为接触密封，接触密封产生的轴向摩擦力及摩擦力矩难以从测量数据中剔除，无法保证加载力始终垂直于试件表面，直接影响试验力、加载力的测量精度。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种能够在模拟海洋环境摩擦磨损试验过程中保证加载力始终垂直于试件表面，从而提高加载力的测量精度的模拟海洋环境摩擦磨损试验平台。

为了实现上述目的，本发明提供了一种加载力方向自适应调整装置，包括：下试件、加载轴、调心球、试件安装座、环氧树脂固化件；试件安装座上表面向上凸起一个圆柱；下试件封装在环氧树脂固化件内，下试件的上表面裸露在环氧树脂固化件上端以与上试件的下表面接触；试件安装座下端向上开设有盲孔，加载轴的上端固定在盲孔内，调心球夹在加载轴的上表面与盲孔的顶面之间，试件安装座能绕着调心球球心转动；加载轴向下伸出压力釜体之外以与电机连接。

进一步地，还包括：轴套、O型圈、J型密封环、锁紧螺母、固定螺钉、聚甲醛圆柱销；

轴套套在加载轴上，O型圈、J型密封环、锁紧螺母从上至下依次套在轴套上；O型圈设于J型密封环上端的环状凹陷内，锁紧螺母上部设有外螺纹，锁紧螺母的上端面顶在J型密封环的下端面上。

进一步地，加载轴采用不锈钢17-4PH作为基体，表面材料为喷涂或熔覆于基体表面的陶瓷或硬质合金，轴套采用氮化硅陶瓷。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种加载力方向自适应调整压力釜，其特征在于，包括：压力釜体、对电极组件、工作电极组件、自适应调整装置、进水口组件、参比电极组件；对电极组件、参比电极组件设于压力釜体内部，且二者的电极均连接至压力釜体外部的测试装置；

压力釜体内部向下设置凸台，工作电极组件安装在凸台下端；工作电极组件包括上试件，上试件封装在工作电极组件内，且上试件的下表面裸露在工作电极组件下端，上试件通过导线连接压力釜外部的测试装置；

自适应调整装置包括下试件、加载轴、调心球、试件安装座、环氧树脂固化件；试件安装座上表面向上凸起一个圆柱；下试件封装在环氧树脂固化件内，下试件的上表面裸露在环氧树脂固化件上端，与上试件的下表面接触；试件安装座下端向上开设有盲孔，加载轴的上端固定在盲孔内，调心球夹在加载轴的上表面与盲孔的顶面之间，试件安装座能绕着调心球球心转动；加载轴向下伸出压力釜体之外以与电机连接。

进一步地，压力釜体下部开设有阶梯孔，加载轴从阶梯孔伸出压力釜体之外，自适应调整装置还包括：轴套、O型圈、J型密封环、锁紧螺母、固定螺钉、聚甲醛圆柱销；

轴套套在加载轴上，O型圈、J型密封环、锁紧螺母从上至下依次套在轴套上；O型圈设于J型密封环上端的环状凹陷内，O型圈上表面顶在阶梯孔的上端面上；阶梯孔下部设有内螺纹，锁紧螺母上部设有与内螺纹配合的外螺纹，锁紧螺母的上端面顶在J型密封环的下端面上。

进一步地，加载轴采用不锈钢17-4PH作为基体，表面材料为喷涂或熔覆于基体表面的陶瓷或硬质合金，轴套采用氮化硅陶瓷。

进一步地，包括：上罐体、下罐体以及压力釜快开装置；

压力釜快开装置包括把手、卡箍；卡箍一端均匀分布多个内啮合齿，另一端为完整的卡箍环，把手安装在卡箍侧面；上、下罐体外缘均匀分布有与卡箍的内啮合齿数量对应的外啮合齿。

为了实现上述目的，本发明还提供了基于权利要求4～7任意一项所述的压力釜的一种加载力方向自适应调整试验台，其特征在于，包括：铝合金支架、压力釜、加载力测量组件、加载组件、摩擦力矩测量组件、电机；

铝合金支架包括压力釜安装板、加载缸安装板、定位套筒、电机安装法兰、四个定位光轴；压力釜安装板、加载缸安装板和电机安装法兰各有四个定位孔，通过定位孔从上至下安装在四个定位光轴上；压力釜安装板、加载缸安装板之间，加载缸安装板和电机安装法兰之间的距离均通过套在四个定位光轴上的定位套筒限制；

压力釜安装于压力釜安装板上，加载组件安装于加载缸安装板上，电机安装于电机安装板上；压力釜的自适应调整装置的加载轴依次穿过压力釜安装板、加载力测量组件、加载组件、加载缸安装板、摩擦力矩测量组件，与电机的输出轴对接。

本发明的技术效果有：

1.该试验台具备模拟0-12000米海深环境的能力，较之传统摩擦磨损试验台，适用范围更加广泛。不仅能够进行常压下的摩擦学试验，也能进行中、低压环境下的摩擦学试验，更能进行高压、超高压环境下的海洋摩擦学试验。

2.该试验台具备在超高压(0-120MPa)环境下，测量材料的腐蚀情况，从而将高压摩擦学试验与常压腐蚀试验的单一独立功能，综合升级为超高压条件下，同步进行材料摩擦磨损和动态腐蚀试验的综合功能。

3.加载装置采用非接触式组合密封，密封与散热一体化设计，具有精确传递加载力、散热良好的特点。海水泄漏流量小于高压泵工作流量，压力釜仍能根据试验需求，建立相应的压力环境。

4.压力釜上、下罐体的连接采用齿啮式快开卡箍设计，并以快开装置内圆柱面加单圆柱销完成定位，较之传统压力釜所采用的法兰螺栓连接结构，具有拆装方便、连接可靠的特点。

5.试验台采用定位光轴、支撑套筒与阶梯孔配合实现定位，具有定位精度高，加工制造成本低、结构紧凑的特点。

6.加载组件和测量组件相对独立，有效隔离了附加摩擦力和摩擦力矩对测量数据的干扰。

附图说明

附图1为摩擦试验台操作组件；

附图2为摩擦磨损试验台主装置；

附图3为压力釜结构图；

附图4为自适应调整装置；

附图5为铝合金支架；

附图6为快开装置；

附图7为卡箍结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

附图1为摩擦试验台操作柜，包括高压压力表1.1、操作台1.2、法兰插座1.3、伺服电机驱动器1.4、力显示仪表1.5、温度显示器1.6、转矩转速功率仪1.7、急停按钮1.8、电化学工作站1.9、时间计时器1.10、开关按钮1.11、溢流阀1.12、数显屏1.13、低压压力表1.14。该操作组件集控制、数据采集、数据处理与显示等多种功能于一体，开关按钮1.11用于控制加载电机、高压泵电机的启停，溢流阀1.12用于调节加载缸液压，控制加载力大小。伺服电机驱动器1.4用于控制主电机转速、转角等参数。高压压力表1.1、低压压力表1.14、力显示仪1.5、温度传感器1.6、等二次仪表分别用于显示压力釜压力、加载缸压力、加载力大小、压力釜内温度。电化学工作站1.9用于采集动电位扫描曲线、开路电位、腐蚀电流等数据。

附图2为摩擦磨损试验台主装置，包括压力釜2.1、铝合金支架2.2、加载力测量组件2.3、加载组件2.4、摩擦力矩测量组件2.5、主驱动组件2.6。压力釜用于模拟深海高压环境，并在模拟环境下进行试件摩擦磨损试验。压力釜上安装有温度传感器、水听器、参考电极、对电极等各类传感器，可以在进行摩擦磨损试验时，同步测量材料的腐蚀情况、压力釜内温度、噪声等参数。加载缸、压力釜等装置存在的接触密封会对运动部件产生附加摩擦力及摩擦力矩，测量组件2.3的主要作用是排除附加摩擦力及摩擦力矩对加载力测量的干扰。加载组件2.4用于提供试验试件所需的法向加载力。

附图3为压力釜结构图，包括压力釜体2.1.1、对电极组件2.1.2、工作电极组件2.1.3、自适应调整装置2.1.4、进水口组件2.1.5、参比电极组件2.1.6。压力釜用于模拟深海高压环境，并在釜体内实现试件摩擦学试验，通过对电极组件2.1.2、工作电极组件2.1.3、参比电极组件2.1.6同步完成动态腐蚀测量。压力釜体2.1.1包括下罐体2.1.1.1和上罐体2.1.1.2。

附图4为自适应调整装置，安装在下罐体2.1.1.1上，用于保证上、下试件充分接触，主要包括O型圈2.1.4.2、J型密封环2.1.4.3、锁紧螺母2.1.4.4、循环水接头2.1.4.5、进水口接头2.1.4.6、轴套2.1.4.7、加载轴2.1.4.8、固定螺钉2.1.4.9、调心球2.1.4.10、聚甲醛圆柱销2.1.4.11、试件安装座2.1.4.12、环氧树脂固化件2.1.4.13、下试件2.1.4.14。加载轴2.1.4.8采用不锈钢17-4PH作为基体，表面材料为喷涂或熔覆于基体表面的陶瓷或硬质合金，与之配对的轴套2.1.4.7采用氮化硅陶瓷制成，这使得该配对副具有良好的摩擦学性能及耐磨性。同时，加载轴具有较高的耐压强度和扭转强度，能传递足够大的轴向力和旋转力矩。当加载轴2.1.4.8高速旋转时，固定安装在旋转轴上的固定螺钉2.1.4.9，带动试件安装座2.1.4.12随之转动，下试件组件通过聚甲醛圆柱销与下试件安装盘连接，即加载轴2.1.4.8通过固定螺钉2.1.4.9、试件安装座2.1.4.12、聚甲醛圆柱销2.1.4.11传递旋转运动，驱动下试件2.1.4.14随加载轴高速转动。当加载轴2.1.4.8轴向移动时，通过调心陶瓷球2.1.4.10、试件安装座2.1.4.12向下试件2.1.4.14传递轴向力。试件安装座2.1.4.12与加载轴2.1.4.8通过调心陶瓷球2.1.4.10连接，试件安装座2.1.4.12能绕着调心球球心在一定范围内转动，允许试件轴线与主轴轴线存在一定角度，从而保证加载力始终通过球心且垂直于试件接触面。

附图5为铝合金支架，包括紧固螺母2.2.1、压力釜安装板2.2.2、加载缸安装板2.2.3、定位套筒2.2.4、电机安装法兰2.2.5、定位光轴2.2.6。单次装夹，加工完成压力釜安装板2.2.2、加载缸安装板2.2.3和电机安装法兰2.2.5上的四个定位孔，定位孔同心精度高。定位光轴与定位孔通过圆柱面配合，限制安装板四个自由度。定位套筒与安装板阶梯止口配合，完成安装板轴向定位。拧紧光轴两端螺母，即可紧固安装板的轴向位置。

附图6为压力釜快开装置6，包括把手6.1、卡箍6.2。卡箍为非对称结构，如图7所示，一端均匀分布6个内啮合齿，一端为完整的卡箍环。上、下罐体外缘均匀分布有6个外啮合齿。当闭合压力釜时，首先将上下罐体的六个外啮合齿对齐，然后将卡箍的啮合齿对齐上、下罐体齿槽并轴向移动，直到完整的卡箍环与上罐体2.1.1.2啮合齿接触，转动卡箍，使其啮合齿与上、下罐体啮合齿重合即可。闭合过程中利用卡箍内圆柱面及上、下罐体上的定位销完成定位。压力釜开启过程与闭合过程相反。这种齿啮式快开卡箍设计，并以快开装置内圆柱面加单销完成定位，较之传统压力釜所采用的法兰螺栓连接结构，具有拆装方便、连接可靠的特点。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种加载力方向自适应调整装置，其特征在于，包括：下试件、加载轴、调心球、试件安装座、环氧树脂固化件；试件安装座上表面向上凸起一个圆柱；下试件封装在环氧树脂固化件内，下试件的上表面裸露在环氧树脂固化件上端以与上试件的下表面接触；环氧树脂固化件固定于试件安装座上端，试件安装座下端向上开设有盲孔，加载轴的上端固定在盲孔内，调心球夹在加载轴的上表面与盲孔的顶面之间，试件安装座能绕着调心球球心转动；加载轴向下伸出压力釜体之外以与电机连接。

2.如权利要求1所述的一种加载力方向自适应调整装置，其特征在于，还包括：轴套、O型圈、J型密封环、锁紧螺母、固定螺钉、聚甲醛圆柱销；

轴套套在加载轴上，O型圈、J型密封环、锁紧螺母从上至下依次套在轴套上；O型圈设于J型密封环上端的环状凹陷内，锁紧螺母上部设有外螺纹，锁紧螺母的上端面顶在J型密封环的下端面上；

环氧树脂固化件和试件安装座通过聚甲醛圆柱销连接，加载轴和试件安装座通过固定螺钉连接。

3.如权利要求1或2所述的一种加载力方向自适应调整装置，其特征在于，加载轴采用不锈钢17-4PH作为基体，表面材料为喷涂或熔覆于基体表面的陶瓷或硬质合金，轴套采用氮化硅陶瓷。

4.一种加载力方向自适应调整压力釜，其特征在于，包括：压力釜体、对电极组件、工作电极组件、自适应调整装置、进水口组件、参比电极组件；对电极组件、参比电极组件设于压力釜体内部，且二者的电极均连接至压力釜体外部的测试装置；

压力釜体内部向下设置凸台，工作电极组件安装在凸台下端；工作电极组件包括上试件，上试件封装在工作电极组件内，且上试件的下表面裸露在工作电极组件下端，上试件通过导线连接压力釜外部的测试装置；

自适应调整装置包括下试件、加载轴、调心球、试件安装座、环氧树脂固化件；试件安装座上表面向上凸起一个圆柱；下试件封装在环氧树脂固化件内，下试件的上表面裸露在环氧树脂固化件上端，与上试件的下表面接触；环氧树脂固化件固定于试件安装座上端，试件安装座下端向上开设有盲孔，加载轴的上端固定在盲孔内，调心球夹在加载轴的上表面与盲孔的顶面之间，试件安装座能绕着调心球球心转动；加载轴向下伸出压力釜体之外以与电机连接。

5.如权利要求4所述的一种加载力方向自适应调整压力釜，其特征在于，压力釜体下部开设有阶梯孔，加载轴从阶梯孔伸出压力釜体之外，自适应调整装置还包括：轴套、O型圈、J型密封环、锁紧螺母、固定螺钉、聚甲醛圆柱销；

轴套套在加载轴上，O型圈、J型密封环、锁紧螺母从上至下依次套在轴套上；O型圈设于J型密封环上端的环状凹陷内，O型圈上表面顶在阶梯孔的上端面上；阶梯孔下部设有内螺纹，锁紧螺母上部设有与内螺纹配合的外螺纹，锁紧螺母的上端面顶在J型密封环的下端面上；

环氧树脂固化件和试件安装座通过聚甲醛圆柱销连接，加载轴和试件安装座通过固定螺钉连接。

6.如权利要求4或5所述的一种加载力方向自适应调整压力釜，其特征在于，加载轴采用不锈钢17-4PH作为基体，表面材料为喷涂或熔覆于基体表面的陶瓷或硬质合金，轴套采用氮化硅陶瓷。

7.如权利要求4所述的一种加载力方向自适应调整压力釜，其特征在于，包括：上罐体、下罐体以及压力釜快开装置；

压力釜快开装置包括把手、卡箍；卡箍一端均匀分布多个内啮合齿，另一端为完整的卡箍环，把手安装在卡箍侧面；上、下罐体外缘均匀分布有与卡箍的内啮合齿数量对应的外啮合齿。

8.基于权利要求4～7任意一项所述的压力釜的一种加载力方向自适应调整试验台，其特征在于，包括：铝合金支架、压力釜、加载力测量组件、加载组件、摩擦力矩测量组件、电机；

铝合金支架包括压力釜安装板、加载缸安装板、定位套筒、电机安装法兰、四个定位光轴；压力釜安装板、加载缸安装板和电机安装法兰各有四个定位孔，通过定位孔从上至下安装在四个定位光轴上；压力釜安装板、加载缸安装板之间，加载缸安装板和电机安装法兰之间的距离均通过套在四个定位光轴上的定位套筒限制；

压力釜安装于压力釜安装板上，加载组件安装于加载缸安装板上，电机安装于电机安装板上；压力釜的自适应调整装置的加载轴依次穿过压力釜安装板、加载力测量组件、加载组件、加载缸安装板、摩擦力矩测量组件，与电机的输出轴对接。