CN106556547B - 一种全海深模拟摩擦磨损试验台及试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全海深摩擦磨损试验台及试验系统，以海水为工作介质，用高压水泵压缩介质，在压力釜内模拟深海环境，并进行海洋摩擦学试验。该系统主要包括动力源、采集控制单元和摩擦磨损试验台。动力源由加载缸动力源和压力釜动力源两部分组成，分别用于驱动环形加载缸为试件提供法向加载力、压缩介质模拟深海环境；采集控制单元用于设定摩擦磨损试验运行时间、转速、加载力等参数，材料试验力、摩擦力矩、温度和噪声数据；摩擦试验台用于进行不同海深环境下的摩擦磨损试验和动态腐蚀试验。本发明最大模拟海深12000米，法向加载力3000N，能同时进行摩擦磨损和动态腐蚀试验、温度采集、噪声采集，模拟范围广、功能完善、性能可靠。

Description

一种全海深模拟摩擦磨损试验台及试验系统

技术领域

本发明属于摩擦磨损试验系统设计领域，涉及一种利用压力釜模拟极端海洋环境、进行摩擦副试验的摩擦磨损试验系统，更具体地,涉及一种全海深模拟摩擦磨损试验台及试验系统。

背景技术

占地球表面积70％以上的海洋蕴涵着丰富的资源。海洋资源的开发是具有战略意义的新兴领域，有着巨大的发展潜力，因而各海洋国家争相对海洋进行勘探和开发。

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。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系统。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。由近浅海向深远海的转移，不仅具有重要的战略意义更具有海洋经济利益，因为75％水域是海深大于3000米的深海。2016年我国启动还启动全海深相关装备的研制。

海洋装备，尤其是深海装备是海洋技术发展的基础，而深海材料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，如海水液压浮力调节、纵倾、作业、推进等系统的部分元件。

然后，现有摩擦学理论尚未延伸至深海领域，人们缺乏对材料，特别是新型的高分子及陶瓷材料在深海水环境中的摩擦、磨损及腐蚀特性，表面失效机理的系统认识。通过摩擦学的基础研究，建立深海摩擦副的设计总则，有利于提高深海装备的寿命及可靠性，是目前亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种摩擦磨损试验系统，旨在探索材料在苛刻的深海环境下的摩擦学性能，完成海洋材料筛选，提供海洋装备配对副解决方案，从而保障深海装备效率与可靠性。

为了实现上述目的，本发明提供了一种全海深模拟摩擦磨损试验台，包括：水听器、耐高压温度传感器、工作电极、参比电极、对电极、高压釜、上试件、下试件、旋转加载轴、称重传感器、环形加载缸、转矩转速仪、联轴器、伺服电机；

高压釜内腔为密闭空间，用于容纳海水，侧面开有注水口；水听器、耐高压温度传感器各有一端伸入高压釜内腔，另一端伸出高压釜外；工作电极、参比电极、对电极三者均有一端伸入高压釜内腔，三者另一端均在高压釜外通过导线连接；上试件安装在高压釜内腔上部，工作电极伸入高压釜内腔的一端与上试件进行封装；旋转加载轴上端伸入高压釜内腔，下端通过联轴器连接伺服电机；下试件安装在旋转加载轴上端，下试件上端面在旋转加载轴加载时与上试件下端面接触；

旋转加载轴位于高压釜外部的部分从上至下依次安装有推力球轴承、环形加载缸、转矩转速仪，旋转加载轴位于高压釜外部的部分设有凸台，推力球轴承固定在凸台下端面上；称重传感器固定在推力球轴承下端面和环形加载缸上端面之间。

进一步地，环形加载缸包括活塞杆和加载缸缸体；活塞杆包括第一基座、活塞环，第一基座向下延伸出活塞环，第一基座沿轴向开设有贯通的第一轴孔，第一轴孔与活塞环同轴；加载缸缸体包括第二基座、内环、外环；第二基座向上延伸出内环和外环，活塞环安装于内环和外环之间并密封，活塞环、内环、外环同轴；内环与第二基座沿轴向开设有贯通的且与第一轴孔同轴的第二轴孔；外环开设有连通外界与活塞环、第二基座、内环、外环围成的空间的入口。

为了实现上述目的，本发明还提供了一种全海深模拟摩擦磨损试验系统，包括上述全海深模拟摩擦磨损试验台，还包括采集控制单元和动力源；

采集控制单元包括采集控制模块、数显模块、电化学工作站、温度数显仪、前端部驱动、力显示仪、功率扭矩仪、驱动器；采集控制模块的输出端口连接数显模块和驱动器的输入端口；采集控制模块的输入端口连接温度数显仪、前端部驱动、力显示仪、功率扭矩仪的输出端口；

电化学工作站的输入端口连接工作电极、参比电极、对电极；温度数显仪的输入端口连接耐高压温度传感器；前端部驱动的输入端口连接水听器；力显示仪的输入端口连接称重传感器；功率扭矩仪的输入端口连接转矩转速仪；驱动器的输出端口连接伺服电机；

动力源包括高压釜动力源和加载缸动力源；高压釜动力源连接高压釜的注水口，用于向高压釜内注入海水并对海水施压；加载缸动力源连接环形加载缸的入口，用于向环形加载缸提供液压介质。

进一步地，压力釜动力源包括第一压力表、第一安全阀、超高压海水泵、第一电机和第一入口过滤器；加载缸动力源包括第二压力表、水压泵、第二入口过滤器、第二电机、第二安全阀、溢流阀；

第二入口过滤器、第二安全阀、溢流阀、第一安全阀、和第一入口过滤器依次连接到主管路上；第二入口过滤器另一端依次连接水压泵和注水口，第二入口过滤器和水压泵串联之后，与第二安全阀、溢流阀均并联，第二压力表设于水压泵和第二安全阀的连接点上，第二电机连接水压泵以提供动力；第一入口过滤器另一端连接超高压海水泵，高压海水泵通过注水管连接注水口，第一压力表安装在注水管上，第一安全阀另一端连接在第一压力表和高压海水泵之间的注水管上，第一电机连接高压海水泵以提供动力。

本发明的技术效果有：

1.该系统以压力海水作为工作介质，且高压釜内介质压力可以连续调节，较之传统摩擦试验系统，能更加真实的模拟摩擦副工作的特殊海洋环境(海水是具有一定润滑能力的腐蚀介质，其压力随着海深加大，连续线性增加)。

2.该系统将水听器内置于高压釜内，较之外置式噪声检测仪，有效隔离了电动机、海水泵及控制阀组产生的机械噪声和液压噪声，能够更加真实反应摩擦副工作时的实际振动、噪声情况。

3.该系统采用同侧、同轴式加载结构，旋转加载轴在提供旋转运动的同时，能够轴向移动提供法向加载力，较之传统摩擦试验系统的异侧、异轴式加载，可以有效简化密封结构，减少密封数量，有利于实现试验力、加载力在高压釜体内外的精确传递；采用同轴式加载结构，电极密封简单，尤其是工作电极封装简易高效，有利于获得准确的工作面积，便于实现压力环境下的电化学测量。

4.该系统具备压力环境下，尤其是超高压环境下的电化学测量、电化学保护功能，较之传统摩擦磨损试验系统，能够同步进行摩擦磨损和动态腐蚀测量，从而评估磨损和腐蚀在材料失效中所占的比重，进而探索材料在海洋环境下磨损和腐蚀之间的交互作用规律及失效特征。

5.本发明能够用于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，从而完成海洋材料筛选、找到改善材料摩擦学性能的方法，进而保障海洋装备安全可靠运行的目的，填补深海摩擦学领域空白，推进海洋技术向深海发展，具有重要的现实意义。

附图说明

图1是全海深模拟摩擦磨损试验系统原理图；

图2是环形加载缸结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

采集控制模块1、数显模块2、电化学工作站3、温度数显仪4、前端部驱动5、力显示仪6、功率扭矩仪7、驱动器8、水听器9、耐高压温度传感器10、工作电极11、参比电极12、对电极13、高压釜14、上试件15、下试件16、旋转加载轴17、称重传感器18、环形加载缸19、转矩转速仪20、联轴器21、伺服电机22、第二压力表23、水压泵24、第二入口过滤器25、第二电机26、第二安全阀27、溢流阀28、第一压力表29、第一安全阀30、超高压海水泵31、第一电机32和第一入口过滤器33。

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。

如图1、2所示，实施例中摩擦磨损试验系统包括动力源、采集控制单元和摩擦磨损试验台。全海深模拟摩擦磨损试验台包括：水听器9、耐高压温度传感器10、工作电极11、参比电极12、对电极13、高压釜14、上试件15、下试件16、旋转加载轴17、称重传感器18、环形加载缸19、转矩转速仪20、联轴器21、伺服电机22。

高压釜14内腔为密闭空间，用于容纳海水，侧面开有注水口；水听器9、耐高压温度传感器10各有一端伸入高压釜内腔，另一端伸出高压釜外；工作电极11、参比电极12、对电极13三者均有一端伸入高压釜内腔，三者另一端均在高压釜14外通过导线连接；上试件15安装在高压釜14内腔上部，工作电极11伸入高压釜14内腔的一端与上试件15进行封装；旋转加载轴17上端伸入高压釜14内腔，下端通过联轴器21连接伺服电机22；下试件16安装在旋转加载轴17上端，下试件16上端面在旋转加载轴17加载时与上试件15下端面接触。

旋转加载轴17位于高压釜14外部的部分从上至下依次安装有推力球轴承、环形加载缸19、转矩转速仪20，旋转加载轴17位于高压釜14外部的部分设有凸台，推力球轴承固定在凸台下端面上；称重传感器18固定在推力球轴承下端面和环形加载缸19上端面之间。

环形加载缸19包括活塞杆19.1和加载缸缸体19.2；活塞杆19.1包括第一基座19.1.1、活塞环19.1.2，第一基座19.1.1向下延伸出活塞环19.1.2，第一基座19.1.1沿轴向开设有贯通的第一轴孔19.1.3，第一轴孔19.1.3与活塞环19.1.2同轴；加载缸缸体19.2包括第二基座19.2.1、内环19.2.2、外环19.2.3；第二基座19.2.1向上延伸出内环19.2.2和外环19.2.3，活塞环19.1.2安装于内环19.2.2和外环19.2.3之间并密封，活塞环19.1.2、内环19.2.2、外环19.2.3同轴；内环19.2.2与第二基座19.2.1沿轴向开设有贯通的且与第一轴孔19.1.3同轴的第二轴孔19.2.4；外环19.2.3开设有连通外界与活塞环19.1.2、第二基座19.2.1、内环19.2.2、外环19.2.3围成的空间的入口。

采集控制单元包括采集控制模块1、数显模块2、电化学工作站3、温度数显仪4、前端部驱动5、力显示仪6、功率扭矩仪7、驱动器8；采集控制模块1的输出端口连接数显模块和驱动器的输入端口；采集控制模块1的输入端口连接温度数显仪4、前端部驱动5、力显示仪6、功率扭矩仪7的输出端口；电化学工作站3的输入端口连接工作电极11、参比电极12、对电极13；温度数显仪4的输入端口连接耐高压温度传感器10；前端部驱动5的输入端口连接水听器9；力显示仪6的输入端口连接称重传感器18；功率扭矩仪7的输入端口连接转矩转速仪20；驱动器8的输出端口连接伺服电机22。

动力源包括高压釜动力源和加载缸动力源；高压釜动力源连接高压釜14的注水口，用于向高压釜14内注入海水并对海水施压；加载缸动力源连接环形加载缸19的入口，用于向环形加载缸19提供液压介质。

压力釜动力源包括第一压力表29、第一安全阀30、超高压海水泵31、第一电机32和第一入口过滤器33；加载缸动力源包括第二压力表23、水压泵24、第二入口过滤器25、第二电机26、第二安全阀27、溢流阀28。

第二入口过滤器25、第二安全阀27、溢流阀28、第一安全阀30、和第一入口过滤器33依次连接到主管路上；第二入口过滤器25另一端依次连接水压泵24和注水口，第二入口过滤器25和水压泵24串联之后，与第二安全阀27、溢流阀28均并联，第二压力表23设于水压泵24和第二安全阀27的连接点上，第二电机26连接水压泵24以提供动力；第一入口过滤器33另一端连接超高压海水泵31，高压海水泵31通过注水管连接注水口，第一压力表29安装在注水管上，第一安全阀30另一端连接在第一压力表29和高压海水泵31之间的注水管上，第一电机32连接高压海水泵31以提供动力。

压力釜动力源用于对高压釜14注海水以及提供压力，从而模拟大深度高压力的苛刻海洋环境。压力釜动力源最大可提供120MPa的输出压力，因此该系统可模拟任意深度(海深范围0-12000m)的海洋环境；加载缸动力源用于对特制的环形加载缸19注水，为摩擦试验试件15，16提供法向加载力。

为适应中空的活塞杆19.1结构，与之对应的活塞及缸体部分均采用环形结构，功能上相当于两个液压缸并联。环形活塞杆19.1的活塞环19.1.2内圆柱面充当一个液压缸的缸体内壁，外圆柱面充当另一个液压缸的活塞外壁。同样，与之对应缸体19.2既起活塞作用(内环19.2.2)，又起到缸体作用(外环19.2.3)。该结构较之两个液压缸并联，不需考虑两缸同步问题，同时便于称重传感器18的安装。在其他实施例中，液压介质可以是海水。

采集控制单元主要用于设定摩擦磨损试验运行时间、转速、加载力等参数，采集试验力、摩擦扭矩、温度、噪声等数据。模拟海深和试验力可根据实际需要调节，本实施例最大模拟海深12000m(即高压釜14最大工作压力120MPa)，最大试验力3000N。采集控制单元包括采集控制模块1、数显模块2、电化学工作站3、XMTZ温度数显仪4、PULSE前端部驱动5、CHB力显示仪6、CYT功率扭矩仪、KRS驱动器。摩擦试验台用于模拟不同深度海洋环境，完成材料摩擦磨损试验和动态腐蚀试验，其中高压釜14和加载缸19固定在试验台支架上。

本实施例以12000m海深、法向负载2000N为例，具体说明该系统如何进行深海环境下的材料摩擦学试验。

当需要模拟深海环境时，启动第一电机32，驱动高压水泵31对高压釜14注水，连续调节溢流阀30，直至压力表示数达到120MPa，此时高压釜内海水压力为120MPa，即实现12000m海深环境的模拟。通过调节溢流阀30的弹簧压缩量，改变高压釜内海水压力，即可实现不同海深环境的模拟。当需要对上、下试件提供法向加载力时，启动伺服电机22，通过弹性联轴器21、转矩转速仪20及旋转加载轴17，带动下试件旋转。上试件固定在高压釜内腔上部。启动电机27，通过泵24向环形加载缸19注入液压介质，驱动活塞杆伸出实现轴向加载。通过推力球轴承18实现加载力在旋转轴17上的轴向传递。其中溢流阀27起安全阀作用，用于限制加载缸内最高压力；溢流阀28起调节作用，用于控制法向加载力的大小。

参比电极12、对电极13为全固态电极，耐压强度高，性能稳定，将其封装在高压釜内，可同步进行材料的动态腐蚀试验和摩擦磨损试验。在进行摩擦磨损试验的同时启动电化学工作站3，即可测量动电位扫描曲线、开路电位、腐蚀电流，以及为试件提供电化学保护的功能。因此，该系统能有效评估腐蚀和纯磨损在材料失效中的所占的比重。

结束试验时，只需调节溢流阀28和30，即可实现系统卸压、卸载。

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 (3)

1.一种全海深模拟摩擦磨损试验台，其特征在于，包括：水听器、耐高压温度传感器、工作电极、参比电极、对电极、高压釜、上试件、下试件、旋转加载轴、称重传感器、环形加载缸、转矩转速仪、联轴器、伺服电机；

高压釜内腔为密闭空间，用于容纳海水，侧面开有注水口；

水听器、耐高压温度传感器各有一端伸入高压釜内腔，另一端伸出高压釜外；

工作电极、参比电极、对电极三者均有一端伸入高压釜内腔，三者另一端均在高压釜外通过导线连接；

上试件安装在高压釜内腔上部，工作电极伸入高压釜内腔的一端与上试件进行封装；

旋转加载轴上端伸入高压釜内腔，下端通过联轴器连接伺服电机；

下试件安装在旋转加载轴上端，下试件上端面在旋转加载轴加载时与上试件下端面接触；

旋转加载轴位于高压釜外部的部分从上至下依次安装有推力球轴承、环形加载缸、转矩转速仪，旋转加载轴位于高压釜外部的部分设有凸台，推力球轴承固定在凸台下端面上；

称重传感器固定在推力球轴承下端面和环形加载缸上端面之间；

环形加载缸包括活塞杆和加载缸缸体；

活塞杆包括第一基座、活塞环，第一基座向下延伸出活塞环，第一基座沿轴向开设有贯通的第一轴孔，第一轴孔与活塞环同轴；

加载缸缸体包括第二基座、内环、外环；第二基座向上延伸出内环和外环，活塞环安装于内环和外环之间并密封，活塞环、内环、外环同轴；内环与第二基座沿轴向开设有贯通的且与第一轴孔同轴的第二轴孔；外环开设有连通外界与活塞环、第二基座、内环、外环围成的空间的入口。

2.一种全海深模拟摩擦磨损试验系统，包括权利要求1所述的全海深模拟摩擦磨损试验台，其特征在于，还包括采集控制单元和动力源；

采集控制单元包括采集控制模块、数显模块、电化学工作站、温度数显仪、前端部驱动、力显示仪、功率扭矩仪、驱动器；

采集控制模块的输出端口连接数显模块和驱动器的输入端口；采集控制模块的输入端口连接温度数显仪、前端部驱动、力显示仪、功率扭矩仪的输出端口；

电化学工作站的输入端口连接工作电极、参比电极、对电极；温度数显仪的输入端口连接耐高压温度传感器；前端部驱动的输入端口连接水听器；力显示仪的输入端口连接称重传感器；功率扭矩仪的输入端口连接转矩转速仪；驱动器的输出端口连接伺服电机；

动力源包括高压釜动力源和加载缸动力源；高压釜动力源连接高压釜的注水口，用于向高压釜内注入海水并对海水施压；加载缸动力源连接环形加载缸的入口，用于向环形加载缸提供液压介质。

3.如权利要求2所述的一种全海深模拟摩擦磨损试验系统，其特征在于，压力釜动力源包括第一压力表、第一安全阀、超高压海水泵、第一电机和第一入口过滤器；加载缸动力源包括第二压力表、水压泵、第二入口过滤器、第二电机、第二安全阀、溢流阀；

第二入口过滤器、第二安全阀、溢流阀、第一安全阀、和第一入口过滤器依次连接到主管路上；第二入口过滤器另一端依次连接水压泵和注水口，第二入口过滤器和水压泵串联之后，与第二安全阀、溢流阀均并联，第二压力表设于水压泵和第二安全阀的连接点上，第二电机连接水压泵以提供动力；第一入口过滤器另一端连接超高压海水泵，超高压海水泵通过注水管连接注水口，第一压力表安装在注水管上，第一安全阀另一端连接在第一压力表和超高压海水泵之间的注水管上，第一电机连接超高压海水泵以提供动力。