CN107014708B - 一种滚动载流摩擦磨损试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滚动载流摩擦磨损试验机，包括法向加载部件、动轴滚动平台、定轴滚动部件、液体导电部件、无线测温部件、冷却润滑系统和气氛箱。本发明以伺服电机作为动力源，提供法向加载闭环控制，精确控制法向负载；用伺服电机控制旋转轴转动，两转轴转速可分别精确控制；旋转组件全绝缘设计，用液体导电技术给摩擦副加载电流，使加载电流精确可控；配置冷却润滑系统，防止旋转轴温度过高，有效延长试验测试时间；配置气氛箱，可模拟不同的实验环境。采用下位机采集存储全部实时数据，配合同步高速摄像，可精确分析试验过程中的各种数据变化，研究载流摩擦的机理。

Description

一种滚动载流摩擦磨损试验机

技术领域

本发明涉及一种摩擦磨损试验机，尤其涉及一种滚动载流摩擦磨损试验机。

背景技术

滚动接触是载流摩擦副运行的重要形式之一。铁路牵引供电系统担负着为机车及附属设备供电的重要任务，主要由牵引变电所、接触网和回流系统组成，其中回流系统大多采用钢轨回流的方式，机车运行时轮轨处于典型的滚动载流接触状态。在风电机组等采用滚动轴承的大中型高压电机设备中，轴交变磁通和静电荷将导致较高的轴电压，当电机转轴、轴承、定子基座与大地构成了闭合回路时将产生轴电流，使轴承处于载流滚动状态。轴电流放电将导致接触区域发生严重的电蚀，所产生的硬质微粒和高温会导致轴承磨损或润滑失效。

滚动载流摩擦是最近几年才兴起的一个重要的基础研究问题，目前已有这方面的研究报道，但尚未见有专用的研究设备。本专利正是基于这种需求，发明了一种滚动载流摩擦磨损试验机，实现对滚动载流环境的模拟，用于滚动载流摩擦磨损机理的研究。

发明内容

本发明的目的在于提供一种滚动载流摩擦磨损试验机和试验方法，解决现有技术存在的缺憾。

本发明采用如下技术方案实现：

一种滚动载流摩擦磨损试验机，其特征在于，包括法向加载部件、动轴滚动平台、定轴滚动部件、液体导电部件、无线测温部件、冷却润滑系统和气氛箱，其中：

所述法向加载部件用于给摩擦副加载法向力；

所述动轴滚动平台用于传送法向力到第一摩擦副，装配第一摩擦副、带动第一摩擦副旋转并给第一摩擦副加载电流；

所述定轴滚动部件上设置有旋转轴和导电轴，所述旋转轴上装配有第二摩擦副，并带动第二摩擦副旋转，定轴滚动部件与所述液体导电部件相连，用于给第二摩擦副加载电流，所述导电轴与所述液体导电部件相连，用于构成电流加载回路，在定轴滚动部件上设置有动态扭矩传感器，用于测试摩擦力；

所述液体导电部件用于与旋转轴、摩擦副一起构成电流回路，实现电流加载功能；

所述无线测温部件用于测试摩擦过程中摩擦副温度的变化情况；

所述冷却润滑系统用于防止实验过程中旋转轴温度升高；

所述气氛箱内设置有温湿度传感器，用于测试模拟环境的真实温湿度数据。

进一步的，所述法向加载部件具有一个滚珠丝杆，所述滚珠丝杆与一个加载组件相连，所述加载组件能够在法向加载部件伺服电机的带动下沿滑轨前进或后退，实现法向力的加载或卸除。

进一步的，还包括一个缓冲框，所述缓冲框为金属材质的矩形框体，缓冲框的一端与所述加载组件相连，另一端与法向力传感器相连，缓冲框的强度与法向力传感器的量程相匹配，用于防止摩擦过程中的瞬时冲击造成对法向力传感器的损伤。

进一步的，所述定轴滚动部件通过定轴滚动部件底座固定在试验机底座框架上，定轴滚动部件中设置有旋转轴组件，所述旋转轴组件由旋转轴底座、旋转轴、旋转轴护套、轴承和密封件组成，定轴滚动部件内设置有定轴滚动部件伺服电机，所述定轴滚动部件伺服电机通过同步齿形带与旋转轴相连，所述旋转轴的一端安装有环形的第二摩擦副，另一端安装有导电轴，所述导电轴与所述液体导电部件相连接，构成电流加载回路，在定轴滚动部件上设置有动态扭矩传感器，用于测试旋转轴的扭矩值并计算第二摩擦副之间的摩擦力。

进一步的，所述第二摩擦副通过摩擦副锁紧组件锁紧固定在旋转轴上，摩擦副锁紧组件包括紧定推卸套、圆螺母和止退垫，所述旋转轴采用钢质材料，并具有外绝缘涂层，轴承及旋转轴底座均采用绝缘处理，旋转轴护套为空腔结构，与冷却润滑系统相连，其上设有温度传感器，监视润滑油温度。

进一步的，所述液体导电部件由绝缘材质的导电液盒、装配于旋转轴上的导电轴、导电圆盘、导电液和电极组成，液体导电部件与旋转轴、摩擦副一起构成电流回路，实现电流加载功能，其中导电圆盘及电极均采用石墨材料以防止电镀现象发生。

进一步的，所述无线测温部件用于测试摩擦过程中摩擦副温度的变化情况，无线测温部件由温度数据采集模块、数据存储模块、无线数据发送模块三部分构成，无线测温部件采用绝缘连接的方式装配于旋转轴上并与旋转轴同步旋转，实验过程中，无线测温部件将热电偶温度计测得的温度实时数据保存，并最终通过无线传输模块传送到上位机。

进一步的，所述气氛箱为透明材质的箱体，箱体采用密封处理，箱体上配备有进气、出气阀门及喷雾嘴，气氛箱内部填充不同成分的气体，用于模拟真实的摩擦环境，气氛箱内设置有温湿度传感器，用于测试模拟环境的真实温湿度数据。

本发明的有益技术效果是：以伺服电机作为动力源，提供法向加载闭环控制，精确控制法向负载；用伺服电机控制旋转轴转动，两转轴转速可分别精确控制；旋转组件全绝缘设计，用液体导电技术给摩擦副加载电流，使加载电流精确可控；配置冷却润滑系统，防止旋转轴温度过高，有效延长试验测试时间；配置气氛箱，可模拟不同的实验环境。

附图说明

图1是滚动载流摩擦磨损试验机的系统总图。

图2是法向加载部件的结构示意图。

图3是动轴滚动平台的结构示意图。

图4是定轴滚动部件的结构示意图。

图5是外侧面为柱面的摩擦副试样。

图6是外侧面为半球面或弧面的摩擦副试样。

图7是本发明的系统组成图。

具体实施方式

通过下面对实施例的描述，将更加有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限制，任何对部件或技术特征的定义进行改变和/或对整体结构作形式的而非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。

如图1所示，滚动载流摩擦磨损试验机的主体由法向加载部件1、动轴滚动平台2、定轴滚动部件3、气氛箱4、无线测温部件5、液体导电部件6、冷却润滑系统等部件组成。

如图2所示，法向加载部件用于给摩擦副加载法向力，包括：伺服电机1.1、滚珠丝杆副1.2，加载组件1.3、滚动直线导轨副1.4、滚动直线导轨副1.5、缓冲框1.6、法向力传感器1.7。滚珠丝杆分别与伺服电机1.1和加载组件1.3相连接，缓冲框1.6一端与加载组件1.3相连接，一端与法向力传感器1.7相连接，在伺服电机1.1的带动下，加载组件1.3沿双滑轨前进或后退，实现法向力的加载或卸除。缓冲框1.6是一个金属材质的框体，强度与法向力传感器的量程相匹配，可以有效防止摩擦过程中的瞬时冲击造成传感器的损伤。

如图3所示，动轴滚动平台包括：下移动平台2.1、伺服电机2.2、同步齿形带2.3、上移动平台2.4、旋转轴护套2.5、旋转轴2.6、摩擦副锁紧组件2.7、摩擦副2.8、旋转轴底座2.9、滚动直线导轨副2.10、电磁刹车器2.11、导电轴2.12。动轴滚动平台具有上、下移动平台，下移动平台2.1固定在试验机底座框架上，上、下移动平台之间设置高精度双导轨。上移动平台2.4上设有伺服电机2.2及旋转轴组件，旋转轴组件由旋转轴底座2.9、旋转轴2.6、旋转轴护套2.5、轴承及密封件组成。旋转轴2.6采用钢质材料，并具有外绝缘涂层，轴承及旋转轴底座2.9均采用绝缘处理。旋转轴护套2.5为空腔结构，与冷却润滑系统相连，其上设有温度传感器，监视润滑油温度。伺服电机2.2与旋转轴2.6通过同步齿形带连接，由伺服电机可带动旋转轴旋转。旋转轴2.6上设置有电磁刹车器2.11，通过控制系统可禁止旋转轴2.6转动。旋转轴2.6上可装置环形摩擦副，由旋转轴2.6带动旋转实现摩擦试验。摩擦副锁紧组件2.7由紧定推卸套、圆螺母、止退垫等组成，用于锁紧固定摩擦副。导电轴2.12与液体导电部件相连接，构成电流加载回路。上移动平台2.4一端与法向加载部件的法向力传感器相连接，受法向加载机构的控制，实现法向负载的加载与卸除。

如图4所示，定轴滚动部件包括：摩擦副3.1、旋转轴护套3.2、旋转轴3.3、摩擦副锁紧组件3.4、定轴滚动部件底座3.5、旋转轴底座3.6、伺服电机3.7、扭矩传感器3.8、同步齿形带3.9、导电轴3.10。定轴滚动部件实现如下几种功能：1、旋转轴3.3上装配摩擦副，带动摩擦副旋转；2、与液体导电部件相连接，给摩擦副加载电流；3、定轴滚动部件上设置有动态扭矩传感器3.8，用于测试摩擦扭矩。旋转轴组件由旋转轴底座3.6、旋转轴3.3、旋转轴护套3.2、轴承及密封件组成，通过定轴滚动部件底座3.5固定在试验机底座框架上。旋转轴3.3采用钢质材料，并具有外绝缘涂层，轴承及旋转轴底座均采用绝缘处理。旋转轴护套3.2为空腔结构，与冷却润滑系统相连，其上设有温度传感器，用于监视润滑油温度。伺服电机3.7与动态扭矩传感器3.8相连接，并通过同步齿形带3.9与旋转轴3.3连接，由伺服电机3.7可带动旋转轴3.3旋转。旋转轴3.3上可装置环形摩擦副，由旋转轴3.3带动旋转实现摩擦试验，并利用动态扭矩传感器3.8测试旋转轴3.3的扭矩值，计算摩擦副之间的摩擦力。导电轴3.10与液体导电部件相连接，构成电流加载回路，摩擦副锁紧组件3.4由紧定推卸套、圆螺母、止退垫等组成，用于锁紧固定摩擦副。

气氛箱为透明材质的箱体，箱体周围采用密封处理，箱体上配备有进气、出气阀门及喷雾嘴，其内可充填不同湿度、不同成分的气体，用于模拟真实的摩擦环境。气氛箱内设置有温湿度传感器，用于测试模拟环境的真实温湿度数据。

无线测温模块由热电偶温度计、温度采集模块、温度数据存储模块、无线发射模块及外壳等组成，用于测试摩擦过程中摩擦副温度的变化情况。模块采用绝缘连接方式装配于旋转轴上，与旋转轴同步旋转。实验过程中，模块将热电偶温度计测得的温度实时数据保存，并最终通过无线传输模块传送到上位机。

液体导电部件由一对绝缘材质的导电液盒、装配于旋转轴上的导电轴、导电圆盘、导电液及电极组成，与旋转轴、摩擦副一起构成电流回路，实现电流加载功能。为防止电镀现象发生，导电圆盘及电极均采用石墨材料。系统采用恒压源给摩擦副加载电流。

为防止实验过程中旋转轴温度升高，系统配备了冷却润滑系统，并利用上位机实时监控润滑油温度。系统采用下位机存储设计，保存所有的试验实时数据，并传送给上位机供显示、分析，系统利用上位机软件实现实验过程的控制、数据采集、保存及数据分析。

本发明可测试通电情况下机械零部件的电蚀摩擦性能，设备具有如下的技术特性：1、本发明采用伺服电机作为法向负载动力源，配合法向力传感器实现闭环反馈控制，可精确调控法向负载；2、本发明采用伺服电机控制旋转轴旋转，可精确控制摩擦副转速。并在动轴滚动平台上配置电磁刹车器，可以实现纯滑动摩擦、对滚摩擦及滚滑摩擦多种摩擦实验方式；3、本发明摩擦副为环状结构，通过柱环试样（圆柱环，外侧面为柱面）与球环试样（圆柱环，外侧面为球面）的组合，可以实现柱面与柱面、球面与球面、球面与柱面等三种摩擦副接触方式；4、本发明采用液体导电方式给摩擦副加载电流，避免了传统的电刷供电方式引起的电流损失与突变，并采用石墨导电圆盘与电极，避免了试验过程中电镀现象的发生，使加载电流更精确，并延长了电极及导电圆盘的使用寿命；5、全绝缘设计的旋转轴，避免了实验过程中的电流损失，使试验结果更加真实可信；6、采用无线测温模块测试摩擦副的温度变化过程，解决了旋转式摩擦中试样温度变化测量方法的难题；7、采用下位机存储全部实时试验数据，利于摩擦过程中的细节分析；8、系统配备同步触发信号，试验开始的同时可同步启动高速摄像，可精确分析摩擦电弧发生时摩擦数据的突变状况，如电流、电压、法向力、摩擦系数等。本发明配备气氛箱，可模拟不同环境状况，研究不同环境状况下的滚动载流摩擦机理。

本实验机按照项目方式管理实验过程，利用上位机程序控制实验进程，具体如下：

1、测试回路所需电流值：试验中需要给摩擦副加载电流，电流负荷按照电流密度计算。不同的摩擦副形式及不同的法向负载力，摩擦副间具有不同的接触面积，因而相同的加载电流会有不同的电流密度。

系统用直流恒压源给摩擦副回路加载电流。试验一开始，首先启动法向加载部件，伺服电机1.1带动滚珠丝杆旋转推动法向加载组件沿滑轨向前移动，并最终推动动轴滚动平台向前移动，使摩擦副接触，并通过法向力传感器实时监测摩擦副之间的接触力使其达到实验设定值后，伺服电机1.1停止旋转，人工手动调整恒压源，使恒压源的电流输出达到试验设定值后，法向加载部件自动后退卸载法向力，并自动关闭恒压源。

2、试验过程；

系统按照试验设定，伺服电机2.2、伺服电机3.7启动，带动装置于旋转轴上的摩擦副旋转到设定转速后，伺服电机1.1启动，推动动轴滚动平台向前移动，给摩擦副加载法向力，法向力传感器实时监测摩擦副之间的接触力数据，当接触力达到试验设定的法向力值时：

1）系统自动开启恒压源，给摩擦副加载设定的电流；

2）系统自动开启实时数据采集系统，同步采集并存储法向力、扭矩、回路；

3）启动数据采集的同时，系统发出视频同步触发信号，启动外接的高速摄像机，同步拍摄摩擦副的摩擦过程。视频数据与实时数据相结合，可以方便分析摩擦过程中电弧激发时的各种实时数据，研究电蚀摩擦的机理。

3、试验结束：试验持续进行到系统设定的时间后，系统停止数据采集、切断回路电流、卸除法向力并停止旋转轴旋转，结束实验过程。

关于摩擦副：本发明采用环形摩擦副，两个摩擦副可以采用球环或柱环形式。柱环试样是一个空心圆柱环，试样的外侧面是柱面（图5），球环试样是一个空心柱环，试样的外侧面是半球面或弧面（图6）；

通过两个形式试样的组合，本发明可以模拟柱面-柱面，柱面-球面，球面-球面三种摩擦副接触形式。

关于摩擦形式：利用上位机软件可以设置两个旋转轴的转速，配合电磁刹车器，系统可实现以下三种摩擦形式：

对滚：两个摩擦副旋转的线速度相同；

滚滑：两个摩擦副的旋转线速度不相同；

纯滑动：一个摩擦副的转速为零。

关于摩擦副载流：由动轴滚动平台旋转轴、定轴滚动部件旋转轴、摩擦副、与两旋转轴连接的导电轴、导电圆盘、电极、导电液一起组成电流加载回路，给摩擦副施加电流。

系统采用36V安全电压，直流、交流两种供电方式可选。

关于摩擦副的温度测试：实验时，在摩擦副上嵌入热电偶温度传感器，温度传感器与无线测温模块相连，实验过程中，无线测温模块实时采集并存储摩擦副的温度变化数据。

关于冷却润滑：为了保证长时间的摩擦测试试验，系统配置了冷却润滑机构。低压油泵、动轴滚动平台旋转轴护套、定轴滚动部件旋转轴护套及输油管道组成冷却润滑油管道给旋转轴降温，上位机实时监测旋转轴温度，若温度超限自动报警。

关于环境模拟：系统配备气氛箱，摩擦实验在气氛箱中进行，气氛箱上设置有进气口、出气口及水雾接口，可以模拟不同气氛、不同湿度、不同气压等环境，完成不同的试验测试过程。

当然，本发明还可以有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可以根据本发明做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种滚动载流摩擦磨损试验机，其特征在于，包括法向加载部件、动轴滚动平台、定轴滚动部件、液体导电部件、无线测温部件、冷却润滑系统和气氛箱，其中：

所述法向加载部件用于给摩擦副加载法向力；

所述动轴滚动平台用于传送法向力到第一摩擦副，装配第一摩擦副、带动第一摩擦副旋转并给第一摩擦副加载电流；

所述定轴滚动部件上设置有旋转轴和导电轴，所述旋转轴上装配有第二摩擦副，并带动第二摩擦副旋转，定轴滚动部件与所述液体导电部件相连，用于给第二摩擦副加载电流，所述导电轴与所述液体导电部件相连，用于构成电流加载回路，在定轴滚动部件上设置有动态扭矩传感器，用于测试摩擦力；

所述液体导电部件用于与旋转轴、摩擦副一起构成电流回路，实现电流加载功能；

所述无线测温部件用于测试摩擦过程中摩擦副温度的变化情况；

所述冷却润滑系统用于防止实验过程中旋转轴温度升高；

所述气氛箱内设置有温湿度传感器，用于测试模拟环境的真实温湿度数据。

2.根据权利要求1所述的滚动载流摩擦磨损试验机，其特征在于，所述法向加载部件具有一个滚珠丝杆，所述滚珠丝杆与一个加载组件相连，所述加载组件能够在法向加载部件伺服电机的带动下沿滑轨前进或后退，实现法向力的加载或卸除。

3.根据权利要求2所述的滚动载流摩擦磨损试验机，其特征在于，还包括一个缓冲框，所述缓冲框为金属材质的矩形框体，缓冲框的一端与所述加载组件相连，另一端与法向力传感器相连，缓冲框的强度与法向力传感器的量程相匹配，用于防止摩擦过程中的瞬时冲击造成对法向力传感器的损伤。

4.根据权利要求1所述的滚动载流摩擦磨损试验机，其特征在于，所述定轴滚动部件通过定轴滚动部件底座固定在试验机底座框架上，定轴滚动部件中设置有旋转轴组件，所述旋转轴组件由旋转轴底座、旋转轴、旋转轴护套、轴承和密封件组成，定轴滚动部件内设置有定轴滚动部件伺服电机，所述定轴滚动部件伺服电机通过同步齿形带与旋转轴相连，所述旋转轴的一端安装有环形的第二摩擦副，另一端安装有导电轴，所述导电轴与所述液体导电部件相连接，构成电流加载回路，在定轴滚动部件上设置有动态扭矩传感器，用于测试旋转轴的扭矩值并计算第二摩擦副之间的摩擦力。

5.根据权利要求4所述的滚动载流摩擦磨损试验机，其特征在于，所述第二摩擦副通过摩擦副锁紧组件锁紧固定在旋转轴上，摩擦副锁紧组件包括紧定推卸套、圆螺母和止退垫，所述旋转轴采用钢质材料，并具有外绝缘涂层，轴承及旋转轴底座均采用绝缘处理，旋转轴护套为空腔结构，与冷却润滑系统相连，其上设有温度传感器，监视润滑油温度。

6.根据权利要求1所述的滚动载流摩擦磨损试验机，其特征在于，所述液体导电部件由绝缘材质的导电液盒、装配于旋转轴上的导电轴、导电圆盘、导电液和电极组成，液体导电部件与旋转轴、摩擦副一起构成电流回路，实现电流加载功能，其中导电圆盘及电极均采用石墨材料以防止电镀现象发生。

7.根据权利要求1所述的滚动载流摩擦磨损试验机，其特征在于，所述无线测温部件用于测试摩擦过程中摩擦副温度的变化情况，无线测温部件由温度数据采集模块、数据存储模块、无线数据发送模块三部分构成，无线测温部件采用绝缘连接的方式装配于旋转轴上并与旋转轴同步旋转，实验过程中，无线测温部件将热电偶温度计测得的温度实时数据保存，并最终通过无线传输模块传送到上位机。

8.根据权利要求1所述的滚动载流摩擦磨损试验机，其特征在于，所述气氛箱为透明材质的箱体，箱体采用密封处理，箱体上配备有进气、出气阀门及喷雾嘴，气氛箱内部填充不同成分的气体，用于模拟真实的摩擦环境，气氛箱内设置有温湿度传感器，用于测试模拟环境的真实温湿度数据。

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