CN107356524A - 一种真空环境下磨损量在线测量的摩擦磨损试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种真空环境下磨损量在线测量的摩擦磨损试验装置，包括有设置于底板上的摩擦系数测量机构和磨损表面轮廓测量机构；还包括有真空罩，且所述真空罩罩接于底板上，使真空罩与底板之间形成真空环境。本发明能够快速评定真空环境下材料摩擦磨损性能，在试验中不仅只需抽真空一次，缩短抽真空时间，避免重复多次抽真空，大大提高试验效率，而且试验过程中摩擦半径灵活可调，同时通过改变电机转速获得范围较宽的线速度，同时成本低，密封性能好，也更便于使用过程中的维护。

Description

一种真空环境下磨损量在线测量的摩擦磨损试验装置
技术领域
本发明属于摩擦磨损测试装置技术领域，涉及一种真空环境下磨损量在线测量的摩擦磨损试验装置。
背景技术
真空环境下没有气体对流，运动副表面产生的大量摩擦热不能及时散出，接触区的温度会迅速升高，使接触区材料的物理和化学性能会发生显著劣化，如：在真空环境下金属接触面更容易发生粘着磨损。随着航空航天技术的发展，产生了许多运行在真空环境下的航天设备，大量航天设备的运动副因摩擦、磨损而导致部件运动精度下降甚至整机失效，造成了大量的损失。
目前，现有的大多数真空摩擦磨损试验装置存在的问题是：在一次抽真空的情况下只能进行摩擦半径恒定的一次摩擦试验，或摩擦半径可调但所测试的材料不能更换。不能在抽一次真空的情况下进行不同材料的测试，不同载荷，不同半径的试验。更重要的是目前的摩擦试验机的磨损表面的形貌测量均需要将试样从测试环境中取出，再通过表面形貌仪测得，试验过程中要多次装卸试样和抽真空，试验效率很低，难以快速评定材料的耐磨性。
发明内容
本发明的目的是提供一种真空环境下磨损量在线测量的摩擦磨损试验装置，该装置可以在抽一次真空的情况下进行试样的更换、载荷和摩擦半径的调节。
本发明所采用的技术方案是，一种真空环境下磨损量在线测量的摩擦磨损试验装置，包括有设置于底板上的摩擦系数测量机构和磨损表面轮廓测量机构；还包括有真空罩，且所述真空罩罩接于底板上，使真空罩与底板之间形成真空环境。
本发明的特点还在于，
摩擦系数测量机构包括设置于底板上的支架a，支架a一侧设置有试样砝码盒，且试样砝码盒固接在底板上，支架a顶部设置有三坐标位移台a，三坐标位移台a连接有支座，支座中设置有测力横梁，且测力横梁的两端均伸出所述支座，测力横梁的一端装有配重螺母，测力横梁的另一端设置有摩擦力传感器，测力横梁上设置有摩擦力传感器的一端的上表面上设置有砝码盘，测力横梁上设置有摩擦力传感器的一端下表面连接有配副试样夹具，配副试样夹具正下方设置有支承台，且支承台固定于所述底板上，支承台内部固接有一组轴承座a，一组轴承座a之间连接有传动轴，传动轴的上端连接有水平设置的摩擦盘，传动轴的下端伸出底板并通过磁力耦合器a连接有步进电机a。
测力横梁的上表面上还设置有水平仪。
磨损表面轮廓测量机构包括设置于底板上的支架b，支架b顶部设置有两根平行的导轨，在两根导轨上配置有滑块，滑块通过矩形设置板与三坐标位移台b连接，三坐标位移台b上表面设置有表面形貌仪；两根导轨之间设置有滚珠丝杠，滚珠丝杠的一端通过轴承座b与支架b连接，滚珠丝杠的另一端通过磁力耦合器b与步进电机b连接，且滚珠丝杠还与三坐标位移台b连接。
真空罩的顶部设置有观察窗，真空罩侧面分别设置有电阻真空计、冷阴极真空计、充气阀及真空箱用橡胶手套，真空罩连接有外接抽真空装置。
观察窗至少设置有一个。
外接抽真空装置，包括通过连通管连接在一起的涡轮分子泵和机械泵，所述涡轮分子泵通过抽真空管与真空罩连接，且在连通管和抽真空管上均设置有真空手动直通阀。
本发明的有益效果是，本发明的真空摩擦磨损试验装置在试验中只需抽真空一次，能缩短抽真空时间；通过真空箱用橡胶手套操作实现试样更换、试验载荷的改变以及摩擦半径的调节，避免重复多次抽真空，能明显提高试验效率；通过调节三坐标位移台a改变上配副试样与下试样的相对位置，实现摩擦半径的灵活可调，同时通过改变电机转速获得范围较宽的线速度；本发明的真空摩擦磨损试验装置集成了表面形貌仪，通过调节表面形貌仪下方的三坐标位移台b，可精确调节表面形貌仪探头与下试样磨痕的相对位置，实现试样磨损表面轮廓的在线测量，操作方便简单；本发明的真空摩擦磨损试验装置还通过使用磁力耦合器将真空罩内外动力传输时所必须的动密封转换为静密封，相比动密封而言，静密封泄露更小，成本更低，密封性能更好，同时也更便于使用过程中的维护。
附图说明
图1是本发明一种真空环境下磨损量在线测量的摩擦磨损试验装置的结构示意图；
图2是图1中沿A-A向的截面结构示意图；
图3是图2中沿B-B向的截面结构示意图。
图中，1.摩擦盘，2.配副试样夹具，3.摩擦力传感器，4.砝码盘，5.测力横梁，6.电阻真空计，7.冷阴极真空计，8.充气阀，9.观察窗，10.水平仪，11.限位板，12.真空罩，13.配重螺母，14.支座，15.三坐标位移台a，16.真空箱用橡胶手套，17.支架a，18.试样砝码盒，19.底板，20.支承台，21.磁力耦合器a，22.步进电机a，23.轴承座a，24.支架b，25.真空手动直通阀，26.机械泵，27.涡轮分子泵，28.步进电机b，29.三坐标位移台b，30.表面形貌仪，31.轴承座b，32.滚珠丝杠，33.导轨，34.磁力耦合器b，35.密封圈，36.内六角螺栓，37.内磁极，38.隔离套，39.外磁极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种真空环境下磨损量在线测量的摩擦磨损试验装置，如图1所示，包括有设置于底板19上的摩擦系数测量机构和磨损表面轮廓测量机构；还包括有真空罩12，且该真空罩12罩接于底板19上，能使真空罩12与底板19之间形成真空环境。
摩擦系数测量机构，如图1所示，包括设置于底板19上的支架a17，支架a17的顶部设置有三坐标位移台a15，三坐标位移台a15上连接有支座14，支座14的上表面设置有限位板11，支座14内连接有测力横梁5，且测力横梁5的两端均伸出支座14，测力横梁5的上表面上设置有水平仪10，测力横梁5的一端装有配重螺母13，测力横梁5的另一端设置有摩擦力传感器3，支架a17一侧设置有试样砝码盒18，且试样砝码盒18固接在底板19上，测力横梁5上设置有摩擦力传感器3的一端上表面上设置有砝码盘4，测力横梁5上设置有摩擦力传感器3的一端下表面连接有配副试样夹具2，配副试样夹具2下方设置有支承台20，且该支承台20固定于底板19上，支承台20内部固接有一组轴承座a23，在一组轴承座a23之间连接有传动轴，传动轴的上端连接有水平设置的摩擦盘1，传动轴的下端伸出底板19并通过磁力耦合器a21连接有步进电机a22连接。
磨损表面轮廓测量机构，如图2所示，包括设置于底板19上的支架b24，支架b24的顶部设置有两根平行的导轨33，在两根导轨33上配置有滑块，该滑块通过矩形设置板与三坐标位移台b29连接，三坐标位移台b29的上表面设置有表面形貌仪30；两根导轨33之间设置有滚珠丝杠32，滚珠丝杠32的一端通过轴承座b31与支架b24连接，滚珠丝杠32的另一端通过磁力耦合器b34连接有步进电机b28，且滚珠丝杠32还与三坐标位移台b29连接。
真空罩12用于将上述的摩擦系数测量机构和磨损表面轮廓测量部机构均罩于其中；如图1所示，真空罩12的顶部至少设置一个观察窗9，真空罩12的侧面分别设置有电阻真空计6、冷阴极真空计7、充气阀8及真空箱用橡胶手套16，真空罩12连接外接抽真空装置；外接抽真空装置包括通过连通管连接在一起的涡轮分子泵27和机械泵26，涡轮分子泵27通过抽真空管与真空罩12连接，且在连通管和抽真空管上均设置有真空手动直通阀25。
本发明一种真空环境下磨损量在线测量的摩擦磨损试验装置，在使用时具体按照以下方式实施：
首先要做抽真空及摩擦试验的准备工作，具体工作过程如下：
试验开始前用丙酮清洗待测的盘试样和销试样并烘干，然后将盘试样设置在摩擦盘1上，销试样设置在配副试样夹具2中，如图1、图2和图3所示，控制步进电机b28转动，由步进电机b28将动力传递给磁力耦合器b34，在磁力耦合器b34内：动力先传给外磁极39，外磁极39与内磁极37通过磁场耦合，进而带动内磁极37旋转，由于内磁极37与滚珠丝杠32是连接的，从而能带动滚珠丝杠32转动；外磁极39与内磁极37通过隔离套38分隔，隔离套通过内六角螺栓36固定在真空罩12外壁上，隔离套38与真空罩12之间通过密封圈35进行密封。
滚珠丝杠32通过轴承座b31设置在支架b24上，并且支架b24上还设置有用于承载和导向的导轨33，支架b24设置在底板19上，滚珠丝杠32的回珠器通过矩形设置板与三坐标位移台b29连接，三坐标位移台b29上设置有表面形貌仪30；当滚珠丝杠32做旋转运动时，滚珠丝杠32的回珠器带动三坐标位移台b29做直线运动，进而实现表面形貌仪30的往复运动，达到快速粗调表面形貌仪30上探头位置的目的；粗调之后，再通过三坐标位移台b29对表面形貌仪30上探头的位置进行精确调节，使得表面形貌仪30的探头过销试样的回转中心，然后控制步进电机b28使得表面形貌仪30远离摩擦盘1，避免在试验时损伤表面形貌仪30的探头；调节配重螺母13同时观察水平仪10，使得测力横梁5处于平衡位置；通过调节设置在支架a17上的三坐标位移台a15带动支座14移动，因测力横梁5设置在支座14上，所以测力横梁5位置发生改变，测力横梁5位置的变动使得配副试样夹具2与摩擦盘1的相对位置发生变化，从而改变盘试样和销试样的相对位置，达到调节摩擦半径的目的；最后给砝码盘4加载砝码达到试验所要求载荷。将其余试样放置到试样砝码盒18内的一边，其余砝码放置到试样砝码盒18的另一边。
上述准备工作完成后进行抽真空及摩擦试验，具体过程如下：
抽真空时，打开两个真空手动直通阀25，将电阻真空计6和冷阴极真空计7关闭；首先启动机械泵26粗抽真空，待机械泵26运行1～5分钟后系统真空度达到电阻真空计6范围内，此时打开电阻真空计6并观察真空计读数，真空度低于50Pa时启动涡轮分子泵27用于对系统继续抽真空，真空度降低到10Pa以下时关闭电阻真空计6，6～10分钟后打开冷阴极真空计7，观察冷阴极真空计7的读数，达到试验所要求的真空度后关闭两个真空手动直通阀25，并停止抽真空；其中，控制步进电机a22以试验所要求的转速转动，通过磁力耦合器a21、设置在轴承座a23内的传动轴，将动力传输到摩擦盘1，使摩擦盘1以设定的速度转动。轴承座a23连接于支承台20上。在试验过程中，设置在配副试样夹具2上方的摩擦力传感器3通过数据采集卡将实时摩擦力传回到计算机，经后台处理得到实时摩擦系数。整个试验过程中，可以通过观察窗9观察摩擦试验现象。
当达到所设定的测试时间时，步进电机a21会自动停止。操作者通过真空箱用橡胶手套16，将砝码盘4内的砝码缓慢取下放入到试样砝码盒18内；再将测力横梁5连接砝码盘4的一端抬起，则测力横梁5会抬起并远离销试样，测力横梁5的上表面接触到限位板11时会停止运动，防止砝码盘4碰触到真空罩12，避免损坏真空罩12和摩擦力传感器3。
启动步进电机b28，步进电机b28的动力通过磁力耦合器b34传递到滚珠丝杠32，滚珠丝杠32旋转带动回珠器沿导轨33移动，进而带动表面形貌仪30的探头移动，表面形貌仪30的探头移动到磨痕位置附近时关闭步进电机b28。手动调节三坐标位移台b29，对表面形貌仪30的探头位置进行精确调节。磨损表面轮廓测量完成后，控制步进电机b28使探头远离摩擦盘1；之后设置新试样及重新调平衡进行下一组试验，试验完成后打开充气阀8给真空室内充入空气。
通过上述方式，本发明一种真空环境下磨损量在线测量的摩擦磨损试验装置，在试验中不仅只需抽真空一次，缩短抽真空时间，避免重复多次抽真空，大大提高试验效率，而且试验过程中摩擦半径灵活可调，同时通过改变电机转速获得范围较宽的线速度，同时成本低，密封性能好，也更便于使用过程中的维护。

Claims (7)

1.一种真空环境下磨损量在线测量的摩擦磨损试验装置，其特征在于，包括有设置于底板(19)上的摩擦系数测量机构和磨损表面轮廓测量机构；还包括有真空罩(12)，且所述真空罩(12)罩接于底板(19)上，使真空罩(12)与底板(19)之间形成真空环境。
2.根据权利要求1所述的一种真空环境下磨损量在线测量的摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述摩擦系数测量机构包括设置于底板(19)上的支架a(17)，所述支架a(17)一侧设置有试样砝码盒(18)，且所述试样砝码盒(18)固接在底板(19)上，所述支架a(17)顶部设置有三坐标位移台a(15)，所述三坐标位移台a(15)连接有支座(14)，所述支座(14)中设置有测力横梁(5)，且所述测力横梁(5)的两端均伸出所述支座(14)，所述测力横梁(5)的一端装有配重螺母(13)，测力横梁(5)的另一端设置有摩擦力传感器(3)，所述测力横梁(5)上设置有摩擦力传感器(3)的一端上表面上设置有砝码盘(4)，测力横梁(5)上设置有摩擦力传感器(3)的一端下表面连接有配副试样夹具(2)，所述配副试样夹具(2)正下方设置有支承台(20)，且所述支承台(20)固定于所述底板(19)上，所述支承台(20)内部固接有一组轴承座a(23)，在一组轴承座a(23)之间连接有传动轴，所述传动轴的上端连接有水平设置的摩擦盘(1)，所述传动轴的下端伸出底板(19)并通过磁力耦合器a(21)连接有步进电机a(22)。
3.根据权利要求2所述的一种真空环境下磨损量在线测量的摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述测力横梁(5)的上表面上还设置有水平仪(10)。
4.根据权利要求1所述的一种真空环境下磨损量在线测量的摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述磨损表面轮廓测量机构包括设置于底板(19)上的支架b(24)，所述支架b(24)顶部设置有两根平行的导轨(33)，在两根导轨(33)上配置有滑块，所述滑块通过矩形设置板与三坐标位移台b(29)连接，所述三坐标位移台b(29)上表面设置有表面形貌仪(30)；所述两根导轨(33)之间设置有滚珠丝杠(32)，所述滚珠丝杠(32)的一端通过轴承座b(31)与支架b(24)连接，所述的滚珠丝杠(32)的另一端通过磁力耦合器b(34)与步进电机b(28)连接，且所述滚珠丝杠(32)还与三坐标位移台b(29)连接。
5.根据权利要求1所述的一种真空环境下磨损量在线测量的摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述真空罩(12)的顶部设置有观察窗(9)，所述真空罩(12)侧面分别设置有电阻真空计(6)、冷阴极真空计(7)、充气阀(8)及真空箱用橡胶手套(16)，所述真空罩(12)连接有外接抽真空装置。
6.根据权利要求5所述的一种真空环境下磨损量在线测量的摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述观察窗(9)至少设置有一个。
7.根据权利要求5所述的一种真空环境下磨损量在线测量的摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述外接抽真空装置，包括通过连通管连接在一起的涡轮分子泵(27)和机械泵(26)，所述涡轮分子泵(27)通过抽真空管与真空罩(12)连接，且在所述连通管和抽真空管上均设置有真空手动直通阀(25)。
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