CN107421832A - 一种高温真空摩擦磨损试验机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高温真空摩擦磨损试验机。其包括机架(1)，试验力加载装置，摩擦力测量装置，主轴系统，其特征是：所述机架(1)上设有与抽真空装置(13)连接的真空腔体(12)，所述真空腔体(12)内设置有高温加热炉(19)，所述真空腔体(12)的内壁与高温加热炉(19)的外侧壁之间设有冷却水循环系统(14)，主轴系统的驱动部分位于真空腔体(12)外部，主轴系统的主轴由真空腔体(12)的底部伸入真空腔体(12)内并与高温加热炉(19)内的下试样轴(22)连接，主轴上设有旋转磁流体(20)用于与真空腔体(12)之间的密封，连接上试样的试验力加载杆(10)与主轴同轴设置，所述试验力加载杆(10)连接所述试验力加载装置和所述摩擦力测量装置。

Description

一种高温真空摩擦磨损试验机
技术领域
本发明涉及一种高温真空摩擦磨损试验机，属于试验机技术领域。
背景技术
现有的高温真空摩擦磨损试验机在实际应用过程中存在很多缺陷：由于受高温影响，真空动密封受限，无法实现高真空，从而影响试验结果的准确性；单台试验机只能实现特定窄小范围载荷的试验要求，例如：0-10N小载荷试验机的误差精度要求高，其无法同时实现10-500N大载荷试验机应用要求，同样，10-500N大载荷试验机亦无法同时实现0-10N小载荷试验机的应用要求。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种可满足高温、高真空、0.1N-500N宽范围载荷、多种形式摩擦副等要求的新的高温真空摩擦磨损试验机。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种高温真空摩擦磨损试验机，包括机架，试验力加载装置，摩擦力测量装置，主轴系统，其特征是：所述机架上设有与抽真空装置连接的真空腔体，所述真空腔体内设置有高温加热炉，所述真空腔体的内壁与高温加热炉的外侧壁之间设有冷却水循环系统，主轴系统的驱动部分位于真空腔体外部，主轴系统的主轴由真空腔体的底部伸入真空腔体内并与高温加热炉内的下试样轴连接，主轴上设有旋转磁流体用于与真空腔体之间的密封，连接上试样的试验力加载杆与主轴同轴设置，所述试验力加载杆连接所述试验力加载装置和所述摩擦力测量装置。
本发明中，通过高温加热炉和真空腔体提供相应的试验环境，通过采用旋转磁流体密封可实现高真空密封要求，同时通过在真空腔体内设置冷却水循环系统通过通入循环冷却水可保证真空腔体内的低温环境，保证了磁流体的低温工作环境，保证其高温状况下的高真空动密封性能，同时也保证了真空腔体的高真空静密封的可靠性。
进一步的，所述试验力加载装置为弹簧自动加载机构，其设置在真空腔体外部，其包括竖直设置在真空腔体上部的可转动的丝杠、与所述丝杠配合的丝母座、设置在丝母座上部的施力板、设置在施力板上部的试验力加载弹簧、设置在施力板下部与丝母座之间的自重消除弹簧，所述试验力加载杆向上穿出于真空腔体外部，所述施力板与位于真空腔体外部的试验力加载杆连接，所述摩擦力测量装置设置在位于真空腔体外部的试验力加载杆上，所述试验力加载杆上设有旋转直线磁流体用于与真空腔体之间的密封。弹簧自动加载机构进行试验力加载时，丝杠在驱动机构的驱动下转动，从而带动丝母座向上移动，并带动施力板向上移动，压缩试验力加载弹簧产生弹簧力，并通过施力板施加弹簧力到试验力加载杆，从而对试样施加试验力。本发明通过采用弹簧自动加载机构进行试验力加载，可以实现10N-500N的试验力加载。通过设置自重消除弹簧，有效保证了试验力加载的准确性，保证了加载精度。本发明中将摩擦力测量装置设置在真空腔体外部，置于大气环境中，有效保证了传感器工作的稳定性、可靠性。
为了进一步提高试验力加载杆与真空腔体之间的密封，保证真空腔体内的真空度，所述试验力加载杆上还设置有用于试验力加载杆与真空腔体之间密封的金属波纹管。通过旋转磁流体密封及金属波纹管密封，两者组合，有效保证了试验力加载杆旋转运动及轴向运动工况下的高真空动密封。
进一步的，所述试验力加载杆通过上试样轴与上试样连接，所述上试样轴可拆卸地与试验力加载杆连接。通过采用可拆卸连接方式，可方便地进行加载系统、测量系统的切换。
进一步的，为了方便地进行加载系统、测量系统的切换，所述上试样轴与所述试验力加载杆之间采用锥度定位。
进一步的，为了保证加载机构的动作稳定及可靠性，所述真空腔体上部还设有导向柱，所述丝母座、施力板均滑套在导向柱上。
为了提高测量精度，用于测量试验力的试验力传感器和用于测量摩擦力的摩擦力传感器串联于试验力加载杆上。试验力传感器和摩擦力传感器串联于试验力加载杆上，测量直接，误差小，准确性高。
本发明中的试验力加载装置除了采用上述的弹簧自动加载的方式外，所述试验力加载装置还可以为砝码加载机构，其设置在真空腔体内，其包括设置在试验力加载杆顶端的砝码托盘和设置在砝码托盘内的砝码，所述试验力加载杆上套装有支撑座，摩擦力测量装置安装在真空腔体内并与所述支撑座连接，所述支撑座与试验力加载杆之间设置有隔热垫。砝码加载机构和摩擦力测量装置设置在真空腔体内可减小加载阻力及摩擦测量误差。但由于高温真空环境，为减小金属导热对摩擦力测量装置的影响，通过设置隔热垫来避免金属热传导对摩擦力测量装置造成影响。此外，由于长时间工作，高温加热炉腔体内热量散失到真空腔体，导致真空腔体温度上升，也将直接影响摩擦力测量装置的传感器的工作性能，通过真空腔体内设置的冷却水循环系统，通入低温循环水，可保证真空腔体低温环境，进而保证摩擦力传感器高精度、高准确度、高稳定性的工作性能。
为了保证磁流体在高温工况下的高真空密封性能，所述旋转磁流体内设有循环水通道通过循环水冷却降温。在高温状态下，通过在磁流体内部采用恒低温循环水降温，保持磁流体的低温工作环境，可有效保证其高温工况下的高真空密封性能。
为了达到上述同样的目的，所述旋转直线磁流体内设有循环水通道通过循环水冷却降温。
本发明通过在扭矩传动轴处采用磁流体真空动密封，能够实现高真空密封要求，有效保证了真空腔体内的真空要求；同时，通过在真空腔体内设置冷却水循环系统，利用冷却系统对真空腔体内进行冷却，保证了真空腔体内的低温环境，有利于保证在真空腔体内的传感器等部件的工作可靠性，提高测量精度。本发明能够在高温环境下达到良好的密封效果，实现高真空要求。同时由于试验力加载装置可以进行切换，可以实现、0.1N-500N宽范围载荷的加载要求，既能在0.1-10N的小载荷下达到高精度要求，又能同时实现10N-500N大载荷试验机的应用要求。
附图说明
图1是具体实施方式中采用弹簧自动加载方式的试验机的主视示意图；
图2是图1的右视图；
图3是图1中的弹簧自动加载机构部分的放大示意图；
图4是图1中的A-A示意图；
图5是图2中真空腔体部分的放大示意图；
图6是具体实施方式中采用砝码加载方式的试验机的砝码加载机构部分的结构示意图；
图中，1、机架，2、充气阀，3、真空航空插头，4、真空计，5、弹簧自动加载机构，51、步进电机，52、丝母座，53、丝杠，54、自重消除弹簧，55、施力板，56、试验力加载弹簧，57、导向柱，6、摩擦力测量装置，7、旋转直线磁流体，8、真空压力表，9、排气阀，10、试验力加载杆，11、金属波纹管，12、真空腔体，13、抽真空装置，14、冷却水循环系统，15、冷却水排水口，16、冷却水进水口，17、上试样轴，18、摩擦副系统，19、高温加热炉，20、旋转磁流体，21、主轴系统，22、下试样轴，23、隔热垫，24、砝码托盘，25、砝码，26、支撑座，27、固定座，28、试验力传感器，29、导向杆。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明作进一步的说明：
如附图所示，一种高温真空摩擦磨损试验机，其包括机架1，真空腔体12，试验力加载装置，摩擦力测量装置6，主轴系统21，摩擦副系统18，抽真空装置13。真空腔体12设置在机架1上并与抽真空装置13连接，抽真空装置13设置机架1下部。所述高温加热炉19设置在真空腔体12内，在所述真空腔体12的内壁与高温加热炉19的外侧壁之间设有冷却水循环系统14。主轴系统21的驱动部分位于真空腔体12的外部，主轴系统21的主轴由真空腔体12的底部伸入真空腔体12内并与位于高温加热炉19内的下试样轴22连接。主轴系统21的主轴上设有旋转磁流体20，用于主轴与真空腔体12之间的密封。试验力加载杆10与主轴同轴设置，试验力加载杆10的下端连接摩擦副系统18的上试样，摩擦副系统18的下试样安装在下试样轴22上。所述试验力加载装置和所述摩擦力测量装置6均与所述试验力加载杆10连接。
本实施例中的附图1-图5所示的试验机中的试验力加载装置采用的是弹簧自动加载机构5。该加载机构可以实现10N-500N的加载载荷。该加载机构设置在真空腔体12外部，其包括竖直设置在真空腔体12上部的可转动的丝杠53、与所述丝杠53配合的丝母座52、设置在丝母座52上部的施力板55、设置在施力板55上部的试验力加载弹簧56、设置在施力板55下部与丝母座52之间的自重消除弹簧54，在所述真空腔体12上部还设有导向柱57，所述丝母座52、施力板55均滑套在导向柱57上。试验力加载杆10向上穿出于真空腔体12外部，所述施力板55与试验力加载杆10位于真空腔体12外部的部分连接，所述摩擦力测量装置6也设置在试验力加载杆10位于真空腔体12外部的部分上。所述试验力加载杆10上设有旋转直线磁流体7，用于试验力加载杆10与真空腔体12之间的密封，在试验力加载杆10上还设置有金属波纹管11，用于试验力加载杆10与真空腔体12之间的密封。为了保证测量精度，用于测量试验力的试验力传感器28和摩擦力测量装置中用于测量摩擦力的摩擦力传感器均串联于试验力加载杆10上。为了保证磁流体在高温工况下的密封性能，本发明中的旋转磁流体20和旋转直线磁流体7内均设有循环水通道，通过通入恒低温循环水进行冷却降温，保持磁流体的低温工作环境，保证其高温工况下的高真空密封性能。
本实施例中，优选的是，所述试验力加载杆10通过上试样轴17与上试样连接，所述上试样轴17通过法兰连接方式可拆卸地与试验力加载杆10连接。为便于快速连接定位，所述上试样轴17与所述试验力加载杆10之间的连接部分均带有锥度，两者之间采用锥度定位。
本实施例中，高温加热炉对试样提供高温试验工况，通过抽真空装置13对真空腔体12抽真空。主轴系统21的驱动部分带动主轴转动，主轴与真空腔体12之间通过旋转磁流体20实现真空动密封，实现高真空密封要求。弹簧自动加载机构5通过步进电机51带动丝杠53旋转，从而带动丝母座52升降，丝母座52升降时带动施力板55升降，并压缩试验力加载弹簧55产生弹簧力作用于施力板55，施力板55将弹簧力传递给试验力加载杆10对试样施加试验力。自重消除弹簧54用于消除自重，有效保证了试验力加载的准确性。本实施例中，试验力加载机构及测量装置均位于真空腔体外，在大气环境中，有效保证了传感器工作的稳定性、可靠性。试验力加载杆10采用旋转磁流体密封及金属波纹管密封，两者组合，有效保证了试验力加载杆旋转运动及轴向运动工况下的高真空动密封。为保证磁流体高温状态下的高真空动密封，在高温状态下，通过向旋转磁流体20和旋转直线磁流体6内部的冷却水通道内通入恒低温循环水对磁流体进行冷却降温，保持磁流体的低温工作环境，保证其高温工况下的高真空密封性能。
上述的实施例中，试验力加载装置采用的是弹簧自动加载机构，附图6所示的是采用另外一种结构的试验力加载装置，即砝码加载机构。采用砝码加载机构时试验机可以实现0.1N-10N的加载载荷，其加载精度比较高。该加载机构设置在真空腔体12内，其包括设置在试验力加载杆10顶端的砝码托盘24和设置在砝码托盘24内的砝码，所述试验力加载杆10上套装有支撑座26，摩擦力测量装置6通过固定座27安装在真空腔体12内，并与所述支撑座26连接，为防止在高温工况下，金属热传导对摩擦力传感器造成影响，所述支撑座26与试验力加载杆10之间设置有隔热垫23。本实施例中，试验力加载杆与摩擦副及试样自重0.1N，砝码直接加载试验力，通过摩擦力测量装置测量其旋转切向摩擦力，测量直接，误差小，精度高，稳定性好。本实施例中，由于长时间工作时高温炉腔体内热量散失到真空腔体，导致真空腔体内温度上升，会影响摩擦力传感器的工作性能，因此，通过向真空腔体内布置的冷却水循环系统内部持续通入恒低温循环水，可保证真空腔体低温环境，进而保证摩擦力传感器高精度、高准确度、高稳定性的工作性能，同时，保证真空腔体的低温环境，也保证了真空腔体的高真空静密封的可靠性。
本发明中的上述的两种试验力加载装置可根据试验需求进行选用、切换。当试验要求小载荷加载时，选用砝码加载机构安装在真空腔体内即可进行试验，当试验要求大载荷加载时，将弹簧自动加载机构安装到位即可。相应的，试验机的控制系统设置为可对两套系统分别进行控制。
此外，为保证设备在高温真空下工作的稳定性、可靠性，本发明中的腔体内材料全部采用GH214高温不锈钢加工而成，可保证设备1000℃真空环境下的稳定性。
本实施例中的其他部分均为现有技术，在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种高温真空摩擦磨损试验机，包括机架(1)，试验力加载装置，摩擦力测量装置，主轴系统，其特征是：所述机架(1)上设有与抽真空装置(13)连接的真空腔体(12)，所述真空腔体(12)内设置有高温加热炉(19)，所述真空腔体(12)的内壁与高温加热炉(19)的外侧壁之间设有冷却水循环系统(14)，主轴系统的驱动部分位于真空腔体(12)外部，主轴系统的主轴由真空腔体(12)的底部伸入真空腔体(12)内并与高温加热炉(19)内的下试样轴(22)连接，主轴上设有旋转磁流体(20)用于与真空腔体(12)之间的密封，连接上试样的试验力加载杆(10)与主轴同轴设置，所述试验力加载杆(10)连接所述试验力加载装置和所述摩擦力测量装置。
2.根据权利要求1所述的高温真空摩擦磨损试验机，其特征是：所述试验力加载装置为弹簧自动加载机构(5)，其设置在真空腔体(12)外部，其包括竖直设置在真空腔体(12)上部的可转动的丝杠(53)、与所述丝杠(53)配合的丝母座(52)、设置在丝母座(52)上部的施力板(55)、设置在施力板(55)上部的试验力加载弹簧(56)、设置在施力板(55)下部与丝母座(52)之间的自重消除弹簧(54)，所述试验力加载杆(10)向上穿出于真空腔体(12)外部，所述施力板(55)与位于真空腔体(12)外部的试验力加载杆(10)连接，所述摩擦力测量装置设置在位于真空腔体(12)外部的试验力加载杆(10)上，所述试验力加载杆(10)上设有旋转直线磁流体(7)用于与真空腔体(12)之间的密封。
3.根据权利要求2所述的高温真空摩擦磨损试验机，其特征是：所述试验力加载杆(10)上还设置有用于试验力加载杆(10)与真空腔体(12)之间密封的金属波纹管(11)。
4.根据权利要求2所述的高温真空摩擦磨损试验机，其特征是：所述试验力加载杆(10)通过上试样轴(17)与上试样连接，所述上试样轴(17)可拆卸地与试验力加载杆(10)连接。
5.根据权利要求4所述的高温真空摩擦磨损试验机，其特征是：所述上试样轴(17)与所述试验力加载杆(10)之间采用锥度定位。
6.根据权利要求2所述的高温真空摩擦磨损试验机，其特征是：所述真空腔体(12)上部还设有导向柱(57)，所述丝母座(52)、施力板(55)均滑套在导向柱(57)上。
7.根据权利要求2所述的高温真空摩擦磨损试验机，其特征是：用于测量试验力的试验力传感器和用于测量摩擦力的摩擦力传感器串联于试验力加载杆上。
8.根据权利要求1所述的高温真空摩擦磨损试验机，其特征是：所述试验力加载装置为砝码加载机构，其设置在真空腔体(12)内，其包括设置在试验力加载杆(10)顶端的砝码托盘(24)和设置在砝码托盘(24)内的砝码，所述试验力加载杆(10)上套装有支撑座(26)，摩擦力测量装置安装在真空腔体(12)内并与所述支撑座(26)连接，所述支撑座(26)与试验力加载杆(10)之间设置有隔热垫(23)。
9.根据权利要求1或2或3或4或5或6或7或8所述的高温真空摩擦磨损试验机，其特征是：所述旋转磁流体(20)内设有循环水通道通过循环水冷却降温。
10.根据权利要求2或3或4或5或6或7所述的高温真空摩擦磨损试验机，其特征是：所述旋转直线磁流体(7)内设有循环水通道通过循环水冷却降温。
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