CN109632547A - 一种用于高温气冷堆燃料元件摩擦性能研究的试验机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高温气冷堆燃料元件摩擦性能研究的试验机，其包括包括有机架、主机、摩擦副以及计算机控制系统，所述摩擦副包括有安装在所述机架上端上且其底端可紧固安装有一颗石墨球的上式样座、位于所述上式样座正下方的下式样座、安装在所述下式样座上用于对其内三颗石墨球分开角度进行调整的锁紧调节装置、封闭的环境盒、设置在所述环境盒外表面上的加热器以及用于接入惰性气氛氦气的气体入口；该试验机可模拟高温气冷堆内实际工况，模拟过程中可控制载荷、温度、气氛、转速以及滚动和滑动两种摩擦方式，为研究石墨球的摩擦磨损性能奠定了基础。
Description
技术领域
本发明涉及机械类摩擦磨损试验装置技术领域，具体涉及一种能够模拟高温气冷堆内实际球球摩擦工况的摩擦磨损试验机，该装置能够控制球球之间摩擦的载荷，温度，气氛，摩擦方式等因素，从而进行石墨球的摩擦磨损性能研究。
背景技术
高温气冷堆是以石墨包覆的燃料球作为燃料元件，以氦气作为冷却剂的核反应堆，具有安全性好、发电效率高、可同时供电供热等优点，已被国际核能署列为第四代反应堆发展堆型之一。高温气冷堆平衡态堆芯内装球形燃料元件约42万个，这些石墨球在球与球之间发生摩擦作用从而产生石墨粉尘，这些石墨粉尘可能会影响反应堆的安全与正常运行，对设备的维护和检修带来不便，具有一定的风险。因此，高温气冷堆内的石墨球的摩擦磨损性能需要特别关注。
在研究石墨球摩擦磨损性能时，要对高温气冷堆内石墨球摩擦的实际工况进行模拟，具体工况参数包括温度，石墨球间的压紧力，气氛等，同时应模拟实际工况中石墨球堆积的形式和实际过程中存在的滚动和滑动两种摩擦方式。
在已经公开的中国专利申请号为CN103868812A，专利名称为：一种变载荷滚动摩擦磨损试验机的专利文献中，公开了一种能够实时改变载荷大小、控制滚滑比以及控制温度的滚动摩擦磨损试验机。但是，该试验机不能模拟实际石墨球堆积的形式，以及不能进行气氛的试验。
在已公开的中国专利申请号为CN102207438A，专利名称为：一种滚动摩擦磨损试验机的专利文献中，公开了一种能够进行不同载荷、转速、温度和液体环境下的滚动摩擦磨损试验的试验机，但是，该试验机的式样为圆盘状，并不能模拟球球堆积的摩擦形式，且不能控制试验过程中的气氛，同时，该装置不能进行滑动摩擦方式的试验。
目前市场上，应用较为广泛的摩擦磨损试验的设备为双盘摩擦磨损试验机。这些设备主要用于滚滑条件下聚合物材料与金属件之间的摩擦试验，可对滚动摩擦力进行检测，但均不能完全模拟高温气冷堆实际工况下对气氛，温度，载荷以及滚动和滑动两种摩擦方式的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种用于高温气冷堆燃料元件摩擦性能研究的试验机，该试验机可模拟高温气冷堆内实际工况，模拟过程中可控制载荷、温度、气氛、转速以及滚动和滑动两种摩擦方式，为研究石墨球的摩擦磨损性能奠定了基础。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种用于高温气冷堆燃料元件摩擦性能研究的试验机，包括有机架、主机、摩擦副以及计算机控制系统，所述摩擦副包括有安装在所述机架上端上且其底端可紧固安装有一颗石墨球的上式样座、位于所述上式样座正下方的下式样座、安装在所述下式样座上用于对其内三颗石墨球分开角度进行调整的锁紧调节装置、封闭的环境盒、设置在所述环境盒外表面上的加热器以及用于接入惰性气氛氦气的气体入口，其中所述上式样座、下式样座和锁紧调节装置都位于所述环境盒内部，外部充入的氦气通过所述气体入口进入到所述环境盒内；所述主机包括有与所述上式样座相连并驱动其水平转动的主轴系统以及与所述下式样座相连并对其施加法向载荷的加载系统，所述计算机控制系统包括有扭矩检测系统、微机自动加荷系统以及温度控制系统，其中所述扭矩检测系统通过设置有的扭矩传感器和信号采集处理仪表与所述摩擦副相连，实时检测摩擦副中石墨球之间的扭矩，所述温度控制系统通过设置有的温度传感器与所述环境盒相连，用于实时检测所述环境盒内的温度。
进一步，所述主轴系统包括有安装在所述机架上端上的伺服电机、竖直安装在所述机架上方并其下端与所述上式样座固定相连的主轴以及水平连接在所述伺服电机和主轴上端之间的同步带。
进一步，所述加载系统包括有安装在所述机架下方的步进电机和减速机、固定连接在所述下式样座底端处的导向轴、呈竖直布置安装并与所述减速机相连的滚珠丝杠以及设置在所述滚珠丝杠和导向轴之间的施力弹簧。
进一步，所述环境盒其外围还设置有保温层，其中所述保温层设置在所述加热器外表面上。
进一步，所述锁紧调节装置包括有上压盖和锁紧螺母，其中所述上压盖通过所述锁紧螺母固定安装在所述下式样座上。
进一步，所述机架上设置有便于对所述摩擦副进行组装与拆卸的操作台。
进一步，所述机架其背部设置有便于通风散热的通风网格。
进一步，所述机架上设置有计算机显示面板和温度设定显示面板。
进一步，所述保温层为采用聚氨酯泡沫材料制作而成。
与现有技术相比，本方案具有的有益技术效果为：本方案所提供的摩擦磨损试验机主要用于研究高温气冷堆内石墨球以球-球形式的摩擦副在模拟现实摩擦工况下的摩擦磨损性能，其原理为安装在主轴上的试样球在交流伺服电机的驱动下，其外缘以较高的线速度高速旋转，作为其对偶摩擦件的球在加载系统的作用下与下三个球做相对运动，在摩擦副外增加环境盒可以在惰性气体内做试验，在试验过程中可控制载荷、温度、气氛、转速以及滚动和滑动两种摩擦方式，为研究石墨球的摩擦磨损性能奠定了基础。
附图说明
图1为本发明中摩擦磨损试验机的结构示意图。
图2为本发明中摩擦磨损试验机的正式结构示意图。
图3为本发明中摩擦磨损试验机的左视结构示意图。
图4为本发明中的摩擦副剖面结构示意图。
图5为本发明中的上压盖俯视结构示意图。
图6为本发明中的上压盖主视结构示意图。
图中：
1-同步带，2-伺服电机，3-主轴，4-环境盒，5-石墨球，6-下式样座，7-载荷传感器，8-导向轴，9-施力弹簧，10-滚珠丝杠，11-步进电机和减速机，12-温度传感控制器，13-扭矩传感控制器，14-加热器，15-扭矩拉力探头，16-计算机显示面板，17-温度设定显示面板，18-温度控制面板开关，19-温度加热开关，20-计算机电源开关，21-电机电源开关，22-上式样座，23-保温层，24-电加热器，25-气体入口，26-上压盖，27-锁紧螺母，28-主轴箱，29-计算机控制箱，30-操作台，31-基座检修门。
具体实施方式
下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
本方案是针对现有应用较为广泛的摩擦磨损试验设备其仅能对滚动摩擦力进行检测，不能完全模拟高温气冷堆实际工况下对气氛，温度，载荷以及滚动和滑动两种摩擦方式的要求的问题，进而提出的一种用于高温气冷堆燃料元件摩擦性能研究的试验机，该试验机可模拟高温气冷堆内实际工况，模拟过程中可控制载荷、温度、气氛、转速以及滚动和滑动两种摩擦方式，为研究石墨球的摩擦磨损性能奠定了基础。
参见附图1至4所述，本实施例中的试验机包括有机架、主机、摩擦副以及计算机控制系统。机架其正面设置有可以开启和关闭的作业门，作业门打开时，可以清楚地看到机架内部结构，以便安装在其内的设备进行调试检修，机架其背部设置有散热通风的通风网格。此外，机架上设置有便于对摩擦副进行组装与拆卸的操作台30以及相应的基座检修门31，并且在机架上的计算机控制箱29内装有计算机显示面板16和计算机主机，同时在机架上相应地设置有温度设定显示面板17、温度控制面板开关18、温度加热开关19、计算机电源开关20以及电机电源开关21。
本实施例中的摩擦副包括有安装在机架上端上且其底端可紧固安装有一颗石墨球5的上式样座22、位于上式样座22正下方的下式样座6、安装在下式样座6上用于对其内三颗石墨球5分开角度进行调整的锁紧调节装置、封闭的环境盒4、设置在环境盒4外表面上的加热器14以及用于接入惰性气氛氦气的气体入口25，其中上式样座22、下式样座6和锁紧调节装置都位于环境盒4内部，外部充入的氦气通过气体入口25进入到环境盒4内，使得石墨球5处于氦气气氛中，更加真实的模拟石墨球实际的工作环境。主机包括有与上式样座22相连并驱动其水平转动的主轴系统以及与下式样座6相连并对其施加法向载荷的加载系统，计算机控制系统包括有扭矩检测系统、微机自动加荷系统以及温度控制系统，其中扭矩检测系统通过设置有的扭矩传感器和信号采集处理仪表与摩擦副相连，实时检测摩擦副中石墨球5之间的扭矩，温度控制系统通过设置有的温度传感器与环境盒4相连，用于实时检测环境盒4内的温度。
主轴系统包括有安装在机架上端上的伺服电机2、竖直安装在机架上方并其下端与上式样座22固定相连的主轴3以及水平连接在伺服电机2和主轴3上端之间的同步带1，其中主轴3为安装在主轴箱28内；加载系统包括有安装在机架下方的步进电机和减速机11、固定连接在下式样座6底端处的导向轴8、呈竖直布置安装并与减速机相连的滚珠丝杠10以及设置在滚珠丝杠10和导向轴8之间的施力弹簧9。
结合参照附图5和6所示，本实施例中的摩擦副，其共可容纳四颗石墨球5，石墨球5直径为60cm。石墨球式样基于石墨球5在堆芯内部堆叠时产生的局部形状分为两层分布，其中上式样座22底端夹紧有一颗石墨球5，上式样座22与主轴3相连，通过主轴3的控制，可实现压紧力和转速的控制。位于下式样座6内的三颗石墨球5平行排布，通过控制锁紧调节装置，控制三颗石墨球5的分开角度，可设为固定不动与自由滚动两种状态，从而能够模拟堆芯内石墨球5之间滚动和滑动两种摩擦方式。即通过锁紧该锁紧调节装置，使得三颗石墨球5紧固的位于下式样座6内，此时由于三颗石墨球5完全处于固定状态，相互之间不能相对滚动，此时上式样座22上的石墨球5与下式样座6内的三颗石墨球5之间的摩擦即为滑动摩擦；当适当松开上述锁紧调节装置，使得下式样座6内的三颗石墨球5相互之间可以滚动，那么此时上式样座22上的石墨球5与下式样座6内的三颗石墨球5之间的摩擦即为滚动摩擦。本实施例中的锁紧调节装置包括有上压盖26和锁紧螺母27，其中上压盖26通过锁紧螺母27固定安装在下式样座6上，调整时，通过相应的调节锁紧螺母27，来实现对下式样座6内三颗石墨球5的状态调节。
本实施例中的上述扭矩检测系统、微机自动加荷系统以及温度控制系统可以通过现有的软件集成技术集成为一个软件系统中，通过该集成的软件可以实时监测显示载荷、温度、转速等变化曲线，并可通过参数设定，实现载荷、温度以及转速等参数的自动转化。
在实际工作中，扭矩检测系统通过扭矩传感器和信号采集处理仪表，实时采集试验过程中摩擦副的扭矩，并将数据传输到上述的集成软件中，通过集成软件的换算，转化为摩擦副内球球间的摩擦力与摩擦系数曲线。微机自动加荷系统包括载荷传感器7和减速机功率控制器，载荷传感器7可将下式样座6所受载荷数据进行记录并传递给计算机软件，实时显示过程中摩擦副内球球之间载荷的数值变化，并显示为曲线，减速机功率控制器可控制电机通过弹簧式施力机构按一定速率加载力，且试验力可在0～1000.0N范围内无级可调，并实现计算机软件设定值的自动反馈。温度控制系统包括温度传感器和电加热器14，可将环境盒4内的温度进行实时监测，并反馈于计算机软件及温度设定面板，并可通过软件设定，实现温度的自动控制，温度加热及控制范围可实现0～500℃。
为了能够更好地使得本实施例中的石墨球能够更加真实的模拟高温气冷堆实际工况，在环境盒4其外围还设置有保温层23，保温层23优先为采用聚氨酯泡沫材料制作而成，其中保温层23设置在加热器14外表面上。加热器14和保温层23的设置，可以更加更好地实现石墨球模拟温度的控制，并且设置在环境盒4下端的气体入口25可实现环境盒4内气氛的控制。
下面对试验过程做简单大概的说明描述：
试验过程中，首先打开电机电源开关21和计算机电源开关20，平稳运行五分钟后，在计算机显示面板16中打开操作软件，设定试验参数，具体为载荷400N，加载速度10N/s,转速200r/mi n，温度100℃，时间600s。打开温度控制面板，此时，温度设定显示面板17会显示计算机软件设定目标温度值100℃与实际室温值22℃。
对摩擦副进行组装，将一颗石墨球装入上式样座22下端，将上式样座22装入主轴3下端。将另外三颗石墨球放于下式样座6上，保持三颗球处于同一水平。盖上上压盖26，并通过锁紧螺母27将上压盖26锁死，此时，保证下端颗石墨球处于固定状态，即不可相对滚动，此时试验过程下上式样石墨球与下式样三颗石墨球为滑动摩擦。在上压盖26上盖上环境盒4，在气体入口25处接入惰性气氛氦气，通过流量计控制氦气气速为100ml/mi n，同时检查电加热器14和保温层23是否紧密完好，随后将组装好的摩擦副下端放入摩擦副座内。
在计算机软件中点击加载选项，此时，步进电机通过减速机带动滚珠丝杆法向向上移动，带动施力弹簧9，施力弹簧9对下试样座进行加载载荷，导向轴8置于施力弹簧9外侧，可保证所施加载荷为法向向上。
加载过程中，施力弹簧9推动下式样座6带动摩擦副下端法向向上运动，待上式样座22石墨球与下端颗石墨球接触时，石墨球间开始存在挤压力，控制减速机按照设定参数值10N/s的速度进行加载，载荷传感器7在载荷加载过程中，实时记录数据并反映于计算机显示面板16中，以曲线形式存在。待石墨球间挤压力达到设定参数值400N时，步进电机及减速机停止工作，此时，计算机显示面板16中载荷面显示达到400N。
此时，打开温度加热开关19，电加热器14开始工作，温度探头检测控制环境盒4内温度值，并将信号传输给温度传感控制器12，并反馈给计算机显示面板16与温度设定显示面板17中，待温度探头探测到温度达到设定值100℃后，自动控制电加热器14停止加热，此时计算机显示面板16与温度设定显示面板17中显示测量温度为100℃，试验过程中，外保温层23对环境盒4内环境温度进行保温，待温度低于设定值100℃时，控制电加热器14自动开始工作，进行加热，如此往复进行温度控制。
点击计算机显示面板16软件中“运行”，此时，伺服电机2开始工作，并利用主轴3和电机上部分别装有从动和主动特制的圆弧齿形带轮，通过圆弧齿同步带1把电机的功率传递到主轴3上，带动主轴3按照设定参数值200r/mi n进行转动。
试验过程中，扭矩拉力探头15实时测量摩擦副内石墨球间的扭矩，扭矩传感控制器13将数据反馈给计算机软件，通过换算，以摩擦力和摩擦系数的变化曲线显示于计算机显示面板16中，试验过程中，若计算机显示面板16中显示的摩擦系数值以及摩擦力值突然急速上升，那么视该工况下式样已经失效。待程序运行结束后，主轴3停止转动，此时计算机显示面板16中对过程中载荷、温度、摩擦系数、摩擦力曲线进行了记录，通过计算机主机可将记录数据进行导出。
综上所述，本方案所提供的摩擦磨损试验机主要用于研究高温气冷堆内石墨球以球-球形式的摩擦副在模拟现实摩擦工况下的摩擦磨损性能，其原理为安装在主轴3上的试样球在交流伺服电机2的驱动下，其外缘以较高的线速度高速旋转，作为其对偶摩擦件的球在加载系统的作用下与下三个球做相对运动，在摩擦副外增加环境盒4可以在惰性气体内做试验，在试验过程中可控制载荷、温度、气氛、转速以及滚动和滑动两种摩擦方式，为研究石墨球的摩擦磨损性能奠定了基础。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种用于高温气冷堆燃料元件摩擦性能研究的试验机，其特征在于：包括有机架、主机、摩擦副以及计算机控制系统，所述摩擦副包括有安装在所述机架上端上且其底端可紧固安装有一颗石墨球的上式样座、位于所述上式样座正下方的下式样座、安装在所述下式样座上用于对其内三颗石墨球分开角度进行调整的锁紧调节装置、封闭的环境盒、设置在所述环境盒外表面上的加热器以及用于接入惰性气氛氦气的气体入口，其中所述上式样座、下式样座和锁紧调节装置都位于所述环境盒内部，外部充入的氦气通过所述气体入口进入到所述环境盒内；所述主机包括有与所述上式样座相连并驱动其水平转动的主轴系统以及与所述下式样座相连并对其施加法向载荷的加载系统，所述计算机控制系统包括有扭矩检测系统、微机自动加荷系统以及温度控制系统，其中所述扭矩检测系统通过设置有的扭矩传感器和信号采集处理仪表与所述摩擦副相连，实时检测摩擦副中石墨球之间的扭矩，所述温度控制系统通过设置有的温度传感器与所述环境盒相连，用于实时检测所述环境盒内的温度。
2.根据权利要求1所述的一种用于高温气冷堆燃料元件摩擦性能研究的试验机，其特征在于：所述主轴系统包括有安装在所述机架上端上的伺服电机、竖直安装在所述机架上方并其下端与所述上式样座固定相连的主轴以及水平连接在所述伺服电机和主轴上端之间的同步带。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于高温气冷堆燃料元件摩擦性能研究的试验机，其特征在于：所述加载系统包括有安装在所述机架下方的步进电机和减速机、固定连接在所述下式样座底端处的导向轴、呈竖直布置安装并与所述减速机相连的滚珠丝杠以及设置在所述滚珠丝杠和导向轴之间的施力弹簧。
4.根据权利要求1所述的一种用于高温气冷堆燃料元件摩擦性能研究的试验机，其特征在于：所述环境盒其外围还设置有保温层，其中所述保温层设置在所述加热器外表面上。
5.根据权利要求1所述的一种用于高温气冷堆燃料元件摩擦性能研究的试验机，其特征在于：所述锁紧调节装置包括有上压盖和锁紧螺母，其中所述上压盖通过所述锁紧螺母固定安装在所述下式样座上。
6.根据权利要求1所述的一种用于高温气冷堆燃料元件摩擦性能研究的试验机，其特征在于：所述机架上设置有便于对所述摩擦副进行组装与拆卸的操作台。
7.根据权利要求1所述的一种用于高温气冷堆燃料元件摩擦性能研究的试验机，其特征在于：所述机架其背部设置有便于通风散热的通风网格。
8.根据权利要求1所述的一种用于高温气冷堆燃料元件摩擦性能研究的试验机，其特征在于：所述机架上设置有计算机显示面板和温度设定显示面板。
9.根据权利要求4所述的一种用于高温气冷堆燃料元件摩擦性能研究的试验机，其特征在于：所述保温层为采用聚氨酯泡沫材料制作而成。
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