CN110823739A - 真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及极端环境下的摩擦磨损试验技术领域内的一种真空高低温球‑盘摩擦磨损试验装置，包括真空系统、摩擦系统和高低温系统；所述真空系统，提供试验所需的真空环境与待测样品放置平台；所述摩擦系统，提供试验所需的旋转模块、加载模块和测力模块；所述高低温系统，提供试验所需的温度环境，包括加热模块、冷却模块以及温控模块；在所述真空系统提供的真空环境内，所述高低温系统以非接触的方式对进行摩擦磨损的试验件加温或降温。本发明通过非接触的加热降温方式有效解决了真空密封条件下的高速旋转试验件的升降温难题，能够在一个舱室内实现真空高低温环境下的摩擦磨损试验条件。

Description

真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置及方法

技术领域

本发明涉及极端环境下的摩擦磨损试验技术领域，具体地，涉及一种用于真空高低温球-盘摩擦磨损试验的装置及方法。

背景技术

卫星上大量存在天线、太阳帆板、扫描机构等活动机构，这些运动部件基本都在星外服役，在轨运行期间将直接暴露于空间环境，面临真空、冷黑空间与太阳辐照环境，尽管采取了一定的热控措施，实际工作还是会在-20℃-60℃这一较大的温度范围内波动，由于卫星的不可维修性都要求较高的可靠性，对其中运转部件的润滑提出了严格的要求。现有的润滑手段及试验验证方法能够满足当前型号5-8年的使用需求，但是随着后续设计寿命的延长，对润滑可靠性的验证又提出了新的要求。按照天地等效环境试验理论，只有当地面模拟环境尽量接近空间，才能反映出更多的问题。

目前，常规的球-盘摩擦磨损试验装置只适用于常温常压环境，真空环境下或者是高低温环境下的摩擦磨损试验机比较少见，同时将真空和高低温环境复合的球-盘摩擦磨损试验机更是屈指可数，且一般真空因素和温度因素容易互相干扰，多因素环境试验难以实现。

经现有技术检索发现，中国专利公开号为CN102759489A，公开了一种多功能真空摩擦磨损试验机，既能模拟真空、辐射、腐蚀等特殊环境气氛，又能以多种接触方式(球-盘，销-盘)进行较宽速度和载荷范围内的摩擦学试验。其主要由真空系统、摩擦磨损系统、动力传动系统、控制系统等构成。其中摩擦磨损系统包括用于固定上试样卡具(20)的并可在水平和竖直两个方向自由旋转的杠杆结构(22)，所述杠杆结构(22)包括呈垂直设置的悬臂梁(18)和竖直臂(23)，悬臂梁(18)和竖直臂(23)通过两自由度轴承结构(17)连接，所述悬臂梁(18)和竖直臂(23)可通过机械手(15)和手轮机构(13)控制而进行水平和竖直方向的位置调节，以实现试样卡具(20)在两自由度内的精确移动。在上试样卡具(20)上安装温度传感器(2)和压力传感器(3)，以检测(监测)摩擦试验时的摩擦系数和温度变化。该发明对真空环境能够进行一定的测试，但无法对于真空与高低温等复杂复合环境下的测试。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置及方法。

根据本发明提供的一种真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置，包括真空系统、摩擦系统和高低温系统；

所述真空系统，提供试验所需的真空环境与待测样品放置平台；

所述摩擦系统，提供试验所需的旋转模块、加载模块和测力模块；

所述高低温系统，提供试验所需的温度环境，包括加热模块、冷却模块以及温控模块；

在所述真空系统提供的真空环境内，所述高低温系统以非接触的方式对进行摩擦磨损的试验件升温或降温。

一些实施方式中，所述真空系统包括密封舱室、真空机械泵以及真空计，所述摩擦系统包括电机、夹具、砝码和测力计，所述夹具包括第一夹具与第二夹具，所述高低温系统包括红外灯阵、液氮罐、热电偶和PID温控仪；

所述密封舱室为筒体结构，所述密封舱室的两端面分别设有用于安装加载轴和电机主轴的通孔，所述加载轴和所述电机主轴延伸至所述密封舱室内的一端分别与所述第一夹具、所述第二夹具连接，所述加载轴的另一端与所述砝码相连；

所述红外灯阵以所述加载轴为中心均布于所述密封舱室的筒体内，所述热电偶靠近所述第一夹具与所述第二夹具对接位置。

一些实施方式中，所述密封舱室为设有容置空间的壳体结构，所述密封舱室的壳体为不锈钢，所述壳体内设有用于降温的内胆，所述壳体外包覆隔热材料。

一些实施方式中，所述内胆为铜质三明治结构，所述内胆结构的中间层为盘旋铜管，所述盘旋铜管与所述液氮罐连通。

一些实施方式中，所述红外灯阵由多根红外灯均布于圆柱形灯架内侧组成，所述红外灯与灯架之间采用绝缘方式连接。

一些实施方式中，所述第一夹具底部为锥面结构，所述锥面结构中心的圆孔用于放置对偶球。

一些实施方式中，所述第二夹具为内凹的凸台结构，所述凸台结构的内部部分用于盛放试样盘。

一些实施方式中，所述真空系统还包括分子泵，所述分子泵可使所述密封舱室的真空压力达到10^-5Pa-10^-3Pa。

一些实施方式中，所述加载轴和所述电机主轴与所述密封舱室之间采用磁流体密封。

本发明还提供了一种真空高低温球-盘摩擦磨损试验方法，采用所述的真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置，包括以下步骤：

(1)样品准备及安装

a)用无水乙醇超声波清洗对偶球5min，并吹干；

b)将对偶球放置于第一夹具下端圆孔内，下端与上端螺纹拧紧，并通过上端的上接口与设备的加载杆螺钉连接；

c)用精度为10^-5g的电子天平测量测试前样品盘的质量；

d)将样品盘放置于第二夹具内，用螺栓拧紧，然后整体固定于电主轴顶端；

e)将加载轴与密封室上开盖连接、密封。

(2)真空高低温环境获取

a)真空环境获取：打开机械泵对密封舱室抽真空，当真空度达10^-1Pa，打开分子泵，继续抽真空至1×10^-3Pa；

b)温度环境获取：

低温模式：打开温控仪，设定预定温度，当热电偶测得实际温度高于预定温度时，液氮罐阀门开启，向真空试验室的铜管内持续注入液氮，当热电偶测得实际温度达预定温度时，液氮罐阀门关闭，真空密封舱室的温度维持在预定温度；

高温模式：打开温控仪，设定预定温度，当热电偶测得实际温度低于预定温度时，红外灯阵接通，对样品附近区域进行辐照加热，当热电偶测得实际温度高于预定温度时，红外灯阵断开，真空密封舱室的温度维持在预定温度；

(3)摩擦试验

a)载荷施加：添加砝码，使其重力通过加载轴传递至第一夹具，再通过第一夹具给试样施加所需的正压力；

b)速度施加：启动电机，设定所需转速，样品盘随电主轴旋转，样品上表面与固定的对偶球之间发生相对运动，产生摩擦，开始试验；

c)数据采集：

对于寿命试验，以摩擦力急剧上升为试验终止判据，试验通过测力计实时采集试样的摩擦力数据，计算机连续记录相关数据，并以时间为横轴、以摩擦力为纵轴显示摩擦力变化曲线；

对于定时试验，以所需的时间为试验终止判据，过程中采用前述方法获得摩擦力数据，同时用精度为10^-5g的电子天平测量测试后样品盘的质量；

f)数据处理：

摩擦系数—根据所采集的摩擦力数据计算摩擦系数；

式中，μ为摩擦系数，F为摩擦力，P为正压力；

耐磨寿命—根据摩擦力急剧上升前稳定摩擦的时间计算寿命；

τ＝ω·t

式中，ω为设定的转速，t为摩擦力急剧上升前稳定摩擦段的时间；

磨损量—根据测试前后的样品盘质量计算；

Δm＝m₁-m₀

式中，Δm为磨损量，m₀和m₁分别为测试前后样品盘的质量。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、实现了真空、高温和低温的多因素环境复合，无需附加低温箱或高温箱；

2、高低温环境的获得既不会破坏本来的真空环境，又不影响摩擦部件的运动；

3、高低温环境间切换无需调整硬件装置，尤其是不影响真空环境，非常便捷；

4、通过非接触的加热降温方式有效解决了真空密封条件下的高速旋转试验件的升降温难题。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明的真空高低温摩擦磨损试验装置示意图；

图2为本发明的摩擦试验样品装夹示意图；

图3为本发明的摩擦试验流程图；

图4为具体实施方式二真空高温环境下的摩擦试验结果图；

图5为具体实施方式三真空低温环境下的摩擦试验结果图；

图中示出：1密封舱室、2真空机械泵、3分子泵、4真空计、5电机、6夹具、7砝码、8测力计、9观察窗、10真空电连接器、11内胆、12多层隔热材料、13红外灯阵、14液氮罐、15热电偶和16PID温控仪。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本发明提供的一种真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置，结合图1说明，包括真空系统、摩擦系统和高低温系统。所述真空系统提供试验所需的真空环境及样品放置平台，主要由密封舱室1、真空机械泵2、分子泵3、真空计4和一些阀门、管路等组成。所述摩擦系统提供试验所需的旋转模块、加载模块和测力模块，主要由电机5、夹具6、砝码7和测力计8组成。所述高低温系统提供试验所需的温度环境，主要由加热模块和冷却模块及温控系统等组成。

所述密封舱室为立式圆柱上开盖结构。上开盖通过法兰与舱体连接，中心位置设有一圆孔，用于摩擦系统加载轴的固定；中心附近位置设有一个石英玻璃观察窗9和两个真空电连接器10。密封舱室下端面设一圆孔，用于摩擦系统电主轴穿过，轴与舱室之间采用磁流体密封，以适应电主轴的高速旋转状态。舱室外壳主体由不锈钢焊接而成，内置铜质三明治结构内胆11。舱室外壁包覆多层隔热材料12，以减少舱室内外的换热，防止外壳外表面温度过高或结霜。

所述摩擦系统贯穿整个密封舱室，分上、下两部分，上部分的加载轴穿过上开盖与摩擦第一夹具连接，下部分的电主轴穿过下端面与摩擦第二夹具连接。所述第一夹具用于放置对偶球，拧紧后对偶球成固定状态。所述第二夹具用于放置摩擦试验件，摩擦试验时随电主轴一起旋转。试验件上表面与对偶球接触。

所述高低温系统包括红外灯阵13、液氮罐14、热电偶15和PID温控仪16。所述红外灯阵由3根红外灯均匀分布于圆柱形灯架内侧组成。灯架竖直固定于舱室内，以加载轴为中心，通过辐照的方式给球-盘接触区域加热，不影响盘的转动。红外灯通过密封舱上开盖的真空电连接器与温控仪的输出端电路联接。所述热电偶安装于靠近球-盘接触区域的位置，通过真空电连接器与温控仪电路联接。温控仪的另一输出端与液氮罐的流量控制器相连。

所述铜质内胆结构的中间一层为盘旋铜管，焊接于内层铜板，铜管通过密封室上盖与液氮罐连通，用于室内低温环境的获得。

所述红外灯阵的红外灯与灯架之间采用绝缘方式连接固定。红外灯功率为300W。

所述夹具分上、下两部分，分别用于固定对偶球和样品盘。第一夹具底部为锥面结构，中心的圆孔用于放置对偶球，通过螺栓拧紧将其固定。第二夹具为一个内凹的圆形凸台结构，试样盘放置其中，通过三根螺栓拧紧固定。夹具采用不锈钢、铝合金或其它金属。

实施例2

根据本发明提供的一种真空高低温球-盘摩擦磨损试验方法，利用上述的用于真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置，开展真空高温环境下的球-盘摩擦磨损试验，包括如下步骤：

(1)样品准备及安装

a)用无水乙醇超声波清洗航天轴承常用材质和尺寸的对偶球5min，并吹干；

b)将对偶球放置于第一夹具下端圆孔内，下端与上端螺纹拧紧，并通过上端的上接口与设备的加载杆螺钉连接；

c)用精度为10^-5g的电子天平测量测试前航天轴承常用材质样品盘的质量；

d)将样品盘放置于第二夹具内，用螺栓拧紧，然后整体固定于电主轴顶端；

e)将加载轴与密封室上开盖连接、密封。

(2)真空高温环境获取

a)真空环境获取：打开机械泵对密封舱室抽真空，当真空度达10^-1Pa，打开分子泵，继续抽真空至1×10^-3Pa；

b)高温环境获取：打开温控仪，设定温度为333K，当热电偶测得实际温度低于预定温度时，红外灯阵接通，对样品附近区域进行辐照加热，当热电偶测得实际温度高于预定温度时，红外灯阵断开，真空密封室的温度维持在预定温度；

(3)摩擦试验

a)载荷施加：添加5N砝码，使其重力通过加载轴传递至第一夹具，再通过第一夹具给试样施加所需的正压力；

b)速度施加：启动电机，设定转速1000r/min，样品盘随电主轴旋转，样品上表面与固定的对偶球之间发生相对运动，产生摩擦，开始试验；

c)数据采集：

寿命试验以摩擦力急剧上升为试验终止判据，试验通过测力计实时采集试样的摩擦力数据，计算机连续记录相关数据，并以时间为横轴、以摩擦力为纵轴显示摩擦力变化曲线。

f)数据处理：

摩擦系数—根据所采集的摩擦力数据计算摩擦系数。

式中，μ为摩擦系数，F为摩擦力，P为正压力。

耐磨寿命—根据摩擦力急剧上升前稳定摩擦的时间计算寿命。

τ＝ω·t

式中，ω为设定的转速，t为摩擦力急剧上升前稳定摩擦段的时间。

本实施方式在一个腔室内实现了真空和高温环境复合，避免了附加高温箱的繁琐，采用非接触的加热手段有效解决了真空密封条件下的高速旋转试验件的升温难题。试验过程中真空高温环境保持较好、载荷转速稳定，结果如图4所示，为空间活动部件的润滑性能提供了重要的评判方法。

实施例3

根据本发明提供的一种真空高低温球-盘摩擦磨损试验方法，利用上述的用于真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置，开展真空低温环境下的球-盘摩擦磨损试验，包括如下步骤：

(1)样品准备及安装

a)用无水乙醇超声波清洗航天轴承常用材质和尺寸的对偶球5min，并吹干；

b)将对偶球放置于第一夹具下端圆孔内，下端与上端螺纹拧紧，并通过上端的上接口与设备的加载杆螺钉连接；

c)用精度为10^-5g的电子天平测量测试前航天轴承常用材质样品盘的质量；

d)将样品盘放置于第二夹具内，用螺栓拧紧，然后整体固定于电主轴顶端；

e)将加载轴与密封室上开盖连接、密封。

(2)真空低温环境获取

a)真空环境获取：打开机械泵对密封舱室抽真空，当真空度达10^-1Pa，打开分子泵，继续抽真空至1×10^-3Pa；

b)低温环境获取：打开温控仪，设定预定温度(253K)，当热电偶测得实际温度高于预定温度时，液氮罐阀门开启，向真空试验室的铜管内持续注入液氮，当热电偶测得实际温度达预定温度时，液氮罐阀门关闭，真空密封室的温度维持在预定温度；

(3)摩擦试验

a)载荷施加：添加5N砝码，使其重力通过加载轴传递至第一夹具，再通过第一夹具给试样施加所需的正压力；

b)速度施加：启动电机，设定转速1000r/min，样品盘随电主轴旋转，样品上表面与固定的对偶球之间发生相对运动，产生摩擦，开始试验；

c)数据采集：

寿命试验以摩擦力急剧上升为试验终止判据，试验通过测力计实时采集试样的摩擦力数据，计算机连续记录相关数据，并以时间为横轴、以摩擦力为纵轴显示摩擦力变化曲线。

f)数据处理：

摩擦系数—根据所采集的摩擦力数据计算摩擦系数。

式中，μ为摩擦系数，F为摩擦力，P为正压力。

耐磨寿命—根据摩擦力急剧上升前稳定摩擦的时间计算寿命。

τ＝ω·t

式中，ω为设定的转速，t为摩擦力急剧上升前稳定摩擦段的时间。

本实施方式在一个舱室内实现了真空和低温环境复合，避免了附加低温箱的繁琐。非接触的降温手段有效解决了真空密封条件下的高速旋转试验件的升温难题，试验过程中真空低温环境保持较好、载荷转速稳定，结果如图5所示，为空间活动部件的润滑性能提供了重要的评判方法。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置，其特征在于，包括真空系统、摩擦系统和高低温系统；

所述真空系统，提供试验所需的真空环境与待测样品放置平台；

所述摩擦系统，提供试验所需的旋转模块、加载模块和测力模块；

所述高低温系统，提供试验所需的温度环境，包括加热模块、冷却模块以及温控模块；

在所述真空系统提供的真空环境内，所述高低温系统以非接触的方式对进行摩擦磨损的试验件升温或降温。

2.根据权利要求1所述的真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述真空系统包括密封舱室(1)、真空机械泵(2)以及真空计(4)，所述摩擦系统包括电机(5)、夹具(6)、砝码(7)和测力计(8)，所述夹具(6)包括第一夹具(61)与第二夹具(62)，所述高低温系统包括红外灯阵(13)、液氮罐(14)、热电偶(15)和PID温控仪(16)；

所述密封舱室(1)为筒体结构，所述密封舱室(1)的两端面分别设有用于安装加载轴和电机主轴的通孔，所述加载轴和所述电机主轴延伸至所述密封舱室(1)内的一端分别与所述第一夹具(61)、所述第二夹具(62)连接，所述加载轴的另一端与所述砝码(7)相连；

所述红外灯阵(13)以所述加载轴为中心均布于所述密封舱室(1)的筒体内，所述热电偶(15)靠近所述第一夹具(61)与所述第二夹具(62)对接位置。

3.根据权利要求2所述的真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述密封舱室(1)为设有容置空间的壳体结构，所述密封舱室(1)的壳体为不锈钢，所述壳体内设有用于降温的内胆，所述壳体外包覆隔热材料。

4.根据权利要求3所述的真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述内胆为铜质三明治结构，所述内胆结构的中间层为盘旋铜管，所述盘旋铜管与所述液氮罐(14)连通。

5.根据权利要求2所述的真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述红外灯阵(13)由多根红外灯均布于圆柱形灯架内侧组成，所述红外灯与灯架之间采用绝缘方式连接。

6.根据权利要求2所述的真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述第一夹具(61)底部为锥面结构，所述锥面结构中心的圆孔用于放置对偶球。

7.根据权利要求6所述的真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述第二夹具(62)为内凹的凸台结构，所述凸台结构的内部部分用于盛放试样盘。

8.根据权利要求2所述的真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述真空系统还包括分子泵(3)，所述分子泵(3)可使所述密封舱室(1)的真空压力达到10^-5Pa-10^{- 3}Pa。

9.根据权利要求2所述的真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置，其特征在于，所述加载轴和所述电机主轴与所述密封舱室(1)之间采用磁流体密封。

10.一种真空高低温球-盘摩擦磨损试验方法，其特征在于，采用如权利要求1-9任一所述的真空高低温球-盘摩擦磨损试验装置，包括以下步骤：

(1)样品准备及安装

a)用无水乙醇超声波清洗对偶球5min，并吹干；

b)将对偶球放置于第一夹具下端圆孔内，下端与上端螺纹拧紧，并通过上端的上接口与设备的加载杆螺钉连接；

c)用精度为10^-5g的电子天平测量测试前样品盘的质量；

d)将样品盘放置于第二夹具内，用螺栓拧紧，然后整体固定于电主轴顶端；

e)将加载轴与密封室上开盖连接、密封；

(2)真空高低温环境获取

a)真空环境获取：打开机械泵对密封舱室抽真空，当真空度达10^-1Pa，打开分子泵，继续抽真空至1×10^-3Pa；

b)温度环境获取：

低温模式：打开温控仪，设定预定温度，当热电偶测得实际温度高于预定温度时，液氮罐阀门开启，向真空试验室的铜管内持续注入液氮，当热电偶测得实际温度达预定温度时，液氮罐阀门关闭，真空密封舱室的温度维持在预定温度；

高温模式：打开温控仪，设定预定温度，当热电偶测得实际温度低于预定温度时，红外灯阵接通，对样品附近区域进行辐照加热，当热电偶测得实际温度高于预定温度时，红外灯阵断开，真空密封舱室的温度维持在预定温度；

(3)摩擦试验

a)载荷施加：添加砝码，使其重力通过加载轴传递至第一夹具，再通过第一夹具给试样施加所需的正压力；

b)速度施加：启动电机，设定所需转速，样品盘随电主轴旋转，样品上表面与固定的对偶球之间发生相对运动，产生摩擦，开始试验；

c)数据采集：

对于寿命试验，以摩擦力急剧上升为试验终止判据，试验通过测力计实时采集试样的摩擦力数据，计算机连续记录相关数据，并以时间为横轴、以摩擦力为纵轴显示摩擦力变化曲线；

对于定时试验，以所需的时间为试验终止判据，过程中采用前述方法获得摩擦力数据，同时用精度为10^-5g的电子天平测量测试后样品盘的质量；

f)数据处理：

摩擦系数—根据所采集的摩擦力数据计算摩擦系数；

式中，μ为摩擦系数，F为摩擦力，P为正压力；

耐磨寿命—根据摩擦力急剧上升前稳定摩擦的时间计算寿命；

τ＝ω·t

式中，ω为设定的转速，t为摩擦力急剧上升前稳定摩擦段的时间；

磨损量—根据测试前后的样品盘质量计算；

Δm＝m₁-m₀

式中，Δm为磨损量，m₀和m₁分别为测试前后样品盘的质量。

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