CN111948079A - 一种高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置和方法 - Google Patents

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郭凯
王一鹏
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Abstract

本发明提供了一种高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置和方法，装置包括第一激振器、第一激振杆、连接器、第二激振杆、第二激振器和传动杆，所述第一激振器与所述第一激振杆固定连接，所述第二激振杆与所述第二激振器固定连接，所述第一激振杆与所述第二激振杆垂直设置，所述第一激振杆和所述第二激振杆的端部均与所述连接器固定连接，所述连接器固定设置在所述传动杆上。本发明解决了高温高压下的双向加载实现研究滑移、冲击以及冲击滑移复合形式的微动磨损；可以实现不同温度和压力条件下的高温磨损实验。

Description

一种高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置和方法
技术领域
本发明涉及微小运动磨损实验的技术领域，更具体地，涉及一种高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置和方法。
背景技术
机械设备中的活动构件在接触状况下，会由于载荷和振动影响而发生微小幅值的摩擦和碰撞，进而引发微动磨损问题。很多情况下，微动磨损是一种冲击和滑动复合的磨损，其机理复杂，难以预测，因而需要进行深入的研究。
现有的磨损试验机主要以滑动磨损形式为主，而且，高温高压工况下的实验装置也较少。实现冲击-滑动复合磨损，需要在垂直于试样的两个方向实现加载，以致进行高温高压下的冲击-滑动微动磨损研究所需的装置的制造难度大，成本高，且功能相对单一。
因此，现有技术中亟需一种功能全面的高温高压微动磨损实验装置。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了一种高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置和方法。
为实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：
一种高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置，包括第一激振器、第一激振杆、连接器、第二激振杆、第二激振器和传动杆，所述第一激振器与所述第一激振杆固定连接，所述第二激振杆与所述第二激振器固定连接，所述第一激振杆与所述第二激振杆垂直设置，所述第一激振杆和所述第二激振杆的端部均与所述连接器固定连接，所述连接器固定设置在所述传动杆上；
所述高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置还包括：高压釜、釜盖、釜支架和加热炉，所述高压釜设置在所述釜支架上，所述加热炉围绕所述高压釜设置；所述釜盖盖设在所述高压釜顶端，并且所述釜盖与所述高压釜之间密封；所述传动杆贯穿所述釜盖且底端设置在所述高压釜内；
所述高压釜内设置有安装盘支架、柔性套筒、传感器安装盘、温度传感器和压力传感器，所述安装盘支架和所述柔性套筒的顶端均与所述釜盖固定连接，所述柔性套筒套设所述传动杆上，所述安装盘支架的下端贯穿所述传感器安装盘，所述传感器安装盘通过锁紧螺母固定在所述安装盘支架上；所述温度传感器和所述压力传感器均固定设置在所述釜盖上；
所述传感器安装盘内设置有通孔，所述通孔内贯穿设置有刚好可以卡在所述通孔内的对磨盘状试样，所述对磨盘状试样内设置有配合孔，所述配合孔中贯穿设置有对磨管状试样，所述对磨管状试样套设在所述传动杆上，并通过试样卡具紧固在所述柔性套筒的底端；
所述传感器安装盘上围绕所述对磨盘状试样固定设置有位移传感器和力传感器；所述力传感器卡紧所述对磨盘状试样，使之固定在所述传感器安装盘内的通孔中。
所述传动杆上还套设有支点轴承，所述第一激振器和所述第二激振器均架设在激励器支架上，两个所述激励器支架均通过连接杆与所述支点轴承固定连接。
所述支点轴承为万向轴承。
所述位移传感器沿所述第一激振杆和所述第二激振杆所在的直线设置，所述力传感器与所述第一激振杆和所述第二激振杆所在直线呈45°设置。
所述位移传感器的数量为四个，所述力传感器的数量为两个。
所述第一激振器和所述第二激振器均与信号发射器连接，所述位移传感器、所述力传感器、所述温度传感器和所述压力传感器均与数据采集设备连接，所述信号发射器和所述数据采集设备均与总控制器连接。
所述力传感器通过力传感器卡具固定在所述安装盘支架上，所述位移传感器通过位移传感器卡具固定在所述安装盘支架上。
所述高压釜上设置有高温出线接口，连接所述位移传感器与所述数据采集设备、和连接所述力传感器与所述数据采集设备的信号线贯穿所述高温出线接口。
一种高温高压冲击滑动复合微动磨损实验方法，包括以下步骤：
S1、将对磨盘状试样嵌入传感器安装盘的通孔中，使对磨盘状试样刚好能够卡在传感器安装盘中，再将对磨管状试样穿过对磨盘状试样中的配合孔，由试样卡具将对磨管状试样固定在柔性套筒上；
S2、安装好位移传感器和力传感器，将传感器安装盘套在安装盘支架的底部并用锁紧螺母固定住传感器安装盘的高度，并在釜盖上固定安装温度传感器和压力传感器，再将传感器安装盘的上端固定在釜盖上；
S3、在高压釜中加入适量的水，并将釜盖盖在高压釜上并密封，然后通过加热炉对高压釜进行加热，通过温度传感器和压力传感器监测高压釜内的压力和温度，并调整加热炉的功率，使高压釜内的压力和温度稳定地保持在预设压力和预设温度条件下；
S4、利用总控制器输出指令给信号发生器来启动第一激振器，利用传动杆为杠杆，支点轴承作为支点，对柔性套筒施加作用力，进而使对磨管状试样与安装在传感器安装盘内的对磨盘状试样发生冲击，同时，通过力传感器与位移传感器将冲击过程中产生的力和位移记录在数据采集设备上；
S5、将对磨管状试样和对磨盘状试样取出后，利用超声或者震荡对表面进行清洗后，对表面轮廓和形貌进行分析，将磨损前表面轮廓和磨损后轮廓做差，计算得到磨损体积，即得到单向冲击磨损量的结果；
S6、利用总控制器输出指令给信号发生器来启动第一激振器和第二激振器，利用传动杆为杠杆，支点轴承作为支点，对柔性套筒施加双向的作用力，进而使对磨管状试样与安装在传感器安装盘内的对磨盘状试样发生冲击，同时，通过力传感器与位移传感器将冲击过程中产生的力和位移记录在数据采集设备上；
S7、将对磨管状试样和对磨盘状试样取出后，利用超声或者震荡对表面进行清洗后，对表面轮廓和形貌进行分析，将磨损前表面轮廓和磨损后轮廓做差，计算得到磨损体积，即得到双向冲击磨损量的结果。
步骤S7具体为：将对磨管状试样和对磨盘状试样取出后，放于无水乙醇中，利用超声或者震荡对表面进行清洗5-10min后，使用3D激光轮廓仪或者白光干涉显微镜对表面轮廓和形貌进行分析，获取精度为1μm的三维表面轮廓结果，通过将磨损前表面轮廓和磨损后轮廓做差计算可以得到磨损体积。
本发明与现有技术相比的有益效果是：设计由激振器、激振杆、连接器、万向轴承和传动杆等部件构成的传动机构，解决了高温高压下的双向加载实现研究滑移、冲击以及冲击滑移复合形式的微动磨损；通过力传感器和位移传感器同时记录微小运动产生的力和位移，来计算冲击滑移复合微动磨损结果，来研究和防治松支撑下的微动磨损；通过温度-压力控制系统可以实现不同温度和压力条件下的高温磨损实验。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是釜盖处的局部放大图。
图3是传感器安装盘处的局部放大图。
图4是本发明釜盖以上的部分的俯视图。
图5是传感器安装盘的俯视图。
附图标记：1-第一激振器；2-第一激振杆；3-连接器；4-第二激振杆；5-第二激振器；6-传动杆；7-支点轴承；8-激振器支架；9-釜盖；10-高压釜；11-安装盘支架；12-传感器安装盘；13-位移传感器；14-力传感器；15-加热炉；16-釜底座；17-试样卡具；18-高温出线接口；19-对磨管状试样；20-对磨盘状试样；21-柔性套筒；22-温度传感器；23-压力传感器；24-总控制器；25-数据采集设备；26-信号发生器；27-位移传感器卡具；28-力传感器卡具。
具体实施方式
下面根据具体实施方式对本发明做进一步阐述。
如图1-5所示的高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置，包括第一激振器1、第一激振杆2、连接器3、第二激振杆4、第二激振器5和传动杆6，第一激振器1与第一激振杆2固定连接，第二激振杆4与第二激振器5固定连接，第一激振杆2与第二激振杆4垂直设置，第一激振杆2和第二激振杆4的端部均与连接器3固定连接，连接器3固定设置在传动杆6上。
高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置还包括：高压釜10、釜盖9、釜支架16和加热炉15，高压釜10设置在釜支架16上，加热炉15围绕高压釜10设置；釜盖9盖设在高压釜10顶端，并且釜盖9与高压釜10之间密封；传动杆6贯穿釜盖9且底端设置在高压釜10内。
高压釜10内设置有安装盘支架11、柔性套筒21、传感器安装盘12、温度传感器22和压力传感器23，安装盘支架11和柔性套筒21的顶端均与釜盖9固定连接，柔性套筒21套设传动杆6上，安装盘支架11的下端贯穿传感器安装盘12，传感器安装盘12通过锁紧螺母固定在安装盘支架11上；传动杆6和柔性套筒21通过螺纹固定连接。安装盘支架11底端与传感器安装盘12通过螺纹固定连接。
温度传感器22和压力传感器23均固定设置在釜盖9上。
传感器安装盘12内设置有通孔，通孔内贯穿设置有刚好可以卡在通孔内的对磨盘状试样20，对磨盘状试样20内设置有配合孔，配合孔中贯穿设置有对磨管状试样19，对磨管状试样19套设在传动杆6上，并通过试样卡具17紧固在柔性套筒21的底端。
传感器安装盘12上围绕对磨盘状试样20固定设置有位移传感器13和力传感器14；力传感器14卡紧对磨盘状试样20，使之固定在传感器安装盘12内的通孔中。本实施例中，力传感器14通过力传感器卡具28固定在安装盘支架11上，位移传感器13通过位移传感器卡具27固定在安装盘支架11上。
传动杆6上还套设有支点轴承7，第一激振器1和第二激振器5均架设在激励器支架8上，两个激励器支架8均通过连接杆与支点轴承7固定连接。本实施例中，支点轴承7采用万向轴承，作为传动的支点，固定在支架上。
位移传感器13沿第一激振杆2和第二激振杆4所在的直线设置，力传感器14与第一激振杆2和第二激振杆4所在直线呈45°设置。本实施例中，位移传感器13的数量为四个，力传感器14的数量为两个。
第一激振器1和第二激振器5均与信号发射器26连接，位移传感器13、力传感器14、温度传感器22和压力传感器23均与数据采集设备25连接，信号发射器26和数据采集设备25均与总控制器24连接。温度传感器22、压力传感器23、信号发射器26、数据采集设备25、和总控制器24共同组成了温度-压力控制系统。本实施例中，总控制器24为计算机终端。高压釜10上设置有高温出线接口18，连接位移传感器13与数据采集设备25、和连接力传感器14与数据采集设备25的信号线贯穿高温出线接口18。
采用上述装置进行高温高压冲击滑动复合微动磨损实验方法，包括以下步骤：
S1、将对磨盘状试样20嵌入传感器安装盘12的通孔中，使对磨盘状试样20刚好能够卡在传感器安装盘12中，再将对磨管状试样19穿过对磨盘状试样20中的配合孔，由试样卡具17将对磨管状试样19固定在柔性套筒21上；
S2、安装好位移传感器13和力传感器14，将传感器安装盘12套在安装盘支架11的底部并用锁紧螺母固定住传感器安装盘12的高度，并在釜盖9上固定安装温度传感器22和压力传感器23，再将传感器安装盘12的上端固定在釜盖9上；
S3、在高压釜10中加入适量的水，并将釜盖9盖在高压釜10上并密封，然后通过加热炉15对高压釜10进行加热，通过温度传感器22和压力传感器23监测高压釜10内的压力和温度，并调整加热炉15的功率，使高压釜10内的压力和温度稳定地保持在预设压力和预设温度条件下；
S4、利用总控制器24输出指令给信号发生器26来启动第一激振器1，利用传动杆6为杠杆，支点轴承7作为支点，对柔性套筒21施加作用力，进而使对磨管状试样19与安装在传感器安装盘12内的对磨盘状试样20发生冲击，同时，通过力传感器14与位移传感器13将冲击过程中产生的力和位移记录在数据采集设备25上；
S5、将对磨管状试样19和对磨盘状试样20取出后，利用超声或者震荡对表面进行清洗后，对表面轮廓和形貌进行分析，将磨损前表面轮廓和磨损后轮廓做差，计算得到磨损体积，即得到单向冲击磨损量的结果；
S6、利用总控制器24输出指令给信号发生器26来启动第一激振器1和第二激振器5，利用传动杆6为杠杆，支点轴承7作为支点，对柔性套筒21施加双向的作用力，进而使对磨管状试样19与安装在传感器安装盘12内的对磨盘状试样20发生冲击，同时，通过力传感器14与位移传感器13将冲击过程中产生的力和位移记录在数据采集设备25上；
S7、将对磨管状试样19和对磨盘状试样20取出后，利用超声或者震荡对表面进行清洗后，采用3D激光轮廓仪或白光干涉显微镜对表面轮廓和形貌进行分析，将磨损前表面轮廓和磨损后轮廓做差，计算得到磨损体积，即得到双向冲击磨损量的结果。
步骤S7具体为：将对磨管状试样19和对磨盘状试样20取出后，放于无水乙醇中，利用超声或者震荡对表面进行清洗5-10min后，使用3D激光轮廓仪或者白光干涉显微镜对表面轮廓和形貌进行分析，获取精度为1μm的三维表面轮廓结果，通过将磨损前表面轮廓和磨损后轮廓做差计算可以得到磨损体积。
本实施例中，利用超声对表面进行清洗8min后，采用3D激光轮廓仪，对试样对表面轮廓和形貌进行分析。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；对于本领域的技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置，包括第一激振器(1)、第一激振杆(2)、连接器(3)、第二激振杆(4)、第二激振器(5)和传动杆(6)，所述第一激振器(1)与所述第一激振杆(2)固定连接，所述第二激振杆(4)与所述第二激振器(5)固定连接，所述第一激振杆(2)与所述第二激振杆(4)垂直设置，所述第一激振杆(2)和所述第二激振杆(4)的端部均与所述连接器(3)固定连接，所述连接器(3)固定设置在所述传动杆(6)上，其特征是，
所述高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置还包括：高压釜(10)、釜盖(9)、釜支架(16)和加热炉(15)，所述高压釜(10)设置在所述釜支架(16)上，所述加热炉(15)围绕所述高压釜(10)设置；所述釜盖(9)盖设在所述高压釜(10)顶端，并且所述釜盖(9)与所述高压釜(10)之间密封；所述传动杆(6)贯穿所述釜盖(9)且底端设置在所述高压釜(10)内；
所述高压釜(10)内设置有安装盘支架(11)、柔性套筒(21)、传感器安装盘(12)、温度传感器(22)和压力传感器(23)，所述安装盘支架(11)和所述柔性套筒(21)的顶端均与所述釜盖(9)固定连接，所述柔性套筒(21)套设所述传动杆(6)上，所述安装盘支架(11)的下端贯穿所述传感器安装盘(12)，所述传感器安装盘(12)通过锁紧螺母固定在所述安装盘支架(11)上；所述温度传感器(22)和所述压力传感器(23)均固定设置在所述釜盖(9)上；
所述传感器安装盘(12)内设置有通孔，所述通孔内贯穿设置有刚好可以卡在所述通孔内的对磨盘状试样(20)，所述对磨盘状试样(20)内设置有配合孔，所述配合孔中贯穿设置有对磨管状试样(19)，所述对磨管状试样(19)套设在所述传动杆(6)上，并通过试样卡具(17)紧固在所述柔性套筒(21)的底端；
所述传感器安装盘(12)上围绕所述对磨盘状试样(20)固定设置有位移传感器(13)和力传感器(14)；所述力传感器(14)卡紧所述对磨盘状试样(20)，使之固定在所述传感器安装盘(12)内的通孔中。
2.根据权利要求1所述的高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置，其特征是，所述传动杆(6)上还套设有支点轴承(7)，所述第一激振器(1)和所述第二激振器(5)均架设在激励器支架(8)上，两个所述激励器支架(8)均通过连接杆与所述支点轴承(7)固定连接。
3.根据权利要求2所述的高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置，其特征是，所述支点轴承(7)为万向轴承。
4.根据权利要求1所述的高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置，其特征是，所述位移传感器(13)沿所述第一激振杆(2)和所述第二激振杆(4)所在的直线设置，所述力传感器(14)与所述第一激振杆(2)和所述第二激振杆(4)所在直线呈45°设置。
5.根据权利要求4所述的高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置，其特征是，所述位移传感器(13)的数量为四个，所述力传感器(14)的数量为两个。
6.根据权利要求1所述的高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置，其特征是，所述第一激振器(1)和所述第二激振器(5)均与信号发射器(26)连接，所述位移传感器(13)、所述力传感器(14)、所述温度传感器(22)和所述压力传感器(23)均与数据采集设备(25)连接，所述信号发射器(26)和所述数据采集设备(25)均与总控制器(24)连接。
7.根据权利要求1所述的高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置，其特征是，所述力传感器(14)通过力传感器卡具(28)固定在所述安装盘支架(11)上，所述位移传感器(13)通过位移传感器卡具(27)固定在所述安装盘支架(11)上。
8.根据权利要求6所述的高温高压冲击滑动复合微动磨损实验装置，其特征是，所述高压釜(10)上设置有高温出线接口(18)，连接所述位移传感器(13)与所述数据采集设备(25)、和连接所述力传感器(14)与所述数据采集设备(25)的信号线贯穿所述高温出线接口(18)。
9.一种高温高压冲击滑动复合微动磨损实验方法，其特征是，包括以下步骤：
S1、将对磨盘状试样(20)嵌入传感器安装盘(12)的通孔中，使对磨盘状试样(20)刚好能够卡在传感器安装盘(12)中，再将对磨管状试样(19)穿过对磨盘状试样(20)中的配合孔，由试样卡具(17)将对磨管状试样(19)固定在柔性套筒(21)上；
S2、安装好位移传感器(13)和力传感器(14)，将传感器安装盘(12)套在安装盘支架(11)的底部并用锁紧螺母固定住传感器安装盘(12)的高度，并在釜盖(9)上固定安装温度传感器(22)和压力传感器(23)，再将传感器安装盘(12)的上端固定在釜盖(9)上；
S3、在高压釜(10)中加入适量的水，并将釜盖(9)盖在高压釜(10)上并密封，然后通过加热炉(15)对高压釜(10)进行加热，通过温度传感器(22)和压力传感器(23)监测高压釜(10)内的压力和温度，并调整加热炉(15)的功率，使高压釜(10)内的压力和温度稳定地保持在预设压力和预设温度条件下；
S4、利用总控制器(24)输出指令给信号发生器(26)来启动第一激振器(1)，利用传动杆(6)为杠杆，支点轴承(7)作为支点，对柔性套筒(21)施加作用力，进而使对磨管状试样(19)与安装在传感器安装盘(12)内的对磨盘状试样(20)发生冲击，同时，通过力传感器(14)与位移传感器(13)将冲击过程中产生的力和位移记录在数据采集设备(25)上；
S5、将对磨管状试样(19)和对磨盘状试样(20)取出后，利用超声或者震荡对表面进行清洗后，对表面轮廓和形貌进行分析，将磨损前表面轮廓和磨损后轮廓做差，计算得到磨损体积，即得到单向冲击磨损量的结果；
S6、利用总控制器(24)输出指令给信号发生器(26)来启动第一激振器(1)和第二激振器(5)，利用传动杆(6)为杠杆，支点轴承(7)作为支点，对柔性套筒(21)施加双向的作用力，进而使对磨管状试样(19)与安装在传感器安装盘(12)内的对磨盘状试样(20)发生冲击，同时，通过力传感器(14)与位移传感器(13)将冲击过程中产生的力和位移记录在数据采集设备(25)上；
S7、将对磨管状试样(19)和对磨盘状试样(20)取出后，利用超声或者震荡对表面进行清洗后，对表面轮廓和形貌进行分析，将磨损前表面轮廓和磨损后轮廓做差，计算得到磨损体积，即得到双向冲击磨损量的结果。
10.根据权利要求9所述的高温高压冲击滑动复合微动磨损实验方法，其特征是，步骤S7具体为：将对磨管状试样(19)和对磨盘状试样(20)取出后，放于无水乙醇中，利用超声或者震荡对表面进行清洗5-10min后，使用3D激光轮廓仪或者白光干涉显微镜对表面轮廓和形貌进行分析，获取精度为1μm的三维表面轮廓结果，通过将磨损前表面轮廓和磨损后轮廓做差计算可以得到磨损体积。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104374661A (zh) * 2014-11-28 2015-02-25 中国科学院金属研究所 一种高温高压原位复合微动磨损试验装置
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CN110470557A (zh) * 2019-08-21 2019-11-19 天津大学 一种冲击滑移复合微动磨损实验装置
CN209894623U (zh) * 2019-03-07 2020-01-03 中国科学院金属研究所 一种卧式高温高压水原位切向微动磨损测试装置

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