CN112147068A - 一种采用对称加载的高速高温摩擦磨损试验台 - Google Patents

Abstract

一种采用对称加载的高速高温摩擦磨损试验台，属于高速高温摩擦磨损试验领域；包括底座、驱动模块、试验模块、加热模块和测量监测模块，分别通过驱动模块和加热模块对试验模块提供动力和高温环境；驱动模块的高速电主轴通过装夹机构固定于底板一端，高速电主轴输出轴通过柔性联轴器与试验模块连接；试验模块包括机械轴、轴承、轴承座和加载装置；机械轴两端分别通过轴承和轴承座支撑安装于底板另一端；试环通过模块式试环安装座同轴安装于所述机械轴的中部，由高速电主轴驱动、带动试环同步旋转；两个加载装置以机械轴的中心轴对称，固定于底板上；试验转速最高可达30000转/分，试环和试块接触点处线速度最高可达400m/s，且试验稳定进行完成测量功能。

Description

一种采用对称加载的高速高温摩擦磨损试验台

技术领域

本发明属于高速高温摩擦磨损试验领域，具体涉及一种采用对称加载的高速高温摩擦磨损试验台。

背景技术

航空发动机中的密封、轴承等典型摩擦学部件的滑动摩擦副需要工作在高速、高温等趋近当前材料使用极限的苛刻工作条件下，密封等摩擦副常因表面接触应力过高、摩擦生热加剧及润滑失效而发生磨损加剧现象，从而导致密封失效。为了满足航空发动机向着大推重比、高可靠性和长寿命发展的趋势，密封等零部件的材料特性及其结构需要不断改进。因此，开展高速高温摩擦学特性的研究，设计高速高温摩擦磨损试验台，对推动航空发动机密封技术的发展有重要理论和实际应用价值。

目前应用的摩擦磨损试验装置都是采用电机作为驱动装置，用齿轮、皮带等传动方式来连接试验器，试验转速十分有限且无法保证电机安全，并且试件所采用加载方式多为竖直单方向加载，轴上增加径向力，采用大加载力时在主轴高速转动条件下无法保证轴转速不超过临界转速，且轴承所受载荷过大造成寿命严重降低，从而制约着高转速、大加载力在试验中的应用。此外，目前试验装置由于试验机整体、加热和保温装置的功能和尺寸限制，无法在高转速高线速度的同时实现500℃以上的试验条件，限制了试验条件的选择以及高温摩擦机理的探索，或者加热器为固定安装，试验试件无法灵活拆卸且无模块式设计。试件方面多为环形试件和圆柱形或方形试块，采用两侧支撑时不利于更换，更换时由于轴承和轴承座的多次重新安装，多次试验的拆装较为复杂且无法保证重复安装精度。

发明内容

要解决的技术问题：

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种采用对称加载的高速高温摩擦磨损试验台，在保证可达到高速、高温、大加载力严苛工况的情况下，完成不同形状摩擦副试验件的配对，且可更改不同设定试验工况和多次更换试件，测量得到设定工况下的两种材料的摩擦系数。

本发明的技术方案是：一种采用对称加载的高速高温摩擦磨损试验台，其特征在于：包括底座、驱动模块、试验模块、加热模块和测量监测模块，分别通过驱动模块和加热模块对试验模块提供动力和高温环境；所述底座位于整个试验台的底部，用于支撑整个装置；

所述驱动模块包括装夹机构和高速电主轴，所述高速电主轴通过装夹机构固定于底板一端的正上方，其输出轴通过柔性联轴器与试验模块连接；通过调节装夹机构的高度调节高速电主轴的中心轴位置；

所述试验模块包括机械轴、轴承、轴承座和加载装置；所述机械轴为与柔性联轴器同轴连接的阶梯轴，其两端分别通过轴承和轴承座支撑安装于底板另一端的正上方；试环通过模块式试环安装座同轴安装于所述机械轴的中部，由所述高速电主轴驱动柔性联轴器和机械轴，带动试环同步旋转；两个加载装置以机械轴的中心轴对称，固定于底板上、并位于试环的两侧；

所述加载装置的轴向与试环的径向平行，包括加载螺母、第一加载弹簧、第二加载弹簧、螺杆、第一套筒、第二套筒、力传感器、重力平衡器、应变片、定位板、支承板和试块装夹组件；所述支撑板底部固定于底座上，其上部开有通孔；所述定位板通过螺栓和螺母平行安装于支撑板的一侧，其中心轴处开有阶梯孔，与所述支撑板的通孔同轴；所述螺杆一端通过第一套筒同轴安装于定位板的阶梯孔内，端头伸出第一套筒底部的通孔与所述加载螺母配合安装，其另一端同轴套装有第一加载弹簧并与所述力传感器的一端同轴连接；所述试块装夹组件包括阶梯轴和试块固定座，试块通过试块固定座同轴安装于所述阶梯轴的一端，并与试环的外周面相对；所述第二加载弹簧一端套装于阶梯轴的另一端，通过阶梯轴外周面上的阶梯面进行限位，另一端同轴装入所述第二套筒内；第二套筒的底部与所述力传感器的另一端同轴连接；所述重力平衡器固定于连接定位板和支承板之间的螺栓上，通过弹簧与第二套筒连接，用于提供轴向的拉力；所述应变片设置于支承板的通孔内壁上，用于捕捉试验中试环与试块之间的摩擦力；通过旋转所述加载螺母，将加载螺母的周向运动转换为第一套筒的直线运动，依次沿推动第一加载弹簧、力传感器、第二套筒、第二加载弹簧、试块装夹组件沿轴向运动，进而调整试块与试环之间的距离；

所述加热模块为加热器，固定于底板上、并位于两个轴承座之间，包括壳体、保温层和电阻加热环，所述壳体为中空的圆柱结构，与所述机械轴同轴，所述试环位于其内；壳体外周面上对称开有两个径向通孔，用于插入所述试块；所述壳体内壁面设置有保温层，所述电阻加热环同轴固定于所述保温层的侧壁周面上；

所述测量监测模块用于测量试验中的各项试验指标。

本发明的进一步技术方案是：所述模块式试环安装座通过螺栓与机械轴固定连接，试环通过螺栓固定于模块式试环安装座上；不同规格试环使用对应的模块式试环安装座，根据不同类型的摩擦磨损试验需求进行更换。

本发明的进一步技术方案是：所述轴承座内设置有环形冷却水道，用于降低旋转时机械轴传到轴承处的热量。

本发明的进一步技术方案是：所述轴承座包括第一层轴承座、第二层轴承座和轴承盖；所述第二层轴承座底部固定于底板上，上部开有与所述机械轴同轴的阶梯通孔，靠近阶梯通孔内周面处开有冷水入水通孔和冷水出水通道；所述第一层轴承座为套筒结构，通过一对轴承套装于所述机械轴上，并同轴从第二层轴承座阶梯通孔一端插入，其一端的外周面设置有环形凸台，与所述第二层轴承座的阶梯通孔的阶梯面配合限位；第一层轴承座外周面上开有多个相互连通的环形凹槽，并与所述冷水入水通孔和冷水出水通道连通，作为轴承座的冷却水道；所述轴承盖为圆盘结构，同轴安装于第二层轴承座阶梯通孔的另一端。

本发明的进一步技术方案是：所述轴承座上开有油路通道，用于给轴承加油。

本发明的进一步技术方案是：所述测量监测模块包括加载力测量装置、加载摩擦力测量装置、温度测量装置和振动测量模块，所述加载力测量装置为力传感器，实时完成对加载力数值的采集；所述加载摩擦力测量装置为应变片，实时测量实验中试环与试块间的摩擦力；所述温度测量装置设置于加热器上，实时测量加热温度；所述振动测量模块用于监测试验中整个装置的振动情况，振动超出试验安全范围时及时停机。

本发明的进一步技术方案是：所述底座为上表面开有若干T形槽，通过螺栓和螺母固定位于其上的各部件。

本发明的进一步技术方案是：所述加热模块的壳体为上、下分体式结构，便于跟换实验设备。

有益效果

本发明的有益效果在于：

1.试验台使用高速电主轴作为主轴驱动模块，取消了由电机驱动主轴旋转工作的中间变速和传动装置(如齿轮、皮带、联轴节等)，机械结构简单、紧凑，噪声低。电主轴具有振动小、回转精度高、快速响应性好、机械效率高等优点。采用交流变频调速和矢量控制技术，输出功率大，调速范围宽，功率—扭矩特性好，可在额定转速范围实现无级调速，以适应各种负载和工况变化的需要；配套可调节装夹设备可实现精确的主轴定位，并实现很高的速度、加速度，动态精度和稳定性好，可满足高转速、精度和对中度的需要。试验转速最高可达30000转/分，试环和试块接触点处线速度最高可达400m/s，且试验稳定进行完成测量功能。

2.试验台使用柔性联轴器连接电主轴与机械轴，保证对中的同时使得试验器模块出现故障时对驱动模块不造成破坏。

3.由于试验要求转速及线速度较高且机械轴跨度较大，只采用单一方向加载时使得机械轴上添加与加载力等值的径向力，高转速和大加载力同时实现时可能超过轴材料承受极限造成破坏失效且试验存在较大风险，故采用对称加载方式消除机械轴上的径向力，实现500N大加载力的可能。

4.试验台使用加热器为电阻式加热，设计有保温层防止热量散失以及隔离高温环境，可实现慢速、快速升温、稳定在一定温度、高温报警停机等功能，加热器独立于整个试验系统且安装制作精度要求较低,故加热器底部设有支撑脚置于试验底座上，不固定装夹，安装拆卸简单。加热器为筒状，水平分为上下两部分，一侧接合一侧可以开合来安装拆卸试环进行多次或更换模块进行多种试验。

5.机械轴前后两对轴承的轴承座均设置有冷却水道，冷却水快速流动带走试验器模块通过机械轴传导至轴承处的热量。轴承座为两层，第一层轴承座为筒状内圈与轴承外圈过盈配合，第一层轴承座外圈设置有冷却水道并且与第二层轴承座采用热装方式安装，其间使用密封环密封，安装完成后为一体，无故障不再拆卸。

6.为实现多次试验试环的方便更换，在试验模块机械轴的中段设置有模块式试环安装装置，通过螺栓连接在机械轴上。试环也通过螺栓连接在安装装置上，可在单次试验后拆卸更换试环进行新的同种试验，也可通过更换不同种模块以及配套加载测量装置进行不同种类的摩擦磨损试验。

7.为实现对称加载，选择水平加载方式，将试块安装在试块安装装置中，通过扭紧螺栓夹紧试块，同时将试块安装装置整体安装在支承板上，通过内孔壁上的应变片捕捉试环与试块间的摩擦力。通过加载螺栓和加载弹簧提供加载力，通过力传感器捕捉试验加载力，在加载装置中部设置装置平衡自身重力，以保证试验测量准确。

附图说明

图1是本发明采用对称加载的高速高温摩擦磨损试验台的主视局部剖视图；

图2是试验台右视局部剖视图。

附图标记说明：1.底座，2.装夹机构，3.高速电主轴，4.柔性联轴器，5.机械轴，6.左侧轴承盖，7.轴承，8.第一层轴承座，9.第二层轴承座，10.加热器，11.保温层，12.电阻加热环，13.模块式试环安装座，14.试环，15.第一层轴承座，16.轴承，17.第二层轴承座，18.右侧轴承盖，19.加载螺母，20.第一加载弹簧，21.力传感器，22.重力平衡器，23.第二加载弹簧，24.应变片，25.支承板，26.试块装夹组件，27.试块，28、螺杆，29、第一套筒，30、第二套筒，31、定位板。

具体实施方式

下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

参照图1所示，本发明一种采用对称加载的高速高温摩擦磨损试验台包括底座1、驱动模块、试验模块、加热模块和测量监测模块，分别通过驱动模块和加热模块对试验模块提供动力和高温环境；底座1位于整个试验台的底部，用于支撑整个试验台；底座1为上表面开有若干T形槽，通过螺栓和螺母固定位于其上的各部件。

所述驱动模块包括装夹机构2和高速电主轴3，高速电主轴3通过装夹机构2固定于底板1一端的正上方，其输出轴通过柔性联轴器4与试验模块连接；通过调节装夹机构2的高度调节高速电主轴3的中心轴位置；

所述试验模块包括机械轴5、轴承、轴承座和加载装置；机械轴5为与柔性联轴器4同轴连接的阶梯轴，其两端分别通过轴承和轴承座支撑安装于底板1另一端的正上方；试环14通过模块式试环安装座13同轴安装于机械轴5的中部，由高速电主轴3驱动柔性联轴器4和机械轴5，带动试环14同步旋转；模块式试环安装座13通过螺栓与机械轴5固定连接，试环14通过螺栓固定于模块式试环安装座13上；不同规格试环使用对应的模块式试环安装座13，根据不同类型的摩擦磨损试验需求进行更换。

所述轴承座内设置有环形冷却水道，用于降低旋转时机械轴传到轴承处的热量。轴承座包括第一层轴承座8、第二层轴承座9和轴承盖；第二层轴承座8底部固定于底板1上，上部开有与机械轴5同轴的阶梯通孔，靠近阶梯通孔内周面处开有冷水入水通孔和冷水出水通道；第一层轴承座8为套筒结构，通过一对轴承套装于机械轴5上，并同轴从第二层轴承座9阶梯通孔一端插入，其一端的外周面设置有环形凸台，与第二层轴承座9的阶梯通孔的阶梯面配合限位；第一层轴承座8外周面上开有多个相互连通的环形凹槽，并与所述冷水入水通孔和冷水出水通道连通，作为轴承座的冷却水道；所述轴承盖为圆盘结构，同轴安装于第二层轴承座阶梯通孔的另一端。所述轴承座上开有油路通道，用于给轴承加油。

参照图2所示，两个加载装置以机械轴5的中心轴对称，固定于底板1上、并位于试环14的两侧；所述加载装置的轴向与试环14的径向平行，包括加载螺母19、第一加载弹簧20、第二加载弹簧23、螺杆28、第一套筒29、第二套筒30、力传感器21、重力平衡器22、定位板31、支承板25和试块装夹组件26；支撑板25底部固定于底座1上，其上部开有通孔；定位板31通过螺栓和螺母平行安装于支撑板25的一侧，其中心轴处开有阶梯孔，与支撑板25的通孔同轴；螺杆28一端通过第一套筒29同轴安装于定位板31的阶梯孔内，端头伸出第一套筒29底部的通孔与加载螺母19配合安装，其另一端同轴套装有第一加载弹簧20并与力传感器21的一端同轴连接；试块装夹组件24包括阶梯轴和试块固定座，试块27通过试块固定座同轴安装于所述阶梯轴的一端，并与试环的外周面相对；第二加载弹簧23一端套装于阶梯轴的另一端，通过阶梯轴外周面上的阶梯面进行限位，另一端同轴装入第二套筒30内；第二套筒30的底部与力传感器21的另一端同轴连接；重力平衡器22固定于连接定位板31和支承板25之间的螺栓上，通过弹簧与第二套筒30连接，用于提供轴向的拉力；应变片24设置于支承板25的通孔内壁上，用于捕捉试验中试环14与试块27之间的摩擦力；通过旋转加载螺母19，将加载螺母19的周向运动转换为第一套筒29的直线运动，依次沿推动第一加载弹簧20、力传感器21、第二套筒30、第二加载弹簧23、试块装夹组件26沿轴向运动，进而调整试块27与试环14之间的距离；

所述加热模块固定于底板1上、并位于两个轴承座之间，包括壳体、保温层11和电阻加热环12，所述壳体为中空的圆柱结构，与机械轴5同轴，试环14位于其内；壳体外周面上对称开有两个径向通孔，用于插入试块27；所述壳体内壁面设置有保温层11，电阻加热环12同轴固定于保温层11的侧壁周面上；加热模块的壳体为上、下分体式结构，便于跟换实验设备。

所述测量监测模块用于测量试验中的各项试验指标，包括加载力测量装置、加载摩擦力测量装置、温度测量装置和振动测量模块，所述加载力测量装置为力传感器21，实时完成对加载力数值的采集；所述加载摩擦力测量装置为应变片24，实时测量实验中试环与试块间的摩擦力；所述温度测量装置设置于加热器10上，实时测量加热温度；所述振动测量模块用于监测试验中整个装置的振动情况，振动超出试验安全范围时及时停机。

作业状态：高速电主轴3通过柔性联轴器4带动机械轴5旋转从而带动主轴上试环14转动，使其与试块27在加载装置设定的加载力的作用下接触摩擦，实现高转速和大加载力摩擦条件。通过试环14的尺寸保证高线速度摩擦条件，同时采用对称加载的方式消除机械轴上的径向力。加热器10为试验提供设定温度的高温环境，实现高温摩擦条件。水冷机通过第一层轴承座8、15中的水冷管道在高速电主轴3运转以及加热器10工作时通过循环恒温冷却水带走机械轴5上传导的热，使得轴承区域的温度较为稳定，防止高温影响轴承性能和寿命。

可拆卸的试块装夹组件26用来装夹试块，且由支承板25提供全部支撑，故支承板25孔内壁上的应变片24可实时完全捕捉试环14与试块的摩擦力。通过加载螺母19的扭紧和加载弹簧20、23的压缩为试验提供加载力，其中的力传感器21实时获得其加载力大小。

组装次序：固定带有T型槽的底座1后，首先根据定位使用其配套装夹安装高速电主轴3，其次采用热装轴承座的方式将两侧轴承、冷却水道与轴承座装配，装配后轴承、冷却水道与轴承座组合在一起，无故障情况不再拆卸，以保证其精度与密封性。在将靠近高速电主轴3侧的装配完成一体的轴承座安装在T型槽上后，安装机械主轴，使用柔性联轴器4连接机械轴5与高速电主轴3伸出端，机械轴5靠近高速电主轴3侧由轴承支承，远离电主轴侧使用高强度尼龙带或底座暂做支承。然后根据定位安装加热器10，通过螺栓安装模块式试环安装座13，根据定位安装远离高速电主轴3侧装配完成一体的轴承座，微调轴承座高度，保证轴与两侧轴承的水平与对中性。最后安装左右两侧试块装夹座13，首先固定支承板25，然后安装试块27以及夹紧试块安装组件，安装重力平衡器22、力传感器21，依次套入两个加载弹簧，安装加载螺母。左右两侧完全相同且对称，安装完成。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (8)

1.一种采用对称加载的高速高温摩擦磨损试验台，其特征在于：包括底座、驱动模块、试验模块、加热模块和测量监测模块，分别通过驱动模块和加热模块对试验模块提供动力和高温环境；所述底座位于整个试验台的底部，用于支撑整个装置；

所述驱动模块包括装夹机构和高速电主轴，所述高速电主轴通过装夹机构固定于底板一端的正上方，其输出轴通过柔性联轴器与试验模块连接；通过调节装夹机构的高度调节高速电主轴的中心轴位置；

所述试验模块包括机械轴、轴承、轴承座和加载装置；所述机械轴为与柔性联轴器同轴连接的阶梯轴，其两端分别通过轴承和轴承座支撑安装于底板另一端的正上方；试环通过模块式试环安装座同轴安装于所述机械轴的中部，由所述高速电主轴驱动柔性联轴器和机械轴，带动试环同步旋转；两个加载装置以机械轴的中心轴对称，固定于底板上、并位于试环的两侧；

所述加载装置的轴向与试环的径向平行，包括加载螺母、第一加载弹簧、第二加载弹簧、螺杆、第一套筒、第二套筒、力传感器、重力平衡器、应变片、定位板、支承板和试块装夹组件；所述支撑板底部固定于底座上，其上部开有通孔；所述定位板通过螺栓和螺母平行安装于支撑板的一侧，其中心轴处开有阶梯孔，与所述支撑板的通孔同轴；所述螺杆一端通过第一套筒同轴安装于定位板的阶梯孔内，端头伸出第一套筒底部的通孔与所述加载螺母配合安装，其另一端同轴套装有第一加载弹簧并与所述力传感器的一端同轴连接；所述试块装夹组件包括阶梯轴和试块固定座，试块通过试块固定座同轴安装于所述阶梯轴的一端，并与试环的外周面相对；所述第二加载弹簧一端套装于阶梯轴的另一端，通过阶梯轴外周面上的阶梯面进行限位，另一端同轴装入所述第二套筒内；第二套筒的底部与所述力传感器的另一端同轴连接；所述重力平衡器固定于连接定位板和支承板之间的螺栓上，通过弹簧与第二套筒连接，用于提供轴向的拉力；所述应变片设置于支承板的通孔内壁上，用于捕捉试验中试环与试块之间的摩擦力；通过旋转所述加载螺母，将加载螺母的周向运动转换为第一套筒的直线运动，依次沿推动第一加载弹簧、力传感器、第二套筒、第二加载弹簧、试块装夹组件沿轴向运动，进而调整试块与试环之间的距离；

所述加热模块固定于底板上、并位于两个轴承座之间，包括壳体、保温层和电阻加热环，所述壳体为中空的圆柱结构，与所述机械轴同轴，所述试环位于其内；壳体外周面上对称开有两个径向通孔，用于插入所述试块；所述壳体内壁面设置有保温层，所述电阻加热环同轴固定于所述保温层的侧壁周面上；

所述测量监测模块用于测量试验中的各项试验指标。

2.根据权利要求1所述采用对称加载的高速高温摩擦磨损试验台，其特征在于：所述模块式试环安装座通过螺栓与机械轴固定连接，试环通过螺栓固定于模块式试环安装座上；不同规格试环使用对应的模块式试环安装座，根据不同类型的摩擦磨损试验需求进行更换。

3.根据权利要求1所述采用对称加载的高速高温摩擦磨损试验台，其特征在于：所述轴承座内设置有环形冷却水道，用于降低旋转时机械轴传到轴承处的热量。

4.根据权利要求1所述采用对称加载的高速高温摩擦磨损试验台，其特征在于：所述轴承座包括第一层轴承座、第二层轴承座和轴承盖；所述第二层轴承座底部固定于底板上，上部开有与所述机械轴同轴的阶梯通孔，靠近阶梯通孔内周面处开有冷水入水通孔和冷水出水通道；所述第一层轴承座为套筒结构，通过一对轴承套装于所述机械轴上，并同轴从第二层轴承座阶梯通孔一端插入，其一端的外周面设置有环形凸台，与所述第二层轴承座的阶梯通孔的阶梯面配合限位；第一层轴承座外周面上开有多个相互连通的环形凹槽，并与所述冷水入水通孔和冷水出水通道连通，作为轴承座的冷却水道；所述轴承盖为圆盘结构，同轴安装于第二层轴承座阶梯通孔的另一端。

5.根据权利要求4所述采用对称加载的高速高温摩擦磨损试验台，其特征在于：所述轴承座上开有油路通道，用于给轴承加油。

6.根据权利要求1所述采用对称加载的高速高温摩擦磨损试验台，其特征在于：所述测量监测模块包括加载力测量装置、加载摩擦力测量装置、温度测量装置和振动测量模块，所述加载力测量装置为力传感器，实时完成对加载力数值的采集；所述加载摩擦力测量装置为应变片，实时测量实验中试环与试块间的摩擦力；所述温度测量装置设置于加热器上，实时测量加热温度；所述振动测量模块用于监测试验中整个装置的振动情况，振动超出试验安全范围时及时停机。

7.根据权利要求1所述采用对称加载的高速高温摩擦磨损试验台，其特征在于：所述底座为上表面开有若干T形槽，通过螺栓和螺母固定位于其上的各部件。

8.根据权利要求1所述采用对称加载的高速高温摩擦磨损试验台，其特征在于：所述加热模块的壳体为上、下分体式结构，便于跟换实验设备。

Images