CN112378803A - 一种可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可针对试样进行电磁感应快速加热的销盘式高温摩擦磨损试验设备，包括用于夹持下试样片的试样夹持盘，所述试样夹持盘设置在旋转机构上，旋转机构驱动试样夹持盘呈现转轴竖直的转动状态，所述试样夹持盘的外围设置有感应加热线圈，所述试样夹持盘的上方位置设置有压力加载头，所述压力加载头竖直移动且实施对试样夹持盘上的下试样片的力矩加载，该种摩擦磨损试验机在实际使用时，将下试样片位于试样夹持盘上固定好后，启动压力加载头实施对下试样片片加载设定的压力，并且启动感应加热线圈，可快速实施对下试样片的高温加热，当加热到设定的温度后，启动旋转机构，可实施对下试样片的旋转，进而可获得高温下的下试样片片摩擦磨损实验数据。
Description
技术领域
本发明涉及试验设备技术领域，具体涉及一种可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机。
背景技术
高温摩擦试验机，顾名思义，是对高温环境下材料的摩擦磨损性能进行试验研究的设备。一方面在高温环境中工作的摩擦副可以通过实验选择合适的材料，另一方面实验测得摩擦因数及磨损数据有利于耐高温磨损材料的设计和研制。在轻量化热成形、航天航空等领域，一些摩擦副金属材料经常在高温环境下工作，而金属材料摩擦学性能是否优异需要经过实验测试评定，因此设计相应的高温摩擦试验机也就显得十分重要。
在20世纪末，Soemantri S等为了研究纯铜、纯铝颗粒的摩擦磨损性能，成功研制了高温摩擦磨损试验机。不久，Tischer A等对自行设计开发的试验机进行高温磨擦实验测试，发现加热温度、接触载荷、相对速度、材料所处的气体氛围等工况参数都能较好地实现调节。国内学者武文忠等为了研究高温下三体颗粒氧化磨损机制，基于Tischer A设计开发的试验机进行改善，研发出一台可加热20 ℃～900 ℃，接触压力0～70 N，转速30～90 r/min的高温摩擦试验机。兰州中科凯华科技开发有限公司研制了一种可以在不同惰性气体或大气环境中进行高温销盘摩擦实验的仪器，且产品已经商业化，该HT-1000型高温摩擦试验机最高加热温度可达1000 ℃，转速100～2800 r/min、载荷0.5～20 N，其主要优势在于温控系统严谨精确。一般来说，试验机的加热设备主要有电阻加热炉、电加热管、加热电极、电磁感应加热器等方式。上述高温摩擦磨损试验机多采用温控相对稳定的电阻炉加热方式，但加热到1000 ℃高温耗时长达30～60 min，受热的下试样片金属材料表面长时间在大气环境易产生大量氧化皮，干扰测试结果。此外，若针对热成形工况的板料下试样片，加热到指定高温后应该能立刻与模具销上试样接触进行摩擦实验，这便要求电阻炉采用敞开式，会导致加热效率低下及实验的不安全。同样，采用电加热管的方式，加热速度也较慢，长时间的高温氧化会严重影响试样表面形态。电极加热的前提是把电极片安装在待加热试样上，但不适用于销盘式摩擦副，需加热下盘试样在试验过程一直转动，不易于连接电极。
因此，现有技术中缺乏一种可针对试样进行电磁感应快速加热的销盘式高温摩擦磨损试验设备。
发明内容
本发明的目的是：提供一种摩擦磨损试验设备，能够针对试样进行快速加热，以检测出材料本身的摩擦学性能、以及金属材料表面添加剂或者涂层在不同温度、载荷和速度等工况条件下的使用性能。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机，包括用于夹持下试样片的试样夹持盘，所述试样夹持盘设置在旋转机构上，旋转机构驱动试样夹持盘呈现转轴竖直的转动状态，所述试样夹持盘的外围设置有感应加热线圈，所述试样夹持盘的上方位置设置有压力加载头，所述压力加载头竖直移动且实施对试样夹持盘上的下试样片的力矩加载。
本发明还存在下列技术特征：
所述感应加热线圈的周围设置有冷却装置，所述冷却装置用于实施对试样夹持盘及其附件的冷却散热。
所述试样夹持盘的上盘面设置有卡置下试样片的卡槽，所述卡槽的槽口设置有夹板，所述夹板与卡槽的槽口构成可拆式连接，所述夹板上设置有显露下试样片的开口，所述卡槽整体呈矩形且四个拐角处设置有弧形豁口。
所述旋转机构包括与试样夹持盘的下盘面中心连接的旋转主轴，所述旋转主轴竖直布置且下端与电动旋转台连接。
所述冷却装置包括套设在旋转主轴外的散热筒体，所述散热筒体的旁侧设置有散热风扇。
所述电动旋转台的上板面贴设有液冷水板，所述液冷水板上设置有进水口及出水口，所述进水口及出水口通过管路与换热器连通，所述液冷水板通过夹具与电动旋转台固定。
所述压力加载头固定在竖直长杆的下端，所述竖直长杆竖直滑动设置在直线轴承上，所述竖直长杆上设置有加载弹簧，所述加载弹簧的两端分别与竖直长杆的下端及直线轴承的下端抵靠，所述直线轴承固定在力传感器上，所述力传感器与丝杆螺母机构连接，丝杆螺母机构驱动力传感器竖直移动。
所述直线轴承与力传感器之间设置有隔热电木，所述竖直长杆伸出的上端设置有定位销。
所述隔热电木上通过夹具设置有散热板，所述散热板上设置有进水口及出水口，所述进水口及出水口通过管路与换热器连通。
所述散热筒体的外壁设置有散热翅片。
与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：该种摩擦磨损试验机在实际使用时，将下试样片位于试样夹持盘上固定好后，启动高频电磁感应加热器线圈，可快速实施对下试样片的高温加热，可控制温度为常温到1100 ℃，升温速度可达400～800 ℃/min，当加热到设定的温度后，启动压力加载头实施对下试样片加载设定的压力，再启动旋转机构，可实施对下试样片的旋转，进而可高效率地获得高温下的下试样片摩擦磨损实验数据。相对传统的电阻加热炉试验机，可以提高实验的加热效率15～20倍，试验机配备的水冷、风冷散热装置也可提高实验后试样及受热部件的冷却效率2～4倍，以便更快地更换试样进行下次试验。
附图说明
图1和图2是可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机的两种视角结构示意图；
图3是可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机剖开后的结构示意图；
图4是可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机移出壳体及压力加载头后的结构示意图；
图5是可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机的压力加载头的结构示意图；
图6是试样夹持盘及下试样片的结构示意图；
图7是试样夹持盘上端结构示意图；
图8是可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机箱体外结构示意图。
具体实施方式
结合图1至图8，对本发明的可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机作进一步地说明：
一种可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机，包括用于夹持下试样片的试样夹持盘100，所述试样夹持盘100设置在旋转机构上，旋转机构驱动试样夹持盘100呈现转轴竖直的转动状态，所述试样夹持盘100的外围设置有感应加热线圈200，所述试样夹持盘100的上方位置设置有压力加载头300，所述压力加载头300竖直移动且实施对试样夹持盘100上的下试样片的力矩加载；
通过试样夹持盘100将下试样片固定下来，打开计算机控制及数据采集系统软件，选择合适的试样夹持盘100转速，然后打开高频感应加热线圈200，调节功率加热试样至所需温度，最后控制压力加载头300与试样接触并加载至指定压力，从而实现高温下销-盘转动摩擦。实验过程中，可以通过对采集系统实时记录的试验数据进行观测总结。每组实验结束时，依次有序闭加热设备、运动装置、冷却系统，待试样盘温度降至安全范围内，再取下试样片编号保存。
为实施对温度的控制，所述感应加热线圈200的周围设置有冷却装置，所述冷却装置用于实施对试样夹持盘100及其附件的冷却散热。
所述冷却装置包括套设在旋转机构的旋转主轴510外的散热筒体410，所述散热筒体410的旁侧设置有散热风扇420；
所述电动旋转台520的上板面贴设有液冷水板430，所述液冷水板430上设置有进水口及出水口，所述进水口及出水口通过管路与换热器连通，所述液冷水板430通过夹具与电动旋转台520固定；
所述散热筒体410的外壁设置有散热翅片；
相较于传统的风冷散热方式，水冷效率要高出几十倍以上，因此在超高温度下保护摩擦实验设备应优先采取水冷的方式。该试验机被加热的高温区域主要集中在试样夹持盘100，其高温随旋转主轴510向下传导，但由于旋转主轴510在工作时一直处于旋转状态，不易于固定液冷水板以及安装导水管，综合考虑，该实验机采用风冷、水冷相结合的方式，保护试验机关键部位温度，预防过热；
一方面旋转主轴510选择隔热性能相对较好但精密加工的陶瓷材料，另一方面旋转主轴510上安装散热翅片，搭配单向开口的散热筒体410上散热风扇420构成风冷系统，使得不断从罩外进入的空气流经翅片间缝隙，散走翅片金属表面热量，避免旋转主轴510下方的电动旋转台520过热。感应线圈、加热设备内部构成一个密闭的液体循环系统，水箱中的泵将水吸入加热设备进水管，流经线圈铜管后从设备出水管又进入水箱，感应加热线圈200管表面吸收的高温试样散发的热量，通过管内流体循环流动散去，其他水冷结构主要由液冷水板、水泵、导水管、水箱等组成，液冷水板主要用于保护电动旋转台520上步进电机和升降横梁上的力传感器，直接固定在金属块表面接触散热。
散热筒体410为空心铝合金柱，固定在φ25 mm旋转主轴510上，翅片由里向外呈放射状分布，形状呈现“韭”字形，并且“韭”字外网单片上还有分支，整体外径达φ90 mm，增加与气流的接触，使用这种设计，一方面大大增加了翅片与空气的接触面积，另一方面在散热风扇420的强风作用下翅片传热面周围的空气流动程度加剧，从而有良好的散热效果，考虑到翅片体积较大，试验机隔热罩上并联安装两个参数规格相同的风扇进行散热，它们各自负责罩内两边对翅片的送风工作，风量为普通单风扇情况下的两倍。
具体地，所述试样夹持盘100的上盘面设置有卡置下试样片的卡槽110，所述卡槽110的槽口设置有夹板120，所述夹板120与卡槽110的槽口构成可拆式连接，所述夹板120上设置有显露下试样片的开口，所述卡槽110整体呈矩形且四个拐角处设置有弧形豁口111；
所述旋转机构包括与试样夹持盘100的下盘面中心连接的旋转主轴510，所述旋转主轴510竖直布置且下端与电动旋转台520连接；
由于试样夹持盘100尺寸相对较小，对于脆性材料试样进行试验，试样夹持盘100的加工，尤其是钻中心孔难度很大，因此采用螺栓直接固定不适合，设计成专用的试样盘夹紧装置既可以保证试样片旋转时的精度，又可以保证其整体性，对如三角形硬质合金、可专位车刀刀片等尺寸小、性脆、不易打中心孔等的试件的夹持有很大的优势。
试验机采用特制的试样夹持盘100，整体结构为圆柱形，直径φ36 mm，圆柱形结构易于与感应加热线圈配套，感应加热时试样盘受热比较均匀，试样夹持盘100上表面铣出方形卡槽110，将试样片嵌入卡槽110内，配合环形夹板120对下试样片片进行夹紧固定，卡槽110四角铣出弧形豁口111，一方面方便加工时铣刀退刀，另一方面高温试验后，金属试样片容易与试样盘粘结，在槽圆弧处可以通过小型杠杆工具轻轻撬动，取下试样片片。
考虑试样片需要在900 ℃以上高温下进行实验，以模拟高强钢等材料奥氏体化过程，试样夹持盘100材料在高温下必须要保持良好的机械性能并且抗氧化能力较强。镍基合金普遍地用来制造各种工业及航天航空发动机最热端部件，在整个高温合金领域的地位举足轻重，如果以150MPA-100H持久强度为标准，镍合金仍可以正常工作温度约为950 ℃，其所能承受的最高温度大于1100 ℃，而普通的铁基合金小于850 ℃，表明镍基合金可以工作的环境相应地高出大概150 ℃到250 ℃。故而试样夹持盘100采用镍基合金新3号钢，符合实验要求。因为高温状态下的镍基合金新3号钢一方面能承受连续应力的变化，具有优异的疲劳性能和断裂韧性，另一方面具有抗氧化抗腐蚀能力，而且其在各种温度下组织稳定且使用可靠，综合性能好。
试样转动结构主要由旋转主轴510及电动旋转台520部分组成，旋转主轴510采用圆柱型结构，两端分别与电动旋转台520及试样夹持盘100配合，圆柱配合轴线具有比较高精度的同轴度，结构整体平稳性好，适合于摩擦系数测量的实验；旋转主轴510一端与转台夹具相连，而夹具通过螺钉固定在电动旋转台520的旋转分度盘上，当电机工作时，通过电动旋转台520内蜗轮蜗杆带动分度盘旋转，从而实现旋转主轴510、试样盘的转动。
由于在实验过程中，感应加热线圈200对试样夹持盘100持续进行加热，温度可高达900℃，材料红热发亮后还会产生辐射热，因而需要隔热散热装置，保护旋转台和电机，预防过热；故而旋转主轴510选用氮化硼陶瓷柱，氮化硼又称白色石墨，其结构与石墨相似，属于片状六方结构，理论密度为2.27g/cm3，莫氏硬度2；一方面氮化硼陶瓷具有优异的耐高温性能，空气中使用温度最高可达1000℃，真空下使用温度1800度；另一方面氮化硼陶瓷与众多金属、陶瓷、稀土等材料不反应、不粘结，且陶瓷隔热性能相对一般金属要好很多，短时间内的实验试样盘处的高温难以传递至旋转台；同时氮化硼陶瓷具有优异的机械加工性能，可根据要求加工成公差极小的复杂形状，用一般机械加工方法即可加工成精度很高的零部件制品。
电动旋转台520采用Chuo Seiki日本精机制造ARS-396-HP高精度数控分度盘，拟实现试验机销-盘摩擦副间的平稳的旋转运动，分度盘盘面直径为φ90 mm，可360°旋转，定位精度0.025°，重复精度可达±0.003°，承载能力可达98 N。
优选地，所述压力加载头300固定在竖直长杆310的下端，所述竖直长杆310竖直滑动设置在直线轴承320上，所述竖直长杆310上设置有加载弹簧330，所述加载弹簧330的两端分别与竖直长杆310的下端及直线轴承320的下端抵靠，所述直线轴承320固定在力传感器340上，所述力传感器340与丝杆螺母机构连接，丝杆螺母机构驱动力传感器340竖直移动；
所述直线轴承320与力传感器340之间设置有隔热电木350，所述竖直长杆310伸出的上端设置有定位销311。
所述隔热电木350上通过夹具设置有散热板351，所述散热板351上设置有进水口及出水口，所述进水口及出水口通过管路与换热器连通。
压力加载头300为圆柱形，直径大小可选取φ1～φ10 mm之间，通过筒形ER夹头对其进行夹紧，而ER夹头固定在竖直长杆310中，ER弹簧夹头夹紧力大且夹持范围广，以及精度高，配合竖直长杆310固定，广泛用于铣刀各种深腔加工，稳定性好；竖直长杆310通过直线轴承320进行固定，可以实现精度高的平稳直线运动，压力加载头300不晃动；直线轴承320选取耐高温加长型石墨铜套滑块，确保实验能在高温环境下安全正常地进行；加载弹簧330套在竖直长杆310上，当压力加载头300与下试样片接触并继续下行时，加载弹簧330被压缩，从而实现对下试样片的加载。
所述压力加载头300可以选用不同金属材料的试样，来测定不同材料高温摩擦磨损实验数据。
实验机不工作时，竖直长杆310上顶端设置有定位销311，在弹簧力的作用下会与直线轴承320上端面接触，保持静止状态，试验机工作或停止时，加载弹簧330都处于压缩的状态；同时，耐高温直线轴承320通过螺钉紧固在金属固定块上，金属固定块另一面与隔热电木350及三维力力传感器340相连，而力传感器340背面又固定在升降平台上横梁上，金属固定块采用铝合金，质量轻，易于加工，隔热电木350可以预防力传感器340温度过高，力传感器340可实时测出加载压力值，液散热板351通过自制小夹具固定在金属固定块上，降低金属固定块温度，保护力传感器340；
在实施实验时，根据高温销盘摩擦学实验要求，试验机的检测系统应当至少实时测量采集计算出摩擦界面间的正压力、摩擦力及试样温度；三维力传感器340可以时测量出X、Y、Z三个方向的上力值大小，结合力传感器340安装位置可以计算出正压力和摩擦力，而测温仪可以实时测量试样的温度；
（1）测量正压力N
正压力N是反映加载的载荷大小，将三维力传感器的Z方向的力值在校准调零后可其测量，即N = F z 。综合价格、精度对于工况环境的要求等因素，三维力传感器量程F xmax = F ymax =25 kg，F zmax = 50 kg，工作温度-10～90 ℃，额定输出2.0 mV/V±0.1%，符合实验设计要求；
（2）测量摩擦系数u
摩擦系数u是摩擦副性能的重要参数，通过正压力值N和摩擦力值f可计算求得：
。其中，摩擦力f可根据调零校准后的三维力传感器X、Y方向测得的力值计算：
。实验过程中X、Y方向测得的力值加上实验前三维力传感器的初始偏差，可以消除实验设备重量造成的系统误差。摩擦力f和摩擦系数u的实时数据均可基于计算机编程在软件界面显示；
（3）测量试样温度T
由于在摩擦副对摩实验过程中，销试样静止，盘试样一直处于旋转运动状态，不能使用接触方式直接测量盘中镶嵌试样片的温度。结合图7所示，采用红外线测温仪，红外测温枪通过箱体防护罩上圆口a照射在下试样片片中心处，该测温仪可以吸收来着试样的红外扩散，通过传感器、光学系统及电子线路可以转化为标准信号，防护罩上圆口a大小合适，可使得调整测温枪位置角度后，压力加载装置不会挡住射线。
在高温试验机摩擦副运动过程中，数据采集系统实时记录实验中的主要参数，包括接触界面的正压力、摩擦力、摩擦系数、主轴转速、下试样温度、旋转台温度、力传感器温度及环境温度并可以自动进行保存，数据采集系统原理为：通过可编程逻辑控制器PLC自带的基本数据采集功能，获取压力传感器、测温仪测得的数据信号，该信号经过PLC处理后，上传到计算机PC，PC对数据可以进行存储和展示。同时通过计算机测控系统软件，可以实时查询某一时间段内的实验数据。
运动控制系统原理为：计算机PC施加指令信号到可编程逻辑控制器PLC，PLC通过发送PWM波（脉冲宽度调制）分别控制电动旋转台520和丝杆螺母机构的伺服电机转动。电动旋转台520带动旋转主轴510上的试样夹持盘100旋转，实现销-盘摩擦副间相对转动；丝杆螺母机构控制压力加载头300的升降，实现法向加载，且可和PLC、PC一起根据力传感器340上Z方向的力信号反馈进行闭环控制。
温度控制系统原理为：PC指示PLC输入电压信号控制电磁感应加热器的交变频率，通过感应加热线圈200对试样夹持盘100持续进行加热，同步非接触式红外线测温仪实时测量试样夹持盘100中下试样片的温度，反馈温度信号给PLC和PC，控制下试样片温度到设定值处稳定，即红外测温仪、电磁感应加热器、PLC及PC构成闭环PID（比例、积分、微分）控制。为了对系统关键部件进行安全监护，可采用接触式测温仪实时测量竖直长杆310下端、电动旋转台520、力传感器340处的温度信号，若试验机长时间工作后上述部件温度过高，也可设置PLC控制电磁感应加热器停止加热。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机，其特征在于：包括用于夹持下试样片的试样夹持盘（100），所述试样夹持盘（100）为镍基合金材料且设置在旋转机构上，旋转机构驱动试样夹持盘（100）呈现转轴竖直的转动状态，所述试样夹持盘（100）的外围设置有感应加热线圈（200），所述试样夹持盘（100）的上方位置设置有压力加载头（300），所述压力加载头（300）竖直移动且实施对试样夹持盘（100）上的下试样片的力矩加载。
2.根据权利要求1所述的可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机，其特征在于：所述感应加热线圈（200）的周围设置有冷却装置，所述冷却装置用于实施对试样夹持盘（100）及其附件的冷却散热。
3.根据权利要求1或2所述的可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机，其特征在于：所述试样夹持盘（100）的上盘面设置有卡置下试样片的卡槽（110），所述卡槽（110）的槽口设置有夹板（120），所述夹板（120）与卡槽（110）的槽口构成可拆式连接，所述夹板（120）上设置有显露下试样片的开口，所述卡槽（110）整体呈矩形且四个拐角处设置有弧形豁口（111）。
4.根据权利要求3所述的可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机，其特征在于：所述旋转机构包括与试样夹持盘（100）的下盘面中心连接的旋转主轴（510），所述旋转主轴（510）竖直布置且下端与电动旋转台（520）连接。
5.根据权利要求4所述的可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机，其特征在于：所述冷却装置包括套设在旋转主轴（510）外的散热筒体（410），所述散热筒体（410）的旁侧设置有散热风扇（420）。
6.根据权利要求5所述的可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机，其特征在于：所述电动旋转台（520）的上板面贴设有液冷水板（430），所述液冷水板（430）上设置有进水口及出水口，所述进水口及出水口通过管路与换热器连通，所述液冷水板（430）通过夹具与电动旋转台（520）固定。
7.根据权利要求6所述的可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机，其特征在于：所述压力加载头（300）固定在竖直长杆（310）的下端，所述竖直长杆（310）竖直滑动设置在直线轴承（320）上，所述竖直长杆（310）上设置有加载弹簧（330），所述加载弹簧（330）的两端分别与竖直长杆（310）的下端及直线轴承（320）的下端抵靠，所述直线轴承（320）固定在力传感器（340）上，所述力传感器（340）与丝杆螺母机构连接，丝杆螺母机构驱动力传感器（340）竖直移动。
8.根据权利要求7所述的可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机，其特征在于：所述直线轴承（320）与力传感器（340）之间设置有隔热电木（350），所述竖直长杆（310）伸出的上端设置有定位销（311）。
9.根据权利要求8所述的可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机，其特征在于：所述隔热电木（350）上通过夹具设置有散热板（351），所述散热板（351）上设置有进水口及出水口，所述进水口及出水口通过管路与换热器连通。
10.根据权利要求5所述的可电磁感应快速加热的高温摩擦磨损试验机，其特征在于：所述散热筒体（410）的外壁设置有散热翅片。
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