CN112945782B - 一种磨料-滑动-电化学腐蚀多功能摩擦磨损试验机 - Google Patents

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Abstract

摩擦磨损试验机领域，一种磨料‑滑动‑电化学腐蚀多功能摩擦磨损试验机，包括加载机构、调速机构、磨头机构、腐蚀室、机架、电化学测试系统、控制系统、实验数据采集显示系统。加载机构可通过电动直线导轨实现垂直运动；调速机构通过变频电机调节转速，实现对上、下试样相对运动的调节；磨头机构利用加载机构和调速机构对上、下试样进行加载和转动；腐蚀室内部设有溢流槽，可防止实验过程中物料和腐蚀液外溢，同时满足试样全浸入腐蚀液中的实验要求。本摩擦磨损试验机安装简便，使用方便，可进行开放式的滑动、滑动‑腐蚀以及磨料‑腐蚀‑滑动等多种摩擦磨损试验，还可实现变速滑动摩擦磨损试验，应用范围广，可作为摩擦磨损研究试验设备。

Description

一种磨料-滑动-电化学腐蚀多功能摩擦磨损试验机
技术领域
本发明涉及摩擦磨损试验机领域，具体涉及一种磨料-滑动-电化学腐蚀多功能摩擦磨损试验机。
背景技术
腐蚀磨损是一种复杂的磨损过程,特别是当工作环境中存在磨料时,磨料和腐蚀作用将对材料相对运动表面造成严重的磨损。材料损伤机制复杂，有粘着磨损、磨料磨损、腐蚀磨损等机制，并且各磨损机制间又存在密切的协同作用，这复杂的摩擦系统使得材料很难进行全面系统的耐磨性评价。材料的耐磨性评价是机械设备设计的重要依据，也是机械设备可靠性的重要保障。摩擦磨损试验机是材料耐磨性评价的主要设备。目前通用腐蚀磨损设备通常是封闭系统，磨料和腐蚀液都是一次性加入到摩擦系统中，不能很好的模拟物料输送过程的磨损工况，例如煤炭输送设备的磨损；另外，通用的湿磨料磨损试验设备不具备磨损过程中材料腐蚀性能数据的采集功能，无法定量分析腐蚀与磨损的交互作用。因此，急需开发一种磨料-滑动-电化学腐蚀多功能摩擦磨损试验机，全面模拟物料输送过程的腐蚀磨损过程，以此研究材料在滑动、磨料、腐蚀共同作用下的磨损机制，探讨各磨损机制的协同作用，进而对材料进行耐磨性评价。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种磨料-滑动-电化学腐蚀多功能摩擦磨损试验机。
一种磨料-滑动-电化学腐蚀多功能摩擦磨损试验机，用于评价物料输送过程以及相似复杂工况的材料耐磨性。磨料-滑动-电化学腐蚀多功能摩擦磨损试验机包括加载机构、调速机构、磨头机构、腐蚀室、机架、电化学测试系统、控制系统、实验数据采集显示系统。所述加载机构包括伺服电机、联轴器、滑块、加载法兰盘、正压力检测机构、螺杆、直线导轨和弹簧。所述调速机构包括变频电机和主轴。所述磨头机构包括上试样、上试样卡具、上试样安装盘、光轴、磨头法兰盘、直线轴承和浮动盘。所述腐蚀室包括腐蚀台、腐蚀槽、溢流槽、下试样和下试样衬板。所述电化学测试系统包括工作电极(下试样)、石墨电极、参比电极、铜螺杆、电极支架和电化学工作站。
进一步的，加载机构利用伺服电机带动螺杆螺旋从而使磨头机构进行垂直往复运动，使弹簧收缩，这样可对上试样和下试样的摩擦表面进行加载和卸载。
进一步的，调速机构通过螺栓与加载法兰盘固定连接，通过调节变频电机的转速，实现对上试样和下试样相对运动的调节。
进一步的，上试样固定在上试样卡具上，上试样卡具通过螺栓与磨头机构固定连接。磨头机构与主轴螺栓固定连接。压力传感器外圈连接板与主轴相连，压力传感器内圈用螺栓与加载法兰盘连接。上试样和下试样的正压力通过磨头机构和主轴传递至压力传感器外圈连接板，使压力传感器外圈与内圈产生微变形，从而测出摩擦表面正压力值。
进一步的，腐蚀室与下试样安装座相连并通过螺栓固定在机架上，同时腐蚀室内设置有腐蚀台、腐蚀槽和溢流槽。溢流槽防止实验过程中物料和腐蚀液外溢到外部，污染外部环境，同时满足试样全浸入腐蚀液中的实验要求。
进一步的，电器控制系统包括PLC控制器、上位机监控及操作系统、伺服驱动系统和信号检测系统。通过电器控制系统实现对试验条件的控制。
进一步的，试验数据采集显示系统由上位机组态软件实现，通过信号检测系统完成对载荷、速度、摩擦因数、PH值、腐蚀电流等信号的检测，并通过上位机组态软件实时显示。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本摩擦磨损试验机可实现开放环境湿式磨料磨损实验，实现接触表面始终保持新鲜磨料的实验，可以更好的模拟物料输送过程中的材料磨损。
本摩擦磨损试验机可实现腐蚀和磨损协同作用定量分析，量化分析磨蚀和磨损协同作用中腐蚀作用效果和磨损作用效果。
本摩擦磨损试验机可实现变速腐蚀磨损试验，可按软件设定，通过改变变频电机频率来改变试样间的相对速度，可以模拟材料在变速滑动条件下的磨损。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是本发明的加载机构结构示意图。
图3是本发明的调速机构结构示意图。
图4是本发明的磨头机构结构示意图。
图5是腐蚀室部件结构示意图。
图6是磨头机构的组装示意图。
图7是电化学测试系统示意图。
图中，部件名称与附图编号的对应关系为：
1—加载机构；2—调速机构；3—磨头机构；4—腐蚀室；5—机架；1-1—伺服电机；1-2—联轴器；1-3—滑块；1-4—加载法兰盘；1-5—压力传感器；1-6—螺杆；1-7—直线导轨；1-8—弹簧；1-9—压力传感器外圈连接板；2-1—变频电机；2-2—主轴；3-1—上试样；3-2—上试样卡具；3-3—上试样安装盘；3-4—光轴；3-5—磨头法兰盘；3-6—直线轴承；3-7—浮动盘；4-1—溢流槽；4-2—腐蚀槽；4-3—腐蚀台；4-4—下试样；4-5—下试样衬板；6-1—铜螺杆；6-2—电极支架；6-3—石墨电极；6-4—Ag/AgCl参比电极。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“水平”、“垂直”、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“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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例：
如附图1至附图7所示：
本发明提供一种磨料-滑动-电化学腐蚀多功能摩擦磨损试验机，包括加载机构1；调速机构2；磨头机构3；腐蚀室4；机架5；电化学测试系统6；所述加载机构1通过螺栓固定在机架5上，其中伺服电机1-1、联轴器1-2、滑块1-3、螺杆1-6和直线导轨1-7组成电动直线模组并用螺栓固定在机架5上，加载法兰盘1-4与滑块1-3螺栓连接，压力传感器1-5里圈与加载法兰盘1-4螺栓连接，压力传感器1-5外圈与压力传感器外圈连接盖1-9连接，弹簧1-8穿在主轴2-2上，并置于浮动盘3-7和压力传感器外圈连接盖1-9之间。所述调速机构2通过螺栓与加载法兰盘1-4固定连接，其中，变频电机2-1与加载法兰盘1-4固定连接，变频电机2-1输出轴与主轴2-2用刚性联轴器连接，主轴2-2与磨头机构3中的浮动盘3-7键连接；所述磨头机构3与调速机构键连接，上试样3-1安装在上试样卡具3-2上，上试样卡具3-2通过螺栓与上试样安装盘3-3相连；上试样安装盘3-3与光轴3-4螺栓固定连接；磨头法兰盘3-5上配有直线轴承3-6，光轴3-4穿过直线轴承3-6，浮动盘3-7与光轴3-4螺栓固定连接，所述腐蚀室4通过螺栓固定在机架5上，下试样衬板4-5通过螺栓固定在腐蚀槽4的腐蚀台上，下试样4-4安装与下试样衬板4-5上。所述腐蚀槽材料为防腐蚀绝缘材料聚丙烯，且留有三电极测试系统接口。所述电化学测试系统由铜螺杆6-1、电极支架6-2、石墨电极6-3、Ag/AgCl参比电极6-4和电化学工作站组成，铜螺杆6-1一端与下试样4-4连接，另一端与电化学工作站工作电极连接；电极支架6-2与腐蚀槽4-2螺栓固定连接，石墨电极6-3与Ag/AgCl参比电极6-4分别安装与电极支架6-2对应位置上，并且分别与电化学工作站的辅助电极端和参比电极端相连接。
本实施例的具体使用方式与作用：
第一步，进行下试样和上试样的安装。
第二步，通过控制系统控制加载机构移动，给下试样施加正压力。加载时，伺服电机1-1带动螺杆1-6旋转，螺杆1-6旋转带动安装在直线导轨1-7上的滑块1-3向下运动。加载法兰盘1-4与滑块1-3固定连接，随滑块1-3向下运动。磨头机构3与加载法兰盘1-4固定连接，随加载法兰盘1-4向下运动。弹簧1-8安装与加载法兰盘1-4和磨头机构3之间。上试样3-1安装在磨头机构3上。当上试样3-1与下试样4-3接触后，上试样3-1继续向下移动，将压缩弹簧1-8产生弹簧力。弹簧力作用于下试样4-4表面，产生正压力。摩擦副表面间的接触力将实时反馈给压力传感器1-5。控制系统根据压力传感器1-5的检测值调整执行机构的运动，以达到磨损试验载荷设定值。
第三步，添加磨料。试验前，先将磨料定量添加到试验系统中，并在试验过程中定时定量补充磨料到试验系统中。
第四步，添加腐蚀液。配置试验腐蚀液，并按试验要求将腐蚀液添加到试验系统中。
第五步，调节摩擦副相对速度。摩擦副相对速度是通过调节变频电机2-1转速调整的。变频电机2-1输出轴与主轴2-2用刚性联轴器连接，主轴2-2连接磨头机构3。变频电机2-1输出的转矩通过刚性联轴器和主轴2-2传递到磨头机构3上，实现上试样3-1和下试样4-4的相对运动。相对运动速度实时反馈给控制系统。控制系统根据速度检测值调整变频电机2-1转速，以达到磨损试验速度设定值。
进行滑动摩擦磨损试验时，只需进行试验步骤1、2、5；进行磨料磨损滑动摩擦磨损试验时，只需进行试验步骤1、2、3、5；进行磨料腐蚀耦合作用滑动摩擦磨损试验时，需要执行试验步骤1、2、3、4、5。
本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (2)

1.一种磨料-滑动-电化学腐蚀多功能摩擦磨损试验机，其特征在于：该多功能摩擦磨损试验机包括加载机构(1)、调速机构(2)、磨头机构(3)、腐蚀室(4)、机架(5)、电化学测试系统(6)、控制系统、实验数据采集显示系统；
所述加载机构(1)通过螺栓固定在机架(5)上；所述加载机构(1)包括伺服电机(1-1)、联轴器(1-2)、滑块(1-3)、加载法兰盘(1-4)、压力传感器(1-5)、螺杆(1-6)、直线导轨(1-7)和弹簧(1-8)，伺服电机(1-1)、联轴器(1-2)、滑块(1-3)、螺杆(1-6)和直线导轨(1-7)组成电动直线模组并用螺栓固定在机架(5)上，加载法兰盘(1-4)与滑块(1-3)螺栓连接，所述压力传感器(1-5)的外圈与压力传感器外圈连接板(1-9)用螺栓固定，压力传感器(1-5)的内圈与加载法兰盘(1-4)用螺栓固定，弹簧(1-8)穿在主轴(2-2)上，并置于浮动盘(3-7)和压力传感器外圈连接板(1-9)之间；
所述调速机构(2)通过螺栓与加载法兰盘(1-4)相连，同时通过主轴(2-2)与磨头机构(3)相连；所述调速机构(2)包括变频电机(2-1)和主轴(2-2)；
所述磨头机构(3)包括上试样(3-1)、上试样卡具(3-2)、上试样安装盘(3-3)、光轴(3-4)、磨头法兰盘(3-5)、直线轴承(3-6)和浮动盘(3-7)；
所述腐蚀室(4)包括腐蚀台(4-3)、腐蚀槽(4-2)、溢流槽(4-1)、下试样(4-4)和下试样衬板(4-5)；所述腐蚀室(4)与下试样(4-4)安装座通过螺栓固定在机架(5)上，腐蚀室(4)内设置有腐蚀台(4-3)、腐蚀槽(4-2)和溢流槽(4-1)；所述溢流槽(4-1)可防止实验过程中物料和腐蚀液外溢到外部，污染外部环境，同时满足试样全浸入腐蚀液中的实验要求；
所述上试样(3-1)固定在上试样卡具(3-2)上，上试样卡具(3-2)通过螺栓与上试样安装盘(3-3)相连，并通过主轴(2-2)和弹簧(1-8)与压力传感器外圈连接板(1-9)相连；上试样安装盘(3-3)与光轴(3-4)螺栓固定连接；磨头法兰盘(3-5)上配有直线轴承(3-6)，光轴(3-4)穿过直线轴承(3-6)，浮动盘(3-7)与光轴(3-4)螺栓固定连接，所述腐蚀室(4)通过螺栓固定在机架(5)上，下试样衬板(4-5)通过螺栓固定在腐蚀槽(4-2)的腐蚀台(4-3)上，上试样(3-1)和下试样(4-4)的正压力通过磨头机构(3)和主轴(2-2)传递至压力传感器外圈连接板(1-9)，使压力传感器(1-5)外圈与内圈产生微变形，从而测出摩擦表面正压力值，加载时即可测得正压力数据和摩擦力数据；
所述上试样卡具(3-2)为防腐蚀绝缘材料；所述下试样衬板(4-5)为防腐蚀绝缘材料；所述腐蚀室(4)材料为防腐蚀绝缘材料聚丙烯，腐蚀室(4)留有三电极测试系统接口，摩擦副相对速度是通过调节变频电机(2-1)转速调整的，变频电机(2-1)与加载法兰盘(1-4)固定连接，变频电机(2-1)输出轴与主轴(2-2)用刚性联轴器连接，主轴(2-2)连接磨头机构(3)，主轴(2-2)与磨头机构(3)中的浮动盘(3-7)键连接；变频电机(2-1)输出的转矩通过刚性联轴器和主轴(2-2)传递到磨头机构(3)上，实现上试样(3-1)和下试样(4-4)的相对运动，相对运动速度实时反馈给控制系统，控制系统根据速度检测值调整变频电机(2-1)转速，以达到磨损试验速度设定值；
加载时，伺服电机(1-1)带动螺杆(1-6)旋转，螺杆(1-6)旋转带动安装在直线导轨(1-7)上的滑块(1-3)向下运动，加载法兰盘(1-4)与滑块(1-3)固定连接，随滑块(1-3)向下运动；磨头机构(3)与加载法兰盘(1-4)固定连接，随加载法兰盘(1-4)向下运动，弹簧(1-8)安装与加载法兰盘(1-4)和磨头机构(3)之间，上试样(3-1)安装在磨头机构(3)上，当上试样(3-1)与下试样(4-4)接触后，上试样(3-1)继续向下移动，将压缩弹簧(1-8)产生弹簧力，弹簧力作用于下试样(4-4)表面，产生正压力；
控制系统包括PLC控制器、上位机监控及操作系统、伺服驱动系统和信号检测系统，通过电器控制系统实现对试验条件的控制，试验数据采集显示系统由上位机组态软件实现，通过信号检测系统完成对载荷、速度、摩擦因数、PH值、腐蚀电流信号的检测，并通过上位机组态软件实时显示。
2.如权利要求1所述的磨料-滑动-电化学腐蚀多功能摩擦磨损试验机，其特征在于：所述电化学测试系统(6)包括铜螺杆(6-1)、电极支架(6-2)、石墨电极(6-3)、Ag/AgCl参比电极(6-4)和电化学工作站，铜螺杆(6-1)一端与下试样(4-4)连接，另一端与电化学工作站工作电极连接，电极支架(6-2)与腐蚀槽(4-2)螺栓固定连接，石墨电极(6-3)与Ag/AgCl参比电极(6-4)分别安装与电极支架(6-2)对应位置上，并且分别与电化学工作站的辅助电极端和参比电极端相连接。
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