CN113281207B - 一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置，其特征在于，包括机架，所述机架设有磨损介质供给装置、摩擦磨损工况模拟装置、磨损试验残留物回收装置，所述磨损介质供给装置包括介质存储罐、增压泵、喷嘴，所述摩擦磨损工况模拟装置包括磨损试验样品夹具、音圈电机、对摩副夹具、加热棒，所述机架位于摩擦磨损工况模拟装置处设有密封盖组件，所述磨损试验残留物回收装置包括置于磨损试验样品夹具下方且可回收试验残留物的回收箱，本发明的有益效果为：提供一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置。

Description

一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置

技术领域

本发明涉及一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置。

背景技术

多相流耦合作用下的摩擦磨损行为广泛存在于材料接触界面之上。在航空航天、轨道交通、石油化工、能源动力等领域的各关键零部件服役过程中，其摩擦磨损接触表面往往会同时遭受气体、液体、固体等多相介质的耦合作用，这必将导致材料磨损行为及损伤机制的多样化与复杂化，严重制约着关键零部件的正常服役行为。因此，如何有效揭示各关键零部件在不同相介质耦合作用下的磨损响应机制，对有效预测和减缓其磨损失效程度具有重要的工程价值。基于此，国内外相继研制出多款不同类型的摩擦磨损试验机。

零部件实际服役过程中，其磨损行为通常不只受单一介质或单一因素的影响，往往是多介质多因素（环境、材料、力学等）的耦合作用。但目前，绝大部分现有的摩擦磨损试验机都只集中于探究材料在单因素作用下的损伤机制，并且一般试验机往往缺乏通用性和试验实现的便捷性，因此现有摩擦磨损测试装备还有很多需要或可以改进的地方。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置，其特征在于，包括机架，所述机架设有内置多种类磨损介质及可根据实际情况进行选择性供给磨损介质的磨损介质供给装置、摩擦磨损工况模拟装置、磨损试验残留物回收装置，所述磨损介质供给装置包括介质存储罐、与介质存储罐联动的增压泵及与增压泵联动的喷嘴，所述摩擦磨损工况模拟装置包括磨损试验样品夹具及与磨损试验样品夹具联动的音圈电机，所述磨损试验样品夹具上方设有对摩副夹具，所述磨损试验样品夹具内置有加热棒，所述喷嘴位于对摩副夹具一侧且朝向磨损试验样品夹具设置，所述音圈电机可驱动磨损试验样品夹具作往复正弦运动，所述机架位于摩擦磨损工况模拟装置处设有可将磨损试验样品夹具、对摩副夹具包覆且与喷嘴联动的密封盖组件，所述磨损试验残留物回收装置包括置于磨损试验样品夹具下方且可回收试验残留物的回收箱。

采用上述技术方案，磨损介质供给装置可为对摩副界面喷覆不同类型的液体、固体、气体等介质，并能控制介质的流速和流量，以此实现不同介质下的摩擦磨损试验研究；摩擦磨损工况模拟装置可开展不同力学因素、接触形式、温度下的磨损试验，试验过程中对磨损界面的动态响应及损伤形态可实现实时的监测，极大的丰富试验研究的内容和结果，其中加热棒，用于实现不同温度下的摩擦磨损试验研究；进一步通过磨损试验残留物回收装置，可以回收磨损试验过程中所产生的各种残留物质，确保试验工况的稳定与可持续，磨损残留物回收装置的实现无需人为操作，智能、快捷、高效。

上述的一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置可进一步设置为：所述介质存储罐内设有若干组可存储不同介质的存储室，所述介质存储罐与增压泵之间设有导管机构，所述导管机构包括第一管道、阀门、若干组第二管道，所述第一管道的端部与增压泵导通连接，所述第一管道相对于导通连接增压泵的另一端与阀门联动，每组第二管道分别与一组存储室间歇性导通连接，所述第二管道上靠近介质存储罐的一端设有锁紧螺栓，所述第二管道相对于间歇性导通连接存储室的另一端与阀门联动。

采用上述技术方案，介质存储罐用于储存磨损实验所需的各种介质（包括油脂，水，颗粒粉尘气体等），且进一步在介质存储罐内设置多组存储室，每组介质都可单独进行存储，彼此互不干涉；第二管道连接在介质储存罐和阀门之间，用于输送磨损介质，进一步设置锁紧螺栓，通过拧紧、拧松可协助控制介质的流量和流速，并可根据实际情况选择性搭配介质，模拟不同工况；第一管道连接在阀门和增压泵之间，用于将磨损介质输送到增压泵；增压泵，用于将介质存储罐中的磨损试验介质传输至喷嘴。

上述的一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置可进一步设置为：所述磨损试验样品夹具包括可安放样品且一侧与音圈电机联动的样品安放座，所述加热棒位于样品安放座底部，所述样品安放座相对于联动音圈电机的另一侧设有样品定位板，所述样品定位板联动有螺杆，所述螺杆螺纹连接于样品安放座远离音圈电机的一侧，所述样品定位板在螺杆的带动下可朝向音圈电机一侧运动，所述样品安放座底部设有导向凸条，所述机架对应于导向凸条设有与导向凸条滑动配合的导向滑槽，所述音圈电机可驱动样品安放座沿导向滑槽作往复正弦运动，所述机架位于样品安放座与音圈电机之间设有可自动检测样品安放座位置移动信息的位移传感器和检测样品试验温度的温度传感器，所述音圈电机与样品安放座之间设有第一力传感器，所述对摩副夹具位于样品安放座上方，所述磨损试验残留物回收装置位于样品安放座下方。

采用上述技术方案，样品安放座、样品定位板、螺杆三者配合，类似于手持台虎钳，主要作用是夹紧磨损试验样品，其中样品安放座底部设置导向凸条、导向滑槽，促使磨损试验样品保持直线运动，提升工作稳定性；音圈电机，可以输出往复的正弦运动，用于驱动磨损试验样品夹具的往复直线运动；第一力传感器位于音圈电机与样品安放座之间，用于监测磨损过程中接触界面的力学相应状态；位移传感器，用于监测磨损试验样品在试验过程中其运动位移的变化规律；温度传感器，用于测量磨损过程中磨损接触的实时温度。

上述的一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置可进一步设置为：所述对摩副夹具包括设置于磨损试验样品上方的对摩副试样，所述对摩副试样端部设有第二力传感器，所述对摩副试样联动有固定横梁，所述固定横梁两端分别联动有安装于机架上对摩副试样夹具支架，所述对摩副试样夹具支架中部且沿自身轴线方向设有长槽型调节孔，所述固定横梁端部螺纹连接有固定螺栓，所述固定螺栓通过长槽型调节孔与固定横梁端部可拆卸连接。

采用上述技术方案，对摩副夹具固定安装于固定横梁上，可以防止对摩副在磨损过程中走位，造成磨损接触载荷的非合理波动；第二力传感器，用于测量对摩副试样和磨损试验样品之间的法向作用力，可实现对相关载荷的实时监测；对摩副试样夹具支架、固定螺栓、长槽型调节孔三者结构配合，使得对摩副试样沿自身轴线方向的位置可调节，根据实际情况进行调节，一方面适应不同厚度的磨损试验样品，另一方面，对摩副试样与磨损试验样品两者接触处的抵触压力可变，模拟不同强压下的磨损试验。

上述的一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置可进一步设置为：所述磨损试验残留物回收装置还包括置于磨损试验样品夹具外周且铰接安装于机架上的回收环，所述回收环设有残留物回收废孔，所述回收箱连接有第三管道，所述第三管道相对于连接回收箱的另一端与残留物回收废孔导通连接，所述回收箱相对于连接第三管道的另一侧连接有第四管道，所述第四管道相对于连接回收箱的另一端与阀门联动，所述第四管道与阀门之间设有单向阀。

采用上述技术方案，回收环、第三管道、残留物回收废孔三者配合，用以将残留物引导至回收箱内进行回收；其中第四管道，用于连接增压泵，用于连接单向阀和残留物回收箱，此处管道内并不输送液体，而是产生真空，利于残留物被回收至回收箱内；单向阀，流动方向仅能第三管道至第四管道方向，不能倒流，用于防止其他介质倒流进残留物回收箱。

上述的一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置可进一步设置为：所述回收环设有铰接安装于机架上的环部、位于环部下方且二者一体成型的齿轮部，所述齿轮部啮合联动的传动轮，所述传动轮联动有可正反的电机，所述残留物回收废孔依次贯穿设置于环部与齿轮部一侧且与第三管道连接。

采用上述技术方案，电机通过传动轮、齿轮部驱动回收环绕自身中线作转动，实现动态形式回收残留物，提高回收效率，并且电机可正反转，可防止第三管道缠绕打结，确保回收工作正常有序进行。

上述的一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置可进一步设置为：所述密封盖组件包括盖体及置于盖体端部的第一端盖、第二端盖，所述盖体的材质选用“透明亚克力板”，所述第一端盖中部设有可与第二端盖活动配合的联动孔，所述第二端盖外周沿自身轴线方向对称分布有限位环，所述限位环的最大径向值大于联动孔的最小径向值，所述喷嘴与第二端盖可拆卸连接。

采用上述技术方案，将端盖设置成可相对运动的第一端盖与第二端盖，并将喷嘴安装于第二端盖上，可实现喷嘴在第二端盖平面内绕第二端盖法线做圆周运动，进而根据实际情况调节喷嘴的喷洒方向和位置，模拟不同的工况，促使磨损研究更加全面；其中上述盖体的材质选用“透明亚克力板”，目的是实验时实验员可直观看到摩擦过程，便于记录磨损试验，并且也方便调整喷嘴的位置。

上述的一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置可进一步设置为：所述喷嘴外周均布有连接螺纹，所述第二端盖一侧设有螺纹连接孔，所述喷嘴通过自身连接螺纹与螺纹连接孔与第二端盖可拆卸连接，所述喷嘴位于连接螺纹端部设有手持部，所述手持部外周设有花纹。

采用上述技术方案，在喷嘴外周设置连接螺纹、第二端盖一侧设置螺纹连接孔，可实现喷嘴在第二端盖法线方向移动，根据实际情况调节喷嘴的喷洒方向和位置，模拟不同的工况，进一步提升磨损研究的全面性。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图；

图2为本发明实施例的去除密封盖组件后的结构示意图；

图3为图2的正视示意图；

图4为本发明实施例的磨损试验残留物回收装置结构示意图；

图5为本发明实施例中密封盖组件去除盖体后的爆炸示意图；

图6为图5的装配状态剖面示意图；

图7为本发明实施例的磨损试验样品夹具结构示意图；

图8为本发明实施例的磨损试验残留物回收装置结构示意图；

图9为本发明实施例的回收箱示意图；

图10为本发明实施例的机架结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至10所示的一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置，包括机架1，所述机架1设有内置多种类磨损介质及可根据实际情况进行选择性供给磨损介质的磨损介质供给装置2、摩擦磨损工况模拟装置3、磨损试验残留物回收装置4。

所述磨损介质供给装置2包括介质存储罐21、与介质存储罐21联动的增压泵22及与增压泵22联动的喷嘴23，所述介质存储罐21内设有3组可存储不同介质的存储室211，所述介质存储罐21与增压泵22之间设有导管机构,所述导管机构包括第一管道24、阀门25、3组第二管道27，所述第一管道24的端部与增压泵22导通连接，所述第一管道24相对于导通连接增压泵22的另一端与阀门25联动，每组第二管道27分别与一组存储室211间歇性导通连接，所述第二管道27上靠近介质存储罐21的一端设有锁紧螺栓26，所述第二管道27相对于间歇性导通连接存储室211的另一端与阀门25联动。

上述磨损介质供给装置2工作原理：根据实际情况手动选择性调节锁紧螺栓26，增压泵22通过第一管道24、阀门25、第二管道27吸取介质，并通过喷嘴23喷覆于磨损试验样品表面。

所述摩擦磨损工况模拟装置3包括磨损试验样品夹具31及与磨损试验样品夹具31联动的音圈电机32，所述磨损试验样品夹具31上方设有对摩副夹具33， 所述磨损试验样品夹具31内置有加热棒312，所述喷嘴23位于对摩副夹具33一侧且朝向磨损试验样品夹具31设置，所述音圈电机32可驱动磨损试验样品夹具31作往复正弦运动。

所述磨损试验样品夹具31包括可安放样品且一侧与音圈电机32联动的样品安放座311，所述加热棒312位于样品安放座311底部，所述样品安放座311相对于联动音圈电机32的另一侧设有样品定位板313，所述样品定位板313联动有螺杆314，所述螺杆314螺纹连接于样品安放座311远离音圈电机32的一侧，所述样品定位板313在螺杆314的带动下可朝向音圈电机32一侧运动，所述样品安放座311底部设有导向凸条315，所述机架1对应于导向凸条315设有与导向凸条315滑动配合的导向滑槽316，所述音圈电机32可驱动样品安放座311沿导向滑槽316作往复正弦运动，所述机架1位于样品安放座311与音圈电机32之间设有可自动检测样品安放座311位置移动信息的位移传感器35和检测样品摩擦试样温度的温度传感器34，所述音圈电机32与样品安放座311之间设有第一力传感器36，所述对摩副夹具33位于样品安放座311上方，所述磨损试验残留物回收装置4位于样品安放座311下方。

所述对摩副夹具33包括设置于磨损试验样品上方的对摩副试样331，所述对摩副试样331端部设有第二力传感器37，所述对摩副试样331联动有固定横梁332，所述固定横梁332两端分别联动有安装于机架1上对摩副试样夹具支架333，所述对摩副试样夹具支架333中部且沿自身轴线方向设有长槽型调节孔3331，所述固定横梁332端部螺纹连接有固定螺栓334，所述固定螺栓334通过长槽型调节孔3331与固定横梁332端部可拆卸连接。

所述机架1位于摩擦磨损工况模拟装置3处设有可将磨损试验样品夹具31、对摩副夹具33包覆且与喷嘴23联动的密封盖组件5，所述密封盖组件5包括盖体51及置于盖体51端部的第一端盖52、第二端盖53，所述盖体的材质选用“透明亚克力板”，所述第一端盖52中部设有可与第二端盖53活动配合的联动孔521，所述第二端盖53外周沿自身轴线方向对称分布有限位环531，所述限位环531的最大径向值大于联动孔521的最小径向值，所述喷嘴23与第二端盖53可拆卸连接。

所述喷嘴23外周均布有连接螺纹231，所述第二端盖53一侧设有螺纹连接孔532，所述喷嘴23通过自身连接螺纹231与螺纹连接孔532与第二端盖53可拆卸连接，所述喷嘴23位于连接螺纹231端部设有手持部232，所述手持部232外周设有花纹。

上述摩擦磨损工况模拟装置3的工作原理：首先将第一端盖52打开，将磨损试验样品安放于样品安放座311内，并转动样品定位板313夹紧磨损试验样品，然后调整固定横梁332的位置，确定位置后拧紧固定螺栓334使固定横梁332位置相对于对摩副试样夹具支架333保持不动，再将对摩副试样331转入固定横梁332上的螺纹孔内，直至对摩副试样331和磨损试验样品相接触，并且二者之间的相互作用力达到摩擦试验预设值，最后将密封盖回归原位。

所述磨损试验残留物回收装置4包括置于磨损试验样品夹具31下方且可回收试验残留物的回收箱41、置于磨损试验样品夹具31外周且铰接安装于机架1上的回收环42，所述回收环42设有残留物回收废孔423，所述回收箱41连接有第三管道43，所述第三管道43相对于连接回收箱41的另一端与残留物回收废孔423导通连接，所述回收箱41相对于连接第三管道43的另一侧连接有第四管道44，所述第四管道44相对于连接回收箱41的另一端与阀门25联动，所述第四管道44与阀门25之间设有单向阀45。

所述回收环42设有铰接安装于机架1上的环部421、位于环部421下方且二者一体成型的齿轮部422，所述齿轮部422啮合联动的传动轮47，所述传动轮47联动有可正反的电机46，所述残留物回收废孔423依次贯穿设置于环部421与齿轮部422一侧且与第三管道43连接。

上述磨损试验残留物回收装置4工作原理:首先增压泵22产生压力，依次通过第一管道24、单向阀45、第四管道44、回收箱41、第三管道43将增压泵22产生的压力传递至回收环42的残留物回收废孔423处，同时电机46转动并驱动传动轮47转动，传动轮47通过与齿轮部422啮合，驱动回收环42转动，带动安置于回收环42上的残留物回收废孔423转动。然后残留物回收废孔423会围绕磨损试验样品夹具31做圆周运动，增压泵22产生吸力，实现吸附摩擦磨损装置内的残留物功能。然后残留物在真空力的作用下通过第三管道43流至回收箱41，并且由于回收箱41内第四管道44插入较浅，因此残留物不会流入第四管道44。

上述磨损介质供给装置2具有以下特点：

一、介质存储罐21内多个存储室211分别为独立的储存空间,可以根据需要，储存任意类型的磨损介质，并且每个独立的存储室211均配有单独的出口和对应的缩紧螺栓26,一方面，可以控制磨损介质的流量与流速，另一方面，根据实际情况选择不同的介质并通过打开与之对应的锁紧螺栓26，从而混合配比行程新的类型的磨损介质，配合模拟不同的工况;

二、阀门25只有一个出口，其余入口的介质会在此开口处混合并形成新的类型的磨损介质。

三、密封盖组件5与喷嘴23的相互配合，可根据实际情况，进行手动调节喷嘴23的位置，配合模拟不同工况。

上述摩擦磨损工况模拟装置3具有以下两特点：

一、第一力传感器36和第二力传感器37可以对磨损过程中界面所受法向与切向作用力进行实时的监测与采集。

二、如图1所示密封盖处，对摩副试样331的把手端伸出在第二端盖53外部，因此在试验时无需打开第一端盖52就可以自由调整对摩副试样331所受载荷或更换摩擦试样，方便快捷。

上述磨损试验残留物回收装置4具有以下特点：

一、在第一管道24和第四管道44之间设有单向阀45，流动方向仅能第三管道至第四管道方向，不能倒流，用于防止其他介质倒流进残留物回收箱。

二、因为该装置通过真空力处理残留物，因此每个管道连接处均设有密封圈，防止漏气。

Claims (4)

1.一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置，其特征在于：包括机架，所述机架设有内置多种类磨损介质及可根据实际情况进行选择性供给磨损介质的磨损介质供给装置、摩擦磨损工况模拟装置、磨损试验残留物回收装置，所述磨损介质供给装置包括介质存储罐、与介质存储罐联动的增压泵及与增压泵联动的喷嘴，所述摩擦磨损工况模拟装置包括磨损试验样品夹具及与磨损试验样品夹具联动的音圈电机，所述磨损试验样品夹具上方设有对摩副夹具，所述磨损试验样品夹具内置有加热棒，所述喷嘴位于对摩副夹具一侧且朝向磨损试验样品夹具设置，所述音圈电机可驱动磨损试验样品夹具作往复正弦运动，所述机架位于摩擦磨损工况模拟装置处设有可将磨损试验样品夹具、对摩副夹具包覆且与喷嘴联动的密封盖组件，所述磨损试验残留物回收装置包括置于磨损试验样品夹具下方且可回收试验残留物的回收箱，所述磨损试验残留物回收装置还包括置于磨损试验样品夹具外周且铰接安装于机架上的回收环，所述回收环设有残留物回收废孔，所述回收箱连接有第三管道，所述第三管道相对于连接回收箱的另一端与残留物回收废孔导通连接，所述回收箱相对于连接第三管道的另一侧连接有第四管道，所述第四管道相对于连接回收箱的另一端与阀门联动，所述第四管道与阀门之间设有单向阀，所述回收环设有铰接安装于机架上的环部、位于环部下方且二者一体成型的齿轮部，所述齿轮部啮合联动的传动轮，所述传动轮联动有可正反转的电机，所述残留物回收废孔依次贯穿设置于环部与齿轮部一侧且与第三管道连接；所述磨损试验样品夹具包括可安放样品且一侧与音圈电机联动的样品安放座，所述加热棒位于样品安放座底部，所述样品安放座相对于联动音圈电机的另一侧设有样品定位板，所述样品定位板联动有螺杆，所述螺杆螺纹连接于样品安放座远离音圈电机的一侧，所述样品定位板在螺杆的带动下可朝向音圈电机一侧运动，所述样品安放座底部设有导向凸条，所述机架对应于导向凸条设有与导向凸条滑动配合的导向滑槽，所述音圈电机可驱动样品安放座沿导向滑槽作往复正弦运动，所述机架位于样品安放座与音圈电机之间设有可自动检测样品安放座位置移动信息的位移传感器和检测样品摩擦试验温度信息的温度传感器，所述音圈电机与样品安放座之间设有第一力传感器，所述对摩副夹具位于样品安放座上方，所述磨损试验残留物回收装置位于样品安放座下方；所述对摩副夹具包括设置于磨损试验样品上方的对摩副试样，所述对摩副试样端部设有第二力传感器，所述对摩副试样联动有固定横梁，所述固定横梁两端分别联动有安装于机架上对摩副试样夹具支架，所述对摩副试样夹具支架中部且沿自身轴线方向设有长槽型调节孔，所述固定横梁端部螺纹连接有固定螺栓，所述固定螺栓通过长槽型调节孔与固定横梁端部可拆卸连接。

2.根据权利要求1所述的一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置，其特征在于：所述介质存储罐内设有若干组可存储不同介质的存储室，所述介质存储罐与增压泵之间设有导管机构，所述导管机构包括第一管道、阀门、若干组第二管道，所述第一管道的端部与增压泵导通连接，所述第一管道相对于导通连接增压泵的另一端与阀门联动，每组第二管道分别与一组存储室间歇性导通连接，所述第二管道上靠近介质存储罐的一端设有锁紧螺栓，所述第二管道相对于间歇性导通连接存储室的另一端与阀门联动。

3.根据权利要求1所述的一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置，其特征在于：所述密封盖组件包括盖体及置于盖体端部的第一端盖、第二端盖，所述盖体的材质选用“透明亚克力板”，所述第一端盖中部设有可与第二端盖活动配合的联动孔，所述第二端盖外周沿自身轴线方向对称分布有限位环，所述限位环的最大径向值大于联动孔的最小径向值，所述喷嘴与第二端盖可拆卸连接。

4.根据权利要求3所述的一种可实现多工况下摩擦磨损行为研究的试验装置，其特征在于：所述喷嘴外周均布有连接螺纹，所述第二端盖一侧设有螺纹连接孔，所述喷嘴通过自身连接螺纹与螺纹连接孔与第二端盖可拆卸连接，所述喷嘴位于连接螺纹端部设有手持部，所述手持部外周设有花纹。

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