CN113820233B - 利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪及测试方法，测试仪中，低温工作保温容器用于提供低温工作腔，内置下试样；摩擦力测量机构中的水平加载片与垂直加载片固连形成刚性悬臂，悬伸于低温工作腔内，末端吊装的上试样柱底端面能够与下试样的上端面相接触；水平加载片端面贴设水平应变片，侧面顺着刚性悬臂贴设垂直应变片，通过第一、第二位移传感器分别测量水平应变片与垂直应变片的位移值；运动控制机构用于驱动摩擦力测量机构做线性运动，以施加加载力以及使上试样柱与下试样之间形成摩擦。本发明将低温环境的摩擦力测量传递到室温下进行，并使摩擦的载荷、速度、行程可调，对于航空航天材料低温工况应用具有重要意义。

Description

利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪及测试方法

技术领域

本发明涉及一种摩擦学领域的测试仪器与测试方法，更具体地说是一种利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪及测试方法。

背景技术

低温摩擦学属于摩擦学中的极端工况摩擦学，常见的极端工况包括高温、高速、低温、真空、高压等工况。低温摩擦学是空间技术的重要基石，火箭在进入太空之后就进入到了低温、真空环境中，如何保证火箭发动机在极低温的环境下正常工作极具研究价值。当前的载人液体火箭发动机的燃料和氧化剂都是采用发动机涡轮泵进行进给的，而发动机涡轮泵为了使火箭的燃料和氧化剂能够进入到高压的燃烧室，通常涡轮泵的工作压力要大的多，因此对涡轮泵的轴承要求十分严格。为了提升涡轮泵的重复利用率和使用寿命，我国科研人员已经提出了采用液膜轴承代替传统滚子轴承的方案，本发明正是针对低温低粘流体浸泡下的轴承材料进行的摩擦学测试而提出。

在现有的常温摩擦试验机中，测量摩擦力都是在试样接触区直接进行，这种测量方式高效、准确并且简洁，但是对于低温摩擦领域来说，因低温环境通常在-150℃以下，绝大多数的传感器在这样的条件下会失效，传感器的电子元件理化性质发生变化。对于市面上占多数的电阻式、压阻式、热电阻、热敏、气敏等电阻式传感器元件来说，低温条件对电阻的影响是无法避免的，而且这些影响直接反应在测量精度上，所以对于低温摩擦学实验来说，直接在接触区测量摩擦力难以实现。且，现阶段的低温摩擦学实验一般是指处于-50℃左右的温度，绝对低温难以实现。

发明内容

本发明旨在针对目前低温条件下的摩擦学实验难以测量的难题，提出一种利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，同时基于该测试仪提出一种全新的测试方法，给出一种低温摩擦工作区力与变形的传递方案，以期能够实现将低温环境的摩擦力测量传递到室温下进行，并使摩擦的载荷、速度、行程可调。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，其结构特点是：

包括低温工作保温容器、摩擦力测量机构、运动控制机构，整体安装在安装架上；

所述低温工作保温容器位于摩擦力测量机构的下方，由可拆卸的端盖封装，内部形成有低温工作腔，下试样固定内置于所述低温工作腔中；

所述摩擦力测量机构中，水平加载片与垂直加载片固连形成倒“L”形的刚性悬臂，所述刚性悬臂整体于水平加载片的末端固装在运动控制机构的第一驱动机构上，第一位移传感器与第二位移传感器分别固装在所述第一驱动机构上，由第一驱动机构驱动，与所述刚性悬臂同步位移，所述垂直加载片竖直穿过所述端盖，悬伸于所述低温工作腔内，与所述端盖之间留有间隙，将固装在末端的上试样柱吊装在所述下试样的上方，所述上试样柱的底端面能够与所述下试样的上端面相接触；水平加载片的端面上顺着长度方向贴设水平应变片，在水平加载片的侧面、顺着刚性悬臂的垂直加载片与水平加载片贴设倒“L”形的垂直应变片，所述水平应变片与垂直应变片均是对应于水平加载片末端的一端为自由端，另一端为固定端，自由端能够在外力作用下分别沿着垂直于水平加载片端面与侧面的方向位移，通过所述第一位移传感器与第二位移传感器分别测量水平应变片与垂直应变片的自由端相对于水平加载片的相对位移值；

所述运动控制机构用于带动所述摩擦力测量机构做线性运动，包括第一驱动机构与第二驱动机构，所述第一驱动机构能够带动摩擦力测量机构整体做竖向位移，用于调节上试样柱的高度位置，带有所述摩擦力测量机构的第一驱动机构能够由所述第二驱动机构驱动，沿着垂直于所述水平加载片侧面的方向做直线位移，用于使上试样柱与下试样之间形成摩擦。

本发明的结构特点也在于：

沿前后向水平布置的一对所述水平加载片上下正对，一对水平应变片呈上下对称安装，分设于一对水平加载片朝外的端面上；

沿竖向布置的一对所述垂直加载片左右正对，与一对水平加载片之间通过连接块固连，构成所述刚性悬臂，一对垂直应变片呈左右对称安装，分设于一对垂直加载片朝外的端面上，并沿着水平加载片的侧面贴设；

一对垂直加载片的底端通过带有螺纹安装孔的上试样座螺纹安装有所述上试样柱，所述上试样柱在上试样座上的高度位置通过与所述螺纹安装孔之间的螺纹配合可调。

所述水平应变片为U型片状结构，闭口端作为自由端，竖向可活动地穿设在水平加载片端面末端部固设的竖向柱状销上，开口端作为固定端，通过螺钉紧固在水平加载片的另一端上；

所述垂直应变片为倒L形结构，顺着刚性悬臂的侧面贴设，底端及折角处为固定端，分别通过螺钉紧固，另一端为自由端，横向可活动地穿设在垂直固装于水平加载片侧面的横向柱状销上；

所述水平应变片的自由端上设有第一测量区，供所述第一位移传感器测量，所述垂直应变片的自由端上设有第二测量区，供所述第二位移传感器测量。

所述第一位移传感器与第二位移传感器均为电涡流传感器，与对应的应变片之间是非接触式测量。

所述低温工作腔内腔底部安装有下试样底座，所述下试样通过下试样夹具可拆卸地安装在所述下试样底座上。

所述下试样为酚醛树脂浸渍石墨材料。

所述低温工作保温容器设置为双层圆筒状结构，内层容器采用电木制成，顶部开口，内腔作为所述低温工作腔，内置于铝合金制成的外层容器中，与所述外层容器之间填充聚氯乙烯泡沫作为隔热层，所述外层容器顶端通过螺栓封装有端盖，与所述端盖之间通过密封圈密封。

所述第一驱动机构为位移台，第二驱动机构为直线电机，所述运动控制机构还包括控制模块，用于对直线电机的电机速度与往复行程进行调节。

本发明同时提出了一种利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试方法，基于上述利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪进行，所述测试方法是在低温条件下对两试样间在不同载荷时的摩擦力大小测试，按如下步骤进行：

步骤a1、通过位移台沿竖向调节摩擦力测量机构的高度位置，使上试样柱的底端面与下试样的顶端面之间保留3-5mm的竖向间隙；

步骤a2、打开端盖，向低温工作保温容器的低温工作腔内通入氮气，排出低温工作腔内的空气，使低温工作腔内充满氮气后，停止通入氮气；再向低温工作腔内倒入液氮，使液氮液面刚好没过上试样柱的底端，利用液氮对上试样柱与下试样的摩擦工作区进行充分冷却，并通过工业温度记录仪对摩擦工作区测温，达到预期温度-196℃后，通过螺栓将端盖封装低温工作保温容器；

步骤a3、通过位移台沿竖向调节摩擦力测量机构的高度位置，使上试样柱的底端面与下试样的顶端面相接触，同时通过第一位移传感器观察水平应变片的输出数值，直至水平应变片的输出数值稳定在第一预设数值范围内，通过位移台的锁紧螺母锁紧位移台；

步骤a4、在直线电机停机状态下，通过控制模块对直线电机的电机速度进行调节，并通过对直线电机的往复行程进行调节，从而对摩擦工作区的摩擦往复行程进行预调，调节完成后保持控制模块对直线电机的电机速度与往复行程的预设参数不变；

步骤a5、直线电机通电，以直线电机开始运动的时刻作为记录数据的初始时刻，通过第一位移传感器与第二位移传感器实时记录直线电机运动过程中水平位移片与垂直位移片的输出数值，当直线电机按照预设电机速度运行完预设往复行程后，停止记录，解锁位移台，通过位移台带动摩擦力测量机构上移，将上试样柱抬起，与下试样相脱离；

步骤a6、完成第一组载荷条件下的摩擦力大小测试，电机停机；

步骤a7、依次重复步骤a1、步骤a2后，参照步骤a3进行，通过位移台沿竖向调节摩擦力测量机构的高度位置，使上试样柱的底端面与下试样的顶端面相接触，同时通过第一位移传感器观察水平应变片的输出数值，直至水平应变片的输出数值稳定在第二预设数值范围内，通过位移台的锁紧螺母锁紧位移台；之后依次重复步骤a4、步骤a5，完成第二组载荷条件下的摩擦力大小测试，电机停机；

步骤a8、参照步骤a1-a7，进行多组载荷条件下的摩擦力大小测试；

本发明还提出了一种利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试方法，基于上述利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪进行，所述测试方法是在低温条件下对两试样间在不同往复运动速度时的摩擦力大小测试，按如下步骤进行：

步骤b1、参照步骤a1、步骤a2逐步进行：

步骤b2、通过位移台沿竖向调节摩擦力测量机构的高度位置，使上试样柱的底端面与下试样的顶端面相接触，同时通过第一位移传感器观察水平应变片的输出数值，直至水平应变片0的输出数值稳定在第一预设数值范围内，通过位移台的锁紧螺母锁紧位移台；

步骤b3、在直线电机停机状态下，通过控制模块对直线电机的电机速度进行调节至第一预设电机速度，并调节直线电机的往复行程，来对摩擦工作区的摩擦往复行程进行调节，调节完成后保持控制模块对直线电机的往复行程的预设参数不变；

步骤b4、直线电机通电，以直线电机开始运动的时刻作为记录数据的初始时刻，通过第一位移传感器与第二位移传感器实时记录直线电机运动过程中水平位移片与垂直位移片的输出数值，当直线电机按照第一预设电机速度运行完预设往复行程后，停止记录，解锁位移台，通过位移台带动摩擦力测量机构上移，将上试样柱抬起，与下试样相脱离；

步骤b5、完成第一组电机速度下的摩擦力大小测试，电机停机；

步骤b6、重复进行步骤b1、b2后，参照步骤b3进行，在直线电机停机状态下，通过控制模块对直线电机的电机速度进行调节至第二预设电机速度，并调节直线电机的往复行程，来对摩擦工作区的摩擦往复行程进行调节，调节完成后保持控制模块对直线电机的往复行程的预设参数不变；之后重复进行步骤b4，完成第二组电机速度下的摩擦力大小测试，电机停机；

步骤b7、参照步骤b1-b6，进行多组往复运动速度条件下的摩擦力大小测试。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、目前超低温工况下传感器极易失效且测量误差大，在一般低温条件下，例如-30℃左右，还是有少数传感器能够在此温度下正常工作的，但是当温度下降到-196℃时，绝大多数传感器不能正常工作。本发明采用了传递位移的方式，通过摩擦力测量机构将低温区域的力与变形传递到常温区域，再采用位移传感器进行测量，实现了低温条件下材料摩擦学性能的高精度测量，对于航空航天材料低温工况应用具有重要意义；

2、现在大多数的低温环境大多是通过制冷元件制冷空气实现降温，这样的低温环境可达-30℃至-70℃，对于更低温或者超低温-150℃以下的情况则难以实现。本发明提出了一种利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，液氮的降温效果可达到-196℃，相较于现有技术降温效果更好，为摩擦学极端工况提供了新的思路，利用低温工作保温容器让摩擦工作区浸泡在液氮中，使其充分降温，为低温摩擦学领域提供了一种可行的方案。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的俯视结构示意图；

图3是图2的A-A向剖视结构示意图；

图4是摩擦力测量机构的结构示意图。

图中，1内层容器；2低温工作腔；3外层容器；4端盖；5开口；6下试样底座；7下试样夹具；8下试样；9水平加载片；10水平应变片；11垂直加载片；12垂直应变片；13连接块；14上试样座；15上试样柱；16竖向柱状销；17横向柱状销；18第一位移传感器；19第二位移传感器；20传感器夹持器；21传感器安装座；22第一驱动机构；23第二驱动机构；24底板；25背板；26肋板；27密封圈。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。

本发明是针对火箭涡轮泵极端工况下接触摩擦行为影响液膜轴承应用的航天技术瓶颈问题，提出开展低温低粘流体浸泡下的轴承材料摩擦学测试，为此设计出利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，并基于该测试仪给出相应的测试方法。

请参照图1至图4，本实施例的利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪包括低温工作保温容器、摩擦力测量机构、运动控制机构，整体安装在安装架上；

低温工作保温容器位于摩擦力测量机构的下方，由可拆卸的端盖4封装，内部形成有低温工作腔2，下试样8固定内置于低温工作腔2中，由图1示出的低温工作保温容器的剖视结构可参考；

摩擦力测量机构中，水平加载片9与垂直加载片11固连形成倒“L”形的刚性悬臂，刚性悬臂整体于水平加载片9的末端固装在运动控制机构的第一驱动机构22上，第一位移传感器18与第二位移传感器19分别固装在第一驱动机构22上，由第一驱动机构22驱动，与刚性悬臂同步位移，垂直加载片11竖直穿过端盖4，悬伸于低温工作腔2内，与端盖4之间留有间隙，将固装在末端的上试样柱15吊装在下试样8的上方，上试样柱15的底端面能够与下试样8的上端面相接触；水平加载片9的端面上顺着长度方向贴设水平应变片10，在水平加载片9的侧面、顺着刚性悬臂的垂直加载片11与水平加载片9贴设倒“L”形的垂直应变片12，水平应变片10与垂直应变片12均是对应于水平加载片9末端的一端为自由端，另一端为固定端，自由端能够在外力作用下分别沿着垂直于水平加载片9端面与侧面的方向位移，通过第一位移传感器18与第二位移传感器19分别测量水平应变片10与垂直应变片12的自由端相对于水平加载片9的相对位移值；

运动控制机构用于带动摩擦力测量机构做线性运动，包括第一驱动机构22与第二驱动机构23，第一驱动机构22能够带动摩擦力测量机构整体做竖向位移，用于调节上试样柱15的高度位置，带有摩擦力测量机构的第一驱动机构22能够由第二驱动机构23驱动，沿着垂直于水平加载片9侧面的方向做直线位移，用于使上试样柱15与下试样8之间形成摩擦。

具体实施中：

摩擦力测量机构的刚性悬臂、各应变片及上试样柱15等结构设置如下：

沿前后向水平布置的一对水平加载片9上下正对，一对水平应变片10呈上下对称安装，分设于一对水平加载片9朝外的端面上；

沿竖向布置的一对垂直加载片11左右正对，与一对水平加载片9之间通过连接块13固连，构成刚性悬臂，一对垂直应变片12呈左右对称安装，分设于一对垂直加载片11朝外的端面上，并沿着水平加载片9的侧面贴设；

一对垂直加载片11的底端通过带有螺纹安装孔的上试样座14螺纹安装有上试样柱15，上试样柱15在上试样座14上的高度位置通过与螺纹安装孔之间的螺纹配合可调，与刚性悬臂整体可看作刚体。

对各应变片的结构进一步设计：

水平应变片10为U型片状结构，厚0.5mm，闭口端作为自由端，竖向可活动地穿设在水平加载片9端面末端部固设的竖向柱状销16上，开口5端作为固定端，通过螺钉紧固在水平加载片9的另一端上；

垂直应变片12为倒L形结构，厚0.5mm，顺着刚性悬臂的侧面贴设，底端及折角处为固定端，分别通过螺钉紧固，另一端为自由端，横向可活动地穿设在垂直固装于水平加载片9侧面的横向柱状销17上；为减轻自重，垂直应变片12上可设置为镂空结构，L形结构的垂直应变片12，在设置镂空孔时，应使L形竖直段和水平段上的镂空孔的外形基于折角线呈对称设计，孔长则可分别按照竖直段及水平段的长度对应设置。

水平应变片10的自由端上设有20mm宽的第一测量区，供第一位移传感器18测量，垂直应变片12的自由端上设有第二测量区，供第二位移传感器19测量。

各应变片均为不锈钢材质，各加载片均为铝合金材质。

摩擦力测量机构中的第一位移传感器18与第二位移传感器19均为电涡流传感器，与对应的应变片之间是非接触式测量。安装方式可以是，两个位移传感器分别安装在对应的专用传感器夹持器20上，再将传感器夹持器20通过螺栓固定在传感器安装座21上后，将传感器安装座21通过螺栓固定在位移台上，位移传感器的安装位置通过螺栓可调。传统的接触式测量方式测量精度高，但是容易受外力干扰，并且探头在使用过程中会有一定的磨损，本实施例的第一位移传感器18与第二位移传感器19具体是采用KH-4110-E02电涡流位移传感器，其测量分辨率可达1μm，保证了测量精度，同时由于与应变片之间为非接触式测量，又提高了传感器探头的使用寿命，很好地规避了传统接触式测量方式的两点弊端。

低温工作保温容器的结构设置也包括：

低温工作腔2内腔底部安装有下试样底座6，下试样8由下试样夹具7固定夹持，下试样夹具7通过螺栓可拆卸地安装在下试样底座6上。

下试样8为酚醛树脂浸渍石墨材料。

低温工作保温容器固装在安装架上，设置为双层圆筒状结构，内层容器1采用电木制成，顶部开口5，内腔作为低温工作腔2，内置于铝合金制成的外层容器3中，与外层容器3之间填充聚氯乙烯泡沫作为隔热层，使低温工作保温容器具有良好的恒温性，外层容器3顶端通过螺栓封装有端盖4，与端盖4之间通过密封圈27密封，保证低温工作保温容器良好的气密性。端盖4上设有供刚性悬臂伸入的相适配的开口5。

运动控制机构中：第一驱动机构22用于带动摩擦力测量机构竖向位移，使上试样柱15对下试样8施加载荷，采用东莞市精密机械有限公司的交叉导轨滚子位移台LY90-RM，行程为±6.5mm，负载4.5kg，位移分辨率为0.01mm，移动平行度不大于0.01mm/13mm；第二驱动机构23为SURUGA-SEIKI公司的PG750-L直线电机，位置精度误差在12μm左右，重复位置精度在±0.5μm，满足摩擦学实验大量往复小行程的要求；还包括控制模块，用于对直线电机的电机速度与往复行程进行调节。位移台通过螺栓紧固在直线电机的输出端，直线电机安装在安装架上。

安装架包括底板24、背板25及连接于底板24与背板25之间的肋板26。

受传感器低温条件下测量误差大且极易失效的限制，传统的摩擦力测量机构并不能直接得出摩擦工作区的摩擦力大小，本实施例的利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，所采用的方案是，通过向低温工作保温容器的低温工作腔2内通入氮气作为保护气体以免除空气影响，并倒入液氮对摩擦工作区进行充分降温，利用低温工作保温容器的封闭与保温结构起到减缓环境对液氮降温效果的温升影响，以创造稳定、密闭的低温环境，在此基础上，利用摩擦力测量机构的带有水平应变片10与垂直应变片12的刚性悬臂，将低温工作腔2内摩擦工作区的力与变形传递到常温区域，再配置第一位移传感器18与第二位移传感器19实时检测水平应变片10与垂直应变片12的变形，用于得出上下试样8间形成的摩擦工作区的摩擦力大小，测试仪的加载和往复运动则是分别由运动控制机构的位移台与直线电机提供驱动。

在对上下试样8进行摩擦实验过程中，下试样8为固定件，上试样柱15为主动件，在运动控制机构的驱动下与下试样8对磨，上试样柱15的高度、上下试样8的对磨位置按需可调，二者之间相接触的端面作为摩擦工作区。

在位移台的驱动下，摩擦力测量机构整体竖向位移，当上试样柱15碰到下试样8，受垂直载荷的影响，通过力的作用迫使水平应变片10产生弯曲变形，水平应变片10的自由端通过竖向柱状销16相对于水平加载片9产生竖向位移，此时第一位移传感器18所测量的位移值能够反映出水平加载片9在垂直载荷的作用下所受加载力的大小，进一步的，后续还可通过悬臂梁简化模型，基于此位移值及相应的零件尺寸、材料参数和悬臂长度计算得出摩擦工作区的垂直加载力的大小。

在直线电机的驱动下，当上下试样8对磨时，在摩擦力的作用下，垂直应变片12受递进变形作用，下端产生的变形效应会连续地传递到上方的自由端，自由端通过横向柱状销17相对于水平加载片9产生横向位移，此时第二位移传感器19所测量的位移值能够反映出水平加载片9和垂直加载片11在摩擦作用下所受摩擦力的大小，进一步的，后续可通过悬臂梁简化模型，基于该位移值、零件尺寸、材料参数和悬臂长度计算得出摩擦工作区的摩擦力大小，在计算时应注意，垂直应变片12自下端向自由端的变形效应的传递在数量关系上不是完全的等同关系，是一种比例关系。

本实施例同时提出了一种利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试方法，该测试方法包括低温条件下对两试样间，在不同载荷时或不同往复运动速度时的两种摩擦力大小测试；

第一种、低温条件下对上试样柱15与下试样8之间在不同载荷时的摩擦力大小测试，是按如下步骤进行：

步骤a1、通过位移台沿竖向调节摩擦力测量机构的高度位置，使上试样柱15的底端面与下试样8的顶端面之间保留3-5mm的竖向间隙；

步骤a2、打开端盖4，向低温工作保温容器的低温工作腔2内通入氮气，排出低温工作腔2内的空气，使低温工作腔2内充满氮气后，停止通入氮气；再向低温工作腔2内倒入液氮，使液氮液面刚好没过上试样柱15的底端，利用液氮对上试样柱15与下试样8的摩擦工作区进行充分冷却，并通过工业温度记录仪对摩擦工作区测温，达到预期温度-196℃后，通过螺栓将端盖4封装低温工作保温容器；

步骤a3、通过位移台沿竖向调节摩擦力测量机构的高度位置，使上试样柱15的底端面与下试样8的顶端面相接触，同时通过第一位移传感器18观察水平应变片10的输出数值，直至水平应变片10的输出数值稳定在第一预设数值范围内，即能够获得预设的垂直载荷，然后通过位移台的锁紧螺母锁紧位移台，也即锁定上下试样8间摩擦工作区的垂直载荷不可变；

步骤a4、在直线电机停机状态下，通过控制模块对直线电机的电机速度进行调节，并通过对直线电机的往复行程进行调节，从而对摩擦工作区的摩擦往复行程进行预调，调节完成后保持在不同载荷条件下，控制模块对直线电机的电机速度与往复行程的预设参数不变，以单一研究不同载荷对摩擦系数的影响；

步骤a5、直线电机通电，以直线电机开始运动的时刻作为记录数据的初始时刻，通过第一位移传感器18与第二位移传感器19实时记录直线电机运动过程中水平位移片与垂直位移片的输出数值，当直线电机按照预设电机速度运行完预设往复行程后，停止记录，解锁位移台，通过位移台带动摩擦力测量机构上移，将上试样柱15抬起，与下试样8相脱离；

步骤a6、完成第一组载荷条件下的摩擦力大小测试，电机停机；

步骤a7、依次重复步骤a1、步骤a2后，参照步骤a3进行，通过位移台沿竖向调节摩擦力测量机构的高度位置，使上试样柱15的底端面与下试样8的顶端面相接触，同时通过第一位移传感器18观察水平应变片10的输出数值，直至水平应变片10的输出数值稳定在第二预设数值范围内，通过位移台的锁紧螺母锁紧位移台；之后依次重复步骤a4、步骤a5，完成第二组载荷条件下的摩擦力大小测试，电机停机；

步骤a8、参照步骤a1-a7，进行多组载荷条件下的摩擦力大小测试；

第二种、低温条件下对上试样柱15与下试样8之间在不同往复运动速度时的摩擦力大小测试是按如下步骤进行：

步骤b1、参照第一种摩擦力大小测试的步骤a1、步骤a2逐步进行：

步骤b2、通过位移台沿竖向调节摩擦力测量机构的高度位置，使上试样柱15的底端面与下试样8的顶端面相接触，同时通过第一位移传感器18观察水平应变片10的输出数值，直至水平应变片10的输出数值稳定在第一预设数值范围内，即能够获得预设的垂直载荷，通过位移台的锁紧螺母锁紧位移台，也即锁定上下试样8间摩擦工作区的垂直载荷不可变；

步骤b3、在直线电机停机状态下，通过控制模块对直线电机的电机速度进行调节至第一预设电机速度，并调节直线电机的往复行程，来对摩擦工作区的摩擦往复行程进行调节，调节完成后保持控制模块对直线电机的往复行程的预设参数不变，在此后的组别中不改变往复行程，只改变电机速度，即往复运动速度；

步骤b4、直线电机通电，以直线电机开始运动的时刻作为记录数据的初始时刻，通过第一位移传感器18与第二位移传感器19实时记录直线电机运动过程中水平位移片与垂直位移片的输出数值，当直线电机按照第一预设电机速度运行完预设往复行程后，停止记录，解锁位移台，通过位移台带动摩擦力测量机构上移，将上试样柱15抬起，与下试样8相脱离；

步骤b5、完成第一组电机速度下的摩擦力大小测试，电机停机；

步骤b6、重复进行步骤b1、b2后，参照步骤b3进行，在直线电机停机状态下，通过控制模块对直线电机的电机速度进行调节至第二预设电机速度，并调节直线电机的往复行程，来对摩擦工作区的摩擦往复行程进行调节，调节完成后保持控制模块对直线电机的往复行程的预设参数不变；之后重复进行步骤b4，完成第二组电机速度下的摩擦力大小测试，电机停机；

步骤b7、参照步骤b1-b6，进行多组往复运动速度条件下的摩擦力大小测试。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，其特征是：

包括低温工作保温容器、摩擦力测量机构、运动控制机构，整体安装在安装架上；

所述低温工作保温容器位于摩擦力测量机构的下方，由可拆卸的端盖（4）封装，内部形成有低温工作腔（2），下试样（8）固定内置于所述低温工作腔（2）中；

所述摩擦力测量机构中，水平加载片（9）与垂直加载片（11）固连形成倒“L”形的刚性悬臂，所述刚性悬臂整体于水平加载片（9）的末端固装在运动控制机构的第一驱动机构（22）上，第一位移传感器（18）与第二位移传感器（19）分别固装在所述第一驱动机构（22）上，由第一驱动机构（22）驱动，与所述刚性悬臂同步位移，所述垂直加载片（11）竖直穿过所述端盖（4），悬伸于所述低温工作腔（2）内，与所述端盖（4）之间留有间隙，将固装在末端的上试样柱（15）吊装在所述下试样（8）的上方，所述上试样柱（15）的底端面能够与所述下试样（8）的上端面相接触；水平加载片（9）的端面上顺着长度方向贴设水平应变片（10），在水平加载片（9）的侧面、顺着刚性悬臂的垂直加载片（11）与水平加载片（9）贴设倒“L”形的垂直应变片（12），所述水平应变片（10）与垂直应变片（12）均是对应于水平加载片（9）末端的一端为自由端，另一端为固定端，自由端能够在外力作用下分别沿着垂直于水平加载片（9）端面与侧面的方向位移，通过所述第一位移传感器（18）与第二位移传感器（19）分别测量水平应变片（10）与垂直应变片（12）的自由端相对于水平加载片（9）的相对位移值；所述水平应变片（10）为U型片状结构，闭口端作为自由端，竖向可活动地穿设在水平加载片（9）端面末端部固设的竖向柱状销（16）上，开口端作为固定端，通过螺钉紧固在水平加载片（9）的另一端上；所述垂直应变片（12）为倒L形结构，顺着刚性悬臂的侧面贴设，底端及折角处为固定端，分别通过螺钉紧固，另一端为自由端，横向可活动地穿设在垂直固装于水平加载片（9）侧面的横向柱状销（17）上；所述水平应变片（10）的自由端上设有第一测量区，供所述第一位移传感器（18）测量，所述垂直应变片（12）的自由端上设有第二测量区，供所述第二位移传感器（19）测量；

所述运动控制机构用于带动所述摩擦力测量机构做线性运动，包括第一驱动机构（22）与第二驱动机构（23），所述第一驱动机构（22）能够带动摩擦力测量机构整体做竖向位移，用于调节上试样柱（15）的高度位置，带有所述摩擦力测量机构的第一驱动机构（22）能够由所述第二驱动机构（23）驱动，沿着垂直于所述水平加载片（9）侧面的方向做直线位移，用于使上试样柱（15）与下试样（8）之间形成摩擦。

2.根据权利要求1所述的利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，其特征是：

沿前后向水平布置的一对所述水平加载片（9）上下正对，一对水平应变片（10）呈上下对称安装，分设于一对水平加载片（9）朝外的端面上；

沿竖向布置的一对所述垂直加载片（11）左右正对，与一对水平加载片（9）之间通过连接块固连，构成所述刚性悬臂，一对垂直应变片（12）呈左右对称安装，分设于一对垂直加载片（11）朝外的端面上，并沿着水平加载片（9）的侧面贴设；

一对垂直加载片（11）的底端通过带有螺纹安装孔的上试样座（14）螺纹安装有所述上试样柱（15），所述上试样柱（15）在上试样座（14）上的高度位置通过与所述螺纹安装孔之间的螺纹配合可调。

3.根据权利要求1或2所述的利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，其特征是：所述第一位移传感器（18）与第二位移传感器（19）均为电涡流传感器，与对应的应变片之间是非接触式测量。

4.根据权利要求1所述的利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，其特征是：所述低温工作腔（2）内腔底部安装有下试样（8）底座，所述下试样（8）通过下试样（8）夹具可拆卸地安装在所述下试样（8）底座上。

5.根据权利要求1或4所述的利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，其特征是：所述下试样（8）为酚醛树脂浸渍石墨材料。

6.根据权利要求1所述的利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，其特征是：所述所述低温工作保温容器设置为双层圆筒状结构，内层容器（1）采用电木制成，顶部开口，内腔作为所述低温工作腔（2），内置于铝合金制成的外层容器（3）中，与所述外层容器（3）之间填充聚氯乙烯泡沫作为隔热层，所述外层容器（3）顶端通过螺栓封装有端盖（4），与所述端盖（4）之间通过密封圈密封。

7.根据权利要求1所述的利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，其特征是：所述第一驱动机构（22）为位移台，第二驱动机构（23）为直线电机，所述运动控制机构还包括控制模块，用于对直线电机的电机速度与往复行程进行调节。

8.一种利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试方法，其特征是，利用权1-7任一项所述利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪进行，所述测试方法是在低温条件下对两试样间在不同载荷时的摩擦力大小测试，按如下步骤进行：

步骤a1、通过位移台沿竖向调节摩擦力测量机构的高度位置，使上试样柱（15）的底端面与下试样（8）的顶端面之间保留3-5mm的竖向间隙；

步骤a2、打开端盖（4），向低温工作保温容器的低温工作腔（2）内通入氮气，排出低温工作腔（2）内的空气，使低温工作腔（2）内充满氮气后，停止通入氮气；再向低温工作腔（2）内倒入液氮，使液氮液面刚好没过上试样柱（15）的底端，利用液氮对上试样柱（15）与下试样（8）的摩擦工作区进行充分冷却，并通过工业温度记录仪对摩擦工作区测温，达到预期温度-196℃后，通过螺栓将端盖（4）封装低温工作保温容器；

步骤a3、通过位移台沿竖向调节摩擦力测量机构的高度位置，使上试样柱（15）的底端面与下试样（8）的顶端面相接触，同时通过第一位移传感器（18）观察水平应变片（10）的输出数值，直至水平应变片（10）的输出数值稳定在第一预设数值范围内，通过位移台的锁紧螺母锁紧位移台；

步骤a4、在直线电机停机状态下，通过控制模块对直线电机的电机速度进行调节，并通过对直线电机的往复行程进行调节，从而对摩擦工作区的摩擦往复行程进行预调，调节完成后保持控制模块对直线电机的电机速度与往复行程的预设参数不变；

步骤a5、直线电机通电，以直线电机开始运动的时刻作为记录数据的初始时刻，通过第一位移传感器（18）与第二位移传感器（19）实时记录直线电机运动过程中水平位移片与垂直位移片的输出数值，当直线电机按照预设电机速度运行完预设往复行程后，停止记录，解锁位移台，通过位移台带动摩擦力测量机构上移，将上试样柱（15）抬起，与下试样（8）相脱离；

步骤a6、完成第一组载荷条件下的摩擦力大小测试，电机停机；

步骤a7、依次重复步骤a1、步骤a2后，参照步骤a3进行，通过位移台沿竖向调节摩擦力测量机构的高度位置，使上试样柱（15）的底端面与下试样（8）的顶端面相接触，同时通过第一位移传感器（18）观察水平应变片（10）的输出数值，直至水平应变片（10）的输出数值稳定在第二预设数值范围内，通过位移台的锁紧螺母锁紧位移台；之后依次重复步骤a4、步骤a5，完成第二组载荷条件下的摩擦力大小测试，电机停机；

步骤a8、参照步骤a1-a7，进行多组载荷条件下的摩擦力大小测试。

9.一种利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试方法，其特征是，利用权1-7任一项所述利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪进行，所述测试方法是在低温条件下对两试样间在不同往复运动速度时的摩擦力大小测试，按如下步骤进行：

步骤b1、参照权利要求8的步骤a1、步骤a2逐步进行；

步骤b2、通过位移台沿竖向调节摩擦力测量机构的高度位置，使上试样柱（15）的底端面与下试样（8）的顶端面相接触，同时通过第一位移传感器（18）观察水平应变片（10）的输出数值，直至水平应变片（10）的输出数值稳定在第一预设数值范围内，通过位移台的锁紧螺母锁紧位移台；

步骤b3、在直线电机停机状态下，通过控制模块对直线电机的电机速度进行调节至第一预设电机速度，并调节直线电机的往复行程，来对摩擦工作区的摩擦往复行程进行调节，调节完成后保持控制模块对直线电机的往复行程的预设参数不变；

步骤b4、直线电机通电，以直线电机开始运动的时刻作为记录数据的初始时刻，通过第一位移传感器（18）与第二位移传感器（19）实时记录直线电机运动过程中水平位移片与垂直位移片的输出数值，当直线电机按照第一预设电机速度运行完预设往复行程后，停止记录，解锁位移台，通过位移台带动摩擦力测量机构上移，将上试样柱（15）抬起，与下试样（8）相脱离；

步骤b5、完成第一组电机速度下的摩擦力大小测试，电机停机；

步骤b6、重复进行步骤b1、b2后，参照步骤b3进行，在直线电机停机状态下，通过控制模块对直线电机的电机速度进行调节至第二预设电机速度，并调节直线电机的往复行程，来对摩擦工作区的摩擦往复行程进行调节，调节完成后保持控制模块对直线电机的往复行程的预设参数不变；之后重复进行步骤b4，完成第二组电机速度下的摩擦力大小测试，电机停机；

步骤b7、参照步骤b1-b6，进行多组往复运动速度条件下的摩擦力大小测试。