CN113984571A - 一种摆动式高温摩擦磨损试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种摆动式高温摩擦磨损试验装置，属于材料高温下摩擦磨损的试验装置。真空腔体和驱动模块分别与机架上方固定连接，驱动模块分别从两侧贯穿真空腔体，摩擦磨损模块顶端安装在真空腔体的内部、下端的摆杆与两侧对称布置的驱动模块的连杆铰接，高温加载模块底部通过螺栓固定在真空腔体的内部、且位于摩擦磨损模块下方。优点是结构新颖，可得出材料高温真空环境下的摩擦系数，保证驱动模块推拉杆直线运动，更为安全，有效提高板状试件加热效率，并保证板状试件上温度分布的均匀性，提高试验数据的准确性，保护试验设备和试验人员的安全。

Description

一种摆动式高温摩擦磨损试验装置

技术领域

本发明涉及材料高温下摩擦磨损的性能评估装置，特别涉及一种摆动式高温摩擦磨损试验装置。

背景技术

在航空航天、汽车制造、新能源、化工等领域，处于高温下的材料磨损失效问题越来越突出，例如航空发动机用密封部件、汽车发动机活塞与缸体、运行在高温环境下的轴承以及碳化硅工业喷嘴等，高温摩擦磨损都是其主要的失效形式。此外，对于通过表面工程制备的各种耐磨涂层也需要利用摩擦磨损试验装置进行测试，因此，有必要开发一台高温摩擦磨损试验装置，对材料在高温环境下的摩擦磨损性能进行测试。

中国专利申请CN111380766A公开了《一种真空高温摩擦磨损试验仪》，以这种摩擦磨损实验设备代表的目前高温摩擦磨损试验机存在的问题是：缺乏必要的散热系统，使得整个实验装置出于高温环境中，实验过程中传感器经受高温考验可能出现测量误差，影响实验结果且对高温环境对试验人员安全不利，增大了试验人员的安全风险，现有高温加载的温度和加载的速率不高，常用电阻丝和电热管加热，加热至1000摄氏度通常需要40-60分钟，过长的加热时间无法模拟材料所处真实工况的快速温升环境，且试件的温度均匀性也不易保证，对真空高温环境下的材料摩擦磨损试验效果不好。

发明内容

本发明提出一种摆动式高温摩擦磨损试验装置，以解决目前存在的高温加载温度和加载速率不高的问题。

本发明采取的技术方案是：包括真空腔体、高温加载模块、驱动模块、摩擦磨损模块和机架，其中真空腔体和驱动模块分别与机架上方固定连接，驱动模块分别从两侧贯穿真空腔体，摩擦磨损模块顶端安装在真空腔体的内部、下端的摆杆与两侧对称布置的驱动模块的连杆铰接，高温加载模块底部通过螺栓固定在真空腔体的内部、且位于摩擦磨损模块下方。

本发明所述真空腔体包括腔体前门、前后腔体观察窗、旋紧手柄、抽真空接口、腔体、摩擦磨损模块安装孔、冷却接头、右上侧观测窗、驱动模块安装孔、比色计、腔体后门、橡胶密封圈、导线密封口和真空规管，其中腔体为圆柱形双层中空结构，圆周侧壁布置水平方向的两个驱动模块安装孔、上方布置摩擦磨损模块安装孔，腔体内外壁上还分布有冷却接头，导线密封口与腔体连接，前腔体门、后腔体门与腔体间设置有橡胶密封圈，腔体内部及前腔体门、后腔体门内部均有空隙，用于设置冷却水路，冷却水从外部水冷机经冷却水路从腔体外壁冷却接头注入腔体中空结构中，并在其中循环，为真空腔体降温，腔体内外水冷接头相互连通，内壁的冷却接头经冷却连接水管与水冷块连接，抽真空接口用于对腔体进行抽放气，前腔体门、后腔体门与腔体间通过六个均匀布置的锁紧旋柄锁紧，前腔体门和后腔体门上分别有前后腔体观察窗，真空腔体与驱动模块通过波纹管连接密封，波纹管随折返式伺服电缸输出轴伸缩，保证真空腔体内部密闭性；腔体设置右上侧观测窗，比色计与腔体外部固定连接、且位于右上侧观测窗上方，真空规管与腔体下部固定连接。

本发明所述高温加载模块包括包括感应加热线圈、碳毡保温套、石墨挡片、石墨挡片螺钉、冷却连接水管、热电偶、石墨加热体、石墨螺钉、隔热毡、水冷块、连接螺钉、三维力传感器和下盖，其中石墨加热体的条形槽用于安装板状摩擦试件，石墨挡片螺钉经石墨挡片与石墨加热体上方螺纹连接，石墨加热体内部安装热电偶、外围嵌套碳毡保温套，碳毡保温套外围嵌套感应加热线圈，感应加热线圈内部为中空结构并通有冷却水，防止铜制的感应加热线圈温升过高，感应加热线圈通过真空腔体上绝缘孔与真空腔体外部的感应加热电源相连，水冷块与石墨加热体之间通过隔热毡相隔、并通过石墨螺钉固定连接，水冷块与下盖螺纹连接，三维力传感器和下盖通过连接螺钉固定连接，水冷块与真空腔体通过冷却连接水管相连，从而保证真空腔体中的冷却水与水冷块循环，减少石墨加热体热量向真空腔体传导，下盖与真空腔体间设置密封橡胶圈，并通过螺栓连接。

本发明所述驱动模块包括折返式伺服电缸电机支架、支架螺栓、电缸输出轴、电缸法兰、法兰螺栓、推拉杆、波纹管、波纹管螺栓、连杆、尼龙垫块、V型支座、垫块螺钉、限位螺钉、限位块、滑块螺钉、滑块、导轨螺钉、导轨、滑轨支座和支座螺钉，其中折返式伺服电缸通过支架螺栓与电机支架固定连接，电缸输出轴通过电缸法兰用法兰螺栓与推拉杆连接，连杆两端通过铰链与推拉杆和摆杆连接，波纹管上的法兰与推拉杆上的法兰通过波纹管螺栓连接，波纹管与推拉杆和真空腔体间设置有橡胶密封环以保证气密性，电缸法兰和推拉杆上的法兰与尼龙垫块相接触，尼龙垫块通过垫块螺钉固定在V型支座上，V型支座通过滑块螺钉固定在滑块上，滑块与导轨滑动连接，可在电缸法兰和推拉杆作直线往复运动时起支撑作用，从而有效避免因部件自身重力引起的运动误差，滑轨通过导轨螺钉固定在滑轨支座上，滑轨支座通过支座螺钉固定在电机支架上，限位块通过限位螺钉与导轨外端固定连接。

本发明所述摩擦磨损模块包括上盖、力传感器、铰链支座法兰、法兰连接螺栓、锁紧环、铰链支座、摆杆、摩擦头和摩擦头连接螺栓，其中摆杆根部通过铰链安装于铰链支座上，端部通过摩擦头连接螺栓固定有可更换材料的摩擦头，铰链支座上表面有螺纹孔与铰链支座法兰通过螺纹连接，力传感器与铰链支座法兰通过法兰连接螺栓连接，力传感器上表面有螺纹孔与上盖上的螺纹轴通过螺纹连接，上盖与真空腔体间设置密封橡胶圈并通过螺栓连接，摆杆上方铰链支座与铰链支座法兰间设置有一对锁紧环，锁紧环螺旋面相互接触，相对转动锁紧环，其轴向距离发生改变，可对摆杆加载高度进行调整。

本发明所述摆杆下部两侧对称分布两个吊耳。

本发明的有益效果是：

1.通过伺服电机推杆牵引摆杆使摩擦头对摩擦试件加载载荷，改变摆杆角度可调整摩擦载荷的加载力值保证试验过程中，摩擦头与摩擦试件始终处于接触状态，三维力传感器测量试件所受摩擦力大小和方向，可得出材料高温真空环境下的摩擦系数。

2.通过旋转摆杆上方铰链支座上设置的锁紧环可对摩擦磨损试验中载荷大小进行控制，试验设备驱动模块的加载链结构简单，各部件的连接方式易于装配，运行过程中对伺服电缸不存在较大风险，推拉杆作往复直线运动，其下方与直线导轨滑块接触，可减少因推拉杆、波纹管重量引起的力传感器测量误差，并保证驱动模块推拉杆直线运动，更为安全。

3.利用感应加热线圈可实现对摩擦试件的快速加热，感应加热模块为嵌套结构，内部的石墨加热体对板装试件传导热量，外部嵌套碳毡保温套，下部通过隔热毡隔热，可有效提高板状试件加热效率，并保证板状试件上温度分布的均匀性，提高试验数据的准确性。

4.高温加载模块与下方三维力传感器间设置有隔热毡和水冷块可有效阻隔热量向三维力传感器的传递，保证试验数据的准确性。

5.双层中空真空腔体内部循环冷却水，水冷块与真空腔体通过橡胶管连接，橡胶管上套有隔热布套隔绝高温，保护试验设备和试验人员的安全。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明去掉真空腔体前门后的结构示意图；

图3是本发明真空腔体的结构示意图；

图4是本发明高温加载模块的结构示意图；

图5是本发明高温加载模块的装配爆炸图；

图6是本发明驱动模块的结构示意图；

图7是本发明驱动模块的装配爆炸图；

图8是本发明摩擦磨损模块的结构示意图；

图9是本发明摩擦磨损模块的装配爆炸图；

图10是本发明摩擦磨损模块工作状态示意图。

具体实施方式

参见图1、2，包括真空腔体1、高温加载模块2、驱动模块3、摩擦磨损模块4和机架5，其中真空腔体1和驱动模块3分别与机架5上方固定连接，驱动模块3分别从两侧贯穿真空腔体1，摩擦磨损模块4顶端安装在真空腔体1的内部、下端的摆杆407与两侧对称布置的驱动模块3的连杆310铰接，高温加载模块2底部通过螺栓固定在真空腔体1的内部、且位于摩擦磨损模块4下方。

参见图3，本发明所述真空腔体1包括腔体前门101、前后腔体观察窗102、旋紧手柄103、抽真空接口104、腔体105、摩擦磨损模块安装孔106、冷却接头107、右上侧观测窗108、驱动模块安装孔109、比色计110、腔体后门111、橡胶密封圈112、导线密封口113和真空规管114，其中腔体105为圆柱形双层中空结构，圆周侧壁布置水平方向的两个驱动模块安装孔109、上方布置摩擦磨损模块安装孔106，腔体105内外壁上还分布有冷却接头107，导线密封口113与腔体105连接，前腔体门101、后腔体门111与腔体105间设置有橡胶密封圈112，保证腔体门关闭时真空腔体1的密封性，腔体105内部及前腔体门101、后腔体门111内部均有空隙，用于设置冷却水路，冷却水从外部水冷机经冷却水路从腔体外壁冷却接头107注入腔体105中空结构中，并在其中循环，为真空腔体1降温，腔体105内外水冷接头相互连通，内壁的冷却接头107经冷却连接水管205与水冷块210连接，完成对水冷块210的冷却，抽真空接口104用于对腔体1进行抽放气，前腔体门101、后腔体门111与腔体105间通过六个均匀布置的锁紧旋柄103锁紧，前腔体门101和后腔体门111上分别有前后腔体观察窗102，真空腔体1与驱动模块3通过波纹管308连接密封，波纹管308随折返式伺服电缸输出轴303伸缩，保证真空腔体1内部密闭性；腔体1设置右上侧观测窗108，比色计110与腔体1外部固定连接、且位于右上侧观测窗108上方，真空规管114与腔体1下部固定连接。

参见图4、5，本发明所述高温加载模块2包括包括感应加热线圈201、碳毡保温套202、石墨挡片203、石墨挡片螺钉204、冷却连接水管205、热电偶206、石墨加热体207、石墨螺钉208、隔热毡209、水冷块210、连接螺钉211、三维力传感器212和下盖213，其中石墨加热体207的条形槽用于安装板状试样6，石墨挡片螺钉204经石墨挡片203与石墨加热体207上方螺纹连接，石墨加热体207内部安装热电偶206、外围嵌套碳毡保温套202，减少热量逸散，碳毡保温套202外围嵌套感应加热线圈201，感应加热线圈201内部为中空结构并通有冷却水，防止铜制的感应加热线圈201温升过高，感应加热线圈201通过真空腔体1上绝缘孔与真空腔体1外部的感应加热电源相连，水冷块210与石墨加热体207之间通过隔热毡209相隔、并通过石墨螺钉208固定连接，水冷块210与下盖213螺纹连接，三维力传感器212和下盖213通过连接螺钉211固定连接，水冷块210与真空腔体1通过冷却连接水管205相连，从而保证真空腔体1中的冷却水与水冷块210循环，减少石墨加热体207热量向真空腔体1传导，下盖213与真空腔体1间设置密封橡胶圈112，并通过螺栓连接。

参见图6、7，本发明所述驱动模块3包括折返式伺服电缸301、电机支架302、支架螺栓303、电缸输出轴304、电缸法兰305、法兰螺栓306、推拉杆307、波纹管308、波纹管螺栓309、连杆310、尼龙垫块311、V型支座312、垫块螺钉313、限位螺钉314、限位块315、滑块螺钉316、滑块317、导轨螺钉318、导轨319、滑轨支座320和支座螺钉321，其中折返式伺服电缸301通过支架螺栓303与电机支架302固定连接，电缸输出轴304通过电缸法兰305用法兰螺栓306与推拉杆307连接，连杆310两端通过铰链与推拉杆307和摆杆407连接，波纹管308上的法兰与推拉杆307上的法兰通过波纹管螺栓309连接，波纹管308与推拉杆307和真空腔体1间设置有橡胶密封环112以保证气密性，电缸法兰305和推拉杆307上的法兰与尼龙垫块311相接触，尼龙垫块311通过垫块螺钉313固定在V型支座312上，V型支座312通过滑块螺钉316固定在滑块317上，滑块317与导轨319滑动连接，可在电缸法兰305和推拉杆307作直线往复运动时起支撑作用，从而有效避免因部件自身重力引起的运动误差，滑轨319通过导轨螺钉318固定在滑轨支座320上，滑轨支座320通过支座螺钉321固定在电机支架302上，限位块315通过限位螺钉314与导轨319外端固定连接。

参见图8、9，本发明所述摩擦磨损模块4包括上盖401、力传感器402、铰链支座法兰403、法兰连接螺栓404、锁紧环405、铰链支座406、摆杆407、摩擦头408和摩擦头连接螺栓409，其中摆杆407根部通过铰链安装于铰链支座406上，端部通过摩擦头连接螺栓409固定有可更换材料的摩擦头408，铰链支座406上表面有螺纹孔与铰链支座法兰403通过螺纹连接，力传感器402与铰链支座法兰403通过法兰连接螺栓404连接，力传感器402上表面有螺纹孔与上盖401上的螺纹轴通过螺纹连接，上盖401与真空腔体1间设置密封橡胶圈112并通过螺栓连接，摆杆407上方铰链支座406与铰链支座法兰403间设置有一对锁紧环405，锁紧环405螺旋面相互接触，相对转动锁紧环405，其轴向距离发生改变，可对摆杆407加载高度进行调整；

本发明所述摆杆407下部两侧对称分布两个吊耳。

所述机架5上表面加工有安装孔位，通过螺栓连接固定上述各部分。

工作原理：

将板状摩擦试件6用石墨挡片203、石墨挡片螺钉204安装在石墨加热体207中，试验开始前，关闭前真空腔门101和后真空腔门111，旋紧锁紧手柄103，打开真空泵，对真空腔体1抽真空，待真空腔体1内部压力降至1Pa以下，开启高温加载模块2和并开启冷却水循环，电磁感应加热线圈201将以每分钟50摄氏度的速度对板状摩擦试件6均匀升温，升温过程中真空泵一直保持开启状态，待比色计110显示板状摩擦试件6温度达到预定温度后，保持3分钟即可进行摩擦磨损试验，水冷机对真空腔体1和水冷块210进行循环冷却；

测试过程中，当驱动模块3运转时，伺服电缸输出轴304伸出通过加载链推动连杆310，从而连杆牵引摆杆407进行摩擦磨损试验，参见图10，磨损试验的试验力采用闭环伺服系统控制，伺服电缸输出稳定、大小可调的试验力，连杆310牵引带动摩擦磨损模块4中的摆杆407，摆杆407端部的摩擦材料与安装在高温加载模块2中的板状摩擦试件6相互摩擦进行摩擦磨损试验，摆杆407上方通过锁紧环405连接有力传感器402实时测量摆杆407受力，高温加载模块2下方通过水冷块210连接有三维力传感器212实时测量板状摩擦试件6受力；

用于监控测量的热电偶均匀布置在石墨加热体207的条形槽底部，以检测感应加热过程中和摩擦磨损试验过程中板状摩擦试件6的温度，如需检测真空腔体105的温度变化，可在真空腔体1的内壁和腔体105中也布置有热电偶，热电偶导线贯穿真空腔体1的导线密封口113与外部监控设备连接，真空规管114实时测量真空腔体1内部真空度。

上述为清楚完整地描述本技术方案给出了本发明的实施方式，应当理解，所描述的实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，本领域技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下获得的其他实施例，也应属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种摆动式高温摩擦磨损试验装置，其特征在于：包括真空腔体、高温加载模块、驱动模块、摩擦磨损模块和机架，其中真空腔体和驱动模块分别与机架上方固定连接，驱动模块分别从两侧贯穿真空腔体，摩擦磨损模块顶端安装在真空腔体的内部、下端的摆杆与两侧对称布置的驱动模块的连杆铰接，高温加载模块底部通过螺栓固定在真空腔体的内部、且位于摩擦磨损模块下方。

2.根据权利要求1所述的一种摆动式高温摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述真空腔体包括腔体前门、前后腔体观察窗、旋紧手柄、抽真空接口、腔体、摩擦磨损模块安装孔、冷却接头、右上侧观测窗、驱动模块安装孔、比色计、腔体后门、橡胶密封圈、导线密封口和真空规管，其中腔体为圆柱形双层中空结构，圆周侧壁布置水平方向的两个驱动模块安装孔、上方布置摩擦磨损模块安装孔，腔体内外壁上还分布有冷却接头，导线密封口与腔体连接，前腔体门、后腔体门与腔体间设置有橡胶密封圈，腔体内部及前腔体门、后腔体门内部均有空隙，用于设置冷却水路，冷却水从外部水冷机经冷却水路从腔体外壁冷却接头注入腔体中空结构中，并在其中循环，为真空腔体降温，腔体内外水冷接头相互连通，内壁的冷却接头经冷却连接水管与水冷块连接，抽真空接口用于对腔体进行抽放气，前腔体门、后腔体门与腔体间通过六个均匀布置的锁紧旋柄锁紧，前腔体门和后腔体门上分别有前后腔体观察窗，真空腔体与驱动模块通过波纹管连接密封，波纹管随折返式伺服电缸输出轴伸缩，保证真空腔体内部密闭性；腔体设置右上侧观测窗，比色计与腔体外部固定连接、且位于右上侧观测窗上方，真空规管与腔体下部固定连接。

3.根据权利要求1所述的一种摆动式高温摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述高温加载模块包括包括感应加热线圈、碳毡保温套、石墨挡片、石墨挡片螺钉、冷却连接水管、热电偶、石墨加热体、石墨螺钉、隔热毡、水冷块、连接螺钉、三维力传感器和下盖，其中石墨加热体的条形槽用于安装板状摩擦试件，石墨挡片螺钉经石墨挡片与石墨加热体上方螺纹连接，石墨加热体内部安装热电偶、外围嵌套碳毡保温套，碳毡保温套外围嵌套感应加热线圈，感应加热线圈内部为中空结构并通有冷却水，防止铜制的感应加热线圈温升过高，感应加热线圈通过真空腔体上绝缘孔与真空腔体外部的感应加热电源相连，水冷块与石墨加热体之间通过隔热毡相隔、并通过石墨螺钉固定连接，水冷块与下盖螺纹连接，三维力传感器和下盖通过连接螺钉固定连接，水冷块与真空腔体通过冷却连接水管相连，从而保证真空腔体中的冷却水与水冷块循环，减少石墨加热体热量向真空腔体传导，下盖与真空腔体间设置密封橡胶圈，并通过螺栓连接。

4.根据权利要求1所述的一种摆动式高温摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述驱动模块包括折返式伺服电缸电机支架、支架螺栓、电缸输出轴、电缸法兰、法兰螺栓、推拉杆、波纹管、波纹管螺栓、连杆、尼龙垫块、V型支座、垫块螺钉、限位螺钉、限位块、滑块螺钉、滑块、导轨螺钉、导轨、滑轨支座和支座螺钉，其中折返式伺服电缸通过支架螺栓与电机支架固定连接，电缸输出轴通过电缸法兰用法兰螺栓与推拉杆连接，连杆两端通过铰链与推拉杆和摆杆连接，波纹管上的法兰与推拉杆上的法兰通过波纹管螺栓连接，波纹管与推拉杆和真空腔体间设置有橡胶密封环以保证气密性，电缸法兰和推拉杆上的法兰与尼龙垫块相接触，尼龙垫块通过垫块螺钉固定在V型支座上，V型支座通过滑块螺钉固定在滑块上，滑块与导轨滑动连接，可在电缸法兰和推拉杆作直线往复运动时起支撑作用，从而有效避免因部件自身重力引起的运动误差，滑轨通过导轨螺钉固定在滑轨支座上，滑轨支座通过支座螺钉固定在电机支架上，限位块通过限位螺钉与导轨外端固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种摆动式高温摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述摩擦磨损模块包括上盖、力传感器、铰链支座法兰、法兰连接螺栓、锁紧环、铰链支座、摆杆、摩擦头和摩擦头连接螺栓，其中摆杆根部通过铰链安装于铰链支座上，端部通过摩擦头连接螺栓固定有可更换材料的摩擦头，铰链支座上表面有螺纹孔与铰链支座法兰通过螺纹连接，力传感器与铰链支座法兰通过法兰连接螺栓连接，力传感器上表面有螺纹孔与上盖上的螺纹轴通过螺纹连接，上盖与真空腔体间设置密封橡胶圈并通过螺栓连接，摆杆上方铰链支座与铰链支座法兰间设置有一对锁紧环，锁紧环螺旋面相互接触，相对转动锁紧环，其轴向距离发生改变，可对摆杆加载高度进行调整。

6.根据权利要求5所述的一种摆动式高温摩擦磨损试验装置，其特征在于：所述摆杆下部两侧对称分布两个吊耳。

Images