CN114593984A - 一种可模拟低温摩擦环境的摩擦磨损试验机及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可模拟低温摩擦环境的摩擦磨损试验机，包括：低温控制模块，低温控制模块包括内部中空的液氮腔、中间开孔的隔热盖板、温度控制器、温度计、输液管和至少一个加热器，隔热盖板设置在液氮腔上，隔热盖板和液氮腔之间的空间形成低温腔，加热器和温度计均与温度控制器电连接；湿度控制模块，湿度控制模块包括输气管、压缩氮气罐、湿度控制器和与湿度控制器电连接的湿度计，湿度计设置在隔热盖板上，输气管和压缩氮气罐之间设置第三阀门。本发明的摩擦磨损试验机通过低温控制模块控制低温腔的温度，通过液氮制冷以及温度控制器和加热器的配合使用保障了温度控制的精确度，可以模拟低温摩擦环境，拓展了摩擦磨损试验机的使用范围。

Description

一种可模拟低温摩擦环境的摩擦磨损试验机及其工作方法

技术领域

本发明涉及摩擦磨损试验机技术领域，尤其涉及一种可模拟低温摩擦环境的摩擦磨损试验机及其工作方法。

背景技术

摩擦磨损是生产生活中的常见现象，诸如齿轮传动、汽车制动、精密抛光等典型过程中都包含大量的摩擦学问题。据统计，每年世界上约30％的一次能源因为摩擦而消耗，约60％的机器零部件因为磨损而失效。因此，研究材料和零部件的摩擦学性能，采用合理的方法减摩降耗，对生产生活具有重要意义。

低温环境对摩擦副的摩擦学性能有重要影响。例如在低温下，润滑油会发生凝固，使得润滑效果降低甚至失效。另外，某些材料在低温下将发生相变，展现出奇特的摩擦行为。低温摩擦具有实际应用场景，比如在太空环境下，环境温度可降至-270℃。卫星、宇宙飞船中的运动部件在如此低的温度下要想保持稳定可靠的运动和足够长的寿命，就必须要解决低温下的摩擦磨损问题。

测试材料摩擦性能一般在摩擦磨损试验机上进行，布鲁克通用摩擦磨损试验机自2000年推出第一款型号以来，一直是市场上使用广泛的摩擦仪之一。该摩擦磨损试验机的传感器非常灵敏，具有优秀的0.02％量程的噪声水平。传感器的量程覆盖1毫牛到2千牛。但是该摩擦磨损试验机无法实现低温摩擦环境模拟，因此，有必要开发一种基于摩擦磨损试验机的低温控制与采集系统，拓展摩擦磨损试验机的使用范围。

发明内容

针对上述技术存在的现有摩擦磨损试验机无法实现低温摩擦环境模拟的技术问题，本发明提出了一种可模拟低温摩擦环境的摩擦磨损试验机及其工作方法。

一方面，本发明提出了一种可模拟低温摩擦环境的摩擦磨损试验机，包括：

低温控制模块，所述低温控制模块包括内部中空的液氮腔、中间开孔的隔热盖板、温度控制器、温度计、输液管和至少一个加热器，所述隔热盖板设置在所述液氮腔上，所述隔热盖板和所述液氮腔之间的空间形成低温腔，所述加热器和所述温度计均设置在所述隔热盖板上，所述加热器和所述温度计均与所述温度控制器电连接；

湿度控制模块，所述湿度控制模块包括输气管、压缩氮气罐、湿度控制器和与所述湿度控制器电连接的湿度计，所述湿度计设置在所述隔热盖板上，所述输气管和所述压缩氮气罐之间设置第三阀门。

在一些实施例中，在所述液氮腔的外侧依次设置保温层和外壳，所述保温层采用内部填充隔热材料的方式或抽真空的方式实现隔热。

在一些实施例中，所述输液管包括第一输液管和第二输液管，所述液氮腔分别通过所述第一输液管和所述第二输液管连接液氮储存罐和液氮回收罐。

在一些实施例中，所述液氮储存罐和所述第一输液管之间设置第一阀门，所述液氮回收罐和所述第二输液管之间设置第二阀门。

在一些实施例中，所述输气管包括第一输气管和第二输气管，所述压缩氮气罐通过所述第一输气管和所述第二输气管将氮气输送到所述低温腔中。

在一些实施例中，所述隔热盖板由隔热材料制备而成。

在一些实施例中，所述液氮腔为铜材质。

在一些实施例中，所述外壳为不锈钢材质。

在一些实施例中，还包括：

上摩擦副，所述上摩擦副包括球、球托夹具、悬臂梁、悬臂梁延长块和载荷及摩擦力传感器，所述球固定在所述球托夹具上，所述球托夹具固定在所述悬臂梁上，所述悬臂梁延长块的一端连接所述悬臂梁，所述悬臂梁延长块远离所述悬臂梁的一端连接所述载荷及摩擦力传感器，所述球托夹具通过所述隔热盖板的中间开孔伸入所述低温腔中；

下摩擦副，所述下摩擦副包括样品、样品台、转轴和基座，所述样品固定在所述样品台上，所述转轴设置在所述样品台和所述基座之间。

另一方面，本发明提出了一种可模拟低温摩擦环境的摩擦磨损试验机的工作方法，包括以下步骤：

(1)打开所述温度控制器和所述湿度控制器实时显示温度和湿度；

(2)打开所述第三阀门向所述低温腔中通入氮气；

(3)待湿度降低至目标值后，打开所述第一阀门和所述第二阀门向所述液氮腔中通入液氮，保持液氮流量不变，通过控制所述加热器的功率和启停实现控温，待温度达到目标值后，打开摩擦磨损试验机，开启摩擦实验；

(4)摩擦实验结束后，关闭摩擦磨损试验机，关闭所述第一阀门，待温度升高至室温后，关闭所述第二阀门、所述温度控制器、所述湿度控制器和所述第三阀门。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的摩擦磨损试验机可以模拟低温摩擦环境，拓展了摩擦磨损试验机的使用范围。

本发明提供的摩擦磨损试验机通过低温控制模块控制低温腔的温度，通过液氮制冷以及温度控制器和加热器的配合使用保障了温度控制的精确度。

本发明提供的摩擦磨损试验机通过湿度控制模块控制低温腔的湿度，防止样品表面在低温环境下结霜，保障了实验的准确性。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为摩擦磨损试验机的整体结构示意图；

图2为摩擦磨损试验机的上摩擦副结构示意图；

图3为摩擦磨损试验机的工作控制流程示意图；

图4为湿度控制模块的控制流程示意图；

图5为温度控制模块的控制流程示意图。

附图标记说明：

液氮腔1、保温层2、外壳3、温度计4、第一加热器5、第二加热器6、温度控制器7、第一输液管8、第二输液管9、液氮储存罐10、液氮回收罐11、低温腔12、第一阀门13、第二阀门14、第三阀门15、压缩氮气罐16、第一输气管17、第二输气管18、湿度计19、湿度控制器20、球21、球托夹具22、悬臂梁23、悬臂梁延长块24、载荷及摩擦力传感器25、样品26、样品台27、转轴28、基座29、隔热盖板30。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的可模拟低温摩擦环境的摩擦磨损试验机及其工作方法。

如图1-5所示，本发明的可模拟低温摩擦环境的摩擦磨损试验机，包括：低温控制模块、湿度控制模块、上摩擦副和下摩擦副。

低温控制模块包括液氮腔1、保温层2、外壳3、隔热盖板30、温度控制器7、温度计4、第一加热器5、第二加热器6、第一输液管8、第二输液管9、液氮储存罐10和液氮回收罐11。

液氮腔1、保温层2和外壳3内外层依次设置，也就是说，液氮腔1设置在最内层，外壳3设置在最外层，保温层2设置在液氮腔1和外壳3之间。

液氮腔1的内部中空，用于存储液氮以给样品26附近环境降温。液氮腔1由纯铜材料构成，可以理解的是，液氮腔1的材质并不限于铜。输液管包括第一输液管8和第二输液管9，液氮腔1分别通过第一输液管8和第二输液管9连接液氮储存罐10和液氮回收罐11。

具体如图1所示，第一输液管8设置在液氮腔1左侧，第一输液管8的一端依次穿过外壳3和保温层2后连接液氮腔1，第一输液管8的另一端连接液氮储存罐10，第一输液管8用于将液氮从液氮储存罐10中输送到液氮腔1中。液氮储存罐10和第一输液管8之间设置第一阀门13，可以理解的是，第一阀门13用于控制第一输液管8的通断，当需要液氮制冷时，开启第一阀门13；当不需要液氮制冷时，关闭第一阀门13。

第二输液管9设置在液氮腔1右侧，第二输液管9的一端依次穿过外壳3和保温层2后连接液氮腔1，第二输液管9的另一端连接液氮回收罐11，第二输液管9用于将液氮腔1中多余的液氮回收至液氮回收罐11中。液氮回收罐11和第二输液管9之间设置第二阀门14，可以理解的是，第二阀门14用于控制第二输液液管9的通断，当需要回收液氮时，开启第二阀门14；当不需要回收液氮时，关闭第二阀门14。

保温层2用于液氮腔1和外壳3之间的隔热，保温层2采用内部填充隔热材料的方式或抽真空的方式实现隔热。其中，隔热材料可以为聚四氟乙烯，但不限于聚四氟乙烯。

外壳3设置在最外层，起到支撑作用。外壳3可以为不锈钢材质，但不限于不锈钢材质。

隔热盖板30设置在液氮腔1上，如图1所示，隔热盖板30中间设置开孔，隔热盖板30延伸覆盖到外壳3顶部。隔热盖板30和液氮腔1之间的空间形成低温腔12，隔热盖板30用于外界环境和低温腔12内环境之间的隔热。隔热盖板30由隔热材料制备而成，隔热盖板30可以为聚四氟乙烯材料，但不限于聚四氟乙烯。

隔热盖板30上分布第一加热器5、第二加热器6、温度计4和湿度计19。第一加热器5和第二加热器6用于给低温腔12环境加热，配合液氮腔1制冷，实现低温温度控制。温度计4、第一加热器5和第二加热器6均与温度控制器7电连接。温度计4用于检测和采集低温腔12内的温度数据，并将温度数据传输到温度控制器7。温度控制器7具备数据采集功能，可以实时记录每一时刻的温度数据，同时温度控制器7可以控制第一加热器5和第二加热器6的启闭。可以理解的是，当低温腔12内温度低于目标温度时，温度控制器7控制第一加热器5和第二加热器6工作，直到达到设定温度值；当低温腔12内温度高于目标温度时，第一加热器5和第二加热器6不工作。

湿度控制模块包括输气管、压缩氮气罐16、湿度控制器20和湿度计19。输气管和压缩氮气罐16之间设置第三阀门15。湿度计19设置在隔热盖板30上，用于检测和采集低温腔12内的湿度数据。湿度计19与湿度控制器20电连接，从而将采集到的湿度数据传输到湿度控制器20。湿度控制器20具备数据采集功能，可以实时记录每一时刻的湿度数据。

输气管包括第一输气管17和第二输气管18，压缩氮气罐16通过第一输气管17和第二输气管18将氮气输送到低温腔12中。具体为，第一输气管17从左侧将压缩氮气罐16中的氮气输送到低温腔12中，第一输气管17的一端穿过外壳3、保温层2和液氮腔1连通低温腔12，可以理解的是，外壳3、保温层2和液氮腔1上具有使得第一输气管17穿过的孔。第二输气管18从右侧将压缩氮气罐16中的氮气输送到低温腔12中，第二输气管18的一端穿过外壳3、保温层2和液氮腔1连通低温腔12，可以理解的是，外壳3、保温层2和液氮腔1上具有使得第二输气管18穿过的孔。另外，第三阀门15设置在输气管的主管路上，压缩氮气罐16中的氮气从主管路流出后，再经第一输气管17和第二输气管18这两条支路进入低温腔12，即进入样品26所在的环境，从而排出水汽，降低低温腔12的湿度，防止样品26表面在低温下结霜。

上下摩擦副为摩擦磨损试验机的原始配套结构。其中，上摩擦副包括球21、球托夹具22、悬臂梁23、悬臂梁延长块24和载荷及摩擦力传感器25。球21固定在球托夹具22上，具体如图2所示，球托夹具22通过设置在其上的圆柄插入悬臂梁23上的孔，从而使得球托夹具22与悬臂梁23固定连接。球托夹具22通过下端的内螺纹将球形摩擦副夹紧。另外，球托夹具22通过隔热盖板30的中间开孔伸入低温腔12中。

悬臂梁延长块24的一端连接悬臂梁23，悬臂梁延长块24远离悬臂梁23的一端连接载荷及摩擦力传感器25。具体为，悬臂梁延长块24的下端通过螺栓固定连接悬臂梁23，悬臂梁延长块24的上端通过螺栓固定连接载荷及摩擦力传感器25。载荷及摩擦力传感器25、悬臂梁延长块24、悬臂梁23、球托夹具22之间紧密连接，从而将球形摩擦副所受到的力完整地传递给载荷及摩擦力传感器25。另外，悬臂梁延长块24与载荷及摩擦力传感器25之间通过螺栓连接，螺栓连接方式便于拆卸，可以很方便的更换不同型号的载荷及摩擦力传感器25，用于测量不同量程和精度的摩擦力和载荷；也可以更换不同尺寸的球形摩擦副，从而满足多样化的实验方案需求。

下摩擦副，下摩擦副包括样品26、样品台27、转轴28和基座29。样品26固定在样品台27上，转轴28设置在样品台27和基座29之间。样品台27与摩擦磨损试验机的连接为摩擦磨损试验机的原始配套设计。样品台27上有专用的夹具，将样品26加工成规定的尺寸即可牢固地固定在样品台27上。样品台27可以提供往复和旋转两种运动形式，样品26固定在样品台27上可随样品台27同时进行往复和旋转两种运动。仪器工作时，球形摩擦副固定不动，样品26随样品台27运动，从而产生相对运动，出现摩擦力。球形摩擦副受到的载荷和摩擦力传递给载荷及摩擦力传感器25，得到实时的载荷和摩擦力。即球21和样品26摩擦时，二者之间的正压力和摩擦力导致悬臂梁23变形，载荷及摩擦力传感器25再将此变形转化为力信号并记录。另外，下摩擦副的样品26固定在样品台27上，设置在基座29上的转轴28带动样品26转动，实现球21和样品26之间的摩擦。

可模拟低温摩擦环境的摩擦磨损试验机的工作方法，包括以下步骤：

(1)打开温度控制器7和湿度控制器20实时显示温度和湿度；

(2)打开第三阀门15向低温腔12中通入氮气；

(3)待湿度降低至目标值后，打开第一阀门13和第二阀门14向液氮腔1中通入液氮，保持液氮流量不变，通过控制加热器的功率和启停实现控温，待温度达到目标值后，打开摩擦磨损试验机，开启摩擦实验；

(4)摩擦实验结束后，关闭摩擦磨损试验机，关闭第一阀门13，待温度升高至室温后，关闭第二阀门14、温度控制器7、湿度控制器20和第三阀门15。

在摩擦实验开始之前，应将温度降至目标温度。如图3所示，首先打开温度控制器7和湿度控制器20，实时显示温度和湿度。设定温度和湿度目标值，打开第三阀门15向低温腔12中通入氮气，湿度计19将采集到的湿度数据传输到湿度控制模块，可以理解的是，湿度计19是将湿度数据传输到湿度控制模块的湿度控制器20，若湿度降低至目标值，则进行后续步骤，否则，继续通入氮气直至湿度降低至目标值。

待湿度降低至目标值后，打开第一阀门13和第二阀门14向液氮腔1中通入液氮，在实验过程中，保持液氮流量不变，即制冷功率不变，通过控制第一加热器5和第二加热器6的功率和启停实现控温。可以理解的是，温度计4将采集到的温度数据传输到温度控制器7，当温度高于目标值时，加热器不工作；当温度低于目标值时，温度控制器7控制第一加热器5和第二加热器6工作，直到温度达到目标温度。如图5所示，误差是指温度目标值与温度计4显示值之间的差值，温度控制器7根据该差值的大小控制第一加热器5和第二加热器6的启停，直到该差值为0，即实时温度和目标温度一致，从而实现控温。

温度值达到目标温度后，打开摩擦磨损试验机，开启摩擦实验。

摩擦实验结束后，关闭摩擦磨损试验机，关闭第一阀门13，待温度升高至室温后，关闭第二阀门14、温度控制器7、湿度控制器20和第三阀门15。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述可以针对不同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

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 (10)

1.一种可模拟低温摩擦环境的摩擦磨损试验机，其特征在于，包括：

低温控制模块，所述低温控制模块包括内部中空的液氮腔、中间开孔的隔热盖板、温度控制器、温度计、输液管和至少一个加热器，所述隔热盖板设置在所述液氮腔上，所述隔热盖板和所述液氮腔之间的空间形成低温腔，所述加热器和所述温度计均设置在所述隔热盖板上，所述加热器和所述温度计均与所述温度控制器电连接；

湿度控制模块，所述湿度控制模块包括输气管、压缩氮气罐、湿度控制器和与所述湿度控制器电连接的湿度计，所述湿度计设置在所述隔热盖板上，所述输气管和所述压缩氮气罐之间设置第三阀门。

2.如权利要求1所述的摩擦磨损试验机，其特征在于，在所述液氮腔的外侧依次设置保温层和外壳，所述保温层采用内部填充隔热材料的方式或抽真空的方式实现隔热。

3.如权利要求1所述的摩擦磨损试验机，其特征在于，所述输液管包括第一输液管和第二输液管，所述液氮腔分别通过所述第一输液管和所述第二输液管连接液氮储存罐和液氮回收罐。

4.如权利要求3所述的摩擦磨损试验机，其特征在于，所述液氮储存罐和所述第一输液管之间设置第一阀门，所述液氮回收罐和所述第二输液管之间设置第二阀门。

5.如权利要求1所述的摩擦磨损试验机，其特征在于，所述输气管包括第一输气管和第二输气管，所述压缩氮气罐通过所述第一输气管和所述第二输气管将氮气输送到所述低温腔中。

6.如权利要求1所述的摩擦磨损试验机，其特征在于，所述隔热盖板由隔热材料制备而成。

7.如权利要求1所述的摩擦磨损试验机，其特征在于，所述液氮腔为铜材质。

8.如权利要求2所述的摩擦磨损试验机，其特征在于，所述外壳为不锈钢材质。

9.如权利要求1所述的摩擦磨损试验机，其特征在于，还包括：

上摩擦副，所述上摩擦副包括球、球托夹具、悬臂梁、悬臂梁延长块和载荷及摩擦力传感器，所述球固定在所述球托夹具上，所述球托夹具固定在所述悬臂梁上，所述悬臂梁延长块的一端连接所述悬臂梁，所述悬臂梁延长块远离所述悬臂梁的一端连接所述载荷及摩擦力传感器，所述球托夹具通过所述隔热盖板的中间开孔伸入所述低温腔中；

下摩擦副，所述下摩擦副包括样品、样品台、转轴和基座，所述样品固定在所述样品台上，所述转轴设置在所述样品台和所述基座之间。

10.一种可模拟低温摩擦环境的摩擦磨损试验机的工作方法，其特征在于，利用如权利要求1-9任一所述的摩擦磨损试验机，包括以下步骤：

(1)打开所述温度控制器和所述湿度控制器实时显示温度和湿度；

(2)打开所述第三阀门向所述低温腔中通入氮气；

(3)待湿度降低至目标值后，打开所述第一阀门和所述第二阀门向所述液氮腔中通入液氮，保持液氮流量不变，通过控制所述加热器的功率和启停实现控温，待温度达到目标值后，打开摩擦磨损试验机，开启摩擦实验；

(4)摩擦实验结束后，关闭摩擦磨损试验机，关闭所述第一阀门，待温度升高至室温后，关闭所述第二阀门、所述温度控制器、所述湿度控制器和所述第三阀门。

Images