CN115060615A - 一种摩擦实验装置及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种摩擦实验装置及实验方法，涉及摩擦技术领域，以解决摩擦实验机实验条件单一的技术问题。摩擦实验装置，包括实验腔、油气润滑器、检测装置和设在实验腔的形成摩擦副的两个实验件，至少一个实验件相对于实验腔相对运动，实验腔为密闭的壳体围成的腔体，油气润滑器用于产生一定油气含量和油气流量的油气，油气通过管路与实验腔连通；检测装置用于检测实验环境的状态信息，状态信息包括温度、载荷、扭矩和位移中的至少一种。

Description

一种摩擦实验装置及实验方法

技术领域

本发明属于摩擦技术领域，尤其涉及一种摩擦实验装置及实验方法。

背景技术

现有的标准摩擦磨损实验机是一种可开展不同服役条件下机械构件摩擦磨损特性实验研究的装置，其特点是可通过控制包括摩擦副的接触压力、实验环境温度、转速(或往复运动频率)等参数，拾取实验参数，包括摩擦力、摩擦系数和摩擦温度等。其实验测试区通常是由运动单元和固定单元组成，运动单元由马达带动实验件旋转、往复及线性运动，固定单元一般安装有力学、扭矩等传感器，用以施加实验载荷并连接另一实验件，控制其与运动单元的实验件接触。在实验过程中，通过安装在模块上的位移、温度及力学传感器输出实验参数。

目前，摩擦实验机实验条件单一,无法满足各类材料在服役工况下的实际环境。

发明内容

本发明的目的是针对传统标准摩擦磨损实验机缺少高温油气润滑系统，难以模拟高温、油气工作环境，无法满足各类材料近服役工况下的实际环境等问题，提供了一种高温油气混合润滑标准摩擦磨损实验装置以及该实验装置的实验方法，通过调节油气比和实验环境温度，模拟不同润滑条件下摩擦对副的磨损现象。

本发明提供的一种油气混合润滑标准摩擦磨损实验装置采用如下技术方案是：一种摩擦实验装置，包括实验腔、油气润滑器、检测装置和设在所述实验腔的形成摩擦副的两个实验件，至少一个所述实验件相对于所述实验腔相对运动，所述实验腔为密闭的壳体围成的腔体，所述油气润滑器用于产生一定油气含量和油气流量的油气，所述油气通过管路与所述实验腔连通；所述检测装置用于检测所述实验环境的状态信息，所述状态信息包括温度、载荷、扭矩和位移中的至少一种。

相对于现有技术，本发明实施例提供的油气混合润滑标准摩擦磨损实验装置克服现有技术的标准摩擦磨损实验机，常见的实验环境为干接触和浸油润滑条件，难以模拟摩擦材料配副真实的工作条件，本发明通过对供油环境的改造，添加油气混合环境，通过节流阀控制输入测试区域的油气比例，在实现摩擦磨损实验环境的情况下，对油气比例可调，从而模拟出摩擦副真实的工作环境，尤其是接触式密封材料的性能测试，其工作环境大多为高温油雾(乏油)工况。通过检测装置检测实验环境的状态信息，包括实时反馈载荷、扭矩及位移的变化情况，便于操作者观察实验现象和后期处理数据总结摩擦磨损机理。

本发明的另一目的在于提供一种油气混合润滑标准摩擦磨损实验装置的实验方法，用于上述的摩擦实验装置，实验方法的技术方案包括以下步骤：

以预设流速和预设混合比例的油气喷到实验腔中；加热实验腔；开启驱动装置，使得两个实验件相对摩擦；控制器获取位移传感器、扭矩传感器及力学传感器的实时数据。

本发明所述的摩擦磨损实验装置的实验方法具有以下优势：通过连接着油池和空气压缩泵的油气润滑器产生可调节油气比例的油雾，并由喷嘴输送到工作区域内，在旋转台外侧加装加温装置，控制工作区域温度。本发明实施例能控制实验环境温度以及油气环境，实现油气润滑条件下的高温环境的试验件之间的摩擦。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明；

图1为本发明摩擦实验装置的结构示意图；

图2为图1中油液供给器的放大的结构图；

图3为图1中下实验腔的放大的结构剖视图；

图4为图1中上夹具和传感器组的放大的装配结构剖视图；

图5为图1中传感器组、上夹具、下实验件、上实验件和下实验腔的放大的装配结构剖视图。

图中：1.空气压缩泵；2.油液供给器；3.润滑油节流阀；4.空气调节阀；5.雾化器；6.传感器组；7.上夹具；8.下实验件；9.上实验件；10.实验腔；11.油雾回收泵；12.喷嘴；14.下连接管；15.软管；17.油量显示剂；18.油压设定调节阀；19.油压表；20.气压表；21.密封盖；22.加热腔；23.内实验腔；24.温度传感器；25.定位销；26.旋转台；27.基座；28.位移传感器；29.扭矩传感器；30.力学传感器；31.连接杆；32.夹具头；33.废液池。

具体实施方式

如图1所示的本发明摩擦实验装置，其具有一个油气润滑器，油气润滑器是常规的油气润滑器结构，由油气供给器2和雾化器5组成。在油气润滑器上安装润滑油节流阀3和空气调节阀4，润滑油节流阀3用以调节油气润滑器输出的油压，空气调节阀4用以调节油气润滑器输出的气压。其中，油气供给器2内部预先储存了液体润滑油，油气供给器2有两个输出口，一个输出口通过一根油管连接雾化器5的输入口，另一个输出口通过一根气管连接雾化器5的输入口，在油管上安装润滑油节流阀3，在气管上安装空气调节阀4。

油气润滑器的输入口通过管道连接空气压缩泵1，空气压缩泵1向油气供给器2内部提供高压气体，从油气供给器2输出的高压油经润滑油节流阀3到达雾化器5中，从油气供给器2输出的高压气体经空气调节阀4到达雾化器5中。输出的油压由油气供给器2调节的，气压由空气压缩泵1调节。高压油和气在雾化器5中混和雾化，产生的高压油气经雾化器5输出。雾化器5的输出口经软管15连接喷嘴12，高压油气经喷嘴12喷出。

如图2所示，在油气供给器2上安装油量显示剂17、油压设定调节阀18、油压表19和气压表20。油量显示剂17用以显示油气供给器2当前的滑油量，油压设定调节阀18用于设定油气供给器2的当前工作油压，油压表19检测和显示油气供给器2输出的当前油压，气压表20检测和显示空气压缩泵1的供气量和气压。通过上述调节阀或节流阀的控制，可以实现油气比例为0.2％～10％，油气流量为0.2L/s～10L/s之间可调。

上述的喷嘴12伸入实验腔10的内部，喷嘴朝向两个实验件(下实验件8和上实验件9)之间的摩擦面，参见图3所示的实验腔10的结构，实验腔10外部是一个加热腔22，加热腔22具有开口，开口可设在顶部位置，在开口处用密封盖21密封，密封盖21用螺栓固定连接加热腔22开口部。可选地，在实验腔外部设置电加热器，用以实现实验腔环境温度的控制，实验腔的温度范围在20℃～450℃可调节，也可施以更高的温度，例如600～800℃，在某些实施例中对此不做限定。在实验过程中，通过密封盖21将实验腔10内部的实验环境与外界环境隔绝，达到防止润滑油外泄和热量损失的作用。密封盖21上开有供软管15穿入的通孔，使喷嘴12伸入。

加热腔22的内部正中间是内实验腔23，喷嘴12伸入在内实验腔23内部。内实验腔23内部安装的两个实验件，其中，下实验件8通过周向分布的定位销25固定在金属实验腔体23内，防止下实验件8在实验过程中径向和周向的运动。内实验腔23通过周向分布的螺栓固定连接旋转台26，旋转台26穿出加热腔22后与主机马达固定连接，由马达作驱动，带动旋转台26旋转，从而带动与旋转台26固定连接的内实验腔23和下实验件8旋转。

在一些实施方式中，下实验件8和上实验件9之间的摩擦可以为线性的往复摩擦，其中，上实验件9固定在内实验腔23中，驱动下实验件8做线性运动的直线驱动机构可以为齿轮齿条机构和电机、电缸、液压缸或气缸等，当驱动机构为电缸、液压缸或气缸时，活塞杆可以从实验腔的侧壁的通孔中伸入并与下实验件8固定连接。当直线驱动机构为齿轮齿条机构和电机时，齿条与下实验件8固定连接，可以理解的是还有作为齿条导向的导向槽或导向架，齿条滑动设置在导向槽或导向架上，而齿轮与电机的输出轴进行传动连接，齿轮的转动带动齿条的往复运动，从而实现两个试验件之间的直线往复运动的摩擦。

请参阅图3所示，在一些实施方式中，加热腔22为电加热装置，在加热腔22内部设有温度传感器24，温度传感器24为探针式温度传感器，通过密封盖21上的开口伸入加热腔22的腔体内部，以测量加热腔22环境温度，实时反馈腔体内温度变化,温度传感器24的缆线通过密封盖21的开口与控制器连接。

加热腔22外部固定连接基座27，旋转台26穿出加热腔22和基座27后再固定连接马达，基座27与旋转台26不接触，固定不动。

请参阅图1所示，上实验件9通过螺栓固定在上夹具7上，可以固定在上夹具7的下端处，上夹具7自水平，在上夹具7上设有传感器组6，传感器组6可以设在上夹具7上端，上夹具7的一部分从实验腔10延伸出腔体外部，传感器组6位于下实验腔体10的外部。

请参阅图4所示，传感器组6包括位移传感器28、扭矩传感器29和力学传感器30，以实时采集位移、扭矩和力数据，三种传感器之间相互独立，可以拆卸和替换。上夹具7由连接杆31和夹具头32组成，传感器组6的下端通过垂直的连接杆31固定连接夹具头32，夹具头32通过周向分布的螺栓固定上实验件9。传感器组6、上夹具7和上实验件9依次固定连接在一起，由外部的移动机构带动其整体可以往远离或靠近下实验件8的方向上来回移动。

请参阅图5所示，上夹具7从加热腔22的外部穿过密封盖21正中间的通孔后伸入加热腔22内，并且使夹具头32以及上实验件9位于内实验腔23内部，使上实验件9与下实验件8接触。连接杆31穿过密封盖21，连接杆31和密封盖21之间用密封圈密封。上夹具7、上实验件9、下实验件8、内实验腔23、旋转台26这四者的中心轴相同，当旋转台26带动内实验腔23和下实验件8旋转时，上实验件9和上夹具7不转动。

在某些实施方式中，下连接管14一端伸在内实验腔23内部，另一端经密封盖21的通孔后伸出在废液池33中，在下连接管14上安装油雾回收泵11，用于回收内实验腔23内部多余的润滑油。油雾回收泵11通过负压将内实验腔23内部多余的润滑油吸出，通过下连接管14输送至废液池33中，避免滑油堆积而影响环境条件。

所有的气管、油管均为耐腐蚀透明尼龙管，连接管线无需工具即可快速连接和拆装。

本发明一种高温油气混合润滑标准摩擦磨损实验装置的实验方法包括以下步骤：

步骤1：预先将下实验件8装卡在内实验腔23内，上实验件9装卡在上夹具7的相应位置，确保牢固。整体移动传感器组6、上夹具7和上实验件9，使上实验件9进入金属内实验腔23内与下实验件8相接触，示例性地，可以设置初始位置时上实验件9对下实验件8的初始施加载荷，初始施加载荷压力在0-2000N范围内可调。

步骤2：使油量显示剂17显示的油量满足实验需求。调节油压设定调节阀18，使油压表19显示实验需求的油压，使油压在0.05-0.2Mpa范围内可调。打开空气压缩泵1，使气压表20显示的空气压力为0.05-0.2Mpa。打开加热腔22，给内实验腔23加热，提供实验环境温度，给定环境温度为常温至450℃可调，实现油气润滑条件下的高温环境，通过温度传感器24采集环境温度。

步骤3：旋转台26旋转，其旋转转速为0-5000rpm，旋转台26带动下实验件8同步旋转，同时，调节润滑油节流阀3与空气调节阀4的转动圈数，根据实验需要的油气含量选出适宜的油、气流量，使油和气的体积百分比在0.2-10％的范围内可调，油气流量在0.2-10L/s的范围内可调，提供可变油气比例的润滑条件。调节后的油和气共同进入雾化器5中自动掺混，再经喷嘴12喷出，对上实验件9和下实验件8之间的接触面喷射高压油气。同时，打开油雾回收泵11，抽出多余润滑油。

根据需要，旋转台26和喷嘴12可以不同时工作，可以选择先喷油气，再做摩擦测试，即喷嘴12先对上实验件9和下实验件8之间的接触面喷射高压油气，到设定时间后，再打开旋转台26旋转。或者可以选择先开始摩擦测试，再加油气，即旋转台26先旋转到设定时间，然后，喷嘴12再对上实验件9和下实验件8之间的接触面喷射高压油气。

步骤4：在实验过程中，扭矩传感器29实时检测到扭矩前后的变化值，力学传感器30实时检测出上实验件9对下实验件8的压力的前后的变化值。

步骤5：在旋转台26旋转至设定的摩擦磨损实验时间后旋转台26停止转动，控制器获得实验件摩擦过程中的载荷、扭矩及位移的变化值。

步骤6：关闭润滑油节流阀3、空气调节阀4、加热腔22、空气压缩泵1以及油雾回收泵11。由移动机构带动传感器组6、上夹具7和上实验件9离开下实验件8，完成实验。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例/方式”、“一些实施例/方式”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例/方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例/方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例/方式或示例。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/方式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/方式或示例以及不同实施例/方式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。在本申请的描述中，“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。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本发明，而并非是对本发明的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本发明的范围内。

Claims (10)

1.一种摩擦实验装置，其特征在于，包括实验腔、油气润滑器、检测装置和设在所述实验腔的形成摩擦副的两个实验件，至少一个所述实验件相对于所述实验腔相对运动，所述实验腔为密闭的壳体围成的腔体，

所述油气润滑器用于产生一定油气含量和油气流量的油气，所述油气通过管路与所述实验腔连通；

所述检测装置用于检测所述实验环境的状态信息，所述状态信息包括温度、载荷、扭矩和位移中的至少一种。

2.根据权利要求1所述的摩擦实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括加热装置，所述加热装置设在所述实验腔内或设在所述壳体外侧，用于控制所述实验腔的温度，所述实验腔的温度为20℃～450℃。

3.根据权利要求1所述的摩擦实验装置，其特征在于，所述油气润滑器包括油气供给器和雾化器，所述油气供给器通过输油管和输气管与所述雾化器连通，所述输油管和所述输气管上均设有节流阀，所述节流阀用于调节所述雾化器的油气比例和油气流量，所述油气比例为0.2％～10％，所述油气流量为0.2L/s～10L/s；

所述雾化器还具有通过管路连接的喷嘴，所述喷嘴设在所述实验腔中，所述喷嘴朝向两个实验件之间的摩擦面。

4.根据权利要求1-3任一项所述的摩擦实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括驱动所述至少一个实验件运动的驱动装置，所述驱动装置包括转动驱动机构或直线驱动机构，当所述驱动装置为转动驱动机构，所述转动驱动机构的输出轴与相应所述实验件固定连接，所述实验件为圆形，两个所述实验件沿着所述实验件的中心轴线相对转动。

5.根据权利要求4所述的摩擦实验装置，其特征在于，所述直线驱动机构包括齿轮齿条机构和电机，所述齿轮齿条机构的齿条与相应所述实验件连接，所述电机通过齿轮与所述齿条传动连接，两个所述实验件在所述实验腔中沿着所述齿条的长度方向往复摩擦。

6.根据权利要求4所述的摩擦实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括用于固定所述实验件的第一夹具和第二夹具，所述第一夹具、所述第二夹具均为自水平夹具，所述第一夹具与所述驱动装置固定连接，所述第一夹具设有限制所述实验件在所述第一夹具内的径向运动和周向运动的限位装置，所述第二夹具与所述检测装置固定连接；

所述限位装置包括定位销和设在所述第一夹具中心的固定螺栓，沿所述第一夹具的周向位置分布有至少三个定位销，所述至少三个定位销用于限制所述实验件的周向运动，所述固定螺栓用于限制所述实验件的径向运动。

7.根据权利要求4所述的摩擦实验装置，其特征在于，所述检测装置包括位移传感器、扭矩传感器及力学传感器中一种或多种。

8.根据权利要求4所述的摩擦实验装置，其特征在于，所述实验装置还包括废液回收装置，所述废液回收装置包括负压泵，所述负压泵通过管路与所述实验腔连通。

9.根据权利要求4所述的摩擦实验装置，其特征在于，所述实验装置包括控制器，所述检测装置、所述油气润滑器、所述驱动装置以及加热装置均与所述控制器通信连接，所述控制器用于在所述实验腔中提供预设流速和预设混合比例的油气环境，还用于控制所述实验腔的温度以及获取实验件摩擦过程中的载荷、扭矩及位移的变化。

10.一种用于权利要求1-9任一项所述的摩擦实验装置的实验方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤，

以预设流速和预设混合比例的油气喷到实验腔中；

加热实验腔；

开启驱动装置，使得两个实验件相对摩擦；

控制器获取位移传感器、扭矩传感器及力学传感器的实时数据。

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