CN115165538B - 安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置，包括环境箱、气源系统、换热系统、摩擦磨损系统和控制系统。摩擦磨损系统包括支撑装置、载荷施加装置、运动模块、样品台、动力传动装置和抗氢载荷传感器。支撑装置包括用于固定载荷施加装置的侧板；载荷施加装置包括磨球卡具及调节其竖直位置的丝杆滑台、竖直滑块、调节水平位置的丝杆、限位套筒和砝码座；运动模块包括往复运动传动箱和旋转运动传动箱；动力传动装置设于环境箱底座，由磁耦合传动为转轴提供动力；本发明既能实现摩擦磨损模块的旋转运动和往复运动，又能保障设备的安全性；且通过使用新型差动变压式力传感器，保障在宽温高压氢气环境下实现试验力的精确测量。

Description

安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置

技术领域

本发明属于氢能装备安全性能测试领域，具体涉及安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置。

背景技术

作为替代化石能源，实现碳中和目标的重要能源载体，氢能被认为是21世纪最理想的终极能源，迄今为止，高压储氢输氢系统已经成为氢能储运环节的常用方案之一，几乎所有的储氢设备和输氢设备都工作在高纯高压的氢环境中。在高压储氢输氢过程中，储氢罐的密封结构、加氢站的压缩机轴承、管道阀门等不可避免的涉及到高压氢接触。这些摩擦元件需要在无润滑的高压氢环境下长时间工作，伴随着微动、滑动等工作条件，摩擦元件发生磨损，严重影响其工作性能和使用寿命。高压氢气环境下机械部件摩擦磨损行为不同于空气环境，氢气进入大部分金属材料内部会引发材料的氢脆，也会对非金属材料造成一定程度的氢损伤。为了对临氢材料服役过程中的摩擦学特性进行量化，各国相继开展了氢相容性实验，还原材料在氢环境下的摩擦磨损特征参量变化情况。

国外已开展高压氢环境下材料摩擦磨损性能测试装备的研发，并对相关临氢动力部件的摩擦学行为进行研究，而我国在此类装置的研发方面还处于起步阶段。虽然已有专利公布了可控气氛下的摩擦磨损试验装置，例如专利CN201811054817.1公开了一种宽温可控气氛原位球盘摩擦试验机，可开展真空、宽温以及特殊气氛下多特种环境复合条件下试验，进行良好的宽温及真空环境营造和控制。但是，该球盘摩擦试验机内部仅可充氮气、空气及其他惰性试验气体，且仅能满足较低介质压力的摩擦磨损实验，不适用于原位高压氢环境下的材料摩擦学性能测试。又如美国西北太平洋国家实验室开发了一种可以模拟高压氢环境的往复摩擦计，能够实现高压氢气环境下非金属材料的摩擦磨损性能测试，可分析试样表面摩擦损伤演变特性及影响规律。但该装置通过安装在环境箱内的步进电机提供动力，在原位氢环境下工作存在巨大安全隐患，且所用载荷传感器为普通应变式力传感器，易受高压氢介质的影响，影响试验力监测的灵敏度。因此，如何在实现设备本质安全的基础上，既能满足高压原位氢环境下材料的旋转摩擦测试，又能完成匀速往复摩擦测试，同时提高试验力数据的精确测量是亟待解决的重要问题。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种操作简单、精度高、安全性能好的高压氢环境下多功能摩擦磨损试验装置，该试验装置可用于开展原位高压氢环境下材料的旋转摩擦测试和匀速往复摩擦测试，并且还具有高精度的试验力监测功能。

为实现上述目的，本发明提供的安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置，包括环境箱、气源系统、换热系统、摩擦磨损系统和控制系统，

所述环境箱包括环境箱顶盖和环境箱底座，环境箱顶盖盖合固定在环境箱底座上并在内部形成环境箱腔室，且环境箱上设有进出气口、进液口和出液口；

气源系统包括与进出气口连通的真空泵、放空阀和增压泵，真空泵用于对环境箱腔室抽真空，放空阀用于对测试装置进行放空泄压，增压泵用于给环境箱腔室增压；

换热系统用于通过进液口和出液口与环境箱内进行热量交换以调控环境箱内的温度；

摩擦磨损系统包括支撑装置、动力传动装置、载荷施加装置、运动模块、样品台和抗氢载荷传感器，支撑装置、载荷施加装置、运动模块和抗氢载荷传感器均位于环境箱腔室内，动力传动装置用于给运动模块提供转动驱动力，运动模块包括往复运动传动箱和旋转运动传动箱，往复运动传动箱和旋转运动传动箱能够替换使用，往复运动传动箱内部设置有非圆齿轮结构和曲柄连杆机构，非圆齿轮结构用于与动力传动装置转动连接，以给曲柄连杆机构提供匀速往复运动的动力输出，曲柄连杆机构的端部与样品台连接以带动样品台做匀速往复运动，旋转运动传动箱内设置有用于与动力传动装置转动连接的转轴；载荷施加装置和抗氢载荷传感器均设置在支撑装置上，载荷施加装置包括升降单元、水平丝杆、砝码座、限位套筒和磨球卡具，水平丝杆的一端与升降单元转动连接，且水平丝杆与所述限位套筒螺纹连接以调节磨球卡具的位置，砝码座设置在限位套筒顶部，磨球卡具设置在限位套筒底部，水平丝杆与竖直滑块相连，限位套筒与水平丝杆配合，可调节磨球卡具与所述回转轴中心的距离。

控制系统用于控制真空泵、放空阀、增压泵和换热系统的运行与关闭，抗氢载荷传感器与控制系统信号连接。

进一步地，还包括左压框和右压框，环境箱顶盖和环境箱底座通过左压框和右压框压紧固定。

进一步地，气源系统还包括氢气瓶、氩气瓶和压力传感器，氢气瓶和氩气瓶通过气路管线依次连接所述增压泵和环境箱底座上的进出气口，且压力传感器设置在气路管线上，且放空阀与气路管线管道连接。

进一步地，环境箱顶盖包括内筒、外夹套和隔热板，内筒位于外夹套内且两者之间形成有外夹套内腔，外夹套上设置有与所述真空泵连通的气孔，且真空泵与气孔连接的管道上设置有真空度传感器。

进一步地，所述隔热板兼具隔热性能和高耐压强度，保证为所述环境箱内筒顶部提供绝热层的同时，能够承受内筒腔体内高压氢气产生的轴向载荷并将其分散至左右压框。

进一步地，换热系统包括制冷加热机、连接制冷加热机和环境箱底座上进液口的进液管路、设置在环境箱腔室内的换热弯管、连接环境箱底座上出液口和制冷加热机的出液管路以及设置在环境箱腔体内的温度传感器，且换热弯管的两端分别与进液口和出液口连通。

进一步地，动力传动装置为磁力耦合传动机构，包括无磁管、磁力耦合控制器、铜转子、永磁转子和回转轴，无磁管与环境箱底座固定连接，铜转子设置在无磁管的外周壁上，永磁转子与铜转子相对，永磁转子固定在回转轴外周壁上且回转轴位于无磁管内部，磁力耦合控制器用于控制铜转子绕无磁管轴向的转速，其中，回转轴用于与往复运动传动箱内的非圆齿轮结构传动连接或与旋转运动传动箱中的转轴传动连接。

进一步地，载荷施加装置中的所述升降单元包括竖直丝杆滑台和竖直滑块，竖直丝杆滑台固定在支撑装置上，竖直滑块滑动设置在竖直丝杆滑台上，水平丝杆的一端与竖直滑块连接。竖直滑块与竖直丝杆滑台配合，可调节其距底板的距离，从而可调节磨球卡具和试样之间的距离。

进一步地，竖直滑块上还设置有转轴，水平丝杆的一端通过连接件与所述转轴连接，在竖直滑块上且位于水平丝杆的下方还设置有用于限制连接件绕转轴的转动方向的限位块。

进一步地，曲柄连杆机构包括转盘、联动杆、传动杆，转盘与非圆齿轮结构转动连接，转盘上开设有径向的开口，开口的边缘设置有滑槽，联动杆的一端穿过开口并能沿滑槽滑动，从而可以调节联动杆距转盘中心的距离，另一端与传动杆连接，样品台与传动杆固定连接。

进一步地，所述联动杆通过旋转套筒与传动杆连接，所述传动杆与滑台固连，带动样品台沿水平导轨运动。

进一步地，抗氢载荷传感器位于所述砝码座下方，包括壳体和位于壳体内的两个垂直交叉设置的差动变压式力传感器，用于同时测量轴向载荷和试验摩擦力，每个所述差动变压式力传感器包括LVDT位移传感器、金属应变环和夹持机构，LVDT位移传感器包括定子和动子，金属应变环的一端与所述定子固定连接，另一端夹持于动子的自由端部，且与夹持机构连接。

进一步地，当进行旋转摩擦测试时，不设置所述旋转运动传动箱，而是将动力传动装置直接与样品台转动连接。

与现有技术相比，本发明至少能够实现以下有益效果：

一、本测试装置采用磁力耦合传动机构提供动力，磁力耦合控制器与铜转子位于环境箱外侧，避免电机或控制器直接暴露于高压氢环境，保障设备本质安全性能。

二、运动部件模块化设计，往复运动模块与旋转运动模块可替换使用，分别满足不同的实验需求，解决了现有原位氢摩擦磨损试验机只能实现单一摩擦运动模式的不足。

三、抗氢载荷传感器采用新型差动变压式力传感器，其精度不受高压氢环境及高低温的影响，保障了实验载荷和实验摩擦力的精确测量。

四、可开展宽温、高压氢复合条件下多种类材料的原位摩擦磨损试验，所采用的环境箱可有效保证腔室氢压稳定以及温度的均匀稳定，具有良好的宽温及高压氢环境营造和控制功能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置的总体结构示意图。

图2为本发明实施例中环境箱结构示意图。

图3为图1中A处的局部结构放大示意图。

图4为本发明实施例中往复运动模块传动箱内部结构图。

图5为本发明实施例中往复运动模块俯视图。

图6为本发明实施例所用差动变压式力传感器结构示意图。

图中，1-工控机、2-制冷加热机、3-进液口、4-出液口、5-磁力耦合控制器、6-铜转子、7-进出气口、8-压力传感器、9-气孔、10-换热弯管、11-放空阀、12-真空度传感器、13-真空泵、14-增压泵、15-氩气瓶、16-氢气瓶、17-左右压框、18-隔热板、19-内筒、20-外夹套内腔、21-外夹套、22-引线口、23-永磁转子、24-环境箱底座、25-回转轴、26-轴头、27-样品台、28-磨球卡具、29-限位套筒、30-抗氢载荷传感器、31-砝码、32-砝码座、33-竖直滑块、34-丝杆滑台、35-温度传感器、36-侧板、37-水平丝杆、38-传动箱、39-底板、40-轴承、41-转轴、42-连接件、43-限位块、44-导轨、45-传动杆、46-第一非圆齿轮、47-滑台、48-紧定螺栓、49-联动杆、50-旋转套筒、51-滑槽、52-转盘、53-连接杆、54-第二非圆齿轮、55-开口、56-LVDT位移传感器、57-金属应变环、58-夹持机构、59-无磁管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明的具体实施方式加以阐述，但本发明的实施和保护不限于此。需要指出的是，以下实施例中提到的方向用语，顺序用语，如“上”，“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。

本发明提供的安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置，无需在原位氢环境下安装电机即可实现高/低温高压氢环境下材料的旋转或往复摩擦磨损原位试验，请参阅图1至图6，所述装置包括环境箱、气源系统、换热系统、摩擦磨损系统、控制系统。

如图2所示，所述环境箱包括环境箱顶盖、环境箱底座24和左右压框17；环境箱顶盖通过左右压框17盖合固定在环境箱底座24上并在内部形成密闭空间，定义所述密闭空间为环境箱腔室；所述环境箱顶盖包括内筒19、外夹套21和隔热板18，所述内筒19位于外夹套21内部，二者之间形成围绕内筒19一周的腔体，将该腔体定义为外夹套内腔20，外夹套21下端开有用于抽真空的气孔9，用于在外夹套内腔20中形成真空环境进行绝热；内筒19顶端与外夹套21之间沿轴向夹持设置所述隔热板18，能够有效避免内筒19顶部与外界发生热交换，同时承受环境箱的内部氢压并将其分散至左右压框17；所述环境箱底座24上开设有进出气口7以及用于连接位于环境箱腔室内的换热弯管10的进液口3和出液口4；环境箱底座24还设有用于信号线引出的引线口22；环境箱底座24的底端还延伸有呈圆柱形的无磁管59并在无磁管59外部安装铜转子6，无磁管59内部提供用于回转轴25转动的空腔。

在本发明的其中一些实施例中，左压框和右压框呈对称分布，用于将环境箱顶盖固定在环境箱底座24上。

在本发明的其中一些实施例中，环境箱底座24还设有凹口以便于实现左右压框17的定位。

在本发明的其中一些实施例中，无磁管59为钢管。

如图1所示，所述气源系统包括氢气瓶16、氩气瓶15、增压泵14、真空泵13及对应的阀门，氢气瓶16与氩气瓶15通过气路管线依次连接增压泵14和环境箱底座24上的进出气口7，且气路管线上固定设置有压力传感器8，通过氢气瓶16能够向环境箱腔室内输入高压氢气，通过氩气瓶15可以吹扫环境箱腔室内的残留氢气以及用于高压氩气环境下的摩擦磨损实验，从而可以与高压氢环境实验形成对照；真空泵13通过真空管线与外夹套底端上的气孔9连通，用于对环境箱腔室及外夹套内腔20抽真空，真空管线上固定设置有真空度传感器12，且真空管线和气路管线连通。放空阀11分别接入上述气路管线和真空管线，用于控制测试装置的放空泄压，以平衡环境箱腔室及外夹套内腔20内外压力。

所述换热系统包括制冷加热机2、连接制冷加热机2和环境箱底座24上进液口3的进液管路、设置在环境箱腔室内的换热弯管10、连接环境箱底座24上出液口4和制冷加热机2的出液管路和设置在环境箱腔体内的温度传感器35，且换热弯管10的两端分别与进液口3和出液口4连通。用于将制冷加热机2内的换热介质通过进液管路输送到环境箱内的换热弯管10实现热量交换，热交换后的液体经出液口4和出液管路排出，对环境箱腔室内的温度进行调控，实现宽温试验环境需求。

在本发明的其中一些实施例中，隔热板18为陶瓷纤维板。可以理解的是，在其他实施例中，隔热板18还可以采用其他材质。

所述摩擦磨损系统包括支撑装置、载荷施加装置、运动模块、动力传动装置、样品台27、和抗氢载荷传感器30。

请参阅图2，所述支撑装置包括用于固定载荷施加装置和温度传感器35的侧板36，以及保持机架稳定的底板39，底板39位于环境箱顶盖和环境箱底座24的交界处，且底板39上设有便于安装运动模块的开孔，轴头26设置在该开孔内。

载荷施加装置包括竖直丝杆滑台34、竖直滑块33、水平丝杆37、砝码座32、限位套筒29和磨球卡具28，所述竖直滑块33与竖直丝杆滑台34配合，可手动调节竖直滑块33距底板39的距离，水平丝杆37与竖直滑块33相连，限位套筒29与水平丝杆37之间螺纹连接，可手动调节磨球卡具28与所述回转轴25中心的距离，砝码31中心开有通孔，可套设加载于砝码座32上端，用于提供实验所需载荷；如图3所示，竖直滑块33中部设有转轴41，通过连接件42连接水平丝杆37，竖直滑块33边缘还设有限位块43，限制连接件42绕转轴41的转动方向。通过设置限位块43可以保证连接件42处于水平位置，避免磨球与试样接触前水平丝杆37的转动。

运动模块位于底板39上，运动模块包括往复运动传动箱和旋转运动传动箱，通过替换安装往复运动传动箱和旋转运动传动箱，可以使样品台27在往复运动和旋转运动之间进行切换，从而可以进行匀速往复摩擦测试和旋转摩擦测试。

如图4和图5所示，往复运动传动箱38内部设置有非圆齿轮结构、曲柄连杆机构以及相应的连接件，所述非圆齿轮结构包括第一非圆齿轮46和与第一非圆齿轮46啮合的第二非圆齿轮54，用于为曲柄连杆机构提供匀速往复运动的动力输出，且第一非圆齿轮46可与所述回转轴轴头26配合，第二非圆齿轮54中心通过连接杆53与曲柄连杆机构的所述转盘52的中心固接，所述转盘52表面沿半径方向设有开口55，开口55边缘固定有滑槽51，穿过所述开口55的联动杆49通过紧定螺栓48与所述滑槽51连接，沿滑槽51调节紧定螺栓48位置可控制联动杆49距转盘52中心距离，所述联动杆49通过旋转套筒50与传动杆45连接，所述传动杆45与滑台47固连，带动样品台27沿水平导轨44运动，滑台47与水平导轨44的配合可以保证样品台在匀速往复运动时的稳定。旋转运动模块传动箱(图中未示出)内部设置有用于与样品台27连接的转轴，且进行旋转摩擦测试时转轴能够与轴头26连接，用于带动样品台27进行旋转运动。

在本发明的其中一些实施例中，传动杆45呈L形。

在本发明的其中一些实施例中，当进行旋转摩擦测试时，不是将前述实施例提供的旋转运动模块传动箱与轴头26连接，而是直接将样品台27与轴头26连接。为了不对样品台27的旋转造成干涉，这些实施例中的轴头26的高度可高于前述设置旋转运动模块传动箱时的轴头26高度，使轴头26伸出到底板39上方。

动力传动装置由磁耦合传动为转轴提供动力，包括磁力耦合控制器5、铜转子6、永磁转子23、回转轴25以及轴承40。所述铜转子6设于所述无磁管59底部外周，通过磁力耦合控制器5控制其绕无磁管59轴向的转速，所述永磁转子23固定于回转轴25底部外周，不与无磁管59接触，且水平位置与铜转子6对应，所述回转轴25位于无磁管59的内腔20，通过轴承40与所述环境箱底座24上端枢接，并在轴承40上端延伸一段与所述运动模块配合的轴头26。

所述抗氢载荷传感器30和温度传感器35的数据线通过所述环境箱底座24上开设的引线口22引出，控制系统分别与所述增压泵、真空泵、磁力耦合控制器、制冷加热机以及引线口处数据线相连；如图2所示，所述抗氢载荷传感器30位于所述限位套筒29上方，且位于所述砝码座32下方，包括壳体以及位于壳体内的垂直交叉设置的两个差动变压式力传感器；如图6所示，每个所述差动变压式力传感器包括LVDT位移传感器56、金属应变环57和对应的夹持机构58，所述LVDT位移传感器56包括上端的定子与下端的动子，金属应变环57一端通过连接螺栓与定子固定，另一端通过螺栓夹持于动子端部，并与夹持机构58栓接；所述金属应变环57材料工作范围为弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系，金属应变环57受到外界载荷作用产生弹性变形，带动LVDT位移传感器56动子发生轴向位移，通过测量位移数据，即可得出力传感器所受载荷大小；所述力传感器可固定于抗氢载荷传感器壳体，用于同时测量轴向载荷和试验摩擦力。

所述控制系统包括工控机1，工控机1分别与所述增压泵14、真空泵13、磁力耦合控制器5、制冷加热机2电连接，工控机1分别与抗氢载荷传感器30和温度传感器35信号连接。

本发明的具体应用步骤如下：

S1：安装试样。首先移除左右压框17，紧接着分离环境箱顶盖与环境箱底座24；选择试验所需的运动模块，并将回转轴轴头26与所选择运动模块的传动箱配合(当然，若是进行旋转摩擦测试且不想设置旋转运动传动箱，则直接将回转轴轴头26与样品台27连接)；将试样安装于样品台27之上。

S2：施加载荷。手动旋转水平丝杆37，调节磨球卡具下端磨球水平位置，随后手动旋转竖直丝杆滑台34，调节竖直滑块33下降直至磨球与试样接触并观察到连接件42与限位块43分离，即可判断此时磨球与试样接触；将砝码31加载于砝码座32之上。

S3：充装低压气体。将环境箱顶盖与环境箱底座24嵌合，扣入左右压框17，使得环境箱顶盖与环境箱底盖1密闭接合。使用真空泵13抽取环境箱腔室、外夹套内腔20以及气路管线中的空气，等待真空度传感器12数值达到环境箱绝热所需要求后关闭真空泵13；接着使用增压泵14将氢气瓶16(或氩气瓶15)中的气体冲入环境箱腔室，并进行若干次气体置换，直至腔室内充满高纯气体。

S4：调温。启动制冷加热机2，将换热介质引入腔室内的换热弯管10，待热量交换一段时间，当温度传感器35数据稳定后，即可进行下一步操作。在后续操作过程中，制冷加热机2持续运作，保证环境箱腔室内温度稳定。

S5：增压。启动增压泵14对环境箱腔室内的高纯气体缓慢增压，直至压力传感器8达到试验压力且数值稳定。

S6：摩擦磨损测试。启动磁力耦合控制器5驱动铜转子6轴向旋转，进而带动无磁管59内部回转轴25转动，通过动力传动装置带动样品台27做旋转或匀速往复运动。试验过程中，抗氢载荷传感器30实时获取载荷数据及试验摩擦力数据，并由工控机1记录所有传感器数据。当试验循环次数达到设定值时，关闭磁力耦合控制器5，结束摩擦磨损试验。

S7：泄压、回温。打开放空阀11对测试装置内部进行泄压，并接通氩气瓶15，使用低压氩气对环境箱腔室进行吹扫，去除残余氢气。然后调节制冷加热机2参数，通过换热将腔室温度恢复至室温。

S8：卸样。移除左右压框17，分离环境箱顶盖与环境箱底座24，取出试样。

在本发明中，利用磁力耦合控制器5控制铜转子6转动，为传动机构提供动力，磁力耦合控制器5与铜转子6位于环境箱外侧，能够避免电机或控制器直接暴露于高压氢环境，消除了因强电元件直接与高压氢气接触带来的安全隐患，保障了设备安全性能。

在本发明中，旋转摩擦试验与匀速往复摩擦试验参数可自由调节。例如，旋转摩擦试验时，通过调整磁力耦合控制器5参数可调节铜转子6转速，进而调节试样旋转速度；通过旋转水平丝杆37可调节磨球距离回转轴25轴心距离，实现旋转摩擦半径的控制。匀速往复摩擦试验时，通过调整铜转子6的转速，依次影响回转轴25、第一非圆齿轮46、第二非圆齿轮54、曲柄连杆机构的转盘52的转速，进而控制样品台的往复运动速度；沿滑槽51调节紧定螺栓48位置可控制联动杆49距转盘52中心距离，进而调节往复摩擦试验过程中试样的滑动距离，提升了设备的功能性，具有显著优点。

本发明中，运动部件模块化设计，往复运动模块与旋转运动模块均可与轴头26配合，可替换使用以满足不同的实验需求，解决了现有原位氢摩擦磨损试验机只能实现单一摩擦运动模式的不足。

本发明中，抗氢载荷传感器30采用新型差动变压式力传感器，由于LVDT位移传感器定子与动子之间无物理接触，其精度不受高压氢环境及高低温的影响，保障了实验载荷和实验摩擦力的精确测量。

以上例子，仅为本发明的具体实施案例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出某些更动或修改而成为等同变化的等效实施案例。例如，本发明并不限定只用于以氢气为试验介质，同样适用于硫化氢气体、天然气与氢气混合气体等试验介质。但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围内。

Claims (9)

1.安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置，其特征在于，包括环境箱、气源系统、换热系统、摩擦磨损系统和控制系统，

所述环境箱包括环境箱顶盖和环境箱底座(24)，环境箱顶盖盖合固定在环境箱底座(24)上并在内部形成环境箱腔室，且环境箱上设有进出气口(7)、进液口(3)和出液口(4)；

气源系统包括与进出气口(7)连通的真空泵(13)、放空阀(11)和增压泵(14)，真空泵(13)用于对环境箱腔室抽真空，放空阀(11)用于对测试装置进行放空泄压，增压泵(14)用于给环境箱腔室增压；

换热系统用于通过进液口(3)和出液口(4)与环境箱内进行热量交换以调控环境箱内的温度；

摩擦磨损系统包括支撑装置、动力传动装置、载荷施加装置、运动模块、样品台(27)和抗氢载荷传感器(30)，支撑装置、载荷施加装置、运动模块和抗氢载荷传感器(30)均位于环境箱腔室内，动力传动装置用于给运动模块提供转动驱动力，运动模块包括能够替换使用的往复运动传动箱和旋转运动传动箱，往复运动传动箱内部设置有非圆齿轮结构和曲柄连杆机构，非圆齿轮结构用于与动力传动装置转动连接，以给曲柄连杆机构提供匀速往复运动的动力输出，曲柄连杆机构的端部与样品台(27)连接以带动样品台(27)做匀速往复运动，旋转运动传动箱内设置有用于与动力传动装置转动连接的转轴；载荷施加装置和抗氢载荷传感器(30)均设置在支撑装置上，载荷施加装置包括升降单元、水平丝杆(37)、砝码座(32)、限位套筒(29)和磨球卡具(28)，水平丝杆(37)的一端与升降单元转动连接，且水平丝杆(37)与所述限位套筒(29)螺纹连接以调节磨球卡具(28)在水平方向的位置，砝码座(32)设置在限位套筒(29)顶部，磨球卡具(28)设置在限位套筒(29)底部；

控制系统用于控制真空泵(13)、放空阀(11)、增压泵(14)和换热系统的运行与关闭，抗氢载荷传感器(30)与控制系统信号连接；

其中，动力传动装置为磁力耦合传动机构，包括无磁管(59)、磁力耦合控制器(5)、铜转子(6)、永磁转子(23)和回转轴(25)，无磁管(59)与环境箱底座(24)固定连接，铜转子(6)设置在无磁管(59)的外周壁上，永磁转子(23)与铜转子(6)相对，永磁转子(23)固定在回转轴(25)外周壁上且回转轴(25)位于无磁管(59)内部，磁力耦合控制器(5)用于控制铜转子(6)绕无磁管(59)轴向的转速，其中，回转轴(25)用于与往复运动传动箱内的非圆齿轮结构传动连接或与旋转运动传动箱中的转轴传动连接。

2.根据权利要求1所述的安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置，其特征在于，载荷施加装置中的所述升降单元包括竖直丝杆滑台(34)和竖直滑块(33)，竖直丝杆滑台(34)固定在支撑装置上，竖直滑块(33)滑动设置在竖直丝杆滑台(34)上，水平丝杆(37)的一端与竖直滑块(33)连接。

3.根据权利要求2所述的安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置，其特征在于，竖直滑块(33)上还设置有转轴(41)，水平丝杆(37)的一端通过连接件(42)与所述转轴(41)连接，在竖直滑块(33)上且位于水平丝杆(37)的下方还设置有用于限制连接件(42)绕转轴(41)的转动方向的限位块(43)。

4.根据权利要求1所述的安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置，其特征在于，曲柄连杆机构包括转盘(52)、联动杆(49)、传动杆(45)，转盘(52)与非圆齿轮结构转动连接，转盘(52)上开设有径向的开口(55)，开口(55)的边缘设置有滑槽(51)，联动杆(49)的一端穿过开口(55)并能沿滑槽(51)滑动，另一端与传动杆(45)连接，样品台(27)与传动杆(45)固定连接。

5.根据权利要求1所述的安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置，其特征在于，抗氢载荷传感器(30)位于所述砝码座(32)下方，包括壳体和位于壳体内的两个垂直交叉设置的差动变压式力传感器，用于同时测量轴向载荷和试验摩擦力，每个所述差动变压式力传感器包括LVDT位移传感器(56)、金属应变环(57)和夹持机构(58)，LVDT位移传感器(56)包括定子和动子，金属应变环(57)的一端与所述定子固定连接，另一端夹持于动子的自由端部，且与夹持机构(58)连接。

6.根据权利要求1所述的安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置，其特征在于，气源系统还包括氢气瓶(16)、氩气瓶(15)和压力传感器(8)，氢气瓶(16)和氩气瓶(15)通过气路管线依次连接所述增压泵(14)和环境箱底座(24)上的进出气口(7)，且压力传感器(8)设置在气路管线上，且放空阀(11)与气路管线管道连接。

7.根据权利要求1所述的安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置，其特征在于，环境箱顶盖包括内筒(19)、外夹套(21)和隔热板(18)，内筒(19)位于外夹套(21)内且两者之间形成有外夹套内腔，外夹套(21)上设置有与所述真空泵(13)连通的气孔(9)，且真空泵(13)与气孔(9)连接的管道上设置有真空度传感器(12)。

8.根据权利要求1所述的安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置，其特征在于，换热系统包括制冷加热机(2)、连接制冷加热机(2)和环境箱底座(24)上进液口(3)的进液管路、设置在环境箱腔室内的换热弯管(10)、连接环境箱底座(24)上出液口(4)和制冷加热机(2)的出液管路以及设置在环境箱腔体内的温度传感器(35)，且换热弯管(10)的两端分别与进液口(3)和出液口(4)连通。

9.根据权利要求1-8任一所述的安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置，其特征在于，当进行旋转摩擦测试时，不设置所述旋转运动传动箱，而是将动力传动装置直接与样品台(27)转动连接。

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