CN115979864A - 一种高温往复式摩擦磨损测试设备及测试方法 - Google Patents

Abstract

一种高温往复式摩擦磨损测试设备及测试方法，它涉及一种摩擦磨损测试设备及测试方法。本发明为了解决现有设备存在无法夹持一些异形件和灵活应对不同形状尺寸试样或摩擦副的问题。本发明的水平往复机构(1)水平安装在壳体(6)上，加热机构(2)内嵌在壳体(6)上，高温夹具(5)安装在加热机构(2)内，竖直加载机构(3)位于高温夹具(5)的正上方，且竖直加载机构(3)的加载杆(39)夹持工件后向摩擦副施加压力，在水平往复机构(1)的协同作用下实现工件在摩擦副上的测试。调节偏心轴：安装试样和摩擦副：炉体升温：试验加载力控制：往复摩擦试验：实验数据分析：高温摩擦磨损实验结束。本发明用于摩擦磨损测试。

Description

一种高温往复式摩擦磨损测试设备及测试方法

技术领域

本发明涉及一种摩擦磨损测试设备及测试方法，具体涉及一种高温往复式摩擦磨损测试设备及测试方法。

背景技术

高温摩擦磨损实验仪是测试材料表面抵抗磨损能力的设备，在金属材料领域得到广泛应用。目前，公告号为CN202010277387的专利中所公开的高温摩擦磨损测试设备多为销-盘式，转轴上固定有托盘和摩擦副，加载杆上安装有试样销。测试时摩擦副旋转，试样销静止，以端面接触滑动摩擦的方式测试摩擦磨损性能，且其温度最高为1000℃。而且高温摩擦磨损试验不同于普通实验，需要优先考虑工况并确定磨损形式，才能选定恰当的测试方法。对于一些特殊材料其工况并非旋转的滑动摩擦，销-盘式设备的测试数据不具有备参考价值。

公告号为CN202120835798的专利公开了一种往复式摩擦磨损的设备，但是该专利中的实验盘仅适用于一些结构比较规整的平面材料，无法夹持一些异形件(如高温机械密封弹簧)，无法灵活应对不同形状尺寸的试样或摩擦副。

综上所述，现有往复式摩擦磨损的设备存在无法夹持一些异形件和灵活应对不同形状尺寸试样或摩擦副的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有往复式摩擦磨损的设备存在无法夹持一些异形件和灵活应对不同形状尺寸试样或摩擦副的问题。进而提供一种高温往复式摩擦磨损测试设备及测试方法。

本发明的技术方案是：一种高温往复式摩擦磨损测试设备包括壳体、水平往复机构、加热机构、竖直加载机构、水冷机构和高温夹具，水平往复机构水平安装在壳体上，加热机构内嵌在壳体上，高温夹具安装在加热机构内，且水平往复机构的端部与高温夹具连接，并带动高温夹具的下夹具水平往复运动，竖直加载机构位于高温夹具的正上方，且竖直加载机构的加载杆夹持工件后向摩擦副施加压力，在水平往复机构的协同作用下实现工件在摩擦副上的测试；其中，高温夹具包括上夹具和下夹具，上夹具安装在加载杆的端部，上夹具上设有向上内凹的槽体用于夹持工件，下夹具为内凹的槽形体，下夹具位于加热机构内。

进一步地，水平往复机构包括第一减速电机、曲柄连杆机构、连杆接头导向滑块、两个滑轨、S型力传感器、连杆件和下夹具导向滑块，第一减速电机与曲柄连杆机构连接，连杆接头导向滑块、S型力传感器、连杆件和下夹具导向滑块依次与曲柄连杆机构连接，且连杆接头导向滑块和下夹具导向滑块分别滑动安装在两个滑轨上。

进一步地，曲柄连杆机构包括曲柄、可调节滑块、偏心轴和连杆，偏心轴转动安装在曲柄的中心，可调节滑块和连杆的一端均安装在偏心轴上，连杆的另一端与连杆接头导向滑块连接。

进一步地，加热机构包括上盖板、保温炉体、热传感器、加热元件热端和加热元件冷端，保温炉体为槽形炉体，热传感器竖直穿设在保温炉体的底部，加热元件热端和加热元件冷端分别穿过保温炉体的底部并连接，上盖板的内层设有氧化铝耐火材料，上盖板位于保温炉体的正上方，且保温炉体与上盖板之间留有间隙，上盖板的中心加工有通孔。

进一步地，竖直加载机构包括机架、第二减速电机、滚珠丝杠、丝杠滑台、承载板、导向支座、轮辐式力传感器和加载杆，第二减速电机安装在机架的上端，滚珠丝杠竖直安装在机架内，且第二减速电机的输出轴与滚珠丝杠的上端连接，丝杠滑台与滚珠丝杠连接，承载板安装在机架的外部，承载板与丝杠滑台连接，轮辐式传感器的受力端朝下并通过紧固螺纹孔固定在支撑座顶端，加载杆的上部竖直穿过导向支座的轴心和承载板并向下延伸。

进一步地，水冷机构包括外部水冷循环泵、水箱、水冷管道、第一水冷腔和第二水冷腔，外部水冷循环泵与水箱连接，第二水冷腔和第一水冷腔由上至下安装在加载杆上，第二水冷腔和第一水冷腔之间通过水冷管道连通，水箱中的冷却水在外部水冷循环泵的作用下依次进入第一水冷腔、水冷管道和第二水冷腔之后流出。

进一步地，上夹具包括圆柱体和槽体，圆柱体位于槽体的上端并制成一体，圆柱体的外圆周表面上加工有顶推凹槽，槽体上水平加工有第一顶锥螺纹孔和第二顶锥螺纹孔。

进一步地，下夹具内凹的槽形体上设有下夹具臂，所述下夹具臂上开设有多个沉孔，槽形体的底端面为下夹具平台，下夹具平台上加工有多个圆柱螺纹孔。

进一步地，多个圆柱螺纹孔以矩形阵列的方式开设。

本发明还提供了一种采用高温往复式摩擦磨损测试设备的测试方法，它包括以下步骤：

步骤一：调节偏心轴：

松开可调节滑块的紧固螺钉，对准刻度调节偏心轴的位置；

步骤二：安装试样和摩擦副：

将水平往复机构和竖直加载机构分别复位；

步骤二一：先安装上工件，将样品或摩擦副通过顶推螺丝紧固在上夹具的深孔内，随后将上夹具以顶推紧固的方式与加载杆连接；

步骤二二：安装下工件，将样品或摩擦副放置在一对夹块中间，通过锁紧螺钉固定夹块并夹紧样品或摩擦副；

步骤二三：调整各部件位置，使上夹具和上工件、下夹具和下工件以及加载杆的竖直中心轴线保持重合；

步骤二四：放置上盖板，随后将加载杆和上夹具送入炉体中合适位置，上工件与下工件相距1～2mm；

步骤三：炉体升温：

打开冷却水循环泵，接通加热炉电源，设置程序使保温炉体和样品升温至目标温度并保持稳定；

步骤四：试验加载力控制：加载之前对试验力数据清零；

先进行预加载：上工件与下工件之间的试验力保持在10N；

进行静态加载：上工件与下工件之间的试验力自动加载到设定值的范围内；

进行动态保持：上工件与下工件之间的试验力稳定维持在设定值的范围内；

步骤五：往复摩擦试验：

对摩擦力和磨损量进行数据清零，各种实验条件无误后，开启第一减速电机，曲柄连杆机构开始旋转往复运动，进行摩擦磨损测试；

步骤六：实验数据分析：

设备实时收集轮辐式力传感器、S型力传感器、拉线式位移传感器和热传感器的电学信号，并自动绘制曲线，计算摩擦力和磨损量与温度、试验力、行程之间的关系；

计算的原理为μ＝F/N，其中，μ为摩擦系数，F为摩擦力，N为实验加载力；

步骤七：高温摩擦磨损实验结束后，自动关闭第一减速电机11，自动关闭高温炉加热按钮，待高温炉冷却至室温后，手动关闭冷却水循环泵，手动释放实验力，取出下工件的试样和下工件的摩擦副，至此，完成了高温往复式摩擦磨损测试。

本发明与现有技术相比具有以下效果：

1、本发明的高温往复摩擦磨损试验仪对材料的形状要求宽松，因其采用了上夹具和下夹具分别夹持工件和摩擦副，尤其是上夹具通过螺钉能够适应：夹持测试一些规则块状的以及非规则状材料(如弹簧)在往复面摩擦或点摩擦工况下的摩擦磨损性能。且本试验机可测试材料在高载荷、长时间、高温度(1200摄氏度)下的试样的摩擦系数与磨损量，考察试样在恶劣环境下摩擦磨损性能的变化，最大程度上满足部分材料工况条件的需求。

2、本发明使用维护简单，只需合理修改所设计夹具的形状/尺寸和工装位置，即可完成不同尺寸材料的摩擦磨损性能测试，实用性更广。本设备对材料高温摩擦磨损性能的稳定性较高，数据准确性上下浮动5％。

3、本发明的下夹具含有阵列圆柱螺纹孔，能够适当调节夹块的固定位置，对不同尺寸的试样进行摩擦磨损测试；本发明的往复式摩擦磨损试验仪中，上夹具或下夹具均可以夹持摩擦副或试样，并具有多种测试模式，不仅可以用于测试面摩擦磨损，也可以用于测试点摩擦磨损，还可以用于测试异形件，如实施例中的弹簧，测试温度可以达到1200℃，特别适用于陶瓷材料的摩擦磨损测试，可以完成温度、摩擦系数以及磨损量的原位同步测试。

4、本发明的测试原理：

将试样(指工件)和摩擦副分别固定在测试夹具上，并升温至实验温度。通过滚珠丝杠伺服加载系统，在试样和摩擦副之间施加一定的载荷，两者之间为面接触，随后试样-摩擦副之间以一定的速度进行往复摩擦运动。利用传感器控制载荷力，并测试摩擦力，并在PC端实施绘制载荷力曲线、摩擦力曲线以及摩擦系数曲线。通过观察曲线及数据变化可以得到在高温环境下材料的摩擦性能和耐磨强度。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。图2是水平往复机构1的主视图。图3是图2的俯视图。图4是加热机构2的结构示意图。图5是竖直加载机构3的结构示意图。图6是图5沿A-A处的剖视图。图7是下夹具52的主视图。图8是图7的俯视图。图9是图7的侧视图。图10是上夹具51的结构示意图。

图11是实施例1和实施例2中共同使用第一夹块61的主视图。图12是图11的俯视图。图13是图11的侧视图。图14是实施例1和实施例2的结构示意图。图15是实施例1的摩擦磨损曲线图。

图16是实施例2的摩擦磨损曲线图。

图17是实施例3中使用第二夹块71的主视图。图18是图17的俯视图。图19是图17的侧视图。图20是实施例3的结构示意图。

图21是实施例4中使用第三夹块81的主视图。图22是图21的俯视图。图23是图21的侧视图。图24是实施例4的结构示意图。图25是实施例4的摩擦磨损曲线图。

图26是实施例5的结构示意图。

图27是图5沿B-B处的剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1、图7至图10说明本实施方式，本实施方式的一种高温往复式摩擦磨损测试设备，它包括壳体6、水平往复机构1、加热机构2、竖直加载机构3、水冷机构4和高温夹具5，水平往复机构1水平安装在壳体6上，加热机构2内嵌在壳体6上，高温夹具5安装在加热机构2内，且水平往复机构1的端部与高温夹具5连接，并带动高温夹具5的下夹具52水平往复运动，竖直加载机构3位于高温夹具5的正上方，且竖直加载机构3的加载杆39夹持工件后向摩擦副施加压力，在水平往复机构1的协同作用下实现工件在摩擦副上的测试；其中，高温夹具5包括上夹具51和下夹具52，上夹具51安装在加载杆39的端部，上夹具51上设有向上内凹的槽体用于夹持工件，下夹具52为内凹的槽形体，下夹具52位于加热机构2内。

具体实施方式二：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式的水平往复机构1包括第一减速电机11、曲柄连杆机构12、连杆接头导向滑块13、两个滑轨14、S型力传感器16、连杆件17和下夹具导向滑块18，第一减速电机11与曲柄连杆机构12连接，连杆接头导向滑块13、S型力传感器16、连杆件17和下夹具导向滑块18依次与曲柄连杆机构12连接，且连杆接头导向滑块13和下夹具导向滑块18分别滑动安装在两个滑轨14上。

本实施方式的S型力传感器16水平置于连杆接头导向滑块13和连接件17之间，三者之间通过连接螺栓15紧固连接。S型力传感器16可以探测水平方向上的摩擦力，并进行A/D转换，将放大的电信号传输至电脑。

本实施方式的连接件17与下夹具导向滑块18一侧形成螺钉紧固连接，起传递力矩作用。下夹具导向滑块18另一侧则设有圆柱形通孔19，与下夹具52形成螺钉紧固连接，进一步传递力矩。

其它组成和连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式的曲柄连杆机构12包括曲柄121、可调节滑块122、偏心轴123和连杆124，偏心轴123转动安装在曲柄121的中心，可调节滑块122和连杆124的一端均安装在偏心轴123上，连杆124的另一端与连杆接头导向滑块13连接。

本实施方式的第一减速电机11与曲柄连杆机构12以键的方式连接。减速电机带动曲柄121做旋转运动，曲柄连杆机构12、连杆接头导向滑块13和滑轨14则将旋转运动转变为水平直线往复运动。通过设置第一减速电机11的频率，可以控制水平往复运动的频率和速度。

本实施方式的可调节滑块122设有通孔，曲柄121上表面设有长条形配合孔，两者以螺钉的方式抵连。按刻度左右调节滑块122的位置，可以调整偏心轴123的偏心半径(最大行程40mm，精度0.05mm)，实现正偏心或负偏心，进而改变整个水平往复机构的运动行程。

其它组成和连接关系与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：结合图1和图4说明本实施方式，本实施方式的加热机构2包括上盖板201、保温炉体202、热传感器203、加热元件热端204和加热元件冷端205，保温炉体202为槽形炉体，热传感器203竖直穿设在保温炉体202的底部，加热元件热端204和加热元件冷端205分别穿过保温炉体202的底部并连接，上盖板201的内层设有氧化铝耐火材料，上盖板201位于保温炉体202的正上方，且保温炉体202与上盖板201之间留有间隙，上盖板201的中心加工有通孔。

本实施方式的上盖板201有内外两层，内层为一定厚度的氧化铝耐火材料，起隔热保温作用，氧化铝耐火材料被金属壳外层所包裹，上盖板201的中心具有通孔，方便竖直加载杆39和上夹具51的进出。保温炉体四周和底部内衬均为氧化铝耐火材料。加热机构2采用底部加热和底部测温的方式。上盖板201和底部加热测温的设置提升了加热效率和保温效率，使材料的温度始终能保持在相对稳定的数值，进一步提升实验数据的精准性。

加热元件冷端205位于炉体外部，加热元件冷端205表面缠有铝编织带206并与变压器形成串联。通电后，由于加热元件热端204材质为硅碳棒，电阻加热升温空气，随后空气辐射加热样品。热传感器203采用铂铑S型热电偶，热传感器203头部从炉体底部伸入保温炉体202内部，热传感器的尾部设置在隔热腔和空气中并与温控表相连，实现监控炉温和控制加热功率的目的。

其它组成和连接关系与具体实施方式一、二或三相同。

具体实施方式五：结合图1、图5、图6和图27说明本实施方式，本实施方式的竖直加载机构3包括机架30、第二减速电机31、滚珠丝杠32、丝杠滑台33、承载板34、导向支座35、轮辐式力传感器36和加载杆39，第二减速电机31安装在机架30的上端，滚珠丝杠32竖直安装在机架30内，且第二减速电机31的输出轴与滚珠丝杠32的上端连接，丝杠滑台33与滚珠丝杠32连接，承载板34安装在机架30的外部，承载板34与丝杠滑台33连接，轮辐式传感器36的受力端朝下并通过紧固螺纹孔38固定在支撑座35顶端，加载杆39的上部竖直穿过导向支座35的轴心和承载板34并向下延伸。

本实施方式的竖直加载机构3还包括限位器以及拉线式传感器311。滚珠丝杠32底端被丝杠支撑座固定，顶端与第二减速电机31连接。第二减速电机31与丝杠32之间设有膜片联轴器，增大扭矩，吸收往复摩擦磨损实验过程中产生的振动。丝杠滑台33一侧与滚珠丝杠32同轴配合，另一侧与承载板34通过锁紧螺钉紧固连接。

本实施方式的导向支撑座35为圆法兰嵌入型导向支撑座。

本实施方式的导向支撑座35通过螺钉紧固连接固定在承载板34上。轮辐式传感器36受力端朝下，通过紧固螺纹孔38固定在导向支撑座35顶端。加载杆39沿导向支撑座35轴心穿过，与轮辐式传感器36受力端螺纹连接。导向支撑座35引导加载杆39受力方向集中于轴向，避免偏载，防止加载杆局部径向变形，提高轮辐式力传感器36的精度和服役能力。通过控制第二减速电机31的旋转方向和速度控制丝杠滑台和承载板34运动，进而控制加载杆39的运动和轮辐式传感器36的受力情况。加载杆39底部设有圆柱深孔，底部侧面设有顶推螺纹孔310。通过配合顶推螺丝和上夹具尾部实心轴上顶推凹槽513，可以实现上夹具的紧固。

在实验的过程中，试样与摩擦副之间的载荷通过加载杆39传递至轮辐式力传感器36，传感器内部材料发生应变，并将力信号转变为电信号通过接线口37传递至电脑，实施监测和动态保持试验力。

机架30的上表面安装有拉线式位移传感器311，传感器中伸出涂塑钢丝绳312，涂塑钢丝绳312绳头通过吊钩及螺丝连接在丝杠滑台33的侧面。涂塑钢丝绳一直保持收紧状态。拉线式位移传感器可以实时记录加载杆的纵向位移，精确测量位移磨损量，当试样与摩擦副之间的磨损量到达设定值时，摩擦磨损试验机可以实现自动停机。

机架30的侧表面安装有行程限位器313，限定丝杠滑台33的移动行程。当丝杠滑台33的顶部与行程限位器313高度相持平时，滑台无法继续向上运动，可以避免损坏滚珠丝杠32和第二电机31。

其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三或四相同。

具体实施方式六：结合图1和图5说明本实施方式，本实施方式的水冷机构4包括外部水冷循环泵、水箱44、水冷管道41、第一水冷腔42和第二水冷腔43，

外部水冷循环泵与水箱44连接，第二水冷腔43和第一水冷腔42由上至下安装在加载杆39上，第二水冷腔43和第一水冷腔42之间通过水冷管道41连通，水箱44中的冷却水在外部水冷循环泵的作用下依次进入第一水冷腔42、水冷管道41和第二水冷腔43之后流出。

由于金属的导热性比较好，本仪器最高操作温度可达1200摄氏度，为了防止电子元件和零部件出现热损伤，提高数据的准确性，提升设备的使用寿命、工作效率及安全性，需要设置水冷系统降低部件局部温度。

下夹具导向滑块18与下夹具52一侧直接相接，测试过程极易发生温度传导，因此在下夹具导向滑块18内部设有小型空腔，利用水冷管道41循环降温，同理，下夹具52另一侧的导向滑块也设有水冷管道。加载杆39与上夹具51均位于高温炉体中，为了急速冷却其温度，在加载杆39表面设大面积、强热交换能力的矩形第一水冷腔42，中间设有隔板，加速水循环，加速降温。在导向支撑座35表面设有第二水冷腔43，对加载杆进一步降温。

其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四或五相同。

具体实施方式七：结合图1和图10说明本实施方式，本实施方式的上夹具51包括圆柱体和槽体，圆柱体位于槽体的上端并制成一体，圆柱体的外圆周表面上加工有顶推凹槽513，槽体上水平加工有第一顶锥螺纹孔511和第二顶锥螺纹孔512。

本实施方式的上夹具51和下夹具52的材料均为高温合金GH4214。

本实施方式的上夹具51头部设有圆柱深孔，方向朝下，头部侧面留有第一顶锥螺纹孔511和第二顶锥螺纹孔512，圆柱形试样通过顶推螺丝紧固在上夹具51的深孔内。上夹具尾部为实心轴，方向朝上，轴上设有顶推凹槽513，与加载杆39形成顶推紧固配合。

其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五或六相同。

具体实施方式八：结合图1、图7至图9说明本实施方式，本实施方式的下夹具52内凹的槽形体上设有下夹具臂521，所述下夹具臂521上开设有多个沉孔522，槽形体的底端面为下夹具平台523，下夹具平台523上加工有多个圆柱螺纹孔524。

本实施方式的下夹具52整体构型为凹形，下夹具臂521伸出炉体外部，臂上加工有沉孔522，以螺栓紧固连接的方式与下夹具导向滑块18相连接。下夹具平台523位于炉体内部，其底部与加热元件热端204及热传感器203顶部相邻，但设有安全工作距离，下夹具中心与加载杆轴心位于同一轴线。下夹具平台523设有阵列圆柱螺纹孔524，通过锁紧螺钉紧固不同形状的夹块可以实现不同尺寸/形状的工件的加载工装。夹块的材料为高温合金，夹块上留有与阵列圆柱螺纹孔524相同尺寸的螺纹孔。

其它组成和连接关系与具体实施方式一、二、三、四、五、六或七相同。

具体实施方式九：结合图1和图8说明本实施方式，本实施方式的多个圆柱螺纹孔524以矩形阵列的方式开设。如此设置，便于与不同结构的夹块连接。其它组成和连接关系与具体实施方式一至八中任意一项相同。

具体实施方式十：结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式包括以下步骤：

步骤一：调节偏心轴：

松开可调节滑块122的紧固螺钉，对准刻度调节偏心轴123的位置；

步骤二：安装试样和摩擦副：

将水平往复机构1和竖直加载机构3分别复位；

步骤二一：先安装上工件，将样品或摩擦副通过顶推螺丝紧固在上夹具51的深孔内，随后将上夹具51以顶推紧固的方式与加载杆39连接；

步骤二二：安装下工件，将样品或摩擦副放置在一对夹块中间，通过锁紧螺钉固定夹块并夹紧样品或摩擦副；

步骤二三：调整各部件位置，使上夹具和上工件、下夹具和下工件以及加载杆39的竖直中心轴线保持重合；

步骤二四：放置上盖板201，随后将加载杆39和上夹具51送入炉体中合适位置，上工件与下工件相距1～2mm；

步骤三：炉体升温：

打开冷却水循环泵，接通加热炉电源，设置程序使保温炉体202和样品升温至目标温度并保持稳定；

步骤四：试验加载力控制：加载之前对试验力数据清零；

先进行预加载：上工件与下工件之间的试验力保持在10N；

进行静态加载：上工件与下工件之间的试验力自动加载到设定值的范围内；

进行动态保持：上工件与下工件之间的试验力稳定维持在设定值的范围内；

步骤五：往复摩擦试验：

对摩擦力和磨损量进行数据清零，各种实验条件无误后，开启第一减速电机11，曲柄连杆机构12开始旋转往复运动，进行摩擦磨损测试；

步骤六：实验数据分析：

设备实时收集轮辐式力传感器36、S型力传感器16、拉线式位移传感器311和热传感器203的电学信号，并自动绘制曲线，计算摩擦力和磨损量与温度、试验力、行程之间的关系；

计算的原理为μ＝F/N，其中，μ为摩擦系数，F为摩擦力，N为实验加载力；

步骤七：高温摩擦磨损实验结束后，自动关闭第一减速电机11，手动释放试验力，自动关闭高温炉加热按钮，待高温炉冷却至室温后，手动关闭冷却水循环泵，手动释放实验力，取出下工件的试样和下工件的摩擦副，至此，完成了高温往复式摩擦磨损测试。

本实施方式的摩擦磨损实验装置的水平往复运动可以实现以下效果：

1、本发明的往复频率为0.01～0.5Hz，往复线速度0.01～20mm/s，往复行程0～40mm。竖直加载机构的最大试验力为500N，磨损量测量分辨率为0.001mm。

2、本发明的炉体内衬为氧化铝耐火材料，加热元件为碳化硅，可控温度为室温～1200℃，温差±1℃。

3、本发明的数据测试过程材料摩擦副的材料为高温合金或金属或陶瓷材料，规格为圆柱状

或矩形状26*20*3mm，试样材料为陶瓷材料，规格为圆柱状

或弹簧状外径11.5mm，内径7.7mm，长度20mm，但并不限制于此。

结合图1至图26说明本发明的工作原理：

结合图11-图15说明实施例1：

本实施例中，采用圆柱状陶瓷试样65，采用矩形片状摩擦副64，进行高温摩擦磨损测试。

上夹具夹持圆柱状试样65，下夹具夹持矩形片状摩擦副64，第一夹块61成对使用。第一夹块61材料为高温合金，设有三个圆柱形螺纹孔62，通过螺钉紧固方式与下夹具平台523连接。夹块I的高度大于矩形片状摩擦副64，夹块I与摩擦副64紧密接触的一侧设计有曲面凹槽63，凹槽在水平方向和竖直方向上对矩形片状摩擦副64均有压力，可以实现紧固连接。

具体步骤如下：

步骤一：调节偏心轴：松开可调节滑块122的紧固螺钉，对准刻度调节偏心轴的位置，使其偏心距离为2.5mm。

步骤二：安装试样和摩擦副：将水平往复机构1和竖直加载机构3分别复位。先安装上工件，将圆柱状试样65通过顶推螺丝紧固在上夹具51的深孔内，随后将上夹具51以顶推紧固的方式与加载杆39连接。其次，安装下工件，将矩形片状摩擦副64放置在一对夹块I中间，通过锁紧螺钉固定夹块并夹紧摩擦副64。安装好上工件和下工件后，放置上盖板201，随后将加载杆39和上夹具51送入炉体中合适位置，上工件与下工件相距1～2mm左右。

步骤三：炉体升温：打开冷却水循环泵4，接通加热炉电源，设置程序使保温炉体202和样品升温至1200℃，升温速率为10℃/min，保温时间2h

步骤四：试验加载力控制：炉温稳定在1200℃持续10min后，对试验力数据清零。先进行预加载，上工件与下工件之间的试验力保持在10N左右。进行静态加载，上工件与下工件之间的试验力自动加载到150N附近。进行动态保持，上工件与下工件之间的试验加载力维持在150N附近。

步骤五：往复摩擦试验测试：对摩擦力和磨损量进行数据清零。各种实验条件无误后，开启减速电机，频率为0.5Hz曲柄连杆开始旋转往复运动，线速度为5mm/s，进行摩擦磨损测试。

步骤六：试验数据分析：设备实时收集轮辐式力传感器36、S型力传感器16、拉线式位移传感器311和热传感器203的电学信号，并自动绘制曲线，计算摩擦力和磨损量与温度、试验力、行程之间的关系。计算的基本原理为μ＝F/150，其中μ为摩擦系数，F为摩擦力。

步骤七：取出试样：高温摩擦磨损实验结束后，自动关闭减速电机，自动关闭高温炉加热按钮。待高温炉冷却至室温后，手动关闭冷却水循环泵，手动释放实验力，取出试样和摩擦副。

结合图11至图14和图16说明实施例2：

本实施例中，采用圆柱状陶瓷试样65，采用矩形片状摩擦副64，进行高温摩擦磨损测试。

步骤一：调节偏心轴：松开可调节滑块122的紧固螺钉，对准刻度调节偏心轴的位置，使其偏心距离为2.5mm。

步骤二：安装试样和摩擦副：将水平往复机构1和竖直加载机构3分别复位。先安装上工件，将圆柱状试样65通过顶推螺丝紧固在上夹具51的深孔内，随后将上夹具51以顶推紧固的方式与加载杆39连接。其次，安装下工件，将矩形片状摩擦副64放置在一对夹块I中间，通过锁紧螺钉固定夹块并夹紧摩擦副64。安装好上工件和下工件后，放置上盖板201，随后将加载杆39和上夹具51送入炉体中合适位置，上工件与下工件相距1～2mm左右。

步骤三：炉体升温：测试条件为室温，不接通加热炉电源

步骤四：试验加载力控制：对试验力数据清零。先进行预加载，上工件与下工件之间的试验力保持在10N左右。进行静态加载，上工件与下工件之间的试验力自动加载到150N附近。进行动态保持，上工件与下工件之间的试验加载力维持在150N附近。

步骤五：往复摩擦试验测试：对摩擦力和磨损量进行数据清零。各种实验条件无误后，开启减速电机，频率为0.1Hz曲柄连杆开始旋转往复运动，线速度为1mm/s，进行摩擦磨损测试。

步骤六：试验数据分析：设备实时收集轮辐式力传感器36、S型力传感器16、拉线式位移传感器311和热传感器203的电学信号，并自动绘制曲线，计算摩擦力和磨损量与温度、试验力、行程之间的关系。计算的基本原理为μ＝F/150，其中μ为摩擦系数，F为摩擦力。

步骤七：取出试样：高温摩擦磨损实验结束后，自动关闭减速电机，自动关闭高温炉加热按钮。待高温炉冷却至室温后，手动关闭冷却水循环泵，手动释放实验力，取出试样和摩擦副。

结合图17至图20说明实施例3：

本实施例中，采用板状高温合金材料摩擦副75，采用弹簧状陶瓷材料试样74，进行高温摩擦磨损测试。

针对弹簧状试样设计出夹块II 71，可以测试弹簧状试样74的轴向摩擦磨损性能，其三视图及夹持方式如下：

上夹具夹持摩擦副75，下夹具夹持弹簧状试样74，夹块II成对使用。夹块II 71材料为高温合金，设有三个圆柱形螺纹孔72，通过螺钉紧固方式与下夹具平台523连接。夹块II的高度略大于弹簧状试样74的外径。夹块II与弹簧状试样74紧密接触的一侧设计有圆柱凸块73，凸块底紧挨夹块II，凸块顶朝外，凸块的直径与弹簧状试样74的内径相近。夹块II成对使用时，两个凸块底之间的距离小于弹簧状试样74的正常高度，两个凸块顶之间的距离小于弹簧状试样74压缩后的最小高度。凸块可以夹持弹簧并且防止弹簧弹出。

具体步骤如下：

步骤一：调节偏心轴：松开可调节滑块122的紧固螺钉，对准刻度调节偏心轴的位置，使其偏心距离为1.5mm。

步骤二：安装试样和摩擦副：将水平往复机构1和竖直加载机构3分别复位。先安装上工件，将摩擦副75通过顶推螺丝紧固在上夹具51的深孔内，随后将上夹具51以顶推紧固的方式与加载杆39连接。其次，安装下工件，将弹簧状试样74放置在一对夹块II 71中间，通过锁紧螺钉固定夹块并夹紧弹簧状试样74。安装好上工件和下工件后，放置上盖板201，随后将加载杆39和上夹具51送入炉体中合适位置，上工件与下工件相距1～2mm左右。

步骤三：炉体升温：打开冷却水循环泵4，接通加热炉电源，设置程序使保温炉体202和样品升温至200℃，升温速率为5℃/min，保温时间4h

步骤四：试验加载力控制：炉温稳定在200℃持续10min后，对试验力数据清零。先进行预加载，上工件与下工件之间的试验力保持在10N左右。进行静态加载，上工件与下工件之间的试验力自动加载到50N附近。进行动态保持，上工件与下工件之间的试验加载力维持在50N附近。

步骤五：往复摩擦试验测试：对摩擦力和磨损量进行数据清零。各种实验条件无误后，开启减速电机，频率为0.1Hz曲柄连杆开始旋转往复运动，线速度为0.6mm/s，进行摩擦磨损测试。

步骤六：试验数据分析：设备实时收集轮辐式力传感器36、S型力传感器16、拉线式位移传感器311和热传感器203的电学信号，并自动绘制曲线，计算摩擦力和磨损量与温度、试验力、行程之间的关系。计算的基本原理为μ＝F/50，其中μ为摩擦系数，F为摩擦力。

步骤七：取出试样：高温摩擦磨损实验结束后，自动关闭减速电机，自动关闭高温炉加热按钮。待高温炉冷却至室温后，手动关闭冷却水循环泵，手动释放实验力，取出试样和摩擦副。

结合图21至图25说明实施例4：

本实施例中，采用板状高温合金摩擦副75，采用弹簧状陶瓷试样74，进行高温摩擦磨损测试。

针对弹簧状试样设计出夹块III 81，可以测试弹簧状试样74的径向摩擦磨损性能，其三视图及夹持方式如下：

上夹具夹持摩擦副75，下夹具夹持弹簧状试样74，只使用一个夹块III。夹块III81材料为高温合金，设有四个圆柱形螺纹孔82，通过螺钉紧固方式与下夹具平台523连接。夹块III的高度大于弹簧状试样74的外径。夹块III中心位置挖有一正方形通孔83，其边长与弹簧状试样74的外径相同，辅助以高温，棉弹簧状试样74刚好可以在通孔中夹紧而不会左右摇动，并进行高温摩擦磨损测试。

具体步骤如下：

步骤一：调节偏心轴：松开可调节滑块122的紧固螺钉，对准刻度调节偏心轴的位置，使其偏心距离为2.5mm。

步骤二：安装试样和摩擦副：将水平往复机构1和竖直加载机构3分别复位。先安装上工件，将摩擦副75通过顶推螺丝紧固在上夹具51的深孔内，随后将上夹具51以顶推紧固的方式与加载杆39连接。其次，安装下工件，将弹簧状试样74放置在一对夹块III81中间，通过锁紧螺钉固定夹块并夹紧弹簧状试样74。安装好上工件和下工件后，放置上盖板201，随后将加载杆39和上夹具51送入炉体中合适位置，上工件与下工件相距1～2mm左右。

步骤三：炉体升温：打开冷却水循环泵4，接通加热炉电源，设置程序使保温炉体202和样品升温至100℃，升温速率为5℃/min，保温时间2h

步骤四：试验加载力控制：炉温稳定在100℃持续10min后，对试验力数据清零。先进行预加载，上工件与下工件之间的试验力保持在10N左右。进行静态加载，上工件与下工件之间的试验力自动加载到100N附近。进行动态保持，上工件与下工件之间的试验加载力维持在100N附近。

步骤五：往复摩擦试验测试：对摩擦力和磨损量进行数据清零。各种实验条件无误后，开启减速电机，频率为0.1Hz曲柄连杆开始旋转往复运动，线速度为1mm/s，进行摩擦磨损测试。

步骤六：试验数据分析：设备实时收集轮辐式力传感器36、S型力传感器16、拉线式位移传感器311和热传感器203的电学信号，并自动绘制曲线，计算摩擦力和磨损量与温度、试验力、行程之间的关系。计算的基本原理为μ＝F/100，其中μ为摩擦系数，F为摩擦力。

步骤七：取出试样：高温摩擦磨损实验结束后，自动关闭减速电机，自动关闭高温炉加热按钮。待高温炉冷却至室温后，手动关闭冷却水循环泵，手动释放实验力，取出试样和摩擦副。

实施例4测试结果

结合图26说明实施例5：

本实施例中，采用圆锥状陶瓷试样66，采用矩形片状摩擦副64，进行高温摩擦磨损测试。测试方法为点摩擦，测试图如下。

具体步骤如下：

步骤一：调节偏心轴：松开可调节滑块122的紧固螺钉，对准刻度调节偏心轴的位置，使其偏心距离为2mm。

步骤二：安装试样和摩擦副：将水平往复机构1和竖直加载机构3分别复位。先安装上工件，将圆锥状试样66通过顶推螺丝紧固在上夹具51的深孔内，随后将上夹具51以顶推紧固的方式与加载杆39连接。其次，安装下工件，将矩形片状摩擦副64放置在一对夹块I中间，通过锁紧螺钉固定夹块并夹紧摩擦副64。安装好上工件和下工件后，放置上盖板201，随后将加载杆39和上夹具51送入炉体中合适位置，上工件与下工件相距1～2mm左右。

步骤三：炉体升温：打开冷却水循环泵4，接通加热炉电源，设置程序使保温炉体202和样品升温至900℃，升温速率为10℃/min，保温时间5h

步骤四：试验加载力控制：炉温稳定在900℃持续10min后，对试验力数据清零。先进行预加载，上工件与下工件之间的试验力保持在10N左右。进行静态加载，上工件与下工件之间的试验力自动加载到200N附近。进行动态保持，上工件与下工件之间的试验加载力维持在200N附近。

步骤五：往复摩擦试验测试：对摩擦力和磨损量进行数据清零。各种实验条件无误后，开启减速电机，频率为0.25Hz曲柄连杆开始旋转往复运动，线速度为2mm/s，进行摩擦磨损测试。

步骤六：试验数据分析：设备实时收集轮辐式力传感器36、S型力传感器16、拉线式位移传感器311和热传感器203的电学信号，并自动绘制曲线，计算摩擦力和磨损量与温度、试验力、行程之间的关系。计算的基本原理为μ＝F/200，其中μ为摩擦系数，F为摩擦力。

步骤七：取出试样：高温摩擦磨损实验结束后，自动关闭减速电机，自动关闭高温炉加热按钮。待高温炉冷却至室温后，手动关闭冷却水循环泵，手动释放实验力，取出试样和摩擦副。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种高温往复式摩擦磨损测试设备，其特征在于：它包括壳体(6)、水平往复机构(1)、加热机构(2)、竖直加载机构(3)、水冷机构(4)和高温夹具(5)，

水平往复机构(1)水平安装在壳体(6)上，加热机构(2)内嵌在壳体(6)上，高温夹具(5)安装在加热机构(2)内，且水平往复机构(1)的端部与高温夹具(5)连接，并带动高温夹具(5)的下夹具(52)水平往复运动，竖直加载机构(3)位于高温夹具(5)的正上方，且竖直加载机构(3)的加载杆(39)夹持工件后向摩擦副施加压力，在水平往复机构(1)的协同作用下实现工件在摩擦副上的测试；

其中，高温夹具(5)包括上夹具(51)和下夹具(52)，上夹具(51)安装在加载杆(39)的端部，上夹具(51)上设有向上内凹的槽体用于夹持工件，下夹具(52)为内凹的槽形体，下夹具(52)位于加热机构(2)内。

2.根据权利要求1所述的一种高温往复式摩擦磨损测试设备，其特征在于：水平往复机构(1)包括第一减速电机(11)、曲柄连杆机构(12)、连杆接头导向滑块(13)、两个滑轨(14)、S型力传感器(16)、连杆件(17)和下夹具导向滑块(18)，

第一减速电机(11)与曲柄连杆机构(12)连接，连杆接头导向滑块(13)、S型力传感器(16)、连杆件(17)和下夹具导向滑块(18)依次与曲柄连杆机构(12)连接，且连杆接头导向滑块(13)和下夹具导向滑块(18)分别滑动安装在两个滑轨(14)上。

3.根据权利要求1或2所述的一种高温往复式摩擦磨损测试设备，其特征在于：曲柄连杆机构(12)包括曲柄(121)、可调节滑块(122)、偏心轴(123)和连杆(124)，偏心轴(123)转动安装在曲柄(121)的中心，可调节滑块(122)和连杆(124)的一端均安装在偏心轴(123)上，连杆(124)的另一端与连杆接头导向滑块(13)连接。

4.根据权利要求3所述的一种高温往复式摩擦磨损测试设备，其特征在于：加热机构(2)包括上盖板(201)、保温炉体(202)、热传感器(203)、加热元件热端(204)和加热元件冷端(205)，

保温炉体(202)为槽形炉体，热传感器(203)竖直穿设在保温炉体(202)的底部，加热元件热端(204)和加热元件冷端(205)分别穿过保温炉体(202)的底部并连接，上盖板(201)的内层设有氧化铝耐火材料，上盖板(201)位于保温炉体(202)的正上方，且保温炉体(202)与上盖板(201)之间留有间隙，上盖板(201)的中心加工有通孔。

5.根据权利要求4所述的一种高温往复式摩擦磨损测试设备，其特征在于：竖直加载机构(3)包括机架(30)、第二减速电机(31)、滚珠丝杠(32)、丝杠滑台(33)、承载板(34)、导向支座(35)、轮辐式力传感器(36)和加载杆(39)，

第二减速电机(31)安装在机架(30)的上端，滚珠丝杠(32)竖直安装在机架(30)内，且第二减速电机(31)的输出轴与滚珠丝杠(32)的上端连接，丝杠滑台(33)与滚珠丝杠(32)连接，承载板(34)安装在机架(30)的外部，承载板(34)与丝杠滑台(33)连接，轮辐式传感器(36)的受力端朝下并通过紧固螺纹孔(38)固定在支撑座(35)顶端，加载杆(39)的上部竖直穿过导向支座(35)的轴心和承载板(34)并向下延伸。

6.根据权利要求5所述的一种高温往复式摩擦磨损测试设备，其特征在于：水冷机构(4)包括外部水冷循环泵、水箱(44)、水冷管道(41)、第一水冷腔(42)和第二水冷腔(43)，

外部水冷循环泵与水箱(44)连接，第二水冷腔(43)和第一水冷腔(42)由上至下安装在加载杆(39)上，第二水冷腔(43)和第一水冷腔(42)之间通过水冷管道(41)连通，水箱(44)中的冷却水在外部水冷循环泵的作用下依次进入第一水冷腔(42)、水冷管道(41)和第二水冷腔(43)之后流出。

7.根据权利要求6所述的一种高温往复式摩擦磨损测试设备，其特征在于：上夹具(51)包括圆柱体和槽体，圆柱体位于槽体的上端并制成一体，圆柱体的外圆周表面上加工有顶推凹槽(513)，槽体上水平加工有第一顶锥螺纹孔(511)和第二顶锥螺纹孔(512)。

8.根据权利要求7所述的一种高温往复式摩擦磨损测试设备，其特征在于：下夹具(52)内凹的槽形体上设有下夹具臂(521)，所述下夹具臂(521)上开设有多个沉孔(522)，槽形体的底端面为下夹具平台(523)，下夹具平台(523)上加工有多个圆柱螺纹孔(524)。

9.根据权利要求8所述的一种高温往复式摩擦磨损测试设备，其特征在于：多个圆柱螺纹孔(524)以矩形阵列的方式开设。

10.一种采用权利要求1至9任意一项权利要求所述的一种高温往复式摩擦磨损测试设备的测试方法，其特征在于：它包括以下步骤：

步骤一：调节偏心轴：

松开可调节滑块(122)的紧固螺钉，对准刻度调节偏心轴(123)的位置；

步骤二：安装试样和摩擦副：

将水平往复机构(1)和竖直加载机构(3)分别复位；

步骤二一：先安装上工件，将样品或摩擦副通过顶推螺丝紧固在上夹具(51)的深孔内，随后将上夹具(51)以顶推紧固的方式与加载杆39连接；

步骤二二：安装下工件，将样品或摩擦副放置在一对夹块中间，通过锁紧螺钉固定夹块并夹紧样品或摩擦副；

步骤二三：调整各部件位置，使上夹具和上工件、下夹具和下工件以及加载杆39的竖直中心轴线保持重合；

步骤二四：放置上盖板(201)，随后将加载杆(39)和上夹具(51)送入炉体中合适位置，上工件与下工件相距1～2mm；

步骤三：炉体升温：

打开冷却水循环泵，接通加热炉电源，设置程序使保温炉体(202)和样品升温至目标温度并保持稳定；

步骤四：试验加载力控制：加载之前对试验力数据清零；

先进行预加载：上工件与下工件之间的试验力保持在10N；

进行静态加载：上工件与下工件之间的试验力自动加载到设定值的范围内；

进行动态保持：上工件与下工件之间的试验力稳定维持在设定值的范围内；

步骤五：往复摩擦试验：

对摩擦力和磨损量进行数据清零，各种实验条件无误后，开启第一减速电机(11)，曲柄连杆机构(12)开始旋转往复运动，进行摩擦磨损测试；

步骤六：实验数据分析：

设备实时收集轮辐式力传感器(36)、S型力传感器(16)、拉线式位移传感器(311)和热传感器(203)的电学信号，并自动绘制曲线，计算摩擦力和磨损量与温度、试验力、行程之间的关系；

计算的原理为μ＝F/N，其中，μ为摩擦系数，F为摩擦力，N为实验加载力；

步骤七：高温摩擦磨损实验结束后，自动关闭第一减速电机(11)，自动关闭高温炉加热按钮，待高温炉冷却至室温后，手动关闭冷却水循环泵，手动释放实验力，取出下工件的试样和下工件的摩擦副，至此，完成了高温往复式摩擦磨损测试。

Images