CN117288622A - 高压氢气环境材料摩擦磨损试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料测试技术，旨在提供一种高压氢气环境材料摩擦磨损试验装置。该装置中摩擦磨损测试系统整体位于环境箱筒体的内部；其中，机座的底板将环境箱腔体分为上下两个腔体；底板上方安装了加载装置和试样台；驱动装置安装于底板的下方；其中步进电机的输出轴垂直向上穿过底板，其顶端通过传动装置连接滑动平台；试样台与传动装置之间设有用于获取摩擦力数值的载荷传感器，机座与加载装置之间设有用于获取竖直方向位移数据的位移传感器。本发明创新地采用内置于环境箱中的步进电机，能避免使用能够造成超高压差气体泄漏的动密封机构，极大地提升装置的试验压力上限；通过在试样加热台内嵌微型电加热器，可实现宽温域范围内的精准测试结果。

Description

高压氢气环境材料摩擦磨损试验装置

技术领域

本发明属于材料测试技术领域，具体涉及机器或结构部件的动平衡的测试，特别是涉及一种高压氢气环境材料摩擦磨损试验装置。

背景技术

氢能作为一种绿色、高效的二次能源，被认为是未来能源体系的重要组成部分，将在促进可再生能源规模化、促进终端用户低碳化方面发挥重要作用。目前氢能储输系统主要采用高压储输技术，阀门、动密封件、轴承、压缩机活塞等运动部件直接与高压氢气接触，且面临摩擦磨损问题。这些设备最高工作压力可达137.9MPa，工作温度一般在-40℃~85℃，压缩机由于气体压缩升温，最高温度可达200℃。这些零部件的摩擦磨损特性受到温度、压力、氢气介质等多种因素的影响，直接影响其性能及使用寿命。已有研究表明，高压氢气环境下材料的摩擦磨损性能不同于空气。因此，需开展不同摩擦工况条件下涉氢零部件材料的摩擦磨损实验，深入了解氢环境下材料摩擦磨损机制，为涉氢零部件的应用提供理论和技术支持。

目前，能用于高压氢气环境的摩擦磨损试验装置极少。一些通用的摩擦磨损试验装置可以控制试验气体环境，但通常没有考虑氢气环境下的适用性，且压力较低。如MFT-5000多功能摩擦磨损试验装置，配有环境腔，可控制试验环境的温度、压力、湿度、气体介质等，但气体介质仅限于惰性气体，且压力最高只能达到200psi，不适用于高压氢气环境下的摩擦磨损试验。一些研究机构专门研制了用于高压氢气环境下的摩擦磨损试验装置。如美国西北太平洋国家实验室开发的高压氢气环境下往复式摩擦磨损试验装置，可在高压氢气环境下开展非金属材料的摩擦磨损试验。但该试验机无法控制试验温度，且最高试验压力34MPa，无法满足目前氢能高压储输的需求。

此外，现有文献记载的试验装置还存在以下不足：

（1）多数摩擦磨损试验装置是将驱动摩擦头或试验台进行往复移动的电机外置于环境箱的外部，电机转轴部位为旋转动密封，这就导致无法提高环境箱内部压力上限，否则容易出现电机转轴密封部位的氢气泄漏问题。因此，这也是现有摩擦磨损试验装置的试验压力不能满足高压试验需求的主要原因。

（2）有摩擦试验机采用磁力联轴器，通过磁力耦合将电机轴的旋转传入环境箱内，避免了电机轴与环境箱间动密封泄漏问题。但磁力联轴器需使用隔离套分隔内外转子，为保证传动效率，隔离套壁厚有限，承压能力有限，无法满足较高的测试压力。此外，由于通过磁力耦合连接，磁力联轴器正反转切换较慢，且切换时内外转子不同步，难以精确控制内转子的位置，因此无法直接用于往复式摩擦试验。

（3）由于运动过程产生摩擦热的原因，各类设备的相关零部件在实际运行过程中，其温度往往是要高于腔体内气体温度的。虽然研究人员在进行高压氢气环境的摩擦磨损试验对试验环境的温度通常会提出控温设计，但目前公开文献能够见到的做法均只采用在环境箱中增加换热管、环境箱外增加换热夹套等做法，这样最多也只能让试样达到环境箱内气体的温度；而测试设备的摩擦头是无法让整个试样产生与测试环境之间的温差的，所以目前的测试技术实际上并没有考虑到运行过程中摩擦升温造成的材料性能影响。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种高压氢气环境材料摩擦磨损试验装置，用于开展高压力、宽温域氢气环境下的往复式摩擦磨损试验。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种高压氢气环境材料摩擦磨损试验装置，包括环境箱、气体增压及置换系统、摩擦磨损测试系统和上位计算机（1）；环境箱包括位于底部的环境箱端盖（12），以及一端开口的环境箱筒体（21），两者通过螺栓紧固安装；所述摩擦磨损测试系统整体位于环境箱筒体（21）的内部，包括机座、加载装置、试样台、驱动装置、传动装置、载荷传感器（60）和位移传感器（48）；其中，

机座包括支撑杆（17）、底板（24）和侧板（23），底板（24）将环境箱腔体分为上下两个腔体；支撑杆（17）将底板（24）与环境箱端盖（24）固定连接；侧板（23）固定在底板（24）上方，且与底板（24）配合用于安装加载装置和试样台；

加载装置包括砝码座（41）和球试样夹具（40）；球试样夹具（40）位于砝码座（41）下方，两者为螺纹连接；砝码座（41）连接滑块（43），后者与固定在侧板（23）上的竖直导轨（44）配合，使加载装置能在竖直方向运动；

试样台包括滑动平台（34）、隔热垫（35）、加热台（36）和压盖（38）；滑动平台（34）底部连接有滑块（33），用于与固定于底板（24）上的水平导轨（32）配合，使试样台能在水平方向上运动；加热台（36）固定于滑动平台（34）上方，两者之间由隔热垫（35）隔开；试样置于加热台（36）上方，压盖（38）置于试样上表面并与加热台（36）连接以夹紧试样；压盖38上设开孔用于露出试样上表面，使试样能与球试样夹具（40）中的球试样（39）接触；

驱动装置包括步进电机（14），通过电机支架（15）和L形板（16）安装于底板（24）的下方；步进电机（14）的输出轴垂直向上穿过底板（24），其顶端通过传动装置连接滑动平台（34）；

传动装置包括Z形板（53）、一对锥齿轮（57、58）和水平放置的滚珠丝杠（54）；滚珠丝杠（54）由两个支座（56、59）支撑在底板（24）上方，其一端套装丝杠螺母（55），另一端固定连接锥齿轮（58）；锥齿轮（58）与固定于电机输出轴的锥齿轮（57）配合，将电机输出轴的旋转运动转为丝杠螺母（55）的线性运动；Z形板（53）一端连接丝杠螺母（55），另一端连接滑动平台（34）；丝杠螺母（55）的线性运动能带动滑动平台（34）进行线性运动，进而使试样与球试样（39）因为相对位移而产生摩擦；

载荷传感器（60）安装在Z形板（53）与滑动平台（34）之间，用于获取摩擦力的数值；位移传感器（48）安装在砝码座（41）与侧板（23）之间，用于获取加载装置在竖直方向的位移数据以测量磨损深度。

作为一种优选的方案，所述环境箱筒体（21）的外壁包围设置夹套（20），夹套（20）上设有进液口（28）和出液口（22），分别通过管路连接制冷加热机（8）；在环境箱端盖（12）上设有进出气口（31）和引线口（30）。

作为一种优选的方案，在气体增压及置换系统的输气主管上设有压力变送器（9），在环境箱筒体（21）的上下两个腔体中分别设置温度传感器（13、19）；所述上位计算机通过信号线分别连接增压泵（4）、真空泵（6）、步进电机（14）、压力变送器（9）、温度传感器（13、19）、载荷传感器（60）和位移传感器（48）。

作为一种优选的方案，所述气体增压及置换系统包括气瓶组、增压泵（4）、真空泵（6）和放空阀（5），气瓶组通过输气主管依次连接增压泵（4）和环境箱端盖（24）的进出气口（31）。

作为一种优选的方案，在输气主管上还设有多路支路管线，分别接至真空泵（6）、放空阀（5）和安全阀（11）；在真空泵（6）所处支路管线上设有真空表（7），在输气主管或其它支路管线上设有压力表（10）。

作为一种优选的方案，在环境箱筒体（21）的内部嵌套安装一个套筒（18），其顶部的开口端以隔热板（25）封堵，底部的开口端落座于环境箱端盖（12）的上表面；所述底板（24）是直径略小于环境箱筒体（21）内径的圆形板，其下缘落座在套筒（18）的顶部；所述驱动装置位于套筒（18）内。

作为一种优选的方案，在底板（24）的外缘设有橡胶密封环，将环境箱腔体分为上下两个互不连通的腔体；环境箱端盖（12）上的进出气口（31）通过独立管道连接至上侧腔体，步进电机（14）的输出轴与底板（24）之间设有气密机构；在环境箱端盖（12）上设有惰性气体进出气口，用于向下侧腔体中充注惰性气体，并保持与上侧腔体大致相同的压力。

作为一种优选的方案，在加热台（36）上方设有凹槽，用于放置试样；在压盖（38）的中间开有长圆孔，用于穿过球试样夹具（40）中的球试样（39）；压盖（38）通过四角上的螺栓与加热台（36）固定连接。

作为一种优选的方案，在加热台（36）的内部嵌装一个微型电加热器（61），通过线缆连接至温控开关和电源；在加热台（36）放置试样的位置设有温度传感器，并通过信号线连接至上位计算机。

作为一种优选的方案，在砝码座（41）上固定有一个向上的圆柱杆（50），在侧板（23）上通过连接板固定另一个向上的圆柱杆（49），两个圆柱杆同轴竖向布置；位移传感器（48）的两端分别卡在上下两个圆柱上，用于测量加载装置相对于试样在竖直方向的位移。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、本发明创新地采用内置于环境箱中的步进电机，由于不需要在高压环境箱开孔用于穿过电机输出轴，因此可以避免使用能够造成超高压差气体泄漏的动密封机构。在简化设备结构的同时，能够极大地提升装置的试验压力上限。经实际测试，该装置可提供稳定的高压氢气试验环境，最高压力可达140MPa。

2、本发明创新地在试样加热台内嵌微型电加热器，通过局部加热可实现试样从-60℃到200℃宽温域范围内的温度控制；更重要的是，能够将试样加热与环境箱中氢气环境温度进行分离，进一步控制试样在高于氢气环境温度的条件下进行测试，更贴合实际应用场景中设备使用状态下的磨损条件；从而避免误差，获得更为精准的测试结果。

3、本发明进一步采用带橡胶密封环的底板，能将环境箱腔体分为上下两个互不连通的腔体；在试验过程中，分别在上下侧的腔体中通入氢气和惰性气体，并保持大致相同的压力。由于底板两侧压力相同或相近，只需简单的密封方式就能够杜绝氢气泄漏至下侧腔体中，而惰性气体的使用进一步能够起到保护作用。因此，本发明的装置能够避免步进电机与高压氢气直接接触，避免了氢气对电机的腐蚀，提高了设备寿命。

4、本发明通过在环境箱夹套通入换热介质，实现氢气环境的整体换热，以该方式模拟实际应用场景中设备内腔气体的温度条件，为精确测量创造条件。

5、本发明采用步进电机提供动力，可方便控制试验的往复运动速度、行程等参数。

附图说明

图1为本发明的系统总体示意图。

图2为本发明的环境箱结构示意图。

图3为本发明的摩擦磨损测试系统上半部分结构示意图。

图4为本发明的摩擦磨损测试系统上半部分另一视角结构示意图。

图5为本发明的加热台示意图。

附图标记说明：1-上位计算机、2-氢气瓶、3-氩气瓶、4-增压泵、5-放空阀、6-真空泵、7-真空表、8-制冷加热机、9-压力变送器、10-压力表、11-安全阀、12-环境箱端盖、13-温度传感器a、14-步进电机、15-电机支座、16-L形板、17-支撑杆、18-套筒、19-温度传感器b、20-夹套、21-环境箱筒体、22-出液口、23-侧板、24-底板、25-隔热板、26-输出轴、27-联轴器、28-进液口、29-螺栓、30-引线口、31-进出气口、32-水平导轨、33-滑块、34-滑动平台、35-隔热垫、36-加热台、37-盘试样、38-压盖、39-球试样、40-球试样夹具、41-砝码座、42-砝码、43-滑块、44-竖直导轨、45-连接板a、46-连接板b、47-固定环a、48-位移传感器、49-圆柱a、50-圆柱a、51-固定环b、52-连接板c、53-Z形板、54-滚珠丝杠、55-丝杠螺母、56-支座a、57-锥齿轮a、58-锥齿轮b、59-支座b、60-载荷传感器、61-微型加热器、62-温度传感器c。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

本发明的高压氢气环境材料摩擦磨损试验装置，其结构如图1-5所示。该装置包括环境箱、气体增压及置换系统、摩擦磨损测试系统和上位计算机1。

环境箱包括位于底部的环境箱端盖12，以及一端开口的环境箱筒体21，两者通过螺栓紧固安装。环境箱筒体21的外壁包围设置夹套20，夹套20上设有进液口28和出液口22，分别通过管路连接制冷加热机8；在环境箱端盖12上设有进出气口31和引线口30。在环境箱筒体21的内部嵌套安装一个套筒18，其顶部的开口端以隔热板25封堵，底部的开口端落座于环境箱端盖12的上表面；底板24是直径略小于环境箱筒体21内径的圆形板，其下缘落座在套筒18的顶部。

摩擦磨损测试系统整体位于环境箱筒体21的内部，包括机座、加载装置、试样台、驱动装置和传动装置，其中：

机座包括支撑杆17、底板24和侧板23，底板24将环境箱腔体分为上下两个腔体；支撑杆17将底板24与环境箱端盖24固定连接；侧板23固定在底板24上方，且与底板24配合用于安装加载装置和试样台；

加载装置包括砝码座41和球试样夹具40；球试样夹具40位于砝码座41下方，两者为螺纹连接；砝码座41连接滑块43，后者与固定在侧板23上的竖直导轨44配合，使加载装置能在竖直方向运动。在砝码座41上固定有一个向上的圆柱杆50，在侧板23上通过连接板固定另一个向上的圆柱杆49，两个圆柱杆同轴竖向布置；位移传感器48的两端分别卡在上下两个圆柱上，用于测量加载装置相对于试样在竖直方向的位移。

试样台包括滑动平台34、隔热垫35、加热台36和压盖38；滑动平台34底部连接有滑块33，用于与固定于底板24上的水平导轨32配合，使试样台能在水平方向上运动；加热台36固定于滑动平台34上方，两者之间由隔热垫35隔开；试样置于加热台36上方，压盖38置于试样上表面并与加热台36连接以夹紧试样；压盖38上设开孔用于露出试样上表面，使试样能与球试样夹具40中的球试样39接触；在加热台36上方设有凹槽，用于放置试样；在压盖38的中间开有长圆孔，用于穿过球试样夹具40中的球试样39；压盖38通过四角上的螺栓与加热台36固定连接。在加热台36的内部嵌装一个微型电加热器61，通过线缆连接至温控开关和电源；在加热台36放置试样的位置设有温度传感器，并通过信号线连接至上位计算机1。

驱动装置位于套筒18内，包括一个步进电机14，通过电机支架15和L形板16安装于底板24的下方。步进电机14的输出轴垂直向上穿过底板24，其顶端通过传动装置连接滑动平台34。传动装置包括Z形板53、一对锥齿轮57、58和水平放置的滚珠丝杠54；滚珠丝杠54由两个支座56、59支撑在底板24上方，其一端套装丝杠螺母55，另一端固定连接锥齿轮58；锥齿轮58与固定于电机输出轴的锥齿轮57配合，将电机输出轴的旋转运动转为丝杠螺母55的线性运动；Z形板53一端连接丝杠螺母55，另一端连接滑动平台34；丝杠螺母55的线性运动能带动滑动平台34进行线性运动，进而使试样与球试样39因为相对位移而产生摩擦。载荷传感器60安装在Z形板53与滑动平台34之间，用于获取摩擦力的数值；位移传感器48安装在砝码座41与侧板23之间，用于获取加载装置在竖直方向的位移数据以测量磨损深度。

如果步进电机14的选型为非耐氢产品，可以按下述方式进行设置：在底板24的外缘设有橡胶密封环，将环境箱腔体分为上下两个互不连通的腔体；环境箱端盖12上的进出气口31通过独立管道连接至上侧腔体，步进电机14的输出轴与底板24之间设有气密机构；在环境箱端盖12上设有惰性气体进出气口，用于向下侧腔体中充注惰性气体，并保持与上侧腔体大致相同的压力。

气体增压及置换系统包括气瓶组、增压泵4、真空泵6和放空阀5，气瓶组通过输气主管依次连接增压泵4和环境箱端盖24的进出气口31。在输气主管上还设有多路支路管线，分别接至真空泵6、放空阀5和安全阀11；在真空泵6所处支路管线上设有真空表7，在输气主管或其它支路管线上设有压力表10。在与气瓶组相连的输气主管或支线管路上设有压力变送器9，在环境箱筒体21的上下两个腔体中分别设置温度传感器13、19。

上位计算机通过信号线分别连接增压泵4、真空泵6、步进电机14、压力变送器9、温度传感器13、19、载荷传感器60和位移传感器48。

更为具体的实施例内容描述：

如图1所示，所述增压及置换系统包括氢气瓶2，氩气瓶3，增压泵4，真空泵6和对应的阀门、高压管路；环境箱端盖12底部的进出气口30连接进出气管线，氢气瓶2和氩气瓶3通过增压泵4连接到进出气管线上，用于给环境箱内充入高压气体，或者用氩气瓶3置换环境箱内残余的空气或氢气；真空泵通过真空管路连接到进出气管线，且真空管线上接有真空表7，用于给环境箱及管路系统抽真空；进出气管路上还接有压力变送器9，压力表10和安全阀11，用于环境箱的压力监测及超压保护；进出气管路一端接有放空阀5，用于环境箱及管路系统泄压。

如图2所示，所述环境箱系统主要包括环境箱端盖12、环境箱筒体21、夹套20、制冷加热机8；环境箱端盖12底部开有进出气口31和用于线缆引出的引线口30；夹套20位于环境箱筒体21外侧，上下分别开有进液口28和出液口22，分别与制冷加热机8的进出液管路连接，通过制冷加热机8的换热介质，可控制环境箱内整体的温度；环境箱内上下分别设有温度传感器13和19，用于监控环境箱内的温度。

所述摩擦磨损测试系统主要包括机座、试样台、加载装置、驱动装置、传动装置、载荷传感器60、位移传感器48。

如图2所示，摩擦磨损测试系统位于环境箱内部，所述机座包括支撑杆17、底板24、隔热板25、侧板23、套筒18；若干个支撑杆17下端固定在环境箱端盖12上，上端连接底板24；侧板23固定于底板24上方；隔热板25通过螺栓固定在底板24下方；所述底板24与隔热板25呈圆形，外径略小于环境箱筒体21的内径，将环境箱内部分为上下两部分；套筒18为圆筒状，装在底板下方，将底板和端盖间的空间包裹在内；通过隔热板25与套筒18，将底板下方空间和上方空间隔开，并减少两者间的传热。

如图3所示，所述试样台包括滑动平台34、隔热垫35、加热台36、压盖38；滑动平台34底部连接有滑块33，与固定在底板24上的水平导轨32配合，可使滑动平台在水平方向运动；加热台36通过螺栓连接在滑动平台34上方，且两者之间有一隔热垫35，用于减少加热台36与滑动平台34间的传热；盘试样37置于加热台36上表面，且上方装有压盖38；压盖38上表面开长圆孔，仅露出盘试样37上表面与球试样39接触部分，并通过螺栓连接在加热台36上，将盘试样37压紧。所述加载装置包括砝码座41、球试样夹具40、砝码42；砝码座41背面连接有滑块43，与固定在侧板23上的竖直导轨44配合，可在竖直方向线性运动；砝码42上开有通孔，可通过螺栓固定在砝码座41上；球试样夹具40连接在砝码座41下方，正对盘试样37，利用整个加载装置的重力将球试样39压紧在盘试样37上。圆柱a49通过固定环a47、连接板b46、连接板a45与侧板23连接；圆柱b50通过固定环b51、连接板c52与砝码座41连接；位移传感器48两端分别与圆柱a49和圆柱b50连接，用于测量加载装置在竖直方向的位移。

如图2和图4所示，所述驱动装置包括步进电机14，电机支架15，L形板16，联轴器27，输出轴26，锥齿轮a57；步进电机14通过电机支架15和L形板16，固定在隔热板25下方；输出轴26为竖直方向，下端通过联轴器27与步进电机14的输出轴连接，上端穿过隔热板25和底板24，连接锥齿轮a57。

如图4所示，所述传动装置包括丝杠54、丝杠螺母55、Z形板53、锥齿轮58；丝杠54通过支座a56和支座b59，连接在底板24上，丝杠呈水平方向，与水平导轨32平行；Z形板53一端连接丝杠螺母55，另一端通过载荷传感器60连接到滑动平台34上；锥齿轮b58固定在丝杠54的一端，并与固定在输出轴26上的锥齿轮57配合；当步进电机14运行时，锥齿轮57和58转动，并通过丝杠54转为丝杠螺母55的线性运动，进而通过Z形板53和载荷传感器60，带动试样台进行线性运动。

如图5所示，所述加热台36上表面有圆形凹槽，方便安装盘试样37时定位；加热台内装有微型加热器61，用于给试样加热；加热台36的凹槽表面装有温度传感器c62，用于监测盘试样37的温度。

上位计算机1分别与增压泵4、真空泵6、制冷加热机8、微型加热器61、步进电机14连接，可以通过内置的软件程序进行设备的控制；上位计算机1还通过信号线与压力变送器9、载荷传感器60、位移传感器48、温度传感器a13、温度传感器b19、温度传感器c62连接，用于数据采集记录。

利用该高压氢气环境材料摩擦磨损试验装置进行测试的基本步骤如下：

（1）分离环境箱筒体21与环境箱端盖12，将盘试样37安装在加热台35上，球试样39安装在球试样夹具40上，将砝码42装在砝码座41上。

（2）将环境箱筒体21与环境箱端盖12合拢，拧紧螺栓29；用真空泵6将环境箱及管路内部抽真空，待真空表7数值达到要求后关闭真空泵6；开启氢气瓶2（或氩气瓶3），向环境箱内充气到一定压力后，关闭氢气瓶2并通过放空阀5排气；如此进行若干次气体置换，使环境箱内充满高纯气体。

（3）根据试验温度要求，开启制冷加热机8（和/或微型加热器61），当温度传感器c62示数到达设定温度后，开启增压泵4，对环境箱内增压，直至压力变送器9示数达到设定压力并保持稳定，同时温度传感器c62也维持在设定温度。

（5）通过上位计算机1设定步进电机14的运行参数并开启，通过传动装置带动试样台做匀速往复运动，试验过程中位移传感器48实时测量磨损深度，载荷传感器60实时测量摩擦力，并通过上位计算机1采集记录。试验过程由上位计算机1控制，当达到设定的往复运动次数后，步进电机14停止。

（6）关闭制冷加热机8（和/或微型加热器61），通过放空阀5使环境箱缓慢泄压，泄压完成后开启氩气瓶3，充入一定压力氩气后，泄压至大气压，以置换环境箱内残余的氢气。拆除螺栓29，分离环境箱筒体21与环境箱端盖12，取出试样。

以上例子仅为本发明的一个具体实施例，并非对本发明做出任何形式上的限制。凡是未脱离本发明技术方案的内容，根据本发明的技术实质对以上实施案例做出的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明的技术方案内。

Claims (10)

1.一种高压氢气环境材料摩擦磨损试验装置，包括环境箱、气体增压及置换系统、摩擦磨损测试系统和上位计算机（1）；其特征在于，环境箱包括位于底部的环境箱端盖（12），以及一端开口的环境箱筒体（21），两者通过螺栓紧固安装；所述摩擦磨损测试系统整体位于环境箱筒体（21）的内部，包括机座、加载装置、试样台、驱动装置、传动装置、载荷传感器（60）和位移传感器（48）；其中，

机座包括支撑杆（17）、底板（24）和侧板（23），底板（24）将环境箱腔体分为上下两个腔体；支撑杆（17）将底板（24）与环境箱端盖（24）固定连接；侧板（23）固定在底板（24）上方，且与底板（24）配合用于安装加载装置和试样台；

加载装置包括砝码座（41）和球试样夹具（40）；球试样夹具（40）位于砝码座（41）下方，两者为螺纹连接；砝码座（41）连接滑块（43），后者与固定在侧板（23）上的竖直导轨（44）配合，使加载装置能在竖直方向运动；

试样台包括滑动平台（34）、隔热垫（35）、加热台（36）和压盖（38）；滑动平台（34）底部连接有滑块（33），用于与固定于底板（24）上的水平导轨（32）配合，使试样台能在水平方向上运动；加热台（36）固定于滑动平台（34）上方，两者之间由隔热垫（35）隔开；试样置于加热台（36）上方，压盖（38）置于试样上表面并与加热台（36）连接以夹紧试样；压盖38上设开孔用于露出试样上表面，使试样能与球试样夹具（40）中的球试样（39）接触；

驱动装置包括步进电机（14），通过电机支架（15）和L形板（16）安装于底板（24）的下方；步进电机（14）的输出轴垂直向上穿过底板（24），其顶端通过传动装置连接滑动平台（34）；

传动装置包括Z形板（53）、一对锥齿轮（57、58）和水平放置的滚珠丝杠（54）；滚珠丝杠（54）由两个支座（56、59）支撑在底板（24）上方，其一端套装丝杠螺母（55），另一端固定连接锥齿轮（58）；锥齿轮（58）与固定于电机输出轴的锥齿轮（57）配合，将电机输出轴的旋转运动转为丝杠螺母（55）的线性运动；Z形板（53）一端连接丝杠螺母（55），另一端连接滑动平台（34）；丝杠螺母（55）的线性运动能带动滑动平台（34）进行线性运动，进而使试样与球试样（39）因为相对位移而产生摩擦；

载荷传感器（60）安装在Z形板（53）与滑动平台（34）之间，用于获取摩擦力的数值；位移传感器（48）安装在砝码座（41）与侧板（23）之间，用于获取加载装置在竖直方向的位移数据以测量磨损深度。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述环境箱筒体（21）的外壁包围设置夹套（20），夹套（20）上设有进液口（28）和出液口（22），分别通过管路连接制冷加热机（8）；在环境箱端盖（12）上设有进出气口（31）和引线口（30）。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在气体增压及置换系统的输气主管上设有压力变送器（9），在环境箱筒体（21）的上下两个腔体中分别设置温度传感器（13、19）；所述上位计算机通过信号线分别连接增压泵（4）、真空泵（6）、步进电机（14）、压力变送器（9）、温度传感器（13、19）、载荷传感器（60）和位移传感器（48）。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气体增压及置换系统包括气瓶组、增压泵（4）、真空泵（6）和放空阀（5），气瓶组通过输气主管依次连接增压泵（4）和环境箱端盖（24）的进出气口（31）。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，在输气主管上还设有多路支路管线，分别接至真空泵（6）、放空阀（5）和安全阀（11）；在真空泵（6）所处支路管线上设有真空表（7），在输气主管或其它支路管线上设有压力表（10）。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在环境箱筒体（21）的内部嵌套安装一个套筒（18），其顶部的开口端以隔热板（25）封堵，底部的开口端落座于环境箱端盖（12）的上表面；所述底板（24）是直径略小于环境箱筒体（21）内径的圆形板，其下缘落座在套筒（18）的顶部；所述驱动装置位于套筒（18）内。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，在底板（24）的外缘设有橡胶密封环，将环境箱腔体分为上下两个互不连通的腔体；环境箱端盖（12）上的进出气口（31）通过独立管道连接至上侧腔体，步进电机（14）的输出轴与底板（24）之间设有气密机构；在环境箱端盖（12）上设有惰性气体进出气口，用于向下侧腔体中充注惰性气体，并保持与上侧腔体大致相同的压力。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在加热台（36）上方设有凹槽，用于放置试样；在压盖（38）的中间开有长圆孔，用于穿过球试样夹具（40）中的球试样（39）；压盖（38）通过四角上的螺栓与加热台（36）固定连接。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在加热台（36）的内部嵌装一个微型电加热器（61），通过线缆连接至温控开关和电源；在加热台（36）放置试样的位置设有温度传感器，并通过信号线连接至上位计算机。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在砝码座（41）上固定有一个向上的圆柱杆（50），在侧板（23）上通过连接板固定另一个向上的圆柱杆（49），两个圆柱杆同轴竖向布置；位移传感器（48）的两端分别卡在上下两个圆柱上，用于测量加载装置相对于试样在竖直方向的位移。