CN117347209A - 一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机，包括试验装置、铅铋管路、熔化釜加热保温层、熔化装置、釜盖提升装置、试验釜加热保温层、直线电机、液位计、气路控制系统、伺服电机、试验台架、釜盖和管板试样夹持装置。本发明采用上述一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机，解决现有的试验设备难以进行高频的微动试验，实验温度不能达到600℃，位移幅值、法向载荷和温度的控制精度不高，实验过程中无法对位移幅值和法向载荷进行反馈调节，难以保证设备长久运行的稳定性，无法对铅铋环境中微动腐蚀行为进行充分研究的问题。

Description

一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机

技术领域

本发明涉及高温铅铋环境的微小运动试验技术领域，尤其是涉及一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机。

背景技术

核能发电设备中，传热管的失效形式一种是一回路中冷却剂的腐蚀作用，另一种是二回路下由于流致振动导致的传热管与支撑板/防振条之间的微动磨损，致使管壁减薄爆裂。铅冷快堆作为第四代核能核反应堆的主要堆型之一，使用铅铋共晶合金(LBE)作反应堆的冷却剂，具备低熔点高沸点等诸多优势，但其苛刻的工作环境也为传热管的安全服役带来挑战。因此铅铋环境中的微动磨损损伤调查、评估和预测对于铅冷快堆的安全和经济相关问题具有重要意义。

然而，目前国内外学者针对铅铋环境中的核用钢的微动磨损损伤研究较少，研究内容主要以核用钢材料在铅铋环境中的腐蚀问题和在普通环境中(空气以及水环境中)的微动磨损问题为主。德国M.Del Giacco等人设计了一种可用于液态铅环境的微动磨损试验设备，但是该装置难以进行高频的微动试验，且实验温度不能达到600℃。国内西北工业大学进行了高温铅铋环境的微动磨损试验，但是位移幅值和载荷分别为80μm和60N，温度同样无法达到600℃，且无法对位移幅值和法向载荷进行反馈调节，难以保证设备长久运行的稳定性，无法对铅铋环境中微动腐蚀行为进行充分研究。

因此，急需设计研发一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机，用于探究换热管在铅铋环境中的微动腐蚀问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机，解决现有的试验设备难以进行高频的微动试验，且实验温度不能达到600℃，且位移幅值、加载频率、载荷和温度的控制精度低，无法对位移幅值和法向载荷进行反馈调节，难以保证设备长久运行的稳定性，无法对铅铋环境中微动腐蚀行为进行充分研究的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机，包括试验装置、铅铋管路、熔化釜加热保温层、熔化装置、釜盖提升装置、试验釜加热保温层、直线电机、液位计、气路控制系统、伺服电机、试验台架、釜盖和管板试样夹持装置。

优选的，所述试验装置包括试验釜、大轴套、小轴套、波纹管拉杆、位移传感器、力传感器、直线轴承一、滚动轴承、黄铜垫片、若干螺栓、电机端轴承配合件、轴销、卡簧、连接框、不锈钢支撑棒和固定圆环；所述试验釜的外部间隔90°焊接四个大轴套，所述大轴套内部设有冷水腔，外部接冷水管道，所述直线轴承一安装在大轴套中与大轴套同轴，所述波纹管拉杆包括拉杆轴套、波纹管和拉杆，所述波纹管装在拉杆轴套内，所述拉杆穿过波纹管，所述波纹管一端焊接在拉杆轴套的内端面上，其另一端焊接在拉杆上，所述拉杆轴套与大轴套之间安装黄铜垫片，使用螺栓紧密连接拉杆轴套和大轴套；所述电机端轴承配合件分别安装在靠近直线电机和伺服电机一侧的拉杆上下两侧，所述滚动轴承安装在电机端轴承配合件上，插入轴销，将卡簧固定在下方滚动轴承的端面，所述力传感器分别连接在靠近直线电机和伺服电机一侧的拉杆端部，所述连接框一端均布螺纹孔，其另一端中心位置设有长孔，所述连接框的螺纹孔端与力传感器连接，所述连接框长孔端分别与直线电机和伺服电机连接，所述小轴套内部也设有冷水腔，外部也接有冷水管道，小轴套分别与远离直线电机和伺服电机的波纹管拉杆连接，所述位移传感器内置于小轴套中，所述试验釜设有进气口、出气口、冷却水通道。

优选的，所述试验釜下方用四根不锈钢支撑棒焊接固定圆环，固定圆环外侧均布螺纹孔，下方设有冷却水腔，所述试验釜放置于试验台架上，固定圆环内嵌于试验台架，通过螺钉固定，所述不锈钢支撑棒和试验釜外壁均包裹试验釜加热保温层，所述试验釜加热保温层内镶嵌电阻丝。

优选的，所述熔化装置包括熔化釜、熔化釜加热保温层、隔热垫、液位计、冷却水接口和气体进出口，所述液位计安装在熔化釜内壁釜口处，所述冷却水接口与气体进出口均设置在熔化釜釜口处，熔化釜釜底处同样设置冷却水接口，所述熔化釜安装在试验台架中，所述熔化釜外侧设有熔化釜加热保温层。

优选的，所述釜盖提升装置包括电动推杆、推杆连接板、顶板、立柱、导向轴、提升杆、提升板、直线轴承二和销轴，所述电动推杆连接在推杆连接板上，所述立柱与导向轴分别位于电动推杆的两侧，固定在推杆连接板上，所述直线轴承二固定在提升板上，所述立柱与导向轴分别穿过提升板，所述顶板固定在立柱与导向轴的上方，所述提升杆一端固定在提升板上，其另一端与釜盖连接。

优选的，所述釜盖包括熔化釜釜盖和试验釜釜盖，所述熔化釜釜盖包括釜盖主体、釜盖焊接件、隔板、挡水板、密封垫圈，所述釜盖主体上均布八个贯穿孔，用于与釜盖主体螺栓连接，圆心位置设有螺栓孔，用于与釜盖提升装置的提升杆连接，内圈设有冷水腔，所述挡水板固定在冷水腔中，釜盖主体上的进水口与出水口分别位于挡水板的两侧，所述密封垫圈安放在冷水腔上，所述釜盖焊接件上均布四个通孔，分别与釜盖主体上的四个螺纹孔对齐，所述隔板通过螺栓与釜盖主体连接。

优选的，所述液位计包括液位控制盒、陶瓷封装电极、液位转接口、若干液位陶瓷管、固定件和圆杆接杆；所述液位控制盒上设有指示灯，所述液位控制盒安装在圆杆接杆上，所述圆杆接杆固定在试验台架上，若干所述液位陶瓷管长度不同，内部插入测量电极，安装在熔化釜内和试验釜釜盖上，所述陶瓷封装电极内置于液位转接口中。

优选的，所述气路控制系统包括管路安装面板、若干带支架球阀、若干穿板弯管、若干直管、若干单向阀、若干三通接头一、若干四通接头和若干安全阀；所述管路安装面板分为两块区域，左边部分为试验釜气路控制区域，右边部分为熔化釜气路控制区域，每部分共有四个带支架球阀，分别控制进气、出气、抽真空和泄压。

优选的，所述铅铋管路包括熔化釜下管道、试验釜下管道、钢管、弯头、三通接头二、卸料阀和中间截止阀；所述卸料阀和中间截止阀使用钢管连接，所述钢管表面包裹加热电阻丝，所述试验釜下管道与熔化釜下管道通过弯头和三通接头二与钢管连接。

优选的，所述管板试样夹持装置包括管试样夹具支架、管试样定位块、若干管试样六角螺母、若干圆柱头螺钉、半圆柱固定块、板试样夹具支架、转动块、活动销轴、若干沉头螺栓、若干板试样六角螺母、管式样和板试样；所述板试样夹具支架与管试样夹具支架的安装方向呈90°，所述管试样、半圆柱固定块与管试样定位块配合，通过圆柱头螺钉连接，所述管试样夹具支架整体呈U型，所述管试样定位块放置于管试样夹具支架底部，通过圆柱头螺钉和管试样六角螺母实现紧固连接，所述板试样夹具支架整体呈T型，板试样夹具支架下端两侧设有销轴孔，所述转动块通过活动销轴与板试样夹具支架连接。

本发明所述的一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机的优点和积极效果是：

1、本发明使用直线电机作为水平横向振源，具有零反向间隙的特点，可正反向运动，响应速度快，可提供较高的加速度，最高可达10G，位移幅值可达100μm，载荷可达100N，作为一种具有宽频带、高响应、无反向间隙、高效节能的直驱系统，非常适合做精确控制的动态振动系统。

2、本发明试验装置由试验釜、加热保温层、波纹拉杆等部分组成，铅铋管道、截止阀等控制铅铋合金传输，温控系统主要功能是为试验釜、熔化釜、管路及阀门提供加热、保温及相关的温度控制，温控系统对试验釜进行两段式温度独立控制，以减小试验釜内上下区域的温差，试验釜最高试验温度可达600℃。

3、本发明管板试样夹持装置方便试样拆卸，减小热变形带来的系统误差。

4、本发明位移传感器与力传感器可以保持恒定的采集速率和分辨率，支持传感器线性修正功能，切向的位移传感器监测的位移数据可反馈给直线电机，使得直线电机自动修正，法向的位移传感器可在试验过程中自动调节试样间的距离，保持所加载的力不变，设备使用低摩擦密封，可以准确的测量试样间摩擦力。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明试验机装置整体示意图；

图2为本发明试验装置示意图，其中A为试验装置整体示意图，B为试验装置部分剖视图；

图3为本发明熔化装置示意图；其中A为熔化釜正视图，B为熔化釜整体示意图，C为熔化釜剖视图；

图4为本发明釜盖提升装置示意图，其中A为釜盖提升装置正视图，B为釜盖提升装置整体示意图；

图5为本发明试验釜釜盖示意图，其中A为釜盖俯视图，B为釜盖整体示意图，C为釜盖正视图；

图6为本发明液位计示意图，其中A为液位控制盒示意图，B为液位转接口示意图，C为固定件示意图；

图7为本发明气路控制系统示意图，其中A为单向阀示意图，B为直管示意图，C为管路安装面板示意图；

图8为本发明铅铋管路示意图；

图9为本发明管板试样夹持装置示意图；

图10为本发明管式样、管试样夹持方式示意图，其中A为管试样、半圆柱固定块与管试样定位块爆炸图，B为管试样夹具支架示意图，C为管式样和管试样夹具支架安装示意图；

图11为本发明板试样、板试样夹持方式示意图，其中A为板试样夹具支架示意图，B为板式样示意图，C为板试样六角螺母示意图。

附图标记

1、试验装置；101、试验釜；1011、进气口；1012、出气口；1013、冷却水通道；102、大轴套；103、小轴套；104、波纹管拉杆；1041、拉杆轴套；1042、波纹管；1043、拉杆；105、位移传感器；106、力传感器；107、直线轴承一；108、滚动轴承；109、黄铜垫片；110、电机端轴承配合件；111、轴销；112、连接框；113、不锈钢支撑棒；114、固定圆环；2、铅铋管路；201、熔化釜下管道；202、试验釜下管道；203、钢管；204、弯头；205、卸料阀；206、中间截止阀；3、熔化釜加热保温层；4、熔化装置；401、熔化釜；5、釜盖提升装置；501、电动推杆；502、推杆连接板；503、顶板；504、立柱；505、导向轴；506、提升杆；507、提升板；508、直线轴承二；6、试验釜加热保温层；7、直线电机；8、液位计；801、液位控制盒；802、陶瓷封装电极；803、液位转接口；804、液位陶瓷管；805、固定件；806、圆杆接杆；9、气路控制系统；901、管路安装面板；902、带支架球阀；903、穿板弯管；904、支管；905、单向阀；906、三通接头一；907、四通接头；908、安全阀；10、伺服电机；11、试验台架；12、釜盖；1201、釜盖主体；1202、釜盖焊接件；1203、隔板；1204、挡水板；1205、密封垫圈；13、管板试样夹持装置；1301、板试样夹具支架；1302、管试样夹具支架；1303、管试样定位块；1304、管试样六角螺母；1305、圆柱头螺钉；1306、半圆柱固定块；1307、转动块；1308、活动销轴；1309、沉头螺栓；1310、板试样六角螺母；1311、管试样；1312、板试样；14、热电偶套筒。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例

如图1所示，一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机，包括试验装置1、铅铋管路2、熔化釜加热保温层3、熔化装置4、釜盖提升装置5、试验釜加热保温层6、直线电机7、液位计8、气路控制系统9、伺服电机10、试验台架11、釜盖12和管板试样夹持装置13。

如图2所示，试验装置1包括试验釜101、大轴套102、小轴套103、波纹管拉杆104、位移传感器105、力传感器106、直线轴承一107、滚动轴承108、黄铜垫片109、若干螺栓、电机端轴承配合件110、轴销111、卡簧、连接框112、不锈钢支撑杆113和固定圆环114；试验釜101的外部间隔90°焊接四个大轴套102，大轴套102内部设有冷水腔，外部接冷水管道，直线轴承一107安装在大轴套102中与大轴套102同轴，波纹管拉杆104包括拉杆轴套1041、波纹管1042和拉杆1043，波纹管1042装在拉杆轴套1041内，拉杆1043穿过波纹管1042，波纹管1042一端焊接在拉杆轴套1041的内端面上，其另一端焊接在拉杆1043上，拉杆1043穿过波纹管1042和拉杆轴套1041，为整个装置起到低摩擦密封作用，可以准确的测量试样间摩擦力。

拉杆轴套1041与大轴套102之间安装黄铜垫片109，起到密封作用，使用螺栓紧密连接拉杆轴套1041和大轴套102；电机端轴承配合件110分别安装在靠近直线电机7和伺服电机10一侧的拉杆1043上下两侧，滚动轴承108安装在电机端轴承配合件110上，插入轴销111，将卡簧固定在下方滚动轴承108的端面，力传感器106分别连接在靠近直线电机7和伺服电机10一侧的拉杆1043端部，连接框112一端均布螺纹孔，其另一端中心位置设有长孔，连接框112的螺纹孔端与力传感器106连接，连接框112长孔端分别与直线电机7和伺服电机10连接。

切向为位移加载与法向为力加载，试验釜101连接四个水平放置的波纹管1042，相互垂直90度，切向和法向上靠近电机一端均连接力传感器106，另一端均连接位移传感器105，法向连接伺服电机10，提供试验所需的法向力；切向连接直线电机7，提供试验所需的往复直线运动。

切向的位移传感器105监测的位移数据可反馈给直线电机7，使得直线电机7自动修正，法向的位移传感器105可在试验过程中自动调节试样间的距离，保持所加载的力不变。

当试验釜101加热时，松开连接框112与直线电机7和伺服电机10的连接，为试验釜101热变形提供空间；当温度稳定后，再将连接框112与直线电机7和伺服电机10连接，进行后续试验；当温度下降阶段，再次松开连接框112与直线电机7和伺服电机10的连接，为试验釜101冷却收缩提供变形空间，避免试验釜101的热胀冷缩对直线电机7和伺服电机10产生过大的拉力和压力。小轴套103内部也设有冷水腔，外部也接有冷水管道，小轴套103分别与远离直线电机7和伺服电机10的波纹管拉杆104连接，位移传感器105内置于小轴套103中，试验釜101设有进气口1011、出气口1012、冷却水通道1013，用于改变试验釜101内的气体环境以及避免釜外高温烫伤操作人员。

试验釜101的釜口处均布8个螺纹孔，设置了冷水腔，釜口处有冷却水进出口和气体进出口，试验釜101下方用四根不锈钢支撑棒113焊接固定圆环114，固定圆环114外侧均布螺纹孔，下方设有冷却水腔，试验釜101放置于试验台架11上，固定圆环114内嵌于试验台架11，通过螺钉固定，不锈钢支撑棒113和试验釜101外壁均包裹试验釜加热保温层6，试验釜加热保温层6内镶嵌电阻丝，为试验釜101提供加热源，试验釜加热保温层6的下方也设有隔热垫，避免过高的温度传到试验台架11上。

如图3所示，熔化装置4包括熔化釜401、熔化釜加热保温层3、隔热垫、液位计8、冷却水接口和气体进出口，液位计8安装在熔化釜401内壁釜口处，冷却水接口与气体进出口均设置在熔化釜401釜口处，熔化釜401釜底处同样设置冷却水接口，釜口与釜底设有冷水腔，熔化釜401底部结构与试验釜101类似，安装在试验台架11中，熔化釜401外侧设有熔化釜加热保温层3。

如图4所示，釜盖提升装置5包括电动推杆501、推杆连接板502、顶板503、立柱504、导向轴505、提升杆506、提升板507、直线轴承二508和销轴，电动推杆501连接在推杆连接板502上，立柱504与导向轴505分别位于电动推杆501的两侧，固定在推杆连接板502上，直线轴承二508固定在提升板507上，立柱504与导向轴505分别穿过提升板507，顶板503固定在立柱504与导向轴505的上方，提升杆506一端固定在提升板507上，其另一端与釜盖12连接，实现对釜盖12的提升与下降。

如图5所示，釜盖12包括熔化釜釜盖和试验釜釜盖，熔化釜釜盖包括釜盖主体1201、釜盖焊接件1202、隔板1203、挡水板1204、密封垫圈1205，釜盖主体1201上均布八个贯穿孔，用于与熔化釜和试验釜螺栓连接，圆心位置设有螺栓孔，用于与釜盖提升装置5的提升杆506连接，内圈设有冷水腔，挡水板1204固定在冷水腔中，釜盖主体1201上的进水口与出水口分别位于挡水板1204的两侧，密封垫圈1205安放在冷水腔下，避免冷却水外溢。釜盖焊接件1202与釜盖主体1201焊接，形成完整的釜盖12。釜盖焊接件1202上均布四个通孔，分别与釜盖主体1201上的四个螺纹孔对齐，隔板1203通过螺栓与釜盖主体1201连接，主要为了阻止熔融铅铋溅到釜盖12上。试验釜釜盖与熔化釜釜盖结构类似，但是试验釜釜盖上多了两个通孔，用于安装液位计8与热电偶。试验釜釜盖上连接热电偶套筒14和液位计8装置，两个热电偶内置于热电偶套筒14中，当熔融铅铋从熔化釜进入试验釜后，液位计可以探测到液态金属的液位，并在液位计8面板上亮灯提示。两个热电偶可在试验釜进行两段式温度独立控制，以减小试验釜内上下区域的温差，试验釜101最高试验温度可达600℃。

如图6所示，液位计8包括液位控制盒801、陶瓷封装电极802、液位转接口803、若干液位陶瓷管804、固定件805和圆杆接杆806；液位控制盒801上设有指示灯，指示灯分别提示试验釜101与熔化釜401内的熔融铅铋所在液位，具体的为低液位、中间液位、试验液位(足量液位)、报警液位、卸料阀205泄露和中间截止阀206泄露，低液位为试验釜101和熔化釜401釜底液位，中间液位为试验釜101内管式样底部位置液位和熔化釜401中间位置液位，试验液位(足量液位)为试验釜101内管式样上端位置液位和熔化釜401最大容量位置处液位，报警液位为试验釜101波纹管拉杆104处的液位与熔化釜401气体进出口位置的液位，卸料阀205泄露与中间截止阀206泄露分别为卸料阀205与中间截止阀206位置处的液位检测。液位控制盒801安装在圆杆接杆806上，圆杆接杆806固定在试验台架11上，若干液位陶瓷管804长度不同，内部插入测量电极，安装在熔化釜401内和试验釜101釜盖12上，陶瓷封装电极802内置于液位转接口803中。液位陶瓷管804可避免熔融铅铋粘附在测量电极上，电极测量位置对应液位控制盒801上的指示灯。

液位计分为检测部分和显示部分，检测部分包括陶瓷封装电极802、液位转接口803、若干液位陶瓷管804、固定件805，显示部分包括液位控制盒801和圆杆接杆806，试验釜釜盖和熔化釜釜口处均设有液位计检测部分，两者的液位计检测部分共用一个液位计显示部分。

如图7所示，气路控制系统9包括管路安装面板901、若干带支架球阀902、若干穿板弯管903、若干直管904、若干单向阀905、若干三通接头一906、若干四通接头907和若干安全阀908；管路安装面板901分为两块区域，左边部分为试验釜101气路控制区域，右边部分为熔化釜401气路控制区域，每部分共有四个带支架球阀902，分别控制进气、出气、抽真空和泄压。此处控制泄压的带支架球阀902保持常开，使用穿板弯管903和直管904连接安全阀908，设定安全值为0.2MPa，当釜内压力超过0.2MPa时可自动卸除多余压力。控制出气的带支架球阀902通过三通接头一906和单向阀905连接试验釜101与熔化釜401的出气口。控制进气的带支架球阀902通过三通接头一906连接试验釜101与熔化釜401的进气口以及气瓶。控制抽真空的带支架球阀902通过三通接头一906和四通接头907连接真空泵与气压表。若干直管904用于连接不同的阀门与接头。

如图8所示，铅铋管路包括熔化釜下管道201、试验釜下管道202、钢管203、弯头204、三通接头二、卸料阀205和中间截止阀206；卸料阀205和中间截止阀206使用316L钢管203连接，由于高温熔融铅铋具有腐蚀性，316L材料抗腐蚀性能较好。钢管203表面包裹加热电阻丝，试验釜下管道202与熔化釜下管道201通过弯头204和三通接头二与钢管203连接。

如图1所示，温度控制系统包括试验釜加热保温层6、熔化釜加热保温层3和若干热电偶装置，主要功能是为试验釜101、熔化釜401、铅铋管路2提供保温加热控制，热电偶装置布置在试验釜101与熔化釜401内以及铅铋管路2外部，通过温控仪表控制，对试验釜101进行两端式温度控制，热电偶在管式样1311的上下两端分别布置了一个，便于反馈试样周围的温度从而更好的调节试验釜101上下区域的温差。

如图9所示，管板试样夹持装置13的板试样夹具支架1301沿切向方向做高频往复运动，管试样夹具支架1302沿法向方向做单向力加载运动两者组合安装在试验釜101内。管板试样夹持装置13包括管试样夹具支架1302、管试样定位块1303、若干管试样六角螺母1304、若干圆柱头螺钉1305、半圆柱固定块1306、板试样夹具支架1301、转动块1307、活动销轴1308、若干沉头螺栓1309、若干板试样六角螺母1310、管式样1311和板试样1312；板试样夹具支架1301与管试样夹具支架1302的安装方向呈90°，管试样1311、半圆柱固定块1306与管试样定位块1303配合，通过圆柱头螺钉1305连接，管试样夹具支架1302整体呈U型，管试样定位块1303放置于管试样夹具支架1302底部，通过圆柱头螺钉1305和管试样六角螺母1304实现紧固连接，板试样夹具支架1301整体呈T型，板试样夹具支架1301下端两侧设有销轴孔，转动块1307通过活动销轴1308与板试样夹具支架1301连接。

如图10所示，管试样1311的管壁设有圆孔，圆孔位于管试样1311的1/2高度处。管试样1311安装时先将半圆柱固定块1306内置于管试样1311中，两者高度一致，1/2高度处设有螺纹孔。管试样定位块1303与管试样1311高度同样一致，1/2高度处有通孔，顶部有两个大小一致的通孔，管试样1311、半圆柱固定块1306与管试样定位块1303配合，1/2高度处的圆孔位置对齐后通过圆柱头螺钉1305连接。管试样夹具支架1302整体呈U型，U型底部有两个通孔，安装试样侧有两个凹槽，目的在于减少管试样定位块1303与管试样夹具支架1302的接触面积，避免高温液态铅铋渗入间隙中造成拆卸的困难。管试样定位块1303放置于U型底部，通过圆柱头螺钉1305和管试样六角螺母实现紧固连接；管式样夹具支架1302两端分别具有两个通孔，通孔下方为方形凹槽，该方形凹槽用于与拉杆1043连接，通过螺栓紧固的方式将管试样夹具支架1302与拉杆1043固定。

如图11所示，板试样夹具支架1301整体呈T型，板试样夹具支架1301下端两侧有销轴孔，转动块1307可使用活动销轴1308与板试样夹具支架1301连接，实现转动块1307的转动，实现试样接触的自动调节。试样夹具支架1301的上部两端各具有两个通孔，通孔下方为一方形凹槽，该凹槽用于与拉杆1043配合，通过螺栓紧固的方式将板试样夹具支架1301与拉杆1043固定。转动块1307中间厚度减薄，减少热变形，中心位置有四个大小一致的通孔，板试样1312上四个顶角位置均布四个沉头锥顶角为90°的沉头孔，安装在转动块1307的中间位置，使用沉头螺栓1309与板试样六角螺母1310固定连接。管试样1311与板试样1312均安装在夹具的底部，避免整个夹具支架浸泡在熔融铅铋中。

一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机的试验步骤如下：

(1)在熔化釜401中放入铅铋块状材料，关闭釜盖12，通入惰性气体排除釜内的空气；

(2)设定熔化釜401的温度为220℃将铅铋熔化；

(3)在试验釜101内安装管试样1311与板试样1312，保持两者之间的距离大于2mm，关闭釜盖12；

(4)打开真空泵对试验釜101进行抽真空，随后通入氮气与氧气的混合气体，釜内保持微正压状态；

(5)设定温度参数为350℃开始升温，升温前松开直线电机7、伺服电机10与连接框112的连接，避免因试验釜101的热胀冷缩对电机与传感器造成过大的扭力；

(6)温度稳定后，打开熔化釜401与试验釜101之间的中间截止阀206，通过液位计8判断熔融铅铋是否浸没试样，液位到达后关闭中间截止阀206；

(7)温度再次稳定后，将试验釜101与电机通过连接框112进行紧密连接；

(8)通过电脑端输入微动参数，进行空载阶段的切向内摩擦力测试，每次测试循环周次为1000次，当切向内摩擦力数值稳定后开始调整板试样1312的位置，保证两个试样刚好接触；

(9)启动实验，实验过程实时记录摩擦系数，切向摩擦力的变化；

(10)实验结束后再次打开中间截止阀206，让试验釜101内的铅铋回流至熔化釜401，停止降温，待试验釜101温度降至室温后取出实验样品，停止实验。

(11)重复(3)到(10)步骤，调节参数进行下一组参数实验。

一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机的切向方向与法向的参数如下：

(1)作用轴方向：切向方向(X轴)、法向(Y轴)

(2)切向方向相关参数

a)切向方向推拉力测量精度：±0.5％

b)切向方向频率范围：50Hz

c)切向波形：正弦波

d)切向方向位移控制精度：±0.001mm

(3)法向相关参数

a)法向载荷控制精度：静态±1％，动态±2％

b)传感器HAPL-5000N及精度：±0.05％

c)传感器温度使用范围：常温

d)法向位移控制精度：±0.001mm

e)法向频率范围：最大1Hz

f)法向功能要求：恒载荷、三角波、正弦波

微动腐蚀磨损试验机在实验过程中需要确保试验机本身的内摩擦保持稳定，且力传感器106测量试样对摩过程中的摩擦力。如表1所示为常温空载时切向内摩擦力数据，表2所示为350℃空载时内摩擦力数据。从表中数据看出原始数据与平均值之间的差异十分小。

表1常温空载时切向方向内摩擦力数据

表2 350℃空载时切向方向内摩擦力数据

在设备配套的软件界面设置了法向恒力自动调整一栏，可在试验过程中显示法向恒力自动调整次数，调整方向和调整速度，保证试验中的加载力为恒定值。同时软件中显示轴向釜外推拉位移S1X和轴向釜内位移S2X的采集值、振幅、最大值和最小值，其中轴向釜外推拉位移S1X为直线电机位移，轴向釜内位移S2X为位移传感器测量位移，试验过程中，S2X会向S1X实时反馈数值，实现轴向位移的适时调整。

本发明试验机目前已对部分试验方案进行测试，部分试验方案如表3所示，可达到对应工况3，600℃的有效摩擦系数为0.7左右，对应工况4的有效摩擦系数为1.1左右。本装置可达到的最大法向载荷和位移幅值不仅限于实验方案中提及到的。

表3试验方案

因此，本发明采用上述一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机，使用直线电机作为水平横向振源，具有零反向间隙的特点，可正反向运动，响应速度快，可提供较高的加速度，最高可达10G，位移幅值可达100μm，载荷可达100N，作为一种具有宽频带、高响应、无反向间隙、高效节能的直驱系统，非常适合做精确控制的动态振动系统；试验装置由试验釜、加热保温层、波纹拉杆等部分组成，铅铋管道、截止阀等控制铅铋合金传输，温控系统主要功能是为试验釜、熔化釜、管路及阀门提供加热、保温及相关的温度控制，温控系统对试验釜进行两段式温度独立控制，以减小试验釜内上下区域的温差，试验釜最高试验温度可达600℃；管板试样夹持装置方便试样拆卸，减小热变形带来的系统误差；位移传感器与力传感器可以保持恒定的采集速率和分辨率，支持传感器线性修正功能，切向的位移传感器监测的位移数据可反馈给直线电机，使得直线电机自动修正，法向的位移传感器可在试验过程中自动调节试样间的距离，保持所加载的力不变，设备使用低摩擦密封，可以准确的测量试样间摩擦力。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机，其特征在于：包括试验装置、铅铋管路、熔化釜加热保温层、熔化装置、釜盖提升装置、试验釜加热保温层、直线电机、液位计、气路控制系统、伺服电机、试验台架、釜盖和管板试样夹持装置。

2.根据权利要求1所述的一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机，其特征在于：所述试验装置包括试验釜、大轴套、小轴套、波纹管拉杆、位移传感器、力传感器、直线轴承一、滚动轴承、黄铜垫片、若干螺栓、电机端轴承配合件、轴销、卡簧、连接框、不锈钢支撑棒和固定圆环；所述试验釜的外部间隔90°焊接四个大轴套，所述大轴套内部设有冷水腔，外部接冷水管道，所述直线轴承一安装在大轴套中与大轴套同轴，所述波纹管拉杆包括拉杆轴套、波纹管和拉杆，所述波纹管装在拉杆轴套内，所述拉杆穿过波纹管，所述波纹管一端焊接在拉杆轴套的内端面上，其另一端焊接在拉杆上，所述拉杆轴套与大轴套之间安装黄铜垫片，使用螺栓紧密连接拉杆轴套和大轴套；所述电机端轴承配合件分别安装在靠近直线电机和伺服电机一侧的拉杆上下两侧，所述滚动轴承安装在电机端轴承配合件上，插入轴销，将卡簧固定在下方滚动轴承的端面，所述力传感器分别连接在靠近直线电机和伺服电机一侧的拉杆端部，所述连接框一端均布螺纹孔，其另一端中心位置设有长孔，所述连接框的螺纹孔端与力传感器连接，所述连接框长孔端分别与直线电机和伺服电机连接，所述小轴套内部也设有冷水腔，外部也接有冷水管道，小轴套分别与远离直线电机和伺服电机的波纹管拉杆连接，所述位移传感器内置于小轴套中，所述试验釜设有进气口、出气口、冷却水通道。

3.根据权利要求2所述的一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机，其特征在于：所述试验釜下方用四根不锈钢支撑棒焊接固定圆环，固定圆环外侧均布螺纹孔，下方设有冷却水腔，所述试验釜放置于试验台架上，固定圆环内嵌于试验台架，通过螺钉固定，所述不锈钢支撑棒和试验釜外壁均包裹试验釜加热保温层，所述试验釜加热保温层内镶嵌电阻丝。

4.根据权利要求1所述的一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机，其特征在于：所述熔化装置包括熔化釜、熔化釜加热保温层、隔热垫、液位计、冷却水接口和气体进出口，所述液位计安装在熔化釜内壁釜口处，所述冷却水接口与气体进出口均设置在熔化釜釜口处，熔化釜釜底处同样设置冷却水接口，所述熔化釜安装在试验台架中，所述熔化釜外侧设有熔化釜加热保温层。

5.根据权利要求1所述的一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机，其特征在于：所述釜盖提升装置包括电动推杆、推杆连接板、顶板、立柱、导向轴、提升杆、提升板、直线轴承二和销轴，所述电动推杆连接在推杆连接板上，所述立柱与导向轴分别位于电动推杆的两侧，固定在推杆连接板上，所述直线轴承二固定在提升板上，所述立柱与导向轴分别穿过提升板，所述顶板固定在立柱与导向轴的上方，所述提升杆一端固定在提升板上，其另一端与釜盖连接。

6.根据权利要求1所述的一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机，其特征在于：所述釜盖包括熔化釜釜盖和试验釜釜盖，所述熔化釜釜盖包括釜盖主体、釜盖焊接件、隔板、挡水板、密封垫圈，所述釜盖主体上均布八个贯穿孔，用于与熔化釜螺栓连接，圆心位置设有螺栓孔，用于与釜盖提升装置的提升杆连接，内圈设有冷水腔，所述挡水板固定在冷水腔中，釜盖主体上的进水口与出水口分别位于挡水板的两侧，所述密封垫圈安放在冷水腔上，所述釜盖焊接件上均布四个通孔，分别与釜盖主体上的四个螺纹孔对齐，所述隔板通过螺栓与釜盖主体连接。

7.根据权利要求1所述的一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机，其特征在于：所述液位计包括液位控制盒、陶瓷封装电极、液位转接口、若干液位陶瓷管、固定件和圆杆接杆；所述液位控制盒上设有指示灯，所述液位控制盒安装在圆杆接杆上，所述圆杆接杆固定在试验台架上，若干所述液位陶瓷管长度不同，内部插入测量电极，安装在熔化釜内和试验釜釜盖上，所述陶瓷封装电极内置于液位转接口中。

8.根据权利要求1所述的一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机，其特征在于：所述气路控制系统包括管路安装面板、若干带支架球阀、若干穿板弯管、若干直管、若干单向阀、若干三通接头一、若干四通接头和若干安全阀；所述管路安装面板分为两块区域，左边部分为试验釜气路控制区域，右边部分为熔化釜气路控制区域，每部分共有四个带支架球阀，分别控制进气、出气、抽真空和泄压。

9.根据权利要求1所述的一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机，其特征在于：所述铅铋管路包括熔化釜下管道、试验釜下管道、钢管、弯头、三通接头二、卸料阀和中间截止阀；所述卸料阀和中间截止阀使用钢管连接，所述钢管表面包裹加热电阻丝，所述试验釜下管道与熔化釜下管道通过弯头和三通接头二与钢管连接。

10.根据权利要求1所述的一种适用于高温铅铋环境的微动腐蚀磨损试验机，其特征在于：所述管板试样夹持装置包括管试样夹具支架、管试样定位块、若干管试样六角螺母、若干圆柱头螺钉、半圆柱固定块、板试样夹具支架、转动块、活动销轴、若干沉头螺栓、若干板试样六角螺母、管式样和板试样；所述板试样夹具支架与管试样夹具支架的安装方向呈90°，所述管试样、半圆柱固定块与管试样定位块配合，通过圆柱头螺钉连接，所述管试样夹具支架整体呈U型，所述管试样定位块放置于管试样夹具支架底部，通过圆柱头螺钉和管试样六角螺母实现紧固连接，所述板试样夹具支架整体呈T型，板试样夹具支架下端两侧设有销轴孔，所述转动块通过活动销轴与板试样夹具支架连接。