CN214539069U - 一种超高温水氧环境摩擦磨损测试系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种超高温水氧环境摩擦磨损测试系统，包括氧气源、氩气源、蒸汽发生器、摩擦磨损测试设备、温度控制系统和计算机控制系统，该系统模拟了航空航天装备中热端滑动部件的高温水氧服役环境，可以用于超高温（≥1400℃）水氧环境、以及最大加载1000 N、摩擦线速度0.02~100 mm/s下材料的摩擦磨损性能测试，通过获得材料在热‑力‑摩擦‑水氧环境多因素耦合作用下的摩擦磨损行为，掌握材料性能的失效演化规律，为材料的主动设计和实际应用提供可靠数据。该测试系统对驱动高可靠长寿命高温固体润滑材料的研发，以及推动我国润滑技术与高端装备的持续发展具有重要意义。

Description

一种超高温水氧环境摩擦磨损测试系统

技术领域

本实用新型涉及超高温摩擦性能测试技术领域，尤其涉及一种超高温水氧环境摩擦磨损测试系统。

背景技术

摩擦与润滑是机械运动部件的共性问题，从空间机械到地面装备，从微型机械到航空母舰，只要存在机械运动，无不涉及摩擦与润滑问题。润滑材料的可靠性和稳定性已成为确保高端装备机械系统安全、高效、稳定运行的关键。其中，高温固体润滑材料广泛应用于航空发动机轴承及其传动系统、导弹全燃气伺服机构、火箭发动机推力室等核心装置的关键热端部件中。随着新一代装备的发展，部分滑动部件的服役温度已超过1400℃，甚至高达1600 ℃以上，且服役环境同时涉及水氧气氛、高载、高速等多因素交互环境，上述苛刻条件对固体润滑材料的性能提出了更高的要求。据悉，国外如美国NASA、乌克兰国家科学院等单位已开发出新型超高温耐磨陶瓷基自润滑材料，并在新一代验证机上获得应用。然而，我国在超高温耐磨陶瓷基自润滑材料方面的研究起步较晚，缺乏对此类材料的系统研究和基础应用数据。究其原因，除材料核心技术和工艺外，缺乏具有近服役工况模拟能力的摩擦磨损测试设备是限制材料性能提升和应用的关键。据调研，国内外公开销售的高温摩擦磨损试验设备的使用温度在1000℃左右，极限温度均低于1200 ℃，且无水氧气氛环境功能，严重制约了高性能陶瓷基自润滑材料的开发与应用。

实用新型内容

本实用新型的目的是基于以上所述，提供一种超高温水氧环境摩擦磨损测试系统，用于考察材料在热-力-摩擦-水氧环境多因素耦合作用下的服役性能和退化规律，进而为材料的性能提升和实际应用提供基础数据。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种超高温水氧环境摩擦磨损测试系统，包括氧气源、氩气源、蒸汽发生系统，其中，氧气源、氩气源、蒸汽发生系统出气口均与配气系统进气口相接；所述测试系统还包括摩擦磨损测试设备、温度控制系统和计算机控制系统；

所述摩擦磨损测试设备包括仪器底板，仪器底板上方设有Y轴直线平移导轨，Y轴直线平移导轨由手轮驱动；所述Y轴直线平移导轨上方设有支撑座，支撑座上方设有载样装置；所述载样装置包括底座，底座上设有直线导轨，直线导轨上设有滑块，滑块端部设有摩擦力传感器，滑块上方设有安装台，安装台上设有隔热块，隔热块顶部设有载样台，载样台顶部伸入加热炉内部，加热炉上方设有摩擦加载装置，摩擦加载装置上方设有载荷加载装置；

所述加热炉包括顶部开口的炉膛，炉膛一侧设有加热硅碳棒，炉膛中部设有水氧环境室，水氧环境室包括底板，底座上设有水氧混合气入口和载样台入口，底座顶部设有密封隔离罩，密封隔离罩顶部设有加载杆入口，炉膛顶部设有保温隔热盖板；动态配气仪混合气出口通过混合气通气管与水氧混合气入口连通，所述混合气通气管外周设有加热带；

所述摩擦加载装置包括往复运动台，往复运动台在底部X轴往复导轨的带动下往复运动，X轴往复导轨由往复运动电机驱动，往复运动台中部贯穿设置加载杆，加载杆外部设有加载杆滑套，加载杆伸出加载杆滑套部分穿过保温隔热盖板伸入加热炉、并与载样台相对；

所述载荷加载装置包括加载电机，加载电机通过联轴器与丝杆连接，丝杆底部设有光学高精度升降台，该光学高精度升降台上设有加载滑杆，加载滑杆底部设有载荷传感器，加载滑杆上载荷传感器上部设有限位直线导轨，载荷传感器底部设有加载压头，加载压头底部设有滚轮，滚轮底部伸出加载压头；

所述温度控制系统包括第一温控仪和第二温控仪，第一温控仪与第一温度传感器电连接，第一温度传感器设于加热炉内，用于检测和控制加热炉内温度，第二温控仪与第二温度传感器电连接，第二温度传感器设于混合气通气管进气口处，用于控制混合气预热温度。

所述计算机控制系统用于测试过程的人机交互，其输出端分别与温度控制系统、加载电机、往复运动电机电连接，计算机控制系统的输入端分别与摩擦力传感器、载荷传感器以及往复运动电机的驱动器电连接。

电连接。

作为本实用新型技术方案的优选，所述蒸汽发生系统为蒸汽发生仪，蒸汽发生仪与注射泵相接；所述动态配气仪包括氧气通路、氩气通路和水蒸气通路，氧气通路和氩气通路通过混合管道与混合罐连通，水蒸气通路直接与混合罐连通，所述混合罐上设有混合气出口和吹扫气出口；所述氧气通路和氩气通路上依次设有过滤器、电磁阀、流量控制器和止回阀，水蒸气通路上依次设有过滤器、电磁阀和止回阀。

所述加载滑杆外部设有滑套，滑套内加载滑杆顶部设有加载弹簧。

进一步地，所述丝杆设于安装架上，丝杆安装架与光学高精度升降台之间两端设有Z轴直线导轨。

所述混合气通气管包括螺纹接头、定位管和防尘管，螺纹接头与动态配气仪混合气出口相通，定位管和防尘管之间通过定位接口相通，防尘管顶端封闭，顶部设有侧出气口，防尘管通过该侧出气口与水氧混合气入口连通。

所述滑块与安装台之间设有传感器隔热水套。

所述X轴往复导轨底部设有导轨隔热水套。

所述仪器底板两侧设有龙门背板。

所述龙门背板外侧设有支撑肋板。

所述氧气源、氩气源、蒸汽发生系统出气口均设有减压阀。

本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型测试系统模拟了航空航天装备中热端滑动部件的高温水氧服役环境，可以用于超高温（≥1400℃）水氧环境，以及最大加载 1000 N、摩擦线速度0.02~100mm/s下材料摩擦磨损性能的测试，通过获得材料在热-力-摩擦-水氧环境多因素耦合作用下的摩擦磨损行为，掌握材料性能的失效演化规律，为材料的主动设计和实际应用提供可靠数据。该测试系统对驱动高可靠长寿命高温固体润滑材料的研发，以及推动我国润滑技术与高端装备的持续发展具有重要意义。

2、本实用新型测试系统中蒸汽发生系统与注射泵相接，通过控制注射泵中水的流量控制进入动态配气仪中水蒸气的量，从源头上解决现有动态配气仪通过流量控制器控制水蒸气比例存在的水蒸气比例不准确的问题；通过水蒸气吹扫水蒸气通路和混合罐，可以带走管道中残留的液体、杂质等，使通入的水汽体积更加精准。

3、现有载荷加载装置的加载滑杆与加载杆为刚性接触，使得加载杆与载样台之间也为刚性接触，容易损坏载样台，本实用新型通过滑套和加载弹簧的设置，将加载杆与载样台之间的接触方式转换为弹性接触，可以提高测试样品上所加载荷力的精度，降低测试材料表面粗糙度要求，降低样品测试成本。

4、本实用新型在载荷加载装置中丝杆安装架与光学高精度升降台之间设置Z轴直线导轨，可以对加载滑杆的运动轨迹进行限制，确保加载滑杆对摩擦力加载杆的载荷是竖直向下的，保证加载力的准确性。

5、本实用新型将混合气通气管进入加热炉炉膛的一端设置为顶端封闭、顶部侧面开口的结构，可以防止炉膛内灰尘进入通气管，造成通气管的堵塞，影响炉内水氧环境的构建。

6、本实用新型摩擦力传感器与X轴往复导轨为不耐高温元器件，通过在摩擦力传感器上，以及X轴往复导轨底部设置隔热水套，可以保证摩擦力传感器与X轴往复导轨的正常工作以及安全性能。

7、现有摩擦加载装置沿Y轴方向往复运动，该装置部件分散，体积大，导致整个测试设备占地面积较大，本实用新型将摩擦加载装置设置为沿X轴方向往复运动可以减小设备占地面积。

附图说明

图1为本实用新型测试系统的原理框图；

图2为本实用新型测试系统摩擦磨损测试设备的主视图；

图3为图2的左视图；

图4为本实用新型测试系统加热炉的结构示意图；

图5为本实用新型测试系统载样装置的结构示意图；

图6为本实用新型测试系统混合气通气管的结构示意图；

图7为本实用新型测试系统动态配气仪的原理图；

附图标记：1、仪器底板；2、支撑肋板；3、摩擦力传感器；4、传感器隔热水套；5、龙门背板；6、加热炉：6-1、炉膛，6-2、加热硅碳棒，6-3、密封隔离罩，6-4、底板，6-5、水氧混合气入口，6-6、载样台入口，6-7、加载杆入口，6-8、保温隔热盖板；7、导轨隔热水套；8、X轴往复导轨；9、往复运动台；10、加载压头；11、限位直线导轨；12、加载滑杆；13、滑套；14、丝杆；15、Z轴直线导轨；16、联轴器；17、加载电机；18、手轮；19、Y轴直线平移导轨；20、混合气通气管；21、水氧保持室；22、载样台；23、加热硅碳棒；24、加载杆；25、加载杆滑套；26、滚轮；27、加载弹簧；28、往复运动电机；29、支撑座；30、底座；31、直线导轨；32、滑块；33、安装台；34、隔热块；35、光学高精度升降台；36、载荷传感器；37、安装架；38、侧出气口；39、定位管；40、螺纹接头；41、定位接口；42、防尘管。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型超高温水氧环境摩擦磨损测试系统的结构及其工作过程进行详细说明。

参照图1，本实用新型提供的一种超高温水氧环境摩擦磨损测试系统，包括氧气源、氩气源、蒸汽发生器、摩擦磨损测试设备、温度控制系统和计算机控制系统。其中，蒸汽发生器进水口与注射泵相接，氧气源、氩气源和蒸汽发生器出气口均与动态配气仪相接，氧气源、氩气源、蒸汽发生系统出气口均设有减压阀。所述温度控制系统包括第一温控仪和第二温控仪，第一温控仪与第一温度传感器（图中未示出）电连接，第一温度传感器设于加热炉6内，用于检测和控制加热炉内温度，加热炉6两侧设有作为水冷装置的隔热水套，第二温控仪与第二温度传感器（图中未示出）电连接，第二温度传感器设于混合气通气管20进气口处，用于控制混合气预热温度。所述计算机控制系统用于测试过程的人机交互，其输出端分别与第一温控仪和第二温控仪、加载电机17、往复运动电机28电连接，计算机控制系统的输入端分别与摩擦力传感器3、载荷传感器36以及往复运动电机28的驱动器电连接。所述混合气通气管穿过水氧环境密封隔离罩到达载样台，所述加载电机17与载荷传感器电连接，加载电机17对加载杆24施加载荷，往复运动电机28驱动往复运动台9带动加载杆24往复运动，对载样台22施加摩擦力。

参照图2-6，所述摩擦磨损测试设备包括仪器底板1，仪器底板1两侧设有龙门背板5，龙门背板5外侧设有支撑肋板2。仪器底板上方设有Y轴直线平移导轨19，Y轴直线平移导轨19由手轮18驱动；所述Y轴直线平移导轨19上方设有支撑座29，支撑座29上方设有载样装置；所述载样装置包括底座30，底座30上设有直线导轨31，直线导轨31上设有滑块32，滑块32端部设有摩擦力传感器3，滑块32上方设有传感器隔热水套4，传感器隔热水套4上设有安装台33，安装台33上设有隔热块34，隔热块34顶部设有载样台22，载样台22顶部伸入加热炉6内部，加热炉6上方设有摩擦加载装置，摩擦加载装置上方设有载荷加载装置。

加热炉6包括顶部开口的炉膛6-1，炉膛6-1一侧设有加热硅碳棒6-2，炉膛6-1中部设有水氧环境室，水氧环境室包括底板6-4，底板6-4上设有水氧混合气入口6-5和载样台入口6-6，底板6-4顶部设有密封隔离罩6-3，密封隔离罩6-3顶部设有加载杆入口6-7，炉膛6-1顶部设有保温隔热盖板6-8；动态配气仪混合气出口通过混合气通气管20与水氧混合气入口6-5连通，所述混合气通气管20外周设有加热带（现有技术，图中未示出）。

摩擦加载装置包括往复运动台9，往复运动台9在其底部X轴往复导轨8的带动下往复运动，X轴往复导轨8由往复运动电机28驱动，往复运动台9中部贯穿设置加载杆24，加载杆24外部设有加载杆滑套25，加载杆25伸出加载杆滑套25部分穿过保温隔热盖板6-8伸入加热炉6、并与载样台22相对。

载荷加载装置包括加载电机17，加载电机17通过联轴器16与丝杆14连接，丝杆14设于安装架37上，丝杆14底部设有光学高精度升降台35，安装架37与光学高精度升降台35之间两端设有Z轴直线导轨15。该光学高精度升降台35上设有加载滑杆12，加载滑杆12外部设有滑套13，滑套13内加载滑杆12顶部设有加载弹簧27，加载滑杆12底部设有载荷传感器36，加载滑杆12上载荷传感器36上部设有限位直线导轨11，载荷传感器36底部设有加载压头10，加载压头10底部设有滚轮26，滚轮26底部伸出加载压头10。

参照图1、图7，本实用新型蒸汽发生系统为蒸汽发生仪，蒸汽发生仪与注射泵相接；动态配气仪包括氧气通路、氩气通路和水蒸气通路，氧气通路和氩气通路通过混合管道与混合罐连通，水蒸气通路直接与混合罐连通，所述混合罐上设有混合气出口和吹扫气出口；所述氧气通路和氩气通路上依次设有过滤器、电磁阀、流量控制器和止回阀，水蒸气通路上依次设有过滤器、电磁阀和止回阀。

参照图7，所述混合气通气管20包括螺纹接头40、方形定位管39和防尘管42，螺纹接头40与动态配气仪混合气出口相通，定位管39和防尘管42之间通过定位接口41相通，防尘管42顶端封闭，顶部设有侧出气口38，防尘管42通过该侧出气口38与水氧混合气入口6-5连通。

本实用新型所述水氧环境以体积分数计，包含83%氩气、12%水蒸气和5%氧气，测试过程中需按实际需要分别通过控制氧气通路和氩气通路中流量控制器的流量，进而控制进入混合罐中氧气和氩气的体积，通过控制注射泵中水的流量控制进入混合罐中水蒸气的体积，如：产生50ml水蒸气，需控制注射泵中水的流量为40μl/min。

本实用新型所述计算机控制系统为PLC可编程控制器。

采用本实用新型测试系统进行材料的摩擦磨损性能测试时，首先启动注射泵、蒸汽发生器和动态配气仪，保持氧气通路和氩气通路处于关闭状态，开启水蒸气通路并打开吹扫气出口，通入水蒸气对水蒸气通路和混合罐中残留的液体、杂质进行吹扫，吹扫完成后关闭吹扫气出口。同时开启氧气通路、氩气通路和水蒸气通路，通过上述方法调整通入混合罐中氩气、水蒸气和氧气的体积，氩气、水蒸气和氧气在混合罐中混合均匀后从混合气出口排出，进入混合气通气管20。为了防止通入水氧保持室的混合气体因温差过大出现炸裂事故，混合气通气管20外周设有加热带（现有技术，图中未示出），用于对混合气体进行预热。然后，在载样台22上放置待测样品，启动PLC可编程控制器，预设混合气体预热温度和加热炉炉内温度，PLC可编程控制器将混合气体预热温度指令传输至第二温控仪，将加热炉炉内温度指令传输至第一温控仪，由第二温控仪和第二温度传感器将混合气体预热温度调整至预设温度，由第一温控仪和第一温度传感器将加热炉炉内温度调整至预设温度。预热至预设温度的混合气体经由防尘管42的侧出气口38进入超高温的密封隔离罩6-3中，形成温度≥1400℃，含83%氩气、12%水蒸气和5%氧气的超高温水氧环境。

随后，通过PLC可编程控制器预设加载力、摩擦线速度和摩擦力，与此同时，加载电机17启动，加载电机17通过联轴器16驱动丝杆14动作，丝杆14通过光学高精度升降台35带动加载滑杆12向下运动，加载滑杆12在限位直线导轨11的限位作用下驱动加载压头10向下运动，直至加载压头10中的滚轮26与加载杆24的上端相接触，对加载杆24施加加载力，加载力实际大小通过载荷传感器36检测并反馈给PLC可编程控制器，最终将加载力实际大小调整至预设值。最后，往复运动电机28启动，驱动往复运动台9沿X轴方向往复运动，往复运动台9带动加载杆24沿X轴往复导轨8运动，对待测样品施加摩擦力，摩擦线速度实际大小通过往复运动电机19的驱动器检测并反馈给PLC可编程控制器，最终将摩擦线速度实际大小调整至预设值，试验中的摩擦力由摩擦力传感器3来检测并反馈给PLC可编程控制器，最终将摩擦力实际大小调整至预设值。至此，测试试验正式开始，以此来检测待测样品在超高温水氧环境，以及最大加载 1000 N、摩擦线速度0.02~100 mm/s、摩擦力0.1-500N下的摩擦磨损性能。

试验过程中还可通过手轮18驱动Y轴直线平移导轨19调整待测样品在Y轴方向的位置，保证加载杆24与待测样品接触良好。该测试系统摩擦力测试精度为±1%FS，往复滑动范围为20mm。

Claims (10)

1.一种超高温水氧环境摩擦磨损测试系统，包括氧气源、氩气源、蒸汽发生系统，其特征在于，所述氧气源、氩气源、蒸汽发生系统出气口均与配气系统进气口相接；所述测试系统还包括摩擦磨损测试设备、温度控制系统和计算机控制系统；

所述摩擦磨损测试设备包括仪器底板（1），仪器底板（1）上方设有Y轴直线平移导轨（19），Y轴直线平移导轨（19）由手轮（18）驱动；所述Y轴直线平移导轨（19）上方设有支撑座（29），支撑座（29）上方设有载样装置；所述载样装置包括底座（30），底座（30）上设有直线导轨（31），直线导轨（31）上设有滑块（32），滑块（32）端部设有摩擦力传感器（3），滑块（32）上方设有安装台（33），安装台（33）上设有隔热块（34），隔热块（34）顶部设有载样台（22），载样台（22）顶部伸入加热炉（6）内部，加热炉（6）上方设有摩擦加载装置，摩擦加载装置上方设有载荷加载装置；

所述加热炉（6）包括顶部开口的炉膛（6-1），炉膛（6-1）一侧设有加热硅碳棒（6-2），炉膛（6-1）中部设有水氧环境室，水氧环境室包括底板（6-4），底板（6-4）上设有水氧混合气入口（6-5）和载样台入口（6-6），底板（6-4）顶部设有密封隔离罩（6-3），密封隔离罩（6-3）顶部设有加载杆入口（6-7），炉膛（6-1）顶部设有保温隔热盖板（6-8）；动态配气仪混合气出口通过混合气通气管（20）与水氧混合气入口（6-5）连通，所述混合气通气管（20）外周设有加热带；

所述摩擦加载装置包括往复运动台（9），往复运动台（9）在底部X轴往复导轨（8）的带动下往复运动，X轴往复导轨（8）由往复运动电机（28）驱动，往复运动台（9）底部穿过X轴往复导轨（8）设有加载杆（24），加载杆（24）外部设有加载杆滑套（25），加载杆（24）伸出加载杆滑套（25）部分穿过保温隔热盖板（6-8）伸入加热炉（6）、并与载样台（22）相对；

所述载荷加载装置包括加载电机（17），加载电机（17）通过联轴器（16）与丝杆（14）连接，丝杆（14）底部设有光学高精度升降台（35），该光学高精度升降台（35）上设有加载滑杆（12），加载滑杆（12）底部设有载荷传感器（36），加载滑杆（12）上载荷传感器（36）上部设有限位直线导轨（11），载荷传感器（36）底部设有加载压头（10），加载压头（10）底部设有滚轮（26），滚轮（26）底部伸出加载压头（10）；

所述温度控制系统包括第一温控仪和第二温控仪，第一温控仪与第一温度传感器电连接，第一温度传感器设于加热炉（6）内，用于检测和控制加热炉内温度，第二温控仪与第二温度传感器电连接，第二温度传感器设于混合气通气管（20）进气口处，用于控制混合气预热温度；

所述计算机控制系统用于测试过程的人机交互，其输出端分别与温度控制系统、加载电机（17）、往复运动电机（28）电连接，计算机控制系统的输入端分别与摩擦力传感器（3）、载荷传感器（36）以及往复运动电机（28）的驱动器电连接。

2.如权利要求1所述的一种超高温水氧环境摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述蒸汽发生系统为蒸汽发生仪，蒸汽发生仪与注射泵相接；所述配气系统为动态配气仪，其包括氧气通路、氩气通路和水蒸气通路，氧气通路和氩气通路通过混合管道与混合罐连通，水蒸气通路直接与混合罐连通，所述混合罐上设有混合气出口和吹扫气出口；所述氧气通路和氩气通路上依次设有过滤器、电磁阀、流量控制器和止回阀，水蒸气通路上依次设有过滤器、电磁阀和止回阀。

3.如权利要求1或2所述的一种超高温水氧环境摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述加载滑杆（12）外部设有滑套（13），滑套（13）内加载滑杆（12）顶部设有加载弹簧（27）。

4.如权利要求3所述的一种超高温水氧环境摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述丝杆（14）设于安装架（37）上，安装架（37）与光学高精度升降台（35）之间两端设有Z轴直线导轨（15）。

5.如权利要求1、2、4任一项所述的一种超高温水氧环境摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述混合气通气管（20）包括螺纹接头（40）、定位管（39）和防尘管（42），螺纹接头（40）与动态配气仪混合气出口相通，定位管（39）和防尘管（42）之间通过定位接口（41）相通，防尘管（42）顶端封闭，顶部设有侧出气口（38），防尘管（42）通过该侧出气口（38）与水氧混合气入口（6-5）连通。

6.如权利要求1、2、4任一项所述的一种超高温水氧环境摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述摩擦力传感器（3）上设有传感器隔热水套（4）。

7.如权利要求1、2、4任一项所述的一种超高温水氧环境摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述X轴往复导轨（8）底部设有导轨隔热水套（7）。

8.如权利要求1、2、4任一项所述的一种超高温水氧环境摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述仪器底板（1）两侧设有龙门背板（5）。

9.如权利要求8所述的一种超高温水氧环境摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述龙门背板（5）外侧设有支撑肋板（2）。

10.如权利要求1、2、4任一项所述的一种超高温水氧环境摩擦磨损测试系统，其特征在于，所述氧气源、氩气源、蒸汽发生系统出气口均设有减压阀。

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