CN216816358U - 一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机，电机及传动系统包括伺服电机、传动系统和轮盘，传动系统一端与伺服电机连接，另一端与轮盘连接；轮盘边缘部位装有模拟叶片；加热及冷却系统包括空压机、气体控制单元、火焰加热喷嘴和冷却器喷嘴，空压机与气体控制单元连接，气体控制单元分别通过管路与火焰加热喷嘴和冷却器喷嘴连通，火焰加热喷嘴设置在轮盘外侧，冷却器喷嘴设置在进给系统外侧；数据采集及控制系统连接有温度及图像采集装置，温度及图像采集装置设置在轮盘外侧；进给系统与步进电机连接，涂层试样设置在轮盘另一侧。本实用新型测试结果可为封严涂层服役性能的评定以及高速摩擦磨损行为和机理的研究提供可靠的试验依据。

Description

一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机

技术领域

本实用新型涉及摩擦磨损试验技术领域，具体涉及一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机。

背景技术

封严涂层被广泛应用于航空发动机及地面燃气轮机的高压涡轮气路封严，一般涂覆于机匣内壁，可以将转、静子之间的径向间隙降低到最小，同时在发生碰磨时保护转子叶片免受损伤和破坏。评价封严涂层的性能需要综合多方面的指标，可磨耗性是其中一项重要指标，它区别于通常所说的材料耐磨性，其定量数据不仅与磨损量有关，还包括反映气路密封配副在高速高温条件下的刮擦力变化、能量损耗、表面状态改变以及磨损产物特性等相关内容。再者，在高温高速的服役工况下，涂层会发生磨损机制的转变。因此，高速高温工况条件下的摩擦磨损实验对封严涂层高速摩擦行为的研究具有重要意义。

国外目前主要搭建接近工况的可磨耗试验台架进行高速高温摩擦磨损试验，如美国NASA、PWA公司、欧洲Sulzer公司以及英国Sheffield大学、德国MTU 和KIT等研究单位均研制了模拟工况的可磨耗试验机，但费用昂贵，缺乏判据；国内最新研制的高温高速销盘摩擦磨损试验机，虽线速度较高，但也才接近 100m/s，且最高温度为800℃，与真实工况存在较大差异。因此，研制一台能真正模拟封严涂层高温超高速工况的摩擦磨损试验机对封严涂层服役性能的评定以及高速摩擦磨损行为和机理的研究具有非常重要的意义。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机，解决现有技术中存在的叶尖线速度和试验温度无法满足封严涂层超高速(450m/s以上)和高温(1300℃以上)的要求，无法真正模拟燃气轮机高压涡轮气路密封涂层的高速高温刮擦磨损工况的问题。

本实用新型采用如下技术方案来实现的：

一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机，包括电机及传动系统、进给系统、加热及冷却系统和数据采集及控制系统；其中，

所述电机及传动系统包括伺服电机、传动系统和轮盘，传动系统一端与伺服电机连接，另一端与轮盘连接；轮盘边缘部位装有模拟叶片；

所述加热及冷却系统包括空压机、气体控制单元、火焰加热喷嘴和冷却器喷嘴，空压机与气体控制单元连接，气体控制单元分别通过管路与火焰加热喷嘴和冷却器喷嘴连通，火焰加热喷嘴设置在轮盘外侧，冷却器喷嘴设置在进给系统外侧；

所述数据采集及控制系统连接有温度及图像采集装置，温度及图像采集装置设置在轮盘外侧；

所述进给系统连接有涂层试样，进给系统与步进电机连接，涂层试样设置在轮盘另一侧。

作为本实用新型的进一步改进，所述电机及传动系统还包括公共底座、主轴和轮盘夹持器；伺服电机设置在公共底座上，所述主轴与伺服电机连接，主轴上设置有电涡流位移传感器，轮盘通过夹持器安装在主轴上，主轴和轮盘均通过支撑杆支撑在公共底座上。

作为本实用新型的进一步改进，所述进给系统包括步进电机、进给平台、试样夹持工装、主动测量仪和滚珠丝杠；涂层试样通过试样夹持工装安装在进给平台上，步进电机经减速齿轮和滚珠丝杠驱动进给平台；主动测量仪设置在进给平台端部用于测量进给平台位移信号。

作为本实用新型的进一步改进，所述火焰加热喷嘴为氧乙炔火焰枪。

作为本实用新型的进一步改进，所述电机通过高速膜盘联轴器与主轴连接。

作为本实用新型的进一步改进，主轴上安装了电涡流位移传感器。

作为本实用新型的进一步改进，所述轮盘边缘固安有盘罩，轮盘背面安装有直径与轮盘直径相同、厚度可调的垫片。

作为本实用新型的进一步改进，所述进给平台的前后位置安装有极限位置传感器，极限位置传感器的滑动导轨为滚珠导轨。

作为本实用新型的进一步改进，所述温度及图像采集装置为红外测温仪。

作为本实用新型的进一步改进，所述涂层试样一侧设置有挡板，温度及图像采集装置设置在挡板和轮盘之间。

与现有技术相比，本实用新型的有益技术效果是：

本实用新型提供的一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机，伺服电机驱动主轴带动轮盘实现模拟叶片叶尖线速度平稳转动，进给平台以设定的进给速率带动涂层试样完成与模拟叶片的刮擦，火焰加热装置对涂层试样进行加热，达到试验温度，数据采集与控制系统控制整个试验平台的自动化操作，实现温度、速度、压力、力矩、摩擦系数的实时检测与分析。使用本实用新型提供的试验机，可最大程度模拟在真实高速(线速度超500m/s)、高温(1300℃以上)工况下的封严涂层磨耗磨损行为，试验机整体布局合理、结构紧凑。测试结果可为封严涂层服役性能的评定以及高速摩擦磨损行为和机理的研究提供可靠的试验依据。本实用新型可以模拟真实高速高温工况下的封严涂层磨耗磨损，整机布局合理、结构紧凑。

进一步，试验机的电机及传动系统采用大功率高速伺服电机驱动主轴高速平稳转动，结构紧凑、简洁，避免了多轴传动装置；同时使用高速膜盘联轴器，具有良好的补偿能力，以满足轴系的要求，实现了叶尖线速度500m/s以上的机组安全平稳运行。

进一步，试验机采用氧乙炔火焰枪加热涂层试样，可实现1300℃以上的高温要求。同时，通过温度及图像采集实时测量涂层样品表面因摩擦引起的温度变化和摩擦磨损形貌。

进一步，试验机的专用轮盘夹持器既保证了轮盘旋转时的精度，又具有成本低、安装方式简单可靠、维修方便等特点。

进一步，试验机的数据采集及控制系统利用LabVIEW平台，以工控机为核心，集数据采集、数据处理、波形显示和试验环境控制为一体，实现了温度、速度、压力、力矩和摩擦系数的实时检测。

附图说明

图1为本实用新型一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机的原理图；

图2为本实用新型一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机的局部结构示意图；

图3为本实用新型进给系统结构示意图；

图4为本实用新型轮盘结构示意图。

附图标记说明：

1.电机；2.公共底座；3.主轴；4.轮盘；5.模拟叶片；6.轮盘夹持器；7.高速膜盘联轴器；8.电涡流位移传感器；9.盘罩；10.垫片；11.步进电机；12.进给平台；13.试样夹持工装；14.主动测量仪；15.涂层试样；16.减速齿轮；17.滚珠丝杠； 18.位置传感器。

具体实施方式

下面结合本实用新型的附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1至图4所示，本实用新型提供一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机，包括电机及传动系统、进给系统27、加热及冷却系统和数据采集及控制系统22；其中，

所述电机及传动系统包括伺服电机1、传动系统24和轮盘4，传动系统24 一端与伺服电机1连接，另一端与轮盘4连接；轮盘4边缘部位装有模拟叶片 5；

所述加热及冷却系统包括空压机20、气体控制单元21、火焰加热喷嘴19和冷却器喷嘴28，空压机20与气体控制单元21连接，气体控制单元21分别通过管路与火焰加热喷嘴19和冷却器喷嘴28连通，火焰加热喷嘴19设置在轮盘4 外侧，冷却器喷嘴28设置在进给系统27外侧；

所述数据采集及控制系统22连接有温度及图像采集装置25，温度及图像采集装置25设置在轮盘4外侧；

所述进给系统27连接有涂层试样15，进给系统27与步进电机11连接，涂层试样15设置在轮盘4另一侧。

如图1和图2所示，电机及传动系统包括轮盘4、主轴3、轮盘夹持器6、电机1。电机1通过高速膜盘联轴器7与主轴3连接，转速范围为5000～45000r/min，可调；主轴3上安装了电涡流位移传感器8，用于对试验机运行过程中的振动进行实时测量；试验轮盘4通过夹持器6安装在主轴3上，轮盘4边缘部位装有模拟叶片5，轮盘4边缘安装有盘罩9，轮盘4背面安装有直径与轮盘直径相同、厚度可调的垫片10。

其中，主轴3和轮盘4均通过支撑杆支撑在公共底座2上。

所述进给系统27包括步进电机11、进给平台12、试样夹持工装13、主动测量仪14和滚珠丝杠17；涂层试样15通过试样夹持工装13安装在进给平台 12上，步进电机11经减速齿轮16和滚珠丝杠17驱动进给平台12；主动测量仪14设置在进给平台12端部用于测量进给平台位移信号。涂层试样15通过试样夹持工装13安装在进给平台12上，进给平台的滑动导轨为滚珠导轨；步进电机11经减速齿轮16和滚珠丝杠17驱动进给平台，使平台按照设定进给速率和过程完成涂层试样的进给运动；进给平台的前后位置安装有极限位置传感器 18，可保证其在规定的行程范围内运动；主动测量仪14实时测量进给平台位移信号，并实时反馈给控制系统，从而实现闭环反馈控制。

采用氧-乙炔火焰枪对涂层试样表面进行加热，采用空压机供给压缩空气对涂层试样背面进行冷却，采用红外测温仪实时测量涂层样品表面因摩擦引起的温度变化同时采用高温热电偶在涂层试样背面测试中心点温度，采用高清数码定时拍照记录涂层试样表面状况。

压电式测力计受到叶片高速碰磨涂层试样产生的瞬时脉冲力作用后产生电荷信号，电荷放大器对其进行放大并转换成电压信号，最后通过高速数据采集系统进行高频采集，输出力值信号。

数据采集及控制系统22以工控机为核心，利用LabVIEW平台，通过温度及图像采集、加速度传感器、设备，实现温度、速度、压力、力矩、摩擦系数的实时检测与分析。

火焰加热喷嘴19为氧乙炔火焰枪。电机1通过高速膜盘联轴器7与主轴3 连接。

主轴3上安装了电涡流位移传感器8。轮盘4边缘固安有盘罩9，轮盘4背面安装有直径与轮盘直径相同、厚度可调的垫片10。

进给平台12的前后位置安装有极限位置传感器18，极限位置传感器18的滑动导轨为滚珠导轨。温度及图像采集装置25为红外测温仪。

涂层试样15一侧设置有挡板26，温度及图像采集装置25设置在挡板26和轮盘4之间。

其中，大功率高速伺服电机驱动主轴带动轮盘实现模拟叶片以超500m/s的叶尖线速度平稳转动，进给平台以设定的进给速率带动涂层试样完成与模拟叶片的刮擦，火焰加热装置对涂层试样进行加热，达到试验温度，数据采集与控制系统控制整个试验平台的自动化操作，实现温度、速度、压力、力矩、摩擦系数的实时检测与分析。使用本实用新型提供的试验机，可最大程度模拟在真实高速 (线速度超500m/s)、高温(1300℃以上)工况下的封严涂层磨耗磨损行为，试验机整体布局合理、结构紧凑。测试结果可为封严涂层服役性能的评定以及高速摩擦磨损行为和机理的研究提供可靠的试验依据。

使用本实用新型提供的一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机进行封严涂层磨耗试验时，将封严涂层试样通过试样工装夹具安装在进给平台上，调整涂层试样至合适的位置，并确定进给动作的原点；将模拟叶片和配重平衡块分别安装在轮盘上，操作控制系统，使得轮盘及模拟叶片升速至目标转速并保持，同时数据采集系统开始工作；操作加热系统，使得涂层试样温度达到目标温度并保持；操作冷却系统，使得涂层背面温度保持低温；操作控制系统，使得进给平台按照设定的进给速率带动涂层试样进行径向进给运动；进给完成，关闭各种设备，涂层试样空冷至室温，拆卸模拟叶片和涂层试样，对其称重，并记录数据。

本实用新型中应用了具体实施例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及核心思想，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为本实用新型的限制。

Claims (10)

1.一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机，其特征在于：包括电机及传动系统、进给系统(27)、加热及冷却系统和数据采集及控制系统(22)；其中，

所述电机及传动系统包括伺服电机(1)、传动系统(24)和轮盘(4)，传动系统(24)一端与伺服电机(1)连接，另一端与轮盘(4)连接；轮盘(4)边缘部位装有模拟叶片(5)；

所述加热及冷却系统包括空压机(20)、气体控制单元(21)、火焰加热喷嘴(19)和冷却器喷嘴(28)，空压机(20)与气体控制单元(21)连接，气体控制单元(21)分别通过管路与火焰加热喷嘴(19)和冷却器喷嘴(28)连通，火焰加热喷嘴(19)设置在轮盘(4)外侧，冷却器喷嘴(28)设置在进给系统(27)外侧；

所述数据采集及控制系统(22)连接有温度及图像采集装置(25)，温度及图像采集装置(25)设置在轮盘(4)外侧；

所述进给系统(27)连接有涂层试样(15)，进给系统(27)与步进电机(11)连接，涂层试样(15)设置在轮盘(4)另一侧。

2.根据权利要求1所述的一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机，其特征在于，所述电机及传动系统还包括公共底座(2)、主轴(3)和轮盘夹持器(6)；伺服电机(1)设置在公共底座(2)上，所述主轴(3)与伺服电机(1)连接，主轴(3)上设置有电涡流位移传感器(8)，轮盘(4)通过夹持器(6)安装在主轴(3)上，主轴(3)和轮盘(4)均通过支撑杆支撑在公共底座(2)上。

3.根据权利要求1所述的一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机，其特征在于，所述进给系统(27)包括步进电机(11)、进给平台(12)、试样夹持工装(13)、主动测量仪(14)和滚珠丝杠(17)；涂层试样(15)通过试样夹持工装(13)安装在进给平台(12)上，步进电机(11)经减速齿轮(16)和滚珠丝杠(17)驱动进给平台(12)；主动测量仪(14)设置在进给平台(12)端部用于测量进给平台位移信号。

4.根据权利要求1所述的一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机，其特征在于，所述火焰加热喷嘴(19)为氧乙炔火焰枪。

5.根据权利要求1所述的一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机，其特征在于，所述电机(1)通过高速膜盘联轴器(7)与主轴(3)连接。

6.根据权利要求1所述的一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机，其特征在于，主轴(3)上安装了电涡流位移传感器(8)。

7.根据权利要求1所述的一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机，其特征在于，所述轮盘(4)边缘固安有盘罩(9)，轮盘(4)背面安装有直径与轮盘直径相同、厚度可调的垫片(10)。

8.根据权利要求3所述的一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机，其特征在于，所述进给平台(12)的前后位置安装有极限位置传感器(18)，极限位置传感器(18)的滑动导轨为滚珠导轨。

9.根据权利要求1所述的一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机，其特征在于，所述温度及图像采集装置(25)为红外测温仪。

10.根据权利要求1所述的一种封严涂层高温超高速摩擦磨损试验机，其特征在于，所述涂层试样(15)一侧设置有挡板(26)，温度及图像采集装置(25)设置在挡板(26)和轮盘(4)之间。

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