專利名稱：一種高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，適用于評(píng)價(jià)材料在高速高溫下 的摩擦磨損性能，特別適用于模擬渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)配副的服役工況，評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層和材料 在高速高溫下的可刮削性能。
背景技術(shù)：
隨著工程領(lǐng)域的不斷拓展，材料的服役工況越來越為苛刻。在相對(duì)線速度超過 100m/S、使用溫度超過1000°C的情況，摩擦副必須要滿足嚴(yán)格的高速高溫下的摩擦學(xué)性能 要求。例如為提高渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)庑剩跉饴访芊馍弦x擇可刮削的高溫封嚴(yán)材料，要 求其具有優(yōu)異的高溫機(jī)械和理化性能外，還應(yīng)具有低摩擦、低磨損、可刮削和磨損產(chǎn)物少的 摩擦磨損性能。還有許多特殊工況下服役的材料和零部件要求優(yōu)異的高速高溫下的摩擦學(xué) 性能，涉及了廣泛的工程領(lǐng)域(航空航天、高速加工、采礦、電力、高速交通、兵器等等)。更 為重要的是已有研究表明在高速和高溫工況條件下，材料(包括特殊合金或涂層)的摩 擦學(xué)行為與使役性能具有全新的特點(diǎn)和磨損機(jī)制，對(duì)摩擦副的試驗(yàn)研究提出了許多新的要 求，必須模擬高速高溫工況條件下進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)研究才能取得有意義的結(jié)果。通用的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)只能滿足材料常規(guī)的摩擦磨損實(shí)驗(yàn)需要，摩擦副的相對(duì)運(yùn) 動(dòng)線速度一般情況下都在每秒十米以下，實(shí)驗(yàn)溫度最高不超過850°C，除沖擊振動(dòng)式的試驗(yàn) 機(jī)外摩擦副的接觸方式基本上都是連續(xù)滑動(dòng)摩擦。如MM2000環(huán)/塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、梯姆 肯環(huán)/塊摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、立式萬能磨損試驗(yàn)機(jī)、FALAX銷/盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)、GW/ML-MS 高溫磨損試驗(yàn)機(jī)、CETR多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)等，在摩擦副運(yùn)動(dòng)線速度和實(shí)驗(yàn)溫度上都達(dá) 不到高速(超過每秒百米)和高溫(達(dá)到1200°C )的需要，無法模擬渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)氣路密封 的高速高溫刮擦磨損工況。國外在進(jìn)行此類高速高溫摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)，采用不惜以昂貴的成本搭建接近工況 臺(tái)架的方式，如美國的NASA、PWA公司、歐洲的SULZER公司和ROLLS-ROYCE公司。國內(nèi)最新 研制的MMS-IG高溫高速銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)在速度最高達(dá)12000rpm.時(shí)的線速度也才接 近100m/S，溫度為800°C。目前，還沒有超過100m/S線速度，且溫度達(dá)到1000°C的摩擦磨損 試驗(yàn)機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，解決現(xiàn)有技術(shù)中 存在的在摩擦副運(yùn)動(dòng)線速度和實(shí)驗(yàn)溫度上都達(dá)不到高速(超過每秒百米)和高溫(達(dá)到 1200°C )的需要，無法模擬渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)氣路密封的高速高溫刮擦磨損工況等問題。本發(fā)明的技術(shù)方案是—種高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)主軸、轉(zhuǎn)動(dòng)盤、數(shù)控滑 臺(tái)、加熱裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動(dòng)主軸上安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)盤，轉(zhuǎn)動(dòng)盤上安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)試樣，數(shù)控滑 臺(tái)設(shè)置于轉(zhuǎn)動(dòng)主軸的一側(cè)，數(shù)控滑臺(tái)上安裝有平動(dòng)試樣，平動(dòng)試樣與轉(zhuǎn)動(dòng)試樣相對(duì)設(shè)置，構(gòu)成一對(duì)摩擦副，在轉(zhuǎn)動(dòng)試樣和平動(dòng)試樣的一側(cè)設(shè)有加熱裝置；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸入端連接 測試系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出端連接計(jì)算機(jī)。所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，計(jì)算機(jī)通過線路執(zhí)行器，執(zhí)行器通過線 路連接數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)的輸出端連接數(shù)控滑臺(tái)，數(shù)控系統(tǒng)用于驅(qū)動(dòng)數(shù)控滑臺(tái)，用于測量 試樣溫度的測溫裝置通過線路連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)主軸采用電主軸直接驅(qū)動(dòng)。所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，電主軸安裝在基礎(chǔ)座的固定支架上，軸 承支架安裝于基礎(chǔ)座上，轉(zhuǎn)動(dòng)主軸通過軸承支架固定，轉(zhuǎn)動(dòng)主軸與電主軸回轉(zhuǎn)中心保持同 一，轉(zhuǎn)動(dòng)主軸和電主軸之間通過聯(lián)軸器連接扭矩儀。所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)盤包括轉(zhuǎn)動(dòng)盤A和轉(zhuǎn)動(dòng)盤B，轉(zhuǎn)動(dòng)盤 A安裝于軸承支架間的轉(zhuǎn)動(dòng)主軸上，轉(zhuǎn)動(dòng)盤B安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)主軸的端部。所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，加熱裝置包括測溫裝置、風(fēng)冷裝置、聚焦 調(diào)節(jié)光路、加熱光源、橢球反射鏡，橢球反射鏡的焦點(diǎn)上安裝加熱光源，橢球反射鏡的前方 設(shè)置聚焦調(diào)節(jié)光路，橢球反射鏡的后部設(shè)置風(fēng)冷裝置，橢球反射鏡通過聚焦調(diào)節(jié)光路與試 樣加熱區(qū)域相對(duì)應(yīng)；風(fēng)冷裝置、聚焦調(diào)節(jié)光路、加熱光源、橢球反射鏡設(shè)置于箱體內(nèi)，所述箱 體的底部設(shè)有空間位置調(diào)節(jié)裝置，測溫裝置與溫控裝置連接。所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)試樣與平動(dòng)試樣構(gòu)成的摩擦副包 括(1)轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)試樣側(cè)面作為實(shí)驗(yàn)面時(shí)，塊試樣在進(jìn)給裝置的控制下做連續(xù)接觸摩 擦；(2)轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)試樣側(cè)面作為實(shí)驗(yàn)面時(shí)，塊試樣在進(jìn)給裝置的控制下做進(jìn)退結(jié)合方 式的斷續(xù)接觸摩擦；(3)轉(zhuǎn)動(dòng)的單齒或多齒試樣在旋轉(zhuǎn)半徑上對(duì)塊試樣表面進(jìn)行刮擦，塊試樣以設(shè)定 的進(jìn)給速度、深度、幾何角度和進(jìn)給參數(shù)作連續(xù)、斷續(xù)或其組合方式的運(yùn)動(dòng)，形成連續(xù)或斷 續(xù)刮擦；(4)盤試樣的端面作為實(shí)驗(yàn)面時(shí)，銷試樣在進(jìn)給裝置的控制下做連續(xù)接觸摩擦；(5)盤試樣的端面作為實(shí)驗(yàn)面時(shí)，銷試樣在進(jìn)給裝置的控制下做進(jìn)退結(jié)合方式的 斷續(xù)接觸摩擦。所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)試樣為單個(gè)或多個(gè)齒狀刮削樣，安 裝于轉(zhuǎn)動(dòng)主軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)盤；數(shù)控滑臺(tái)為縱向滑臺(tái)和橫向滑臺(tái)構(gòu)成，測力系統(tǒng)設(shè)置于縱向滑 臺(tái)的一側(cè)，平動(dòng)試樣安裝于測力系統(tǒng)頂部的樣品固定支架上；縱向滑臺(tái)與伺服電機(jī)連接，伺 服電機(jī)驅(qū)動(dòng)縱向滑臺(tái)沿調(diào)整Y軸方向的位置；縱向滑臺(tái)的另一側(cè)設(shè)置橫向滑臺(tái)，橫向滑臺(tái) 與步進(jìn)電機(jī)連接，步進(jìn)電機(jī)控制橫向滑臺(tái)沿導(dǎo)軌在X軸方向移動(dòng)；光柵傳感器設(shè)置于縱向 滑臺(tái)上。所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，轉(zhuǎn)動(dòng)試樣安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)主軸一端的轉(zhuǎn)動(dòng)盤 上，轉(zhuǎn)動(dòng)試樣為環(huán)形，其外徑小于刮擦實(shí)驗(yàn)的旋轉(zhuǎn)直徑，其外圓周為實(shí)驗(yàn)面，與塊狀的平動(dòng) 試樣組成環(huán)/塊摩擦副，進(jìn)行連續(xù)或斷續(xù)的摩擦運(yùn)動(dòng)。所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，平動(dòng)試樣是銷狀并轉(zhuǎn)變?yōu)樵赬軸方向作 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，環(huán)形轉(zhuǎn)動(dòng)試樣安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)主軸一端轉(zhuǎn)動(dòng)盤的外端面，環(huán)形轉(zhuǎn)動(dòng)試樣的外端面為實(shí)驗(yàn)面，組成銷/盤摩擦副；測力系統(tǒng)設(shè)置于縱向滑臺(tái)的頂部，縱向滑臺(tái)的另一側(cè)設(shè)置橫向 滑臺(tái)，平動(dòng)試樣安裝于測力系統(tǒng)一側(cè)的樣品固定支架。本發(fā)明的有益效果是(1)采用本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)主軸的高速平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速在范圍240 24000rpm.可調(diào)；配合試樣轉(zhuǎn)動(dòng)半徑能使摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)線速度達(dá)到10m/S 450m/s ；(2)本發(fā)明采用輻照聚光加熱裝置，可以對(duì)試樣表面進(jìn)行快速加熱，一般反射率的 長50mmX寬40mmX厚3mm試樣能在15min內(nèi)從室溫加熱到1200°C ；(3)本發(fā)明采用電主軸直接驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)主軸的方式，避免了帶輪傳動(dòng)的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，運(yùn) 動(dòng)可靠，可以進(jìn)行速度與扭矩測量，從而測得系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)過程中的能量損耗；(4)本發(fā)明摩擦副的多種運(yùn)動(dòng)組合方式，滿足模擬實(shí)際工況的需要，特別是高速刮 擦方式能夠進(jìn)行封嚴(yán)涂層和材料的可刮削性能評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)；(5)本發(fā)明數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及處理實(shí)現(xiàn)了對(duì)高頻摩擦過程的測力、測速、測力矩，能 夠通過數(shù)據(jù)處理得到摩擦系數(shù)、速度變化、能量損耗等重要實(shí)驗(yàn)結(jié)果；(6)本發(fā)明試驗(yàn)機(jī)的多種功能滿足研究材料高速高溫摩擦磨損性能的需要，整機(jī) 布局合理、結(jié)構(gòu)緊湊，適宜實(shí)驗(yàn)室使用，制造成本相對(duì)較低。


圖1是本發(fā)明的試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)原理框圖。圖2是本發(fā)明的試驗(yàn)機(jī)組成系統(tǒng)框圖。圖3是本發(fā)明的試驗(yàn)機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸與傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明的試驗(yàn)機(jī)試樣輻照聚光快速加熱裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖5是本發(fā)明的實(shí)施例一(刮擦實(shí)驗(yàn))結(jié)構(gòu)視圖。其中，(a)圖為主視圖；(b)圖 為(a)圖的B-B剖視圖。圖6是本發(fā)明的實(shí)施例二(環(huán)塊摩擦實(shí)驗(yàn))結(jié)構(gòu)視圖。其中，(a)圖為主視圖；(b) 圖為(a)圖的C-C剖視圖。圖7是本發(fā)明的實(shí)施例三(銷盤摩擦實(shí)驗(yàn))結(jié)構(gòu)視圖。其中，(a)圖為主視圖；(b) 圖為(a)圖的A向視圖；(c)圖為(a)圖的D-D視圖。圖中，1電主軸；2轉(zhuǎn)動(dòng)盤A ；3轉(zhuǎn)動(dòng)試樣；4平動(dòng)試樣；5測試系統(tǒng)；6數(shù)控滑臺(tái)；7數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)；8計(jì)算機(jī)；9執(zhí)行器；10數(shù)控系統(tǒng)；11測溫裝置；12防護(hù)裝置；13加熱裝置；14 聯(lián)軸器；15軸承支架；16轉(zhuǎn)動(dòng)盤B ； 17風(fēng)冷裝置；18基礎(chǔ)座；19試樣加熱區(qū)域；20聚焦調(diào)節(jié) 光路；21加熱光源；22橢球反射鏡；23空間位置調(diào)節(jié)裝置；對(duì)溫控裝置；25步進(jìn)電機(jī)；沈伺 服電機(jī)；27縱向滑臺(tái)；觀測力系統(tǒng)；四橫向滑臺(tái)；30樣品固定支架；31扭矩儀；32光柵傳感 器；33導(dǎo)軌；34轉(zhuǎn)動(dòng)主軸。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作進(jìn)一步的描述本發(fā)明的工作原理及工作過程，對(duì)照試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)原理框圖(圖1)和組成系統(tǒng)框 圖(圖2)說明如下高速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸34帶動(dòng)配有慣性輪的高速轉(zhuǎn)動(dòng)盤A2，上面安裝的轉(zhuǎn)動(dòng)試樣3高速旋轉(zhuǎn)，平動(dòng)試樣4安裝在精密進(jìn)給的數(shù)控滑臺(tái)6上。摩擦副以要求的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行刮擦 式或連續(xù)式摩擦磨損。測試系統(tǒng)5由測力、測速、測扭矩、測位移傳感器組成，信號(hào)經(jīng)高速數(shù) 據(jù)采集系統(tǒng)7，輸入計(jì)算機(jī)8。所得數(shù)據(jù)首先進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)與設(shè)定的試驗(yàn)參數(shù) 進(jìn)行比較，判斷試驗(yàn)的繼續(xù)和中止，其指令通過執(zhí)行器9進(jìn)行處理。試樣加熱采用輻射成像 加熱裝置13，試樣的溫度測量采用光學(xué)測溫裝置11，其數(shù)據(jù)經(jīng)高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7送給計(jì) 算機(jī)8。試驗(yàn)數(shù)據(jù)用處理軟件進(jìn)行分類、整理、計(jì)算和分析，并以數(shù)據(jù)組和圖線的形式存儲(chǔ) 結(jié)果。試驗(yàn)機(jī)的強(qiáng)電控制由數(shù)控系統(tǒng)10完成。對(duì)高速轉(zhuǎn)動(dòng)裝置采用防護(hù)裝置12進(jìn)行安全 防護(hù)，整臺(tái)試驗(yàn)機(jī)采取自動(dòng)數(shù)控與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集、記錄和處理相結(jié)合，設(shè)計(jì)有過載(過電 壓、過電流)保護(hù)能力和安全防護(hù)能力。如圖2所示，本發(fā)明試驗(yàn)機(jī)主要包括轉(zhuǎn)動(dòng)主軸34、轉(zhuǎn)動(dòng)盤A2、測試系統(tǒng)5、數(shù)控滑臺(tái) 6、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7、計(jì)算機(jī)8、執(zhí)行器9、數(shù)控系統(tǒng)10、測溫裝置11、防護(hù)裝置12、加熱裝置13 等，轉(zhuǎn)動(dòng)主軸34上安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)盤A2，轉(zhuǎn)動(dòng)盤A2的外緣安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)試樣3，數(shù)控滑臺(tái)6設(shè)置于 轉(zhuǎn)動(dòng)主軸34的一側(cè)，數(shù)控滑臺(tái)6上安裝有平動(dòng)試樣4，平動(dòng)試樣4與轉(zhuǎn)動(dòng)試樣3相對(duì)設(shè)置， 構(gòu)成一對(duì)摩擦副；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7的輸入端連接測試系統(tǒng)5，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7的輸出端連接 計(jì)算機(jī)8，計(jì)算機(jī)8通過線路執(zhí)行器9，執(zhí)行器9通過線路連接數(shù)控系統(tǒng)10，數(shù)控系統(tǒng)10的 輸出端連接數(shù)控滑臺(tái)6，數(shù)控系統(tǒng)10用于驅(qū)動(dòng)數(shù)控滑臺(tái)6 ；另外，在轉(zhuǎn)動(dòng)試樣3和平動(dòng)試樣 4的一側(cè)設(shè)有加熱裝置13，用于測量試樣溫度的測溫裝置11通過線路連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)7。 另外，在轉(zhuǎn)動(dòng)盤A2外側(cè)設(shè)置防護(hù)裝置12。試驗(yàn)設(shè)定的參數(shù)由所述執(zhí)行器9進(jìn)行速度、位移、 溫度等控制。本發(fā)明從模擬實(shí)際工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的思想出發(fā)，集成利用高速電主軸技術(shù)、精密數(shù) 控技術(shù)和高頻響應(yīng)測試技術(shù)，并通過聚光輻照快速加熱裝置和數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)和處理系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)摩擦副相對(duì)運(yùn)動(dòng)線速度從10m/S到450m/s，實(shí)驗(yàn)溫度范圍從室溫到1200°C的高速高溫 條件，并且控制摩擦副的相對(duì)運(yùn)動(dòng)參數(shù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)摩擦和斷續(xù)刮擦的多種方式，測量在一定 的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度、環(huán)境溫度、載荷條件下，摩擦副的多個(gè)摩擦學(xué)參數(shù)——摩擦系數(shù)、磨損量、 可刮削性、切向力、試樣溫度、能量損耗及磨損產(chǎn)物的形態(tài)等，用于研究材料在高速高溫下 的摩擦磨損性能，尤其是評(píng)價(jià)渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)氣路密封的封嚴(yán)涂層和材料的可刮削性能。普通電機(jī)的轉(zhuǎn)速為3000rpm.，只有通過帶輪變速才能提高，超過6000rpm時(shí)都需 要復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，存在加減變速時(shí)間延遲和承載激振的問題。本發(fā)明中，轉(zhuǎn)動(dòng)主軸34采 用電主軸1直接驅(qū)動(dòng)，通過合理選擇高剛度變頻電主軸1提高轉(zhuǎn)速和直接驅(qū)動(dòng)的方法，配備 適當(dāng)?shù)哪Σ粮鞭D(zhuǎn)動(dòng)半徑，實(shí)現(xiàn)摩擦副超過lOOm/s的相對(duì)運(yùn)動(dòng)線速度。電主軸1安裝在基礎(chǔ) 座18的固定支架上，軸承支架15安裝于基礎(chǔ)座18上，高速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸34由軸承支架15精 密固定，電主軸1和高速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸34兩者回轉(zhuǎn)中心保持高度同一，電主軸1和高速轉(zhuǎn)動(dòng)主 軸34之間通過高速簧片聯(lián)軸器14連接高速扭矩儀31，測量轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)中的速度與力矩變化 情況。轉(zhuǎn)動(dòng)盤A2安裝于軸承支架15間的轉(zhuǎn)動(dòng)主軸34上，轉(zhuǎn)動(dòng)盤B16則安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)主軸34 的端部(圖3)。為實(shí)現(xiàn)試樣表面的高溫快速加熱，本發(fā)明快速加熱裝置采用聚光輻照原理，具體 做法是如圖4所示，加熱裝置主要包括測溫裝置11、風(fēng)冷裝置17、聚焦調(diào)節(jié)光路20、加熱 光源21、橢球反射鏡22、空間位置調(diào)節(jié)裝置23、溫控裝置M等，橢球反射鏡22的焦點(diǎn)上安裝加熱光源21，橢球反射鏡22的前方設(shè)置聚焦調(diào)節(jié)光路20，橢球反射鏡22的后部設(shè)置風(fēng) 冷裝置17，橢球反射鏡22通過聚焦調(diào)節(jié)光路20與試樣加熱區(qū)域19相對(duì)應(yīng)。風(fēng)冷裝置17、 聚焦調(diào)節(jié)光路20、加熱光源21、橢球反射鏡22設(shè)置于箱體內(nèi)，所述箱體的底部設(shè)有空間位 置調(diào)節(jié)裝置23，測溫裝置11與溫控裝置M連接。根據(jù)試樣加熱溫度的需要，在橢球反射鏡 22的一個(gè)焦點(diǎn)上安裝0. 5 5kW的加熱光源21 (氙燈或碘鎢燈)，由測控溫電路點(diǎn)燃，利用 光學(xué)反射成像系統(tǒng)在試樣表面生成高溫焦斑進(jìn)行加熱，表面加熱的溫度由測溫裝置11 (紅 外測溫儀或熱電偶)反饋給溫控裝置對(duì)，控制到所需要的溫度。本發(fā)明設(shè)計(jì)了摩擦副的多種接觸和運(yùn)動(dòng)方式的組合，以適應(yīng)模擬實(shí)際工況下摩擦 副的相對(duì)摩擦或刮擦運(yùn)動(dòng)，包括環(huán)/塊試樣的連續(xù)摩擦和斷續(xù)刮擦，以及銷/盤連續(xù)和斷 續(xù)摩擦。具體實(shí)現(xiàn)的方式有(1)轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)試樣側(cè)面作為實(shí)驗(yàn)面時(shí)，塊試樣在進(jìn)給裝置的控制下做連續(xù)接觸摩 擦；(2)轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)試樣側(cè)面作為實(shí)驗(yàn)面時(shí)，塊試樣在進(jìn)給裝置的控制下做一定參數(shù)下 的進(jìn)退結(jié)合方式的斷續(xù)接觸摩擦；(3)轉(zhuǎn)動(dòng)的單齒或多齒試樣在旋轉(zhuǎn)半徑上對(duì)塊試樣表面進(jìn)行刮擦，塊試樣以設(shè)定 的進(jìn)給速度、深度、幾何角度和進(jìn)給參數(shù)作連續(xù)、斷續(xù)或其組合方式的運(yùn)動(dòng)，形成連續(xù)或斷 續(xù)刮擦；(4)盤試樣的端面作為實(shí)驗(yàn)面時(shí)，銷試樣在進(jìn)給裝置的控制下做連續(xù)接觸摩擦；(5)盤試樣的端面作為實(shí)驗(yàn)面時(shí)，銷試樣在進(jìn)給裝置的控制下做一定參數(shù)下的進(jìn) 退結(jié)合方式的斷續(xù)接觸摩擦。本發(fā)明采用數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)塊試樣或銷試樣的精密進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)沈或步進(jìn) 電機(jī)25驅(qū)動(dòng)精密絲杠的數(shù)控滑臺(tái)6 (縱向滑臺(tái)27和橫向滑臺(tái)四)，使其可以沿精密導(dǎo)軌33 作十字縱橫方向的直線運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給參數(shù)通過計(jì)算機(jī)程序設(shè)定，實(shí)際的位移情況通過高精度 光柵傳感器32測量，作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)用以結(jié)果分析(圖5-7)。實(shí)施例1如圖5所示，進(jìn)行刮擦式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先電主軸1的變頻調(diào)速參數(shù)及加速曲 線以達(dá)到并控制實(shí)驗(yàn)要求的主軸速度。再對(duì)測速、測扭矩的扭矩儀31進(jìn)行調(diào)零處理，使轉(zhuǎn) 動(dòng)試樣的空載速度達(dá)到穩(wěn)定測試要求的條件，未加載時(shí)的扭矩值標(biāo)定為零。轉(zhuǎn)動(dòng)試樣3為 單個(gè)或多個(gè)齒狀刮削樣，安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)主軸34上的轉(zhuǎn)動(dòng)盤A2上，其尺寸和質(zhì)量需要滿足靜、 動(dòng)平衡條件。測力系統(tǒng)觀設(shè)置于縱向滑臺(tái)27的一側(cè)，縱向滑臺(tái)27的另一側(cè)設(shè)置橫向滑臺(tái) 四，平動(dòng)試樣4安裝于測力系統(tǒng)觀頂部的樣品固定支架30上，并根據(jù)加熱溫度的情況進(jìn)行 隔熱及保溫?？v向滑臺(tái)27設(shè)計(jì)成可按垂直軸水平轉(zhuǎn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)，能根據(jù)需要設(shè)定平動(dòng)試樣 與轉(zhuǎn)動(dòng)試樣接觸表面的相對(duì)幾何角度。步進(jìn)電機(jī)25控制橫向滑臺(tái)四沿導(dǎo)軌33精密地在 X軸方向移動(dòng)，選擇轉(zhuǎn)動(dòng)試樣在平動(dòng)試樣4上的接觸點(diǎn)，根據(jù)需要可以在實(shí)驗(yàn)中重復(fù)到達(dá)和 離開該位置的動(dòng)作。確定摩擦副在X軸方向的相對(duì)位置后，伺服電機(jī)26驅(qū)動(dòng)縱向滑臺(tái)27 沿調(diào)整Y軸方向的位置。將轉(zhuǎn)動(dòng)試樣3與平動(dòng)試樣2表面開始接觸的位置設(shè)為刮擦式摩擦 磨損的起始點(diǎn)，所有實(shí)驗(yàn)過程所需測量參數(shù)的開始點(diǎn)均以縱向滑臺(tái)27到達(dá)為參考，刮擦深 度和進(jìn)給速度也以此點(diǎn)為參考原點(diǎn)。試樣加熱和溫度測定由輻照聚光快速加熱裝置13和 測溫裝置11(如紅外測溫儀或熱電偶)完成，通過調(diào)節(jié)焦點(diǎn)大小和位置保證加熱區(qū)域的要求。對(duì)測量傳感器進(jìn)行預(yù)熱和設(shè)定調(diào)整光柵傳感器32設(shè)置于縱向滑臺(tái)27上，實(shí)驗(yàn)過程中 Y軸的實(shí)際位移量通過高精度光柵傳感器32測定，由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集和處理；高頻響應(yīng)的 雙向測力系統(tǒng)觀安裝在縱向滑臺(tái)27和樣品固定支架30之間，測得的實(shí)驗(yàn)過程產(chǎn)生的切向 力和法向力信號(hào)送計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集和處理，用以計(jì)算摩擦系數(shù)和能量變化情況。試樣安裝 和試驗(yàn)機(jī)檢查無誤后，則按實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行加熱升溫、主軸運(yùn)轉(zhuǎn)和試樣進(jìn)給的操作，測定相關(guān) 實(shí)驗(yàn)參數(shù)和數(shù)據(jù)結(jié)果。高速高溫下的刮擦式摩擦磨損實(shí)驗(yàn)，能很好地模擬由各種原因引起的高速高溫刮 擦磨損工況，對(duì)諸如渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)氣路密封摩擦副的摩擦磨損性能評(píng)價(jià)具有重要意義，尤其 適用于評(píng)價(jià)封嚴(yán)涂層和材料的可刮削性能。在本實(shí)施例中，可以主動(dòng)改變速度、溫度、進(jìn)給 深度和進(jìn)給速度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，對(duì)應(yīng)每種改變均可建立一種具有工程意義的實(shí)驗(yàn)方式，其中 包括轉(zhuǎn)動(dòng)試樣和平動(dòng)試樣的材料的配副調(diào)整；齒狀轉(zhuǎn)動(dòng)試樣的數(shù)目和刮擦頻次；恒定速 度下刮擦、加速過程的刮擦和到達(dá)一定速度后的慣性刮削；平動(dòng)試樣的恒速進(jìn)給、變速進(jìn)給 和多次反復(fù)的混合進(jìn)給。這些實(shí)施方式都有益于深入開展材料高速高溫下的摩擦磨損實(shí) 驗(yàn)。實(shí)施例2與實(shí)施例1相比的改變?cè)谟谌鐖D6所示，轉(zhuǎn)動(dòng)試樣3安裝在高速轉(zhuǎn)動(dòng)主軸34 —端的轉(zhuǎn)動(dòng)盤B16外圓周，轉(zhuǎn)動(dòng) 盤A2脫離轉(zhuǎn)動(dòng)主軸34固定在基礎(chǔ)座18上。轉(zhuǎn)動(dòng)試樣3為環(huán)形，外徑小于刮擦實(shí)驗(yàn)的旋轉(zhuǎn) 直徑，有利于試樣的制備。其外圓周為實(shí)驗(yàn)面，與塊狀的平動(dòng)試樣4組成環(huán)/塊摩擦副，進(jìn) 行連續(xù)或斷續(xù)的摩擦運(yùn)動(dòng)。進(jìn)行環(huán)塊摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的過程如實(shí)施例一所述。在本實(shí)施例中，也可以主動(dòng)改變 速度、溫度、進(jìn)給深度和進(jìn)給速度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，獲得多種實(shí)驗(yàn)方案，其中包括轉(zhuǎn)動(dòng)試樣和平 動(dòng)試樣的材料的配副調(diào)整；恒定速度下摩擦、加速過程的摩擦和到達(dá)一定速度后的慣性摩 擦；平動(dòng)試樣的恒速進(jìn)給、變速進(jìn)給和多次反復(fù)的混合進(jìn)給。實(shí)施例3與實(shí)施例2相比的改變?cè)谟谌鐖D7所示，區(qū)別在于組成銷/盤摩擦副，平動(dòng)試樣4是銷狀并轉(zhuǎn)變?yōu)樵赬軸方向 作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，環(huán)形轉(zhuǎn)動(dòng)試樣3安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)主軸34 —端轉(zhuǎn)動(dòng)盤B16的外端面，環(huán)形轉(zhuǎn)動(dòng)試樣3 的外端面為實(shí)驗(yàn)面，形成圓周磨痕軌跡。此時(shí)為保證轉(zhuǎn)動(dòng)主軸34的受力平衡，必須使平動(dòng) 試樣4的位置對(duì)稱，所以沒有Y軸方向的運(yùn)動(dòng)。測力系統(tǒng)觀設(shè)置于縱向滑臺(tái)27的頂部，縱 向滑臺(tái)27的另一側(cè)設(shè)置橫向滑臺(tái)29，平動(dòng)試樣4安裝于測力系統(tǒng)觀一側(cè)的樣品固定支架 30。因?yàn)闇y力系統(tǒng)因?yàn)榍邢蛄Φ钠胶舛y以測得，所以摩擦系數(shù)是利用測力系統(tǒng)測定的法 向力與測定的扭矩?fù)Q算的切向力進(jìn)行計(jì)算得到。進(jìn)行X軸方向的銷盤摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的過程基本如前述實(shí)施例，但在本實(shí)施例中只 進(jìn)行一個(gè)方向的位置調(diào)整和控制。在本實(shí)施例中，也可以主動(dòng)改變速度、溫度、進(jìn)給深度和 進(jìn)給速度等實(shí)驗(yàn)參數(shù)，獲得多種實(shí)驗(yàn)方案，但通常只進(jìn)行一定速度、溫度、進(jìn)給速度和實(shí)驗(yàn) 時(shí)間下的摩擦學(xué)性能評(píng)價(jià)和對(duì)比摩擦磨損實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，利用本發(fā)明試驗(yàn)機(jī)可進(jìn)行模擬工況參數(shù)的實(shí)驗(yàn)，獲得具體摩擦副受到 速度、溫度、摩擦方式和進(jìn)給速度與深度等條件影響下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括摩擦磨損過程中的摩擦系數(shù)、能量損耗(扭矩和速度的變化值)、摩擦溫升、磨損量(磨損失重和磨痕長 度)，以及實(shí)際進(jìn)給深度(入侵量)等。摩擦副的相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度范圍為lOm/s到450m/s，溫 度范圍為室溫到1200°C。摩擦副接觸與運(yùn)動(dòng)方式可以是環(huán)/塊試樣的連續(xù)摩擦和斷續(xù)刮 擦，也可以是銷/盤連續(xù)和斷續(xù)摩擦，其多種功能的組合滿足材料的摩擦磨損性能評(píng)價(jià)需 要。利用高速刮擦的功能，在高速高溫下模擬渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)氣路密封的工況，可以進(jìn)行封嚴(yán)涂 層和材料的可刮削性。應(yīng)用本發(fā)明試驗(yàn)機(jī)建立的模擬工況測試平臺(tái)，能深入研究高速高溫 下材料的摩擦磨損行為，節(jié)省新材料與摩擦配副研發(fā)中的中試成本，特別是減少有關(guān)渦噴 發(fā)動(dòng)機(jī)長試的工作量，縮短研制周期，提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
權(quán)利要求
1.一種高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于該試驗(yàn)機(jī)設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)主軸、轉(zhuǎn)動(dòng) 盤、數(shù)控滑臺(tái)、加熱裝置、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，轉(zhuǎn)動(dòng)主軸上安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)盤，轉(zhuǎn)動(dòng)盤上安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)試 樣，數(shù)控滑臺(tái)設(shè)置于轉(zhuǎn)動(dòng)主軸的一側(cè)，數(shù)控滑臺(tái)上安裝有平動(dòng)試樣，平動(dòng)試樣與轉(zhuǎn)動(dòng)試樣相 對(duì)設(shè)置，構(gòu)成一對(duì)摩擦副，在轉(zhuǎn)動(dòng)試樣和平動(dòng)試樣的一側(cè)設(shè)有加熱裝置；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸 入端連接測試系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的輸出端連接計(jì)算機(jī)。
2.按照權(quán)利要求1所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于計(jì)算機(jī)通過 線路執(zhí)行器，執(zhí)行器通過線路連接數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)的輸出端連接數(shù)控滑臺(tái)，數(shù)控系統(tǒng)用 于驅(qū)動(dòng)數(shù)控滑臺(tái)，用于測量試樣溫度的測溫裝置通過線路連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
3.按照權(quán)利要求1所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于轉(zhuǎn)動(dòng)主軸采 用電主軸直接驅(qū)動(dòng)。
4.按照權(quán)利要求3所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于電主軸安裝 在基礎(chǔ)座的固定支架上，軸承支架安裝于基礎(chǔ)座上，轉(zhuǎn)動(dòng)主軸通過軸承支架固定，轉(zhuǎn)動(dòng)主軸 與電主軸回轉(zhuǎn)中心保持同一，轉(zhuǎn)動(dòng)主軸和電主軸之間通過聯(lián)軸器連接扭矩儀。
5.按照權(quán)利要求1所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于轉(zhuǎn)動(dòng)盤包括 轉(zhuǎn)動(dòng)盤A和轉(zhuǎn)動(dòng)盤B，轉(zhuǎn)動(dòng)盤A安裝于軸承支架間的轉(zhuǎn)動(dòng)主軸上，轉(zhuǎn)動(dòng)盤B安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)主軸 的端部。
6.按照權(quán)利要求1所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于加熱裝置包 括測溫裝置、風(fēng)冷裝置、聚焦調(diào)節(jié)光路、加熱光源、橢球反射鏡，橢球反射鏡的焦點(diǎn)上安裝加 熱光源，橢球反射鏡的前方設(shè)置聚焦調(diào)節(jié)光路，橢球反射鏡的后部設(shè)置風(fēng)冷裝置，橢球反射 鏡通過聚焦調(diào)節(jié)光路與試樣加熱區(qū)域相對(duì)應(yīng)；風(fēng)冷裝置、聚焦調(diào)節(jié)光路、加熱光源、橢球反 射鏡設(shè)置于箱體內(nèi)，所述箱體的底部設(shè)有空間位置調(diào)節(jié)裝置，測溫裝置與溫控裝置連接。
7.按照權(quán)利要求1所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于，轉(zhuǎn)動(dòng)試樣與 平動(dòng)試樣構(gòu)成的摩擦副包括(1)轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)試樣側(cè)面作為實(shí)驗(yàn)面時(shí)，塊試樣在進(jìn)給裝置的控制下做連續(xù)接觸摩擦；(2)轉(zhuǎn)動(dòng)的環(huán)試樣側(cè)面作為實(shí)驗(yàn)面時(shí)，塊試樣在進(jìn)給裝置的控制下做進(jìn)退結(jié)合方式的 斷續(xù)接觸摩擦；(3)轉(zhuǎn)動(dòng)的單齒或多齒試樣在旋轉(zhuǎn)半徑上對(duì)塊試樣表面進(jìn)行刮擦，塊試樣以設(shè)定的進(jìn) 給速度、深度、幾何角度和進(jìn)給參數(shù)作連續(xù)、斷續(xù)或其組合方式的運(yùn)動(dòng)，形成連續(xù)或斷續(xù)刮 擦；(4)盤試樣的端面作為實(shí)驗(yàn)面時(shí)，銷試樣在進(jìn)給裝置的控制下做連續(xù)接觸摩擦；(5)盤試樣的端面作為實(shí)驗(yàn)面時(shí)，銷試樣在進(jìn)給裝置的控制下做進(jìn)退結(jié)合方式的斷續(xù) 接觸摩擦。
8.按照權(quán)利要求1所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于，轉(zhuǎn)動(dòng)試樣為 單個(gè)或多個(gè)齒狀刮削樣，安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)主軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)盤；數(shù)控滑臺(tái)為縱向滑臺(tái)和橫向滑臺(tái)構(gòu) 成，測力系統(tǒng)設(shè)置于縱向滑臺(tái)的一側(cè)，平動(dòng)試樣安裝于測力系統(tǒng)頂部的樣品固定支架上；縱 向滑臺(tái)與伺服電機(jī)連接，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)縱向滑臺(tái)沿調(diào)整Y軸方向的位置；縱向滑臺(tái)的另一 側(cè)設(shè)置橫向滑臺(tái)，橫向滑臺(tái)與步進(jìn)電機(jī)連接，步進(jìn)電機(jī)控制橫向滑臺(tái)沿導(dǎo)軌在X軸方向移 動(dòng)；光柵傳感器設(shè)置于縱向滑臺(tái)上。
9.按照權(quán)利要求1所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于，轉(zhuǎn)動(dòng)試樣安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)主軸一端的轉(zhuǎn)動(dòng)盤上，轉(zhuǎn)動(dòng)試樣為環(huán)形，其外徑小于刮擦實(shí)驗(yàn)的旋轉(zhuǎn)直徑，其外圓 周為實(shí)驗(yàn)面，與塊狀的平動(dòng)試樣組成環(huán)/塊摩擦副，進(jìn)行連續(xù)或斷續(xù)的摩擦運(yùn)動(dòng)。
10.按照權(quán)利要求1所述的高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，其特征在于，平動(dòng)試樣 是銷狀并轉(zhuǎn)變?yōu)樵赬軸方向作進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，環(huán)形轉(zhuǎn)動(dòng)試樣安裝于轉(zhuǎn)動(dòng)主軸一端轉(zhuǎn)動(dòng)盤的外端 面，環(huán)形轉(zhuǎn)動(dòng)試樣的外端面為實(shí)驗(yàn)面，組成銷/盤摩擦副；測力系統(tǒng)設(shè)置于縱向滑臺(tái)的頂 部，縱向滑臺(tái)的另一側(cè)設(shè)置橫向滑臺(tái)，平動(dòng)試樣安裝于測力系統(tǒng)一側(cè)的樣品固定支架。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種高速高溫多功能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，特別適用于模擬渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)配副的服役工況，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的在摩擦副運(yùn)動(dòng)線速度和實(shí)驗(yàn)溫度上都達(dá)不到高速(超過每秒百米)和高溫(達(dá)到1200℃)的需要，無法模擬渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)氣路密封的高速高溫刮擦磨損工況等問題。該試驗(yàn)機(jī)設(shè)有轉(zhuǎn)動(dòng)主軸、轉(zhuǎn)動(dòng)盤、數(shù)控滑臺(tái)、加熱裝置，轉(zhuǎn)動(dòng)主軸上安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)盤，轉(zhuǎn)動(dòng)盤上安裝有轉(zhuǎn)動(dòng)試樣，數(shù)控滑臺(tái)設(shè)置于轉(zhuǎn)動(dòng)主軸的一側(cè)，數(shù)控滑臺(tái)上安裝有平動(dòng)試樣，平動(dòng)試樣與轉(zhuǎn)動(dòng)試樣相對(duì)設(shè)置，構(gòu)成一對(duì)摩擦副，在轉(zhuǎn)動(dòng)試樣和平動(dòng)試樣的旁側(cè)設(shè)有加熱裝置。采用本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)主軸的高速平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)和對(duì)摩擦副樣品表面快速加熱。
文檔編號(hào)G01N3/56GK102116722SQ20091024905
公開日2011年7月6日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者侯思焓, 劉陽, 張榮祿, 易凡, 李曙, 段德莉, 王鵬 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院金屬研究所