CN102759489A - 多功能真空摩擦磨损试验机 - Google Patents

Abstract

一种多功能真空摩擦磨损试验机，既能模拟真空、辐射、腐蚀等特殊环境气氛，又能以多种接触方式(球-盘，销-盘)进行较宽速度和载荷范围内的摩擦学试验。其主要由真空***、摩擦磨损***、动力传动***、控制***等构成。其中摩擦磨损***包括用于固定上试样卡具(20)的并可在水平和竖直两个方向自由旋转的杠杆结构(22)，所述杠杆结构(22)包括呈垂直设置的悬臂梁(18)和竖直臂(23)，悬臂梁(18)和竖直臂(23)通过两自由度轴承结构(17)连接，所述悬臂梁(18)和竖直臂(23)可通过机械手(15)和手轮机构(13)控制而进行水平和竖直方向的位置调节，以实现试样卡具(20)在两自由度内的精确移动。在上试样卡具(20)上安装温度传感器(2)和压力传感器(3)，以检测(监测)摩擦试验时的摩擦系数和温度变化。

Description

多功能真空摩擦磨损试验机

技术领域

本发明属于材料和器件性能测试领域，具体涉及一种能模拟空间环境因素作用(例如高真空环境)并进行摩擦材料和器件性能测试的多功能真空摩擦磨损试验机。

背景技术

随着航空航天等高技术的发展，航天器等许多装备都运行于高真空环境下(10^-5Pa～10^-7Pa量级)，真空环境工况会带来特殊的摩擦学问题。例如，真空中缺乏氧和其它大气反应物，金属表面的氧化膜在摩擦过程中很快地被去除，而且难以形成新的氧化膜，因此，摩擦表面很快处于“裸露”状态，新鲜金属表面间直接接触而发生严重的粘着；没有气体的扩散对流来及时带走摩擦热量，摩擦表面的温度将迅速升高，从而改变摩擦材料的物理性能和化学稳定性；液体润滑剂分子在真空中会以很大的速度挥发，造成润滑剂的迅速流失而使润滑失效。

要解决真空环境中的润滑难题，开发各种新型润滑材料，必须进行大量的摩擦学实验。相比于装备零件实际工况下的摩擦磨损实验而言，实验室模拟试验的环境和工况因素相对容易控制，试验条件变化范围宽，试验成本比较低，可在短时间内获得比较***的数据。因此，在摩擦学研究中，实验室模拟试验得到了广泛的应用，相应的试验测试设备和技术的开发显得非常重要。

真空摩擦磨损试验机是进行真空环境工况中摩擦学设计及润滑材料选择的基本工具。由于真空摩擦磨损试验机涉及到真空获得、动密封、实时信号采集等难度较大的关键技术，目前国内外用于真空环境下材料的摩擦磨损特性研究的定型产品还非常匮乏。

随着真空摩擦学问题越来越受到重视，国内外相关单位的研究人员都曾开展过真空摩擦试验机的研制。

北京机械工业管理学院和清华大学的崔周平、刘家浚等曾研制了MT-1型真空摩擦磨损试验机，该机可在真空、充气、加热及冷却等多种条件下进行材料摩擦磨损机理的研究，可以提供从大气到6.7×10^-3Pa的压力环境，其可测载荷和速度及温度和振动特性都有较宽的可调范围，并引入了计算机辅助数据采集处理***，测量参数多，重复性和实验精度较好。哈尔滨工业大学的宋宝玉等人也研制了SY-1型真空摩擦磨损试验机，该机主要由置于真空室内的摩擦试验机、真空***、试验参数测量与仪表***、数据采集处理***四个部分构成，可以提供4×10^-3Pa的压力环境，速度在0-2800r/min范围内可调，可以进行真空、充不同气体、加热及冷却等多种条件下的材料摩擦学性能测试。这些设备的主要问题是所能提供的真空度太低，不能真实模拟航天器等所工作的宇航高真空环境，此外，设备虽配备了数据采集***和相应的软件，但因当时技术水平所限，设备的操作维护相对复杂，稳定性也有待提高。

瑞士CSM公司生产了HVT、VTR两个型号的真空摩擦磨损试验机并可提供10^-5帕的高真空环境，而且抽高真空到10^-5帕只需不到2小时，初级真空只需10分钟。测试过程中摩擦力和磨损率可通过传感器及配套软件自动精确测量和计算。设备的精度和安全性较高，操作也较方便。但该类设备目前的市场价格较高，最低配置也在20万美元以上，且采购和售后服务等都不太方便。

发明内容

本发明将超高真空***和多功能摩擦磨损试验机进行优化集成，成功研制出极限真空度达到6×10^-6Pa的多功能真空摩擦磨损试验机。该试验机经后续扩充后即可进行真空、辐射、腐蚀等多种特殊环境气氛下的摩擦磨损试验，以期为模拟特殊工况的摩擦学研究提供更多的基础设备。

本发明涉及一种多功能真空摩擦磨损试验机，其主要由真空***、摩擦磨损***、动力传动***、控制***构成。其中真空***包括：真空室(1)，在真空室(1)的侧壁布置的至少一个观察窗(4)，用于连接真空泵的真空泵接口法兰(11)，以及在顶盖上布置的用于配置功能部件的多个法兰；摩擦磨损***包括：用于固定上试样件卡具(20)的并可在水平和竖直两个方向自由旋转的杠杆结构(22)，用于固定下试样盘(6)的试样平台(7)，其中上试样摩擦球或摩擦销(5)固定在上试样卡具(20)上，以及设置在上试样卡具(20)上的温度传感器(2)和压力传感器(3)；动力传动***包括：伺服电机(9)，伺服电机(9)通过磁流体联轴器(10)和旋转轴(8)带动所述试样平台(7)和下试样盘(6)转动；控制***包括：用于测量真空室(1)内的真空度的复合真空计，以及用于控制分子泵、机械泵、高真空电磁挡板阀、摩擦试样平台(7)旋转和杠杆结构(22)的电动升降机等功能性部件的控制***。

所述试样卡具(20)具有一中空部，所述温度传感器(2)通过中空部***上试样销或球(5)以接近摩擦界面。

所述杠杆结构(22)包括呈垂直设置的悬臂梁(18)和竖直臂(23)，悬臂梁(18)和竖直臂(23)通过两自由度轴承结构(17)连接，上试样卡具(20)设置在悬臂梁(18)的一端部，在悬臂粱(18)与轴承结构(17)中部三分之二处设置有砝码盘(19)，在悬臂梁(18)的另一端设置有配重(16)。

所述多功能真空摩擦磨损试验机还包括机械手(15)和手轮机构(13)，所述悬臂梁(18)可通过机械手(15)控制进行的水平和竖直方向的转动，所述竖直臂(23)放置于高精度位移平台(12)上，所述高精度位移平台(12)可通过手轮机构(13)控制进行水平方向的精确移动，通过机械手(15)和手轮机构(13)的精确控制，可以控制悬臂梁(18)的位置并能精确调节摩擦磨损接触点的位置，因此可以在不进行放气和重新抽真空的情况下在一个试样上进行多次不同摩擦半径的试验，这使得试验时间和成本消耗大大降低；

所述机械手(15)和手轮机构(13)分别通过动密封装置(14)贯通地安装于真空室(1)的外壳上。

所述多功能真空摩擦磨损试验机还包括数据采集处理***，所述数据采集处理***包括：用于接收温度传感器(2)和压力传感器(3)的信号的数据采集卡(25)，数据采集卡(25)将采集到的信号传送到计算机(26)，并由配套的软件***对所采集到的数据进行分析处理、实时显示、生成曲线和实验报表。所述运动控制***包括软件***、单片机和伺服***，通过运动控制***实现对摩擦试验过程中滑动速度、方向等运动参数的调节。

所述多功能真空摩擦摩损试验机包括分别通过真空泵接口法兰(11)与真空室(1)连接的高速直联机械泵和涡轮分子泵，通过先后启动所述高速直联机械泵和涡轮分子泵，可使真空室(1)内达到6×10^-6Pa的真空度。所述动力传动***的磁流体联轴器(10)通过联轴器法兰和真空室(1)对接实现可靠的动密封，其泄漏率小于1×10^-10Pa·m³·s^-1。

本发明所述试验机的基本功能是空间高真空环境模拟和摩擦学性能测试。将多功能摩擦学性能测试模块集成组装在环境模拟***中，其中摩擦学测试模块可以在较宽的运行速度和载荷范围内以多种接触方式进行试验；并可通过合理的工装设计分别对固体润滑材料(标准试件)和摩擦组件(轴承、齿轮等典型零件)进行环境损伤效应研究和摩擦学性能测试。

相比同类试验机，本试验机具有如下显著特点：

第一，真空室尺寸设计和真空机组配备合理，可提供6×10^-6Pa的极限真空度，并且抽真空时间较短，试验周期短；

第二，可以在真空室外对摩擦副接触点位置进行精确调节，因此可以在不进行放气和重新抽真空的情况下在一个试样上进行多次不同摩擦半径的试验，这使得试验时间和成本消耗大大降低；

第三，该设备可以在较宽的速度和载荷范围内以多种相对运动方式模拟各种典型摩擦零件的运行工况。设备在设计之初就考虑到扩充性和多功能性，经过合理的工装和试验方法设计就可以进行多种空间摩擦学和环境模拟试验。

第四，试验机操作维修方便，测试数据准确可靠，且整机成本低。

附图说明

图1：本发明的多功能真空摩擦磨损试验机结构示意图；

图2：本发明多功能真空摩擦磨损试验机的摩擦磨损***部分的结构示意图；

图3：本发明多功能真空摩擦磨损试验机的上试样卡具的结构示意图；

图4：本发明多功能真空摩擦磨损试验机的数据采集***工作流程示意图。

附图标记：(1)真空室；(2)温度传感器；(3)压力传感器；(4)观察窗；(5)摩擦球；(6)下试样盘；(7)试样平台；(8)旋转轴；(9)伺服电机；(10)磁流体联轴器；(11)真空泵接口法兰；(12)高精度位移平台；(13)手轮机构；(14)动密封装置；(15)机械手；(16)配重；(17)两自由度轴承结构；(18)悬臂梁；(19)砝码；(20)摩擦球卡具或摩擦销；(21)备用接口；(22)杠杆结构；(23)竖直臂；(24)调理电路；(25)数据集采卡；(26)计算机。

具体实施方式

本发明的试验机由真空***、摩擦磨损***、动力传动***、控制***、数据采集处理***等主要部分组成。图1为本发明真空摩擦磨损试验机的结构示意图。如图1所示，所述试验机的真空***包括：真空室(1)，在真空室(1)的侧壁布置的至少一个观察窗(4)，用于连接真空泵的真空泵接口法兰(11)，备用接口(21)，以及用于配置功能部件的多个法兰，例如用于配置真空测量部件、安装真空照明灯、配备机械手、放气等的法兰；摩擦磨损***包括：用于固定上试样件卡具(20)的并可在水平和竖直两个方向自由旋转的杠杆结构(22)。用于固定下试样件(6)的试样平台(7)。其中上试样摩擦球或摩擦销(5)固定在上试样卡具(20)上，温度传感器(2)设置在上试样卡具(20)内部，压力传感器(3)设置于上试样卡具(20)上。所述杠杆结构(22)包括呈垂直设置的悬臂梁(18)和竖直臂(23)，悬臂梁(18)和竖直臂(23)通过两自由度轴承结构(17)连接。试样卡具(20)设置在悬臂梁(18)的一端部，在悬臂粱(18)与轴承结构(17)中设置有砝码盘(19)，在悬臂梁(18)的另一端设置有配重(16)，所述悬臂梁(18)可通过机械手(15)控制进行水平和竖直两方向的转动。竖直臂(23)放置于高精度位移平台(12)上，所述高精度位移平台(12)可通过手轮机构(13)控制进行水平方向上的精确移动，通过机械手(15)和手轮机构(13)的精确控制，可以控制悬臂梁(18)的位置，并实现摩擦接触点位置的精确调节。其中机械手(15)和手轮机构(13)分别通过动密封装置(14)贯通地安装于真空室(1)的外壳上；动力传动***包括：伺服电机(9)，伺服电机(9)通过磁流体联轴器(10)和旋转轴(8)带动所述试样平台(7)转动；控制***包括：用于测量真空室(1)内的真空度的复合真空计，以及用于控制分子泵、机械泵、高真空电磁挡板阀、摩擦试样平台(7)旋转和杠杆结构(18)的电动升降机等功能性部件的控制***；数据采集处理***包括：用于接收所述温度传感器(2)和压力传感器(3)的信号的数据采集卡(25)，数据采集卡(25)将采集到的信号传送到计算机(26)，并由配套的软件***对所采集到的数据进行分析处理、实时显示、生成曲线和实验报表。

下面将对本发明的多功能真空摩擦磨损试验机的各主要部分分别进行具体说明：

1、真空***

真空室1设计为立式圆柱形，真空室侧壁布置观察窗2件，其中一件用来观察上下试样之间的摩擦状况，另外一件用来观察摩擦位置调整平台的移动距离，即观察位移台上的精密刻度尺。布置压力传感器和温度传感器接口法兰两件。布置CF35法兰6件，1件用来安装真空室内照明灯，1件安装旁抽截止阀，2件用于真空测量，其余2件备用。配备机械手法兰1件，配备位移调整平台手轮驱动机构密封接口法兰一件。布置放气CF16法兰1件。真空室底板布置CF200真空抽气法兰1件。磁流体传动法兰1件。位移调整平台螺纹安装孔若干。摩擦悬臂梁放置支架螺纹安装孔若干。

真空室上端盖部分可以通过电动升降装置提起，以便于试样的装夹和摩擦水平位置的调整，真空室内表面化学抛光，外表面喷砂处理。

根据设计的真空室尺寸和极限真空度要求确定出真空***的具体配置：采用初级机械泵+涡轮分子泵构成无油真空机组。活动的上端盖采用氟橡胶密封，***漏率低于5×10^-10Pa·m³·s^-1，该套***有较高的抽速，从大气到极限真空度不超过1小时。

2、摩擦磨损***

本试验机采用球-盘滑动接触方式，也可将夹持上试样球的圆柱型上试样卡具(20)直接更换为固定圆柱销即可将摩擦接触方式切换为销-盘方式。上试样球(5)为

的9Cr18标准轴承钢球，下试样盘(6)为直径40-50mm，厚度8-10mm的圆盘，上试样球固定在可以在水平和竖直两个方向自由旋转的杠杆结构(22)(长度大约240mm)上，摩擦过程中上试样球置于盘上方并处于相对静止状态，下试样盘固定在试样平台(7)上并随着平台一起水平旋转。

加载方式为砝码加载，配备1-20N的各型砝码(19)若干，最大加载重量为30N。固定上试样球和砝码的整个机构安放在精密位移平台(12)上，可以在水平方向前后移动25mm，竖直方向上下移动15mm，摩擦磨损***部分结构图如图2所示。

在固定上试样球的卡具(20)的内部中空位置安装铠装热电偶(2)并在上试样卡具(20)上设置压力传感器(3)，用以采集摩擦过程中的温度变化和摩擦力，上试样卡具(20)的结构如图3所示。

3、动力传动***

为了在较宽的速度范围内精确模拟多种典型运动副的摩擦状况，选用高性能的伺服电机作为本试验机的动力输入***。

因摩擦试验过程中最大旋转半径为25mm，最大载荷为30N，当摩擦系数取最大值1时，计算可得摩擦过程中可能出现的最大扭矩T为25×10^-3m×30N×1＝0.75N·m，可反推电机所需功率P＝n×T/9549＝3000rpm×0.75N·m/9549＝0.236kW。为了保证***的安全可靠，选用额定扭矩为1.3N·m，额定转速3000rpm，功率400W的松下MHMD042P1U型伺服电机。

为了实现真空室内外的传动，特设计配备了磁流体联轴器，通过联轴器法兰和真空室对接实现可靠的动密封，泄漏率仅为1×10^-10Pa·m³·s^-1。

4、控制***

试验机要正常工作，各分***必须按照指定的参数运行，并依据实时的反馈信号进行交互调节。

在抽放气过程中用ZDF5227型数显复合真空计(含真空规管)进行真空度测量，并根据当前真空度来开启和关闭相应的真空泵；

配备一控制电源，主要控制分子泵、机械泵、高真空电磁挡板阀、摩擦样品台旋转、电动升降机等功能部件。给外来电源如分子泵电源、数显复合真空计电源等供电。

配备一中心分配水站及水压继电器对各分***进行供水，在水压不足时提供报警。

通过实时获取的各种试验参数，掌握试验状态，由配套的软硬件对试验过程进行交互控制，以保证设备的安全运行和试验结果的准确性。

5、数据采集处理***

因本试验机主要考察固体润滑材料的真空摩擦学性能，所以摩擦系数是一个重要指标，此外真空环境中摩擦温度较高，所以本试验机的输出数据主要为摩擦系数和摩擦温度两项。在软硬件的协调作用下，实验数据经调理电路(24)调制处理后，由数据采集卡(25)传入计算机(26)，并由配套的软件***对所得的数据分析处理、实时显示、生成曲线和实验报表，并可提供历史数据的查询和试验数据的打印。数据采集处理***的工作流程如图4所示。

每次试验开始前由电动升降装置打开真空室上盖，用机械手(15)将整个悬臂梁(18)推开并放置到相应支架上，将下试样盘(6)固定在旋转平台(7)上，卸下上试样卡具(20)，装入摩擦球(5)，***温度传感器(2)；在悬臂梁上挂上所需重量的砝码(19)；关闭真空室上盖，启动高速直联机械泵达到10^-1Pa的低真空，随后启动涡轮分子泵达到所需的真空度(最高6×10^-6Pa)；打开总控计算机，通过专用的软件***输入本次试验的试验时间，试样名称及编号，环境压强，运行时间，电机转速等；一边用机械手臂(15)撬动悬臂梁(18)，一边通过观察窗(4)观察，使得压力传感器(3)的顶针和承压头紧密接触；点击软件界面上的“开始”按钮，使伺服电机(9)迅速响应到设定速度，通过磁力联轴器(10)和旋转轴(8)将电机的运动转换为摩擦球(5)和下试样盘(6)的相对运动，达到指定时间后自动停机。在摩擦磨损试验过程中，上试样球在法向载荷作用下和下试样盘垂直接触，下试样转动时与球摩擦产生的切向摩擦力通过压力传感器(3)精确测量，并换算得到摩擦系数，摩擦会产生热量并使球试样温度升高，穿过上试样卡具并***摩擦球的热电偶(感温点距摩擦界面约1.5mm)发生温度变化，通过传热学计算可近似得知摩擦界面的实际温度，实验数据经调理电路(24)调制处理后，由数据采集卡(25)传入计算机(26)，并由配套的软件***对所得的数据分析处理、实时显示、生成曲线和实验报表，并可提供历史数据的查询和试验数据的打印。

虽然本发明已经参照多个实施例进行了描述，但本发明并不限于上述实施例，应当理解本领域技术人员能够对上述实施例中涉及的部件进行适当的组合形成新的实施例，在不脱离本发明原理的基础上进行的各种明显的修改和变化都应落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多功能真空摩擦磨损试验机，其主要由真空***、摩擦磨损***、动力传动***、控制***构成，

其中真空***包括：真空室(1)，在真空室(1)的侧壁布置的至少一个观察窗(4)，用于连接真空泵的真空泵接口法兰(11)，以及在顶盖上布置的配置功能部件的多个法兰；

摩擦磨损***包括：用于固定上试样件卡具(20)的并可在水平和竖直两个方向自由旋转的杠杆结构(22)，用于固定下试样盘(6)的试样平台(7)，其中上试样摩擦球或摩擦销(5)固定在上试样卡具(20)上，以及设置在上试样卡具(20)上的温度传感器(2)和压力传感器(3)；

动力传动***包括：伺服电机(9)，伺服电机(9)通过磁流体联轴器(10)和旋转轴(8)带动所述试样平台(7)和下试样盘(6)转动；

控制***包括：用于测量真空室(1)内的真空度的复合真空计，以及用于控制分子泵、机械泵、高真空电磁挡板阀、摩擦试样平台(7)旋转和杠杆结构(22)的电动升降机等功能性部件的控制***。

2.如权利要求1所述的真空摩擦磨损试验机，其特征在于，所述试样卡具(20)具有一中空部，所述温度传感器(2)通过中空部***上试样摩擦球或摩擦销(5)以接近摩擦界面。

3.如权利要求2所述的多功能真空摩擦磨损试验机，其特征在于，所述杠杆结构(22)包括呈垂直设置的悬臂梁(18)和竖直臂(23)，悬臂梁(18)和竖直臂(23)通过两自由度轴承结构(17)连接，试样卡具(20)设置在悬臂梁(18)的一端部，在悬臂粱(18)与轴承结构(17)之间三分之二处设置有砝码盘(19)，在悬臂梁(18)的另一端设置有配重(16)。

4.如权利要求3所述的多功能真空摩擦磨损试验机，其特征在于，还包括机械手(15)和手轮机构(13)，所述悬臂梁(18)可通过机械手(15)控制进行水平和竖直两个方向的转动，所述竖直臂(23)放置于高精度位移平台(12)上，所述高精度位移平台(12)可通过手轮机构(13)控制进行水平方向的精确移动，以调节摩擦接触点的位置，通过机械手(15)和手轮机构(13)的精确控制，可以控制悬臂梁(18)的位置并精确调节上下试样接触点的位置。

5.如权利要求4所述的多功能真空摩擦磨损试验机，其特征在于，所述机械手(15)和手轮机构(13)分别通过动密封装置(14)贯通地安装于真空室(1)的外壳上。

6.如权利要求1至5之一所述的多功能真空摩擦磨损试验机，其特征在于，所述真空摩擦磨损试验机还包括数据采集处理***和运动控制***，所述数据采集处理***包括：用于接收温度传感器(2)和压力传感器(3)的信号的数据采集卡(25)，数据采集卡(25)将采集到的信号传送到计算机(26)，并由配套的软件***对所采集到的数据进行分析处理、实时显示、生成曲线和实验报表，所述运动控制***包括软件***、单片机和伺服***。

7.如权利要求6所述的真空摩擦磨损试验机，其特征在于，所述真空摩擦摩损试验机包括分别通过真空泵接口法兰(11)与真空室(1)连接的高速直联机械泵和涡轮分子泵，通过先后启动所述高速直联机械泵和涡轮分子泵，可使真空室(1)内达到6×10^-6Pa的真空度。

8.如权利要求7所述的多功能真空摩擦磨损试验机，其特征在于，所述动力传动***的磁流体联轴器(10)通过联轴器法兰和真空室(1)对接实现可靠的动密封，其泄漏率小于1×10^-10Pa·m³·s^-1。

Images