專利名稱：封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)及實(shí)驗(yàn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種磨耗試驗(yàn)設(shè)備及方法，尤其涉及一種封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試 驗(yàn)機(jī)及實(shí)驗(yàn)方法。
背景技術(shù)：
可磨耗封嚴(yán)材料在密封結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用可以有效減少渦輪機(jī)械動(dòng)靜配副之間的氣 路損失，提高機(jī)械效率，其典型應(yīng)用是燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，包括航空發(fā)動(dòng)機(jī)、地面燃?xì)廨?機(jī)、船用燃?xì)廨啓C(jī)等。燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)封嚴(yán)結(jié)構(gòu)材料(包括封嚴(yán)涂層)在高速高溫氣流環(huán)境 中工作，要求很高的綜合性能，包括高溫結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及穩(wěn)定性、結(jié)合強(qiáng)度，抗沖蝕性能、抗熱震 性能等。封嚴(yán)材料的典型性能是可磨耗性能，即封嚴(yán)材料與高速轉(zhuǎn)動(dòng)部件發(fā)生摩擦作用時(shí)， 理想的封嚴(yán)材料會(huì)承受全部的磨損磨耗，轉(zhuǎn)動(dòng)部件(葉片或篦齒)不發(fā)生損傷或者可容忍的 損傷。封嚴(yán)結(jié)構(gòu)動(dòng)靜配副材料之間的刮削現(xiàn)象可以歸納為復(fù)雜、極端工況下固體與固體之 間的摩擦學(xué)問題，但是目前科學(xué)界對(duì)固-固摩擦的機(jī)理尚未形成完整、系統(tǒng)的理論，世界上 對(duì)封嚴(yán)材料可磨耗性能研究依然主要依靠試驗(yàn)技術(shù)。
自上世紀(jì)五十年代以來，針對(duì)航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)氣路密封以及可刮削封嚴(yán)涂層材料 的研究衍生出多種試驗(yàn)方法及相關(guān)設(shè)備如早期的硬度法與硬度劃痕法，后來發(fā)展出滑動(dòng) 磨損法、車削法、沖擊刮削法與單擺沖擊劃痕法，對(duì)應(yīng)的設(shè)備從前期傳統(tǒng)的的硬度測(cè)試儀發(fā) 展到后來的銷盤摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，后期的單擺沖擊試驗(yàn)機(jī)對(duì)封嚴(yán)材料的針對(duì)性更強(qiáng)，但是 它們的共同不足是與實(shí)際工況的高速刮擦磨損還有很大距離。
有研究表明，當(dāng)刮削線速度超過100m/S時(shí)，材料磨損磨耗機(jī)理會(huì)發(fā)生很大的轉(zhuǎn) 變。現(xiàn)有技術(shù)的滑動(dòng)型磨耗試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)方法并不能良好地符合實(shí)際裝置零件中的刮擦式 磨耗特性。因此，實(shí)際零部件中產(chǎn)生的摩擦磨損和試驗(yàn)得到的結(jié)果之間的一致性很差。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能模擬真實(shí)工況下的磨耗磨損、實(shí)際磨耗磨損與試驗(yàn)結(jié) 果一致性好的封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)及實(shí)驗(yàn)方法。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
本發(fā)明的封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)，包括輪盤、火焰加熱裝置、試樣工裝。 所述輪盤的邊緣部位設(shè)有模擬葉片，所述輪盤連接有主軸增速裝置，所述試樣工裝連接有 進(jìn)給裝置，所述試樣工裝的夾持端正對(duì)所述輪盤的邊緣部位，所述火焰加熱裝置的火焰噴 射端指向所述試樣工裝的夾持端。
本發(fā)明的上述的封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行封嚴(yán)涂層磨耗試驗(yàn)的方法， 包括步驟
將封嚴(yán)涂層試樣和基板安裝到試樣工裝上，調(diào)整涂層試樣至適合的位置，并確定 進(jìn)給動(dòng)作的原點(diǎn)；
操作控制軟件，使得輪盤及模擬葉片升速至目標(biāo)轉(zhuǎn)速并保持；
操作火焰加熱裝置，使得涂層試樣溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，并保持；操作控制軟件，使得進(jìn)給裝置控制涂層試樣以設(shè)定的進(jìn)給速率進(jìn)行徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；進(jìn)給完成，關(guān)閉各設(shè)備，拆卸模擬葉片及涂層試樣，對(duì)其稱重測(cè)量，并記錄數(shù)據(jù)；上述過程中包括以下試驗(yàn)參數(shù)制定由需要進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M的葉尖線速度，再根據(jù)輪盤-模擬葉片的直徑，換算成輪盤主軸轉(zhuǎn)速，即試驗(yàn)的主軸目標(biāo)轉(zhuǎn)速；由需要進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M的單次葉片-涂層刮削深度，再根據(jù)輪盤-主軸的轉(zhuǎn)速及輪盤安裝模擬葉片的數(shù)量計(jì)算得到每秒鐘刮削次數(shù)，單次刮削深度乘以每秒鐘刮削次數(shù)換算成涂層試樣進(jìn)給的速率；根據(jù)封嚴(yán)涂層使用溫度，制定需試驗(yàn)的涂層試樣加熱溫度。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實(shí)施例提供的封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)方法，由于包括輪盤、火焰加熱裝置、試樣工裝，輪盤的邊緣部位設(shè)有模擬葉片，輪盤連接有主軸增速裝置，試樣工裝連接有進(jìn)給裝置，試樣工裝的夾持端正對(duì)輪盤的邊緣部位，火焰加熱裝置的火焰噴射端指向試樣工裝的夾持端，可以模擬真實(shí)工礦下的磨耗磨損，較好地用于封嚴(yán)材料高溫高速工礦磨耗磨損機(jī)理的研究，同時(shí)可以測(cè)試各種類型封嚴(yán)材料的可磨耗性能，包括石墨基封嚴(yán)涂層、金屬基封嚴(yán)涂層、陶瓷基封嚴(yán)涂層等封嚴(yán)材料。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例中的主軸增速裝置的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例中的模擬葉片安裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例中的涂層試樣加熱部分結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實(shí)施例中模擬葉片-涂層試樣刮削磨損磨耗示意圖。圖中1、輪盤，2、配重塊，3、高速高溫火焰，4、模擬葉片，5、封嚴(yán)涂層試樣+基板，6、熱電偶，7、試樣工裝，8、水冷卻器，9、壓電測(cè)力儀，10、精密滾珠絲杠導(dǎo)軌平臺(tái)，11、精密行星齒輪減速器，12、伺服電機(jī)，13、手搖導(dǎo)軌，14、主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，15、大帶輪，16、皮帶，17、小帶輪，18、高速球軸承，19、柔性主軸，20、阻尼器，21、紅外測(cè)溫儀，22、銷釘，23、火焰擋板。
具體實(shí)施例方式下面將對(duì)本發(fā)明實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。本發(fā)明的封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)，其較佳的具體實(shí)施方式
如圖1至圖5所示包括輪盤、火焰加熱裝置、試樣工裝，所述輪盤的邊緣部位設(shè)有模擬葉片，所述輪盤連接有主軸增速裝置，所述涂層試樣工裝連接有進(jìn)給裝置，所述試樣工裝的夾持端正對(duì)所述輪盤的邊緣部位，所述火焰加熱裝置的火焰噴射端指向所述試樣工裝的夾持端。所述輪盤的邊緣部位與所述模擬葉片相對(duì)的一側(cè)設(shè)有配重塊，質(zhì)量與模擬葉片相同，以平衡離心力。
所述模擬葉片和配重通過銷釘或螺釘安裝到所述輪盤的邊緣，安裝方式簡(jiǎn)單可
O所述主軸增速裝置包括安裝在主驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸端的主動(dòng)大帶輪和安裝在柔性主軸上的從動(dòng)小帶輪，所述柔性主軸的另一端與所述輪盤連接，所述主動(dòng)大帶輪與從動(dòng)小帶輪之間通過皮帶連接，實(shí)現(xiàn)增速。所述柔性主軸裝有阻尼器，耗散主軸振動(dòng)能量，使輪盤在升速過程中能以較小的主軸振動(dòng)越過臨界轉(zhuǎn)速區(qū)，并能吸收磨耗過程中葉尖磨損產(chǎn)生的不平衡量引起的主軸振動(dòng)。所述進(jìn)給裝置包括由伺服電機(jī)和精密減速器驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠精密平臺(tái)和手搖導(dǎo)軌。所述試樣工裝設(shè)有熱電偶、紅外測(cè)溫儀、水冷卻器、火焰擋板。所述試樣工裝與所述進(jìn)給裝置之間設(shè)有壓電測(cè)力儀。所述火焰加熱裝置為氧氣-乙炔火焰燃燒裝置或者丙烷、煤氣、煤油、汽油與氧氣混合燃燒裝置。本發(fā)明的上述的封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行封嚴(yán)材料磨耗試的方法，其較佳的具體實(shí)施方式
包括步驟將封嚴(yán)涂層試樣+基板安裝到試樣工裝上，調(diào)整涂層試樣至適合的位置，并確定進(jìn)給動(dòng)作的原點(diǎn)；操作控制軟件，使得輪盤及模擬葉片升速至目標(biāo)轉(zhuǎn)速并保持；操作火焰加熱裝置，使得試樣溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，并保持；操作控制軟件，使得進(jìn)給裝置控制試樣以設(shè)定的進(jìn)給速率進(jìn)行徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；進(jìn)給完成，關(guān)閉各設(shè)備，拆卸模擬葉片及涂層試樣，對(duì)其稱重測(cè)量，并記錄數(shù)據(jù)；上述過程中包括以下試驗(yàn)參數(shù)制定由需要進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M的葉尖線速度，再根據(jù)輪盤-模擬葉片的直徑，換算成輪盤主軸轉(zhuǎn)速，即試驗(yàn)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速；由需要進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M的單次葉片-涂層刮削深度，再根據(jù)輪盤-主軸的轉(zhuǎn)速及輪盤安裝模擬葉片的數(shù)量得每秒鐘刮削次數(shù)，單次刮削深度乘以每秒鐘刮削次數(shù)換算成涂層試樣進(jìn)給的速率；根據(jù)封嚴(yán)涂層使用溫度，制定需試驗(yàn)的涂層試樣的加熱溫度。本發(fā)明可以用于測(cè)試渦輪機(jī)械氣路封嚴(yán)材料的可磨耗性能，尤其用于航空渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中封嚴(yán)材料，包括石墨基封嚴(yán)涂層、金屬基封嚴(yán)涂層陶瓷基封嚴(yán)涂層等封嚴(yán)材料的可磨耗性能。涉及封嚴(yán)材料可磨耗性能測(cè)試及磨耗機(jī)理研究，尤其是高速高溫磨耗磨損特性的研究。本發(fā)明包括兩個(gè)要素磨耗試驗(yàn)機(jī)和試驗(yàn)?zāi)ズ牡姆椒?。本發(fā)明的一個(gè)要素提供了一種磨耗試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)采用模擬葉片及封嚴(yán)涂層材料平面試樣作為試驗(yàn)對(duì)象，模擬葉片安裝在輪盤上，輪盤-模擬葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由高速平帶增速系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)至所需要的轉(zhuǎn)速，從而使得葉片葉尖達(dá)到所需線速度；涂層試樣安裝在試樣夾持工裝上面，由進(jìn)給伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)試樣部件徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，采用精密減速器+精密滾珠絲杠平臺(tái)，可以使得試樣進(jìn)行微米級(jí)穩(wěn)定的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，采用高溫高速氧氣-乙炔火焰加熱試樣，使得封嚴(yán)涂層試樣在進(jìn)行刮削試驗(yàn)時(shí)能夠達(dá)到所需試驗(yàn)溫度；
本發(fā)明的另一個(gè)要素提供了一整套封嚴(yán)材料磨耗試驗(yàn)方法，以旋轉(zhuǎn)葉片在一定的線速度運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下與涂層的徑向相對(duì)位移作為磨耗載荷，以“葉尖線速度”、“涂層溫度”、 “葉片-涂層入侵速率”作為三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的重要影響因素，通過對(duì)采集到的刮削力的變化及對(duì)刮削后涂層與葉片的磨損特性測(cè)試結(jié)果，考核葉片與涂層相對(duì)磨耗磨損的特性，同時(shí)可以為磨耗磨損機(jī)理研究提供有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)方法保證了可靠的模擬工礦的磨耗試驗(yàn)，可以獲得與實(shí)際封嚴(yán)結(jié)構(gòu)動(dòng)靜配副材料磨損磨耗特性相一致的結(jié)果。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于
1、發(fā)明設(shè)置模擬葉片-封嚴(yán)材料刮削磨耗形式，使得試樣及模擬葉片具有等同于實(shí)際渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中封嚴(yán)配副的磨耗特性。
2、本發(fā)明的模擬葉片葉尖線速度能夠在高達(dá)300m/s的狀態(tài)下進(jìn)行試驗(yàn)，該線速度能夠模擬大多數(shù)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中的高速線速度要求。
3、本發(fā)明裝置能夠進(jìn)行“單葉片+配重塊”或者多葉片形式的磨耗試驗(yàn)。
4、本發(fā)明裝置能夠使得涂層試樣在進(jìn)給速率1. 5-2250 μ m/s的范圍內(nèi)無級(jí)調(diào)節(jié)， 由于采用伺服電機(jī)+高速比精密減速器，在保證進(jìn)給速率滿足模擬渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)各種工況下的磨耗特性的同時(shí)，也保證了進(jìn)給速率的穩(wěn)定性和試驗(yàn)的可靠性。
5、本發(fā)明裝置能夠使得涂層試樣在800° C的狀態(tài)下進(jìn)行高達(dá)300m/s的磨耗試驗(yàn)， 滿足了大多數(shù)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)中封嚴(yán)材料的試驗(yàn)要求。
以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此， 任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換， 都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)，其特征在于，包括輪盤、火焰加熱裝置、試樣工裝，所述輪盤的邊緣部位設(shè)有模擬葉片，所述輪盤連接有主軸增速裝置，所述試樣工裝連接有進(jìn)給裝置，所述試樣工裝的夾持端正對(duì)所述輪盤的邊緣部位，所述火焰加熱裝置的火焰噴射端指向所述試樣工裝的夾持端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)，其特征在于，所述輪盤的邊緣部位與所述模擬葉片相對(duì)的一側(cè)設(shè)有配重塊。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)，其特征在于，所述模擬葉片和配重塊通過銷釘或鏍釘安裝到所述輪盤的邊緣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)，其特征在于，所述主軸增速裝置包括安裝在主驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出軸端的主動(dòng)大帶輪和安裝在柔性主軸上的從動(dòng)小帶輪，所述柔性主軸的一端與所述輪盤連接，所述主動(dòng)大帶輪與從動(dòng)小帶輪之間通過皮帶連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)，其特征在于，所述柔性主軸中間支承處安裝有阻尼器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)，其特征在于，所述進(jìn)給裝置包括由伺服電機(jī)和精密減速器驅(qū)動(dòng)的滾珠絲杠精密平臺(tái)和手搖導(dǎo)軌。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)，其特征在于，所述試樣工裝設(shè)有熱電偶、紅外測(cè)溫儀、水冷卻器、火焰擋板。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)，其特征在于，所述試樣工裝與所述進(jìn)給裝置之間設(shè)有壓電測(cè)力儀。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)，其特征在于，所述火焰加熱裝置為氧氣一乙炔火焰燃燒裝置或者丙烷、煤氣、煤油、汽油與氧氣混合燃燒裝置。
10.一種權(quán)利要求1至9任一項(xiàng)所述的封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行封嚴(yán)材料磨耗試的方法，其特征在于，包括步驟 將封嚴(yán)涂層試樣+基板安裝到試樣工裝上，調(diào)整涂層試樣至適合的位置，并確定進(jìn)給動(dòng)作的原點(diǎn)； 操作控制軟件，使得輪盤及模擬葉片升速至目標(biāo)轉(zhuǎn)速并保持； 操作火焰加熱裝置，使得試樣溫度達(dá)到目標(biāo)溫度，并保持； 操作控制軟件，使得進(jìn)給裝置控制試樣以設(shè)定的進(jìn)給速率進(jìn)行徑向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)； 進(jìn)給完成，關(guān)閉各設(shè)備，拆卸模擬葉片及試樣，對(duì)其稱重測(cè)量，并記錄數(shù)據(jù)； 上述過程中包括以下試驗(yàn)參數(shù)制定 由需要進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M的葉尖線速度，再根據(jù)輪盤-模擬葉片的直徑，換算成輪盤主軸轉(zhuǎn)速，即試驗(yàn)的目標(biāo)轉(zhuǎn)速； 由需要進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M的單次葉片-涂層刮削深度，再根據(jù)輪盤-主軸的轉(zhuǎn)速及輪盤安裝模擬葉片的數(shù)量得每秒鐘刮削次數(shù)，單次刮削深度乘以每秒鐘刮削次數(shù)換算成涂層試樣進(jìn)給的速率； 根據(jù)封嚴(yán)涂層使用溫度，制定需試驗(yàn)的涂層試樣加熱溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種封嚴(yán)涂層高速高溫可磨耗試驗(yàn)機(jī)及試驗(yàn)方法，包括輪盤、火焰加熱裝置、涂層試樣工裝。輪盤的邊緣部位設(shè)有模擬葉片，輪盤連接有主軸增速裝置。涂層試樣工裝連接有進(jìn)給裝置，試樣工裝的夾持端正對(duì)輪盤的邊緣部位?；鹧婕訜嵫b置的火焰噴射端指向涂層試樣工裝的夾持端?？梢阅M真實(shí)工況下的磨耗磨損，較好地用于封嚴(yán)材料高溫高速工況下磨耗磨損機(jī)理的研究，同時(shí)可以測(cè)試各種類型封嚴(yán)材料的可磨耗性能，包括石墨基封嚴(yán)涂層、金屬基封嚴(yán)涂層、陶瓷基封嚴(yán)涂層等封嚴(yán)材料。
文檔編號(hào)G01N3/56GK103018124SQ201210496279
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者于月光, 宣海軍, 任先京, 沈婕, 章德銘, 孫建剛, 國俊豐, 張娜, 劉振波, 劉建明, 楊永祺, 魯秋源 申請(qǐng)人:北京礦冶研究總院, 浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所