專利名稱：多功能高溫高速摩擦磨損實驗機及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種摩擦磨損實驗機，尤其涉及一種多功能高溫高速摩擦磨損實驗機及方法。
背景技術(shù)：
航空渦輪發(fā)動機封嚴結(jié)構(gòu)材料(包括封嚴涂層)在超高速高溫氣流環(huán)境中工作，要求很高的綜合性能。封嚴結(jié)構(gòu)動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)界對固-固摩擦的機理尚未形成完整、系統(tǒng)的理論，對封嚴材料可磨耗性能研究依然主要依靠試驗技術(shù)。有研究表明，當刮削線速度超過100m/S時，材料摩擦磨損機理會發(fā)生很大的轉(zhuǎn)變，現(xiàn)有技術(shù)的滑動型磨耗試驗機和試驗方法并不能良好地符合實際裝置中零件的刮擦式磨耗特性。因此，實際零部件中產(chǎn)生的摩擦磨損和試驗得到的結(jié)果之間的一致性很差。鈦合金由于具有高的比強度、抗蝕性和耐熱性等優(yōu)異性能而在航空發(fā)動機工業(yè)中獲得了廣泛應(yīng)用。目前，世界上大約3/4鈦合金用于航空航天和軍工產(chǎn)品。我國先進戰(zhàn)機的動力裝置，也不可避免地采用了大量的鈦合金，其中壓氣機部件的大部分零件就采用了鈦合金材料。但是，鈦及普通鈦合金存在致命的持續(xù)燃燒敏感問題，有容易著火燃燒的特性，會導(dǎo)致鈦火故障。著火的原因是:在沒有封嚴涂層或是機匣上的封嚴涂層磨穿情況下，葉片與機匣摩擦而著火。有研究表明，當刮擦線速度逐漸提高時，阻燃材料的阻燃機理會逐漸地轉(zhuǎn)變，特別在刮擦線速度超過lOOm/s時，而現(xiàn)有試驗設(shè)備不能良好地模擬實際裝置運行環(huán)境下的高速旋轉(zhuǎn)動部件和靜止部件之間的刮擦特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種能模擬真實工況下的多功能高溫高速摩擦磨損實驗機及實際摩擦磨損與試驗結(jié)果一致性好的摩擦磨損的實驗方法。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:本發(fā)明的多功能高溫高速摩擦磨損實驗機,包括主軸動力系統(tǒng)、徑向微進給系統(tǒng)、軸向微進給系統(tǒng)、火焰加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；所述主軸動力系統(tǒng)包括輪盤，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，所述輪盤的邊緣部位與所述模擬葉片相對的一側(cè)設(shè)有配重塊；所述軸向微進給系統(tǒng)包括第一試樣工裝，所述第一試樣工裝的夾持端正對所述輪盤的端面；所述徑向微進給系統(tǒng)包括第二試樣工裝，所述第二試樣工裝的夾持端正對所述輪盤的邊緣部位；所述火焰加熱系統(tǒng)的火焰噴射端指向所述第二試樣工裝的夾持端。本發(fā)明的上述的多功能高溫高速摩擦磨損實驗機進行摩擦磨損實驗的方法，包括以下任一種或兩種方式:
方式一，包括步驟:將實驗件安裝在徑向進給系統(tǒng)的第二試樣工裝上，調(diào)整實驗件至適合的位置，并確定徑向進給動作的原點；操作主軸動力系統(tǒng)，使得輪盤及模擬葉片升速至目標轉(zhuǎn)速并保持；操作火焰加熱系統(tǒng)，使得實驗件溫度達到目標溫度，并保持；操作徑向進給系統(tǒng)，使得實驗件以設(shè)定的速率進行徑向進給；進給完成，關(guān)閉各設(shè)備，拆卸模擬葉片及實驗件，對其稱重測量，并記錄數(shù)據(jù)。方式二:將實驗件安裝在軸向進給系統(tǒng)的第一試樣工裝上，調(diào)整實驗件至適合的位置，并確定進給動作的原點；操作主軸動力系統(tǒng)，使得輪盤及模擬葉片升速至目標轉(zhuǎn)速并保持；操作軸向進給系統(tǒng)，使得實驗件以設(shè)定的速率進行軸向進給；進給完成，關(guān)閉各設(shè)備，拆卸模擬葉片及實驗件，對其稱重測量，并記錄數(shù)據(jù)。由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的多功能高溫高速摩擦磨損實驗機及方法，主軸動力系統(tǒng)可以通過皮帶增速實現(xiàn)驅(qū)動輪盤高速旋轉(zhuǎn)，輪盤邊緣部位設(shè)有模擬葉片，葉尖線速度可以達到350m/s，可對徑向進給實驗件實現(xiàn)刮擦，火焰加熱裝置對實驗件進行加熱，達到實驗件實際工作溫度。可模擬航空發(fā)動機的真實工況，較好地用于封嚴材料超高速高溫工況下磨耗磨損機理的研究，測試各種類型封嚴材料的可磨耗性能；進行發(fā)動機防鈦火實驗等。軸向進給機構(gòu)可帶動塊狀、環(huán)狀、銷狀試驗件進行軸向進給，與輪盤實現(xiàn)超高速對磨，可模擬火車軌道、高速磨床、鐵路高速列車剎車裝置等的高速摩擦磨損工況，進行摩擦磨損機理的研究。


圖1為本發(fā)明實施例提供的多功能高溫高速摩擦磨損實驗機的立面結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例提供的多功能高溫高速摩擦磨損實驗機的平面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖2的A向結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實施例中的模擬葉片安裝結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為本發(fā)明實施例中的加熱部分結(jié)構(gòu)示意圖。圖中:1、主驅(qū)動電機，2、主動輪，3、高速平帶，4、從動輪，5、高速球軸承，6、柔性主軸，7、橡膠阻尼器，8、第一試樣工裝,9、第一水冷卻器,10、第一壓電測力儀,11、第一精密滾珠絲杠導(dǎo)軌平臺，12、第一精密行星齒輪減速器,13、第一伺服電機,14、第一手搖導(dǎo)軌,15、紅外測溫儀，16、第一試驗件，17、第一熱電偶，18、輪盤，19、配重，20、高速高溫火焰，21、模擬葉片，22、第二試驗件，23、第二熱電偶，24、第二試樣工裝，25、第二水冷卻器，26、第二壓電測力儀，27、第二精密滾珠絲杠導(dǎo)軌平臺，28、第二精密行星齒輪減速器，29、第二伺服電機，30、第二手搖導(dǎo)軌，31、銷釘，32、火焰導(dǎo)流擋板，33、擋板。
具體實施例方式下面將對本發(fā)明實施例作進一步地詳細描述。本發(fā)明的多功能高溫高速摩擦磨損實驗機，其較佳的具體實施方式
如圖1、圖2所示:包括主軸動力系統(tǒng)、徑向微進給系統(tǒng)、軸向微進給系統(tǒng)、火焰加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；所述主軸動力系統(tǒng)包括輪盤，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，所述輪盤的邊緣部位與所述模擬葉片相對的一側(cè)設(shè)有配重塊；所述軸向微進給系統(tǒng)包括第一試樣工裝，所述第一試樣工裝的夾持端正對所述輪盤的端面；如圖3所示，所述徑向微進給系統(tǒng)包括第二試樣工裝，所述第二試樣工裝的夾持端正對所述輪盤的邊緣部位；如圖4所示，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。如圖5所示，所述火焰加熱系統(tǒng)的火焰噴射端指向所述第二試樣工裝的夾持端。再參見圖1至圖5，所述主軸增速裝置包括安裝在主驅(qū)動電機輸出軸端的主動大帶輪和安裝在柔性主軸上的從動小帶輪，所述柔性主軸的另一端與所述輪盤連接，所述主動大帶輪與從動小帶輪之間通過高速帶增速傳動。所述柔性主軸中間支承處安裝有橡膠阻尼器。所述軸向微進給系統(tǒng)包括由第一伺服電機和第一精密減速器驅(qū)動的第一滾珠絲杠精密平臺和第一手搖導(dǎo)軌；所述徑向微進給系統(tǒng)包括由第二伺服電機和第二精密減速器驅(qū)動的第二滾珠絲杠精密平臺和第二手搖導(dǎo)軌。所述第一試樣工裝設(shè)有第一熱電偶、第一水冷卻器；所述第二試樣工裝設(shè)有第二熱電偶、紅外測溫儀、第二水冷卻器、火焰擋板。所述第一試樣工裝第一壓電測力儀；所述第二試樣工裝設(shè)有第二壓電測力儀。所述火焰加熱系統(tǒng)包括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。本發(fā)明的上述的多功能高溫高速摩擦磨損實驗機進行摩擦磨損實驗的方法，其較佳的具體實施方式
包括以下任一種或兩種方式:方式一，包括步驟:將實驗件安裝在徑向進給系統(tǒng)的第二試樣工裝上，調(diào)整實驗件至適合的位置，并確定徑向進給動作的原點；操作主軸動力系統(tǒng)，使得輪盤及模擬葉片升速至目標轉(zhuǎn)速并保持；操作火焰加熱系統(tǒng)，使得實驗件溫度達到目標溫度，并保持；操作徑向進給系統(tǒng)，使得實驗件以設(shè)定的速率進行徑向進給；進給完成，關(guān)閉各設(shè)備，拆卸模擬葉片及實驗件，對其稱重測量，并記錄數(shù)據(jù)；方式二:將實驗件安裝在軸向進給系統(tǒng)的第一試樣工裝上，調(diào)整實驗件至適合的位置，并確定進給動作的原點；操作主軸動力系統(tǒng)，使得輪盤及模擬葉片升速至目標轉(zhuǎn)速并保持；操作軸向進給系統(tǒng)，使得實驗件以設(shè)定的速率進行軸向進給；進給完成，關(guān)閉各設(shè)備，拆卸模擬葉片及實驗件，對其稱重測量，并記錄數(shù)據(jù)；
上述實驗過程中包括以下試驗參數(shù)制定:由需要進行試驗?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，即試驗的目標轉(zhuǎn)速；由需要進行試驗?zāi)M的單次葉片-實驗件刮削深度，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)換算成實驗件進給的速率；根據(jù)實驗件實際使用溫度，制定試驗的加熱溫度。本發(fā)明可以用于測試渦輪機械氣路封嚴材料的可磨耗性能，尤其用于航空渦輪發(fā)動機中封嚴材料，包括石墨基封嚴涂層、金屬基封嚴涂層陶瓷基封嚴涂層等封嚴材料的可磨耗性能。涉及封嚴材料可磨耗性能測試及磨耗機理研究，尤其是高速高溫磨耗磨損特性的研究。本發(fā)明可以用于高溫高速防鈦火材料特性測試試驗，該試驗機采用模擬葉片及防鈦火材料平面對磨刮擦試樣作為試驗對象，模擬葉片安裝在輪盤上，輪盤-模擬葉片轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由驅(qū)動部分驅(qū)動至所需要的轉(zhuǎn)速，從而使得葉片葉尖達到所需線速度；對磨實驗件安裝在試樣工裝上面，由微進給機構(gòu)驅(qū)動試樣部件徑向進給運動，采用精密滾珠絲杠平臺，可以使得實驗件進行微米級穩(wěn)定的進給運動。使得試驗機達到模擬發(fā)動機工況條件的要求。本發(fā)明可以用于高鐵軌道、高速磨床等對磨試驗，研究摩擦磨損機理。輪盤轉(zhuǎn)子系統(tǒng)由驅(qū)動部分驅(qū)動至所需要的轉(zhuǎn)速，對磨實驗件安裝在試樣工裝上面，由微進給機構(gòu)驅(qū)動試樣部件軸向進給運動，采用精密滾珠絲杠平臺，可以使得實驗件進行微米級穩(wěn)定的進給運動。使得試驗機達到模擬真實工況的要求。本發(fā)明包括兩個要素:多功能摩擦磨損試驗機和摩擦磨損的實驗方法。本發(fā)明的一個要素提供了一種摩擦磨損試驗機，該試驗機采用模擬葉片及實驗件平面作為試驗對象，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)動至所需要的轉(zhuǎn)速，從而使得葉片葉尖達到所需線速度；實驗件安裝在試樣夾持工裝上面，由進給伺服系統(tǒng)驅(qū)動試樣部件徑向進給運動，采用精密減速器+精密滾珠絲杠平臺，可以使得試樣進行微米級穩(wěn)定的進給運動；同時，采用高溫高速氧氣-乙炔火焰加熱試樣，使得封嚴涂層試樣在進行刮削試驗時能夠達到所需試驗溫度。進行封嚴涂層摩擦磨損實驗及防鈦火實驗。該試驗機采用模擬高鐵列車鋼軌及車輪為對磨副及高速磨床與加工件為對磨副的對磨實驗。其中一個對磨實驗件安裝在試樣夾持工裝上，由進給伺服系統(tǒng)驅(qū)動對磨實驗件軸向進給運動，與輪盤端面進行對磨；可進行高鐵鐵軌及高速磨床等摩擦磨損的機理研究。本發(fā)明的另一個要素提供了一整套磨耗試驗方法，以旋轉(zhuǎn)葉片在一定的線速度運動狀態(tài)下與涂層的徑向相對位移作為磨耗載荷，以“葉尖線速度”、“涂層溫度”、“葉片-涂層單次刮削量”作為三個相對獨立的重要影響因素，考核葉片與涂層相對磨耗磨損的特性，同時可以為磨耗磨損機理研究提供有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。以旋轉(zhuǎn)輪盤在一定的線速度運動狀態(tài)下與實驗件的軸向相對運動，研究高鐵鐵軌及高速磨床的摩擦、磨損機理。實驗設(shè)備及試驗方法保證了模擬實際工況的摩擦磨損試驗，可以獲得與實際對磨副磨損磨耗特性相一致的結(jié)果O
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于:1、發(fā)明設(shè)置模擬葉片-封嚴材料刮削磨耗形式，使得實驗件及模擬葉片具有等同于實際渦輪發(fā)動機中封嚴配副的磨耗特性。2、本發(fā)明的模擬葉片葉尖線速度能夠在高達350m/s的狀態(tài)下進行試驗，該線速度能夠模擬大多數(shù)渦輪發(fā)動機中的超高線速度要求。3、本發(fā)明設(shè)備有徑向微進給系統(tǒng)、軸向微進給系統(tǒng)，可實現(xiàn)兩個方向的對磨實驗。4、本發(fā)明裝置能夠進行“單葉片+配重”或者多葉片形式的磨耗試驗。5、本發(fā)明裝置能夠使得試樣在進給速率1.5-2250 μ m/s的范圍內(nèi)無級調(diào)節(jié)，由于采用伺服電機+高速比精密減速器，在保證進給速率滿足模擬渦輪發(fā)動機或高鐵列車等各種工況下的磨耗特性的同時，也保證了進給速率的穩(wěn)定性和試驗的可靠性。6、本發(fā)明裝置能夠使得試樣在800°C的狀態(tài)下進行高達300m/s的磨耗試驗，滿足了大多數(shù)渦輪發(fā)動機、高鐵、高速磨床等試驗要求。7、本發(fā)明裝置能夠進行環(huán)摩擦、面摩擦及錐摩擦等高速摩擦。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式
，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，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)明的保護范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種多功能高溫高速摩擦磨損實驗機，其特征在于，包括主軸動力系統(tǒng)、徑向微進給系統(tǒng)、軸向微進給系統(tǒng)、火焰加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)； 所述主軸動力系統(tǒng)包括輪盤，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，所述輪盤的邊緣部位與所述模擬葉片相對的一側(cè)設(shè)有配重塊； 所述軸向微進給系統(tǒng)包括第一試樣工裝，所述第一試樣工裝的夾持端正對所述輪盤的端面； 所述徑向微進給系統(tǒng)包括第二試樣工裝，所述第二試樣工裝的夾持端正對所述輪盤的邊緣部位； 所述火焰加熱系統(tǒng)的火焰噴射端指向所述第二試樣工裝的夾持端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能高溫高速摩擦磨損實驗機，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。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多功能高溫高速摩擦磨損實驗機，其特征在于，所述主軸增速裝置包括安裝在主驅(qū)動電機輸出軸端的主動大帶輪和安裝在柔性主軸上的從動小帶輪，所述柔性主軸的另一端與所述輪盤連接，所述主動大帶輪與從動小帶輪之間通過高速平帶連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的多功能高溫高速摩擦磨損實驗機，其特征在于，所述柔性主軸中間支承處安裝有橡膠阻尼器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多功能高溫高速摩擦磨損實驗機，其特征在于，所述軸向微進給系統(tǒng)包括由第一伺服電機和第一精密減速器驅(qū)動的第一滾珠絲杠精密平臺和第一手搖導(dǎo)軌； 所述徑向微進給系統(tǒng)包括由第二伺服電機和第二精密減速器驅(qū)動的第二滾珠絲杠精密平臺和第二手搖導(dǎo)軌。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多功能高溫高速摩擦磨損實驗機，其特征在于，所述第一試樣工裝設(shè)有第一熱電偶、第一水冷卻器； 所述第二試樣工裝設(shè)有第二熱電偶、紅外測溫儀、第二水冷卻器、火焰擋板。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多功能高溫高速摩擦磨損實驗機，其特征在于，所述第一試樣工裝第一壓電測力儀；所述第二試樣工裝設(shè)有第二壓電測力儀。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多功能高溫高速摩擦磨損實驗機，其特征在于，所述火焰加熱系統(tǒng)包括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。
9.一種權(quán)利要求1至8任一項所述的多功能高溫高速摩擦磨損實驗機進行摩擦磨損實驗的方法，其特征在于，包括以下任一種或兩種方式: 方式一，包括步驟: 將實驗件安裝在徑向進給系統(tǒng)的第二試樣工裝上，調(diào)整實驗件至適合的位置，并確定徑向進給動作的原點； 操作主軸動力系統(tǒng)，使得輪盤及模擬葉片升速至目標轉(zhuǎn)速并保持； 操作火焰加熱系統(tǒng)，使得實驗件溫度達到目標溫度，并保持； 操作徑向進給系統(tǒng)，使得實驗件以設(shè)定的速率進行徑向進給； 進給完成，關(guān)閉各設(shè)備，拆卸模擬葉片及實驗件，對其稱重測量，并記錄數(shù)據(jù)； 方式二:將實驗件安裝在軸向進給系統(tǒng)的第一試樣工裝上，調(diào)整實驗件至適合的位置，并確定進給動作的原點； 操作主軸動力系統(tǒng)，使得輪盤及模擬葉片升速至目標轉(zhuǎn)速并保持； 操作軸向進給系統(tǒng)，使得實驗件以設(shè)定的速率進行軸向進給； 進給完成，關(guān)閉各設(shè)備，拆卸模擬葉片及實驗件，對其稱重測量，并記錄數(shù)據(jù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多功能高溫高速摩擦磨損實驗方法，其特征在于: 實驗過程中包括以下試驗參數(shù)制定: 由需要進行試驗?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，即試驗的目標轉(zhuǎn)速； 由需要進行試驗?zāi)M的單次葉片-實驗件刮削深度，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)換算成實驗件進給的速率； 根據(jù)實驗件實際使用溫度，制定試驗的加熱溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多功能高溫高速摩擦磨損實驗機及方法，包括主軸動力系統(tǒng)、徑向微進給系統(tǒng)、軸向微進給系統(tǒng)、火焰加熱系統(tǒng)和控制系統(tǒng)；主軸動力系統(tǒng)包括輪盤，輪盤的邊緣部位設(shè)有模擬葉片；主軸動力系統(tǒng)可以通過皮帶增速實現(xiàn)驅(qū)動輪盤帶動模擬葉片以350m/s的葉尖速度高速旋轉(zhuǎn)，輪盤邊緣部位的模擬葉片可對徑向進給實驗件實現(xiàn)刮擦，火焰加熱裝置對實驗件進行加熱，達到實驗件實際工作溫度，可測試各種類型封嚴材料的可磨耗性能，進行發(fā)動機防鈦火實驗等；軸向進給機構(gòu)可帶動塊狀、環(huán)狀、銷形實驗件進行軸向進給，與輪盤實現(xiàn)超高速對磨，可模擬火車軌道及磨床等的高速摩擦磨損工況，進行摩擦磨損機理的研究。
文檔編號G01N3/56GK103196765SQ20131007698
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月11日
發(fā)明者于月光, 宣海軍, 任先京, 沈婕, 孫建剛, 章德銘, 國俊豐, 張娜, 李國強, 劉建明, 楊永祺, 魯秋源 申請人:北京礦冶研究總院, 浙江大學(xué)化工機械研究所