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一种液体润滑圆环摩擦磨损实验装置及测量方法.pdf

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一种 液体 润滑 圆环 摩擦 磨损 实验 装置 测量方法
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摘要
申请专利号:

CN201910033713

申请日:

20190115

公开号:

CN109490127A

公开日:

20190319

当前法律状态:

实质审查的生效

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效
IPC分类号: G01N3/56;G01N3/06 主分类号: G01N3/56;G01N3/06
申请人: 江西省科学院应用物理研究所
发明人: 程香平;张友亮;康林萍;王德;韦江
地址: 330029 江西省南昌市青山湖区上坊路382号
优先权:
专利代理机构: 36122 代理人: 姚伯川
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法律状态
申请(专利)号:

CN201910033713

授权公告号:

法律状态公告日:

20190412

法律状态类型:

实质审查的生效

摘要

一种液体润滑圆环摩擦磨损实验装置及测量方法,所述装置包括上夹具(1)、下夹具(5)、上试件(2)、下试件(4)、静主轴、动主轴、套筒(6)、驱动系统、辅助系统、测试系统、计算机控制系统和数据分析系统。由上试件与下试件构成的环?环动静摩擦副分别安装在上夹具和下夹具上;上夹具安装在静主轴上,下夹具安装在动主轴上,通过动主轴带动下夹具旋转,通过下夹具带动下试件旋转,实现上试件与下试件面接触的旋转对摩。所述方法包括:摩擦磨损副的温度测试;泄漏量测试;摩擦系数测量。本发明实验装置的测试系统能够在线测量不同种类的液体润滑摩擦副的泄漏量、磨擦面温升、实时摩擦系数和表面的磨损量。

权利要求书

1.一种液体润滑圆环摩擦磨损实验装置,其特征在于,所述装置包括上夹具、下夹具、上试件、下试件、静主轴、动主轴、套筒、驱动系统、辅助系统、测试系统、计算机控制系统和数据分析系统; 所述上试件为静圆环,下试件为动圆环;由上试件与下试件构成的环-环动静摩擦副分别安装在上夹具和下夹具上;上夹具安装在静主轴上,下夹具安装在动主轴上,通过动主轴带动下夹具旋转,通过下夹具带动下试件旋转,实现上试件与下试件面接触的旋转对摩;所述静主轴的中?#21335;?#19982;动主轴的中?#21335;?#37325;合于同一垂直线; 所述驱动系统用于驱动动主轴;所述辅助系统用于向环-环动静摩擦副提供润滑液体介质;所述测试系统用于准?#20961;?#38598;各种表面接触的摩擦扭矩,实验中方便调节轴转速、自由加载和改变封闭腔体的压力;所述计算机控制系统对驱动系统和测试系统进行控制,实验数据由数据分析系统进行处理。 2.根据权利要求1所述的一种液体润滑圆环摩擦磨损实验装置,其特征在于,所述上试件静圆环由上夹具固定于静主轴?#21335;?#31471;;下试件动圆环?#19978;?#22841;具固定于套筒内,套筒安装在动主轴上;动主轴通过驱动系统驱动其旋转;通过静主轴增减负载,通过安装于静主轴侧面处的第一压力传感器准确测量出动、静摩擦副的旋转摩擦力矩。 3.根据权利要求2所述的一种液体润滑圆环摩擦磨损实验装置,其特征在于,所述动圆环和静圆环分别通过上夹具和下夹具的螺栓紧密固定在一起,可自由拆卸,上夹具、下夹具分别密封固定于上面的静主轴和下面的动主轴上;所述动圆环、静圆环与上夹具、下夹具以及O形密封圈所构成的密闭体内,静圆环通过销钉分别与上夹具及中间的固定挡板相连接;密闭腔体中的上夹具面上开有液体进入口,套筒?#21335;?#37096;开有出水孔,静圆环弯折处开有测温孔,而测温孔的深度距离被测表面1~2mm。 4.根据权利要求2所述的一种液体润滑圆环摩擦磨损实验装置,其特征在于,所述静主轴为静止的上细下粗的阶梯形轴,静主轴?#21335;?#36724;端安装球轴承,静主轴的?#31181;?#31471;安装深沟球轴承;轴承座和静主轴间采用螺栓进行紧固,以保证自由的加载负荷。 5.根据权利要求3所述的一种液体润滑圆环摩擦磨损实验装置,其特征在于,所述套筒下?#24247;?#20986;水孔泄漏出的液体介质,由出水管汇集后引入测量器皿中,并放置在精度很高的电子分析天平上,并用数据线将其与计算机相连接,每间隔一定时间读取相应数据,即得到泄漏量。 6.根据权利要求1所述的一种液体润滑圆环摩擦磨损实验装置,其特征在于,所述辅助系统包括压缩机、高?#26500;?#36947;、调节阀门、储液罐和循环泵;压缩机通过第二高?#26500;?#36947;和第一调节阀连接储液罐上部;第一高?#26500;?#36947;通过第二调节阀连接储液罐中部;储液罐下?#23458;?#36807;第三调节阀和第三高?#26500;?#36947;连?#21451;?#29615;泵;循环泵的出口通过管道连接上夹具的进水孔; 所述辅助系统,利用压缩机?#28304;?#28082;罐进行?#21451;梗?#23558;有压润滑介质供给密闭腔体,保证两摩擦端面间有充足的润滑液体,提供整个系统的供液需求。 7.根据权利要求1所述的一种液体润滑圆环摩擦磨损实验装置,其特征在于,所述驱动系统包括交流变频电机、同步带轮和皮带,所述交流变频电机固定在底部支架上,交流变频电机通过皮带与固定在动主轴上的同步带轮相连接,从而带动动主轴进而带动下试件做旋转运动。 8.根据权利要求1所述的一种液体润滑圆环摩擦磨损实验装置,其特征在于,所述测试系统包括第一压力传感器第二压力传感器、传力臂、平衡杆和负载;所述平衡杆的支点为静主轴顶端的小球,平衡杆的一端固定但可绕该端点旋转,平衡杆的另一端悬吊负载;所述传力臂一端垂直安装在静主轴的侧面上,测力臂的另一端连接第一压力传感器;测量试件运转过程中的两摩擦副的摩擦扭矩。 9.根据权利要求1所述的一种液体润滑圆环摩擦磨损实验装置,其特征在于,所述装置适用于液体润滑圆盘摩擦磨损及端面密封实验。 10.一种液体圆环润滑摩擦磨损性能测量方法,其特征在于,所述方法步骤如下: (1)摩擦磨损副的温度测试:在静圆环背面均匀开几个孔,各个孔距摩擦副表面均为1.2mm,在每个孔中分别插入热电?#23478;圆?#37327;磨擦表面不同点的温度并上传至电脑,最终取各点的平均值作为摩擦副面的温度; (2)泄漏量测试:将泄漏出的液体介质通过下面的排液孔排出,将其用软管收集引入测量器皿中,并放置在精度很高的电子分析天平上,用数据线将电子分析天平和计算机相连接,每隔一段时间读取记录数据,即可得到泄漏量; (3)摩擦系数测量:所述与静圆环连接的静主轴和金属测力臂相连,金属测力臂又与压力传感器连接;测试时,摩擦磨损接触面的摩擦扭矩和压力传感器所测力计算出的力矩保持平衡,已知力传感器与动主轴间的垂直力臂距离,即可计算得出其摩擦扭矩M=F×R;已知接触面的面积和摩擦扭矩,通过再次计算可得到摩擦系数,并由计算机记录、计算并输出摩擦系数数据及?#22841;巍?/p>

说明书


一种液体润滑圆环摩擦磨损实验装置及测量方法



技术领域


本发明涉及一种液体润滑圆环摩擦磨损实验装置及测量方法,属摩擦磨损性能测
试技术领域。


背景技术


在当前已有的摩擦磨损实验装置中,干摩擦球磨实验设备占据较大的部分,而大
面积接触或非接触液体润滑摩擦磨损试验设备较少,?#19994;?#26059;转主轴利用联轴器与电机直接
对接时,若对中较差,高速运转时主轴振动与端部摆动将会导致相连接的摩擦副接触面受
力不均衡,会?#29616;?#24433;响到圆环(或圆盘)大面积接触式摩擦磨损性能参数测量的准确性;另
外,对于传统干摩擦球磨实验中的摩擦扭矩测量多采用在电机与轴承间安装扭矩仪来测
得,其数据包括了轴?#26800;?#25705;擦扭矩及润滑油与轴间?#25215;?#38459;力等,虽然可由试验标定来消除
部分误差,但试验工作量却增加很多。


发明内容


本发明的?#24247;?#26159;,针对现有摩擦磨损实验装置存在的问题,提出一种液体润滑圆
环摩擦磨损实验装置及测量方法。


本发明实现的技术方案如下, 一种液体润滑圆环摩擦磨损实验装置,包括上夹
具、下夹具、上试件、下试件、静主轴、动主轴、套筒、驱动系统、辅助系统、测试系统、计算机
控制系统和数据分析系统。


所述上试件为静圆环,下试件为动圆环;由上试件与下试件构成环-环动静摩擦副
分别安装在上夹具和下夹具上;上夹具安装在静主轴上,下夹具安装在动主轴上,通过动主
轴带动下夹具旋转,实现上试件与下试件面接触的旋转对摩;所述静主轴的中?#21335;?#19982;动主
轴的中?#21335;?#37325;合于同一垂直线。


所述驱动系统用于驱动动主轴;所述辅助系统用于向环-环动静摩擦副提供润滑
液体介质;所述测试系统用于准?#20961;?#38598;各种表面接触的摩擦扭矩,实验中方便调节轴转速、
自由加载和改变封闭腔体的压力;所述计算机控制系统对驱动系统和测试系统进行控制,
实验数据由数据分析系统进行处理。


所述上试件静圆环由上夹具固定于静主轴?#21335;?#31471;;下试件动圆环?#19978;?#22841;具固定于
套筒内,套筒安装在动主轴上;动主轴通过驱动系统驱动其旋转;通过静主轴增减负载,通
过安装于静主轴侧面处的第一压力传感器准确测量出动、静摩擦副的旋转摩擦力矩。


所述动圆环和静圆环分别通过上夹具和下夹具的螺栓紧密固定在一起,可自由拆
卸,上夹具、下夹具分别密封固定于上面的静主轴和下面的动主轴上;所述动圆环、静圆环
与上夹具、下夹具以及O形密封圈所构成的密闭体内,静圆环通过销钉分别与上夹具及中间
的固定挡板相连接;密闭腔体中的上夹具面上开有液体进入口,套筒?#21335;?#37096;开有出水孔,静
圆环弯折处开有测温孔,而测温孔的深度距离被测表面1-2mm。


所述静主轴为静止的上细下粗的阶梯形轴,静主轴?#21335;?#36724;端安装球轴承,静主轴
的?#31181;?#31471;安装深沟球轴承;轴承座和静主轴间采用螺栓进行紧固,以保证自由的加载负荷。


所述套筒下?#24247;?#20986;水孔泄漏出的液体介质,由出水管汇集后引入测量器皿中,并
放置在精度很高的电子分析天平上,并用数据线将其与计算机相连接,每间隔一定时间读
取相应数据,即得到泄漏量。


所述辅助系统包括压缩机、高?#26500;?#36947;、调节阀门、储液罐和循环泵;压缩机通过第
二高?#26500;?#36947;和第一调节阀连接储液罐上部;第一高?#26500;?#36947;通过第二调节阀连接储液罐中
部;储液罐下?#23458;?#36807;第三调节阀和第三高?#26500;?#36947;连?#21451;?#29615;泵;循环泵的出口通过管道连接
上夹具的进水孔。


所述辅助系统,利用压缩机?#28304;?#28082;罐进行?#21451;梗?#23558;有压润滑介质供给密闭腔体,保
证两摩擦端面间有充足的润滑液体,提供整个系统的供液需求。


所述驱动系统包括交流变频电机、同步带轮和皮带,所述交流变频电机固定在底
部支架上,交流变频电机通过皮带与固定在动主轴上的同步带轮相连接,从而带动动主轴
进而带动下试件做旋转运动。


所述测试系统包括第一压力传感器、第二压力传感器、测力臂、平衡杆和负载;所
述平衡杆的支点为静主轴顶端的小球,平衡杆的一端固定但可绕该端点旋转,平衡杆的另
一端悬吊负载;所述测力臂一端垂直安装在静主轴的侧面上,测力臂的另一端连接第一压
力传感器;测量试件运转过程中的两摩擦副的摩擦扭矩。


所述装置适用于液体润滑圆盘摩擦磨损及端面密封实验,即圆盘代替圆环,盘-盘
动静摩擦副代替环-环动静摩擦副。


一种液体圆环(或圆盘)润滑摩擦磨损性能测量方法,步骤如下:


(1)摩擦磨损副的温度测试:在静圆环背面均匀开几个孔,各个孔距摩擦副表面均为
1.2mm,在每个孔中分别插入热电?#23478;圆?#37327;磨擦表面不同点的温度并上传至电脑,最终取各
点的平均值作为摩擦副面的温度;


(2)泄漏量测试:将泄漏出的液体介质通过下面的排液孔排出,将其用软管收集引入测
量器皿中,并放置在精度很高的电子分析天平上,用数据线将电子分析天平和计算机相连
接,每隔一段时间读取记录数据,即可得到泄漏量;


(3)摩擦系数测量:所述的与静圆环连接的动主轴和金属测力臂相连,金属测力臂又与
压力传感器连接;测试时,摩擦磨损接触面的摩擦扭矩和压力传感器所测力计算出的力矩
保持平衡,已知力传感器与动主轴间的垂直力臂距离,即可计算得出其摩擦扭矩M=F×R;已
知接触面的面积和摩擦扭矩,通过再次计算可得到摩擦系数,并由计算机记录、计算并输出
摩擦系数数据及?#22841;巍?br>

本发明摩擦磨损性能测量方法的工作原理如下:


驱动系统的交流变频电机由螺栓固定在底座上,交流变频电机与动主轴间由同步带轮
相连,电机转速通过人工设定后由计算机自动调节;下试件(动圆环)固定在套筒内,套筒放
置在钢球上,以实现全圆周360o的自动调节,套筒通过传动销的传动作用,?#23665;?#27969;变频电机
驱动旋转;上试件由上夹具固定于静主轴?#21335;?#31471;,并通过静主轴增减负载。由于静主轴安装
在深沟球轴承上,其转动摩擦阻力可忽?#22278;?#35745;,故可通过安装于静主轴侧面处的力传感器
准确测量出动、静摩擦副的旋转摩擦力矩;扭矩测试系统包括传动轴、压力臂和压力传感
器,测力臂一端固定于静主轴上,另一端与力传感器相接触,可测出运转过程中的两摩擦副
的摩擦扭矩。实验中测出的密闭腔体的泄漏量、摩擦副表面温度及摩擦扭矩均为该摩擦磨
损实验装置的性能参数。测试时,首先向压力罐中加入液体介质,再启动压力水泵将液体加
压至所需压强,以供实验系统使用,且液体介质压力可由压缩机来自行控制。当系统充满所
需压力介质时,开?#35745;?#21160;电机,然后由皮带与带轮带动主轴一起旋转。在两接触面介质?#20849;?br>的作用下,腔体内的介质将通过两接触面向外部泄漏,漏液流入筒体?#19978;?#37096;排液孔流出由
导管收集在容器中,并间隔一定时间称量器皿中液体即可得到漏液质量。磨擦面温升的测
量是将热电偶传感器探?#20961;?#20837;到静圆环孔内进行测试的,然后通过数据线连接计算机并输
出;当动圆环旋转时,两摩擦面间的摩擦力矩与传动杆外侧所受力矩保持平衡,压力传感器
所测力和力臂乘积即为两摩擦副的摩擦力矩。


本发明的有益效果是,本发明实验装置的测试系统能够在线测量不同种类的液体
润滑摩擦副的泄漏量、磨擦面温升、实时摩擦系数和表面的磨损量等;本发明装置利可精确
地得到两摩擦副表面间的摩擦扭矩,最终获得摩擦系数。还可获得密封端面间液体介?#23454;?br>泄漏量以及摩擦端面温升。本发明的实验装置中压力与转速可通过软件控制系统进行自动
调节,能够在各种操作工况下开展摩擦磨损实验研究,以及接触式与非接触式机械密封试
验研究。


附图说明


图1为本发明所述液体润滑圆环(或圆盘)摩擦磨损及端面密封实验装置结构示意
图;


图2为摩擦扭矩测试原理图;


图中,1为上夹具;2为上试件(静圆环);3为压盖;4为下试件(动圆环);5为下夹具;6为
套筒;7为螺钉M3X15;8为第一压力传感器;9为测力臂;10为球轴承;11为第二压力传感器;
12为负载;13为深沟球轴承;14为第一高?#26500;埽?5为同步带轮;16为压缩机;17为第二高压
管;18为第一调节阀;19为供液罐;20为第二调节阀;21为第三调节阀;22为第三高?#26500;埽?3
为水泵;24为第四高?#26500;埽?5为排气阀;26为同步带;27为交流变频电动机;28为动主轴;29
为固定支架;30为静主轴。


具体实施方式


本发明的具体实施方式如图1所示。


实施例1


本实施例一种液体润滑圆环摩擦磨损及端面密封实验装置,包括上夹具1、下夹具5、上
试件2、下试件4、静主轴、动主轴28、套筒6、驱动系统、辅助系统、测试系统、计算机控制系统
和数据分析系统。


本实施例的上试件2为静圆环,下试件4为动圆环;由上试件2与下试件4构成环-环
动静摩擦副分别安装在上夹具1和下夹具5上;上夹具安装在静主轴上,下夹具安装在动主
轴上,通过动主轴带动下夹具旋转,实现上试件与下试件面接触的旋转对摩;通过上夹具1
面上的进水孔对圆环端面不断补充有压液体介质,运行过程中泄漏出的液体,可通过下面
的出水孔排出。


本实施例的静主轴的中?#21335;?#19982;动主轴的中?#21335;?#37325;合于同一垂直线。


本实施例中的由环-环动静摩擦副构成的液体摩擦磨损实验装置的密闭腔体是可
拆卸的,由长螺栓7将上夹具1和压盖3与上试件静圆环2夹住固定在一起。上夹具1套在非转
动轴上。上夹具1和压盖3上开有液体进水孔,实验静圆环2端面上开有测温孔,其深度距离
表面1.2mm。


本实施例中?#21335;?#35797;件动圆环4通过紧定螺钉固定在下夹具5上,下夹具5固定在套
筒6上,而套筒6和下夹具5又通过键和紧定螺钉与动主轴28固定在一起。


本实施例中?#21335;?#35797;件动圆环4表面可蚀刻各种织构形槽或孔型(如:螺旋槽、树形
槽、圆弧槽、人字槽、圆孔、各种方向性孔等)。


本实施例的驱动系统包括交流变频电机27、同步带轮15、同步皮带26和动主轴28,
所述交流变频电动机27用加强螺栓固定在底部支架29上,交流变频电机27通过同步皮带26
与固定在动主轴28上的同步带轮15相连接,从而带动动主轴28运动。


本实施例的辅助系统包括压缩机16,第一高?#26500;?#36947;14、第二高?#26500;?#36947;17、第三高压
管道22和第四高?#26500;?#36947;24,第一调节阀18、第二调节阀20和第三调节阀21,储液罐19和水泵
23等组成,提供整个系统的供液需求;所述压缩机16由第二高?#26500;?7、第一调节阀18与储液
罐19相连;储液罐19出口通过第三调节阀21、第三高?#26500;?2、水泵23跟整个摩擦磨损腔体的
进口相连;由第一高?#26500;?4经第二调节阀向储液罐输送液体介质;并由套筒6下面的出口流
出液体。


本实施例的测试系统包括负载12、测力臂9和第一压力传感器8、第二压力传感器
11;所述的上试件静圆环2由上夹具1固定于静主轴?#21335;?#31471;,并通过静主轴增减负载。由于静
主轴安装在球轴承10和深沟球轴承13上,其转动摩擦阻力可忽?#22278;?#35745;,故可通过安装于静
主轴侧面处的第一压力传感器8准确测量出动、静摩擦副的旋转摩擦力矩。下试件动圆环4
固定在套筒6内,套筒6放置在钢球上,以实现全圆周360o的自动调节,套筒6通过传动销的
传动作用,?#23665;?#27969;变频电机27驱动套筒旋转。该实验装置可用于各种液体介?#23454;?#38754;-面接触
摩擦磨损实验的测试,能够在线即时快速、自动准?#20961;?#38598;各种接触表面的摩擦系数、接触面
温升和两密封面间的泄漏量;实验过程中可方便调节轴转速、自由加载和改变封闭腔体的
压力。


实施例2


本实施例中的圆环由圆盘代替,上试件为静圆盘,下试件为动圆盘。


本实施例一种液体润滑圆盘摩擦磨损及端面密封实验装置,包括上夹具1、下夹具
5、上试件2、下试件4、静主轴、动主轴、套筒6、驱动系统、辅助系统、测试系统、计算机控制系
统和数据分析系统。


本实施例的上试件2为静圆盘,下试件4为动圆盘;由上试件2与下试件4构成盘-盘
动静摩擦副分别安装在上夹具1和下夹具5上;上夹具安装在静主轴上,下夹具安装在动主
轴上,通过动主轴带动下夹具旋转,实现上试件与下试件面接触的旋转对摩;通过上夹具1
面上的进水孔对圆盘端面不断补充有压液体介质,运行过程中泄漏出的液体,可通过下面
的出水孔排出。


本实施例的其它结构与实施例1相同。


实施例3


本实施例一种液体圆环(盘)润滑摩擦磨损性能测量方法,步骤如下:


(1)摩擦磨损副的温度测试:在静圆环(盘)背面均匀开几个孔,各个孔距摩擦副表面均
为1.2mm,在每个孔中分别插入热电?#23478;圆?#37327;磨擦表面不同点的温度并上传至电脑,最终取
各点的平均值作为摩擦副面的温度;


(2)泄漏量测试:将泄漏出的液体介质通过下面的排液孔排出,将其用软管收集引入测
量器皿中,并放置在精度很高的电子分析天平上,用数据线将电子分析天平和计算机相连
接,每隔一段时间读取记录数据,即可得到泄漏量;


(3)摩擦系数测量:所述的与静圆环(盘)连接的静主轴和金属测力臂相连,金属测力臂
又与压力传感器连接;测试时,摩擦磨损接触面的摩擦扭矩和压力传感器所测力计算出的
力矩保持平衡,已知力传感器与动主轴间的垂直力臂距离,即可计算得出其摩擦扭矩M=F×
R;已知接触面的面积和摩擦扭矩,通过再次计算可得到摩擦系数,并由计算机记录、计算并
输出摩擦系数数据及?#22841;巍?br>

摩擦扭矩测试原理如图2所示。


本实施例中?#21335;?#35797;件动圆盘表面可蚀刻各种织构形槽或孔型(如:螺旋槽、树形
槽、圆弧槽、人字槽、圆孔、各种方向性孔等)。


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