一种高温高速摩擦磨损试验台

1.本发明属于摩擦磨损试验领域，尤其是一种高温高速摩擦磨损试验台。


背景技术：

2.应用于航空航天领域的典型零部件如轴承、齿轮、密封件等均须在高温高速环境下使用，在该环境下材料通常容易发生过度磨损，从而导致零部件发生失效，影响发动机的寿命以及平稳运行。因此，开展摩擦磨损试验来评估零部件摩擦磨损性能显得尤为重要。目前，常见的摩擦磨损试验台可实现较低线速度的摩擦磨损试验，难以满足航空航天领域的高温高速要求；一般的摩擦磨损试验台的对磨件体积、质量较小，为提高线速度而采用较大的对磨件对整个试验系统的振动特性影响较大，限制了试验台的设计研究；高温的试验环境对试验台高速运转具有较大影响，特别是试验台中的轴承，在高温环境下容易发生破坏，从而加大了试验台的设计难度。针对这一难题开展高温高速的摩擦磨损试验台的设计研究，对推进航空航天发动机摩擦学技术的发展有重要理论和实际应用价值。
3.目前常见的摩擦磨损试验台多采用螺栓、杠杆或者弹簧进行加载，公开号为cn101975709b的中国发明专利，采用了螺栓加载方式，载荷力大小难以精确控制；公开号为cn101975708b的中国发明专利，采用了砝码加载方式，难以实现对偶件连续加载，载荷的连续性和准确性不足。加载方式较为简单，但加载力较小且加载精度难以保证，限制了试验条件的选择以及摩擦磨损性能的准确表征。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种高温高速摩擦磨损试验台，满足航空航天领域典型零部件高温高速工况需求，获取在高温高速下摩擦对偶件的摩擦磨损特性，并能实现精确控制加载、实时检测试验台运行状态。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种高温高速摩擦磨损试验台，包括驱动模块、试验箱体模块、加热模块、加载模块和测控模块；
7.所述驱动模块中的高速电主轴连接机械主轴的一端，所述机械主轴的另一端连接加热模块中的试环，所述机械主轴上安装有轴承，所述轴承安装在轴承座上，所述轴承座上开设有第一回流通道和轴承冷却管路，两个所述轴承之间设置有轴承润滑喷头，所述加热模块中的保温箱体的内表面上设置有感应加热线圈，所述加载模块中的弹性体元件的一端插入保温箱体内，所述弹性体元件的另一端连接拉压力传感器的一端，所述拉压力传感器的另一端连接电动缸，所述弹性体元件上设置有摩擦力传感器，所述测控模块中的位移传感器和加速度传感器安装在试验箱体的外侧壁上，所述机械主轴贯穿试验箱体相对的两侧壁。
8.进一步的，所述高速电主轴安装在基座上，所述基座安装在底板上，所述高速电主轴通过柔性联轴器连接机械主轴。
9.进一步的，所述试验箱体模块中的试验箱体安装在底板上，所述试验箱体的底面上开设有第三回流通道，所述试验箱体关于第三回流通道的中轴线轴对称，所述机械主轴在试验箱体内的部分关于第三回流通道的中轴线轴对称。
10.进一步的，所述试验箱体的外侧壁上通过螺栓安装有轴承端盖，所述轴承端盖与轴承之间设置有定位套筒，所述轴承端盖与定位套筒沿同一周向位置开设有若干通孔，若干所述通孔中分别安装有轴承温度传感器。
11.进一步的，所述轴承、机械主轴和轴承端盖之间的油道与轴承端盖和试验箱体内壁上开设的油道相互连通组成第二回流通道。
12.进一步的，所述机械主轴与试环之间的配合面为锥形面，所述加热模块中的试环一侧安装有轴端挡圈，所述轴端挡圈安装在机械主轴上，所述加热模块中的保温箱体安装在底板上。
13.进一步的，所述机械主轴的中间轴段上设置有机械轴冷却管路。
14.进一步的，所述电动缸的两端分别安装在电动缸前支座和电动缸后支座上，所述电动缸前支座和电动缸后支座均安装在精密位移滑台支座上，所述精密位移滑台支座安装在精密位移滑台上，所述精密位移滑台安装在底板上。
15.进一步的，所述精密位移滑台上设置有水平移动微调螺母和垂直移动微调螺母。
16.进一步的，所述加载模块中的拉压力传感器通过电动缸活塞杆与电动缸连接，所述加载模块中的弹性体元件的一端安装有试块夹具，所述试块夹具夹持试块插入保温箱体内。
17.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
18.本发明提供一种高温高速摩擦磨损试验台，试验台采用高速电主轴连接机械主轴作为驱动模块带动试环高速旋转，采用交流变频器对高速电主轴进行转速控制，输出功率大，调速范围广，可在额定转速下实现无极调速，使摩擦对偶试环与试块接触点线速度可达200m/s；加热模块采用感应加热方式对试环与试块进行加热，加热效率高，在试环与试块接触点处温度可达500℃，并且加热模块采用保温箱体进行保温，减小加热模块传导至试验箱体模块的热量，可以有效保证试验台的高速运转。通过测控模块实时监测试验台中各传感器的数据，控制加载模块、加热模块和驱动模块的运转，保证试验台的安全运行。本发明结构简单，既实现了高温下较高线速度的摩擦磨损试验，又避免了轴承的损坏，有效提高了试验精度和安全性。
19.进一步的，试验箱体模块采用轴承作为机械主轴的支撑，并且设置有轴承润滑、冷却管路，可保证轴承在高温高速环境下正常运转，机械主轴设有冷却系统，可有效降低加热模块传导至试验箱体内的热量。
20.进一步的，试验箱体上设置有位移传感器和加速度传感器，可实时检测试验台运行状态，当振动量超过设定值时可及时停机，保证试验安全进行。
21.进一步的，加载模块采用电动缸与拉压力传感器串联的方式对试环与试块进行加载，组成闭环系统，通过采集的压力传感器读数控制电动缸启停，加载精度可达0.5％。
22.进一步的，加载模块设置有精密位移滑台，精密位移滑台上设置有水平移动微调螺母和垂直移动微调螺母，可保证在试验开始前加载模块与底板保持水平，减少因试验装置安装误差导致摩擦力测量不准确。
附图说明
23.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
24.图1为本发明的一种高温高速摩擦磨损试验台的装配图。
25.图2为本发明的试验箱体与加热模块的剖视图。
26.图3为本发明的加载模块装配图。
27.其中：1-底板，2-高速电主轴基座，3-高速电主轴，4-联轴器，5-试验箱体，6-保温箱体，7-弹性体元件，8-摩擦力传感器，9-拉压力传感器，10-电动缸前支座，11-电动缸，12-电动缸后支座，13-精密位移滑台支座，14-精密位移滑台，15-试验箱体内壁，16-第二回流通道，17-第一回流通道，18-轴承，19-机械主轴，20-轴承润滑喷头，21-轴承冷却管路，22-机械轴冷却管路，23-试环，24-感应加热线圈，25-轴端挡圈，26-第三回流通道，27-电动缸活塞杆，28-试块夹具，29-轴承温度传感器，30-轴承座，31-轴承端盖，32-定位套筒，33-水平移动微调螺母，34-垂直移动微调螺母，35-位移传感器，36-加速度传感器。
具体实施方式
28.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
29.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
30.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
31.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
33.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据
具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
34.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
35.参见图1至图3，本发明提供一种高温高速摩擦磨损试验台，包括底板1、驱动模块、试验箱体模块、加热模块、加载模块和测控模块。通过驱动模块和加热模块分别提供高速和高温的试验环境，底板1上开有t型槽，通过螺栓螺母或者压板连接基座2、试验箱体5、精密位移滑台14和保温箱体6。
36.驱动模块包括基座2和高速电主轴3，高速电主轴3通过螺栓安装在基座2上，基座2固连于底板1上；高速电主轴3通过柔性联轴器4与机械主轴19一端相连，高速电主轴3可采用交流变频器进行转速控制，机械主轴19的另一端通过锥形面与试环23进行连接。
37.如图2所示，试验箱体5中包括机械主轴19、轴承18、轴承座30、轴承润滑与冷却系统、机械主轴的冷却系统、轴承端盖31以及定位套筒32；试验箱体5通过压板固定于底板1上；机械主轴19由两对轴承18进行支撑，轴承18安装于轴承座30中；轴承座30上开设有轴承冷却管路21和第一回流通道17，用于对轴承18进行降温，轴承座30上不同于冷却管路的径向位置开设有用于轴承18的润滑管路，在两个轴承18之间的轴向位置处设置有轴承润滑喷头20，对轴承18进行润滑；轴承端盖31通过螺栓安装在试验箱体5的侧壁上，定位套筒32设置在轴承18与轴承端盖31之间，轴承端盖31以及定位套筒32用于轴承18的轴向固定，并且在轴承端盖31和定位套筒32沿同一周向位置开设有若干通孔，若干通孔中分别安装有轴承温度传感器29，用于检测轴承18的温度，防止轴承18温度过高影响试验台运转；所述轴承18、机械主轴19与轴承端盖31之间的油道与轴承端盖31和试验箱体内壁15上开设的油道相互连通共同组成第二回流通道16，用于回流轴承18上的润滑油；试验箱体5的外侧壁上安装有位移传感器35和加速度传感器36，用于实时测量试验台的振动特性，当振动量超过设定值时可及时停机，保证试验安全进行；机械主轴19中间轴段设置有机械主轴19的冷却系统机械轴冷却管路22，用于降低加热模块所传导至试验箱体5内的热量；试验箱体5底面上开有第三回流通道26，用于对试验箱体5内的润滑油以及冷却水进行回流，整个试验箱体5关于第三回流通道26的中轴线轴对称设置，机械主轴19贯穿试验箱体5相对的两侧壁，机械主轴19在试验箱体5内的部分关于第三回流通道26的中轴线轴对称。机械主轴19与试环23采用锥形面进行连接，减小了采用键连接产生的不平衡量，提高了试验台的运行平稳性。
38.加热模块中的保温箱体6固定在底板1上，保温箱体6的内表面上设置有感应加热线圈24，所述加载模块中的弹性体元件7端部的试块夹具28夹持试块插入保温箱体6内，加热模块通过感应加热线圈24对试环23与试块进行加热，并通过保温箱体6使得温度保持恒定，并且减少加热模块向试验箱体模块传导的热量；通过手持红外温度传感器测量试环23与试块接触点的温度。试环23的一侧安装有轴端挡圈25，所述轴端挡圈25安装在机械主轴19上。
39.如图3所示，加载模块由精密位移滑台14、精密位移滑台支座13、电动缸11、电动缸前支座10、电动缸后支座12、拉压力传感器9、弹性体元件7、试块夹具28以及摩擦力传感器8组成；电动缸11通过精密位移滑台支座13、电动缸前支座10、电动缸后支座12与精密位移滑台14相连；拉压力传感器9一端与电动杠活塞杆27头部通过螺栓相连；弹性体元件7通过螺栓与拉压力传感器9另一端相连，拉压力传感器9用于检测加载力的大小，通过拉压力传感器9采集的加载力大小来控制电动缸11启停；试块夹具28固连于弹性体元件7端部，不同规
格的试块可设计专用的试块夹具28，根据不同类型的摩擦磨损试验来进行选择；摩擦力传感器8粘贴于弹性体元件7表面，摩擦力传感器8可以为应变片，通过测量弹性体元件7变形从而实时测量试环23与试块间的摩擦力大小；精密位移滑台14上设有水平移动微调螺母33和垂直移动微调螺母34，可分别调节螺母使得整个加载模块与底板1保持平行，减少因试验装置安装误差导致摩擦力测量不准确。
40.测控模块包括摩擦力传感器8、拉压力传感器9、轴承温度传感器29、位移传感器35、加速度传感器36、电动缸控制单元以及高速电主轴控制单元；拉压力传感器9用于检测加载力的大小；电动缸控制单元与拉压力传感器9串联，通过拉压力传感器9采集的加载力大小来控制电动缸11启停，确保对试块精确加载；摩擦力传感器8为应变片，贴于弹性体元件7表面，用于实时测量试环23与试块间的摩擦力大小；通过手持红外温度传感器可以实时检测试环23与试块接触区域温度；轴承温度传感器29安装在轴承端盖31和定位套筒32连接处的通孔内，用于实时检测轴承18的温度，防止轴承18温度过高导致轴承暴死，影响试验台运转；位移传感器35与加速度传感器36用于实时测量试验台的振动特性并反馈给高速电主轴控制单元，当振动量超出试验安全临界值时及时停机。
41.高温高速摩擦磨损试验台的工作过程：
42.在所述高温高速摩擦磨损试验台工作过程中，高速电主轴3通过机械主轴19带动试环23进行高速旋转，加载模块在电动缸11的驱动下将试块夹持在试块夹具28上插入保温箱体6中进行加载，加热模块中的感应加热线圈24对试环23与试块进行加热，提供高温的试验环境。期间，试验箱体5中的轴承润滑、冷却系统和机械主轴冷却系统分别在轴承18和机械主轴19工作过程中对轴承18和机械主轴19进行润滑和冷却。测控模块实时收集试验台中各传感器数据，并控制加载模块、加热模块和驱动模块运转。
43.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。