专利名称：多功能高温高速摩擦磨损实验机及方法
技术领域：
本发明涉及一种摩擦磨损实验机，尤其涉及一种多功能高温高速摩擦磨损实验机及方法。
背景技术：
航空涡轮发动机封严结构材料(包括封严涂层)在超高速高温气流环境中工作，要求很高的综合性能。封严结构动静配副材料之间的刮削现象可以归纳为复杂、极端工况下固体与固体之间的摩擦学问题，但是目前科学界对固-固摩擦的机理尚未形成完整、系统的理论，对封严材料可磨耗性能研究依然主要依靠试验技术。有研究表明，当刮削线速度超过100m/S时，材料摩擦磨损机理会发生很大的转变，现有技术的滑动型磨耗试验机和试验方法并不能良好地符合实际装置中零件的刮擦式磨耗特性。因此，实际零部件中产生的摩擦磨损和试验得到的结果之间的一致性很差。钛合金由于具有高的比强度、抗蚀性和耐热性等优异性能而在航空发动机工业中获得了广泛应用。目前，世界上大约3/4钛合金用于航空航天和军工产品。我国先进战机的动力装置，也不可避免地采用了大量的钛合金，其中压气机部件的大部分零件就采用了钛合金材料。但是，钛及普通钛合金存在致命的持续燃烧敏感问题，有容易着火燃烧的特性，会导致钛火故障。着火的原因是:在没有封严涂层或是机匣上的封严涂层磨穿情况下，叶片与机匣摩擦而着火。有研究表明，当刮擦线速度逐渐提高时，阻燃材料的阻燃机理会逐渐地转变，特别在刮擦线速度超过lOOm/s时，而现有试验设备不能良好地模拟实际装置运行环境下的高速旋转动部件和静止部件之间的刮擦特性。
发明内容
本发明的目的是提供一种能模拟真实工况下的多功能高温高速摩擦磨损实验机及实际摩擦磨损与试验结果一致性好的摩擦磨损的实验方法。本发明的目的是通过以下技术方案实现的:本发明的多功能高温高速摩擦磨损实验机,包括主轴动力系统、径向微进给系统、轴向微进给系统、火焰加热系统和控制系统；所述主轴动力系统包括轮盘，所述轮盘的边缘部位设有模拟叶片，所述轮盘连接有主轴增速装置，所述轮盘的边缘部位与所述模拟叶片相对的一侧设有配重块；所述轴向微进给系统包括第一试样工装，所述第一试样工装的夹持端正对所述轮盘的端面；所述径向微进给系统包括第二试样工装，所述第二试样工装的夹持端正对所述轮盘的边缘部位；所述火焰加热系统的火焰喷射端指向所述第二试样工装的夹持端。本发明的上述的多功能高温高速摩擦磨损实验机进行摩擦磨损实验的方法，包括以下任一种或两种方式:
方式一，包括步骤:将实验件安装在径向进给系统的第二试样工装上，调整实验件至适合的位置，并确定径向进给动作的原点；操作主轴动力系统，使得轮盘及模拟叶片升速至目标转速并保持；操作火焰加热系统，使得实验件温度达到目标温度，并保持；操作径向进给系统，使得实验件以设定的速率进行径向进给；进给完成，关闭各设备，拆卸模拟叶片及实验件，对其称重测量，并记录数据。方式二:将实验件安装在轴向进给系统的第一试样工装上，调整实验件至适合的位置，并确定进给动作的原点；操作主轴动力系统，使得轮盘及模拟叶片升速至目标转速并保持；操作轴向进给系统，使得实验件以设定的速率进行轴向进给；进给完成，关闭各设备，拆卸模拟叶片及实验件，对其称重测量，并记录数据。由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的多功能高温高速摩擦磨损实验机及方法，主轴动力系统可以通过皮带增速实现驱动轮盘高速旋转，轮盘边缘部位设有模拟叶片，叶尖线速度可以达到350m/s，可对径向进给实验件实现刮擦，火焰加热装置对实验件进行加热，达到实验件实际工作温度。可模拟航空发动机的真实工况，较好地用于封严材料超高速高温工况下磨耗磨损机理的研究，测试各种类型封严材料的可磨耗性能；进行发动机防钛火实验等。轴向进给机构可带动块状、环状、销状试验件进行轴向进给，与轮盘实现超高速对磨，可模拟火车轨道、高速磨床、铁路高速列车刹车装置等的高速摩擦磨损工况，进行摩擦磨损机理的研究。
图1为本发明实施例提供的多功能高温高速摩擦磨损实验机的立面结构示意图；图2为本发明实施例提供的多功能高温高速摩擦磨损实验机的平面结构示意图；图3为图2的A向结构示意图；图4为本发明实施例中的模拟叶片安装结构示意图；图5为本发明实施例中的加热部分结构示意图。图中:1、主驱动电机，2、主动轮，3、高速平带，4、从动轮，5、高速球轴承，6、柔性主轴，7、橡胶阻尼器，8、第一试样工装,9、第一水冷却器,10、第一压电测力仪,11、第一精密滚珠丝杠导轨平台，12、第一精密行星齿轮减速器,13、第一伺服电机,14、第一手摇导轨,15、红外测温仪，16、第一试验件，17、第一热电偶，18、轮盘，19、配重，20、高速高温火焰，21、模拟叶片，22、第二试验件，23、第二热电偶，24、第二试样工装，25、第二水冷却器，26、第二压电测力仪，27、第二精密滚珠丝杠导轨平台，28、第二精密行星齿轮减速器，29、第二伺服电机，30、第二手摇导轨，31、销钉，32、火焰导流挡板，33、挡板。
具体实施例方式下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明的多功能高温高速摩擦磨损实验机，其较佳的具体实施方式
如图1、图2所示:包括主轴动力系统、径向微进给系统、轴向微进给系统、火焰加热系统和控制系统；所述主轴动力系统包括轮盘，所述轮盘的边缘部位设有模拟叶片，所述轮盘连接有主轴增速装置，所述轮盘的边缘部位与所述模拟叶片相对的一侧设有配重块；所述轴向微进给系统包括第一试样工装，所述第一试样工装的夹持端正对所述轮盘的端面；如图3所示，所述径向微进给系统包括第二试样工装，所述第二试样工装的夹持端正对所述轮盘的边缘部位；如图4所示，所述模拟叶片和配重块通过销钉或镙钉安装到所述轮盘的边缘。如图5所示，所述火焰加热系统的火焰喷射端指向所述第二试样工装的夹持端。再参见图1至图5，所述主轴增速装置包括安装在主驱动电机输出轴端的主动大带轮和安装在柔性主轴上的从动小带轮，所述柔性主轴的另一端与所述轮盘连接，所述主动大带轮与从动小带轮之间通过高速带增速传动。所述柔性主轴中间支承处安装有橡胶阻尼器。所述轴向微进给系统包括由第一伺服电机和第一精密减速器驱动的第一滚珠丝杠精密平台和第一手摇导轨；所述径向微进给系统包括由第二伺服电机和第二精密减速器驱动的第二滚珠丝杠精密平台和第二手摇导轨。所述第一试样工装设有第一热电偶、第一水冷却器；所述第二试样工装设有第二热电偶、红外测温仪、第二水冷却器、火焰挡板。所述第一试样工装第一压电测力仪；所述第二试样工装设有第二压电测力仪。所述火焰加热系统包括氧气一乙炔火焰燃烧装置或者丙烷、煤气、煤油、汽油与氧气混合燃烧装置。本发明的上述的多功能高温高速摩擦磨损实验机进行摩擦磨损实验的方法，其较佳的具体实施方式
包括以下任一种或两种方式:方式一，包括步骤:将实验件安装在径向进给系统的第二试样工装上，调整实验件至适合的位置，并确定径向进给动作的原点；操作主轴动力系统，使得轮盘及模拟叶片升速至目标转速并保持；操作火焰加热系统，使得实验件温度达到目标温度，并保持；操作径向进给系统，使得实验件以设定的速率进行径向进给；进给完成，关闭各设备，拆卸模拟叶片及实验件，对其称重测量，并记录数据；方式二:将实验件安装在轴向进给系统的第一试样工装上，调整实验件至适合的位置，并确定进给动作的原点；操作主轴动力系统，使得轮盘及模拟叶片升速至目标转速并保持；操作轴向进给系统，使得实验件以设定的速率进行轴向进给；进给完成，关闭各设备，拆卸模拟叶片及实验件，对其称重测量，并记录数据；
上述实验过程中包括以下试验参数制定:由需要进行试验模拟的叶尖线速度，再根据轮盘-模拟叶片的直径，换算成轮盘主轴转速，即试验的目标转速；由需要进行试验模拟的单次叶片-实验件刮削深度，再根据轮盘-主轴的转速及轮盘安装模拟叶片的数量得每秒钟刮削次数，单次刮削深度乘以每秒钟刮削次数换算成实验件进给的速率；根据实验件实际使用温度，制定试验的加热温度。本发明可以用于测试涡轮机械气路封严材料的可磨耗性能，尤其用于航空涡轮发动机中封严材料，包括石墨基封严涂层、金属基封严涂层陶瓷基封严涂层等封严材料的可磨耗性能。涉及封严材料可磨耗性能测试及磨耗机理研究，尤其是高速高温磨耗磨损特性的研究。本发明可以用于高温高速防钛火材料特性测试试验，该试验机采用模拟叶片及防钛火材料平面对磨刮擦试样作为试验对象，模拟叶片安装在轮盘上，轮盘-模拟叶片转子系统由驱动部分驱动至所需要的转速，从而使得叶片叶尖达到所需线速度；对磨实验件安装在试样工装上面，由微进给机构驱动试样部件径向进给运动，采用精密滚珠丝杠平台，可以使得实验件进行微米级稳定的进给运动。使得试验机达到模拟发动机工况条件的要求。本发明可以用于高铁轨道、高速磨床等对磨试验，研究摩擦磨损机理。轮盘转子系统由驱动部分驱动至所需要的转速，对磨实验件安装在试样工装上面，由微进给机构驱动试样部件轴向进给运动，采用精密滚珠丝杠平台，可以使得实验件进行微米级稳定的进给运动。使得试验机达到模拟真实工况的要求。本发明包括两个要素:多功能摩擦磨损试验机和摩擦磨损的实验方法。本发明的一个要素提供了一种摩擦磨损试验机，该试验机采用模拟叶片及实验件平面作为试验对象，模拟叶片安装在轮盘上，轮盘-模拟叶片转子系统由高速平带增速系统驱动至所需要的转速，从而使得叶片叶尖达到所需线速度；实验件安装在试样夹持工装上面，由进给伺服系统驱动试样部件径向进给运动，采用精密减速器+精密滚珠丝杠平台，可以使得试样进行微米级稳定的进给运动；同时，采用高温高速氧气-乙炔火焰加热试样，使得封严涂层试样在进行刮削试验时能够达到所需试验温度。进行封严涂层摩擦磨损实验及防钛火实验。该试验机采用模拟高铁列车钢轨及车轮为对磨副及高速磨床与加工件为对磨副的对磨实验。其中一个对磨实验件安装在试样夹持工装上，由进给伺服系统驱动对磨实验件轴向进给运动，与轮盘端面进行对磨；可进行高铁铁轨及高速磨床等摩擦磨损的机理研究。本发明的另一个要素提供了一整套磨耗试验方法，以旋转叶片在一定的线速度运动状态下与涂层的径向相对位移作为磨耗载荷，以“叶尖线速度”、“涂层温度”、“叶片-涂层单次刮削量”作为三个相对独立的重要影响因素，考核叶片与涂层相对磨耗磨损的特性，同时可以为磨耗磨损机理研究提供有力的基础数据。以旋转轮盘在一定的线速度运动状态下与实验件的轴向相对运动，研究高铁铁轨及高速磨床的摩擦、磨损机理。实验设备及试验方法保证了模拟实际工况的摩擦磨损试验，可以获得与实际对磨副磨损磨耗特性相一致的结果O
与现有技术相比，本发明的优势在于:1、发明设置模拟叶片-封严材料刮削磨耗形式，使得实验件及模拟叶片具有等同于实际涡轮发动机中封严配副的磨耗特性。2、本发明的模拟叶片叶尖线速度能够在高达350m/s的状态下进行试验，该线速度能够模拟大多数涡轮发动机中的超高线速度要求。3、本发明设备有径向微进给系统、轴向微进给系统，可实现两个方向的对磨实验。4、本发明装置能够进行“单叶片+配重”或者多叶片形式的磨耗试验。5、本发明装置能够使得试样在进给速率1.5-2250 μ m/s的范围内无级调节，由于采用伺服电机+高速比精密减速器，在保证进给速率满足模拟涡轮发动机或高铁列车等各种工况下的磨耗特性的同时，也保证了进给速率的稳定性和试验的可靠性。6、本发明装置能够使得试样在800°C的状态下进行高达300m/s的磨耗试验，满足了大多数涡轮发动机、高铁、高速磨床等试验要求。7、本发明装置能够进行环摩擦、面摩擦及锥摩擦等高速摩擦。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种多功能高温高速摩擦磨损实验机，其特征在于，包括主轴动力系统、径向微进给系统、轴向微进给系统、火焰加热系统和控制系统； 所述主轴动力系统包括轮盘，所述轮盘的边缘部位设有模拟叶片，所述轮盘连接有主轴增速装置，所述轮盘的边缘部位与所述模拟叶片相对的一侧设有配重块； 所述轴向微进给系统包括第一试样工装，所述第一试样工装的夹持端正对所述轮盘的端面； 所述径向微进给系统包括第二试样工装，所述第二试样工装的夹持端正对所述轮盘的边缘部位； 所述火焰加热系统的火焰喷射端指向所述第二试样工装的夹持端。
2.根据权利要求1所述的多功能高温高速摩擦磨损实验机，其特征在于，所述模拟叶片和配重块通过销钉或镙钉安装到所述轮盘的边缘。
3.根据权利要求2所述的多功能高温高速摩擦磨损实验机，其特征在于，所述主轴增速装置包括安装在主驱动电机输出轴端的主动大带轮和安装在柔性主轴上的从动小带轮，所述柔性主轴的另一端与所述轮盘连接，所述主动大带轮与从动小带轮之间通过高速平带连接。
4.根据权利要求3所述的多功能高温高速摩擦磨损实验机，其特征在于，所述柔性主轴中间支承处安装有橡胶阻尼器。
5.根据权利要求1所述的多功能高温高速摩擦磨损实验机，其特征在于，所述轴向微进给系统包括由第一伺服电机和第一精密减速器驱动的第一滚珠丝杠精密平台和第一手摇导轨； 所述径向微进给系统包括由第二伺服电机和第二精密减速器驱动的第二滚珠丝杠精密平台和第二手摇导轨。
6.根据权利要求5所述的多功能高温高速摩擦磨损实验机，其特征在于，所述第一试样工装设有第一热电偶、第一水冷却器； 所述第二试样工装设有第二热电偶、红外测温仪、第二水冷却器、火焰挡板。
7.根据权利要求6所述的多功能高温高速摩擦磨损实验机，其特征在于，所述第一试样工装第一压电测力仪；所述第二试样工装设有第二压电测力仪。
8.根据权利要求7所述的多功能高温高速摩擦磨损实验机，其特征在于，所述火焰加热系统包括氧气一乙炔火焰燃烧装置或者丙烷、煤气、煤油、汽油与氧气混合燃烧装置。
9.一种权利要求1至8任一项所述的多功能高温高速摩擦磨损实验机进行摩擦磨损实验的方法，其特征在于，包括以下任一种或两种方式: 方式一，包括步骤: 将实验件安装在径向进给系统的第二试样工装上，调整实验件至适合的位置，并确定径向进给动作的原点； 操作主轴动力系统，使得轮盘及模拟叶片升速至目标转速并保持； 操作火焰加热系统，使得实验件温度达到目标温度，并保持； 操作径向进给系统，使得实验件以设定的速率进行径向进给； 进给完成，关闭各设备，拆卸模拟叶片及实验件，对其称重测量，并记录数据； 方式二:将实验件安装在轴向进给系统的第一试样工装上，调整实验件至适合的位置，并确定进给动作的原点； 操作主轴动力系统，使得轮盘及模拟叶片升速至目标转速并保持； 操作轴向进给系统，使得实验件以设定的速率进行轴向进给； 进给完成，关闭各设备，拆卸模拟叶片及实验件，对其称重测量，并记录数据。
10.根据权利要求9所述的多功能高温高速摩擦磨损实验方法，其特征在于: 实验过程中包括以下试验参数制定: 由需要进行试验模拟的叶尖线速度，再根据轮盘-模拟叶片的直径，换算成轮盘主轴转速，即试验的目标转速； 由需要进行试验模拟的单次叶片-实验件刮削深度，再根据轮盘-主轴的转速及轮盘安装模拟叶片的数量得每秒钟刮削次数，单次刮削深度乘以每秒钟刮削次数换算成实验件进给的速率； 根据实验件实际使用温度，制定试验的加热温度。
全文摘要
本发明公开了一种多功能高温高速摩擦磨损实验机及方法，包括主轴动力系统、径向微进给系统、轴向微进给系统、火焰加热系统和控制系统；主轴动力系统包括轮盘，轮盘的边缘部位设有模拟叶片；主轴动力系统可以通过皮带增速实现驱动轮盘带动模拟叶片以350m/s的叶尖速度高速旋转，轮盘边缘部位的模拟叶片可对径向进给实验件实现刮擦，火焰加热装置对实验件进行加热，达到实验件实际工作温度，可测试各种类型封严材料的可磨耗性能，进行发动机防钛火实验等；轴向进给机构可带动块状、环状、销形实验件进行轴向进给，与轮盘实现超高速对磨，可模拟火车轨道及磨床等的高速摩擦磨损工况，进行摩擦磨损机理的研究。
文档编号G01N3/56GK103196765SQ20131007698
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月11日 优先权日2013年3月11日
发明者于月光, 宣海军, 任先京, 沈婕, 孙建刚, 章德铭, 国俊丰, 张娜, 李国强, 刘建明, 杨永祺, 鲁秋源 申请人:北京矿冶研究总院, 浙江大学化工机械研究所