一种极地船用钢板超低温摩擦实验系统的制作方法

本发明涉及测试极地船用钢板在超低温环境下与冰面的摩擦磨损、腐蚀及撞击性能的实验系统，特别涉及一种极地船用钢板超低温摩擦实验系统。

背景技术：

随着全球温室效应的加剧，极地区域覆盖的海冰面积正在快速减少.极地区域的环境也更加有利于航运业和能源开发的进行。极地区域航行的船舶钢板在航行过程中会受到冰层的连续撞击，冰层对船用钢板的反复冲击和摩擦会破坏外壳进而使船用钢板产生变形和疲劳失效，船用钢板应具有较强的破冰能力和抗冰面磨损能力，以承受冰层的动态、连续的冲击载荷。研究钢板的各种常温和低温力学性能对于在极地区域航行的船舶很有必要。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种极地船用钢板超低温摩擦实验系统，能够真实测试钢板在环境温度从室温至-60℃情况下，不同载荷和不同移动速度下钢板与海冰之间的摩擦磨损性能及船用钢板与冰山的撞击性能。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种极地船用钢板超低温摩擦实验系统，其特点是，包含：

设备框架，其设有一测试室；

连接固定于设备框架内的制冷模块、保温模块、热交换模块、拖拽模块；

所述的制冷模块用于根据试验环境需要控制试验室温度；

所述的保温模块用于将测试室与外部空间隔离；

所述的热交换模块利用制冷剂的流动实现测试室与制冷模块之间的热量交换；

所述的拖拽模块拖曳测试工件，使测试工件往复移动。

所述的测试室内设有一冰槽；

所述的制冷模块包含：

制冷机组，其与热交换模块相连；

冷却水塔，其通过冷却水循环水管与制冷机组相连；

液氮罐、空压机组，其并联后连接于测试室。

所述的保温模块设置在冰槽和测试室四周；所述的保温模块开设有若干个观察窗和密封门。

所述的热交换模块包含：

热交换管、热交换回流管，其分别通过热交换控制阀与制冷机组相连，所述的热交换管均匀布置在测试室和冰槽内；

若干个循环风扇，其设置在测试室顶部，用于测试室内空气流通。

如权利要求1所述的极地船用钢板超低温摩擦实验系统，其特征在于，所述的拖拽模块包含：

钢丝绳缠绕组件、若干个导向滑轮组、若干个张紧轮组、钢丝绳限位块、拉力传感器，所述钢丝绳缠绕组件包含一钢丝绳，所述的钢丝绳穿设于若干个导向滑轮组、若干个张紧轮组、钢丝绳限位块和拉力传感器；

钢丝绳限位开关，所述的钢丝绳限位块与钢丝绳限位开关接触时，所述的钢丝绳缠绕组件停止工作；

张紧弹簧，所述的张紧轮组通过张紧弹簧与设备框架连接。

还包含一加载模块，其包含：

工件固定底座，其压住所述的测试工件；

一对导流板，其安装在工件固定底座的两侧，引导所述的测试工件的摩擦方向；

竖直设置在工件固定底座上的砝码导向杆，用于装载砝码；

钢丝绳固定座，其与工件固定底座相连且固定钢丝绳；

拉动所述的钢丝绳，使得工件固定底座拖拽往复运动。

所述的钢丝绳缠绕组件包含：

缠绕底座，其设有导轨；

缠绕盘滑动座，其设置在导轨上；

设置在缠绕盘滑动座上的缠绕盘，其一端与钢丝绳旋转轴连接，另一端经扭矩传感器、联轴器与缠绕电机相连；

第一同步带轮，其与钢丝绳旋转轴相连；

第二同步带轮、丝杆，所述的第二同步带轮与第一同步带轮相互联动，并与丝杆连接，所述的丝杆设置于缠绕底座。

所述的缠绕底座设有第一、二、三行程开关；

所述的缠绕盘滑动座设有第一、二限位板；

旋转所述的丝杆，使得所述的丝杆带动缠绕盘滑动座在导轨上移动，当所述的第一限位板与第一行程开关接触时，缠绕电机停止转动并开始反转，当第二限位板与第二行程开关接触时，缠绕电机停止转动开始正转。

还包含：

测量监控模块，用于测量试验过程中的温度、压力、速度、加速度参数；

控制模块，用于控制系统的启动和停止。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明能够真实测试钢板在环境温度从室温至-60℃情况下，不同载荷和不同移动速度下钢板与海冰之间的摩擦磨损性能及船用钢板与冰块的撞击性能。

附图说明

图1为本发明一种极地船用钢板超低温摩擦实验系统的结构总图；

图2为本发明加载模块的结构示意图；

图3为拖拽模块示意图；

图4为钢丝绳缠绕组件示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种极地船用钢板超低温摩擦实验系统，包含：设备框架100，其设有一测试室150；连接固定于设备框架内的制冷模块200、保温模块300、热交换模块400、拖拽模块500；所述的制冷模块200用于根据试验环境需要控制试验室温度；所述的保温模块300用于将测试室与外部空间隔离；所述的热交换模块400利用制冷剂的流动实现测试室与制冷模块之间的热量交换；所述的拖拽模块500拖曳测试工件，使测试工件往复移动；测量监控模块600，用于测量试验过程中的温度、压力、速度、加速度参数；控制模块700，用于控制系统的启动和停止。

该实验系统能够真实的模拟极地航行船舶的船体钢板在低温环境中的摩擦磨损性能，长度包含但不局限于5m～100m，宽度包含但不局限于1m～30m，高度包含但不局限于2m～4m,实验工作温度范围为：室温～-60℃,拖拽速度：0～15m/s,最大加载力：50kn，最大拖拽力：50kn。

设备框架100，采用方管、角铁、槽钢等材料焊接而成，所述设备框架100的长度包含但不局限于5m～100m，宽度包含但不局限于1m～30m，高度包含但不局限于2m～4m，设备框架100内部与保温模块300、热交换模块400、拖拽模块500、测量监控模块600、控制模块700连接，为各模块提供安装位置及放置空间，并提供必要的各种连接方式。

设备框架100外部采用厚度为1mm-2mm的钢板钣金折弯后密封，设备框架底部和四周及顶部安装有保温模块300，在设备框架内的测试室装有冰槽110。

所述冰槽110尺寸为（长度）8m~90mx（宽度）0.5m~28m，深度为0.3m~2m；采用sus304不锈钢板焊接，所述冰槽110外部包有保温层。所述的测试冰槽内装有热交换管410，所述热交换管410与制冷模块200连接，热交换管410内部填充可以流动的制冷剂；所述的冰槽110中安装有进排水管120，并装有控制阀，可以实现对冰槽中海水的填充和放空；所述的海水可以是天然海水或者人工配制海水。所述冰槽110中安装有多个温度传感器140，可以对冰块温度进行实时测量；所述温度传感器140与控制模块700连接，可以实时将监控温度并反馈至控制模块。

其中，由设备框架100、保温模块300所围成的测试室150四周安装有热交换管410，在设备框架的顶部及四周安装有温度传感器180和循环风扇450。

所述的制冷模块200包含：制冷机组210，其与热交换模块300相连；冷却水塔220，其通过冷却水循环水管与制冷机组相连；液氮罐、空压机组，其并联后连接于测试室。制冷模块200可以根据试验要求达到测试室150的设定温度并维持。制冷温度范围从室温至-60℃。

制冷机组210为双级压缩机组，能够实现测试环境在较高温度的制冷要求并维系测试室150在较低温时的冷量维持，包含压缩机、冷却风扇、制冷剂管道组成；所述的制冷剂包含但不局限于r22、r23、r410a、r407c、r134a、r404等。所述制冷剂组与热交换模块400连接，制冷机组210与热交换控制阀420、热交换回流管430、热交换管410连接，通过制冷剂的循环实现热量的交换；所述冷却水塔220通过冷却水循环水管460与制冷机组210连接，为空调专用冷却水塔，采用机械通风方式冷却。

液氮罐230与空压机组240并联后与通过液氮冷却进管470、液氮控制阀480与设备的低温船板测试室150连接，可以实现对低温船板测试室快速降温以及较低试验温度的制冷，所述液氮罐的容积包含但不局限于20l-21000立方米；在液氮输入测试室的同时可以利用空气干燥器250对压缩空气进行干燥降温。所述空气压缩机240容量包含但不局限于20l-160l。所述的压缩机压缩的空气经过空气干燥机250干燥后在气体混合器260中与汽化的液氮混合。

上述的保温模块设置在冰槽和测试室四周；所述的保温模块开设有若干个观察窗170和密封门310。

保温模块300上开有多个观察窗170，观察窗的尺寸介于100mm～300mm之间；其中，保温材料包含但不局限于泡沫石棉、橡塑海绵、聚氨酯发泡板、酚醛泡沫保温板；导热系数介于0.01～0.05之间，防火等级为a级，所述保温材料的厚度为100mm-400mm之间。

所述保温模块300上开有密封门310可以供操作者进入测试室150，密封门310采用双层门密封的方式，密封门通过手轮螺栓320锁紧。密封门前装有台阶330便于操作者进出。

上述的热交换模块包含：热交换管410、热交换回流管430，其分别通过热交换控制阀420与制冷机组210相连，所述的热交换管410均匀布置在测试室和冰槽内；若干个循环风扇450，其设置在测试室150顶部，用于测试室内空气流通。循环风扇450中的风扇叶片在测试室内部，循环风扇450的电机在测试室150外部，电机与测试室内部通过保温层隔热。

如图3所示，上述的拖拽模块500包含：钢丝绳缠绕组件510、若干个导向滑轮组、若干个张紧轮组、钢丝绳限位块560、拉力传感器540，所述钢丝绳缠绕组件510包含一钢丝绳535，所述的钢丝绳535穿设于若干个导向滑轮组、若干个张紧轮组、钢丝绳限位块560和拉力传感器540；钢丝绳限位开关550，所述的钢丝绳限位块560与钢丝绳限位开关550接触时，所述的钢丝绳缠绕组件510停止工作；张紧弹簧595，所述的张紧轮组通过张紧弹簧595与设备框架连接。所述的拖拽模块500安装于设备框架100上，与测试室150分离，工作于室温环境。上述的导向滑轮组为第一导向滑轮组530、第二导向滑轮组531，上述的张紧轮组为第一张紧轮组580、第二张紧轮组590。

其中所述钢丝绳535直径在2mm～20mm之间，所述钢丝绳535为包含单不局限于光面钢丝绳，所述钢丝绳材料包含但不局限于高碳钢、不锈钢，高碳钢牌号包含但不局限于60#、65#、70#、75#、80#钢；所述钢丝绳绞线方式包含但不局限于双绕绳或者三绕绳。

其中第一导向滑轮组530支撑架固定在设备框架100上，导向滑轮可以根据两滑轮组之间的位置调整钢丝绳535的弯曲方向，滑轮组滚轮直径与钢丝绳直径相当，可以实现对钢丝绳的定位导向功能。

所述拉力传感器540用来测量测试工件571在移动过程中的拖拽力，拉力传感器540两端与钢丝绳535连接，将钢丝绳535的拉力转换为电信号输出到控制模块700，拉力传感器的额定载荷包含但不局限于5～500kg，误差为0.01%～0.05%。

其中钢丝绳限位开关550和钢丝绳限位块560用来限制拖拽模块500中钢丝绳535的移动位置，防止加载模块570与设备框架100中的冰槽110产生碰撞，当钢丝绳限位开关550与钢丝绳限位块560接触时，缠绕电机512将停止工作，然后做出进一步响应，所述钢丝绳限位开关550为直动式防水开关；其中第一、第二张紧滑轮组（580、590）用于保持钢丝绳的张紧力。

参见图2，在具体实施例中，上述的极地船用钢板超低温摩擦实验系统，还包含一加载模块，其包含：工件固定底座573，其压住所述的测试工件571；一对导流板577，其安装在工件固定底座573的两侧，引导所述的测试工件571的摩擦方向；竖直设置在工件固定底座573上的砝码导向杆575，用于装载砝码576；钢丝绳固定座574，其与工件固定底座573相连且固定钢丝绳；拉动所述的钢丝绳535，使得工件固定底座拖拽往复运动。

其中测试工件571为用来测试的船用低温钢板或者根据测试要求加工的船舶模型或者其它测试工件，测试工件（测试船用钢板）571与工件固定底座573通过螺栓连接；其中，工件固定底座573将各部件连接一体后可以在钢丝绳535的牵引力作用下在冰面上做往复移动，控制模块700对往复移动的牵引力和移动速度进行记录；其中钢丝绳固定底座574与工件固定底座573、钢丝绳535连接，可以实现对钢丝绳的固定并拖动工件往复移动；其中砝码576实现对于工件的压力加载，砝码重量介于0.1kg～50kg之间，砝码可以根据试验需要加载和卸载，砝码通过砝码导向杆575固定；为了保证摩擦试验的正常进行，在工件固定底座的两边安装有导流板577可以引导测试工件571在冰面上的摩擦方向。

参见图4，上述的钢丝绳缠绕组件510包含：缠绕底座519，其设有导轨528；缠绕盘滑动座529，其设置在导轨528上；设置在缠绕盘滑动座529上的缠绕盘511，其一端与钢丝绳旋转轴517连接，另一端经扭矩传感器514、联轴器513与缠绕电机512相连；第一同步带轮515，其与钢丝绳旋转轴相连；第二同步带轮520、丝杆521，所述的第二同步带轮520与第一同步带轮515相互联动，并与丝杆521连接，所述的丝杆521设置于缠绕底座519。

缠绕底座设有第一、二、三行程开关（525-1、525-2、525-3）；所述的缠绕盘滑动座设有第一、二限位板（524、526）；旋转所述的丝杆，使得所述的丝杆带动缠绕盘滑动座在导轨上移动，当所述的第一限位板524与第一行程开关525-1接触时，缠绕电机停止转动并开始反转，当第二限位板526与第三行程开关525-3接触时，缠绕电机停止转动开始正转。

其中绳缠绕底座519上设有导轨528，可供缠绕盘滑动座529在导轨528上往复移动；钢丝绳缠绕盘511，缠绕电机512，联轴器513，扭矩传感器514，第一同步带轮515，第一限位板524，第二限位板526，轴承座523与缠绕板滑动座529连接；第二同步带轮520与丝杆521连接；第一同步带轮515与第二同步带轮520至的直径比包含但不局限于2:1～30:1。

其中钢丝绳缠绕盘511直径为0.4m～1m，长度为0.6m-1.2m钢丝绳缠绕盘511上加工有凹槽，凹槽直径与钢丝绳535直径相配，可以方便的缠绕钢丝绳535，钢丝绳缠绕盘511与钢丝绳旋转轴517连接，经扭矩传感器514，联轴器513与缠绕电机512连接。其中扭矩传感器514可以监控缠绕电机512的输出扭矩，并将扭矩信号传输到控制模块700；所述缠绕电机512为步进电机，可以根据控制系统要求控制电机的启动，停止，旋转速度等参数；所述旋转电机512的功率包含但不局限于1kw～10kw；

其中丝杆（520）的螺距与钢丝绳（535）直径比例包含但不局限于1.5:1～3：1。第一限位板525和第二限位板526的位置可以调整，通过控制第一限位板525和第二限位板526的位置可以调整压载模块的移动距离和位置。

本发明还提供了使用极地船用钢板超低温摩擦实验系统测试船用钢板的低温摩擦性能的工艺，该工艺的操作使用上述极地船用钢板超低温摩擦实验系统系统，具体工艺如下：

步骤1：启动控制模块700电源，开启程序控制模块；

步骤2：按照试验要求配置海水，打开冰槽进排水管控制阀将海水注入冰槽，要求不超过冰槽的2/3深度。

步骤3：启动制冷模块200，打开热交换控制阀420，启动制冷压缩机组210，冷却水塔220，循环风扇450，让制冷剂流经热交换管410对测试室150和冰槽110中的海水进行制冷，如需快速制冷，可打开液氮控制阀480，打开排气阀160，启动空压机组240，让空压机组中的空气经过空气干燥机250后在气体混合器260中与液氮混合，让汽化的氮气和压缩空气经过液氮冷却管470进入测试空间，使测试空间内温度降到零下10摄氏度以下，关闭液氮控制阀门480。

步骤4：当温度达到零下10摄氏度以后，调整钢丝绳缠绕组件510中的第一行程开关和第二行程开关的位置，使加载模块570的移动行程与试验要求行程一致。

步骤5：在控制模块700中输入测试需要的转速，短接连接加载模块570的钢丝绳，控制模块启动拖拽模块500中的缠绕电机512，使钢丝绳535按照程序设定进行往复运动。

步骤6：旋转手柄螺母320，打开密封门310，将测试工件571固定在工件固定底座573上，并将钢丝绳535与加载模块570连接，按照测试程序要求将相应载荷的砝码576加载到砝码导向杆575上，拧紧锁紧螺母，关闭密封门。

步骤7：打开液氮控制阀门480，打开液氮控制阀480，打开排气阀160，启动空压机组240，让空压机中的空气经过空气干燥机250后在气体混合器260中与液氮混合，让汽化的氮气和压缩空气经过液氮冷却管470进入测试空间，使测试空间内温度降到设定温度（-60摄氏度以上），

步骤8：将控制模块700利用测量和监控模块600中的拉力传感器、扭矩传感器进行归零操作。

步骤9：将旋转电机512的转速设定为程序要求速度，按照程序设定时间对极地船用钢板571进行超低温往复摩擦试验，在测试过程中，控制程序700利用测量与监控模块600中的温度传感器180、速度传感器、拉力传感器540、扭矩传感器514等来记录相关数据。

步骤10：试验完成后，关闭相关阀门，停止制冷机组210、空压机组240，旋转手柄螺母320，打开密封门310，拆下极地航行用船用钢板571，进行相关检测。

综上所述，本发明一种极地船用钢板超低温摩擦实验系统能够在实验室中模拟极地航行船舶模型或者破冰船钢板在超低温环境下，提供不同的温度、载荷、速度、湿度等环境，测试船板与冰面之间的摩擦磨损，低温冲击性能，船体型线与冰块之间的摩擦蚀损等性能。尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。