载流摩擦磨损试验装置及其操作方法与流程

本发明涉及试验测试设备技术领域，具体涉及一种载流摩擦磨损试验装置及其操作方法。

背景技术：

近年来，随着轨道交通的高速重载化、电力行业电力输送的高压化及控制行业的微型化，载流摩擦副不但服役条件日益苛刻，而且使用可靠性要求越来越高。从作用和功能来看，载流摩擦副不仅具备传动、承载等机械作用，而且兼具电能输送功能；其运行可靠性已成为交通、能源等行业技术进步的瓶颈。目前，工程实践中比较典型的载流摩擦副有轨道交通系统(包括受电弓和铁轨回流系统、接触靴和地面钢轨回流系统)、开关系统(包括高压开关和继电器)以及电刷系统。其中，轨道交通系统所用的受电弓和接触线受流系统是载流摩擦副中工作环境最恶劣的一种，正常工作时不仅要承载机械作用和电能输送作用，还需要承受恶劣环境下带来的腐蚀。

与传统摩擦相比，载流摩擦中电因素的介入使得摩擦副接触表面出现了一系列特有的载流摩擦学现象。从对摩擦副性能的作用来看，电因素与摩擦学因素之间是耦合作用。这类耦合作用表现为载流条件对摩擦磨损特性的作用以及摩擦学条件对导电载流特性的作用，总体表现为二者间的耦合效应。这种强烈的复杂耦合关系导致载流摩擦副的载流导电行为和摩擦学行为出现了许多特有的现象，采用传统的摩擦学与电接触学理论知识已经不能合理解释。

除此之外，载流摩擦磨损一般发生在复杂的大气环境(雨、雪、风、沙、雾、霜、雷等)条件下，多变的大气环境会给摩擦副材料的摩擦磨损特性带来不确定影响，摩擦副接触表面观察到的现象将比普通的载流摩擦磨损情况更加复杂。在各类大气环境中，降雨是最普遍的一种天气。研究降雨环境的载流摩擦磨损现象具有普适性和一定的工程实践价值。现有的关于潮湿条件下的载流摩擦磨损行为、摩擦副表面的水膜电解对载流摩擦磨损性能的影响等研究较少。因此，有必要对特殊环境特别是降雨环境的载流摩擦学行为进行研究和分析。目前，常用于轨道交通系统的载流摩擦磨损试验装置体积庞大、成本昂贵、耗能大、不易改造、无法模拟特殊环境、模拟效果差、易受经济等因素限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种载流摩擦磨损试验装置及其操作方法，以解决现有试验装置成本昂贵、无法模拟在降雨等特殊环境下摩擦磨损的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：载流摩擦磨损试验装置，包括底座、位于所述底座两端的支撑柱、位于两个所述支撑柱之间的试验机构以及与所述试验机构通信连接的数据采集机构；

所述试验机构包括设置在底座上且位于两个所述支撑柱之间的平移升降组件、设置在所述平移升降组件上端的压力传感组件、位于压力传感组件上端的试验块组件、位于两个所述支撑柱之间且与所述试验块组件相接触的接触线组件以及与所述接触线组件通信连接的控制台，所述试验块组件的上方对应设置有环境模拟组件，且所述压力传感组件还与所述数据采集机构通信连接，所述数据采集机构通信连接有终端设备。

进一步，所述平移升降组件包括设置在所述底座上且位于两个所述支撑柱之间的直线往复运行滑台、设置在所述直线往复运行滑台上的升降台以及设置在所述升降台上方的施压件，所述压力传感组件设置在所述施压件上。

进一步，所述直线往复运行滑台包括第一滑台以及与所述第一滑台相交设置的第二滑台，所述第一滑台与所述第二滑台位于同一平面内且相交呈“十字形”结构。

进一步，所述压力传感组件包括设置在所述施压件上的法向力传感器以及位于所述法向力传感器上方的切向力传感器，且所述法向力传感器和切向力传感器之间设置有隔板。

进一步，所述试验块组件包括设置在所述切向力传感器和切向力传感器上方的夹持件、设置在所述夹持件上的试验块以及嵌设在所述试验块内部的热电偶，所述试验块远离所述夹持件的端面与所述接触线组件相接触。

进一步，所述接触线组件包括设置在所述支撑柱上的张力补偿器、连接在所述张力补偿器上的绝缘子、连接在所述绝缘子远离所述张力补偿器端部的接触线终端锚固线夹以及连接在所述接触线终端锚固线夹上的接触线，所述试验块与所述接触线相接触，且所述接触线通信连接有电源柜。

进一步，所述数据采集机构包括信号放大器、数据采集卡、电压传感器、电流传感器以及红外成像仪，所述信号放大器的输入端分别与所述切向力传感器的输出端和法向力传感器的输出端通信连接，所述数据采集卡的输入端分别与所述信号放大器的输出端、电压传感器的输出端以及电流传感器的输出端通信连接，所述电压传感器的输入端和电流传感器的输入端分别与所述接触线通信连接，且所述电压传感器的输入端还与所述夹持件通信连接，所述红外成像仪的输出端和数据采集卡的输出端分别与终端设备通信连接。

进一步，所述控制台包括与所述直线往复运行滑台通信连接且用于控制直线往复运行滑台运行速度的速度控制模块、与所述施压件通信连接且用于控制施压件运动的压力施加模块以及与所述环境模拟组件通信连接且用于控制环境模拟组件的环境模拟控制模块，且所述速度控制模块、压力施加模块以及环境模拟控制模块均与所述终端设备通信连接，所述终端设备上还通信连接有温控仪，且所述温控仪的输出端与所述热电偶通信连接。

本发明还提供了一种用于载流摩擦磨损试验装置的操作方法，包括以下步骤：

步骤1：通过终端设备设置温度参数，并设置控制台内的预定压力参数、速度参数和环境模拟组件中的环境参数；

步骤2：通过控制台控制施压件产生动作，使得施压件带动试验块压靠在接触线上，并达到预设压力参数；

步骤3：当试验块与接触线之间的压力恒定后，通过温控仪控制电热偶加热，使得试验块的温度达到预设温度参数；

步骤4：当试验块温度恒定后，通过电源柜对接触线施加恒定电流，再通过控制台驱动直线往复运行滑台以恒定速度运行；

步骤5：通过改变预定压力参数、温度参数、速度参数以及环境模拟组件中的环境参数，重复步骤1至步骤4。

进一步，步骤5中还包括改变接触线类型，使得该装置模拟线/面接触或面面接触的接触情况。

本发明具有以下有益效果：本发明所提供的一种用于载流摩擦磨损试验装置及其操作方法，其成本低，体积小，试验过程稳定可靠，使用性能好，通过环境模拟组件实现对各种特殊环境的实时模拟，通过试验机构中的平移升降组件、压力传感组件、试验块组件、接触线组件以及控制台之间的相互配合，既实现在滑动状态下的载流摩擦磨损性能研究，又实现了试验机构在特殊环境下载流摩擦磨损性能研究，操作可靠稳定；且通过数据采集机构对试验过程中的各项数据进行实时采集记录，实时监测和收集载流摩擦磨损过程中动态接触压力的法方向力信号、动态接触压力的切方向力信号、电压信号、电流信号以及试验块摩擦面的温升信号，为载流摩擦磨损性能研究提供可靠支撑，且通过改变通设置参数及接触线类型，使试验模拟线/面接触或面/面的接触情况，输出数据稳定，提高试验的精确性，保证试验效果。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明中数据采集机构示意图；

图3为本发明中控制台组成框图；

图1至图3中所示附图标记分别表示为：1-底座，2-支撑柱，3-试验机构，4-控制台，5-环境模拟组件，10-直线往复运行滑台，11-升降台，12-施压件，101-第一滑台，102-第二滑台，120-切向力传感器，121-法向力传感器，20-夹持件，21-试验块，30-张力补偿器，31-绝缘子，32-接触线终端锚固线夹，33-接触线，40-信号放大器，41-数据采集卡，42-电压传感器，43-电流传感器，44-红外成像仪，50-温控仪，51-速度控制模块，52-压力施加模块，53-环境模拟控制模块。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1至图3所示，载流摩擦磨损试验装置，包括底座1、位于底座1两端的支撑柱2、位于两个支撑柱2之间的试验机构3以及与试验机构3通信连接的数据采集机构。该装置体积小，成本低，能耗低。底座1为整个装置提供稳定的支撑，底座1四边角处设置有万向轮，通过万向轮可便于试验装置整体的移动，方便简单，操作简单。支撑柱2为三角形结构，其具有强的稳定性，固定在底座1两端，保证试验中各部件的稳定可靠连接。试验机构3在滑动状态下对载流摩擦磨损性能进行研究以及在特殊环境下载流摩擦磨损性能进行研究。数据采集机构将试验机构3在试验过程中产生的实时数据进行采集记录。

试验机构3包括设置在底座1上且位于两个支撑柱2之间的平移升降组件、设置在平移升降组件上端的压力传感组件、位于压力传感组件上端的试验块组件、位于两个支撑柱2之间且与试验块组件相接触的接触线组件以及与所述接触线组件通信连接的控制台4，试验块组件的上方对应设置有环境模拟组件5，且压力传感组件与数据采集机构通信连接，数据采集机构通信连接有终端设备。平移升降组件主要用于带动试验块组件及压力传感组件进行水平方向上和垂直方向上的运动。通过平移升降组件带动试验块组件和压力传感组件进行垂直方向上运动，便于对试验块组件及压力传感组件的维修更换，且便于对试验块磨损情况的观察。当平移升降组件带动试验块组件和压力传感组件进行水平左右移动时，使试验块组件与接触线33之间产生摩擦磨损。控制台4用于对试验机构3中各组件的工作状态进行控制，实现不同状态下的载流摩擦磨损性能测试研究。环境模拟组件5用于模拟不同环境，在不同特殊环境下进行试验操作，如降雨、降雪、覆冰、风沙、不同湿度的环境、不同温度的环境、特定气氛(n2，o2，co2等)的环境；其中，当处于降雨环境时，通过水管、水泵以及水管上的喷嘴组成，当处于结冰环境时，通过在接触线33上冻结不同厚度的冰层来实现不同的覆冰环境，其他不同环境根据具体要求进行模拟设置。

其中，平移升降组件包括设置在底座1上且位于两个支撑柱2之间的直线往复运行滑台10、设置在直线往复运行滑台10上的升降台11以及设置在升降台11上方的施压件12，压力传感组件设置在施压件12上。直线往复运行滑台10提供运动基础，且该直线往复运行滑台10包括第一滑台101以及与第一滑台101相交设置的第二滑台102，第一滑台101与所述第二滑台102位于同一平面内且相交呈“十字形”结构。升降台11用于带动压力传感组件及试验块组件的上升和下降，从而便于对两者的检修和更换。通过施压件12顶升试验块，使得试验块21与接触线33接触，并通过施压件12对试验块21加载的不同的负载力从而决定试验块21与接触线33之间的压力接触程度。当升降台11带动压力传感组件及试压块组件沿第一滑台101方向运动时，试验块21的短边的区域受到摩擦磨损，此时，试验块组件与接触线33之间的接触方式为线面接触，实现对试验块组件上短边区域的摩擦磨损监测，从而模拟列车在高速行驶的摩擦磨损情况。当升降台11带动压力传感组件及试验块组件向第二滑台102方向运动时，试验块组件与接触线33之间的接触方式为线面接触，此时，试验块的长边方向的区域受到摩擦磨损，可以模拟列车的“之”字形运动；其中长边区域和短边区域分别沿试验块长度方向和宽度方向而定。升降台11包括手轮、连接在手轮上的涡轮以及与涡轮垂直连接且与涡轮相配合的蜗杆，通过手轮带动涡轮旋转，进而通过涡轮旋转运动带动蜗杆的上下运动，实现升降台11的升降操作，其操作简单，涡轮与蜗杆之间具有强的自锁性能，保证升降过程中的可靠性能。通过升降台11实现上方压力传感组件及试验块组件的升降运动。升降台11上焊接有板件，通过该板件为上方的施压件12、压力传感组件及试验块组件提供稳定可靠的支撑。为了提高可靠操作性能及降低能耗，优选的采用气缸，通过控制台4内的气缸控制模块控制气缸内活塞杆的伸缩，从而实现试验块组件与接触线33之间的压力接触，对试验块组件加载相应的负载力，该负载力能够模拟加载在接触副的压力。

为了提高监测效果，本发明中，压力传感组件包括设置在所述施压件12上的法向力传感器121以及位于法向力传感器121上方的切向力传感器120，且法向力传感器121和切向力传感器120之间设置有隔板。切向力传感器120位于法向力传感器121的上方，有助于提高检测的精确性。通过法向力传感器121和切向力传感器120分别检测动态接触的法方向分力和切方向分力，通过隔板将切向力传感器120和法向力传感器121隔开，避免两者之间的分力受到相互影响，该隔板采用不锈钢材质。其中，法向力传感器121采用型号为qltsc的s型法向拉压测力传感器，切向力传感器120采用型号为qltsc的s型切向拉压测力传感器。

为了保证试验块21与接触线33的压力基础，本发明中，试验块组件包括设置在所述切向力传感器120和切向力传感器120上方的夹持件20、设置在夹持件20上的试验块21以及嵌设在试验块21内部的热电偶，试验块21远离夹持件20的端面与接触线组件相接触。夹持件20用于对试验块21紧固夹持，保证在试验块21摩擦磨损试验验过程中的稳定性。试验块21与接触线33压力接触，实现试验块21与接触线33进行载流摩擦运动。热电偶连接有电源，通过对热电偶通电使得试验块21具有一定温度，进而在试验过程中通过红外成像仪44对试验块21表面的温升信号进行采集，热电偶为高功率单头热电偶。

为了提高接触线33的安装强度和可靠性能，本发明中，所述接触线组件包括设置在支撑柱2上的张力补偿器30、连接在张力补偿器30上的绝缘子31、连接在绝缘子31远离张力补偿器30端部的接触线终端锚固线夹32以及连接在接触线终端锚固线夹32上的接触线33，试验块21与接触线33相接触，且接触线33通信连接有电源柜。接触线33上连通有电源柜，通过电源柜对接触线33供电。张力补偿器30用于拉紧和绷直接触线33，保证接触线33设置平直，避免接触线33因松软而造成的监测效果差。绝缘子31用于将带电的接触线33和试验装置中不带电的部分绝缘，提供安全性能。接触线33的接触线终端锚固线夹32用于将接触线33的终端连接和固定于绝缘子31中，整体连接强度高，安全性能高。

为了提高数据实时采集的精确性，本发明中，数据采集机构包括信号放大器40、数据采集卡41、电压传感器42、电流传感器43以及红外成像仪44，信号放大器40的输入端分别与切向力传感器120的输出端和法向力传感器121的输出端通信连接，数据采集卡41的输入端分别与信号放大器40的输出端、电压传感器42的输出端以及电流传感器43的输出端通信连接，电压传感器42的输入端和电流传感器43的输入端还分别与接触线33通信连接，且所述电压传感器42的输入端还与所述夹持件20通信连接，红外成像仪44的输出端和数据采集卡41的输出端分别与终端设备46通信连接。电压传感器具有两个输入端。红外成像仪44能够实时监测滑块试样摩擦面的温度，将温度数据实时传输到终端设备46中，通过负反馈调节实现再控制和再调节滑块试样摩擦面的温度，该方法能够研究特定温度下的载流摩擦副的摩擦磨损性能以及此种情况下影响摩擦磨损的主要因素。通过信号放大器40和数据采集卡41能够在终端设备46上实时监测和采集法向力传感器121检测的法方向力信号、切向力传感器120检测的切方向力信号、电压传感器42检测的电压信号和电流传感器43检测的电流信号，其电压信号为接触线33和试验块21的电压差，能够研究接触电阻对摩擦副的磨损机理和影响机制；通过改变气缸的参数，能够研究接触压力对载流摩擦副的摩擦磨损特性的影响，以及滑块试样和接触线33之间离线电弧发生的概率、电弧能量的大小等，终端设备46为电脑。电源与热电偶之间设置有变阻器。法向力传感器和切向力传感器的量程范围3kg－5t，激励电压5－20v；信号放大器的输出电压0－40v，输出电流0－500ma；热电偶的绝缘值800－2500mω；温控仪的可调温度范围0－1000℃，采样周期0.5－1s；电压传感器、电流传感器、数据采集卡的采样频率5mhz以上，差分输入、红外成像仪210的分辨率460x350像素以上，波长范围3.5－18μm。

为了提高对试验装置内各组件的控制，本发明中，控制台4包括与直线往复运行滑台10通信连接且用于控制直线往复运行滑台10运行速度的速度控制模块51、与施压件12通信连接且用于控制施压件12运动的压力施加模块52以及与环境模拟组件5通信连接的环境模拟控制模块53，且速度控制模块51、压力施加模块52以及环境模拟控制模块53均与终端设备46通信连接，终端设备46上还通信连接有温控仪50，且温控仪50的输出端与热电偶通信连接。控制台4为集成控制台4，便于小型化试验装置。通过调节温控仪50能够控制热电偶的目标温度，继而可以将滑块试样摩擦面的温度控制在目标温度附近的一定范围内。

在进行试验时，使用具有锁死功能的pu丝杆刹车万向轮将整个底座1固定在任一水平地面上，驱动气缸向摩擦副持续施加某一接触压力，通过温控仪使试验块达到某一特定温度，再开通电流源使整根接触线33导通带电。通过控制台4调节直线往复运行滑台10到某一运行速度，试验块21在直线往复运行滑台10的带动下和气缸、样夹持件20共同做水平面的匀速或匀变速直线往复运动，试验块21与其正上方的接触线33进行载流滑动摩擦运动，法向拉压测力传感器和切向拉压测力传感器依次通过力传感信号放大器40、数据采集卡41将动态接触压力的法方向分力和动态接触压力的切方向分力实时传输到带有usb接口的终端设备46上，试验块21摩擦面的温度可以通过高功率单头热电偶和智能温控仪50来控制和调节，红外成像仪44可将滑块试样摩擦面的温升数据传输到终端设备46上以便进行实时监测，调节和控制环境模拟装置到某一流量和时间，记录终端设备46采集的数据以及滑块试样表面的摩擦磨损情况。

本发明还提供了一种用于载流摩擦磨损试验装置的操作方法，包括以下步骤：

步骤1：通过终端设备46设置温度参数，并设置控制台4内的预定压力参数、速度参数和环境模拟组件5中的环境参数；设定的压力参数即为气缸的伸缩量，温度参数为温控仪50加热热电偶的温度数值，速度参数即为直线往复运行滑台10的运动速度，环境参数包括降雨量或结冰厚度或降雪量或湿度等其他参数。

步骤2：通过控制台4控制施压件12产生动作，使得施压件12带动试验块21压靠在接触线33上，并达到预设压力参数；气缸的供气气压给予试样夹持件20相应的负载力，负载力能够模拟加载在接触副的接触压力，通过调节气缸的供气气压能够获得不同的接触压力值。

步骤3：当试验块21与接触线33之间的压力恒定后，通过温控仪50控制电热偶加热，使得试验块21的温度达到预设温度参数；红外成像仪44将实时监测和采集到的试验块21摩擦面的温升信号传输到终端设备46中。

步骤4：当试验块21温度恒定后，通过电源柜对接触线33施加恒定电流，再通过控制台驱动直线往复运行滑台10以恒定速度运行；直线往复运行滑台10带动升降台11、气缸、夹持件20和试验块21做水平面上的直线往复运动，模拟载流摩擦磨损行为。

步骤5：通过改变预定压力参数、温度参数、速度参数以及环境模拟组件5中的降雨量或结冰厚度等环境参数，重复步骤1至步骤4。

步骤5中还包括改变接触线33的类型，该类型可采用具有接触平面的接触线，使得该装置模拟线/面接触或面/面的接触情况。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。