模拟真空环境下轴承摩擦磨损试验装置

本发明涉及轴承摩擦磨损试验领域，更具体的说，尤其涉及一种模拟真空环境下轴承摩擦磨损试验装置。

背景技术：

随着航空航天技术的发展，越来越多的航空设备都运行于高真空环境下(真空度10-5pa～10-7pa量级)，真空环境工况会带来特殊的摩擦学问题。例如，真空中缺乏氧和其它大气反应物，金属表面的氧化膜在摩擦过程中很快就被消耗去除，并且难以形成新的氧化膜，因此，摩擦表面很快处于“裸露”状态，新鲜金属表面间直接接触而发生严重的粘着；没有气体的扩散对流来及时带走摩擦热量，摩擦表面的温度将迅速升高，从而改变摩擦材料的物理性能和化学稳定性；液体润滑剂分子在真空中会以很大的速度挥发，造成润滑剂的迅速流失而使润滑失效。要解决真空环境中的润滑难题，开发各种新型润滑材料，必须进行大量的摩擦学实验。

轴承是航空机械设备中一种重要零部件。它的主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动过程中的摩擦系数，并保证其回转精度。轴承的工作寿命是在轴承在损坏之前可达到的实际寿命，轴承在实际工作中的损坏通常并非由疲劳所致，而是由磨损、腐蚀、密封损坏等原因造成。要确定轴承在航空设备中的工作寿命，轴承的真空摩擦磨损试验十分重要。

相比于轴承在实际工况下的摩擦磨损实验而言，实验室模拟试验的环境和工况因素相对容易控制，试验条件变化范围宽，试验成本比较低，可在短时间内获得比较系统的数据。因此，在摩擦学研究中，实验室模拟试验得到了广泛的应用，相应的试验测试设备和技术的开发显得非常重要。

真空摩擦磨损试验设备是进行真空环境工况中摩擦学设计及润滑材料选择的基本工具。由于真空摩擦磨损试验设备涉及到真空获得、动密封、实时信号采集等难度较大的关键技术，目前国内外用于真空环境下设备的摩擦磨损特性研究的定型产品还非常匮乏。

国内早期真空摩擦磨损试验设备的主要问题是设备所能提供的真空度太低，不能真实模拟航天器等所工作的宇航高真空环境，此外，设备虽配备了数据采集系统和相应的软件，但因当时技术水平所限，设备的操作维护相对复杂，稳定性也有待提高。而国外真空摩擦磨损试验设备的精度和安全性较高，操作也较方便，例如瑞士csm公司生产的ea型号的真空摩擦磨损试验设备可提供高达10-7pa的真空环境，并且测试过程中摩擦力和磨损率可通过传感器及配套软件自动精确测量和计算。但该类设备目前的市场价格较高，采购和售后服务等都不太方便。此外，目前常规用于轴承的摩擦磨损试验装置只适用于常温常压环境，无法满足研究要求，因此需要设计出相应的真空摩擦磨损试验设备来研究轴承在真空使用条件下的摩擦磨损性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提出了一种模拟真空环境下轴承摩擦磨损试验装置，通过本发明能够进行模拟真空环境下轴承的摩擦磨损试验，具有较高的应用价值。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种模拟真空环境下轴承摩擦磨损试验装置，包括真空系统和加载系统，所述真空系统提供摩擦磨损试验所需的真空环境和放置试验样品的平台，所述加载系统提供摩擦磨损试验所需的加载平台；

所述加载系统包括加载机构和升降机构；所述升降机构包括升降机架、中间连接板、拉力机、传动杆支座和升降板，所述拉力机固定在所述升降机架顶部，升降板设置在拉力机下方，拉力机的传动杆通过传动杆支座连接升降板，拉力机工作时通过传动杆驱动升降板的升降；所述中间连接板水平固定在升降板下方的升降机架上，升降机构的中间连接板上设置有一个中心通孔和三个承载组件安装孔，摩擦磨损机构设置在中间连接板下方，真空罐固定安装在中间连接板的上表面上；所述加载机构包括承载盘、加载砝码、导杆和导杆支座，所述导杆设置有三根且三根导杆围绕所述第二承载盘的中心均匀分布，所述导杆支座固定在升降机构的升降板上，所述导杆支座设置有三个，三根导杆的上方依次穿过三个导杆支座；所述加载砝码加载在承载盘上；

所述真空系统包括真空罐、摩擦磨损机构、抽气装置、承载组件和波纹管组件；

所述真空罐包括真空罐体，真空罐体上设置有加载端口、承载端口、观察窗、电连接输入端口、电连接输出端口、抽气端口和底部通孔，所述真空罐体的顶部罐盖上绕其中心均匀开设有三个加载端口，真空罐体的底部中心设置有底部通孔，真空罐体的底部绕其中心均匀开设有三个承载端口，观察窗设置在真空罐体的侧面，观察窗用于观察摩擦磨损实验时真空罐内实际情况；电连接输入端口设置在真空罐体的侧面，电连接输入端口用于连接外部设备的输入电缆；所述电连接输出端口设置在真空罐体的侧面，电连接输出端口用于连接外部设备的输出电缆；所述抽气端口设置在真空罐体的侧面，抽气端口通过抽气管连接抽气装置，抽气装置抽取所述真空罐内的气体并达到摩擦磨损试验所需的真空条件；

所述摩擦磨损机构包括旋转实验平台、转接台、轴承组、磁流体密封轴、第一联轴器、扭矩传感器、第二联轴器、减速器、伺服电机、减速器支架、扭矩传感器支架和驱动底板，所述旋转实验平台固定在转接台上，旋转实验平台的上表面与波纹管组件的底部接触，旋转实验平台的下表面上设置有一圈环形的摩擦区域，旋转实验平台的摩擦区域与试验样品的上表面直接接触；所述转接台的底面上设置有底部安装孔，转接台通过底部安装孔连接磁流体密封轴的输出轴上端，转接台能够跟随磁流体密封轴的输出轴做轴向运动，所述磁流体密封轴的轴套上端通过法兰固定在真空罐的底部通孔外围，磁流体密封轴的轴套外侧固定在中间连接板的中心通孔上；所述磁流体密封轴的输出轴下端依次连接第一联轴器、扭矩传感器、第二联轴器和减速器，所述减速器的输入端连接伺服电机；所述磁流体密封轴的上端设置在固定在真空罐底部的中心部位，磁流体密封轴的上表面覆盖真空罐的底部通孔；所述伺服电机固定在减速器上，减速器通过减速器支架固定在驱动底板上，所述扭矩传感器通过扭矩传感器支架固定在驱动底板上，所述驱动底板固定在升降机构的升降机架上；

所述波纹管组件设置有三个，三个波纹管组件安装在三个加载端口上；所述波纹管组件包括压盘、防护外壳、第一波纹管和封盖，所述压盘中部设置有竖直设置的压盘轴，压盘轴的上端伸出压盘的上表面形成承压凸起，压盘轴的承压凸起与加载机构的加载盘的下表面接触，压盘轴的下表面穿过加载端口后压在旋转实验平台的上表面上；所述第一波纹管套装在压盘与加载端口之间的压盘轴上，第一波纹管的上端与压盘密封连接，第一波纹管的下端与加载端口密封连接；所述防护外壳呈管状，防护外壳套装在压盘和第一波纹管外侧，防护外壳的下表面固定在真空罐体的顶部罐盖上，防护外壳的顶部设置有可开闭的封盖；

所述承载组件设置有三个，所述承载组件包括承载外壳、力传感器、支撑盘、第二波纹管、试件盒和连接轴，三个承载组件的承载外壳固定在中间连接板的三个承载组件安装孔内，承载外壳的上端固定在真空罐的下底面的承载端口周围，所述支撑盘安装在承载外壳上，支撑盘和承载外壳之间设置有力传感器，所述支撑盘的上表面设置有垂直于支撑盘设置的支撑轴，支撑轴的顶部连接试件盒，试验样品通过连接轴固定在试件盒内且试验样品的试验区域为与旋转实验平台相接触的上表面，所述第二波纹管套装在支撑盘和真空罐体下底面之间的支撑轴上，第二波纹管的下端与支撑盘密封连接，第二波纹管的上端与真空罐体下底面的承载端口周围密封连接。

进一步的，所述加载砝码包括小型砝码和大型砝码，在加载的过程中，小型砝码套装在承载盘上方的导杆上，大型砝码顺着三根导杆加载在小型砝码上方。

进一步的，所述大型砝码呈圆盘状，大型砝码绕其中心开设有六个通孔，三根导杆穿过大型砝码上的三个通孔，另外三个通孔通过穿过通孔的螺栓将最顶端的大型砝码固定在升降板上；所述大型砝码的圆周侧面上均匀地开设六个圆孔，每个圆孔内均放置有圆柱销，两块相邻的大型砝码之间通过套装在圆柱销上的链扣进行连接，加载大型砝码时取下对应数量的链扣，大型砝码下落到小型砝码上对承载盘进行加载。

进一步的，相邻的大型砝码通过套装在间隔设置的三个圆柱销上的链扣进行连接。即单个大型砝码与上方的大型砝码通过三个链扣连接且这三个链扣间隔一个圆柱销设置，该大型砝码与下方的大型砝码通过另外三个链扣连接。

进一步的，所述大型砝码设置有大小完全相等的五个。其中最顶端的大型砝码通过螺栓固定在升降板上，其余的大型砝码之间都通过链扣连接，当需要对应数量的大型砝码时取下对应数量的链扣即可，将需要最上端的大型砝码时将连接大型砝码与升降板的螺栓拧松即可。

进一步的，所述磁流体密封轴的上端真空罐的底部通孔通过o型密封圈密封。磁流体密封轴用于常压和真空环境下的力矩传递，在真空罐密封的条件下提供旋转实验平台的转动。伺服电机为摩擦磨损机构提供驱动力，扭矩传感器用于反馈摩擦磨损试验中摩擦磨损机构实际提供的旋转力矩。

进一步的，所述真空罐体的加载端口、承载端口、观察窗、电连接输入端口、电连接输出端口、抽气端口和底部通孔与外界的连接均为密封连接。

进一步的，所述承载外壳上设置有圆柱轨道槽，支撑盘安装在承载外壳的圆柱轨道槽内并能沿着圆柱轨道槽上下运动，支撑盘的下端面设置有与力传感器的探头端相配合的圆形凹槽，力传感器的下端固定在承载外壳的圆柱轨道槽底部，力传感器上放的探头与支撑盘下端面的圆形凹槽相接触。第二波纹管由于上端与真空罐体底部固定连接，因此第二波纹管下端与支撑盘的连接能为支撑盘定位，使支撑盘悬停在承载外壳的圆柱轨道槽内，支撑盘底部直接与力传感器连接，保证力传感器能够反馈出摩擦磨损试验时的实际加载力。

本发明的具体工作时采用一种模拟真空环境下轴承摩擦磨损试验装置的试验方法，包括如下步骤：

步骤一：试验样品的准备和安装：将试验样品安装到试件盒中，并将试验样品表面置于所述旋转试验平台上表面的摩擦区域内；

步骤二：真空环境的提供：打开抽气装置中的气泵，对真空罐中的密封室抽真空，使真空度达到试验要求；

步骤三：加载力的提供：根据试验要求，手动添加小型砝码到所述第一承载盘上，取下所述大型砝码上的所述链扣，添加所述大型砝码到第一承载盘上；若需要加载第一块所述大型砝码，拧下连接升降板和第一块所述大型砝码的螺栓螺母；

步骤四：摩擦磨损试验：驱动所述摩擦磨损机构的伺服电机，使旋转试验平台与试验样品进行相对运动，产生摩擦，开始试验；

步骤五：采集数据，收集试验过程中力传感器反馈的实际记载里和扭矩传感器反馈的实力旋转力矩数值。

本发明的有益效果在于：。

1、本发明提供的真空系统和加载系统可进行模拟太空真空环境下对轴承的摩擦磨损试验，具有较高的应用价值。

2、本发明采用的大多数设备部件均可用螺栓进行连接，可拆卸性好，且便于装配和维护。

3、本发明在真空罐上开设了三个加载端口、三个承载端口、观察窗、电连接输入端口、电连接输出端口和抽气端口，结构简单、紧凑，空间利用率高。

4、本发明通过电连接输入端口和电连接输出端口连接真空罐内外的检测设备，有利于实时监控真空罐中的试验，保证了试验的可靠性。

5、本发明采用了磁流体密封轴传递旋转力矩给转接台，实现了力矩在真空和常压环境之间的传递，并且做到了真空罐底部中心圆孔处的真空密封；

6、本发明采用了伺服电机和减速器提供摩擦磨损试验中的旋转力矩，配合扭矩传感器实时反馈的实际试验中的旋转力矩，实现了对旋转试验平台转速的精确控制；

7、本发明在真空罐的加载端口上固定安装了第一波纹管，实现了真空罐加载端口处的真空密封。

8、本发明在真空罐的承载端口上固定安装了第二波纹管，实现了真空罐承载端口处的真空密封。

9、本发明采用圆柱销和链扣的连接方式连接相邻两块大型砝码，便于大型砝码的装载。

10、本发明采用大型砝码和小型砝码配合加载的方式，丰富了加载系统加载力的可选项。

11、本发明将所有进行加载的砝码统一加载到一个承载盘上，再通过承载盘传递加载力给加载端口上的波纹管组件，实现了对三个轴承的同步加载，提高了加载效率，并且能够在一次试验中对三个轴承进行测试，提高了大批量轴承试验的效率。

12、本发明在承载组件上加入力传感器，实时反馈实际试验中添加的加载力，保证了实验数据的准确和真实性。

13、本发明在承载盘上固定了三根导杆，利用导杆与导杆支座之间的配合，实现了承载盘只能进行单一竖直方向上的位移，保证了加载力的稳定性。

附图说明

图1是本发明一种模拟真空环境下轴承摩擦磨损试验装置的整体结构示意图。

图2是本发明真空系统的结构示意图。

图3是本发明真空罐的结构示意图。

图4是本发明真空罐的俯视图。

图5是本发明摩擦磨损机构的结构示意图。

图6是本发明波纹管组件的剖视视图。

图7是本发明承载组件的剖视视图。

图8是本发明加载系统的结构示意图。

图9是本发明升降机构的结构示意图。

图中：1-真空系统、10-真空罐、100-电连接输入端口、101-加载端口、102-电连接输出端口、103-观察窗、104-抽气端口、105-承载端口、11-摩擦磨损机构、110-旋转试验平台、111-转接台、112-磁流体密封轴、113-第一联轴器、114-扭矩传感器、115-第二联轴器、116-减速器、117-伺服电机、118-减速器支架、119-扭矩传感器支架、1110-驱动底板、12-抽气装置、13-波纹管组件、130-压盘、131-第一波纹管、132-防护外壳、133-封盖、14-承载组件、140-连接轴、141-试件盒、142-第二波纹管、143-支撑盘、144-力传感器、145-承载外壳、2-加载系统、20-加载机构、200-导杆、201-导杆支座、202-加载砝码、2020-大型砝码、2021-小型砝码、203-承载盘、204-圆柱销、205-链扣、21-升降机构、210-拉力机、211-传动杆、212-传动杆支座、213-升降板、214-升降机架、3-试验样品。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1～9所示，一种模拟真空环境下轴承摩擦磨损试验装置，包括真空系统1和加载系统2，所述真空系统1提供摩擦磨损试验所需的真空环境和放置试验样品的平台，所述加载系统2提供摩擦磨损试验所需的加载平台。

所述加载系统2包括加载机构20和升降机构21；所述升降机构21包括升降机架214、中间连接板、拉力机210、传动杆支座212和升降板213，所述拉力机210固定在所述升降机架214顶部，升降板213设置在拉力机210下方，拉力机210的传动杆211通过传动杆支座212连接升降板213，拉力机210工作时通过传动杆驱动升降板213的升降；所述中间连接板水平固定在升降板213下方的升降机架214上，升降机构21的中间连接板上设置有一个中心通孔和三个承载组件14安装孔，摩擦磨损机构11设置在中间连接板下方，真空罐10固定安装在中间连接板的上表面上。升降机构的作用是为加载机构的加载提供导向，以及为大型砝码提供放置空间。

所述加载机构20包括承载盘203、加载砝码202、导杆200和导杆支座201，所述导杆200设置有三根且三根导杆200围绕所述第二承载盘203的中心均匀分布，所述导杆支座201固定在升降机构21的升降板213上，所述导杆支座201设置有三个，三根导杆200的上方依次穿过三个导杆支座201；所述加载砝码202加载在承载盘203上。承载盘203、加载砝码202和导杆200构成一个加载主体，加载砝码202为加载主体提供额外的加载力，加载主体的导杆200可以沿着导杆支座201上下运动。

所述加载砝码202包括小型砝码2021和大型砝码2020，在加载的过程中，小型砝码2021套装在承载盘203上方的导杆200上，大型砝码2020顺着三根导杆200加载在小型砝码2021上方。所述大型砝码2020呈圆盘状，大型砝码2020绕其中心开设有六个通孔，三根导杆200穿过大型砝码2020上的三个通孔，另外三个通孔通过穿过通孔的螺栓将最顶端的大型砝码2020固定在升降板213213上；所述大型砝码2020的圆周侧面上均匀地开设六个圆孔，每个圆孔内均放置有圆柱销204，两块相邻的大型砝码2020之间通过套装在圆柱销204上的链扣205进行连接，加载大型砝码2020时取下对应数量的链扣205，大型砝码2020下落到小型砝码2021上对承载盘203进行加载。相邻的大型砝码2020通过套装在间隔设置的三个圆柱销204上的链扣205进行连接。所述大型砝码2020设置有大小完全相等的五个，大型砝码2020的数量也可以根据需求增加。

所述真空系统1包括真空罐10、摩擦磨损机构11、抽气装置12、承载组件14和波纹管组件13。

所述真空罐10包括真空罐体，真空罐体上设置有加载端口101、承载端口105、观察窗103、电连接输入端口100、电连接输出端口102、抽气端口104和底部通孔，所述真空罐体的顶部罐盖上绕其中心均匀开设有三个加载端口101，真空罐体的底部中心设置有底部通孔，真空罐体的底部绕其中心均匀开设有三个承载端口105，观察窗103设置在真空罐体的侧面，观察窗103用于观察摩擦磨损实验时真空罐10内实际情况；电连接输入端口100设置在真空罐体的侧面，电连接输入端口100用于连接外部设备的输入电缆；所述电连接输出端口102设置在真空罐体的侧面，电连接输出端口102用于连接外部设备的输出电缆；所述抽气端口104设置在真空罐体的侧面，抽气端口104通过抽气管连接抽气装置12，抽气装置12抽取所述真空罐10内的气体并达到摩擦磨损试验所需的真空条件。

所述真空罐体的加载端口101、承载端口105、观察窗103、电连接输入端口100、电连接输出端口102、抽气端口104和底部通孔与外界的连接均为密封连接。

所述摩擦磨损机构11包括旋转实验平台110、转接台111、磁流体密封轴112、第一联轴器113、扭矩传感器114、第二联轴器115、减速器116、伺服电机117、减速器支架118、扭矩传感器支架119和驱动底板1110，所述旋转实验平台110固定在转接台111上，旋转实验平台110的上表面与波纹管组件13的底部接触，旋转实验平台110的下表面上设置有一圈环形的摩擦区域，旋转实验平台110的摩擦区域与试验样品的上表面直接接触；所述转接台111的底面上设置有底部安装孔，转接台111通过底部安装孔连接磁流体密封轴112的输出轴上端，转接台111能够跟随磁流体密封轴112的输出轴做轴向运动，所述磁流体密封轴112的轴套上端通过法兰固定在真空罐10的底部通孔外围，磁流体密封轴112的轴套外侧固定在中间连接板的中心通孔上；所述磁流体密封轴112的输出轴下端依次连接第一联轴器113、扭矩传感器114、第二联轴器115和减速器116，所述减速器116的输入端连接伺服电机117；所述磁流体密封轴112的上端设置在固定在真空罐10底部的中心部位，磁流体密封轴112的上表面覆盖真空罐10的底部通孔；所述伺服电机117固定在减速器116上，减速器116通过减速器支架118固定在驱动底板1110上，所述扭矩传感器114通过扭矩传感器支架119固定在驱动底板1110上，所述驱动底板1110固定在升降机构21的升降机架214上。

所述磁流体密封轴112的上端真空罐10的底部通孔通过o型密封圈密封。本申请的转实验平台110和转接台111由于具有承载时下降的需求，因此连接的磁流体密封轴112的输出轴也是能够升降的方式，磁流体密封轴112的输出轴能够在磁流体密封轴112内部上下运动，上下运动时依旧保持磁流体密封，其复位可以通过弹簧复位来实现。

所述波纹管组件13设置有三个，三个波纹管组件13安装在三个加载端口101上；所述波纹管组件13包括压盘130、防护外壳132、第一波纹管131和封盖133，所述压盘130中部设置有竖直设置的压盘130轴，压盘130轴的上端伸出压盘130的上表面形成承压凸起，压盘130轴的承压凸起与加载机构20的加载盘的下表面接触，压盘130轴的下表面穿过加载端口101后压在旋转实验平台110的上表面上；所述第一波纹管131套装在压盘130与加载端口101之间的压盘130轴上，第一波纹管131的上端与压盘130密封连接，第一波纹管131的下端与加载端口101密封连接；所述防护外壳132呈管状，防护外壳132套装在压盘130和第一波纹管131外侧，防护外壳132的下表面固定在真空罐体的顶部罐盖上，防护外壳132的顶部设置有可开闭的封盖133。

所述承载组件14设置有三个，所述承载组件14包括承载外壳145、力传感器144、支撑盘143、第二波纹管142、试件盒141和连接轴140，三个承载组件14的承载外壳145固定在中间连接板的三个承载组件14安装孔内，承载外壳145的上端固定在真空罐10的下底面的承载端口105周围，所述支撑盘143安装在承载外壳145上，支撑盘143和承载外壳145之间设置有力传感器144，所述支撑盘143的上表面设置有垂直于支撑盘143设置的支撑轴，支撑轴的顶部连接试件盒141，试验样品通过连接轴140固定在试件盒141内且试验样品的试验区域为与旋转实验平台110相接触的上表面，所述第二波纹管142套装在支撑盘143和真空罐体下底面之间的支撑轴上，第二波纹管142的下端与支撑盘143密封连接，第二波纹管142的上端与真空罐体下底面的承载端口105周围密封连接。

所述承载外壳145上设置有圆柱轨道槽，支撑盘143安装在承载外壳145的圆柱轨道槽内并能沿着圆柱轨道槽上下运动，支撑盘143的下端面设置有与力传感器144的探头端相配合的圆形凹槽，力传感器144的下端固定在承载外壳145的圆柱轨道槽底部，力传感器144上放的探头与支撑盘143下端面的圆形凹槽相接触。

上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。