一种全海深模拟摩擦磨损试验台的加载及测量装置的制作方法

本发明属于摩擦磨损试验台设计领域，具体涉及一种模拟超高压海洋环境下的摩擦磨损试验台的弹簧加载组件。

背景技术：

随着陆上各类资源日益枯竭，进行海洋资源的勘探、开采对改善人类生存和发展环境具有重要战略意义。2016年，我国科技部启动了全海深相关装备的研究工作。因为海洋装备，尤其是深海装备是海洋技术发展的基础，而深海材料又是海洋装备研制的基础。目前，深海装备中部分关键元、器件的摩擦副直接在苛刻的海洋环境下工作，如海水泵的滑靴/斜盘、柱塞/柱塞套、潜器浮力调节组件、系泊链等，材料的摩擦磨损、腐蚀及其相互作用严重制约着深海装备的效率和可靠性。然后，现有摩擦学理论尚未延伸至深海领域，人们缺乏对材料，特别是高分子、陶瓷等新型材料在深海水环境中的摩擦学性能、失效机理的组件认识。摩擦副的陆地设计经验难以适用大深度条件高压低温环境，，不合适的理论可能导致深海装备关键运动副的失效，从而降低深海装备的可靠性。

因此，同步进行摩擦磨损试验和动态腐蚀试验，探索材料在极端海洋环境下的摩擦磨损行为、规律以及服役失效机理，从具有迫切的需求，然而目前国内外报告暂无有关全海深摩擦学的研究以及全海深模拟摩擦试验台。

因此，需要急需开展“全海深模拟摩擦试验台”的研制工作。模拟海洋环境摩擦磨损试验机采用高压泵压缩海水，在高压釜内模拟深海高压，试验试件放置在高压釜体内，加载组件、测量组件位于高压釜体外。因此，试验力、加载力需要在高压釜体内、外精确传递与准确测量。然而，运动部件在高压釜上的超高压密封多为接触密封，接触密封产生的轴向摩擦力及摩擦力矩难以从测量数据中剔除，直接影响试验力、加载力的测量精度。如何解决高压密封与试验力、加载力的精确传递之间的矛盾，是深海摩擦试验台设计的关键。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种全海深模拟摩擦磨损试验台的加载组件，旨在解决试验力、加载力的传递与高压密封之间的矛盾，实现试验力和加载力在高压釜体内外的精确传递与准确测量。

为了实现上述目的，本发明提供了一种全海深模拟摩擦磨损试验台的试验力加载及测量装置，用于对高压釜内的试件施加试验力以及对该试验力进行测量，包括：试件调整座、大轴承、圆柱销、小轴承、支撑套筒、上弹簧座、轴套、下弹簧座、测量弹簧、驱动轴、弹簧压缩量测量组件；

驱动轴上部轴端沿径向凸出成为一个安装台；试件调整座位于安装台上方，试件调整座的下端面与安装台的上端面存在轴向间距；大轴承、小轴承均位于安装台下方，小轴承套在大轴承的轴孔内；大轴承的动圈上端面与安装台下端面接触，小轴承的动圈上端面与安装台下端面之间存在轴向间距；

圆柱销有至少两个，均穿过安装台且与安装台之间存在较大间隙以使二者不接触，并沿安装台周向均匀分布；圆柱销上端插在试件调整座下端，与试件调整座为过盈配合，圆柱销下端固定在小轴承的动圈上端面；小轴承的上端面与试件调整座下端面之间的距离大于安装台厚度；

上弹簧座、测量弹簧、下弹簧座从上至下依次设在支撑套筒内部，测量弹簧上下两端分别与上弹簧座和下弹簧座抵接；支撑套筒顶部设有开孔，上弹簧座上端面裸露在开孔处，上弹簧座的下部被支撑套筒的顶部限制在支撑套筒内；

大轴承的定圈固定在支撑套筒上端面，小轴承的定圈固定在上弹簧座的上端面，支撑套筒顶部的开孔直径大于小轴承的外径；

驱动轴的轴杆部分从上至下依次穿过小轴承、上弹簧座、测量弹簧、下弹簧座、轴套，且与小轴承、上弹簧座、测量弹簧、下弹簧座之间均存在间隙，驱动轴的轴杆部分与轴套内壁形成间隙密封，以使海水从间隙密封处泄漏带走摩擦产生的热量；

弹簧压缩量测量组件用于测量弹簧受压时的压缩量。

进一步地，弹簧压缩量测量组件包括测微螺母、受力螺母、活塞杆、锁紧螺母；下部具有精密测量螺纹的部分为测量螺杆，测量螺杆与测微螺母通过精密测量螺纹连接；锁紧螺母套在活塞杆外部且同轴设置，受力螺母与活塞杆通过普通螺纹连接；活塞杆的上端面抵接在轴套下端面上，驱动轴穿过活塞杆。

进一步地，还包括固定螺钉、调整球、试件支座；

试件支座通过固定螺钉活动地安装在试件调整座上端，试件支座和试件调整座的对接面上开设有用于安装调整球的球形凹槽，安装调整球安装于球形凹槽中，试件支座可以绕调整球的球心转动。

进一步地，还包括密封和散热组件，密封和散热组件包括：锁紧螺母、第一O形圈、第二O形圈、回水管接头、活塞杆、J形密封环；

锁紧螺母套在轴套和活塞杆上，活塞杆的上端面抵接在轴套下端面上；第一O型圈套在J型密封环上部的环形缺口上，J型密封环套在轴套上且抵接锁紧螺母上端面；锁紧螺母上部设有外螺纹用于与高压釜进行安装对接；锁紧螺母径向开设有连通锁紧螺母与活塞杆之间间隙的回水口，回水管接头安装在回水口上，端面用第二O形圈密封。

进一步地，活塞杆上沿径向开有通流孔，通流孔位于回水口上方，连通锁紧螺母与活塞杆之间的间隙和活塞杆与驱动轴之间的间隙；

活塞杆内圆柱面上位于回水口下方设有迷宫密封环对活塞杆与驱动轴之间的间隙进行轴向密封；

通锁紧螺母与活塞杆之间位于回水口下方设有第三O形圈，锁紧螺母与活塞杆之间的间隙进行动密封。

进一步地，驱动轴为不锈钢基体表面喷涂硬质合金的复合结构，轴套为氮化硅陶瓷材料。

进一步地，驱动轴的基体为不锈钢17-4PH，驱动轴表面材料为喷涂或熔覆于基体表面的陶瓷或硬质合金，轴套为氮化硅陶瓷材料。

本发明的技术效果有：

1.试验力测量组件和加载组件相对独立，且测量组件将测量法向加载力转变为高压釜外测量活塞杆的位移，排除了高圧密封产生的摩擦力、摩擦力矩对测量的干扰，从而保证加载力的精确测量；

2.下面的试件同时作旋转运动与轴向移动，其动力组件位于高压釜同侧，但不共用同一驱动轴，细长驱动轴仅承受驱动力矩；这种同侧、异轴驱动结构较之传统摩擦试验台异侧驱动结构，既减少动密封数量，同时也保证了驱动轴的刚度，避免其受压变形与璧面接触，产生附加，影响加载力在高压釜体内、外的精确传递与准确测量；

3.受力螺母与测量螺杆端面构成行程定位，准确保证弹簧压缩量，从而实现加载力的精确传递与准确测量，受力螺母与测量螺杆分离，更好的保证测量精度；

4.驱动驱动轴与高压釜通过氮化硅陶瓷内衬形成间隙密封，与传统摩擦试验台加载组件相比，不存在接触密封；避免了高压密封产生的摩擦力影响试验力和加载力的测量精度；同时也能排除密封件在组件运行过程中的无规律磨损导致摩擦力波动，干扰加载力的测量；

5.旋转驱动轴采用复合材料结构，不锈钢基体为17-4PH，驱动轴表面材料为喷涂或熔覆于基体表面的陶瓷或硬质合金，使驱动轴可承受较大扭矩，同时具有良好的摩擦学性能；

6.安装在旋转驱动轴上的自适应调心组件，能够保证上、下试件有效接触，并提供始终垂直于接触面的加载力。

附图说明

附图1为本发明的试验力加载及测量装置的一个应用实例示意图；

附图2为本发明的试验力加载组件和测量组件的剖视示意图；

附图3为本发明的密封、冷却组件剖视示意图；

附图4为本发明的加载缸活塞杆结构剖视示意图；

附图5为本发明的弹簧压缩量测量组件剖视示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

附图1为为本发明的试验力加载及测量装置的一个应用实例示意图，该实例中全海深模拟摩擦磨损试验台主要包括高压釜1.10、加载及测量装置1、散热组件2、弹簧压缩量测量组件3、加载缸4，加载缸4具有活塞杆2.4。该摩擦磨损试验台用于模拟深海高压环境，同步进行材料摩擦磨损试验和动态腐蚀试验。高压釜1.10的主要作用是提供试件进行摩擦磨损试验所需的深海高压环境，提供高压动态腐蚀试验所需数据采集组件。散热组件2能带走绝大部分摩擦产热，保证高压釜内介质温度符合实际深海温度范围。弹簧压缩量测量组件3将测量法向力转变为测量高压釜外的位移，排除附加摩擦力的干扰。加载缸4可以根据试验需求，提供并调整作用在试件工作面上的法向加载力。

请参照图2，本实施例的全海深模拟摩擦磨损试验台的试验力加载及测量装置，包括：试件调整座1.4、大轴承1.5、圆柱销1.6、小轴承1.7、支撑套筒1.8、上弹簧座1.9、轴套1.12、下弹簧座1.13、测量弹簧1.14、驱动轴1.15、弹簧压缩量测量组件。

驱动轴1.15上部轴端沿径向凸出成为一个安装台1.15.1；试件调整座1.4位于安装台1.15.1上方，试件调整座1.4的下端面与安装台1.15.1的上端面存在轴向间距；大轴承1.5、小轴承1.7均位于安装台1.15.1下方，小轴承1.7套在大轴承1.5的轴孔内；大轴承1.5的动圈上端面与安装台1.15.1下端面接触，小轴承1.7的动圈上端面与安装台1.15.1下端面之间存在轴向间距。

圆柱销1.6有至少两个，均穿过安装台1.15.1且与安装台1.15.1之间存在较大间隙以使二者不接触，并沿安装台1.15.1周向均匀分布；圆柱销1.6上端插在试件调整座1.4下端，与试件调整座1.4为过盈配合，圆柱销1.6下端固定在小轴承1.7的动圈上端面；小轴承1.7的上端面与试件调整座1.4下端面之间的距离大于安装台厚度。

上弹簧座1.9、测量弹簧1.14、下弹簧座1.13从上至下依次设在支撑套筒1.8内部，测量弹簧1.14上下两端分别与上弹簧座1.9和下弹簧座1.13抵接；支撑套筒1.8顶部设有开孔，上弹簧座1.9上端面裸露在开孔处，上弹簧座1.9的下部被支撑套筒1.8的顶部限制在支撑套筒1.8内。

大轴承1.5的定圈固定在支撑套筒1.8上端面，小轴承1.7的定圈固定在上弹簧座1.9的上端面，支撑套筒1.8顶部的开孔直径大于小轴承1.7的外径。

驱动轴1.15的轴杆部分从上至下依次穿过小轴承1.7、上弹簧座1.9、测量弹簧1.14、下弹簧座1.13、轴套1.12，且与小轴承1.7、上弹簧座1.9、测量弹簧1.14、下弹簧座1.13之间均存在间隙，驱动轴1.15的轴杆部分与轴套1.12内壁形成间隙密封，以使海水从间隙密封处泄漏带走摩擦产生的热量。

请参照图2，试件支座1.18通过固定螺钉1.16活动地安装在试件调整座1.4上端，试件支座1.18和试件调整座1.4的对接面上开设有用于安装调整球1.17的球形凹槽，安装调整球1.17安装于球形凹槽中，试件支座1.18可以绕调整球1.17的球心转动。

请参照图3，密封和散热组件包括：锁紧螺母1.11、第一O形圈2.1、第二O形圈2.3.1、回水管接头2.3、活塞杆2.4、J形密封环2.6。

锁紧螺母1.11套在轴套1.12和活塞杆2.4上，活塞杆2.4的上端面抵接在轴套1.12下端面上；第一O型圈套2.1在J型密封环2.6上部的环形缺口上，J型密封环2.6套在轴套1.12上且抵接锁紧螺母1.11上端面；锁紧螺母1.11上部设有外螺纹用于与高压釜进行安装对接；锁紧螺母1.11径向开设有连通锁紧螺母1.11与活塞杆2.4之间间隙的回水口，回水管接头2.3安装在回水口上，端面用第二O形圈2.3.1密封。

请参照图4，活塞杆2.4上沿径向开有通流孔2.4.1，通流孔2.4.1位于回水口上方，连通锁紧螺母1.11与活塞杆2.4之间的间隙和活塞杆与驱动轴之间的间隙。活塞杆2.4内圆柱面上位于回水口下方设有迷宫密封环2.4.2对活塞杆与驱动轴之间的间隙进行轴向密封。通锁紧螺母1.11与活塞杆2.4之间位于回水口下方设有第三O形圈2.5，锁紧螺母1.11与活塞杆2.4之间的间隙进行动密封。

请参照图5，弹簧压缩量测量组件3用于测量弹簧受压时的压缩量。弹簧压缩量测量组件3包括测微螺母3.1、受力螺母3.2、活塞杆2.4、锁紧螺母1.11；下部具有精密测量螺纹的部分为测量螺杆1.11.1，测量螺杆1.11.1与测微螺母3.1通过精密测量螺纹连接；锁紧螺母1.11套在活塞杆2.4外部且同轴设置，受力螺母3.2与活塞杆2.4通过普通螺纹连接；活塞杆2.4的上端面抵接在轴套1.12下端面上，驱动轴1.15穿过活塞杆2.4。

下面对照各附图详细介绍本发明的原理及效果。

如图1所示，将各装置及组件安装到高压釜上。

如图2，自适应调心组件由试件调整座1.4、试件支座1.18、环氧树脂固化件1.1、试件1.2、聚甲醛圆柱销1.3、调整球1.17组成，其中1.1、1.2、1.3组成试件组件。试件组件与试件支座1.18通过圆柱销过盈连接。试件支座1.18可以绕调整球1.17的球心转动，保证上、下试件充分接触并提供垂直于工作面的加载力。圆柱销1.3与试件调整座1.4为过盈配合，与驱动轴1.15之间存在较大间隙，与小轴承1.7通过焊接连接，小轴承1.7与试件调整座1.4之间距离大于安装台厚度，该结构能保证驱动轴在轴向灵活移动，不承受附加摩擦力。小轴承1.7定圈安装在上弹簧座1.9上，大轴承1.5的定圈通过过盈配合安装在支撑套筒1.8上。轴套内圆柱面与驱动轴1.15形成间隙密封，间隙处泄露的海水介质通过散热组件(附图3所示组件)引回水箱。

进行摩擦磨损试验时，加载力传递过程如下：加载缸提供推力推动轴套1.12往高压釜内移动，压缩弹簧1.14，弹簧力通过上弹簧支座1.9传递给小轴承1.7，推力球轴承将轴向力作用在旋转的试件调整座1.4，最终通过自适应调心组件将轴向力转变为始终垂直于工作面的加载力。弹簧力等于加载力，弹簧压缩量测量组件(其结构如附图5所示)位于高压釜体外，较之测量加载缸压力间接获得加载力，排除了高压密封产生的摩擦力对测量的干扰；驱动力矩传递过程如下：伺服电机通过联轴器、转矩转速仪等带动驱动轴1.15转动，驱动轴通过圆柱销1.6驱动试件调整座1.4转动，试件调整座通过固定螺钉1.16驱动自适应调心组件转动，最终完成试件驱动。因驱动轴1.15与轴套1.12、与圆柱销1.6之间均存在间隙，不直接接触，故试件所受摩擦力矩等于驱动力矩，等于转矩转速仪所测力矩。高压海水作用在驱动轴1.15端面产生的轴向力先后通过大轴承1.5、支撑套筒1.8传递给高压釜1.10，小轴承1.7的动圈端面与驱动轴1.15之间始终存在轴向间距，较之驱动轴1.15直接作用在小轴承1.7上，弹簧刚度更小，有利于提高加载力测量精度。细长驱动轴1.15仅受驱动力矩，不受轴向力，较之加载缸直接驱动驱动轴1.15，驱动轴稳定性更好，不会因受压变形与其他部件接触产生附加。

附图3为密封、冷却组件，包括驱动轴1.15、第一O形圈2.1、轴套1.12、第二O形圈2.3.1、回水管接头2.3、活塞杆2.4、第三O形圈2.5、J形密封环2.6、高压釜1.10、锁紧螺母1.11。驱动轴1.15与轴套1.12为间隙密封，驱动轴1.15采用复合材料结构，不锈钢基体表面喷涂硬质合金，轴套1.12采用氮化硅陶瓷制作，这使得该对摩擦副具有良好的耐磨性及摩擦学性能，同时驱动轴能承受较大驱动力矩。驱动轴与轴套间隙处泄露的海水进入活塞杆2.4与驱动轴1.15之间的间隙后，通过活塞杆2.4内圆柱面上的迷宫密封环2.4.2实现轴向密封。活塞杆2.4上开有径向通流孔2.4.1，泄露水流经通流孔进入活塞杆2.4与锁紧螺母1.11之间的间隙，锁紧螺母下端通过第三O形圈2.5完成动密封，泄露水最终通过回水管接头2.3引回水箱。循环水能带走绝大部分摩擦产热，组件散热良好，高压釜内介质温度符合实际深海环境温度范围。

附图5为弹簧压缩量测量组件，弹簧压缩量测量组件包括驱动轴1.15、测微螺母3.1、受力螺母3.2、活塞杆2.4、测量螺杆1.11.1(锁紧螺母1.11下部如标号1.11.1所示位置)、加载缸4；测量螺杆1.11.1与测微螺母3.1通过精密测量螺纹连接，其测量精度如图5所示，是借用了螺旋千分尺的原理，直接将锁紧螺母1.11的下部做成测量螺杆1.11.1作为主尺，将与测微螺母3.1作为游标，直接可以精确直观的设置和读出压缩弹簧的压缩量。受力螺母3.2与活塞杆2.4通过普通螺纹连接。

当需要对试件提供法向加载力时，本实施例为2000N，对应弹簧1.14的压缩量为20mm。首先松开受力螺母3.2，旋动测微螺母3.1使其向外移动20mm，此时转动受力螺母3.2，使其与测微螺母3.1端面接触，然后反向转动测微螺母3.1使其运动到最末端，启动加载缸4使活塞杆2.4伸出，直到受力螺母3.2与测量螺杆1.11.1端面接触位置，此时弹簧1.14所提供的加载力即为2000N。即受力螺母与测量螺杆构成行程定位，从而保证弹簧压缩量，该测量组件中受力螺母3.2与测量螺杆3.1分离，有效保护了测量螺杆的测量精度。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。