本实用新型涉及一种润滑薄膜摩擦学性能自动评价装置，属于空间机械的润滑技术领域。
背景技术：
空间精密机械的润滑问题是保障空间飞行器高可靠、高稳定以及长寿命运行的必要条件之一，但是在精密零部件上制备润滑薄膜复合材料工艺较复杂。例如，物理气相沉积方法、化学气相沉积方法、电化学沉积方法等。此类工艺制备的润滑薄膜复合材料需在高真空、大气以及不同气体环境中进行必要的摩擦学性能评价和润滑薄膜材料种类筛选，才有可能更一步进行航天润滑材料的产品开发及工程应用。因此有必要设计新型摩擦学性能评价装置以实现更先进的试验技术和试验过程自动化管理，对节省必要的人力、物力开支均具有十分重要的价值。
另外，对新设计制备的润滑薄膜复合材料摩擦学性能评价（包括固体润滑膜、液体润滑膜、固体-液体复合润滑膜）以及研究润滑膜与不同摩擦副之间的摩擦作用机理的都需一套新型、可靠、准确的摩擦学性能评价试验平台，才能进一步在实验室进行润滑薄膜复合材料摩擦学性能的研究工作。
技术实现要素：
本实用新型的目的是提供一种能够在高真空或大气、氮气、氦气等环境中快速、准确评价固体润滑薄膜、液体润滑薄膜以及固-液体复合润滑薄膜材料摩擦学性能的润滑薄膜摩擦学性能自动评价装置。
本实用新型是将高真空或大气、氮气、氦气等环境和装有伺服电机系统的摩擦试验机跟预先设定好启停逻辑关系的仪表以及继电器开关控制电路优化集成而成；本实用新型能够在高真空或大气、氮气、氦气等环境下对润滑薄膜的摩擦力、摩擦系数、摩损寿命等实现自动评价的试验装置，同时也可在手动控制下实现评价试验。
润滑薄膜摩擦学性能自动评价装置，其特征在于该装置由摩擦试验机、摩擦力测试、真空系统、伺服电机及电器控制构成；
摩擦试验机上安装有上、下一组摩擦副试样，上试样是下端面为球面的刚性摩擦副，其被夹持在摩擦副夹具下端；摩擦副夹具上端与施力螺纹杆下端固定连接，施力螺纹杆上安装有加载所需的砝码并由固定螺母固定；施力螺纹杆与活动平衡杆的一端垂直固定连接，活动平衡杆通过装有轴承的支撑轴Ⅰ安装于平衡杆支撑台Ⅱ上，平衡杆支撑台Ⅱ通过装有轴承的支撑轴Ⅱ安装于平衡杆支撑台Ⅰ上，平衡杆支撑台Ⅰ固定于定位平台上；通过调节定位平台上的定位螺母Ⅱ实现摩擦副上试样与下试样的相对接触位置，并由定位螺母Ⅰ固定调节好的位置，定位平台最终固定于支撑平台上。活动平衡杆另一端装有平衡杆平衡螺母，通过调节平衡杆平衡螺母使得活动平衡杆在不安装砝码的情况下且与施力螺纹杆、固定螺母、摩擦副夹具及摩擦副上试样共同连接时仍呈水平自由活动状态，以保证评价试验时通过上试样作用于下试样上的法向载荷完全为砝码重量。下试样为涂有润滑薄膜材料的薄圆柱形试块，试块固定于样品台上面且样品台与伺服电机转轴相连接。
摩擦力传感器上安装有测力杆，摩擦力传感器由传感器固定架Ⅰ和传感器固定架Ⅱ连接固定于平衡杆支撑台Ⅰ一侧。伺服电机垂直固定于支撑平台下面并套装于伺服电机座内，支撑平台则固定于伺服电机座上；伺服电机座再固定于试验机底座上，摩擦试验机最终固定在真空罐内试验平台Ⅱ上。
摩擦力测试是由罐内摩擦试验机上的摩擦力传感器通过信号电缆及真空罐上航空插座与罐外精密压力测试仪连接，精密压力测试仪通过RS（Recommended Standard推荐性标准）232通讯端口与计算机连接，并由安装于计算机上的数据采集软件完成试验数据实时采集、存储及绘图。
真空系统由真空罐、抽气机组和真空计量三部分构成。真空罐为一端密封另一端装有真空室大门并采用氟橡胶圈密封的卧式圆柱体结构构成，真空罐固定安装于试验平台Ⅰ上，罐内安装有试验平台Ⅱ，罐上安装有带航空插座的法兰、进放气阀门、热偶规管、电离规管；抽气机组由安装有电磁阀的机械泵通过波纹管与分子泵连接，分子泵通过法兰在真空罐下方与真空罐连接；真空计量由安装于真空罐上的热偶规管和电离规管通过信号电缆与复合真空计相连接构成。
伺服电机由CNC(Computer Numerical Control计算机数字控制)可编程控制器通过信号电缆与伺服电机驱动器连接，伺服电机驱动器由五芯护套电缆和光电编码器信号电缆通过真空罐上的航空插座与罐内摩擦试验机上的伺服电机相连接。时间继电器为可独立控制三路继电器开关的延时继电器。
电器部分由三相动力电通过总电源接触器再与冷水机电源接触器和机械泵电源接触器连接，两组电源接触器分别控制冷水机和机械泵工作；并且从总电源接触器分出一组220伏交流电分别给分子泵控制器电源、复合真空计、CNC可编程控制器、伺服驱动器、摩擦力测试仪、时间继电器供电。分子泵控制器电源外控启动接线端子连接复合真空计继电器开关A；CNC可编程控制器外控启动接线端子连接复合真空计继电器开关B；CNC可编程控制器外控停止接线端子连接摩擦力测试仪继电器开关C；时间继电器启动接线端子连接摩擦力测试仪继电器开关D；分子泵控制器电源外控停止接线端子连接时间继电器继开关E；总电源接触器控制开关连接时间继电器开关F。
本实用新型中的摩擦学性能自动评价装置具有下列优点：
1、能够完成对空间润滑薄膜材料在设定试验条件下的摩擦系数、摩擦力及磨损寿命的考察与评价。
2、可实现在高真空、大气及不同气体（如:高纯氮气、氦气等）环境中对润滑薄膜材料的摩擦性能考察与评价。
3、可自动或手动控制完成润滑薄膜摩擦学性能评价试验，评价过程快速、准确、稳定、可靠，能节省人力物力支出，促进试验技术更新换代；
4、本评价装置的建立为润滑薄膜材料应用于空间精密机械提供了重要的技术支撑与保障。
附图说明
图1是本实用新型的摩擦试验机示意图。
图2是本实用新型的评价装置总体结构示意图。
图3是本实用新型的电器控制原理示意图。
图中：1-伺服电机座，2-定位螺母Ⅰ，3-平衡杆螺母，4-定位螺母Ⅱ，5-定位平台，6-平衡杆支撑台Ⅰ，7-平衡杆支撑台Ⅱ，8-支撑轴Ⅰ，9-支撑轴Ⅱ，10-样品台，11-活动平衡杆，12-下试样，13-上试样，14-砝码，15-施力螺纹杆，16-固定螺母，17-摩擦副夹具，18-测力杆，19-传感器固定架Ⅰ，20-传感器固定架Ⅱ，21-摩擦力传感器，22-支撑平台，23-伺服电机，24-试验机底座，25-机械泵，26-电磁阀，27-试验平台Ⅰ，28-进放气阀门，29-法兰及航空插座，30-热偶规管，31-电离规管，32-真空罐，33-摩擦试验机，34-罐内试验平台Ⅱ，35-真空室大门，36-分子泵，37-波纹管。
具体实施方式
本实用新型由摩擦试验机、摩擦力测试、真空系统、伺服电机及电器控制构成。
参见图1，摩擦试验机上安装有上、下一组摩擦副试样，上试样13是下端面为球面的刚性摩擦副，其被夹持在摩擦副夹具17下端；摩擦副夹具17上端与施力螺纹杆15下端固定连接，施力螺纹杆15上安装有加载所需的砝码14并由固定螺母16固定；施力螺纹杆15与活动平衡杆11的一端垂直固定连接，活动平衡杆11通过装有轴承的支撑轴Ⅰ8安装于平衡杆支撑台Ⅱ7上，平衡杆支撑台Ⅱ7通过装有轴承的支撑轴Ⅱ9安装于平衡杆支撑台Ⅰ6上，平衡杆支撑台Ⅰ6固定于定位平台5上；通过调节定位平台5上的定位螺母Ⅱ4实现摩擦副上试样13与下试样12的相对接触位置，并由定位螺母Ⅰ2固定调节好的位置，定位平台5最终固定于支撑平台22上。活动平衡杆11另一端装有平衡杆螺母3，通过调节平衡杆螺母3使得活动平衡杆11在不安装砝码14的情况下且与施力螺纹杆15、固定螺母16、摩擦副夹具17及摩擦副上试样13共同连接时仍呈水平自由活动状态，以保证评价试验时通过上试样13作用于下试样12上的法向载荷完全为砝码14重量。下试样12为涂有润滑薄膜材料的薄圆柱形试块，试块固定于样品台10上面且样品台10与伺服电机23转轴相连接。
摩擦力传感器21上安装有测力杆18，摩擦力传感器21由传感器固定架Ⅰ19和传感器固定架Ⅱ20连接固定于平衡杆支撑台Ⅰ6一侧。伺服电机23垂直固定于支撑平台22下面并套装于伺服电机座1内，支撑平台22则固定于伺服电机座1上；伺服电机座1再固定于试验机底座24上，摩擦试验机最终固定在真空罐内试验平台Ⅱ34上。
参见图2，摩擦力测试是由罐内摩擦试验机上的摩擦力传感器21通过信号电缆及真空罐上航空插座29与罐外精密压力测试仪（参见图3）连接，精密压力测试仪通过RS232通讯端口与计算机连接，并由安装于计算机上的数据采集软件完成试验数据实时采集、存储及绘图。
参见图2，真空系统由真空罐、抽气机组和真空计量三部分构成。真空罐32为一端密封另一端装有真空罐大门35并采用氟橡胶圈密封的卧式圆柱体结构构成，真空罐32固定安装于试验平台Ⅰ27上，罐内安装有罐内试验平台Ⅱ34，真空罐32法兰上安装有航空插座29、进放气阀门28、热偶规管30、电离规管31；抽气机组由安装有电磁阀26的机械泵25通过波纹管37与分子泵36连接，分子泵36通过法兰在真空罐32下方与真空罐32连接；真空计量由安装于真空罐上的热偶规管30和电离规管31通过信号电缆与复合真空计（参见图3）相连接构成。
参见图3，伺服电机由CNC可编程控制器通过信号电缆与伺服电机驱动器连接，伺服电机驱动器由五芯护套电缆和光电编码器信号电缆通过真空罐上航空插座29与罐内摩擦试验机上的伺服电机23相连接。时间继电器为可独立控制D、E、F三路继电器开关的延时继电器。
参见图3，电器控制部分是三相动力电通过总电源接触器再与冷水机电源接触器和机械泵电源接触器连接，两组电源接触器分别控制冷水机和机械泵工作；并且从总电源接触器分出一组220伏交流电分别给分子泵控制器电源、复合真空计、CNC可编程控制器、伺服驱动器、摩擦力测试仪、时间继电器供电。分子泵控制器电源外控启动接线端子连接复合真空计继电器开关A；CNC可编程控制器外控启动接线端子连接复合真空计继电器开关B；CNC可编程控制器外控停止接线端子连接摩擦力测试仪继电器开关C；时间继电器启动接线端子连接摩擦力测试仪继电器开关D；分子泵控制器电源外控停止接线端子连接时间继电器开关E；总电源接触器控制开关连接时间继电器开关F。
参见图2和图3，电器自动控制部分工作原理：先在摩擦试验机上安装上试样13和下试样12并关闭锁紧真空罐大门35和进放气阀门28，再开启计算机打开数据采集软件设置好参数。在“自动控制模式”下启动装置总电源接触器，评价装置上每台电器均处于通电工作状态，由机械泵25给真空罐32抽真空，并由复合真空计通过热偶规管30测量出真空罐32内真空度；由冷水机给分子泵36提供循环冷却水；预先设定好复合真空计内部参数，当罐内真空度优于5.0Pa时，复合真空计继电器开关A给分子泵控制器电源外控启动端子发出启动指令，分子泵36开始工作；当罐内真空度优于1.0Pa时，复合真空计自动启动电离规管31开始测量罐内高真空；在机械泵25和分子泵36同时工作状态下真空罐32内真空度持续升高，当真空度优于5.0×10-3Pa时，复合真空计继电器开关B给CNC可编程控制器外控启动端子发出启动指令，伺服电机23工作评价试验正式开始。此时伺服电机23带动样品台10及下试样12朝顺时针旋转，上试样13与下试样12之间产生滑动摩擦力；由测力杆18将摩擦力传递给摩擦力传感器21，由摩擦力传感器21测出电信号并通过安装于真空罐上的航空插座29及信号电缆与罐外摩擦力测试仪连接由其计量出数值，并由摩擦力测试仪上RS232通讯端口将信号传送给计算机，由数据采集软件实现试验数据实时采集。
预先设定好摩擦力测试仪内部参数，评价试验中一旦摩擦力大于最大设定值摩擦力测试仪继电器开关C给CNC可编程控制器外控停止端子发出停止指令，伺服电机停止工作；同时由摩擦力测试仪继电器开关D给时间继电器发出启动指令，时间继电器上的延时器开始计时。接着由时间继电器上继电器开关E给分子泵控制器电源外控停止端子发出停止指令，分子泵控制器电源频率开始逐渐下降；历时5～6分钟电源频率下降至0.0Hz后，由时间继电器上继电器开关F给总电源接触器发送断电指令，评价装置中除计算机外所有电器电源自动关闭，自动评价试验结束。
在不同气体环境（如:大气、高纯氮气、氦气等）中对润滑薄膜材料的摩擦学性能进行评价亦可在“手动控制模式”下进行。首先给真空罐32抽真空当真空度优于1.0×10-3Pa后手动关闭分子泵电源，待分子泵电源频率完全回零后手动关闭机械泵25和冷水机并打开进放气阀门28充入气体介质，由复合真空计通过热偶规管30测得的罐内气压，若达到试验要求关闭进放气阀门28。手动启动CNC可编程控制器伺服电机23工作，摩擦评价试验正式开始；评价试验中一旦摩擦力大于最大设定值，摩擦力测试仪继电器开关C给CNC可编程控制器外控停止端子发出停止指令，伺服电机23停止工作评价试验结束；试验结束后手动依次关闭评价装置。
应用本实用新型的评价装置分别对沉积于9Cr18不锈钢薄圆柱形基体上的MoS2复合润滑薄膜和MoS2+软金属多层复合润滑薄膜作为下试样与上试样为Ø8.0的9Cr18不锈钢钢球之间进行了摩擦学性能评价。
评价装置中的摩擦试验机机械件均由1Cr18Ni9Ti不锈钢材料制造。摩擦力测试采用量程为10.0N，测量精度优于0.5%的C3S2U型高精度压力传感器、NS-YB05C型精密压力测试仪以及研华工业计算机及测试仪配套软件组成。伺服电机采用松下A5型交流无刷伺服电机系统，电机经过密封处理并在电机轴承上加注真空润滑油，转速为0～3000 r/min可调；CNC可编程控制器为频率50KHz的单轴可编程控制器；时间继电器为欧姆龙H3Y型时间继电器；电源接触器为德力西20A三相电源接触器。真空部分以卧式圆柱体结构SUS304不锈钢材制的真空罐为主体，筒体直径为F560mm，长度为600mm；抽气机组由FF-160/620C
型分子泵及电源和VDN401型机械泵组成；真空计量由ZJ-54型热偶规管、ZJ-27型电离规和ZFH-4型复合真空计组成，真空罐内可获得极限真空度为5.0×10-4Pa。
润滑薄膜摩擦学性能评价试验条件及试验结果如下：
1、润滑薄膜摩擦学性能评价试验条件，见表1。
表1 润滑薄膜摩擦学性能评价试验条件
2、润滑薄膜摩擦学性能评价试验结果，见表2。
表2 润滑薄膜摩擦学性能评价试验结果
以上实施例结果表明本实用新型中润滑薄膜材料摩擦学性能自动评价装置可满足润滑薄膜材料在不同试验条件及环境中的摩擦学性能评价。对应用于空间精密机械的润滑薄膜材料在实验室内进行摩擦学性能评价提供了良好的试验平台。