低温下阀门运动副摩擦力的测试实验台的制作方法

1.本发明属于极端低温条件下阀门运动副摩擦测试技术领域，特别是一种低温下阀门运动副摩擦力的测试实验台。


背景技术：

2.随着我国航天事业的发展，火箭步入了高密度发射阶段，阀门作为火箭发动机的核心部件，保证其正常工作对火箭的成功发射有着重要意义。因此，提升阀门寿命和可靠性将对我国航天事业的发展产生积极的促进作用。氢氧发动机燃料的控制功能是靠阀门内部运动副的相对运动实现的，因此运动副的可靠性设计对氢氧火箭发动机阀门设计至关重要。阀门运动副的卡滞卡死现象是超低温液氢液氧火箭发动机阀门的常见故障，卡滞卡死故障往往是在阀门的运动副动作若干次以后才会发生，不容易被发现，因此卡滞卡死故障是阀门可靠动作的潜在威胁，是火箭发动机可靠工作的“定时炸弹”，防止卡滞卡死是阀门可靠性设计的重要内容之一，构成阀门可靠性设计的最大威胁。特别是在低温环境试验中，阀门更容易发生卡滞卡死故障。因此，研究极端低温对阀门运动副摩擦力的影响具有重要意义。
3.在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成在本国中本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种低温下阀门运动副摩擦力的测试实验台，可以精确测试不同温度、不同压力下阀门运动副的摩擦力，得到阀芯和阀体的摩擦力-位移之间的关系，并进一步分析其内部的摩擦特性，具有很好的实用价值。
5.本发明的目的是通过以下技术方案予以实现，一种低温下阀门运动副摩擦力的测试实验台包括：
6.水平台，其上表面具有多个阵列分布的螺纹孔；
7.低温氛围模块，其可拆卸地支承于所述水平台，所述低温氛围模块包括；
8.真空泵，其支承于所述水平台；
9.温度控制仪，其支承于所述水平台；
10.低温腔支架，其经由螺栓可拆卸连接所述螺纹孔；
11.低温腔，其支承于所述低温腔支架，所述低温腔包括；
12.真空腔，其设有可开闭的真空腔腔门，所述真空腔经由气嘴连接所述真空泵以形成真空环境；
13.样品腔，其容纳于所述真空腔；
14.待测阀门，其设于所述样品腔内，阀门包括固定于所述样品腔内的阀体及相对于所述阀体相对运动的阀芯；
15.温度测量与控制元件，其设于所述样品腔内以测量温度，温度测量与控制元件连
接且发送温度控制信号至所述温度控制仪；
16.液氮腔，其连通所述真空腔，所述液氮腔通过液氮管道导入液氮，所述液氮腔通过热传导方式连接所述样品腔以降温到预定温度；
17.运动模组，其包括；
18.伺服电机，其支承于所述水平台；
19.丝杠滑台，其支承于所述水平台；
20.丝杠导轨，其穿设于所述丝杠滑台中且经由第一联轴器连接所述伺服电机；
21.主滑块，其设于所述丝杠滑台中且连接所述丝杠以随所述丝杠运动；
22.副滑块，其设于所述丝杠滑台中且串联所述主滑块以随动；
23.摩擦力测试模组，其包括；
24.阀芯连杆，其连接所述阀芯；
25.第一连接面板，其固定于所述主滑块；
26.第二连接面板，其固定于所述副滑块；
27.第二联轴器，其固定于所述第二连接面板，所述第二联轴器分别连接所述阀芯连杆和副滑块；
28.第三联轴器，其固定于所述第二连接面板；
29.第四联轴器，其固定于所述第一连接面板且对齐所述第三联轴器；
30.拉压力传感器，其经由螺栓连接在所述第三联轴器和第四联轴器之间，使得主滑块和副滑块之间以形成刚性整体，拉压力传感器测量所受到的轴向力。
31.所述的低温下阀门运动副摩擦力的测试实验台中，测试实验台还包括连通样品腔的高压气体模块，其包括；
32.氮气瓶，其纳于气瓶储存柜中；
33.增压系统，其连接所述氮气瓶，所述增压系统包括增压泵；
34.稳压系统，其包括减压阀以输出0-20mpa的压力。
35.所述的低温下阀门运动副摩擦力的测试实验台中，测试实验台还包括连接所述拉压力传感器和伺服电机的计算机以生成阀芯同阀体之间的摩擦力曲线。
36.所述的低温下阀门运动副摩擦力的测试实验台中，运动模组包括用于控制伺服电机的驱动控制和检测主滑块位置的光栅尺，所述主滑块装有丝杠螺母，由伺服电机直接驱动丝杠带动主滑块运动，副滑块通过所述第三联轴器、第四联轴器和拉压力传感器与主滑块串联随动。
37.所述的低温下阀门运动副摩擦力的测试实验台中，所述真空腔腔门内设有隔热板和o圈密封。
38.所述的低温下阀门运动副摩擦力的测试实验台中，所述丝杠滑台通过螺栓连接的方式固定在水平台上且和低温腔在同一轴线上。
39.所述的低温下阀门运动副摩擦力的测试实验台中，所述阀门为低温工况下使用的特种阀门。
40.所述的低温下阀门运动副摩擦力的测试实验台中，所述预定温度为-160℃。
41.所述的低温下阀门运动副摩擦力的测试实验台中，所述阀芯连杆设有用于螺栓紧固方式连接阀芯的法兰盘且阀芯连杆保持水平。
42.所述的低温下阀门运动副摩擦力的测试实验台中，样品腔两侧设有样品腔腔门，样品腔腔门上装有铟丝密封圈。
43.和现有技术相比，本发明具有以下优点：本发明通过高压气体模块为阀门提供压力载荷，通过增压系统和稳压系统可以稳定输出0-20mpa的压力，模拟阀门服役工况下的驱动气体压力；通过液氮容器为低温腔里的液氮腔里通入液氮，通过热传导的方式给样品腔降温，可以制造-160℃-室温的工作环境，实现极端低温环境下的摩擦力测试；通过使用真空泵将真空腔内空气抽出，再通入液氮作为冷媒，从而降低样品腔温度，这样的设计区别于传统的液氮直接对工作区域进行降温的方式，使得试验部件处在干燥的低温氛围中，避免了水汽凝结从而对摩擦测试结果产生影响。采用了双滑块丝杠滑台结构，主滑块由伺服电机直接驱动，副滑块通过联轴器和力传感器与主滑块串联进行随动，可以实现控制滑块移动的同时精确测量轴上力的大小；阀芯连杆和副滑块的联轴器采用法兰和螺栓连接，主、副滑块之间采用联轴器和拉压力传感器成一个刚性整体，并使得传感器同阀芯轴线重合，可以精确测量阀门运动副所受到的摩擦力大小。
附图说明
44.通过阅读下文优选的具体实施方式中的详细描述，本发明各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。说明书附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。显而易见地，下面描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。而且在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。
45.在附图中：
46.图1是根据本发明一个实施例的低温下阀门运动副摩擦力的测试实验台的整体结构示意图；
47.图2是根据本发明一个实施例的低温下阀门运动副摩擦力的测试实验台的低温腔的结构示意图；
48.图3是根据本发明一个实施例的低温下阀门运动副摩擦力的测试实验台的摩擦力测试模组的结构示意图；
49.图4是根据本发明一个实施例的低温下阀门运动副摩擦力的测试实验台的运动模组的结构示意图。
50.以下结合附图和实施例对本发明作进一步的解释。
具体实施方式
51.下面将参照附图1至图4更详细地描述本发明的具体实施例。虽然附图中显示了本发明的具体实施例，然而应当理解，可以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
52.需要说明的是，在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可以理解，技术人员可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名词的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的
准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”或“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明书的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
53.为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个附图并不构成对本发明实施例的限定。
54.为了更好地理解，如图1至图4所示，低温条件下阀门运动副摩擦力的实验台的测试温度为-160℃-室温，测试驱动压力为0mpa-20mpa。该实验台可以精确测试不同温度、不同压力下阀门运动副的摩擦力，得到阀芯29和阀门15的摩擦力-位移之间的关系，并进一步分析其内部的摩擦特性。实验台包括水平台12、被测工件如阀门15、计算机、低温氛围模块、高压气体模块、摩擦力测试模组9、运动模组10，水平台12表面呈网格状，设有孔心距为25mm的m6螺纹孔，低温氛围模块、伺服电机11、摩擦力测试模组、运动模组10均通过螺栓固定于水平台12上。优选地，被测工件选为特殊工况下使用的阀门15。运动模组10由伺服电机11、驱动控制箱13、工控机、信号采集器、丝杠滑台42和光栅尺构成，通过伺服电机11驱动丝杠螺母37，带动主滑块39在导轨41上实现往复滑动。丝杠滑台42采用双滑块丝杠滑台结构，包含一个主滑块39和一个副滑块40。主滑块39装有丝杠螺母37，主滑块39与丝杠导轨41利用螺纹传动，由导轨41带动主滑块39运动；副滑块40无螺母，通过第二至第四联轴器32、33、34和力传感器35与主滑块39串联进行随动。伺服电机11与丝杠导轨41通过联轴器38固连，丝杠导轨41由伺服电机11驱动；主、副滑块39、40上装有连接面板30、31，以螺栓紧固的方式固定在滑块39、40上，第二至第四联轴器32、33、34也以螺栓紧固的方式固定在第一和第二连接面板30、31上；光栅尺检测的信号通过信号采集仪反馈给工控机，配合可编程逻辑控制器、驱动控制箱13实现伺服电机11的闭环控制。
55.在一个实施例中，低温氛围模块主要由低温腔7、低温腔支架8、液氮容器1、温控仪14以及真空泵5组成。通过液氮容器1为低温腔7里注入液氮，以达到低温氛围目的。低温腔7包含真空腔17、样品腔18以及液氮腔19。低温腔7固定在低温腔支架8上，通过螺栓连接的方式固定在水平台12上，阀门15固定在工件夹具16上，以螺栓连接的方式固定在低温腔7内的样品腔18。低温腔7腔体两侧有以螺栓连接紧固的腔门21，腔门内装有隔热板26和o圈密封20，用以保证真空腔17的气密性以减少传热；样品腔18腔体两侧也有以螺栓连接紧固的腔门，腔门上装有铟丝密封圈23用以保证腔体气密性，保证阀门15工作时样品腔18内压力恒定；真空泵5和真空腔17相连，用以抽出真空腔17内空气，减少样品腔18与外界的传热；样品腔18使用导热性好的紫铜制作，利用轴瓦式夹具16将阀门15固定在样品腔18底面。样品腔18内充入氮气，以保证工作区域温度均匀性和干燥。通过自增压液氮容器1向液氮腔19体灌注液氮，利用液氮腔19冷指与样品腔18外部铜带连接实现热传导，进而降低样品腔18温度。在一个实施例中，所述阀门为低温工况下使用的特种阀门。
56.在一个实施例中，样品腔腔门22内使用铟丝密封23，以保证工作时样品腔18的压力恒定；低温腔7腔门内采用隔热板26和o圈密封20，以保证真空腔17气密性和减少热传导；样品腔18内部设置有温度测量与控制元件27，同外部温控仪14连接。摩擦力测试模组主要包括拉压力传感器35及其配套设备，其包括模数转换器和信号采集器、第二至第四联轴器32、33、34和阀芯连杆25。通过拉压力传感器35将受到的轴向力反馈给计算机，以达到测试
阀门运动副摩擦力的目的。三个第二至第四联轴器32、33、34以螺栓连接的方式固定在主、副滑39、40上，主副滑块39、40之间采用第二至第四联轴器32、33、34和拉压力传感器35连接成一个刚性整体。传感器35和第三至第四联轴器33、34是通过螺纹连接36以固定传感器的。阀芯连杆25和副滑块40的联轴器32采用法兰和螺栓连接，并使得传感器35轴线同阀芯29轴线重合。阀芯连杆25另一端法兰盘和阀芯29采用螺栓紧固方式连接，用以带动阀芯29往复运动，且阀芯连杆25保持水平；使拉压力传感器35、阀芯连杆25和阀芯轴线处在同一轴线上，保证测得的力的准确性。
57.如图1所示，一种用于测试极端低温条件下阀门运动副摩擦力的实验台，主要包括水平台12、如阀门15、计算机、低温氛围模块、高压气体模块、摩擦力测试模组9、运动模组10，水平台12表面呈网格状且设有孔心距为25mm的m6螺纹孔。
58.水平台12上固定有低温氛围模块、运动模组10、摩擦力测试模组9和计算机。
59.如图2所示，低温氛围模块主要由低温腔7、低温腔支架28、液氮容器1、温控仪14以及真空泵5组成。
60.如图2所示，低温腔7包含真空腔17、样品腔18以及液氮腔19。自增压式液氮罐1通过液氮管道连接低温腔7上方的液氮腔19，通过增压的方式将液氮注入液氮腔19中，通过热传导的方式实现对样品腔18的降温。低温腔7焊接固定在低温腔支架8上，然后将低温腔支架8以螺栓连接的方式固定在水平台12上，并且保证低温腔7腔体水平。低温腔7腔体两侧设置有腔门21，以螺栓连接的方式固定，腔门内装有隔热板26和o圈密封20，用以保证真空腔17的气密性以减少传热。样品腔18腔体两侧也有以螺栓连接紧固的样品腔腔门22，样品腔腔门22内装有铟丝密封圈23，用以保证腔体气密性，保证工件15工作时腔体18内压力恒定。真空泵5通过气嘴6与真空腔17相连，用以抽出真空腔17内空气，减少样品腔18与外界的传热；样品腔18内部设置有温度测量与控制元件27，同外部温控仪14连接。
61.如图4所示，运动模组由伺服电机11、驱动控制箱13、信号采集器、丝杠滑台42和光栅尺等构成。所述丝杠滑台42采用双滑块丝杠滑台结构，包含一个主滑块39和一个副滑块40。伺服电机11与丝杠导轨41通过联轴器38固连，可以由伺服电机11驱动，所述主滑块39装有丝杠螺母37，与所述丝杠导轨41形成螺纹配合，两者之间可以利用螺纹传动，由导轨41带动主滑块39往复运动；所述副滑块40无螺母，只能通过所述联轴器33、34和所述力传感器35与主滑块39串联进行随动，在所述主、副螺母滑块39、40上安装有连接面板30、31，利用螺栓紧固；联轴器32、33、34安装在连接面板30、31上，使得其随着滑块做往复轴向运动，保证所述拉压力传感器35、阀芯连杆25和阀芯29处在同一轴线上，保证测得的力的准确性。光栅尺用于检测滑块的位置信号，通过信号采集仪反馈给工控机，配合可编程逻辑控制器、驱动控制箱13实现伺服电机11的闭环控制，保证运动精度。
62.如图3所示，摩擦力测试模组9主要包括拉压力传感器35及其配套设备(模数转换器、信号采集器)、联轴器32、33、34、阀芯连杆25和连接面板30、31。
63.如图1、图2、图3所示，所述阀芯连杆25一端和副滑块40的联轴器32采用法兰和螺栓连接，所述阀芯连杆25另一端的法兰盘和阀门15端面以螺栓连接的方式固定，用以带动阀芯29往复运动，且阀芯连杆25保持水平；三个联轴器32、33、34分别以螺栓连接的方式安装在连接板上30、31，两块连接板30、31以螺栓连接的方式分别固定在运动模组10的主、副滑块39、40带动联轴器32、33、34随滑块运动，并且使得传感器35轴线同阀芯29轴线重合；所
述传感器35以螺纹连接36的方式固定在主、副滑块39、40上的两个联轴器33、34之间。
64.在一个实施例中，实验台包括水平台12、阀门15、计算机、低温氛围模块7、高压气体模块、摩擦力测试模组9、运动模组10，所述水平台12表面呈网格状，设有间隔为25mm的m6螺纹孔，低温氛围模块7、运动模组10均通过螺栓固定于水平台12上，摩擦力测试模组9通过螺栓固定在运动模组10的双滑块丝杠滑台42的连接板30、31上。低温腔7内阀门15通过阀芯连杆25与联轴器32相连接，拉压力传感器35通过螺栓连接在主滑块39和副滑块40之间，使之成为一个刚性整体，拉压力传感器35将受到的轴向力反馈给计算机。低温氛围模块主要包括低温腔7、低温腔支架8、液氮容器1、温控仪14以及真空泵5。低温腔7固定在低温腔支架8上，低温腔支架8通过螺栓连接固定在水平台12上，液氮容器1通过液氮导管连接到低温腔7内液氮腔19。
65.高压气体模块包括氮气瓶、增压系统2和稳压系统3，采用增压泵，利用数显表控制储气罐的压力，通过稳压装置3的减压阀，可以稳定输出0-20mpa的压力。摩擦力测试模组9包括拉压力传感器35、第二至第四联轴器32、33、34、阀芯连杆25和第一和第二连接面板30、31。阀芯连杆25和副滑块40的联轴器32采用法兰和螺栓连接，主、副滑块40之间采用第三和第四联轴器33、34和拉压力传感器35使用螺栓36连接，三个联轴器都通过螺栓连接固定在主、副滑块39、40上。
66.运动模组包括伺服电机11、驱动控制箱13、工控机、信号采集器、丝杠滑台42和光栅尺等。采用双滑块丝杠滑台42结构，伺服电机11与丝杠导轨41通过第一联轴器38固连，主滑块39装有丝杠螺母37，由伺服电机11直接驱动丝杠41带动主滑块39运动；副滑块40无螺母，通过联轴器33、34和力传感器35与主滑块39串联进行随动。低温腔7内有真空腔17、液氮腔19和样品腔18等。低温腔7两侧有低温腔腔门21，腔门内有隔热板26和o圈密封20，用以保证真空腔17的气密性；样品腔18两侧也有腔门22，方便进行器件拆装和调试、实验样品更换等工作；真空泵5和真空腔17相连，用以抽出真空腔17内空气，达到真空效果；真空腔17用来隔绝外界热量，减少热量损耗；样品腔18安装在低温腔7内部，样品腔18内部设置有温度测量与控制元件27，同外部温控仪14连接；样品腔18内放有阀门夹具，以螺栓连接的方式固定在样品腔18底部；样品腔18内阀门15右侧装有阀芯连杆25，用以推动阀门15移动。液氮腔19用来通入液氮，通过热传导的方式给样品腔18降温；样品腔18内充入氮气，以保证工作区域温度均匀性和干燥性，避免了水汽凝结从而对摩擦测试结果产生影响。通过增压系统2增压得到相应的气体压力后，稳压系统3通过气管4与阀门15的气嘴24相接，用于为阀门15提供额定工作力压力；阀芯连杆25一端和副滑块40的联轴器33采用法兰和螺栓连接，阀芯连杆25另一端的法兰盘和阀门15端面以螺栓连接的方式固定，用以带动阀门15往复运动，且阀芯连杆25保持水平；第二至第四联轴器32、33、34都以螺栓连接的方式安装在第一和第二连接面板30、31上，两块第一和第二连接面板30、31以螺栓连接的方式分别固定在运动模组的主、副滑块39、40上，带动第二至第四联轴器32、33、34随滑块运动；主副滑块39、40之间采用联轴器33、34和拉压力传感35连接成一个刚性整体，并使得传感器轴线同阀门15轴线重合；拉压力传感器35以螺纹连接的方式固定在主、副滑块39、40上的两个联轴器33、34之间。
67.在一个实施例中，丝杠滑台42通过螺栓连接的方式固定在水平台12上，并且和低温腔7在同一轴线上；采用双滑块丝杠滑台42结构，包含一个主滑块39和一个副滑块40，伺服电机11与丝杠导轨41通过联轴器固连，丝杠导轨41由伺服电机11驱动，主滑块39装有丝
杠螺母37，主滑块39与丝杠导轨41利用螺纹传动，由导轨41带动主滑块39运动；副滑块40无螺母，通过第三和第四联轴器33、34和力传感器35与主滑块39串联进行随动，在主、副螺母滑块39、40上安装有连接面板30、31，利用螺栓紧固；使拉压力传感器35、阀芯连杆25和阀门15处在同一轴线上，保证测得的力的准确性。光栅尺用于检测主滑块39的位置信号，通过信号采集仪反馈给工控机，配合可编程逻辑控制器、驱动控制箱13实现伺服电机11的闭环控制，保证运动精度。
68.实验台在实现测试极端低温条件下阀门运动副摩擦力的过程中，首先开启驱动控制箱13电源使伺服电机11通电，根据实验需求，判断实验所需温度条件、驱动气体压力。首先需用所述真空泵5对样品腔18抽真空至内部气压为0.1pa，达到设定值以后，打开所述温控仪14，打开温度控制软件，设置目标温度，根据实验温度要求判断是否打开液氮罐并对低温腔7内液氮腔19通入液氮，使温度达到目标值。然后根据实验需求设定所需气体压力，通过高压气体模块将实验气体压力调整到设定值。待稳压装置3上的仪表示数稳定以后，通过计算机软件对运动模组的运动参数进行设置，接着通过软件控制伺服电机11运转。伺服电机11启动后将副滑块40沿着丝杠导轨41在水平方向上运动。运动距离、速度和方向均和通过软件设置，此时副滑块40由于和主滑块39由联轴器33、34连接为一个刚性整体，因此带动副滑块40一起在水平方向上运动。所述阀芯连杆25由于一端和副滑块40上联轴器32以螺纹连接方式固定，阀芯连杆25另一端则以螺纹连接方式和阀芯29连接，因此副滑块40运动就会带动其上与联轴器32连接的阀芯连杆25运动，然后阀芯连杆25则会带动阀芯29在阀门15内往复运动，完成摩擦力测试过程。此时处于所述第三和第四联轴器33、34之间，由螺纹连接固定的拉压力传感器35，就可以测试出此时所承受的轴向力。拉压力传感器35将受到的轴向力反馈给计算机，通过计算获得阀芯29同阀体之间的工作摩擦力。
69.本发明测试常温/低温条件下阀门摩擦力时，具体包括以下步骤：
70.(1)打开驱动控制箱13电源，使伺服电机11通电；
71.(2)打开真空泵5对真空腔抽真空至内部气压为0.1pa以下；
72.(3)打开温度控制仪27，打开温度控制软件，实现对温度的实时监测；
73.(4)根据实验所需温度条件，将样品腔18内温度调至目标温度；
74.(5)打开气瓶压力阀，调整泄压阀至小于1mpa；
75.(6)打开增压系统2，等待其自动升压至21mpa左右；
76.(7)根据实验所需气压条件，调节稳压系统3，调节减压阀，使仪表盘指针达到所需压力，稳定后再打开输出开关；
77.(8)操作计算机，设置控制运动模组10参数，通过软件控制伺服电机11运转，然后采集实验摩擦力-位移数据；
78.(9)磨损测试结束以后，采集数据完成，关闭稳压系统3；
79.(10)关闭增压系统2和氮气瓶。
80.尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。