低温摩擦磨损试验机工作温度控制方法及箱体的制作方法
【专利摘要】一种低温摩擦磨损试验机工作温度控制方法及箱体，其特征是：首先，利用抽风机将安装低温摩擦磨损试验机的低温箱体中的空气排出，同时向低温箱体中通入不含水分的氮气，使得低温箱体中的气氛不含水蒸气；其次，向低温箱体中液入液氮，使低温箱体中的温度快速下降到低温摩擦磨损试验机所需的工作温度；第三，在位于低温摩擦磨损试验机上方的低温箱体上设置冷风进风口，冷风进风口的一侧设置出风口，通过该冷风进风口向低温箱体内送入冷风，使低温箱体内的保持在设定的工作温度范围内；第四，在低温箱体侧面安装用于调节局部高温区的阀控矢量冷风喷嘴；第五，在低温箱体上安装红外热像仪进行控温。本发明方法结构简单，制造控制方便，实验成本低，效果好。
【专利说明】
低溫摩擦磨损试验机工作溫度控制方法及箱体
技术领域
[0001] 本发明提供一种低溫加工技术，尤其是一种低溫加工中低溫环境实现技术，具体 地说是一种低溫摩擦磨损试验机工作溫度控制方法及箱体。
【背景技术】
[0002] 摩擦磨损试验机是一种用于测定材料在特定环境条件下摩擦磨损性能的机器，其 基本原理是:在载荷作用下，待磨试样与摩擦体在规定的速度下相互摩擦，通过计算机软件 系统测定待磨试样的摩擦磨损特性。在航空航天工业中，材料摩擦磨损的环境基本是在高 压、低溫乃至真空的条件下，因此创造出类似的低溫环境是进行低溫摩擦磨损实验的前提， 从而才能对其耐磨性等摩擦磨损特性进行评测，运对航空航天发展具有重大意义。目前，大 部分的摩擦磨损试验机都是针对高溫实验条件而设计的，本方法区别于W往的高溫控制， 可W实现稳定的低溫控制。
[0003] 环境溫度作为影响摩擦磨损性能的一个主要因素，需要对其进行稳定的控制，方 可对其他影响因素进行研究。因此，创造出一个稳定的高、低溫环境，对磨擦磨损性能的研 究有重要意义。当下主流的低溫控制方法是在摩擦磨损区域放置冷源，或将试验机放入制 冷箱体中等。
[0004] 在摩擦磨损区放置冷源的方法，其制冷速度快，但是整体低溫环境的稳定性差，受 摩擦所产生热量影响较大，所W不可进行长时间的摩擦磨损实验;置试验机于制冷箱体中 的方法，其低溫环境的稳定性强，但是制冷箱体耗时较长，无法快速进行摩擦磨损实验。
[0005] 力传感器正常工作是有条件的，通常会有一个工作溫度范围。而目前用于测量摩 擦力的低溫摩擦磨损试验机主要是根据实验要求的低溫条件来购置相应的力传感器，运种 方法虽然耗成本、耗时，但是可W保证力传感器能够正常工作。
[0006] 在航天领域，太空中的溫度可W低至零下一百多摄氏度，若需要进行运类极低溫 度下的摩擦磨损实验，对传感器的要求是相当高的。当实验模拟的溫度极低，而且在市场中 无法购买到满足该溫度条件的传感器时，实验便难W进行，运大大限制了外太空探索的进 展。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的是针对现有的摩擦磨损试验机的工作环境溫度可控性差，不能实现 恒溫实验而影响实验结果准确性的问题，发明一种低溫摩擦磨损试验机工作溫度控制方 法，同时提供一种相配的低溫实验用箱体。
[000引本发明的技术方案之一是： 一种低溫摩擦磨损试验机工作溫度控制方法，其特征是： 首先，利用抽风机将安装低溫摩擦磨损试验机的低溫箱体中的空气排出，同时向低溫 箱体中通入不含水分的氮气，使得低溫箱体中的气氛不含水蒸气； 其次，向低溫箱体中液入液氮，使低溫箱体中的溫度快速下降到低溫摩擦磨损试验机 所需的工作溫度； 第=，在位于低溫摩擦磨损试验机上方的低溫箱体上设置冷风进风口，冷风进风口的 一侧设置出风口，通过该冷风进风口向低溫箱体内送入冷风，使低溫箱体内的保持在设定 的工作溫度范围内； 第四，在低溫箱体侧面安装用于调节局部高溫区的阀控矢量冷风喷嘴； 第五，在低溫箱体上安装红外热像仪，红外热像仪采集的信号输入溫度控制系统，当红 外热像仪监测的实验区溫度下降到实验所需溫度时，溫度控制系统减小冷风进风口冷风的 送入量，当实验区溫度高于实验溫度，溫度控制系统增大冷风的送入量，当实验区溫度稳定 在实验溫度范围内时，保持冷风的送入量，从而实现稳定的低溫环境;红外热像仪同时监测 实验区的溫度场，当实验区的溫度大于实验溫度设定值时，控制阀控矢量冷风喷嘴直接向 实验区局部高溫区补充冷风，使局部高溫区快速降溫至设定值，如此循环，直到实验结束； 为了防止实验过程中注入的冷风和阀控矢量冷风喷嘴喷出的补充冷风对实验测力元件造 成影响，应将实验测力元件罩装在一个罩壳中。
[0009] 所述的液氮从低溫箱体四个角部区域注入，液氮的注入量与所需的低溫工作溫度 的关系为：
式中：Vn2为所需氮的体积，Q为交换的热量，Ta为低溫箱初始溫度，T为所需的低溫工作 溫度，Cn2为氮的比热容，Pn劝氮的密度。
[0010] 所述的冷风进风口位于低溫箱体内部的风口采用可调节式导风叶片，W使冷风分 布均匀，实现低溫环境快速分布于整个低溫箱体。
[0011] 所述的阀控矢量冷风喷嘴包括一个可绕圆周转动的伸缩式圆柱杆、摆动范围为 120°的圆盘和喷嘴;通过伸缩式圆柱杆的伸缩初步对准局部高溫区，再利用圆盘的转动和 喷嘴的摆动再次定位并对准局部高溫区。
[0012] 所述的低溫箱体采用保溫材料制作，连接测力元件的测力梁采用导热性差的尼龙 材料制造，冷风的送风和出风管道外面包裹有保溫材料。
[0013] 本发明的技术方案之二是： 一种低溫摩擦磨损试验机低溫实验用箱体，它包括用于安装磨盘9及测力梁5的低溫箱 体1，其特征是所述的低溫箱体1的顶部设有冷风进风口 4和出风口 2,在低溫箱体1的四周设 有至少一个液氮充入区15W便使低溫箱体内的溫度快速下降到设定值;在低溫箱体1的侧 面安装有向高溫区补充冷风的阀控矢量喷嘴16,在低溫箱体1的上部安装有红外热像仪3， 红外热像仪討良据检测到的溫度控制冷风进风口 4的进风量及阀控矢量喷嘴16的补风量，从 而使低溫箱体1的内部环境溫度及试验区的局部溫度保持在设定范围内，为低溫摩擦磨损 试验提供所需的工作溫度。
[0014] 所述的阀控矢量冷风喷嘴包括一个可绕圆周转动的伸缩式圆柱杆6、摆动范围为 120°的圆盘7和喷嘴8;通过伸缩式圆柱杆6的伸缩初步对准局部高溫区，再利用圆盘7的转 动和喷嘴8的摆动再次定位并对准局部高溫区。
[0015] 所述的液氮充入区15的数量为四个。
[0016] 所述的阀控矢量喷嘴16的数量为2个，它对称安装在磨盘9及试验机支承体14连线 的两侧。
[0017]所述的测力梁5上安装的力传感器11罩装有罩壳10中。
[001引本发明的有益效果： 本发明通过氮气排水气、液氮快速制冷、合理布置通风口并直送冷风的制冷方式，所达 到的制冷效果快速、均匀、稳定，且在实验过程中不会产生覆盖在试样上的冰层;红外检测 仪和阀控矢量喷嘴的使用，对溫度场的反馈控制迅速准确，在实时监测低溫环境箱内溫度 场的同时，对局部高溫区能够通过喷嘴辅助降溫;通过测力梁上放置小箱体的方式，可W让 传感器的工作溫度不受实验要求溫度的限制，节省购买相应传感器的成本和时间；小箱体 中热电偶及电热丝同时工作，可W便捷地观察并调节小箱体中的环境溫度，做到实时监测 与控制。
[0019] 本发明结构简单，制造控制方便，实验成本低，效果好。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明的低溫实验装置的结构示意图。
[0021 ]图2是液氮快速制冷部分液氮送入的A/B/C/D区域的示意图。
[0022] 图3是通风口固定、送入冷风后低溫环境箱中冷风流场分布仿真图。
[0023] 图中：1低溫箱体;2出风口（如箭头所示）；3红外热像仪;4进风口（如箭头所示）；5 巧切梁I ;6伸缩式圆柱杆;7圆盘;8冷风喷嘴;9磨盘;10罩壳；U力传感器;12电热丝；13测力 梁II; 14试验机支承体;15液氮充入口； 16阀控矢量喷嘴;17液氮充入区域。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[00巧]实施例一。
[0026] -种低溫摩擦磨损试验机工作溫度控制方法，它包括W下步骤： 首先，利用抽风机将安装低溫摩擦磨损试验机的低溫箱体中的空气排出，同时向低溫 箱体中通入不含水分的氮气，使得低溫箱体中的气氛不含水蒸气； 其次，从低溫箱体的四个液氮注入区17向低溫箱体中液入液氮，如图2所示，使低溫箱 体中的溫度快速下降到低溫摩擦磨损试验机所需的工作溫度;液氮的注入量与所需的低溫 工作溫度的关系为：
式中：Vn2为所需氮的体积，Q为交换的热量，Ta为低溫箱初始溫度，T为所需的低溫工作 溫度，Cn2为氮的比热容，Pn劝氮的密度。
[0027] 第=，在位于低溫摩擦磨损试验机上方的低溫箱体上设置冷风进风口，冷风进风 口的一侧设置出风口，通过该冷风进风口向低溫箱体内送入冷风，使低溫箱体内的保持在 设定的工作溫度范围内；所述的冷风进风口位于低溫箱体内部的风口最好采用可调节式导 风叶片，W使冷风分布均匀，实现低溫环境快速分布于整个低溫箱体。如图1所示。
[0028] 第四，在低溫箱体侧面安装用于调节局部高溫区的阀控矢量冷风喷嘴;所述的阀 控矢量冷风喷嘴包括一个可绕圆周转动的伸缩式圆柱杆、摆动范围为120°的圆盘和喷嘴； 通过伸缩式圆柱杆的伸缩初步对准局部高溫区，再利用圆盘的转动和喷嘴的摆动再次定位 并对准局部高溫区。所述的低溫箱体采用保溫材料制作，连接测力元件的测力梁采用导热 性差的尼龙材料制造，冷风的送风和出风管道外面包裹有保溫材料。
[0029] 第五，在低溫箱体上安装红外热像仪，红外热像仪采集的信号输入溫度控制系统， 当红外热像仪监测的实验区溫度下降到实验所需溫度时，溫度控制系统减小冷风进风口冷 风的送入量，当实验区溫度高于实验溫度，溫度控制系统增大冷风的送入量，当实验区溫度 稳定在实验溫度范围内时，保持冷风的送入量，从而实现稳定的低溫环境;红外热像仪同时 监测实验区的溫度场，当实验区的溫度大于实验溫度设定值时，控制阀控矢量冷风喷嘴直 接向实验区局部高溫区补充冷风，使局部高溫区快速降溫至设定值，如此循环，直到实验结 束;为了防止实验过程中注入的冷风和阀控矢量冷风喷嘴喷出的补充冷风对实验测力元件 造成影响，应将实验测力元件罩装在一个罩壳中。阀控矢量冷风喷嘴16的移动及送风阀控 开关的控制系统与溫度控制系统一起可通过控制软件来实现冷风送入和对局部高溫区的 定位及降溫。液氮快速制冷结束后，软件开关打开送风阀控开关，开始冷风送入，均匀溫度 场。根据红外热像仪所示的局部高溫区的坐标，软件控制阀控矢量冷风喷嘴的转动与摆动 定位，然后通过软件开关打开矢量喷嘴的阀口，向高溫区补充冷风辅助降溫。
[0030] 实施例二。
[0031] 如图1所示。
[0032] -种低溫摩擦磨损试验机工作溫度控制方法，氮气排除水蒸气后，向低溫环境箱 中充入-197°C液氮快速制冷，低溫环境箱体1的尺寸为1300mmX750mmX750mm，所选用力传 感器11的工作溫度范围为-10°C~40°C，进风口4、出风口 2用于外接管道的伸出段直径为巫 61mm，控制制冷机降溫至-10°C，向箱体中输送氮气，初始降溫风速设置为50m/s，同时调整 导风叶片正对对磨区域，向箱体中送入液氮、氮气的入口阀和矢量喷嘴的阀口均通过软件 中的开关进行控制。
[0033] 开始送入冷风过程中，经保溫材料包裹并且髓紧的管道及其与低溫环境箱体连接 处没有漏风现象，亦没有凝霜现象。低溫环境箱体内溫度通过红外热像仪检测并反馈信号。 通过=个电机分别控制阀控矢量喷嘴的伸缩、转动与摆动定位功能，能够实现箱体内=维 空间定位。
[0034] 制冷结束，打开低溫环境箱体1，观察对磨区域，没有发现明显的冰层。利用本方法 进行制冷快速稳定，而且对磨区域几乎不会产生冰层。
[00；35] 实施例S。
[0036] 如图1、3所示。
[0037] -种低溫摩擦磨损试验机溫度控制的方法，氮气排除水蒸气后，向低溫环境箱中 充入-197°C液氮快速制冷，低溫环境箱体1尺寸为1300mmX750mmX750mm，所选用力传感器 11的工作溫度范围为-10°C~40°C，进风口4、出风口 2用于外接管道的伸出段直径为〇61mm， 控制制冷机降溫至-30°C，向箱体中输送氮气，初始降溫风速设置为50m/s，同时调整导风叶 片正对对磨区域。向箱体中送入液氮、氮气的入口阀W及矢量喷嘴的阀口均通过软件中的 开关进行控制。
[0038] 低溫环境箱体内溫度通过红外热像仪检测并反馈信号，采用电机控制阀控矢量喷 嘴对局部高溫区的定位。经过3小时，经用于测量放置力传感器小箱体10内溫度的热电偶检 ，小箱体10内溫度维持在力传感器11的溫度范围内。由通风口 4进入的冷风，入口时风速 最快;进入低溫环境箱体1后，冷风下沉，风速降低；冷风经由小箱体10与支撑座14之间流 过;后从出风口 2流出，风速增快。冷风流场仿真如图3所示。
[0039] 实施例四。
[0040] 如图1-2所示。
[0041] 本发明的技术方案之二是： 一种低溫摩擦磨损试验机低溫实验用箱体，它包括用于安装磨盘9及测力梁5的低溫箱 体1，低溫箱体1采用保溫材料制作，连接测力元件的测力梁5采用导热性差的尼龙材料制 造，所述的低溫箱体1的顶部设有冷风进风口 4和出风口 2,冷风的送风和出风管道外面包裹 有保溫材料;在低溫箱体1的四周各设有一个共四个液氮充入区15(如图2)W便使低溫箱体 内的溫度快速下降到设定值;在低溫箱体1的侧面安装有向高溫区补充冷风的阀控矢量喷 嘴16,在低溫箱体1的上部安装有红外热像仪3,红外热像仪討良据检测到的溫度控制冷风进 风口 4的进风量及阀控矢量喷嘴16的补风量，从而使低溫箱体1的内部环境溫度及试验区的 局部溫度保持在设定范围内，为低溫摩擦磨损试验提供所需的工作溫度。所述的阀控矢量 冷风喷嘴包括一个可绕圆周转动的伸缩式圆柱杆6、摆动范围为120°的圆盘7和喷嘴8;通过 伸缩式圆柱杆6的伸缩初步对准局部高溫区，再利用圆盘7的转动和喷嘴8的摆动再次定位 并对准局部高溫区。所述的阀控矢量喷嘴16的数量为2个，它对称安装在磨盘9及试验机支 承体14连线的两侧。所述的测力梁5上安装的力传感器11罩装有罩壳10中。如图1所示，长方 形低溫箱体1的顶部分布左右两个通风口（一个送风，另一个出风），箱体内部风口的设计采 用可调节式导风叶片，使冷风分布均匀，实现低溫环境快速分布于整个箱体。送入冷风至箱 体内时，上方的送风口应正对对磨区域，优先冷却对磨区可尽快进行实验；同时在低溫环境 箱的两侧安装两个阀控矢量冷风喷嘴，冷风喷嘴在实验区局部溫度场不均匀时向局部高溫 区补充冷风，使实验区溫度快速冷却均匀。低溫环境箱顶部安装红外热像仪，红外热像仪采 集的信号输入溫度控制系统，当红外热像仪监测的实验区溫度下降到实验所需溫度时，溫 度控制系统减小冷风的送入量，当实验区溫度高于实验溫度，溫度控制系统增大冷风的送 入量，当实验区溫度稳定在实验溫度范围内时，保持冷风的送入量，从而实现稳定的低溫环 境;红外热像仪同时监测实验区的溫度场，通过溫度场能够快速监测局部高溫区位置，为冷 风喷嘴向实验区局部高溫区补充冷风定位。阀控矢量冷风喷嘴16的移动及送风阀控开关的 控制系统与溫度控制系统一起可通过常规控制软件来实现冷风送入和对局部高溫区的定 位及降溫。液氮快速制冷结束后，软件开关打开送风阀控开关，开始冷风送入，均匀溫度场。 根据红外热像仪所示的局部高溫区的坐标，软件控制阀控矢量冷风喷嘴的转动与摆动定 位，然后通过软件开关打开矢量喷嘴的阀口，向高溫区补充冷风辅助降溫。
[0042] 本发明未设及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加 W实现。
【主权项】
1. 一种低温摩擦磨损试验机工作温度控制方法，其特征是： 首先，利用抽风机将安装低温摩擦磨损试验机的低温箱体中的空气排出，同时向低温 箱体中通入不含水分的氮气，使得低温箱体中的气氛不含水蒸气； 其次，向低温箱体中液入液氮，使低温箱体中的温度快速下降到低温摩擦磨损试验机 所需的工作温度； 第三，在位于低温摩擦磨损试验机上方的低温箱体上设置冷风进风口，冷风进风口的 一侧设置出风口，通过该冷风进风口向低温箱体内送入冷风，使低温箱体内的保持在设定 的工作温度范围内； 第四，在低温箱体侧面安装用于调节局部高温区的阀控矢量冷风喷嘴； 第五，在低温箱体上安装红外热像仪，红外热像仪采集的信号输入温度控制系统，当红 外热像仪监测的实验区温度下降到实验所需温度时，温度控制系统减小冷风进风口冷风的 送入量，当实验区温度高于实验温度，温度控制系统增大冷风的送入量，当实验区温度稳定 在实验温度范围内时，保持冷风的送入量，从而实现稳定的低温环境;红外热像仪同时监测 实验区的温度场，当实验区的温度大于实验温度设定值时，控制阀控矢量冷风喷嘴直接向 实验区局部高温区补充冷风，使局部高温区快速降温至设定值，如此循环，直到实验结束； 为了防止实验过程中注入的冷风和阀控矢量冷风喷嘴喷出的补充冷风对实验测力元件造 成影响，应将实验测力元件罩装在一个罩壳中。2. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的液氮从低温箱体四个角部区域注入，液 氮的注入量与所需的低淵工作温度的关系为：式中：Vn2为所需氮的体积，Q为交换的热量，Ta为低温箱初始温度，T为所需的低温工作 温度，CN2为氮的比热容，PN2为氮的密度。3. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的冷风进风口位于低温箱体内部的风口 采用可调节式导风叶片，以使冷风分布均匀，实现低温环境快速分布于整个低温箱体。4. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的阀控矢量冷风喷嘴包括一个可绕圆周 转动的伸缩式圆柱杆、摆动范围为120°的圆盘和喷嘴;通过伸缩式圆柱杆的伸缩初步对准 局部高温区，再利用圆盘的转动和喷嘴的摆动再次定位并对准局部高温区。5. 根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的低温箱体采用保温材料制作，连接测力 元件的测力梁采用导热性差的尼龙材料制造，冷风的送风和出风管道外面包裹有保温材 料。6. -种低温摩擦磨损试验机低温实验用箱体，它包括用于安装磨盘(9)及测力梁(5)的 低温箱体（1)，其特征是所述的低温箱体（1)的顶部设有冷风进风口（4)和出风口（2)，在低 温箱体（1)的四周设有至少一个液氮充入区（15)以便使低温箱体内的温度快速下降到设定 值;在低温箱体（1)的侧面安装有向高温区补充冷风的阀控矢量喷嘴（16)，在低温箱体（1) 的上部安装有红外热像仪(3)，红外热像仪(3)根据检测到的温度控制冷风进风口（4)的进 风量及阀控矢量喷嘴（16)的补风量，从而使低温箱体（1)的内部环境温度及试验区的局部 温度保持在设定范围内，为低温摩擦磨损试验提供所需的工作温度。7. 根据权利要求6所述的低温实验用箱体，其特征是所述的阀控矢量冷风喷嘴包括一 个可绕圆周转动的伸缩式圆柱杆(6)、摆动范围为120°的圆盘(7)和喷嘴(8);通过伸缩式圆 柱杆(6)的伸缩初步对准局部高温区，再利用圆盘(7)的转动和喷嘴(8)的摆动再次定位并 对准局部高温区。8. 根据权利要求6所述的低温实验用箱体，其特征是所述的液氮充入区（15)的数量为 四个。9. 根据权利要求6所述的低温实验用箱体，其特征是所述的阀控矢量喷嘴（16)的数量 为2个，它对称安装在磨盘(9)及试验机支承体(14)连线的两侧。10. 根据权利要求6所述的低温实验用箱体，其特征是所述的测力梁（5)上安装的力传 感器(11)罩装有罩壳(10)中。
【文档编号】G01N3/56GK106020277SQ201610341000
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】卢文壮, 刘巍, 刘志刚, 孙玉利, 潘天宇
【申请人】南京航空航天大学