利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪及测试方法技术

本发明专利技术提供了一种利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪及测试方法，测试仪中，低温工作保温容器用于提供低温工作腔，内置下试样；摩擦力测量机构中的水平加载片与垂直加载片固连形成刚性悬臂，悬伸于低温工作腔内，末端吊装的上试样柱底端面能够与下试样的上端面相接触；水平加载片端面贴设水平应变片，侧面顺着刚性悬臂贴设垂直应变片，通过第一、第二位移传感器分别测量水平应变片与垂直应变片的位移值；运动控制机构用于驱动摩擦力测量机构做线性运动，以施加加载力以及使上试样柱与下试样之间形成摩擦。本发明专利技术将低温环境的摩擦力测量传递到室温下进行，并使摩擦的载荷、速度、行程可调，对于航空航天材料低温工况应用具有重要意义。应用具有重要意义。应用具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪及测试方法


[0001]本专利技术涉及一种摩擦学领域的测试仪器与测试方法，更具体地说是一种利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪及测试方法。

技术介绍

[0002]低温摩擦学属于摩擦学中的极端工况摩擦学，常见的极端工况包括高温、高速、低温、真空、高压等工况。低温摩擦学是空间技术的重要基石，火箭在进入太空之后就进入到了低温、真空环境中，如何保证火箭发动机在极低温的环境下正常工作极具研究价值。当前的载人液体火箭发动机的燃料和氧化剂都是采用发动机涡轮泵进行进给的，而发动机涡轮泵为了使火箭的燃料和氧化剂能够进入到高压的燃烧室，通常涡轮泵的工作压力要大的多，因此对涡轮泵的轴承要求十分严格。为了提升涡轮泵的重复利用率和使用寿命，我国科研人员已经提出了采用液膜轴承代替传统滚子轴承的方案，本专利技术正是针对低温低粘流体浸泡下的轴承材料进行的摩擦学测试而提出。
[0003]在现有的常温摩擦试验机中，测量摩擦力都是在试样接触区直接进行，这种测量方式高效、准确并且简洁，但是对于低温摩擦领域来说，因低温环境通常在
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150℃以下，绝大多数的传感器在这样的条件下会失效，传感器的电子元件理化性质发生变化。对于市面上占多数的电阻式、压阻式、热电阻、热敏、气敏等电阻式传感器元件来说，低温条件对电阻的影响是无法避免的，而且这些影响直接反应在测量精度上，所以对于低温摩擦学实验来说，直接在接触区测量摩擦力难以实现。且，现阶段的低温摩擦学实验一般是指处于
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50℃左右的温度，绝对低温难以实现。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在针对目前低温条件下的摩擦学实验难以测量的难题，提出一种利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，同时基于该测试仪提出一种全新的测试方法，给出一种低温摩擦工作区力与变形的传递方案，以期能够实现将低温环境的摩擦力测量传递到室温下进行，并使摩擦的载荷、速度、行程可调。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]一种利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，其结构特点是：
[0007]包括低温工作保温容器、摩擦力测量机构、运动控制机构，整体安装在安装架上；
[0008]所述低温工作保温容器位于摩擦力测量机构的下方，由可拆卸的端盖封装，内部形成有低温工作腔，下试样固定内置于所述低温工作腔中；
[0009]所述摩擦力测量机构中，水平加载片与垂直加载片固连形成倒“L”形的刚性悬臂，所述刚性悬臂整体于水平加载片的末端固装在运动控制机构的第一驱动机构上，第一位移传感器与第二位移传感器分别固装在所述第一驱动机构上，由第一驱动机构驱动，与所述刚性悬臂同步位移，所述垂直加载片竖直穿过所述端盖，悬伸于所述低温工作腔内，与所述端盖之间留有间隙，将固装在末端的上试样柱吊装在所述下试样的上方，所述上试样柱的
底端面能够与所述下试样的上端面相接触；水平加载片的端面上顺着长度方向贴设水平应变片，在水平加载片的侧面、顺着刚性悬臂的垂直加载片与水平加载片贴设倒“L”形的垂直应变片，所述水平应变片与垂直应变片均是对应于水平加载片末端的一端为自由端，另一端为固定端，自由端能够在外力作用下分别沿着垂直于水平加载片端面与侧面的方向位移，通过所述第一位移传感器与第二位移传感器分别测量水平应变片与垂直应变片的自由端相对于水平加载片的相对位移值；
[0010]所述运动控制机构用于带动所述摩擦力测量机构做线性运动，包括第一驱动机构与第二驱动机构，所述第一驱动机构能够带动摩擦力测量机构整体做竖向位移，用于调节上试样柱的高度位置，带有所述摩擦力测量机构的第一驱动机构能够由所述第二驱动机构驱动，沿着垂直于所述水平加载片侧面的方向做直线位移，用于使上试样柱与下试样之间形成摩擦。
[0011]本专利技术的结构特点也在于：
[0012]沿前后向水平布置的一对所述水平加载片上下正对，一对水平应变片呈上下对称安装，分设于一对水平加载片朝外的端面上；
[0013]沿竖向布置的一对所述垂直加载片左右正对，与一对水平加载片之间通过连接块固连，构成所述刚性悬臂，一对垂直应变片呈左右对称安装，分设于一对垂直加载片朝外的端面上，并沿着水平加载片的侧面贴设；
[0014]一对垂直加载片的底端通过带有螺纹安装孔的上试样座螺纹安装有所述上试样柱，所述上试样柱在上试样座上的高度位置通过与所述螺纹安装孔之间的螺纹配合可调。
[0015]所述水平应变片为U型片状结构，闭口端作为自由端，竖向可活动地穿设在水平加载片端面末端部固设的竖向柱状销上，开口端作为固定端，通过螺钉紧固在水平加载片的另一端上；
[0016]所述垂直应变片为倒L形结构，顺着刚性悬臂的侧面贴设，底端及折角处为固定端，分别通过螺钉紧固，另一端为自由端，横向可活动地穿设在垂直固装于水平加载片侧面的横向柱状销上；
[0017]所述水平应变片的自由端上设有第一测量区，供所述第一位移传感器测量，所述垂直应变片的自由端上设有第二测量区，供所述第二位移传感器测量。
[0018]所述第一位移传感器与第二位移传感器均为电涡流传感器，与对应的应变片之间是非接触式测量。
[0019]所述低温工作腔内腔底部安装有下试样底座，所述下试样通过下试样夹具可拆卸地安装在所述下试样底座上。
[0020]所述下试样为酚醛树脂浸渍石墨材料。
[0021]所述低温工作保温容器设置为双层圆筒状结构，内层容器采用电木制成，顶部开口，内腔作为所述低温工作腔，内置于铝合金制成的外层容器中，与所述外层容器之间填充聚氯乙烯泡沫作为隔热层，所述外层容器顶端通过螺栓封装有端盖，与所述端盖之间通过密封圈密封。
[0022]所述第一驱动机构为位移台，第二驱动机构为直线电机，所述运动控制机构还包括控制模块，用于对直线电机的电机速度与往复行程进行调节。
[0023]本专利技术同时提出了一种利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试方法，基于上
述利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪进行，所述测试方法是在低温条件下对两试样间在不同载荷时的摩擦力大小测试，按如下步骤进行：
[0024]步骤a1、通过位移台沿竖向调节摩擦力测量机构的高度位置，使上试样柱的底端面与下试样的顶端面之间保留3
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5mm的竖向间隙；
[0025]步骤a2、打开端盖，向低温工作保温容器的低温工作腔内通入氮气，排出低温工作腔内的空气，使低温工作腔内充满氮气后，停止通入氮气；再向低温工作腔内倒入液氮，使液氮液面刚好没过上试样柱的底端，利用液氮对上试样柱与下试样的摩擦工作区进行充分冷却，并通过工业温度记录仪对摩擦工作区测温，达到预期温度
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196℃后，通过螺栓将端盖封装低温工作保温容器；
[0026]步骤a3、通过位移台沿竖向调节摩擦力测量机构的高度位置，使上试样柱的底端面与下试样的顶端面相接触，同时通过第一位移传感器观察水平应变片的输出数值，直至水平应变片的输本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，其特征是：包括低温工作保温容器、摩擦力测量机构、运动控制机构，整体安装在安装架上；所述低温工作保温容器位于摩擦力测量机构的下方，由可拆卸的端盖(4)封装，内部形成有低温工作腔(2)，下试样(8)固定内置于所述低温工作腔(2)中；所述摩擦力测量机构中，水平加载片(9)与垂直加载片(11)固连形成倒“L”形的刚性悬臂，所述刚性悬臂整体于水平加载片(9)的末端固装在运动控制机构的第一驱动机构(22)上，第一位移传感器(18)与第二位移传感器(19)分别固装在所述第一驱动机构(22)上，由第一驱动机构(22)驱动，与所述刚性悬臂同步位移，所述垂直加载片(11)竖直穿过所述端盖(4)，悬伸于所述低温工作腔(2)内，与所述端盖(4)之间留有间隙，将固装在末端的上试样柱(15)吊装在所述下试样(8)的上方，所述上试样柱(15)的底端面能够与所述下试样(8)的上端面相接触；水平加载片(9)的端面上顺着长度方向贴设水平应变片(10)，在水平加载片(9)的侧面、顺着刚性悬臂的垂直加载片(11)与水平加载片(9)贴设倒“L”形的垂直应变片(12)，所述水平应变片(10)与垂直应变片(12)均是对应于水平加载片(9)末端的一端为自由端，另一端为固定端，自由端能够在外力作用下分别沿着垂直于水平加载片(9)端面与侧面的方向位移，通过所述第一位移传感器(18)与第二位移传感器(19)分别测量水平应变片(10)与垂直应变片(12)的自由端相对于水平加载片(9)的相对位移值；所述运动控制机构用于带动所述摩擦力测量机构做线性运动，包括第一驱动机构(22)与第二驱动机构(23)，所述第一驱动机构(22)能够带动摩擦力测量机构整体做竖向位移，用于调节上试样柱(15)的高度位置，带有所述摩擦力测量机构的第一驱动机构(22)能够由所述第二驱动机构(23)驱动，沿着垂直于所述水平加载片(9)侧面的方向做直线位移，用于使上试样柱(15)与下试样(8)之间形成摩擦。2.根据权利要求1所述的利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，其特征是：沿前后向水平布置的一对所述水平加载片(9)上下正对，一对水平应变片(10)呈上下对称安装，分设于一对水平加载片(9)朝外的端面上；沿竖向布置的一对所述垂直加载片(11)左右正对，与一对水平加载片(9)之间通过连接块固连，构成所述刚性悬臂，一对垂直应变片(12)呈左右对称安装，分设于一对垂直加载片(11)朝外的端面上，并沿着水平加载片(9)的侧面贴设；一对垂直加载片(11)的底端通过带有螺纹安装孔的上试样座(14)螺纹安装有所述上试样柱(15)，所述上试样柱(15)在上试样座(14)上的高度位置通过与所述螺纹安装孔之间的螺纹配合可调。3.根据权利要求1或2所述的利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，其特征是：所述水平应变片(10)为U型片状结构，闭口端作为自由端，竖向可活动地穿设在水平加载片(9)端面末端部固设的竖向柱状销(16)上，开口端作为固定端，通过螺钉紧固在水平加载片(9)的另一端上；所述垂直应变片(12)为倒L形结构，顺着刚性悬臂的侧面贴设，底端及折角处为固定端，分别通过螺钉紧固，另一端为自由端，横向可活动地穿设在垂直固装于水平加载片(9)侧面的横向柱状销(17)上；所述水平应变片(10)的自由端上设有第一测量区，供所述第一位移传感器(18)测量，
所述垂直应变片(12)的自由端上设有第二测量区，供所述第二位移传感器(19)测量。4.根据权利要求1或2所述的利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，其特征是：所述第一位移传感器(18)与第二位移传感器(19)均为电涡流传感器，与对应的应变片之间是非接触式测量。5.根据权利要求1所述的利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，其特征是：所述低温工作腔(2)内腔底部安装有下试样(8)底座，所述下试样(8)通过下试样(8)夹具可拆卸地安装在所述下试样(8)底座上。6.根据权利要求1或5所述的利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，其特征是：所述下试样(8)为酚醛树脂浸渍石墨材料。7.根据权利要求1所述的利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，其特征是：所述所述低温工作保温容器设置为双层圆筒状结构，内层容器(1)采用电木制成，顶部开口，内腔作为所述低温工作腔(2)，内置于铝合金制成的外层容器(3)中，与所述外层容器(3)之间填充聚氯乙烯泡沫作为隔热层，所述外层容器(3)顶端通过螺栓封装有端盖(4)，与所述端盖(4)之间通过密封圈密封。8.根据权利要求1所述的利用液氮介质浸泡的低温往复式摩擦学测试仪，其特征是：所述第一驱动机构(22)为位移台，第二驱...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘焜，杜军，许吉敏，叶家鑫，刘宁，王博睿，王伟，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：