低溫磨損模擬試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)

申 鵬 曹會(huì)瓊 喬玉莉

(1. 北華航天工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院,河北 廊坊 065000；2. 中車眉山車輛有限公司，四川 眉山 620032)

目前中國(guó)的速凍設(shè)備主要分為六大類：螺旋式、直接凍結(jié)式、隧道式、接觸式、流化床式、鼓風(fēng)式；國(guó)外還研發(fā)設(shè)計(jì)了液氮速凍設(shè)備[1-4]。這些速凍設(shè)備需要在低溫環(huán)境下長(zhǎng)期工作。在速凍過(guò)程中這些低溫設(shè)備的磨損問(wèn)題較為突出。部分學(xué)者設(shè)計(jì)了低溫磨損試驗(yàn)機(jī)來(lái)研究此問(wèn)題，其中：路東輝等[5]研制了一種在低溫工況下壓擺磨損試驗(yàn)機(jī)，主要針對(duì)特種襯墊材料,其最低溫度可達(dá)-190 ℃；王長(zhǎng)生等[6]研制了真空高低溫球盤(pán)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，主要針對(duì)新材料進(jìn)行盤(pán)式磨損試驗(yàn)；Subramonia等[7]研制了一臺(tái)低溫高速摩擦學(xué)試驗(yàn)機(jī)，主要應(yīng)用于金屬材料。

縱觀低溫磨損試驗(yàn)機(jī)發(fā)展現(xiàn)狀可見(jiàn)，目前速凍運(yùn)行過(guò)程中的低溫磨損問(wèn)題研究較少，由于低溫工況下磨損現(xiàn)象非常復(fù)雜，影響因素眾多，需要研究不同運(yùn)動(dòng)形式下的摩擦學(xué)問(wèn)題。為此設(shè)計(jì)了一款低溫磨損模擬試驗(yàn)機(jī)，以期為減少速凍過(guò)程中的機(jī)械磨損提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)機(jī)簡(jiǎn)介

本試驗(yàn)機(jī)可以對(duì)各種金屬材料，在滾動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行耐磨性能試驗(yàn)，并可模擬不同工況(干態(tài)、水介質(zhì)、油介質(zhì)等)下的試驗(yàn)。本試驗(yàn)機(jī)帶有測(cè)量裝置，可實(shí)時(shí)檢測(cè)摩擦系數(shù)和磨擦功，在制冷裝置開(kāi)啟的情況下，可在低溫環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)并檢測(cè)。圖1為低溫磨損模擬試驗(yàn)機(jī)直觀圖。

2 主要技術(shù)參數(shù)

低溫磨損模擬試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 低溫磨損模擬試驗(yàn)機(jī)Figure 1 Low temperature wear simulation testing machine表1 低溫磨損模擬試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 The main technological parameters of low temperature wear simulation testing machine

參數(shù)名稱單位主要技術(shù)參數(shù)參數(shù)名稱單位主要技術(shù)參數(shù)試驗(yàn)機(jī)外形尺寸mm970×660×1 100滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)重量kg500冷凍機(jī)外型尺寸mm800×600×720冷凍機(jī)重量kg300試樣Ⅰ轉(zhuǎn)速r/min100～400冷氣流壓力Pa800試樣Ⅱ轉(zhuǎn)速r/min100～400冷氣發(fā)生量m3/min3～6 最大負(fù)荷N1 000冷氣發(fā)生溫度℃-60～0負(fù)荷范圍N0～1 000控溫精度℃±2溫度控制溫控儀表控制,PID調(diào)節(jié),帶RS485通訊

3 試驗(yàn)機(jī)主要組成部分

低溫磨損模擬試驗(yàn)機(jī)由滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、電控裝置、冷卻系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)四大部分組成。

3.1 滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)

滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖2。

1. 皮帶Ⅰ 2. 齒輪Ⅰ 3. 齒輪Ⅱ 4. 齒輪Ⅲ 5. 主動(dòng)軸 6. 測(cè)控電腦 7. 齒輪Ⅳ 8. 速度傳感器Ⅰ 9. 試樣Ⅰ 10. 試樣Ⅱ 11. 球形自動(dòng)調(diào)節(jié)軸承傳動(dòng)軸 12. 壓力傳感器Ⅱ 13. 傳動(dòng)軸 14. 皮帶Ⅱ 15. 速度傳感器Ⅱ 16. 電機(jī)控制 17. 電機(jī)Ⅱ 18. 內(nèi)齒輪 19. 擺架 20. 電機(jī)Ⅰ 21. 線性位移

圖2 滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)示意圖

Figure 2 Schematic diagram of rolling testing facilities

電動(dòng)機(jī)Ⅰ通過(guò)皮帶Ⅰ帶動(dòng)齒輪Ⅲ轉(zhuǎn)動(dòng)，齒輪Ⅲ帶動(dòng)齒輪Ⅱ、主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而帶動(dòng)齒輪Ⅳ、內(nèi)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，最終帶動(dòng)試樣Ⅰ轉(zhuǎn)動(dòng)；電動(dòng)機(jī)Ⅱ帶動(dòng)皮帶Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng)，在皮帶Ⅱ和球形自動(dòng)調(diào)節(jié)軸承傳動(dòng)軸作用下，傳動(dòng)軸帶動(dòng)試件Ⅱ轉(zhuǎn)動(dòng)；試樣Ⅰ和試樣Ⅱ的橫向中心線應(yīng)重合。

速度傳感器Ⅰ可測(cè)得試樣Ⅰ的轉(zhuǎn)速；壓力傳感器Ⅱ和速度傳感器Ⅱ可測(cè)得試樣Ⅱ的轉(zhuǎn)速和壓力，并實(shí)時(shí)顯示到測(cè)控電腦上。通過(guò)電機(jī)控制可調(diào)節(jié)電機(jī)Ⅱ的轉(zhuǎn)速，以此來(lái)調(diào)節(jié)試樣Ⅱ的轉(zhuǎn)速，通過(guò)試樣Ⅰ和試樣Ⅱ之間的速度差，可計(jì)算出二者之間的滑動(dòng)率。

摩擦力矩等于試樣Ⅰ半徑與摩擦力的乘積，此摩擦力矩可用擺架來(lái)測(cè)量。試驗(yàn)時(shí)，由于摩擦力的作用擺架會(huì)離開(kāi)鉛垂位置仰起一角度，通過(guò)線位移傳感器可測(cè)得摩擦力矩。

為了防止試驗(yàn)時(shí)試樣Ⅰ和試樣Ⅱ松動(dòng)，將試樣Ⅰ的螺紋設(shè)計(jì)為左旋，試樣Ⅱ的螺紋設(shè)計(jì)為右旋。

3.2 制冷系統(tǒng)

制冷系統(tǒng)由低溫環(huán)境室、混氣室、自增壓液氮罐、液氮分配器、低溫電磁閥、控制系統(tǒng)構(gòu)成，見(jiàn)圖3。

1. 低溫環(huán)境室 2. 排氣管 3. 溫度傳感器 4. 輸送風(fēng)機(jī) 5. 泄壓閥 6. 電控箱 7. 液氮進(jìn)液控制器 8. 輸液管 9. 自增壓液氮罐 10. 液氮蒸發(fā)器 11. 混氣室 12. 離心風(fēng)機(jī) 13. 回氣管

圖3 制冷系統(tǒng)示意圖

Figure 3 Schematic diagram of refrigeration system

液氮由自增壓液氮罐加壓，通過(guò)輸液管、液氮進(jìn)液控制器進(jìn)入混氣室，低溫氮?dú)獾臏囟仁窃诨鞖馐覂?nèi)通過(guò)控制氮?dú)庹舭l(fā)量與氮?dú)饣貧饣旌媳壤齺?lái)控制排出氮?dú)獾臏囟龋旌虾脺囟鹊牡獨(dú)庠偻ㄟ^(guò)輸氣風(fēng)機(jī)輸送到低溫環(huán)境室。回氣是通過(guò)離心風(fēng)機(jī)抽回至混氣室內(nèi)，部分回氣同新蒸發(fā)氮?dú)饣鞖猓ㄟ^(guò)泄壓閥將多余的氮?dú)馀欧诺绞彝狻?/p>

溫度控制通過(guò)調(diào)節(jié)溫控儀表完成。當(dāng)?shù)蜏丨h(huán)境室的溫度達(dá)到設(shè)置的溫度時(shí)，通過(guò)PID調(diào)節(jié)自動(dòng)控溫。溫控儀表自帶報(bào)警溫度控制，當(dāng)?shù)蜏丨h(huán)境室的溫度達(dá)到報(bào)警溫度-100 ℃ 時(shí)，報(bào)警指示燈閃爍，同時(shí)切斷低溫電磁閥電源。

3.3 計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)

圖4為控制測(cè)量界面圖，圖5為系統(tǒng)分析報(bào)告界面圖。

測(cè)控原理是由線性位移傳感器檢測(cè)出摩擦力矩信號(hào)，拉力傳感器檢測(cè)到的彈簧加載信號(hào)和光電傳感器檢測(cè)到的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)數(shù)信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理后輸入到專業(yè)數(shù)據(jù)采集卡，數(shù)據(jù)采集卡將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所需的數(shù)字信號(hào)，計(jì)算機(jī)按照設(shè)計(jì)程序?qū)⒉杉降男盘?hào)經(jīng)計(jì)算處理后分別以數(shù)字形式或波形圖形式顯示相關(guān)的測(cè)量結(jié)果。

圖4 控制測(cè)量界面圖Figure 4 Interface diagram of control measurement

圖5 系統(tǒng)分析報(bào)告界面圖Figure 5 Interface diagram of system analysis report

測(cè)控系統(tǒng)的主要功能有：

(1) 測(cè)量磨擦力矩相關(guān)參數(shù)：載荷、平均力矩、最大力矩、磨擦系數(shù)、磨擦功。

(2) 顯示測(cè)量時(shí)間，試驗(yàn)轉(zhuǎn)數(shù)，試樣Ⅰ/試樣Ⅱ轉(zhuǎn)速。

(3) 提供定時(shí)停試驗(yàn)機(jī)，定轉(zhuǎn)數(shù)停試驗(yàn)機(jī)。

(4) 提供壓力載荷和磨擦力矩的標(biāo)定功能。

4 結(jié)語(yǔ)

低溫磨損模擬試驗(yàn)機(jī)具有一定的先進(jìn)性?？捎行M低溫環(huán)境下的金屬滾動(dòng)磨損試驗(yàn)。使用該試驗(yàn)機(jī)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：① 使用過(guò)程中低溫環(huán)境室的倉(cāng)門(mén)必須關(guān)嚴(yán)，使低溫環(huán)境室保持密閉；② 使用完畢后應(yīng)及時(shí)關(guān)閉低溫環(huán)境室的倉(cāng)門(mén)，防止低溫環(huán)境室內(nèi)結(jié)霜；③ 要定期清除低溫環(huán)境室內(nèi)積水。