同轴摩擦磨损装置

技术领域

本申请涉及材料摩擦磨损领域，尤其涉及一种同轴摩擦磨损装置。

背景技术

随着社会和科技的发展，机械设备的应用领域不断扩展，一些特殊工作环境中的机械设备承受着高温或低温、压力、腐蚀介质和气氛等的影响。和在一般环境下相比，材料在这些环境下的摩擦磨损性能通常表现出不同的规律，因此需要对材料在这些环境下的摩擦磨损性能开展实验研究。

高温或低温、压力、腐蚀介质和气氛环境下的摩擦磨损研究通常是在耐腐蚀的压力容器中开展的。

申请号为CN201910198034.9，公开号为CN109883870A的中国专利申请提出了一种海水环境下的摩擦磨损试验机，能够开展压力和介质环境下的摩擦磨损实验，其压力容器具有两侧端盖，中间为贯穿的腔体，以一侧端盖的轴作为运动端，外界通过磁力传动输入旋转运动，轴和摩擦副之一固连；以另一侧端盖作为静止端，用以固定另一摩擦副，采用磁力加载。该装置能够模拟一定压力的海水环境，并进行销盘摩擦磨损实验。但其采用的磁力加载方式存在一定问题，加载力经过内外磁体、轴等传递到试样上，传递路径过长，载荷的摩擦损耗较大，外部加载力难以代表真实的载荷。这种方案需要负责加载和传动的两根轴，需要结构更为复杂的压力容器，加工和密封更为困难，同时增加了产品成本，上下试样不同轴，容易出现同轴度误差和安装误差。

参考文献1提出了一种模拟海水环境的摩擦磨损装置，采用一端加载、一端传动的方式，压力容器需要两侧端盖，且采用外部接触式加载的方式，载荷的损耗较大且存在泄露的问题。

参考文献2提出了一种模拟海水环境的摩擦磨损装置，采用重物加载，载荷范围有限且难以方便调节，采用双销-盘摩擦副，容易产生摩擦面偏斜的问题。

参考文献3提出了一种模拟高压环境的摩擦磨损装置，采用重物加载，载荷范围有限且难以方便调节，并且无法应用于海水等介质环境。

参考文献：

[1]陈松.水环境中材料摩擦学性能研究[D].机械科学研究总院,2014.

[2]VERICHEV S N,MISHAKIN V V,NUZHDIN D A,et al.Experimental study ofabrasive wear of structural materials under the high hydrostatic pressure[J].Ocean Engineering,2015,99:9-13.

[3]RATIA V L,ZHANG D,CARRINGTON M J,et al.The effect of temperatureon sliding wear of self-mated HIPed Stellite 6in a simulated PWR waterenvironment[J].Wear,2019,420-421:215-225.

目前的压力容器内的摩擦磨损装置存在载荷传递路径长、摩擦损耗大；上下试样不同轴使得需要两端分别固定、结构复杂、容易产生倾斜度和同轴度误差，载荷不均匀；装置体积大、占用空间大；无法应用于高低温、压力、介质和气氛环境下等问题。

发明内容

为了改善或解决背景技术中提到的至少一个问题，本申请提供了一种同轴摩擦磨损装置。

本申请提供的同轴摩擦磨损装置用于开展上试样和下试样的摩擦磨损试验，所述同轴摩擦磨损装置包括：

压力容器，所述压力容器包括端盖、腔体和主轴，所述端盖用于抵接密封所述腔体，所述主轴的一部分伸入所述腔体内，所述主轴的另一部分穿过所述端盖；

下试样固定装置，所述下试样固定装置包括下试样托盘，所述下试样托盘固定于所述主轴，所述下试样托盘用于固定所述下试样；

上试样固定装置，所述上试样固定装置包括引导盘和定位轴，所述引导盘安装在所述主轴上且所述引导盘与所述主轴之间沿所述主轴的轴向相对静止，所述主轴相对于所述引导盘能转动，所述定位轴连接于所述引导盘且所述定位轴与所述引导盘在所述轴向上能够相对移动，所述定位轴用于固定所述上试样，

所述下试样固定装置和所述上试样固定装置安装于所述压力容器后，所述上试样抵接于所述下试样。

在至少一个实施方式中，所述主轴包括轴向连接的第一主轴和第二主轴，所述第一主轴抵接于所述端盖，所述第二主轴具有外螺纹，所述下试样托盘和所述引导盘安装于所述第二主轴。

在至少一个实施方式中，所述同轴摩擦磨损装置包括引导盘固定螺母，

所述下试样固定装置包括下试样固定螺母和定位套筒，

所述下试样托盘设置于所述引导盘固定螺母和所述下试样固定螺母之间，所述下试样托盘通过所述引导盘固定螺母和所述下试样固定螺母固定于所述主轴，

所述定位套筒设置于所述引导盘固定螺母和所述下试样固定螺母之间，且所述定位套筒抵接于所述下试样托盘。

在至少一个实施方式中，所述上试样固定装置包括滚珠花键轴承、轴承定位块、弹簧、上试样夹具和作为所述定位轴的花键轴，

所述滚珠花键轴承过渡配合于所述花键轴，所述滚珠花键轴承和所述上试样夹具之间设置有所述弹簧，所述轴承定位块连接于所述滚珠花键轴承和所述引导盘。

在至少一个实施方式中，所述滚珠花键轴承具有环状凸缘，

所述轴承定位块呈空心套筒状，所述轴承定位块包括供所述花键轴穿过的轴承定位块中心通孔、轴承定位块顶面和轴承定位块底面，

所述轴承定位块顶面抵接于所述滚珠花键轴承的所述环状凸缘的底面，所述轴承定位块底面抵接于所述引导盘的顶面，所述轴承定位块顶面和所述轴承定位块底面上具有轴承定位块偏心螺纹孔，所述滚珠花键轴承的所述环状凸缘和所述引导盘的相应位置具有通孔，

通过螺钉插入所述环状凸缘的相应位置的通孔及所述引导盘的相应位置的通孔和拧入所述轴承定位块偏心螺纹孔实现所述滚珠花键轴承、所述轴承定位块和所述引导盘的固定。

在至少一个实施方式中，所述上试样固定装置包括一对推力轴承，在所述引导盘的轴向两侧设置所述一对推力轴承。

在至少一个实施方式中，所述主轴上具有卡位用台阶结构，位于所述引导盘上方的所述推力轴承抵接于所述卡位用台阶结构。

在至少一个实施方式中，所述同轴摩擦磨损装置包括引导盘限制装置，所述引导盘限制装置包括引导盘挡杆、固定挡杆和固定器，

所述固定器固定于所述腔体的内壁，所述固定挡杆固定于所述固定器，所述引导盘挡杆安装于所述引导盘，所述引导盘挡杆能够接触所述固定挡杆，从而限制所述引导盘的转动。

在至少一个实施方式中，所述固定挡杆包括抵接用挡杆和支撑用挡杆，

所述抵接用挡杆在所述轴向上连接于所述支撑用挡杆，且所述抵接用挡杆位于所述支撑用挡杆的顶部，

所述抵接用挡杆的材质为轴承钢，或碳钢，或马氏体不锈钢，所述支撑用挡杆的材质为不锈钢，或钛合金，或哈氏合金，

所述引导盘挡杆包括磁体，所述引导盘挡杆能够依靠磁力贴合于所述抵接用挡杆。

在至少一个实施方式中，所述同轴摩擦磨损装置包括进气管，所述进气管穿过所述端盖伸入所述腔体，用于为所述同轴摩擦磨损装置提供气体和/或液体环境。

本申请中的上试样和下试样与主轴同轴设置，简化了压力容器结构，改善了同轴度误差，实验结果更准确，通过主轴同时实现传动与加载，载荷传递路径短、摩擦损耗小、载荷更均匀。

附图说明

图1示出了根据本申请实施方式的同轴摩擦磨损装置的结构示意图。

图2示出了图1的局部放大图。

图3示出了根据本申请实施方式的同轴摩擦磨损装置的轴承定位块的剖视图。

图4示出了根据本申请实施方式的同轴摩擦磨损装置的轴承定位块的俯视图。

附图标记说明

1端盖；2腔体；3抵接用挡杆；4主轴；5引导盘挡杆；6滚珠花键轴承；7支撑用挡杆；8花键轴；9弹簧压板；10轴承定位块；11引导盘；12推力球轴承；13轴承座；14弹簧；15上试样第一夹具；16定位套筒；17上试样第二夹具；18上试样；19下试样；20下试样托盘；21下试样固定板；22挡杆固定板；23固定器；24引导盘固定螺母；25下试样固定螺母；26抵接端盖用台阶结构；27固定块；28进气管；29卡位用台阶结构；30轴承定位块中心通孔；31轴承定位块偏心螺纹孔；32轴承定位块顶面；33轴承定位块底面；41第一主轴；42第二主轴；A、A-A 剖面标记。

具体实施方式

下面参照附图描述本申请的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。

本申请提供了一种同轴摩擦磨损装置。如图1、2所示，本申请可以但不限于用于球-盘摩擦磨损试验，销-盘摩擦磨损试验。其中球状摩擦试样可以为上试样18，盘状摩擦试样可以为下试样20。

同轴摩擦磨损装置包括压力容器、下试样固定装置、上试样固定装置、引导盘限制装置。

压力容器可以包括端盖1、腔体2和主轴4。

腔体2内部可以具有圆柱形空腔，端盖1可以抵接于腔体2，起到密封作用。端盖1和腔体2的抵接处可以为锥面，该锥面可以进一步起到限制端盖1继续向腔体2轴向移动的作用。

主轴4的一部分可以伸入腔体2中，主轴4的另一部分可以穿过端盖1暴露于端盖1的顶面外。进一步地，主轴4包括轴向连接的第一主轴41和第二主轴42。第一主轴41上可以具有抵接端盖用台阶结构26，抵接端盖用台阶结构26可以抵接于端盖1，使得外部设备或操作人员提起主轴4时可以同时提起端盖1。第一主轴41可以不具有外螺纹，使得主轴4能够相对于端盖1旋转。第二主轴42可以具有外螺纹，通过第二主轴42的外螺纹可以固定下试样固定装置和上试样固定装置(后面介绍)。

下试样固定装置可以包括定位套筒16、下试样托盘20、下试样压板21和下试样固定螺母25。同轴摩擦磨损装置可以包括引导盘固定螺母24。

引导盘固定螺母24、定位套筒16、下试样托盘20、下试样固定螺母25可以依次设置在第二主轴42上，引导盘固定螺母24可以和轴承座13(属于上试样固定装置，后面介绍)抵接。保持引导盘固定螺母24的位置不动，通过朝引导盘固定螺母24的方向拧紧下试样固定螺母25，可以将下试样托盘20固定在主轴4上。可以通过使用轴向尺寸不同的定位套筒16调整下试样托盘20的具体位置。

下试样托盘20上可以设置下试样19和下试样压板21，下试样压板21压覆于下试样19。可以通过螺钉拧紧下试样压板21，将下试样19固定于下试样托盘20。通过旋转主轴4，即可实现与主轴4同轴的下试样19的旋转。

上试样固定装置可以包括滚珠花键轴承6、花键轴8(定位轴的示例)、弹簧压板9、轴承定位块10、引导盘11、推力球轴承12(推力轴承的示例)、轴承座13、弹簧14、上试样第一夹具15和上试样第二夹具17(二者构成上试样夹具的示例)。

引导盘11可以安装在主轴4上，引导盘11的轴向两侧安装有一对推力球轴承12和轴承座13，使得主轴4可以相对于引导盘11转动。主轴4(第二主轴42)上还具有卡位用台阶结构29，位于引导盘11上方的轴承座13可以抵接于卡位用台阶结构29，位于引导盘11下方的轴承座13可以抵接于引导盘固定螺母24。

可以理解，推力球轴承12还可以由其它类型的推力轴承代替。

花键轴8(定位轴)可以穿过引导盘11的偏心孔，滚珠花键轴承6可以过渡配合于花键轴8。进一步地，花键轴8具有滚道(图中未示出)，滚珠花键轴承6具有滚珠(图中未示出)和花键套，滚珠设置在滚道内且滚珠沿花键轴8的径向抵接于滚道和花键套。

滚珠花键轴承6与花键轴8过渡配合可以理解为：以花键轴8的轴线为轴，滚珠与滚道的径向接触点的径向以内和径向以外等效为轴孔配合，该轴孔配合为过渡配合。滚珠与花键套的径向接触点的径向以内和径向以外等效为轴孔配合，该轴孔配合为过渡配合。

花键轴8与滚珠花键轴承6过渡配合使得花键轴8与滚珠花键轴承6的抵接更紧，花键轴8的径向摆动小，倾斜度误差小。本申请的花键轴8在轴向上移动时，滚珠花键轴承6与花键轴8的摩擦方式为滚动摩擦，滚动摩擦的摩擦系数小，从而使得载荷的波动小，测量结果更稳定。滚珠花键轴承6可以限制花键轴8的转动，仅靠与主轴4同轴的下试样19转动，进行上试样18与下试样19之间的滑动摩擦，同轴度较好，试验测量结果更稳定。

滚珠花键轴承6的下方可以设置弹簧14，通过轴承定位块10可以将滚珠花键轴承6连接于引导盘11，进而将花键轴8连接于引导盘11。

为了方便描述，本申请引入了轴承定位块10的一个实施方式的剖视图和剖面标记A、A-A。轴承定位块10可以呈空心套筒状，轴承定位块10具有供花键轴8穿过的轴承定位块中心通孔30、轴承定位块顶面32和轴承定位块底面33。轴承定位块顶面32和轴承定位块底面33上具有轴承定位块偏心螺纹孔31。

轴承定位块顶面32抵接于滚珠花键轴承6的径向凸起(环状凸缘)，轴承定位块底面33抵接于引导盘11。滚珠花键轴承6的环状凸缘和引导盘11的相应位置具有通孔，通过螺钉插入环状凸缘的相应位置的通孔及引导盘11的相应位置的通孔和拧入轴承定位块偏心螺纹孔31可以实现滚珠花键轴承6、轴承定位块10和引导盘11的固定。

进一步地，轴承定位块顶面32和轴承定位块底面33可以具有凹陷，轴承定位块顶面32的凹陷可以与弹簧压板9配合。轴承定位块底面33的凹陷可以与引导盘11相应位置的台阶孔配合。本申请中轴承定位块10的具体形状不限制。

花键轴8的下端可以固定连接于上试样第一夹具15和上试样第二夹具17。上试样第一夹具15和上试样第二夹具17可以固定连接于上试样18。进一步地，可以在滚珠花键轴承6与弹簧14之间设置弹簧压板9，通过弹簧压板9抵接弹簧14的一端。

如图2所示，弹簧14可以为压缩弹簧，特别是螺旋压缩弹簧。弹簧14的一端可以抵接于弹簧压板9，弹簧14的另一端可以抵接于上试样第一夹具15。

引导盘限制装置可以包括抵接用挡杆3、引导盘挡杆5、支撑用挡杆7、挡杆固定板22、固定器23和固定块27。

固定器23可以固定在腔体2的内壁。抵接用挡杆3可以轴向连接于支撑用挡杆7，支撑用挡杆7可以固定于固定块27。抵接用挡杆3和支撑用挡杆7可以通过固定块27、螺钉、挡杆固定板22固定于固定器23。可以理解，这里，抵接用挡杆3和支撑用挡杆7一起作为本申请中的固定挡杆，固定挡杆由一根固定挡杆，或多根固定挡杆构成的实施方式均在本申请的保护范围之内。

第二挡杆5可以设置在引导盘11上，第二挡杆5上可以具有磁体。且第二挡杆5能够与抵接用挡杆3接触，达到限制引导盘11转动的作用。

根据试验需求，腔体2内部可能存在腐蚀性液体，腐蚀性液体的高度可能高于上试样18。位于下部的支撑用挡杆7可以为耐腐蚀材质，耐腐蚀材质包括但不限于不锈钢、钛合金、哈氏合金等，起到良好的防腐蚀效果。位于上部的抵接用挡杆3可以为铁磁性材质，铁磁性材质包括但不限于轴承钢、碳钢、马氏体不锈钢等，抵接用挡杆7可以与引导盘挡杆5中的磁体贴合。抵接用挡杆3接触于引导盘挡杆5防止引导盘11转动的同时，由于磁力吸附作用，可以减小引导盘11的振动。相比于单根挡杆的设计，本申请采用抵接用挡杆3和引导盘挡杆7的拼接设计，可以在取得金属磁性吸附使主轴4更稳定效果得同时，提高挡杆的防腐蚀效果。

本申请还可以包括进气管28，通过进气管28向腔体2内提供试验所需的气体和/或液体氛围。进气管28的一部分可以、但不限于为形成于端盖1中的通道。

本申请中载荷的施加步骤可以包括：

上试样固定装置装入主轴4，下试样固定装置装入主轴4，使下试样19和上试样18接触；

其中，在下试样固定装置装入主轴4的过程中，下试样托盘20带动下试样19挤压上试样18。

保持下试样19与上试样18的挤压状态，即弹簧14的压缩量不变，将主轴4装入腔体2中。可以理解，载荷量为弹簧14的弹性系数与弹簧压缩量的乘积。本申请在主轴4装入腔体2后无法改变载荷量。

主轴4在外界驱动下旋转，带动下试样固定装置旋转，上试样固定装置随引导盘11保持静止，即可实现上试样18和下试样19的运动摩擦。

通过更换轴向长度不同的轴承定位块10、定位套筒16，可以改变弹簧14的压缩量，从而得到改变载荷量的目的。通过改变弹簧14的类型(弹性系数等)，可以在弹簧压缩量一定时，改变载荷量。当然，还可以通过改变弹簧的长度(即，使用不同自然状态长度的弹簧)来改变载荷量。

本申请中，上试样18通过上试样固定装置固定在主轴4上，下试样20通过下试样固定装置固定在主轴4上，达到同轴的实验状态。将上、下试样集中于一个主轴上，简化了压力容器结构，改善了倾斜度和同轴度误差，实验结果更准确。通过主轴同时实现传动与加载，载荷传递路径短、摩擦损耗小、载荷更均匀，载荷加载量容易调节和计算。本申请的上试样固定装置、下试样固定装置的体积小、占用空间小，可以应用于高低温、各种压力、介质和气氛环境中。

以上所述是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。