低溫磨損模擬試驗機設計

申 鵬 曹會瓊 喬玉莉

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

目前中國的速凍設備主要分為六大類：螺旋式、直接凍結式、隧道式、接觸式、流化床式、鼓風式；國外還研發(fā)設計了液氮速凍設備[1-4]。這些速凍設備需要在低溫環(huán)境下長期工作。在速凍過程中這些低溫設備的磨損問題較為突出。部分學者設計了低溫磨損試驗機來研究此問題，其中：路東輝等[5]研制了一種在低溫工況下壓擺磨損試驗機，主要針對特種襯墊材料,其最低溫度可達-190 ℃；王長生等[6]研制了真空高低溫球盤式摩擦磨損試驗機，主要針對新材料進行盤式磨損試驗；Subramonia等[7]研制了一臺低溫高速摩擦學試驗機，主要應用于金屬材料。

縱觀低溫磨損試驗機發(fā)展現(xiàn)狀可見，目前速凍運行過程中的低溫磨損問題研究較少，由于低溫工況下磨損現(xiàn)象非常復雜，影響因素眾多，需要研究不同運動形式下的摩擦學問題。為此設計了一款低溫磨損模擬試驗機，以期為減少速凍過程中的機械磨損提供技術支撐。

1 試驗機簡介

本試驗機可以對各種金屬材料，在滾動狀態(tài)下進行耐磨性能試驗，并可模擬不同工況(干態(tài)、水介質、油介質等)下的試驗。本試驗機帶有測量裝置，可實時檢測摩擦系數(shù)和磨擦功，在制冷裝置開啟的情況下，可在低溫環(huán)境下進行試驗并檢測。圖1為低溫磨損模擬試驗機直觀圖。

2 主要技術參數(shù)

低溫磨損模擬試驗機主要技術參數(shù)見表1。

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

參數(shù)名稱單位主要技術參數(shù)參數(shù)名稱單位主要技術參數(shù)試驗機外形尺寸mm970×660×1 100滾動試驗臺重量kg500冷凍機外型尺寸mm800×600×720冷凍機重量kg300試樣Ⅰ轉速r/min100～400冷氣流壓力Pa800試樣Ⅱ轉速r/min100～400冷氣發(fā)生量m3/min3～6 最大負荷N1 000冷氣發(fā)生溫度℃-60～0負荷范圍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 試驗機主要組成部分

低溫磨損模擬試驗機由滾動試驗臺、電控裝置、冷卻系統(tǒng)、計算機測控系統(tǒng)四大部分組成。

3.1 滾動試驗臺

滾動試驗臺結構示意圖見圖2。

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

圖2 滾動試驗臺示意圖

Figure 2 Schematic diagram of rolling testing facilities

電動機Ⅰ通過皮帶Ⅰ帶動齒輪Ⅲ轉動，齒輪Ⅲ帶動齒輪Ⅱ、主動軸轉動，繼而帶動齒輪Ⅳ、內(nèi)齒輪轉動，最終帶動試樣Ⅰ轉動；電動機Ⅱ帶動皮帶Ⅱ轉動，在皮帶Ⅱ和球形自動調(diào)節(jié)軸承傳動軸作用下，傳動軸帶動試件Ⅱ轉動；試樣Ⅰ和試樣Ⅱ的橫向中心線應重合。

速度傳感器Ⅰ可測得試樣Ⅰ的轉速；壓力傳感器Ⅱ和速度傳感器Ⅱ可測得試樣Ⅱ的轉速和壓力，并實時顯示到測控電腦上。通過電機控制可調(diào)節(jié)電機Ⅱ的轉速，以此來調(diào)節(jié)試樣Ⅱ的轉速，通過試樣Ⅰ和試樣Ⅱ之間的速度差，可計算出二者之間的滑動率。

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測量。試驗時，由于摩擦力的作用擺架會離開鉛垂位置仰起一角度，通過線位移傳感器可測得摩擦力矩。

為了防止試驗時試樣Ⅰ和試樣Ⅱ松動，將試樣Ⅰ的螺紋設計為左旋，試樣Ⅱ的螺紋設計為右旋。

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)構成，見圖3。

1. 低溫環(huán)境室 2. 排氣管 3. 溫度傳感器 4. 輸送風機 5. 泄壓閥 6. 電控箱 7. 液氮進液控制器 8. 輸液管 9. 自增壓液氮罐 10. 液氮蒸發(fā)器 11. 混氣室 12. 離心風機 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，通過輸液管、液氮進液控制器進入混氣室，低溫氮氣的溫度是在混氣室內(nèi)通過控制氮氣蒸發(fā)量與氮氣回氣混合比例來控制排出氮氣的溫度，混合好溫度的氮氣再通過輸氣風機輸送到低溫環(huán)境室。回氣是通過離心風機抽回至混氣室內(nèi)，部分回氣同新蒸發(fā)氮氣混氣，通過泄壓閥將多余的氮氣排放到室外。

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

3.3 計算機測控系統(tǒng)

圖4為控制測量界面圖，圖5為系統(tǒng)分析報告界面圖。

測控原理是由線性位移傳感器檢測出摩擦力矩信號，拉力傳感器檢測到的彈簧加載信號和光電傳感器檢測到的轉速和轉數(shù)信號經(jīng)信號調(diào)理電路對信號進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轉換為計算機所需的數(shù)字信號，計算機按照設計程序將采集到的信號經(jīng)計算處理后分別以數(shù)字形式或波形圖形式顯示相關的測量結果。

圖4 控制測量界面圖Figure 4 Interface diagram of control measurement

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

測控系統(tǒng)的主要功能有：

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

(2) 顯示測量時間，試驗轉數(shù)，試樣Ⅰ/試樣Ⅱ轉速。

(3) 提供定時停試驗機，定轉數(shù)停試驗機。

(4) 提供壓力載荷和磨擦力矩的標定功能。

4 結語

低溫磨損模擬試驗機具有一定的先進性。可有效模擬低溫環(huán)境下的金屬滾動磨損試驗。使用該試驗機應注意以下幾點：① 使用過程中低溫環(huán)境室的倉門必須關嚴，使低溫環(huán)境室保持密閉；② 使用完畢后應及時關閉低溫環(huán)境室的倉門，防止低溫環(huán)境室內(nèi)結霜；③ 要定期清除低溫環(huán)境室內(nèi)積水。