Development of Atmospherecontrolled Tribometer and Failsafe Analysis 翻译.docx
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可控大气摩擦磨损试验机的开发和故障安全分析
段海涛，裴朝晖，吴勇，屠杰松，李佳
1武汉材料保护研究院，武汉，430030，中国
2清华大学摩擦学国家重点实验室，北京，100084，中国
2011年9月14日接收；2012年3月7日修订；2012年4月16日接受
【摘要】：
现有的摩擦磨损试验机的设计主要集中在正常的压力和环境条件下，目的是为了衡量材料性能上负载和速度的效果。
气体压力和环境条件对的材料性能上的影响通常不考虑。
因此，摩擦试验中的数据是不精确的。
本文提出了一种新的大气摩擦磨损试验机是开发研究材料在苛刻环境下的摩擦学行为。
故障安全分析是通过重现性，可比性和灵敏度进行测试的。
摩擦磨损试验机允许块圆盘线接触，销圆盘线接触，和块圆盘面接触配置在可控气氛和气体压力中进行测试。
自定心装置的设计用以解决接触不良的问题。
对磁盘上的引脚进行测试，测试结果表明所提出的设计是有效的。
组合密封式的引进用来控制气体泄漏。
与其他密封方式相比，组合密封是最能满足实验要求的。
可重复性，可比性和灵敏性测试验证了摩擦磨损试验机的性能。
设计的大气摩擦磨损试验机在极端恶劣的条件下能可靠的模拟摩擦磨损试验，提高材料摩擦学性能测试的能力，并确保摩擦学数据的准确性。
【关键词】:
摩擦磨损试验机，大气，聚合物，摩擦性能
1引言
在一些新的先进的航天技术中，一些动作部件和动力系统由于遭受了真空、强辐射、温度变化、超高强氧化性、耐腐蚀、温度漂移和恶劣的环境，这些部分包括空间检测设备，密封设备，和枪状发射管，气体压缩部分等。
恶劣条件下的大气效应对材料的摩擦磨损性能和操作寿命加速机械部件的磨损，并且导致失活。
把材料结构暴露在苛刻的条件下改变它们的特性和磨损机理。
在极其恶劣的条件下材料的摩擦磨损行为不被理解，因为现有的凉风坐垫的限制。
各类环境凉风坐垫已经发展起来。
一种高温控制摩擦计可以在高温，真空，和其他大气条件下测试材料的摩擦磨损性能。
.汽车空调斜板压缩机可以控制的环境压力和温度上限分别达到1.72MPa和120℃。
相应的真空摩擦磨损试验机可以测试滑动氧化锆，氧化铝的摩擦磨损性能和摩擦化学反应的气体压力的影响，真空度在10Pa和10PA之间。
ADAMOU，等人，设计一个新的摩擦磨损试验机来研究在受控环境条件下.摩擦表面的反应性，速率可以从0.05m/s至1.5m/s变化并且所施加的负载范围为5-100N.
在当前文件中，一个控制大气摩擦磨损试验机正在设计，为了研究材料的磨损性能。
在大气控制摩擦磨损试验机中有三个关键技术问题需要考虑：
（1）测试必须在一个密封的容器中产生。
使用时，容器和组件必须具有良好的性能，如过大的电阻损耗和电阻服腐蚀。
移动密封问题也必须得到解决。
（2）摩擦磨损试验机应用的时候，怎样运载装载和移动以及提供的检测信号也是考虑因素。
（3）在严酷的大气条件下可靠的高精度加载系统也是必需的
2摩擦磨损试验机的设计
此文件描述的是一种在严酷的大气条件下摩擦磨损行为研究的科学工具。
控制大气摩擦磨损试验机的主要参数在如表1所示。
参数值
压力p/MPa0.1≤p≤2
标准负载F/N10-100
负载误差ð/%<1.5
主轴速度n/（r•min-1）100-2000
速度误差s／％<3
线速度v/（m•s-1）0.13-5.2
轴的径向跳动h/µm<10
控制大气摩擦磨损试验机采取了水平结构由动态系统，负载系统，中心平面，封闭平面和压力控制系统组成。
基床材料是由经过铸造处理后的灰口铸铁 。
密封腔是房屋结构，材料是不锈钢的，并且有足够的耐腐蚀和耐压迫性。
负载系统与密封腔相互贯通。
图表1所示是控制大气摩擦磨损试验机的整体图的前视图。
图表2所示是试验机的3D图解法。
图表1.摩擦磨损试验机的装配图
图2摩擦磨损试验机的三维图
2.1动力系统
动力系统包括三相异步电动机，变频器，挠性联轴器，和插入主轴。
三相异步电动机的型号是Y2-90S-2，其能量和速度的等级分别是1.5KW和2840转/分。
电动机上按着一个减声器橡胶垫圈。
此电动机的速度是由变频器控制的。
型号为FVR1.5E11S-4JE,可以实现速度的小步伐改变。
动力扭矩和速度传感器安装在轴上用来直观地测量扭矩和速度。
在试验机里转动速度是一个非常重要的参数。
变频器中通过延时补偿操作来减轻转动速度脉动。
然而，三相异步电动机的转动速度脉动一定不能忽略，因为它影响试验机的速度，尤其是低速时。
图表3所示的转轴速度脉动联机测量。
转轴速度的波动在一个确定的范围之内。
在数学统计中参考量化旋转速度脉动样品标量法，等式如下：
其中vi旋转速度，v是平均旋转速度，n总转动速度的值，Sv是离散的样品的偏移特性。
因此，转速误差由如下等式定义：
图3.不同时间段旋转速度之间的联系
动态转矩和速度传感器用于测量变频器，频率在1.4-35Hz，测试时间为5分钟，转动速度和转动速度误差曲线不同如表4所示频率。
2.2内置型重力装载
图5示出的是内置型引力负荷装置的3D图。
整个系统包括滑动衬套，滑动导向杆，限位螺钉，螺丝，对载物台，重物，和夹紧装置。
设备打开后重物放在载物台上，滑套固定在与主轴轴线垂直交叉的中心线上。
滑动导向杆在丝杠上往复运动；因此，重物负载可以通过夹紧装置运用于循环圆盘。
滑套中的一些气孔关闭，负载腔和密封腔相贯穿从而排除负载上气体压力的影响。
此时，在相同的负载下改变样品变得有必要，滑动导向杆用于向上引导，限制丝杠也安装上了。
如果负载需要改变，盖板打开，里面可以添加或者减少重物。
图4.不同频率下的旋转速度和误差之间的关系
图5.内置型重力负载原理图
大块重物材料，载物台，负载腔都是经过聚四氟乙烯涂料喷射过的45#钢，以满足抗腐蚀的要求。
工艺过程是淬火后喷砂，底部喷涂，烤箱烘干，表面喷涂，烧制而成。
滑套由硬化的40Cr和回火钢组成，经过VNS共同渗透后具有足够的耐磨性和耐腐蚀性。
负载腔里的丝杠是高强度的不锈钢。
实际上负载是由AF-100推拉力传感器测量，其精度为0.02%.测量范围是0-100N，超载能力是150%。
负载误差ð由下式给出
图6所示的重力负载具有很好的线性度，其负载误差小于1.5%。
图6.实际负载与不同的理论负载误差之间的关系
2.3接触形式和自动定位装置
块圆盘接触是摩擦运动副接触的唯一方式,如图7所示。
曲面半径为25mm，与圆盘半径相同。
图7.接触副的三维图
为了确保样品表面和圆盘表面的接触是在良好的状态，设计的自动定心装置采用奥氏体不锈钢。
图8（a）显示自动定心装置的三维图。
在升降夹具中V槽角规格为60度，V槽底部圆半径为0.75mm。
在V型凸台角上右滑动导杆底部有6毫米宽的缺口，为54度。
V槽角底部的圆半径R是0.5mm。
局部引脚设置在V形槽的中心。
直径6毫米，公差变化最高为0.01mm，最小的公差变化为0.018mm。
图8（b）所示的物体材料。
图8.自动定心装置
图9显示的动态自动定心装置操作原理图，自动定心装置右上方局部的细节得到了扩大。
在垂直面平行于轴的中心线上销试样是不受限制的。
当圆盘缓慢的跳动时，，销试样浮在垂直面圆盘表面上。
在摩擦力方向上销试样的往返是由局部引脚共同抑制。
因此，自动定位装置中两个运动副表面有良好的接触条件。
图9.自动定心装置的原理
几何分析显示，调整幅度达到最大时的凹槽与凸台对应的表面接触。
销试样最大转向角是3.8o，约400µ米的距离可以调整。
正常负荷的应用是原来的0.9995倍，因此，自动定心装置在正常负荷下的影响可以忽略。
要验证的自动定心装置的效果，需多次进行测试。
通过三维非接触式的表面自动分析的功能来检查表面形态。
图10（a）显示的是测试后销样品2围图像。
图10（b）显示的是测试的块状样品的磨削裂纹。
横向用来测量磨削裂纹的宽度，纵向测量磨削裂纹深度。
图10（c）显示的磨削裂纹的三维形态，图10（d）显示的磨削裂纹的曲线。
这些照片表明，磨削裂纹的宽度6.01mm，这几乎圆盘厚度相同。
磨削裂纹的深度是33.24µM，并且左右对称。
2.4安装动态转矩和转速传感器
应变式动态转矩传感器安装到摩擦磨损试验机的轴上，如图11。
四个张力应变计每一个间隔±45o方向安在传感器轴上，来消除轴向力和弯曲力的干扰。
接收的最大正、负应变输出信号，由一个与转矩成正比的全桥电路组成。
该传感器测量范围为0-10N•m；精度是0.25%F•S。
图10.测试后的块样品表面形态
图11传感器图片
动态扭矩传感器是由梅花形弹性联轴器灵活连接起来的，如图12所示。
当轴在两个半联轴器之间有相对偏移量，在中间的聚氨酯弹性部分产生的弹性变形产生自动补偿功能。
铝合金用来作为降低其转动惯量的材料。
图12.原理图的耦合
三相异步电机，传感器，和加载轴需要安装在一个坚实的平台以避免强烈振动；否则数据将是不稳定的，而且测量不精确。
为了避免在传感器弹性轴产生弯曲力矩，三相异步电动机，传感器和加载轴通过六个轴向方位使轴向距离控制在0.5mm以内。
图13所示为范围的布局。
电动机，传感器和负载轴的两边都有固定的方位，并且通过弹性联轴器每一个都相互关联。
图13.轴承布局的原理图
2.5气体锁定和压力控制系统
2.5.1气体锁定组合
封口是此摩擦磨损试验机中使用的关键技术，垫片型密封很容易实现，但是，可动轴附近的密封非常困难。
当前的工作中，要面对的是加载系统的盖板要密封住每一个地方的气流，这个密封材料是硅胶和O型密封填料环。
根据特殊性活动密封的摩擦磨损试验机特殊性，活动密封有如下几点要求
（1）可动的密封材料必须是耐腐蚀的SO2和H2S等。
在腐蚀的空气中，具有更好的紧凑能力，密封性能在0.2MPa以下。
（2）在100-2000r/min以下摩擦阻力应该小而且稳定，可动密封材料必须具有足够的耐磨性和自补偿性能口碑
（3）摩擦磨损试验机，应该有一个简单的结构，很容易操作并且高度符合成本效益。
以接触式密封里，产生了摩擦加热，因为密封件与轴接触。
相对运动发生时，如果接触表面是粗糙的，与密封件的接触侧就会变得伤痕累累，这会导致磨损这就是最开始气体泄漏的原因。
.因此，联轴器的尺寸的精度，硬度，表面粗糙度和纹理方向必须考虑。
轴的表面与铬酸盐处理，然后精制处理后的密封件相匹配。
表面硬度超过55HRC，表面粗糙度在0.2-0.4微米。
图14所示的齿柱塞型组合密封使用的时一个开放的槽结构，由填充有聚四氟乙烯和具有小的摩擦阻力的O型风格环组成。
密封的齿柱塞摩擦阻力很小，运动的摩擦力近似与间歇摩擦阻力.在低速和低压下下“爬行''现象可以消除。
最大旋转速度为6.0米/秒，在主轴和随机存取存储器之间拟合。
最大的密封压力接近70MPa.这个组合密封具有更好的耐磨性，磨损后的自补偿性能，并在自润滑性能下能够实现无润滑密封。
图14.组合密封图
图15和图16所示为室内压力随时间在静态和动态条件下，固定合并后和其他密封样式的联系。
图15.静态条件下箱体压力与时间之间的关系
初始情况下的压力是0.1MPa，图表显示了在静态条件下，当使用单唇丁腈橡胶密封油时，10分钟后，气体会泄漏出来。
在200转/分以下12秒之内压力就会从0.1MPa减少至0.095MPa。
140秒以后，随着压强下降到0.095MPa在200转/分以下的密封效果和在500转/分钟的效果相同。
若使用齿柱塞型组合密封，25分钟后压强降到0.095MPa。
静态条件下密封降到0.09MPa需要花费45分钟。
甚至在500转/分钟16风中之内就会降到0.095MPa，而且在22分钟后达到0.09MPa。
因此，齿柱型联合密封适用于摩擦磨损试验机。
图16.动态条件下箱体压力与时间之间的关系
2.5.2压力控制
进气口和通风口位于密封件中，其中还有设置一个压力计，空气开关控制压力大小，试验之前通风口打开，允许高压气体进入箱体内给里面提供空气。
试验之后有氮气和氧气阻止腐蚀气体进入。
继续向里填充气体直至压力恒定为0.2MPa为止。
3摩擦磨损试验机可靠性评估
摩擦学性能主要依赖于摩擦系统。
摩擦学数据要求的摩擦磨损试验机的可靠性，最小误差，以及测试数据的重现性，相似性和敏感性。
参考摩擦学行为在相同的条件下在多次测试期间进行重复的程度。
可比性是指从多个在不同条件下具有不同的反射的实验产生的不同的结果。
敏感性指摩擦磨损试验在较低测试参数下的摩擦磨损行为。
3.1可再生能力
在摩擦磨损试验机气体介质的引导下摩擦系数反复测试。
运动副的材料也是不同的，图17所示为三种运动副的平滑曲线的摩擦系数之间的关系。
曲线1和2是所在条件相同，大气压为0.1MPa，标准负载为20N，旋转速度为500转/分，滑动10分钟，湿度为20%—30%。
图17.三对运动副的摩擦系数与滑动距离之间关系
图表显示出曲线在小范围内每种条件下摩擦系数的不同。
曲线1和曲线2接近一致，尤其是在最后的测试中，因此，反复试验表明，测试数据有较好的重现性，从而满足测试需要。
三组GCr15圆盘/45#钢已经在大气环境下的摩擦磨损试验机上进行磨损试验。
标准的负载是12N，旋转速度为600转/分，滑动10分钟，.湿润度20％一30％。
在相同条件下经过测试后的三个样品的表面形态如图18。
从2D形态观察的宏观形态是一致的，并在三维形态的磨削裂纹是有规律的。
在纵剖面的磨削裂纹轮廓上定期的双边对称是明显的。
深度分别是31.5,31和33克，因此，摩擦磨损试验机在磨损后有较高的可再生性，并且相对误差在4%以下。
关于UHMWPE/1Cr18Ni9Ti在含有氧气，二氧化硫和氩气的大气下的摩擦系数曲线如图19和图20所示，大气压为0.1MPa，标准负载为20N，旋转速度为500转/分，滑动10分钟。
在不同的测试参数下相同的运动副显示的曲线不同。
磨削裂纹的宽度分别是0.475mm，0.500mm，和0.450mm；丢失的体积分别是0.0134mm3,0.0156mm3，和0.0114mm3，并且磨损也不同。
图18.相同条件下三种样品在测试后的表面形态
图19.三对运动副的摩擦系数与在H2条件下滑动距离之间关系
图20.在不同气体下1Cr18Ni9Ti环磁盘对UHMWPE销的摩擦系数之间的关系
3.2灵敏度
图21所示的摩擦系数曲线为三对PTFE／1Cr18Ni9Ti和UHMWPE/1Cr18Ni9Ti的滑动距离。
大气压为30%的H2O2，标准负载20N，旋转速度是200转/分，滑动1.25秒。
摩擦系数在开始测试阶段波动比较猛烈。
这种现象与粗糙的表面是吻合的,这表明摩擦磨损试验机有较好的动态反应速度和较高的灵敏度。
因此，能够满足测试需求。
图21.1Cr18Ni9Ti环磁盘对5#的摩擦系数之间的关系（30%H2O2和200r/min）
4结论
分析控制大气摩擦磨损试验机的设计对于研究材料在恶劣的条件下的摩擦学性能是很重要的。
通过测试获得数据的可重复性，可比性和灵敏度进行了验证，其性能时可靠的。
在摩擦磨损试验机的发展中，一些关键技术得到解决，如耐腐蚀性，密封，信号的传输，加载等等。
主功能和性能参数如下：
（1）可以腐蚀性气体和液体中压力为0.2MPa下进行摩擦实验。
（2）内部重力负载的误差小于1.5％。
最大的标准负载是100N和最小的标准负载是10N。
（3）可调的旋转速度有传感器控制，最大旋转速度为2000转/分，转速的误差小于3％。
线速度范围是0.13-5.2米/秒。
（4）摩擦系数可以通过在线实时测量系统获得。
（5）运动副接触形式包括反抗环形块（平面）光盘，引脚对盘片环，和块（弧）对环盘。
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