一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机的制作方法

1.本发明属于摩擦磨损测试和核电材料应用技术领域，具体涉及一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机。


背景技术：

2.压水堆内中子控制棒的上下移动，可以根据发电计划科学准确地控制中子发射率，进而控制发电功率根据用电波峰波谷进行调整。但堆内服役环境苛刻（高温约350℃、高压约15~18mpa、高放射性、硼酸锂液体等等），控制棒的服役时间久（约40年），控制棒上下移动，是通过驱动组件来实现，由耐磨减磨的轴瓦材料进行配合。规定要求控制棒的轴瓦在长寿期内的对磨下，磨损量极小。这对轴-瓦体系的表面摩擦磨损和减磨耐磨性能提出了极高的要求，在堆外模拟堆内环境快速测试表面处理后的实际尺寸工件对开发轴-瓦材料体系具有至关重要的意义。
3.但现行的摩擦磨损测试设备，其测试多为单一功能，且对样品的形状、尺寸和大小都有严格的要求。销盘式、往复式、环块式等磨损方式都是基于平面样品的局部测试而设计的传统磨损测试方法，无法实现对该部件在各种溶液下、温度、速度、压力的变动和设定。对于大口径的服役金属管件和对应的轴瓦材料，需要设计针对性的测试装置。可以模拟除了堆内辐照外的所有条件：高温水环境（80~95℃）、常温空气环境、高温空气（或其他气氛）环境，甚至模拟偏磨的环境。
4.因此，需要一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机。该试验机通过设置轴试样并连接往复运动机构，在轴试样外部设置多个瓦试样，使轴试样在多个瓦试样的包裹下进行往复运动，实现轴-瓦摩擦磨损试验，通过将瓦试样连接有加载机构，对瓦试样进行加载，模拟受力条件下的磨损，通过设置加热机构和在轴试样中安装有加热棒，实现多种功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验，满足核反应堆内中子控制棒的耐磨性能的堆外测试需求。
6.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机，其特征在于，包括轴试样和与轴试样外部接触的多个瓦试样，每个所述瓦试样均连接有加载机构和摩擦测力机构，所述轴试样连接有往复运动机构，所述轴试样和瓦试样均放置在加热机构中。
7.上述的一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机，其特征在于，所述瓦试样的数量为2个~8个。
8.上述的一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机，其特征在于，所述加载机构包括固定在瓦试样上的加载杆，所述加载杆连接有载荷组件，所述载荷组件为绕支点进行圆周转动的z形杠杆，所述杠杆上挂有砝码，或者所述载荷组件为扭矩机械，所述加载杆
上设置有载荷传感器，所述载荷组件对瓦试样施加的载荷为20n~150n。
9.上述的一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机，其特征在于，所述摩擦测力机构包括套装在加载杆上的直线轴承，所述直线轴承连接有摩擦力传感器。
10.上述的一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机，其特征在于，所述往复运动机构包括使轴试样立式进行匀速或变速往复运动的电机，所述轴试样的往复运动速度为2mm/s~20mm/s，行程为5mm~600mm。
11.上述的一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机，其特征在于，所述轴试样中安装有加热棒并注满加热油。
12.上述的一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机，其特征在于，所述加热机构为带有加热器的容器。
13.本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明通过设置轴试样并连接往复运动机构，在轴试样外部设置多个瓦试样，使轴试样在多个瓦试样的包裹下进行往复运动，实现轴-瓦摩擦磨损试验，通过将瓦试样连接有加载机构，对瓦试样进行加载，模拟受力条件下的磨损，通过设置加热机构和在轴试样中安装有加热棒，实现多种功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验，满足核反应堆内中子控制棒的耐磨性能的堆外测试需求。
14.2、本发明模块化的增加或减少磨损瓦数和对应的载荷摩擦传感器等，可以测试多种结构的轴-瓦组合，针对性对实际轴-瓦组合的堆内服役关键耐磨减磨构件进行模拟工况的台架试验，另外可以设置偏磨模式，研究更加接近工况时最严重的偏磨现象。
15.3、本发明通过设置加热机构和在轴试样中安装有加热棒，并控制加热的参数，与往复运动机构进行变速往复运动配合，实现典型样件在变温下和变速下的滑移距离-磨损量-摩擦系数曲线。
16.下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。
附图说明
17.图1是本发明多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机的结构示意图。
18.图2是本发明多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机顶部的结构示意图。
19.附图标记说明：1—轴试样；2—瓦试样；3—加载杆；4—支点；5—z形杠杆；6—砝码；7—直线轴承；8—摩擦力传感器；9—电机；10—加热棒；11—容器。
具体实施方式
20.实施例1如图1和图2所示，本实施例的一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机包括轴试样1和与轴试样1外部接触的多个瓦试样2，每个所述瓦试样2均连接有加载机构和摩擦测力机构，所述轴试样1连接有往复运动机构，所述轴试样1和瓦试样2均放置在加热机构中。
21.需要说明的是，通过设置轴试样1并连接往复运动机构，在轴试样1外部设置多个瓦试样2，使轴试样1在多个瓦试样2的包裹下进行往复运动，实现轴-瓦摩擦磨损试验，通过
将瓦试样2连接有加载机构，对瓦试样2进行加载，模拟受力条件下的磨损，通过设置加热机构实现多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验，通过上述装置配合总体实现多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验，满足核反应堆内中子控制棒的耐磨性能的堆外测试需求。
22.需要说明的是，轴试样1为两端封焊的不锈钢导管。
23.需要说明的是，针对核反应堆内中子控制棒的耐磨性能的堆外测试需求，本实施例在一台试验机上实现多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验，具体包括：一、加热机构不进行加热，实现大气常温下的往复磨损；二、加热机构采用常温水浴或加热水浴，实现常温水环境或高温水环境下的往复磨损；三、使轴试样1中的加热棒10进行油浴加热，实现高温空气环境的往复磨损；四、匀速或变速地控制轴试样1的运动速度或频率，实现不同速度下的往复磨损，且配合上述的不同温度条件实现多温度匀速、变速往复磨损；五、同一个环境下，逐渐变温，获得典型样件在不同温度下的滑移距离-磨损量-摩擦系数曲线；六、可调可控地对各轴瓦施加均匀载荷，并控制介质和温度，模拟理想工况；七、可调可控地对不同位点轴瓦施加不均匀载荷，并控制介质和温度，模拟偏磨的工况。
24.需要说明的是，摩擦测力机构、往复运动机构、加热机构、载荷传感器和加热棒10均通过计算机进行控制，并在计算机上设置有数据采集系统，用于计算出摩擦系数，以曲线的形式显示在屏幕上。
25.本实施例中，瓦试样2的数量为2个~8个。通过控制瓦试样2的数量一次进行多组瓦试样2的测试，提高测试效率。
26.本实施例中，加载机构包括固定在瓦试样2上的加载杆3，所述加载杆3连接有载荷组件，所述载荷组件为绕支点4进行圆周转动的z形杠杆5，所述杠杆上挂有砝码6，或者所述载荷组件为扭矩机械，所述加载杆3上设置有载荷传感器，所述载荷组件对瓦试样2施加的载荷为20n~150n。通过在瓦试样2上固定设置加载杆3，便于载荷组件向瓦试样2施加不同载荷，模拟轴瓦在堆内驱动构件中受力的工况，载荷组件为两种形式，一种是绕支点4进行圆周转动的z形杠杆5，采用杠杆原理，将砝码6的重力传递至加载杆3形成载荷，为了减少钩挂砝码6的重量，该结构可选用省力杠杆，并且通过调整砝码6的位置即可调整载荷的大小，另一种是直接采用扭矩机械对加载杆3施加载荷；另外加载杆3上设置有载荷传感器，用于检测载荷组件施加的载荷的真实值，实现载荷大小的可调可控。
27.需要说明的是，加载杆3与载荷组件接触一端为圆盘状，便于承接载荷组件施加的载荷。
28.如图1和图2所示，本实施例中，摩擦测力机构包括套装在加载杆3上的直线轴承7，所述直线轴承7连接有摩擦力传感器8。通过摩擦力传感器8测量摩擦过程中摩擦力，摩擦力传感器8与直线轴承7连接，加载杆3穿过直线轴承7，并于瓦试样2刚性连接，轴试样1做往复运动时，轴试样1和瓦试样2间产生摩擦力，该力通过加载杆3和直线轴承7传递到摩擦力传感器8上，可在不影响加载的情况下可进行摩擦力的测量，摩擦力传感器8，量程20n~150n可选，灵敏度为0.1n~0.5n，采集往复运动中多组摩擦力的动态数据。
29.如图1和图2所示，本实施例中，往复运动机构包括使轴试样1立式进行匀速或变速往复运动的电机9，所述轴试样1的往复运动速度为2mm/s~20mm/s，行程为5mm~600mm。该机构主要用来带动轴试样1进行往复运动，主要是对立式的被测导管进行上下往复的匀速驱动，与瓦试样2进行往复摩擦，可采用直线伺服电机9带动，也可选用曲柄连杆结构，将旋转
运动转为往复运动，该机构往复频率、行程在一定范围内调节。
30.本实施例中，轴试样1中安装有加热棒10并注满加热油。通过设置加热棒10和加热油对轴试样1进行油浴加热，实现高温空气环境下进行往复摩擦磨损试验，同时将对容器11内增加隔热保温棉，减少温度波动，在实际使用中，还可以将加热棒10直接与轴试样1接触，直接对轴试样1进行加热。
31.本实施例中，加热机构为带有加热器的容器11。带有加热器的容器11可以为水浴锅或油浴锅，水浴加热，可在水环境下进行往复摩擦磨损试验，还可设置多端程序变温加热，并记录加热曲线。
32.如图1和图2所示，实际使用时，在轴试样1外部设置六个瓦试样2，并对应设计六组加载机构和摩擦测力机构，用以下方式分别进行测试：一、加热机构不进行加热，实现大气常温下的往复磨损；二、加热机构采用常温水浴或加热水浴，实现常温水环境或高温水环境下的往复磨损；三、使轴试样1中的加热棒10进行油浴加热，实现高温空气环境的往复磨损；四、匀速或变速地控制轴试样1的运动速度或频率，实现不同速度下的往复磨损，且配合上述的不同温度条件实现多温度匀速、变速往复磨损；五、同一个环境下，逐渐变温，获得典型样件在不同温度下的滑移距离-磨损量-摩擦系数曲线；六、可调可控地对各轴瓦施加均匀载荷，并控制介质和温度，模拟理想工况；七、可调可控地对不同位点轴瓦施加不均匀载荷，并控制介质和温度，模拟偏磨的工况，实现多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损，得到耦合场轴-瓦摩擦磨损结果，满足核反应堆内中子控制棒的耐磨性能的堆外测试需求。
33.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

技术特征：
1.一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机，其特征在于，包括轴试样（1）和与轴试样（1）外部接触的多个瓦试样（2），每个所述瓦试样（2）均连接有加载机构和摩擦测力机构，所述轴试样（1）连接有往复运动机构，所述轴试样（1）和瓦试样（2）均放置在加热机构中。2.根据权利要求1所述的一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机，其特征在于，所述瓦试样（2）的数量为2个~8个。3.根据权利要求1所述的一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机，其特征在于，所述加载机构包括固定在瓦试样（2）上的加载杆（3），所述加载杆（3）连接有载荷组件，所述载荷组件为绕支点（4）进行圆周转动的z形杠杆（5），所述杠杆上挂有砝码（6），或者所述载荷组件为扭矩机械，所述加载杆（3）上设置有载荷传感器，所述载荷组件对瓦试样（2）施加的载荷为20n~150n。4.根据权利要求3所述的一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机，其特征在于，所述摩擦测力机构包括套装在加载杆（3）上的直线轴承（7），所述直线轴承（7）连接有摩擦力传感器（8）。5.根据权利要求1所述的一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机，其特征在于，所述往复运动机构包括使轴试样（1）立式进行匀速或变速往复运动的电机（9），所述轴试样（1）的往复运动速度为2mm/s~20mm/s，行程为5mm~600mm。6.根据权利要求1所述的一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机，其特征在于，所述轴试样（1）中安装有加热棒（10）并注满加热油。7.根据权利要求1所述的一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机，其特征在于，所述加热机构为带有加热器的容器（11）。

技术总结
本发明公开了一种多功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验机，包括轴试样和与轴试样外部接触的多个瓦试样，每个瓦试样均连接有加载机构和摩擦测力机构，轴试样连接有往复运动机构，轴试样和瓦试样均放置在加热机构中。本发明通过设置轴试样并连接往复运动机构，在轴试样外部设置多个瓦试样，使轴试样在多个瓦试样的包裹下进行往复运动，实现轴-瓦摩擦磨损试验，通过将瓦试样连接有加载机构，对瓦试样进行加载，模拟受力条件下的磨损，通过设置加热机构和在轴试样中安装有加热棒，实现多种功能多介质耦合场轴-瓦摩擦磨损试验，满足核反应堆内中子控制棒的耐磨性能的堆外测试需求。堆内中子控制棒的耐磨性能的堆外测试需求。堆内中子控制棒的耐磨性能的堆外测试需求。


技术研发人员：胡小刚 邱龙时 高志文 江海霞 刘刚
受保护的技术使用者：西安稀有金属材料研究院有限公司
技术研发日：2023.07.31
技术公布日：2023/10/5