[发明专利]一种模拟低温流体润滑工况的回转式摩擦学测试仪及测试方法

说明书

本发明提供了一种模拟低温流体润滑工况的回转式摩擦学测试仪，包括：可回转的下试样，垂吊于注满低温流体介质的低温冷却容腔中；上试样，装夹在加载杆底端，与下试样的接触部位浸没于低温流体介质中；加载机构，以重力作为加载力，经加载杆传递至上试样，直接施加于接触部位；还包括位于常温区域的摩擦力测量机构，摩擦力测量传感器的检测端与平衡梁相连，平衡梁与加载杆呈T字型布设，摩擦力经加载杆、平衡梁传递至摩擦力测量传感器；以及包括直线位移机构，用于对上试样距下试样中心的间距的调节。本发明为支持液体运载火箭涡轮泵、低温流体机械中轴承等关键运动部件的摩擦学性能研究而提出，解决了超低温流体润滑工况下摩擦学数据采集的难题。

技术领域

本发明涉及摩擦学领域的测试仪器与测试方法，更具体地说是一种模拟低温流体润滑工况的回转式摩擦学测试仪及测试方法。

背景技术

根据统计，摩擦行为消耗掉了全球约1/3的一次性能源，且大约80％的机器部件失效可以归咎于运动界面的磨损。由于摩擦磨损所造成的巨大经济损失，摩擦学在学术界和工程界都是一个长期备受关注的学科。然而，极端工况特别是超低温环境下摩擦行为的测试依然是一个巨大的挑战：低温下环境中的水蒸气会在测试界面上凝结成冰，影响测量可靠性及准确性。低温摩擦学被认为是空间技术的基石，是包括液体火箭涡轮泵许多高端装备的共性问题。材料低温摩擦磨损特性因物理环境变化与常温测试结果相比有显著差异。开展低温摩擦学测试是为了对摩擦磨损现象进行研究，准确评价各种因素对摩擦系数、磨损率的影响，从而为低温工况下摩擦副的选用提供依据。以液体火箭涡轮泵轴承为例，其在工作时浸泡在低温流体环境中，最低温度可到-190℃以下。由于通过点接触形式传递载荷，在高速运转下会存在明显的摩擦磨损现象。然而目前并没有合适的摩擦学测试仪用于测量涡轮泵轴承或其材料的摩擦系数，严重制约了高速、可重复使用液体火箭涡轮泵的研发。

在已有的常温回转式摩擦学测试仪中，载荷力及摩擦力的测量多通过直接在试验接触部位安装力传感器直接实现，测试可靠且精度较高。然而，普通测力传感器难以在超低温流体润滑条件下正常工作。此外，超低温流体相比于常温回转式摩擦学测试仪所采用的油润滑介质，粘度极低，导致回转轴系的密封极其困难。上述两个方面的问题使得常温回转式摩擦学测试技术直接移植到低温流体润滑工况，限制了相关摩擦学的研究。现有的低温摩擦学测试仪多为真空低温形式，专门面向太空低温环境。研发面向低温流体润滑环境的回转式摩擦学测试仪对开展火箭涡轮泵轴承摩擦磨损特性的研究具有重要意义。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。为此，本发明为支持液体运载火箭涡轮泵、低温流体机械中轴承等关键运动部件的摩擦学性能研究，提出一种模拟低温流体润滑工况的回转式摩擦学测试仪及测试方法，解决了超低温流体润滑工况下摩擦学数据采集的难题，测试仪的加载力、速度可调，能够满足不同pv值(压力×速度)下的摩擦系数测量需求。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种模拟低温流体润滑工况的回转式摩擦学测试仪，包括：

下试样，垂吊于注满低温流体介质的低温冷却容腔中，测试时能够由驱动装置驱动绕中轴线回转；

上试样，可拆卸地装夹在加载机构的底端，测试时朝下伸入低温冷却容腔中、下端面与下试样的上端面保持接触，接触部位浸没于低温流体介质中；

所述加载机构的主体为竖立于上试样正上方、始终抵触于上试样顶端中部、竖向可位移的加载杆，所述加载杆上能够承放若干质量块，各质量块的重力叠加作为加载力，所述加载力经加载杆传递至上试样，直接施加于上试样与下试样的接触面间；