技术领域
本申请涉及材料摩擦磨损领域，尤其涉及一种摩擦磨损装置及摩擦磨损装置的载荷测量方法。
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，优势不如使用常用的单轴压力容器。
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：
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.
参考文献2：VERICHEV S N,MISHAKIN V V,NUZHDIN D A,et al.Experimentalstudy of abrasive wear of structural materials under the high hydrostaticpressure[J].Ocean Engineering,2015,99:9-13.
参考文献3：RATIA V L,ZHANG D,CARRINGTON M J,et al.The effect oftemperature on sliding wear of self-mated HIPed Stellite 6in a simulated PWRwater environment[J].Wear,2019,420-421:215-225.
普通的压力容器一般由端盖、腔体等组成，结构简单，价格便宜，适合实验室科研使用。但压力容器一般内部空间狭小，结构密闭，难以容纳和安装普通的摩擦磨损装置，也无法观察和测量内部结构的相对位置。
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，本申请提供了一种摩擦磨损装置及摩擦磨损装置的载荷测量方法。
本申请提供的摩擦磨损装置用于上试样和下试样之间的摩擦磨损试验，所述摩擦磨损装置包括：
压力容器，所述压力容器包括端盖、腔体和主轴，所述端盖能够抵接于所述腔体，所述主轴的一部分伸入所述腔体，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固定器和固定构件，所述固定器固定于所述腔体的内壁，所述固定构件能够将所述下试样固定于所述固定器；
上试样固定装置，所述上试样固定装置包括引导盘、定位轴，所述引导盘安装于所述主轴，所述定位轴穿过所述引导盘，所述定位轴用于固定所述上试样；
加载装置，所述加载装置包括弹簧，所述弹簧抵接于所述引导盘和所述定位轴，所述弹簧用于朝向所述下试样对所述上试样施压。
在至少一个实施方式中，所述引导盘具有供所述定位轴穿过的孔，所述定位轴与所述引导盘的所述孔间隙配合。
在至少一个实施方式中，所述主轴的伸入所述腔体的部分具有外螺纹和引导盘定位用主轴台阶结构，
所述上试样固定装置包括定位螺母，所述定位螺母安装于主轴上，所述引导盘安装于所述定位螺母和所述引导盘定位用主轴台阶结构之间。
在至少一个实施方式中，所述引导盘包括上引导盘和下引导盘，所述上试样固定装置包括定位套筒，所述定位套筒设置于所述上引导盘和所述下引导盘之间。
在至少一个实施方式中，所述定位轴包括非圆形的截面，
所述上引导盘和所述下引导盘具有供所述定位轴穿过的孔，所述上引导盘的所述孔和/或所述下引导盘的所述孔的截面为与所述定位轴的非圆形的截面适配的非圆形。
在至少一个实施方式中，所述上试样固定装置包括具有凸缘部的上试样夹具，所述上试样夹具用于固定所述上试样，在所述弹簧受到挤压时，所述弹簧的一端抵接于所述上试样夹具的凸缘部，所述弹簧的另一端抵接于所述下引导盘的底面。
本申请提供的摩擦磨损装置的载荷测量方法中所述的摩擦磨损装置为前述的摩擦磨损装置，
所述摩擦磨损装置的载荷测量方法包括：
将所述定位轴安装于所述引导盘，使得在无外力作用的情况下，所述定位轴相对于所述引导盘固定，在外力作用下，所述定位轴能相对于所述引导盘轴向移动；
使所述主轴沿轴向朝向所述腔体的内部伸入，直至所述端盖安装于所述腔体，其间，所述定位轴因与所述下试样抵接而相对于所述引导盘滑动；以及
测量所述引导盘与所述定位轴的最低点间的距离X。
在至少一个实施方式中，使用磁铁使所述定位轴附着于所述引导盘，所述上试样安装于所述定位轴，
所述距离X为所述引导盘的用于与所述弹簧抵接的部位与所述上试样的最低点间的轴向距离。
在至少一个实施方式中，所述摩擦磨损装置的载荷测量方法还包括：
获得所述弹簧的自然状态下的长度S1；
获得所述下试样固定装置的用于与所述弹簧的下端抵接的部位到所述上试样的最低点的距离Y；以及
使用公式S2＝X-Y求得所述弹簧的压缩后长度S2，使用公式S3＝S1-S2求得所述弹簧的压缩量。
在至少一个实施方式中，所述摩擦磨损装置的载荷测量方法还包括：
通过所述弹簧的压缩量S3和所述弹簧的弹性系统求得所述弹簧对所述下试样施加的载荷。
本申请提供的摩擦磨损装置结构简单，采用弹簧作为加载装置，载荷范围大，载荷传递路径短且载荷范围容易调节、能精确加载。本申请提出的载荷测量方法通过限制加载前后定位轴和引导盘的相对运动，使得在无外力作用的情况下，定位轴相对于引导盘固定，在外力作用下，定位轴能相对于引导盘轴向移动，等效模拟出弹簧的压缩状态。并通过测量加载后引导盘与定位轴的最低点间的距离X，可以进一步得出弹簧的压缩量，进而可以得出施加的载荷量，测量步骤简单，结果准确。
附图说明
图1示出了根据本申请实施方式的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摩擦磨损装置的固定器的俯视图。
图4示出了根据本申请实施方式的测量载荷时摩擦磨损装置的局部示意图。
图5a、5b、5c、5d示出了根据本申请实施方式的摩擦磨损装置的载荷测量步骤示意图。
附图标记说明
1端盖；2腔体；3主轴；4上引导盘；5定位轴；6定位套筒；7下引导盘；8弹簧；9上试样第一夹具；10上试样第二夹具；11上试样；12下试样；13定位螺母；14端盖抵接用主轴台阶结构；15引导盘定位用主轴台阶结构；16固定器；17压板；18磁铁；19钢球；20大径部。
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。
本申请提供了一种摩擦磨损装置及摩擦磨损装置的载荷测量方法。如图1、2所示，本申请主要用于上试样11和下试样12之间的摩擦磨损试验。
摩擦磨损装置可以包括压力容器、上试样固定装置、下试样固定装置、加载机构。
压力容器可以包括端盖1、腔体2和主轴3。
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的抵接处包括锥面，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3的一部分可以伸入腔体2中，主轴3的另一部分可以穿过端盖1暴露于端盖1的顶面。进一步地，主轴3可以具有端盖抵接用主轴台阶结构14和引导盘定位用主轴台阶结构15。端盖抵接用主轴台阶结构14可以抵接于端盖1，使得外部设备或操作人员提起主轴3时可以同时提起端盖1。主轴3的伸入腔体2的部分可以具有外螺纹，并通过定位螺母13(后面介绍)固定上试样固定装置的位置。
上试样固定装置可以包括上引导盘4、定位轴5、定位套筒6、下引导盘7、上试样夹具(例如上试样第一夹具9、上试样第二夹具10)和定位螺母13。
上引导盘4、定位套筒6、下引导盘7、定位螺母13可以依次由上至下安装于主轴3，并且上引导盘4抵接于引导盘定位用主轴台阶结构15，定位套筒6抵接于上引导盘4、下引导盘7抵接于定位套筒6、定位螺母13抵接于下引导盘7。通过拧紧定位螺母13，可以将上试样固定装置固定在主轴3上。
在本申请的一个实施方式中，主轴3穿过上引导盘4和下引导盘7的中心孔，定位轴5穿过上引导盘4和下引导盘7的偏心孔。可以理解，本申请不限制主轴3和定位轴5穿过上引导盘4与下引导盘7的具体位置。
定位轴5的至少部分区域的横截面可以为非圆形，例如矩形。上引导盘4和/或下引导盘7的被定位轴5穿过的孔的截面可以为非圆形，例如矩形。通过定位轴5与上引导盘4和/或下引导盘7的具有非圆形截面的孔匹配，可以避免定位轴5绕自身轴线旋转，实现定位轴5相对于主轴3做单自由度运动(轴向运动)。使实验结果更稳定。
定位轴5的下端可以固定连接上试样第一夹具9和上试样第二夹具10，并通过上试样第一夹具9和上试样第二夹具10将上试样11固定于定位轴5上。可以理解，定位轴5和上引导盘4、下引导盘7之间可以为间隙配合。
下试样固定装置可以包括固定器16和固定构件。
固定器16可以固定于腔体2的内壁上，下试样12可以放置于固定器16的顶面，并通过固定构件(例如固定于固定器16的压板17)将下试样12固定在固定器16上。进一步地，固定器16可以包括上下夹板和锥环，通过上下夹板沿径向挤压锥环形成固定器16与腔体2的内壁的过盈配合。固定构件的具体种类不限制，例如可以是胶粘、卡扣、螺栓等。
加载机构包括弹簧8。弹簧8设置于定位轴5的外侧，弹簧8受到挤压时，弹簧8的一端可以抵接于下引导盘7的底面，弹簧8的另一端可以抵接于上试样第一夹具9的径向凸起(即，凸缘部)。下引导盘7和主轴3相对静止，定位轴5、上试样第一夹具9、上试样11相对静止，通过向下移动主轴3即可带动下引导盘7下压弹簧8、弹簧8通过上试样第一夹具9和上试样第二夹具10下压上试样11，为上试样11和下试样12施加载荷。通过旋转主轴3可以实现上试样11和下试样12之间的动摩擦。
进一步地，通过改变定位套筒6的轴向尺寸，可以改变弹簧8的压缩量，进而改变摩擦磨损装置通过弹簧8施加的载荷量。进一步地，可以通过改变弹簧8的弹性系数，进而改变摩擦磨损装置通过弹簧8施加的载荷量。可以理解，摩擦磨损装置施加的载荷量为弹簧8的压缩量与弹簧8的弹性系数的乘积。
如图4所示，需要测量弹簧8的压缩量时，摩擦磨损装置可以包括磁铁18和钢球19，定位轴5具有大径部20。磁铁18可以有多个，磁铁18可以吸附于下引导盘7的靠近定位轴5的盘面的轴向两侧，磁铁18还可以吸附于定位轴5的周面上，通过钢球19实现位于定位轴5周面上的磁铁18和位于下引导盘7上的磁铁18吸附在一起。
可以理解，使定位轴5和主轴3保持相对静止的措施不限于此。本申请中的磁铁18、钢球19可以改变数量和位置，例如不使用钢球19，仅使用磁铁18吸附于定位轴5的周面和下引导盘7的顶面和/或底面(即，轴向端面)。位于定位轴5的周面和下引导盘7的轴向端面的磁铁18之间具有吸附作用，在主轴3抬起时(相当于载荷施加完毕时)，使定位轴5和主轴3保持相对静止即可。还可以利用弹簧压片、弹簧销等措施，使得在无外力作用的情况下，定位轴5相对于引导盘11固定，在外力作用下，所述定位轴5能相对于所述引导盘轴向移动。
图5a～5d展示了摩擦磨损装置的载荷测量步骤。可以理解，图5a～5d中的摩擦磨损装置为本申请提出的摩擦磨损装置的简化示意图，上引导盘4、下引导盘7都固定在主轴3上，上引导盘4和下引导盘7之间可以设置或者不设置定位套筒6。定位轴5间隙配合于上引导盘4和下引导盘7。这里，未详细示出上试样第一夹具9和上试样第二夹具10。下试样12固定于腔体2，主轴3能够相对于下试样12移动。
摩擦磨损装置的载荷测量方法的步骤包括：
如图5a所示，将磁铁18吸附于定位轴5和下引导盘7。上引导盘4的顶面抵接于定位轴5的大径部20可以作为初始状态。
如图5b、5c所示，将上试样固定装置装入主轴3后，将主轴3伸入腔体2，向下移动主轴3，以端盖1安装于腔体2(不能进一步移动)作为加载完毕的状态。
如图5d所示，从腔体2取出主轴3，测量下引导盘7的下端面与上试样11的最低点(上试样11与下试样12的接触点)之间的距离X。下引导盘7的下端面与上试样11的最低点之间的距离X可以等效为，弹簧8压缩后的长度S2与上试样第一夹具9的凸缘部的上表面(与弹簧8的接触点)和上试样11的最低点之间的距离Y的之和。即，S2+Y＝X，S2＝X-Y。
弹簧8在自然状态(未压缩状态，图中未示出)下的长度S1可以是已知值，或者可以通过直接测量得到。弹簧的压缩量S3＝S1-S2，通过弹簧压缩量与弹性系数的乘积可以得出载荷的施加量。
本申请将加载和传动集中于一个主轴上，降低了对压力容器结构的要求，简化了其结构，降低了成本。本申请通过非圆孔的配合实现了试样在加载方向的单自由度运动。通过弹簧和定位套筒实现了精确加载和大范围可变加载，容易调节，不受环境影响，体积小、结构简单可靠、容易实现。利用磁铁可以实现摩擦磨损装置的载荷测量，步骤简单结果精确。
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。
机译： 摩擦磨损试验装置及摩擦磨损试验方法
机译： 摩擦磨损测试装置和摩擦磨损测试方法
机译： 极限载荷测量的摩擦磨损测试装置
