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专利名称：封严涂层高速高温可磨耗试验机及实验方法
技术领域：
本发明涉及一种磨耗试验设备及方法，尤其涉及一种封严涂层高速高温可磨耗试 验机及实验方法。
背景技术：
可磨耗封严材料在密封结构中的应用可以有效减少涡轮机械动静配副之间的气 路损失，提高机械效率，其典型应用是燃气涡轮发动机领域，包括航空发动机、地面燃气轮 机、船用燃气轮机等。燃气涡轮发动机封严结构材料(包括封严涂层)在高速高温气流环境 中工作，要求很高的综合性能，包括高温结构强度及稳定性、结合强度，抗冲蚀性能、抗热震 性能等。封严材料的典型性能是可磨耗性能，即封严材料与高速转动部件发生摩擦作用时， 理想的封严材料会承受全部的磨损磨耗，转动部件(叶片或篦齿)不发生损伤或者可容忍的 损伤。封严结构动静配副材料之间的刮削现象可以归纳为复杂、极端工况下固体与固体之 间的摩擦学问题，但是目前科学界对固-固摩擦的机理尚未形成完整、系统的理论，世界上 对封严材料可磨耗性能研究依然主要依靠试验技术。
自上世纪五十年代以来，针对航空涡轮发动机气路密封以及可刮削封严涂层材料 的研究衍生出多种试验方法及相关设备如早期的硬度法与硬度划痕法，后来发展出滑动 磨损法、车削法、冲击刮削法与单摆冲击划痕法，对应的设备从前期传统的的硬度测试仪发 展到后来的销盘摩擦磨损试验机，后期的单摆冲击试验机对封严材料的针对性更强，但是 它们的共同不足是与实际工况的高速刮擦磨损还有很大距离。
有研究表明，当刮削线速度超过100m/S时，材料磨损磨耗机理会发生很大的转 变。现有技术的滑动型磨耗试验机和试验方法并不能良好地符合实际装置零件中的刮擦式 磨耗特性。因此，实际零部件中产生的摩擦磨损和试验得到的结果之间的一致性很差。发明内容
本发明的目的是提供一种能模拟真实工况下的磨耗磨损、实际磨耗磨损与试验结 果一致性好的封严涂层高速高温可磨耗试验机及实验方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的
本发明的封严涂层高速高温可磨耗试验机，包括轮盘、火焰加热装置、试样工装。 所述轮盘的边缘部位设有模拟叶片，所述轮盘连接有主轴增速装置，所述试样工装连接有 进给装置，所述试样工装的夹持端正对所述轮盘的边缘部位，所述火焰加热装置的火焰喷 射端指向所述试样工装的夹持端。
本发明的上述的封严涂层高速高温可磨耗试验机进行封严涂层磨耗试验的方法， 包括步骤
将封严涂层试样和基板安装到试样工装上，调整涂层试样至适合的位置，并确定 进给动作的原点；
操作控制软件，使得轮盘及模拟叶片升速至目标转速并保持；
操作火焰加热装置，使得涂层试样温度达到目标温度，并保持；操作控制软件，使得进给装置控制涂层试样以设定的进给速率进行径向进给运动；进给完成，关闭各设备，拆卸模拟叶片及涂层试样，对其称重测量，并记录数据；上述过程中包括以下试验参数制定由需要进行试验模拟的叶尖线速度，再根据轮盘-模拟叶片的直径，换算成轮盘主轴转速，即试验的主轴目标转速；由需要进行试验模拟的单次叶片-涂层刮削深度，再根据轮盘-主轴的转速及轮盘安装模拟叶片的数量计算得到每秒钟刮削次数，单次刮削深度乘以每秒钟刮削次数换算成涂层试样进给的速率；根据封严涂层使用温度，制定需试验的涂层试样加热温度。由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的封严涂层高速高温可磨耗试验机及试验方法，由于包括轮盘、火焰加热装置、试样工装，轮盘的边缘部位设有模拟叶片，轮盘连接有主轴增速装置，试样工装连接有进给装置，试样工装的夹持端正对轮盘的边缘部位，火焰加热装置的火焰喷射端指向试样工装的夹持端，可以模拟真实工矿下的磨耗磨损，较好地用于封严材料高温高速工矿磨耗磨损机理的研究，同时可以测试各种类型封严材料的可磨耗性能，包括石墨基封严涂层、金属基封严涂层、陶瓷基封严涂层等封严材料。


图1为本发明实施例提供的封严涂层高速高温可磨耗试验机的结构原理示意图；图2为本发明实施例中的主轴增速装置的结构原理示意图；图3为本发明实施例中的模拟叶片安装结构示意图；图4为本发明实施例中的涂层试样加热部分结构示意图；图5为本发明实施例中模拟叶片-涂层试样刮削磨损磨耗示意图。图中1、轮盘，2、配重块，3、高速高温火焰，4、模拟叶片，5、封严涂层试样+基板，6、热电偶，7、试样工装，8、水冷却器，9、压电测力仪，10、精密滚珠丝杠导轨平台，11、精密行星齿轮减速器，12、伺服电机，13、手摇导轨，14、主驱动电机，15、大带轮，16、皮带，17、小带轮，18、高速球轴承，19、柔性主轴，20、阻尼器，21、红外测温仪，22、销钉，23、火焰挡板。
具体实施例方式下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。本发明的封严涂层高速高温可磨耗试验机，其较佳的具体实施方式
如图1至图5所示包括轮盘、火焰加热装置、试样工装，所述轮盘的边缘部位设有模拟叶片，所述轮盘连接有主轴增速装置，所述涂层试样工装连接有进给装置，所述试样工装的夹持端正对所述轮盘的边缘部位，所述火焰加热装置的火焰喷射端指向所述试样工装的夹持端。所述轮盘的边缘部位与所述模拟叶片相对的一侧设有配重块，质量与模拟叶片相同，以平衡离心力。
所述模拟叶片和配重通过销钉或螺钉安装到所述轮盘的边缘，安装方式简单可
O所述主轴增速装置包括安装在主驱动电机输出轴端的主动大带轮和安装在柔性主轴上的从动小带轮，所述柔性主轴的另一端与所述轮盘连接，所述主动大带轮与从动小带轮之间通过皮带连接，实现增速。所述柔性主轴装有阻尼器，耗散主轴振动能量，使轮盘在升速过程中能以较小的主轴振动越过临界转速区，并能吸收磨耗过程中叶尖磨损产生的不平衡量引起的主轴振动。所述进给装置包括由伺服电机和精密减速器驱动的滚珠丝杠精密平台和手摇导轨。所述试样工装设有热电偶、红外测温仪、水冷却器、火焰挡板。所述试样工装与所述进给装置之间设有压电测力仪。所述火焰加热装置为氧气-乙炔火焰燃烧装置或者丙烷、煤气、煤油、汽油与氧气混合燃烧装置。本发明的上述的封严涂层高速高温可磨耗试验机进行封严材料磨耗试的方法，其较佳的具体实施方式
包括步骤将封严涂层试样+基板安装到试样工装上，调整涂层试样至适合的位置，并确定进给动作的原点；操作控制软件，使得轮盘及模拟叶片升速至目标转速并保持；操作火焰加热装置，使得试样温度达到目标温度，并保持；操作控制软件，使得进给装置控制试样以设定的进给速率进行径向进给运动；进给完成，关闭各设备，拆卸模拟叶片及涂层试样，对其称重测量，并记录数据；上述过程中包括以下试验参数制定由需要进行试验模拟的叶尖线速度，再根据轮盘-模拟叶片的直径，换算成轮盘主轴转速，即试验的目标转速；由需要进行试验模拟的单次叶片-涂层刮削深度，再根据轮盘-主轴的转速及轮盘安装模拟叶片的数量得每秒钟刮削次数，单次刮削深度乘以每秒钟刮削次数换算成涂层试样进给的速率；根据封严涂层使用温度，制定需试验的涂层试样的加热温度。本发明可以用于测试涡轮机械气路封严材料的可磨耗性能，尤其用于航空涡轮发动机中封严材料，包括石墨基封严涂层、金属基封严涂层陶瓷基封严涂层等封严材料的可磨耗性能。涉及封严材料可磨耗性能测试及磨耗机理研究，尤其是高速高温磨耗磨损特性的研究。本发明包括两个要素磨耗试验机和试验磨耗的方法。本发明的一个要素提供了一种磨耗试验机，该试验机采用模拟叶片及封严涂层材料平面试样作为试验对象，模拟叶片安装在轮盘上，轮盘-模拟叶片转子系统由高速平带增速系统驱动至所需要的转速，从而使得叶片叶尖达到所需线速度；涂层试样安装在试样夹持工装上面，由进给伺服系统驱动试样部件径向进给运动，采用精密减速器+精密滚珠丝杠平台，可以使得试样进行微米级稳定的进给运动；同时，采用高温高速氧气-乙炔火焰加热试样，使得封严涂层试样在进行刮削试验时能够达到所需试验温度；
本发明的另一个要素提供了一整套封严材料磨耗试验方法，以旋转叶片在一定的线速度运动状态下与涂层的径向相对位移作为磨耗载荷，以“叶尖线速度”、“涂层温度”、 “叶片-涂层入侵速率”作为三个相对独立的重要影响因素，通过对采集到的刮削力的变化及对刮削后涂层与叶片的磨损特性测试结果，考核叶片与涂层相对磨耗磨损的特性，同时可以为磨耗磨损机理研究提供有力的基础数据。实验设备及试验方法保证了可靠的模拟工矿的磨耗试验，可以获得与实际封严结构动静配副材料磨损磨耗特性相一致的结果。
与现有技术相比，本发明的优势在于
1、发明设置模拟叶片-封严材料刮削磨耗形式，使得试样及模拟叶片具有等同于实际涡轮发动机中封严配副的磨耗特性。
2、本发明的模拟叶片叶尖线速度能够在高达300m/s的状态下进行试验，该线速度能够模拟大多数涡轮发动机中的高速线速度要求。
3、本发明装置能够进行“单叶片+配重块”或者多叶片形式的磨耗试验。
4、本发明装置能够使得涂层试样在进给速率1. 5-2250 μ m/s的范围内无级调节， 由于采用伺服电机+高速比精密减速器，在保证进给速率满足模拟涡轮发动机各种工况下的磨耗特性的同时，也保证了进给速率的稳定性和试验的可靠性。
5、本发明装置能够使得涂层试样在800° C的状态下进行高达300m/s的磨耗试验， 满足了大多数涡轮发动机中封严材料的试验要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种封严涂层高速高温可磨耗试验机，其特征在于，包括轮盘、火焰加热装置、试样工装，所述轮盘的边缘部位设有模拟叶片，所述轮盘连接有主轴增速装置，所述试样工装连接有进给装置，所述试样工装的夹持端正对所述轮盘的边缘部位，所述火焰加热装置的火焰喷射端指向所述试样工装的夹持端。
2.根据权利要求1所述的封严涂层高速高温可磨耗试验机，其特征在于，所述轮盘的边缘部位与所述模拟叶片相对的一侧设有配重块。
3.根据权利要求2所述的封严涂层高速高温可磨耗试验机，其特征在于，所述模拟叶片和配重块通过销钉或镙钉安装到所述轮盘的边缘。
4.根据权利要求1所述的封严涂层高速高温可磨耗试验机，其特征在于，所述主轴增速装置包括安装在主驱动电机输出轴端的主动大带轮和安装在柔性主轴上的从动小带轮，所述柔性主轴的一端与所述轮盘连接，所述主动大带轮与从动小带轮之间通过皮带连接。
5.根据权利要求4所述的封严涂层高速高温可磨耗试验机，其特征在于，所述柔性主轴中间支承处安装有阻尼器。
6.根据权利要求1所述的封严涂层高速高温可磨耗试验机，其特征在于，所述进给装置包括由伺服电机和精密减速器驱动的滚珠丝杠精密平台和手摇导轨。
7.根据权利要求6所述的封严涂层高速高温可磨耗试验机，其特征在于，所述试样工装设有热电偶、红外测温仪、水冷却器、火焰挡板。
8.根据权利要求1所述的封严涂层高速高温可磨耗试验机，其特征在于，所述试样工装与所述进给装置之间设有压电测力仪。
9.根据权利要求1所述的封严涂层高速高温可磨耗试验机，其特征在于，所述火焰加热装置为氧气一乙炔火焰燃烧装置或者丙烷、煤气、煤油、汽油与氧气混合燃烧装置。
10.一种权利要求1至9任一项所述的封严涂层高速高温可磨耗试验机进行封严材料磨耗试的方法，其特征在于，包括步骤 将封严涂层试样+基板安装到试样工装上，调整涂层试样至适合的位置，并确定进给动作的原点； 操作控制软件，使得轮盘及模拟叶片升速至目标转速并保持； 操作火焰加热装置，使得试样温度达到目标温度，并保持； 操作控制软件，使得进给装置控制试样以设定的进给速率进行径向进给运动； 进给完成，关闭各设备，拆卸模拟叶片及试样，对其称重测量，并记录数据； 上述过程中包括以下试验参数制定 由需要进行试验模拟的叶尖线速度，再根据轮盘-模拟叶片的直径，换算成轮盘主轴转速，即试验的目标转速； 由需要进行试验模拟的单次叶片-涂层刮削深度，再根据轮盘-主轴的转速及轮盘安装模拟叶片的数量得每秒钟刮削次数，单次刮削深度乘以每秒钟刮削次数换算成涂层试样进给的速率； 根据封严涂层使用温度，制定需试验的涂层试样加热温度。
全文摘要
本发明公开了一种封严涂层高速高温可磨耗试验机及试验方法，包括轮盘、火焰加热装置、涂层试样工装。轮盘的边缘部位设有模拟叶片，轮盘连接有主轴增速装置。涂层试样工装连接有进给装置，试样工装的夹持端正对轮盘的边缘部位。火焰加热装置的火焰喷射端指向涂层试样工装的夹持端。可以模拟真实工况下的磨耗磨损，较好地用于封严材料高温高速工况下磨耗磨损机理的研究，同时可以测试各种类型封严材料的可磨耗性能，包括石墨基封严涂层、金属基封严涂层、陶瓷基封严涂层等封严材料。
文档编号G01N3/56GK103018124SQ201210496279
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月28日 优先权日2012年11月28日
发明者于月光, 宣海军, 任先京, 沈婕, 章德铭, 孙建刚, 国俊丰, 张娜, 刘振波, 刘建明, 杨永祺, 鲁秋源 申请人:北京矿冶研究总院, 浙江大学化工机械研究所