带有支撑的超高温摩擦磨损板状试样加热装置及方法

1.本发明涉及材料性能测试领域，特别涉及材料在极端工况下进行摩擦磨损实验的支撑及加热方法，尤指一种带有支撑的超高温摩擦磨损板状试样加热装置及方法。


背景技术：

2.随着我国航空航天领域、化工领域、核电领域等各个方面的飞速发展，所需使用材料的性能也不断提高，其中，不少零部件因高温下的摩擦磨损而失效。因此需要一台超高温摩擦磨损试验装置，用于研究材料在超高温条件下的摩擦、磨损性能。它是在实验室环境中模拟材料在实际使用条件下所遭受的高温、高速、高负荷等极端环境，进一步研究材料的耐磨性能、摩擦特性、润滑性能等。
3.目前现有的高温摩擦磨损试验装置的加热模块普遍存在加热材料种类有限、温度加载不高、加载速率低、加载不均匀、以及试样易变形等问题，导致试验过程中各项参数不稳定，以至于实验结果稳定性及准确性较差。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种带有支撑的超高温摩擦磨损板状试样加热装置及方法，解决现有技术存在的超高温加载困难、可加热材料种类有限以及试验过程中板状试件易发生形变导致正压力难以保持恒定的问题。
5.本发明的上述目的通过以下技术方案实现：带有支撑的超高温摩擦磨损板状试样加热装置，包括加热模块1和支撑模块2，加热模块1通过电磁感应加热石墨加热体的方式对板状试样进行辐射加热，这种加热方式打破了传统的电磁感应加热只能加热导电材料的局限性，同时空心的石墨加热体102可以达到2600℃的超高温度，石墨加热体102设计为空心的另一个优点是可以使支撑模块2穿过进行辅助支撑，用于提高板状试件的刚度，可以抵消板状试样的热变形以及受力形变，保证在摩擦磨损试验过程中正压力保持恒定，同时，可以缩短石墨加热体102与板状试样之间的距离增加辐射热量，并且保护石墨加热体102在试验过程中不发生磨损。
6.所述的加热模块1包括电磁感应线圈101、石墨加热体102、保温隔热层103、耐磨包裹层104、盘型支撑座105、锁紧环ⅰ106、锁紧环ⅱ107、石墨加热体隔热垫108、隔热夹层109、底座隔热垫110、小l型连接件111、底座112、大l型连接件113。其中，电磁感应线圈101缠绕于耐磨包裹层104上，通以交变的高频电流，用以产生交变磁场，石墨加热体102为空心柱体，支撑模块2的刚玉空心水冷轴204从其中心穿过，石墨加热体102外侧包裹保温隔热层103，保温隔热层103外侧包裹耐磨包裹层104，石墨加热体102底部置于石墨加热体隔热垫108之上，隔热夹层109呈盘型，中心开有圆形凹槽，石墨加热体隔热垫109置于隔热夹层109的圆形凹槽内，隔热夹层109置于底座隔热垫110之上，底座隔热垫110置于底座112之上，并通过小l型连接件111与底座112固连，底座112通过大l型连接件113与盘型支撑座105固连在一起，盘型支撑座105上部加工出螺纹轴，刚玉空心水冷轴204空腔底部加工出螺纹孔，两
者通过螺纹连接，盘型支撑座105底部有一段光轴和一段螺纹轴，光轴用于放置锁紧环ⅰ106与锁紧环ⅱ107，锁紧环ⅰ106与锁紧环ⅱ107相接触的面为螺旋斜面，可以通过调整锁紧环ⅰ、ⅱ的角度使支撑模块2进行升降，用以对板状试件施加辅助支撑。
7.所述的支撑模块2包括刚玉支撑体夹具上盖201、刚玉支撑体202、刚玉螺钉203、刚玉空心水冷轴204、隔水板205、冷却水连接口206以及密封胶垫207。其中，刚玉支撑体夹具上盖201通过刚玉螺钉203连接在刚玉空心水冷轴204上，刚玉支撑体夹具上盖201与刚玉空心水冷轴204分别开有凹槽用以放置刚玉支撑体202，并通过刚玉螺钉203夹紧，为了方便连接水管，冷却水连接口206位于刚玉空心水冷轴204底部两侧，用以通冷却水，由于位置较靠底部无法使冷却水充满整个空腔，因此在刚玉空心水冷轴204内部开槽，插入隔水板205，阻断两个冷却水连接口206之间的直接连接，使冷却水只能漫过隔水板从顶部通过，从而充满整个空腔，提高水冷效果，密封胶垫207安装在空腔底部防止冷却水外流。
8.本发明的另一目的在于提供一种带有支撑的超高温摩擦磨损板状试样加热方法，包括如下步骤：步骤一、通过电磁感应加热电源对电磁感应线圈101进行通电，通过电磁感应电源调节高频交流电的频率以及电流值，调节电磁感应线圈101所产生交流磁场的大小，从而控制石墨加热体102内部涡流的大小，进一步控制石墨加热体102的温度值，通过石墨加热体102对板状试样的高温辐射，从而达到对板状试样加热的效果。
9.步骤二、加热同时开启水冷系统对刚玉水冷支撑轴进行水冷，保证试验的安全性与装置运行的可靠性。
10.步骤三、当加热到试验所需温度之后，通过热电偶测量板状试样摩擦表面温度，并通过控制系统进行反馈调节，保持板状试样摩擦表面温度恒定步骤四、板状试样温度维持恒定之后，体积将会维持不变，此时调节锁紧环ⅰ106与锁紧环ⅱ107之间的角度，使支撑模块2上升至刚玉支撑体202与板状试样下表面接触，之后施加正压力开始摩擦磨损试验。
11.本发明的有益效果在于：加热模块通过电磁感应加热石墨加热体的方式对板状试样进行辐射加热，这种加热方式打破了传统的电磁感应加热只能加热导电材料的局限性，同时空心石墨加热体可以达到2600℃的超高温度。石墨加热体设计为空心的另一个优点是可以使支撑模块穿过进行辅助支撑，用于提高板状试件的刚度，可以抵消板状试样的热变形以及受力形变，保证在摩擦磨损试验过程中正压力保持恒定，同时，可以缩短石墨加热体与板状试样之间的距离增加辐射热量，并且保护石墨加热体在试验过程中不发生磨损。本发明结构简单，安全性高，扩展了可测试材料的范围，提高了加热温度，保护石墨加热体不发生磨损，保证试验过程中正压力的恒定，使得测量的摩擦力数据更加稳定、准确。
附图说明
12.此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本技术的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
13.图1为本发明的主视结构示意图；图2为本发明的侧视结构示意图；图3为本发明的俯视结构示意图；
图4为本发明的剖视结构示意图；图5为本发明的加热模块剖视图；图6为本发明的支撑模块剖视图；图7为本发明的实心石墨加热体电磁感应加热仿真效果图；图8为本发明的空心石墨加热体电磁感应加热仿真效果图；图9为本发明的1000n正压力作用下无支撑板状试样形变仿真图；图10为本发明的1000n正压力作用下有辅助支撑板状试样形变仿真图。
14.图中：2、加热模块；3、支撑模块；101、电磁感应线圈；102、石墨加热体；103、保温隔热层；104、耐磨包裹层；105、盘型支撑座；106、锁紧环ⅰ；107、锁紧环ⅱ；108、石墨加热体隔热垫；109、隔热夹层；110、底座隔热垫；111、小l型连接件；112、底座；113、大l型连接件；201、刚玉支撑体夹具上盖；202、刚玉支撑体；203、刚玉螺钉；204、刚玉空心水冷轴；205、隔水板；206、冷却水连接口；207、密封胶垫。
实施方式
15.下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
16.参见图1至图10所示，本发明的带有支撑的超高温摩擦磨损板状试样加热装置及方法，包括加热模块1和支撑模块2，加热模块通过电磁感应加热石墨加热体的方式对板状试样进行辐射加热，这种加热方式打破了传统的电磁感应加热只能加热导电材料的局限性，同时空心石墨加热体可以达到2600℃的超高温度。石墨加热体设计为空心的另一个优点是可以使支撑模块穿过进行辅助支撑，用于提高板状试件的刚度，可以抵消板状试样的热变形以及受力形变，保证在摩擦磨损试验过程中正压力保持恒定，同时，可以缩短石墨加热体与板状试样之间的距离增加辐射热量，并且保护石墨加热体在试验过程中不发生磨损。本发明的优点在于结构简单，安全性高，扩展了可测试材料的范围，提高了加热温度，保护石墨加热体不发生磨损，保证试验过程中正压力的恒定，使得测量的摩擦力数据更加稳定、准确。
17.参见图5所示，本发明所述的加热模块1包括电磁感应线圈101、石墨加热体102、保温隔热层103、耐磨包裹层104、盘型支撑座105、锁紧环ⅰ106、锁紧环ⅱ107、石墨加热体隔热垫108、隔热夹层109、底座隔热垫110、小l型连接件111、底座112以及大l型连接件113。其中，支撑体夹具上盖101通过刚玉螺钉102连接在刚玉空心水冷轴上207，支撑体夹具上盖101与刚玉空心水冷轴207分别开有凹槽用以放置支撑体103，并通过刚玉螺钉102夹紧，电磁感应线圈101缠绕于耐磨包裹层104上，通以交变的高频电流，用以产生交变磁场，石墨加热体102为空心柱体，刚玉空心水冷轴207从其中心穿过，石墨加热体102外侧包裹保温隔热层103，保温隔热层103外侧包裹耐磨包裹层104，石墨加热体102底部置于石墨加热体隔热垫108之上，隔热夹层109呈盘型，中心开有圆形凹槽，石墨加热体隔热垫108置于隔热夹层109圆形凹槽内，隔热夹层109置于底座隔热垫110之上，底座隔热垫110置于底座112之上，
并通过小l型连接件111与底座112固连，底座112通过大l型连接件113与盘型支撑座105固连在一起，盘型支撑座105上部加工出螺纹轴，刚玉空心水冷轴207空腔底部加工出螺纹孔，两者通过螺纹连接，盘型支撑座105底部有一段光轴和一段螺纹轴，光轴用于放置锁紧环ⅰ106与锁紧环ⅱ107，锁紧环ⅰ106与锁紧环ⅱ107想接触的面为螺旋斜面，可以通过调整两个锁紧环的角度使支撑模块2进行升降，用以对板状试件施加辅助支撑。
18.参见图6所示，本发明所述的支撑模块2包括刚玉支撑体夹具上盖201、刚玉支撑体202、刚玉螺钉203、刚玉空心水冷轴204、隔水板205、冷却水连接口206以及密封胶垫207。其中，刚玉支撑体夹具上盖201通过刚玉螺钉203连接在刚玉空心水冷轴204上，刚玉支撑体夹具上盖201与刚玉空心水冷轴204分别开有凹槽用以放置刚玉支撑体202，并通过刚玉螺钉203夹紧，为了方便连接水管，冷却水连接口206位于刚玉空心水冷轴204底部两侧，用以通冷却水，由于位置较靠底部无法使冷却水充满整个空腔，因此在刚玉空心水冷轴204内部开槽，插入隔水板205，阻断两个冷却水连接口206之间的直接连接，是冷却水只能漫过隔水板205从顶部通过，从而充满整个空腔，提高水冷效果，密封胶垫207安装在空腔底部防止冷却水外流。
19.参见图7及图8所示，其中图7是采用实心石墨加热体进行电磁感应加热时的仿真效果图，图8是采用空心石墨加热体进行电磁感应加热时的仿真效果图。对比两图可以看出采用实心石墨加热体时温度最高达到1100℃左右，且温度最高处在电磁感应线圈附近，难以实现对试件的均匀加热；而采用空心石墨加热体时最高达到2600℃左右，且温度最高处在石墨加热体附近，可以实现对试件的均匀加热，同时可以达到更高的温度，实现超高温环境下的摩擦磨损试验。
20.参见图9及图10所示，其中图9是1000n正压力作用下无支撑板状试样形变仿真图，此时，板状试样最大形变达到1.124mm，形变较大将会导致试验过程中正压力波动较大；图10是1000n正压力作用下有辅助支撑板状试样形变仿真图，板状试样最大形变仅为0.200mm，对比两图可以看出在辅助支撑的作用下，形变缩小为不加支撑时的17.79%，使得正压力波动范围缩小了5.62倍，很好的保证了正压力的稳定性。
21.参见图1至图10所示，本发明的工作过程是：通过电磁感应加热电源对电磁感应线圈101进行通电，通过电磁感应电源调节高频交流电的频率以及电流值，调节电磁感应线圈101所产生交流磁场的大小，从而控制石墨加热体102内部涡流的大小，进一步控制石墨加热体102的温度值，通过石墨加热体102对板状试样的高温辐射，从而达到对板状试样加热的效果。同时，石墨加热体102与电磁感应线圈101之间隔有保温隔热层103与耐磨包裹层104，减小了石墨加热体102与电磁感应线圈101之间的热传递，保证了电磁感应线圈101工作的可靠性；石墨加热体102与底座112之间隔有石墨加热体隔热垫108、隔热夹层109与底座隔热垫110，减小了石墨加热体102与底座112之间的热传递，保证了盘型支撑座105、小l型连接件111、底座112与大l型连接件113等支撑连接部件工作的可靠性。石墨加热体102除上表面暴露外，其他表面都被保温材料包裹，一定程度上减少了能源的损耗，保证了加热的效率。
22.加热同时开启水冷系统对刚玉水冷支撑轴进行水冷，保证试验的安全性与装置运行的可靠性。
23.在加热到超高温的过程中，板状试样会发生受热膨胀，当加热到试验所需温度之
后，通过热电偶测量板状试样摩擦表面温度，并通过控制系统进行反馈调节，保持板状试样摩擦表面温度恒定。板状试样温度维持恒定之后，体积将会维持不变，此时调节锁紧环ⅰ106与锁紧环ⅱ107之间的角度，使支撑模块2上升至刚玉支撑体202与板状试样下表面接触。之后施加正压力，在刚玉支撑体202辅助支撑的作用下，板状试样在受到正压力作用之后所参生的变形会降低，从而保证了超高温摩擦磨损试验过程中，石墨加热体不与板状试样发生磨损，同时，保证正压力的稳定性，进而保证试验数据的稳定性以及准确性。
24.以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种带有支撑的超高温摩擦磨损板状试样加热装置，其特征在于：包括加热模块（1）和支撑模块（2），加热模块（1）通过电磁感应加热石墨加热体的方式对板状试样进行辐射加热，石墨加热体（102）可以达到2600℃的超高温度，石墨加热体（102）设计为空心，使支撑模块（2）穿过进行辅助支撑，用于提高板状试件的刚度，以抵消板状试样的热变形以及受力形变，保证在摩擦磨损试验过程中正压力保持恒定，同时，缩短石墨加热体（102）与板状试样之间的距离增加辐射热量，并且保护石墨加热体（102）在试验过程中不发生磨损。2.根据权利要求1所述的带有支撑的超高温摩擦磨损板状试样加热装置，其特征在于：所述的加热模块（1）是：电磁感应线圈（101）缠绕于耐磨包裹层（104）上，通以交变的高频电流，用以产生交变磁场，石墨加热体（102）为空心柱体，支撑模块（2）的刚玉空心水冷轴（204）从其中心穿过，石墨加热体（102）外侧包裹保温隔热层（103），保温隔热层（103）外侧包裹耐磨包裹层（104），石墨加热体（102）底部置于石墨加热体隔热垫（108）之上，隔热夹层（109）呈盘型，中心开有圆形凹槽，石墨加热体隔热垫（109）置于隔热夹层（109）的圆形凹槽内，隔热夹层（109）置于底座隔热垫（110）之上，底座隔热垫（110）置于底座（112）之上，并通过小l型连接件（111）与底座（112）固连，底座（112）通过大l型连接件（113）与盘型支撑座（105）固连在一起，盘型支撑座（105）上部加工出螺纹轴，刚玉空心水冷轴（204）空腔底部加工出螺纹孔，两者通过螺纹连接，盘型支撑座（105）底部有一段光轴和一段螺纹轴，光轴用于放置锁紧环ⅰ（106）与锁紧环ⅱ（107），锁紧环ⅰ（106）与锁紧环ⅱ（107）相接触的面为螺旋斜面，通过调整锁紧环ⅰ、ⅱ的角度使支撑模块（2）进行升降，用以对板状试件施加辅助支撑。3.根据权利要求1所述的带有支撑的超高温摩擦磨损板状试样加热装置，其特征在于：所述的支撑模块（2）是：刚玉支撑体夹具上盖（201）通过刚玉螺钉（203）连接在刚玉空心水冷轴（204）上，刚玉支撑体夹具上盖（201）与刚玉空心水冷轴（204）分别开有凹槽用以放置刚玉支撑体（202），并通过刚玉螺钉（203）夹紧，冷却水连接口（206）位于刚玉空心水冷轴（204）底部两侧，用以通冷却水，在刚玉空心水冷轴（204）内部开槽，插入隔水板（205），阻断两个冷却水连接口（206）之间的直接连接，使冷却水只能漫过隔水板从顶部通过，从而充满整个空腔，提高水冷效果，密封胶垫（207）安装在空腔底部防止冷却水外流。4.一种利用权利要求1-3任一项所述的带有支撑的超高温摩擦磨损板状试样加热装置实现的带有支撑的超高温摩擦磨损板状试样加热方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤一、通过电磁感应加热电源对电磁感应线圈（101）进行通电，通过电磁感应电源调节高频交流电的频率以及电流值，调节电磁感应线圈（101）所产生交流磁场的大小，从而控制石墨加热体（102）内部涡流的大小，进一步控制石墨加热体（102）的温度值，通过石墨加热体（102）对板状试样的高温辐射，从而达到对板状试样加热的效果；步骤二、加热同时开启水冷系统对刚玉水冷支撑轴进行水冷，保证试验的安全性与装置运行的可靠性；步骤三、当加热到试验所需温度之后，通过热电偶测量板状试样摩擦表面温度，并通过控制系统进行反馈调节，保持板状试样摩擦表面温度恒定；步骤四、板状试样温度维持恒定之后，体积将会维持不变，此时调节锁紧环ⅰ（106）与锁紧环ⅱ（107）之间的角度，使支撑模块（2）上升至刚玉支撑体（202）与板状试样下表面接触，之后施加正压力开始摩擦磨损试验。

技术总结
本发明涉及一种带有支撑的超高温摩擦磨损板状试样加热装置及方法，属于材料性能测试领域。加热模块通过电磁感应加热石墨加热体的方式对板状试样进行辐射加热，石墨加热体可以达到2600℃的超高温度。石墨加热体设计为空心，使支撑模块穿过进行辅助支撑，用于提高板状试件的刚度，可以抵消板状试样的热变形以及受力形变，保证在摩擦磨损试验过程中正压力保持恒定，同时，可以缩短石墨加热体与板状试样之间的距离增加辐射热量，并且保护石墨加热体在试验过程中不发生磨损。优点在于：结构简单，安全性高，扩展了可测试材料的范围，提高了加热温度，保护石墨加热体不发生磨损，保证试验过程中正压力的恒定，使得测量的摩擦力数据更加稳定、准确。准确。准确。


技术研发人员：刘欣 张靖 张建海 隋鹏 范莹莹 丁洋 孙兵华
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2023.07.07
技术公布日：2023/10/6