吳帥，張津，殷明，付航濤，王彬，肖勇，王曉輝

（1.北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083；2.北京市腐蝕、磨蝕與表面技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

技術(shù)專論

一種海洋氣候環(huán)境-摩擦載荷耦合試驗(yàn)設(shè)備的研制

吳帥1，2，張津1，2，殷明3，付航濤1，2，王彬3，肖勇3，王曉輝3

（1.北京科技大學(xué) 新材料技術(shù)研究院，北京 100083；2.北京市腐蝕、磨蝕與表面技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039）

目的研制一臺(tái)海洋氣候環(huán)境-摩擦載荷耦合試驗(yàn)設(shè)備。方法針對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件在海洋環(huán)境下的服役條件，為評(píng)價(jià)其材料腐蝕磨損性能，分析摩擦載荷與氣候環(huán)境可能對(duì)運(yùn)動(dòng)部件造成的交互作用，從機(jī)械結(jié)構(gòu)上進(jìn)行創(chuàng)新，研制一臺(tái)海洋氣候環(huán)境-摩擦載荷耦合試驗(yàn)設(shè)備。結(jié)果該設(shè)備可在一定范圍內(nèi)實(shí)行載荷、速度控制，利用傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成對(duì)摩擦力、摩擦系數(shù)、溫濕度的采集。設(shè)備包含6套下試樣夾具，可實(shí)現(xiàn)6個(gè)樣品輪轉(zhuǎn)試驗(yàn)。結(jié)論該設(shè)備適用于研究服役于海洋氣候環(huán)境下的材料的腐蝕磨損性能。

腐蝕磨損；試驗(yàn)設(shè)備；海洋氣候環(huán)境；摩擦磨損

隨著工業(yè)的發(fā)展和科技水平的提高，我國(guó)的海洋開(kāi)發(fā)事業(yè)有了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，海洋構(gòu)筑物也越來(lái)越多，船舶、港口設(shè)施、海洋平臺(tái)等數(shù)量眾多[1—2]。大多數(shù)常用的金屬材料、無(wú)機(jī)非金屬材料、高分子材料在海洋環(huán)境服役過(guò)程中都受到不同程度的腐蝕和摩擦磨損。如船舶動(dòng)力裝置關(guān)鍵零部件、潮汐能和風(fēng)能發(fā)電裝置、石油天然氣鉆井作業(yè)工具和輸送管道、海洋平臺(tái)鋼結(jié)構(gòu)連接件等，這些裝備關(guān)鍵零部件的腐蝕、摩擦磨損及其交互作用嚴(yán)重制約了海洋裝備的工作效率和可靠性[3—4]。許多研究者對(duì)這些快速發(fā)展的海洋開(kāi)發(fā)裝備在苛刻的海洋環(huán)境下的服役性能（特別是摩擦學(xué)性能）給予了極大關(guān)注[5]，但大多僅從單一方面對(duì)摩擦學(xué)性能進(jìn)行了探討，缺乏系統(tǒng)的研究，更沒(méi)能全面考慮海洋環(huán)境與摩擦學(xué)系統(tǒng)的交互作用[6]。早期研究在海洋環(huán)境中材料的腐蝕磨損性能，往往通過(guò)單獨(dú)的掛片腐蝕試驗(yàn)和摩擦磨損試驗(yàn)來(lái)分別研究材料的耐腐蝕性能、耐磨損性能[7]，或者是將樣品先在選定的腐蝕介質(zhì)中浸泡或預(yù)氧化，即在靜態(tài)環(huán)境中制備腐蝕試樣，再用這些試片去測(cè)定磨損量[7—9]。這些方法均不能真實(shí)、完整地表征材料的耐腐蝕-磨損性能。也有研究者[7，10]以定型的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)為基礎(chǔ)進(jìn)行改造，配加可以充入腐蝕氣氛的環(huán)境室或一套電化學(xué)測(cè)試裝置，借以研究模擬工況環(huán)境中材料的腐蝕磨損性能。瑞士聯(lián)邦工學(xué)院[11]研制了一種用于腐蝕磨損研究的微區(qū)電化學(xué)測(cè)試設(shè)備，與常規(guī)腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)相比，可以研究材料組織或成分的不均勻性對(duì)腐蝕磨損性能的影響。Iwabuchi A等[12—13]研制了往復(fù)腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)，通過(guò)電位躍階（Potential Pulse Method）方法來(lái)評(píng)價(jià)腐蝕磨損鈍化膜的破壞面積以及腐蝕電流密度，進(jìn)而計(jì)算腐蝕磨損交互作用，該方法能夠用靜態(tài)試驗(yàn)設(shè)備模擬磨蝕過(guò)程中的腐蝕行為。裴召輝等[14]研制了一臺(tái)壓力可控、適應(yīng)多種氣氛條件的摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)，開(kāi)展了聚四氟乙烯、填料改性聚四氟乙烯復(fù)合材料、超高分子量聚乙烯在5種氣氛環(huán)境中的摩擦學(xué)研究，結(jié)果表明環(huán)境氣氛對(duì)同一配副材料的摩擦系數(shù)有較大影響。據(jù)報(bào)道[15]，中交四航局在2013年成功研制了國(guó)內(nèi)首臺(tái)海洋環(huán)境與動(dòng)荷載耦合試驗(yàn)設(shè)備，設(shè)備可提供多種頻率與加載方式的動(dòng)荷載，可提供鹽水浸泡、鹽水漲落及鹽霧噴灑環(huán)境，模擬海洋水下區(qū)、水位變動(dòng)區(qū)及浪濺區(qū)等海洋環(huán)境特點(diǎn)。這些模擬工況的試驗(yàn)方法比較接近實(shí)際工況，但模擬環(huán)境與實(shí)際的高鹽、高濕、高溫差的海洋氣候環(huán)境還是有較大差距。

從以上對(duì)該方向的研究現(xiàn)狀來(lái)看，目前還缺乏真實(shí)環(huán)境下的海洋氣候環(huán)境-摩擦載荷耦合試驗(yàn)設(shè)備。隨著我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，急需一種試驗(yàn)設(shè)備對(duì)于復(fù)雜海洋大氣環(huán)境（高鹽、高濕、高溫差）下具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的構(gòu)件材料的壽命進(jìn)行評(píng)估。針對(duì)此問(wèn)題，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種海洋氣候環(huán)境-摩擦載荷耦合試驗(yàn)設(shè)備[專利申請(qǐng)?zhí)枺?01410444561.0]，并利用該設(shè)備對(duì)材料在真實(shí)海洋大氣環(huán)境下的摩擦磨損現(xiàn)象進(jìn)行探索研究。

1 設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理

1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該設(shè)備為立式結(jié)構(gòu)試驗(yàn)機(jī)，主要技術(shù)參數(shù)為：銷(xiāo)盤(pán)式摩擦磨損試驗(yàn)；旋轉(zhuǎn)主軸轉(zhuǎn)速為0～2000 r/min，無(wú)級(jí)可調(diào)；彈簧加載，加載范圍為0～1000 N，負(fù)荷精度為±2%；摩擦力測(cè)量范圍為0～300 N；整個(gè)設(shè)備由機(jī)械部分、電控部分以及恒溫恒濕保持系統(tǒng)組成。機(jī)械部分包含上主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、下試樣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、下主軸壓力及力矩測(cè)量系統(tǒng)、彈簧加載系統(tǒng)、摩擦副專用夾具系統(tǒng)；電控部分包含電機(jī)伺服控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；恒溫恒濕保持系統(tǒng)主要由工業(yè)空調(diào)及機(jī)箱組成。

海洋氣候環(huán)境-摩擦載荷耦合試驗(yàn)設(shè)備機(jī)械部分結(jié)構(gòu)如圖1所示，試驗(yàn)機(jī)上主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由上主軸、伺服電機(jī)、同步帶輪及圓弧齒同步帶等組成；下試樣運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由X軸線性導(dǎo)軌、Y軸線性導(dǎo)軌及控制它們的伺服電機(jī)組成；下主軸壓力及力矩測(cè)量系統(tǒng)由下主軸、直線軸承、壓力傳感器和拉力傳感器組成；彈簧加載系統(tǒng)主要由伺服電機(jī)、蝸桿、蝸輪、絲桿、彈簧、施力板等組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示；專用夾具系統(tǒng)由上試樣夾具和下試樣夾具組成。

圖1 海洋氣候環(huán)境-摩擦載荷耦合試驗(yàn)設(shè)備機(jī)械部分結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of the mechanical part of the marine climate-friction load coupling test equipment

圖2 彈簧加載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure diagram of the spring loading system

設(shè)備的電控部分和機(jī)械部分、恒溫恒濕保持系統(tǒng)處于分離狀態(tài)，電控部分置于室內(nèi)，通過(guò)線路連接遠(yuǎn)程控制；機(jī)械部分置于室外，除去專用夾具系統(tǒng)暴露于真實(shí)海洋大氣環(huán)境下，其他系統(tǒng)均安裝在密封的機(jī)箱內(nèi)。通過(guò)恒溫恒濕保持系統(tǒng)保持機(jī)箱內(nèi)處于恒定溫度和濕度，而暴露在海洋環(huán)境中的構(gòu)件均采用重防腐保護(hù)，能保證試驗(yàn)機(jī)在高鹽、高濕、高溫差的海洋環(huán)境中連續(xù)穩(wěn)定工作。設(shè)備包含6套下試樣夾具，可同時(shí)進(jìn)行6個(gè)樣品的輪轉(zhuǎn)試驗(yàn)，不僅可以真實(shí)模擬許多材料在海洋氣候環(huán)境中長(zhǎng)期暴露、間斷磨損的工況，更能節(jié)約試驗(yàn)時(shí)間。設(shè)備下試樣軸上安裝的高精低速的X軸、Y軸線性導(dǎo)軌，可保證上試樣銷(xiāo)的精確定位，確保每個(gè)試樣摩擦?xí)r工作狀態(tài)完全相同；上主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及上夾具部分尺寸不大，布局恰當(dāng)，可保證設(shè)備在工作時(shí)，其他自然暴露的試樣不會(huì)被遮擋。

1.2 設(shè)備工作原理

設(shè)備工作時(shí)，上主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由伺服電機(jī)通過(guò)同步帶輪帶動(dòng)上主軸，上試樣安裝在上試樣夾具上隨主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，與相對(duì)靜止的下試樣組成摩擦副。外加載荷由直流電機(jī)通過(guò)蝸輪、蝸桿帶動(dòng)絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)，絲桿帶動(dòng)施力板壓縮彈簧以實(shí)現(xiàn)對(duì)下導(dǎo)向主軸施加向上的正壓力，并由壓力傳感器反饋信號(hào)保證實(shí)驗(yàn)中當(dāng)試樣磨損后法向外載荷大小不變。下試樣軸上安裝有一個(gè)拉力傳感器，用來(lái)測(cè)量上下試樣間的摩擦阻力矩，力傳感器輸出的信號(hào)傳送給計(jì)算機(jī)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行處理，計(jì)算得到摩擦系數(shù)值。一個(gè)試樣完成一個(gè)實(shí)驗(yàn)周期后，安裝在下試樣軸上的高精低速的X，Y軸線性導(dǎo)軌，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制可實(shí)現(xiàn)試樣之間的自動(dòng)輪換，開(kāi)始下一試樣的實(shí)驗(yàn)。

設(shè)備的測(cè)試原理是利用上下試樣之間的摩擦力所產(chǎn)生的力矩與下試樣軸的扭矩相等，實(shí)現(xiàn)摩擦力和摩擦系數(shù)的測(cè)量。在該設(shè)備中，將摩擦扭矩轉(zhuǎn)換成拉力進(jìn)行測(cè)量。在下主軸上有一弦線盤(pán)，繞在弦線盤(pán)上的鋼絲繩的另一端固定在拉力傳感器上（如圖3所示）。由于鋼絲繩的張力克服下試樣軸的扭轉(zhuǎn)，通過(guò)傳感器可測(cè)出鋼絲繩的張力，并換算成摩擦力矩。即摩擦力矩示值M應(yīng)符合公式M=P·L，其中P為作用在拉力傳感器上的力，L為弦線盤(pán)半徑。按庫(kù)侖定律F=μ·N（F為摩擦力；μ為摩擦系數(shù)；N為正壓力），其中N為試驗(yàn)時(shí)的負(fù)荷值，而F乘試樣回轉(zhuǎn)半徑R就是計(jì)算機(jī)上顯示的摩擦力矩值，所以μ的計(jì)算公式為μ=F/N=M/（N·R）。

圖3 摩擦力矩的測(cè)量原理Fig.3 Measurement principle of the friction torque

2 設(shè)備功能特點(diǎn)

該新型海洋氣候環(huán)境-摩擦載荷耦合試驗(yàn)設(shè)備通過(guò)測(cè)控軟件及伺服控制可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加載、試樣自動(dòng)輪轉(zhuǎn)等，通過(guò)各類傳感器可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集，自動(dòng)化程度高。設(shè)備下試樣盤(pán)上沿圓周方向安裝6套夾具，可夾持圓形或矩形試樣，夾具大小可調(diào)，且能夠保證在一試樣摩擦?xí)r，其余試樣自然暴露在海洋氣候環(huán)境中。設(shè)備可針對(duì)試驗(yàn)材料需長(zhǎng)期在海洋大氣環(huán)境中不間斷磨損的服役工況單獨(dú)進(jìn)行1個(gè)樣品的試驗(yàn)，表征材料在使用工況下的使用性能。也可針對(duì)很多工作在海洋大氣環(huán)境中的材料長(zhǎng)期暴露、間斷磨損的實(shí)際工況，同時(shí)進(jìn)行6個(gè)樣品的試驗(yàn)，試樣輪換間隔時(shí)間及整個(gè)試驗(yàn)周期都可由實(shí)際工況擇優(yōu)選擇。這種試驗(yàn)方式不僅可大為縮短試驗(yàn)周期，更重要的是能夠真實(shí)地模擬材料的實(shí)際服役工況，真實(shí)表征工作在海洋大氣環(huán)境中的材料的腐蝕磨損性能。

該設(shè)備可在一定范圍內(nèi)實(shí)行載荷、速度控制，利用傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成對(duì)摩擦力、摩擦系數(shù)、溫濕度的采集。相關(guān)信號(hào)進(jìn)入采集模塊，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大和濾波處理后輸入到PLC控制器，PLC控制器將輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)所需的數(shù)字信號(hào)，計(jì)算機(jī)按照設(shè)計(jì)程序?qū)⒉杉降男盘?hào)經(jīng)計(jì)算分析處理后分別以數(shù)字形式和波形形式顯示相關(guān)的測(cè)量結(jié)果。所有數(shù)據(jù)，如主軸轉(zhuǎn)速、加載力、摩擦力、摩擦系數(shù)等由計(jì)算機(jī)記錄在盤(pán)，供查閱和打印。

3 設(shè)備實(shí)用性分析

設(shè)備機(jī)械部分直接放置在高鹽、高濕、高溫差的海洋氣候環(huán)境中，承受潮濕海鹽粒子的侵蝕、冷熱交替的變化等，環(huán)境條件十分惡劣。為了保證設(shè)備長(zhǎng)期正常運(yùn)轉(zhuǎn)，除去專用夾具系統(tǒng)暴露于真實(shí)海洋大氣環(huán)境下，其他系統(tǒng)均安裝在密封的機(jī)箱內(nèi)，通過(guò)恒溫恒濕保持系統(tǒng)保持機(jī)箱內(nèi)處于恒定溫度和濕度。并且機(jī)箱外殼噴涂了重防腐蝕涂層，專用夾具系統(tǒng)選用耐Cl-侵蝕性能優(yōu)良的TC4鈦合金制造。試樣輪轉(zhuǎn)選用高精低速的線性導(dǎo)軌確保每個(gè)試樣的精確定位，輪轉(zhuǎn)時(shí)間由計(jì)算機(jī)精確控制，因而能夠確保各試樣的最終試驗(yàn)條件相當(dāng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有可比性。綜上，新型研發(fā)的設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性都能得到保障。

原有的模擬海洋環(huán)境下的摩擦磨損試驗(yàn)無(wú)法真實(shí)模擬復(fù)雜多變的海洋氣候環(huán)境，因而該設(shè)備直接放置于海洋大氣環(huán)境中，腐蝕環(huán)境做到絕對(duì)真實(shí)。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也充分考慮設(shè)備自身組件對(duì)試驗(yàn)樣品的遮擋作用，在保證機(jī)械穩(wěn)定性的前提下盡量縮減了上主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及上夾具部分的尺寸，確保試驗(yàn)樣品能夠直接暴露在海洋氣候環(huán)境中。該設(shè)備適用于研究工作在海洋大氣環(huán)境中承受磨損工況的材料，安裝6套下試樣夾具?？舍槍?duì)試驗(yàn)材料需長(zhǎng)期在海洋大氣環(huán)境中不間斷磨損的服役工況單獨(dú)進(jìn)行1個(gè)樣品的試驗(yàn)，也可針對(duì)很多工作在海洋大氣環(huán)境中的材料長(zhǎng)期暴露、間斷磨損的實(shí)際工況用6個(gè)樣品輪轉(zhuǎn)試驗(yàn)。因而相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室模擬加速設(shè)備，該設(shè)備能更好地模擬海洋氣候環(huán)境中材料的實(shí)際服役工況，評(píng)估材料的腐蝕磨損性能，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)選材可參考性更強(qiáng)。

4 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)備適用于評(píng)估服役于海洋氣候環(huán)境中的材料的腐蝕磨損性能。利用該設(shè)備對(duì)材料在真實(shí)海洋大氣環(huán)境下的摩擦磨損現(xiàn)象進(jìn)行深入研究，對(duì)于豐富和發(fā)展摩擦學(xué)與腐蝕學(xué)相關(guān)理論具有重要的學(xué)術(shù)與理論價(jià)值。對(duì)應(yīng)用與海洋氣候環(huán)境下的裝備、器械的設(shè)計(jì)、選材，提高裝備與器械的性能與壽命、增強(qiáng)我國(guó)國(guó)防力量和工業(yè)實(shí)力等具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

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Development of a Marine Climate-Friction Load Coupling Test Equipment

WU Shuai1，2，ZHANG Jin1，2，YIN Ming3，F(xiàn)U Hang-tao1，2，WANG Bin3，XIAO Yong3，WANG Xiao-hui3
（1.Institute for Advanced Materials and Technology，University of Science and Technology Beijing，Beijing 100083，China；2.Beijing Key Lab for Corrosion，Erosion and Surface Technology，Beijing 100083，China；3.No 59 Institute of China Ordnance Industry，Chongqing 400039，China）

ObjectiveTo develop a marine climate-friction load coupling test equipment.MethodsAccording to the service conditions of relatively moving parts in marine environment,in order to evaluate the corrosion-wear properties of the material and analyze the possible interaction caused by the friction load and climatic environment on the relatively moving parts,innovation was conducted in the mechanical structure,and a marine climate-friction loadcoupling test equipment was designed and developed.ResultsThe test machine could accomplish load and speed control in a certain range,and carry out the date acquisition of friction,friction coefficient,temperature and humidity with some sensors and a data acquisition system.The device consisted of six sets of sample clamps,with which the rotation test of 6 samples could be conducted.ConclusionThe equipment was suitable for investigating the corrosion-wear properties of materials in the marine climate environment.

2014-12-01；

2015-01-05

ZHANG Jin（1963—），F(xiàn)emale，from Chongqing，Ph.D.，Professor，Research focus：metal corrosion and protection.

corrosion-wear；test machine；marine climate environment；frictional wear

10.7643/issn.1672-9242.2015.02.015

TJ05；TH117.1

A

1672－9242（2015）02－0070-05

2014-12-01；

2015-01-05

國(guó)防技術(shù)基礎(chǔ)科研項(xiàng)目（GSJC2013209B057）

Fund：Supported by the Fundamental Research Project（GSJC2013209B057）

吳帥（1991—），男，湖南人，碩士，主要研究方向?yàn)楹Ｑ髿夂颦h(huán)境-摩擦載荷耦合試驗(yàn)技術(shù)。

Biography：WU Shuai（1991—），Male，from Hunan，Master，Research focus：marine climate-friction coupling test technology.

張津（1963—），女，重慶人，博士，教授，主要研究方向?yàn)榻饘俚母g與防護(hù)處理。