一种高温铅铋介质内材料摩擦性能加力测试系统
本发明涉及一种高温铅铋介质内材料摩擦性能加力测试系统，更具体地说是一种用于在高温铅铋介质内开展材料接触摩擦性能测试的系统及系统内的关键设备设计。
背景技术：
1、铅铋轴承是第四代液态金属反应堆主循环系统中主泵的重要组成零件，用于支撑主泵的轴系。铅铋介质对材料具有腐蚀性，在摩擦工况中，腐蚀与摩擦存在协同作用，会加速材料的失效。铅鉍介质的温度、氧浓度、轴承摩擦副之间的接触力、摩擦距离、摩擦速度等均对材料失效过程和失效机理有重要的影响。对于常规材料在空气内的摩擦测试，有成熟的摩擦试验机可开展试验。但是，针对高温液态铅铋(试验温度通常高于300℃)，试验装置涉及到铅铋介质的加热、氧浓度控制、摩擦加载力的施加与调节、测试介质及气相空间的密封等诸多问题，目前尚未有能满足试验需求的测试系统。
技术实现思路
1、为解决上述技术问题，本发明提出一种高温铅铋介质内材料摩擦性能加力测试系统，可用于开展不同配对材料、不同旋转转速、不同接触力、不同温度、不同铅铋介质氧浓度等条件下的试验项目，具有温控、氧浓度控制等功能，试验时铅铋介质与外部环境间能够保持良好密封。
2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
3、一种高温铅铋介质内材料摩擦性能加力测试系统，包括：
4、测试罐，罐内密闭，作为测试空间，供旋转样品与固定样品之间进行摩擦性能加力测试，罐顶由可拆卸的顶盖封装，铅铋介质能够通过铅铋介质循环回路在测试空间与储存罐之间循环，测试过程中测试空间内灌有由储存罐送入的铅铋介质，所述固定样品由固定轴悬吊在测试空间内，与固定轴之间可拆卸，测试过程中保持静止，所述旋转样品由旋转轴悬吊在测试空间内，与旋转轴之间可拆卸，测试过程中随旋转轴绕轴体中轴线同步回转，与固定样品之间保持线接触，测试过程中固定样品与旋转样品始终浸没在铅铋介质中；
5、旋转轴，由外置于测试罐上方的旋转机构驱动绕中轴线可回转，转速可调，外露于测试罐上方的轴体与顶盖之间的环向间隙通过轴体上可拆卸套设的动轴封组件密封，轴体顶端与旋转机构的动力输出轴底端之间同轴装配扭矩传感器，通过扭矩传感器实时检测旋转机构的输出扭矩值；
6、固定轴，外露于测试罐上方的轴体与所述顶盖之间的接缝通过轴体上可拆卸外套的薄壁柔性波纹管密封，于轴体中上部处受加力机构驱动能够绕轴体顶端中心沿着固定轴与旋转轴中轴线共同所在的平面摆动，摆动过程中与顶盖之间始终留有间隙，加力机构外置于测试罐外，沿着固定轴的径向向固定轴施加加载力，并设有用于实时检测加载力大小的力传感器，通过加力机构施加加载力，所述固定样品可随固定轴的摆动与旋转样品接触并产生接触力，在加力机构未施加加载力时，与旋转样品接触之间仅接触、无接触力；
7、提升机构，用于带动顶盖升降，可向上提升并使顶盖与测试罐罐顶脱离，所述旋转轴、旋转机构、固定轴、加力机构随顶盖同步升降；
8、储存罐，用于铅铋介质的储存、向测试罐的测试空间送入所储存铅铋介质、接收自测试罐的测试空间回流的铅铋介质；
9、气瓶组，设有多个气瓶，各气瓶分别通过各自带有流量控制器的气路向测试罐的测试空间内以及向储存罐内通入气体，包括向测试罐与储存罐内铅铋介质液面以上的气相空间中通入的高压惰性气体，还包括向测试罐与储存罐内铅铋介质中通入的还原性气体与氧化性气体；
10、加热单元，包括用于对测试罐内、铅铋介质循环回路中、储存罐内铅铋介质温度测量的各测温元件，还包括用于加热铅铋介质的加热元件，任一测温元件所检测铅铋介质温度值低于设定温度值时，通过启动加热元件加热铅铋介质至设定温度值；
11、氧浓度调节单元，包括用于检测测试罐与储存罐内铅铋介质氧浓度的各氧浓度传感器，任一氧浓度传感器所检测铅铋介质氧浓度值不同于设定氧浓度值时，通过气瓶组向罐内铅铋介质通入还原性气体或氧化性气体至铅铋介质氧浓度值至设定氧浓度值。
12、本发明相应的结构特点也在于：
13、所述加力机构，包括伺服加载电缸、力传感器、加载杆、加载弹簧，由所述伺服加载电缸提供驱动力，通过加载弹簧沿着杆长方向施加至加载杆，所述加载杆沿着固定轴的径向设置，末端螺纹装配在固定轴上，所述力传感器设置在伺服加载电缸执行端与加载弹簧之间；
14、所述固定轴，上端通过固定在支架顶板上的圆柱轴承悬吊，可在固定轴与旋转轴中轴线共同所在的平面内向旋转轴中轴线方向摆动，轴体下端部穿过顶盖伸至测试罐的测试空间内。
15、所述动轴封组件包括套设在旋转轴外的动密封与轴封冷却器，所述轴封冷却器可拆卸地装配在动密封与顶盖之间，冷却介质为冷却水，用于降低动密封处的温度。
16、所述波纹管为耐腐蚀不锈钢材质，两管端带法兰，所述固定轴上设有配套法兰，与波纹管上管端法兰之间螺纹装配，所述顶盖与波纹管下管端法兰之间螺纹装配。
17、所述旋转样品为圆柱状结构，同轴安装在旋转轴下端，所述固定样品为长方体块状结构，测试过程中外缘与旋转样品的外周壁之间线接触。
18、所述铅铋介质循环回路连通在储存罐与测试罐的测试空间底部之间，设有用于控制管路通断的电控阀门与用于过滤铅铋介质内杂质的过滤器，所述测试罐底端所在高度位置高于储存罐顶端所在高度位置。
19、所述旋转机构通过旋转电机提供动力，电机输出轴与旋转轴同轴，之间设置所述扭矩传感器，所述扭矩传感器的两端分别通过联轴器与电机输出轴及旋转轴联接。
20、所述旋转样品通过锁紧螺母可拆卸地紧固在旋转轴上，固定样品通过锁紧螺母可拆卸地紧固在固定轴上。
21、所述气瓶组包括用于储存还原性气体的还原气瓶、用于储存氧化性气体的氧化气瓶、用于储存高压惰性气体的高压气瓶；所述还原气瓶与氧化气瓶均是，通过主气管分别一分为二地形成两路并联的支路气管，分别自罐体底部向测试罐与储存罐内的铅铋介质中通入还原性气体与氧化性气体；所述高压气瓶通过惰性气体主管路一分为二地形成两路并联的惰性气体支管路，分别自罐体顶部向测试罐与储存罐内铅铋介质液面以上的气相空间中通入高压惰性气体；各主气管、支路气管、惰性气体主管路、惰性气体支管路上均配置有气体流量计，用于控制对应管路的通断，在任一氧浓度传感器所检测铅铋介质氧浓度值不同于设定氧浓度值时，通过开启相应管路上的气体流量计，通过还原气瓶或氧化气瓶向罐内铅铋介质中通入还原性气体或氧化性气体至铅铋介质氧浓度值至设定氧浓度值。
22、与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
23、1、为开展不同配对材料、不同旋转转速、不同接触力、不同温度、不同铅铋介质氧浓度等条件下的试验项目提供可行方案；
24、旋转样品与固定样品均可拆卸，通过更换不同尺寸或材料的旋转样品与固定样品，可开展不同配对材料条件下的试验；旋转样品的回转由旋转机构的旋转电机提供驱动力，通过改变旋转电机的转速，可开展不同旋转转速条件下的试验；固定样品在加力机构的驱动下，能够朝着旋转样品的回转轴线向旋转样品微量摆动，与旋转样品之间产生接触力，通过改变加力机构的伺服加载电缸的加载力，可开展不同接触力条件下的试验；测试空间内铅铋介质的温度通过加热单元可调控，使不同温度条件下的试验可行；以及，测试空间内铅铋介质氧浓度通过氧浓度调节单元与气瓶组协同作业可调控，通过向铅铋介质中通入还原性气体或氧化性气体，来调节铅铋介质氧浓度，可开展不同铅铋介质氧浓度条件下的试验；
25、2、试验过程中具有温控、铅铋介质氧浓度控制功能；
26、系统配置加热单元、气瓶组、氧浓度调节单元，通过实时监控铅铋介质的温度与氧浓度，在温度值与氧浓度值不满足试验要求时，可以实时调控；
27、3、试验过程中铅铋介质与外部环境间能够保持良好密封；
28、通过向测试空间上方气相空间内通入高压惰性气体，可以很好地隔绝铅铋介质与外部环境空气；在此基础上，旋转轴与测试罐顶盖之间的环向间隙设有动轴封组件保障密封，固定轴与测试罐顶盖之间的接缝设有薄壁柔性波纹管保障密封，固定轴在波纹管所围设的范围内可摆动。
技术特征：
1.一种高温铅铋介质内材料摩擦性能加力测试系统，其特征是，包括：
2.根据权利要求1所述的高温铅铋介质内材料摩擦性能加力测试系统，其特征是：
3.根据权利要求1所述的高温铅铋介质内材料摩擦性能加力测试系统，其特征是：所述动轴封组件包括套设在旋转轴(22)外的动密封(23)与轴封冷却器(24)，所述轴封冷却器(24)可拆卸地装配在动密封(23)与顶盖(111)之间，冷却介质为冷却水，用于降低动密封(23)处的温度。
4.根据权利要求1所述的高温铅铋介质内材料摩擦性能加力测试系统，其特征是：所述波纹管(33)为耐腐蚀不锈钢材质，两管端带法兰，所述固定轴(32)上设有配套法兰，与波纹管(33)上管端法兰之间螺纹装配，所述顶盖(111)与波纹管(33)下管端法兰之间螺纹装配。
5.根据权利要求1所述的高温铅铋介质内材料摩擦性能加力测试系统，其特征是：所述旋转样品(21)为圆柱状结构，同轴安装在旋转轴(22)下端，所述固定样品(31)为长方体块状结构，测试过程中外缘与旋转样品(21)的外周壁之间线接触。
6.根据权利要求1所述的高温铅铋介质内材料摩擦性能加力测试系统，其特征是：所述铅铋介质循环回路(13)连通在储存罐(12)与测试罐(11)的测试空间底部之间，设有用于控制管路通断的电控阀门(131)与用于过滤铅铋介质内杂质的过滤器(132)，所述测试罐(11)底端所在高度位置高于储存罐(12)顶端所在高度位置。
7.根据权利要求1所述的高温铅铋介质内材料摩擦性能加力测试系统，其特征是：所述旋转机构通过旋转电机(26)提供动力，电机输出轴与旋转轴(22)同轴，之间设置所述扭矩传感器(25)，所述扭矩传感器(25)的两端分别通过联轴器与电机输出轴及旋转轴(22)联接。
8.根据权利要求1或5所述的高温铅铋介质内材料摩擦性能加力测试系统，其特征是：所述旋转样品(21)通过锁紧螺母可拆卸地紧固在旋转轴(22)上，固定样品(31)通过锁紧螺母可拆卸地紧固在固定轴(32)上。
9.根据权利要求1所述的高温铅铋介质内材料摩擦性能加力测试系统，其特征是：所述气瓶组包括用于储存还原性气体的还原气瓶(61)、用于储存氧化性气体的氧化气瓶(62)、用于储存高压惰性气体的高压气瓶(63)；所述还原气瓶(61)与氧化气瓶(62)均是，通过主气管分别一分为二地形成两路并联的支路气管，分别自罐体底部向测试罐(11)与储存罐(12)内的铅铋介质中通入还原性气体与氧化性气体；所述高压气瓶(63)通过惰性气体主管路(64)一分为二地形成两路并联的惰性气体支管路(65)，分别自罐体顶部向测试罐(11)与储存罐(12)内铅铋介质液面以上的气相空间中通入高压惰性气体；各主气管、支路气管、惰性气体主管路(64)、惰性气体支管路(65)上均配置有气体流量计(66)，用于控制对应管路的通断，在任一氧浓度传感器(8)所检测铅铋介质氧浓度值不同于设定氧浓度值时，通过开启相应管路上的气体流量计(66)，通过还原气瓶(61)或氧化气瓶(62)向罐内铅铋介质中通入还原性气体或氧化性气体至铅铋介质氧浓度值至设定氧浓度值。
技术总结
本发明提供了一种高温铅铋介质内材料摩擦性能加力测试系统，包括：测试罐，罐内密闭，作为测试空间，供旋转样品与固定样品之间进行摩擦性能加力测试，测试空间内的铅铋介质能够通过铅铋介质循环回路在测试空间与储存罐之间循环，旋转样品由旋转机构驱动可回转，与固定样品之间保持线接触，在加力机构未试驾加载力时之间无接触力，测试过程中固定样品与旋转样品始终浸没在铅铋介质中；还包括气瓶组、加热单元、氧浓度调节单元，用于调节铅铋介质的温度与氧浓度。本发明可用于开展多种条件下的试验项目，具有温控、氧浓度控制等功能，试验时铅铋介质与外部环境间能够保持良好密封。
技术研发人员：马旭丹,吕科锋,沈鑫,江海洋,鲁尧
受保护的技术使用者：安徽建筑大学
技术研发日：
技术公布日：2024/12/5