一種極地船用鋼板超低溫摩擦實驗系統的製作方法

2024-02-22 05:39:15 1

本發明涉及測試極地船用鋼板在超低溫環境下與冰面的摩擦磨損、腐蝕及撞擊性能的實驗系統，特別涉及一種極地船用鋼板超低溫摩擦實驗系統。

背景技術：

隨著全球溫室效應的加劇，極地區域覆蓋的海冰面積正在快速減少.極地區域的環境也更加有利於航運業和能源開發的進行。極地區域航行的船舶鋼板在航行過程中會受到冰層的連續撞擊，冰層對船用鋼板的反覆衝擊和摩擦會破壞外殼進而使船用鋼板產生變形和疲勞失效，船用鋼板應具有較強的破冰能力和抗冰面磨損能力，以承受冰層的動態、連續的衝擊載荷。研究鋼板的各種常溫和低溫力學性能對於在極地區域航行的船舶很有必要。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種極地船用鋼板超低溫摩擦實驗系統，能夠真實測試鋼板在環境溫度從室溫至-60℃情況下，不同載荷和不同移動速度下鋼板與海冰之間的摩擦磨損性能及船用鋼板與冰山的撞擊性能。

為了實現以上目的，本發明是通過以下技術方案實現的：

一種極地船用鋼板超低溫摩擦實驗系統，其特點是，包含：

設備框架，其設有一測試室；

連接固定於設備框架內的製冷模塊、保溫模塊、熱交換模塊、拖拽模塊；

所述的製冷模塊用於根據試驗環境需要控制試驗室溫度；

所述的保溫模塊用於將測試室與外部空間隔離；

所述的熱交換模塊利用製冷劑的流動實現測試室與製冷模塊之間的熱量交換；

所述的拖拽模塊拖曳測試工件，使測試工件往復移動。

所述的測試室內設有一冰槽；

所述的製冷模塊包含：

制冷機組，其與熱交換模塊相連；

冷卻水塔，其通過冷卻水循環水管與制冷機組相連；

液氮罐、空壓機組，其並聯後連接於測試室。

所述的保溫模塊設置在冰槽和測試室四周；所述的保溫模塊開設有若干個觀察窗和密封門。

所述的熱交換模塊包含：

熱交換管、熱交換回流管，其分別通過熱交換控制閥與制冷機組相連，所述的熱交換管均勻布置在測試室和冰槽內；

若干個循環風扇，其設置在測試室頂部，用於測試室內空氣流通。

如權利要求1所述的極地船用鋼板超低溫摩擦實驗系統，其特徵在於，所述的拖拽模塊包含：

鋼絲繩纏繞組件、若干個導向滑輪組、若干個張緊輪組、鋼絲繩限位塊、拉力傳感器，所述鋼絲繩纏繞組件包含一鋼絲繩，所述的鋼絲繩穿設於若干個導向滑輪組、若干個張緊輪組、鋼絲繩限位塊和拉力傳感器；

鋼絲繩限位開關，所述的鋼絲繩限位塊與鋼絲繩限位開關接觸時，所述的鋼絲繩纏繞組件停止工作；

張緊彈簧，所述的張緊輪組通過張緊彈簧與設備框架連接。

還包含一加載模塊，其包含：

工件固定底座，其壓住所述的測試工件；

一對導流板，其安裝在工件固定底座的兩側，引導所述的測試工件的摩擦方向；

豎直設置在工件固定底座上的砝碼導向杆，用於裝載砝碼；

鋼絲繩固定座，其與工件固定底座相連且固定鋼絲繩；

拉動所述的鋼絲繩，使得工件固定底座拖拽往復運動。

所述的鋼絲繩纏繞組件包含：

纏繞底座，其設有導軌；

纏繞盤滑動座，其設置在導軌上；

設置在纏繞盤滑動座上的纏繞盤，其一端與鋼絲繩旋轉軸連接，另一端經扭矩傳感器、聯軸器與纏繞電機相連；

第一同步帶輪，其與鋼絲繩旋轉軸相連；

第二同步帶輪、絲杆，所述的第二同步帶輪與第一同步帶輪相互聯動，並與絲杆連接，所述的絲杆設置於纏繞底座。

所述的纏繞底座設有第一、二、三行程開關；

所述的纏繞盤滑動座設有第一、二限位板；

旋轉所述的絲杆，使得所述的絲杆帶動纏繞盤滑動座在導軌上移動，當所述的第一限位板與第一行程開關接觸時，纏繞電機停止轉動並開始反轉，當第二限位板與第二行程開關接觸時，纏繞電機停止轉動開始正轉。

還包含：

測量監控模塊，用於測量試驗過程中的溫度、壓力、速度、加速度參數；

控制模塊，用於控制系統的啟動和停止。

本發明與現有技術相比，具有以下優點：

本發明能夠真實測試鋼板在環境溫度從室溫至-60℃情況下，不同載荷和不同移動速度下鋼板與海冰之間的摩擦磨損性能及船用鋼板與冰塊的撞擊性能。

附圖說明

圖1為本發明一種極地船用鋼板超低溫摩擦實驗系統的結構總圖；

圖2為本發明加載模塊的結構示意圖；

圖3為拖拽模塊示意圖；

圖4為鋼絲繩纏繞組件示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖，通過詳細說明一個較佳的具體實施例，對本發明做進一步闡述。

如圖1所示，一種極地船用鋼板超低溫摩擦實驗系統，包含：設備框架100，其設有一測試室150；連接固定於設備框架內的製冷模塊200、保溫模塊300、熱交換模塊400、拖拽模塊500；所述的製冷模塊200用於根據試驗環境需要控制試驗室溫度；所述的保溫模塊300用於將測試室與外部空間隔離；所述的熱交換模塊400利用製冷劑的流動實現測試室與製冷模塊之間的熱量交換；所述的拖拽模塊500拖曳測試工件，使測試工件往復移動；測量監控模塊600，用於測量試驗過程中的溫度、壓力、速度、加速度參數；控制模塊700，用於控制系統的啟動和停止。

該實驗系統能夠真實的模擬極地航行船舶的船體鋼板在低溫環境中的摩擦磨損性能，長度包含但不局限於5m～100m，寬度包含但不局限於1m～30m，高度包含但不局限於2m～4m,實驗工作溫度範圍為：室溫～-60℃,拖拽速度：0～15m/s,最大加載力：50kn，最大拖拽力：50kn。

設備框架100，採用方管、角鐵、槽鋼等材料焊接而成，所述設備框架100的長度包含但不局限於5m～100m，寬度包含但不局限於1m～30m，高度包含但不局限於2m～4m，設備框架100內部與保溫模塊300、熱交換模塊400、拖拽模塊500、測量監控模塊600、控制模塊700連接，為各模塊提供安裝位置及放置空間，並提供必要的各種連接方式。

設備框架100外部採用厚度為1mm-2mm的鋼板鈑金折彎後密封，設備框架底部和四周及頂部安裝有保溫模塊300，在設備框架內的測試室裝有冰槽110。

所述冰槽110尺寸為（長度）8m~90mx（寬度）0.5m~28m，深度為0.3m~2m；採用sus304不鏽鋼板焊接，所述冰槽110外部包有保溫層。所述的測試冰槽內裝有熱交換管410，所述熱交換管410與製冷模塊200連接，熱交換管410內部填充可以流動的製冷劑；所述的冰槽110中安裝有進排水管120，並裝有控制閥，可以實現對冰槽中海水的填充和放空；所述的海水可以是天然海水或者人工配製海水。所述冰槽110中安裝有多個溫度傳感器140，可以對冰塊溫度進行實時測量；所述溫度傳感器140與控制模塊700連接，可以實時將監控溫度並反饋至控制模塊。

其中，由設備框架100、保溫模塊300所圍成的測試室150四周安裝有熱交換管410，在設備框架的頂部及四周安裝有溫度傳感器180和循環風扇450。

所述的製冷模塊200包含：制冷機組210，其與熱交換模塊300相連；冷卻水塔220，其通過冷卻水循環水管與制冷機組相連；液氮罐、空壓機組，其並聯後連接於測試室。製冷模塊200可以根據試驗要求達到測試室150的設定溫度並維持。製冷溫度範圍從室溫至-60℃。

制冷機組210為雙級壓縮機組，能夠實現測試環境在較高溫度的製冷要求並維繫測試室150在較低溫時的冷量維持，包含壓縮機、冷卻風扇、製冷劑管道組成；所述的製冷劑包含但不局限於r22、r23、r410a、r407c、r134a、r404等。所述製冷劑組與熱交換模塊400連接，制冷機組210與熱交換控制閥420、熱交換回流管430、熱交換管410連接，通過製冷劑的循環實現熱量的交換；所述冷卻水塔220通過冷卻水循環水管460與制冷機組210連接，為空調專用冷卻水塔，採用機械通風方式冷卻。

液氮罐230與空壓機組240並聯後與通過液氮冷卻進管470、液氮控制閥480與設備的低溫船板測試室150連接，可以實現對低溫船板測試室快速降溫以及較低試驗溫度的製冷，所述液氮罐的容積包含但不局限於20l-21000立方米；在液氮輸入測試室的同時可以利用空氣乾燥器250對壓縮空氣進行乾燥降溫。所述空氣壓縮機240容量包含但不局限於20l-160l。所述的壓縮機壓縮的空氣經過空氣乾燥機250乾燥後在氣體混合器260中與汽化的液氮混合。

上述的保溫模塊設置在冰槽和測試室四周；所述的保溫模塊開設有若干個觀察窗170和密封門310。

保溫模塊300上開有多個觀察窗170，觀察窗的尺寸介於100mm～300mm之間；其中，保溫材料包含但不局限於泡沫石棉、橡塑海綿、聚氨酯發泡板、酚醛泡沫保溫板；導熱係數介於0.01～0.05之間，防火等級為a級，所述保溫材料的厚度為100mm-400mm之間。

所述保溫模塊300上開有密封門310可以供操作者進入測試室150，密封門310採用雙層門密封的方式，密封門通過手輪螺栓320鎖緊。密封門前裝有臺階330便於操作者進出。

上述的熱交換模塊包含：熱交換管410、熱交換回流管430，其分別通過熱交換控制閥420與制冷機組210相連，所述的熱交換管410均勻布置在測試室和冰槽內；若干個循環風扇450，其設置在測試室150頂部，用於測試室內空氣流通。循環風扇450中的風扇葉片在測試室內部，循環風扇450的電機在測試室150外部，電機與測試室內部通過保溫層隔熱。

如圖3所示，上述的拖拽模塊500包含：鋼絲繩纏繞組件510、若干個導向滑輪組、若干個張緊輪組、鋼絲繩限位塊560、拉力傳感器540，所述鋼絲繩纏繞組件510包含一鋼絲繩535，所述的鋼絲繩535穿設於若干個導向滑輪組、若干個張緊輪組、鋼絲繩限位塊560和拉力傳感器540；鋼絲繩限位開關550，所述的鋼絲繩限位塊560與鋼絲繩限位開關550接觸時，所述的鋼絲繩纏繞組件510停止工作；張緊彈簧595，所述的張緊輪組通過張緊彈簧595與設備框架連接。所述的拖拽模塊500安裝於設備框架100上，與測試室150分離，工作於室溫環境。上述的導向滑輪組為第一導向滑輪組530、第二導向滑輪組531，上述的張緊輪組為第一張緊輪組580、第二張緊輪組590。

其中所述鋼絲繩535直徑在2mm～20mm之間，所述鋼絲繩535為包含單不局限於光面鋼絲繩，所述鋼絲繩材料包含但不局限於高碳鋼、不鏽鋼，高碳鋼牌號包含但不局限於60#、65#、70#、75#、80#鋼；所述鋼絲繩絞線方式包含但不局限於雙繞繩或者三繞繩。

其中第一導向滑輪組530支撐架固定在設備框架100上，導向滑輪可以根據兩滑輪組之間的位置調整鋼絲繩535的彎曲方向，滑輪組滾輪直徑與鋼絲繩直徑相當，可以實現對鋼絲繩的定位導向功能。

所述拉力傳感器540用來測量測試工件571在移動過程中的拖拽力，拉力傳感器540兩端與鋼絲繩535連接，將鋼絲繩535的拉力轉換為電信號輸出到控制模塊700，拉力傳感器的額定載荷包含但不局限於5～500kg，誤差為0.01%～0.05%。

其中鋼絲繩限位開關550和鋼絲繩限位塊560用來限制拖拽模塊500中鋼絲繩535的移動位置，防止加載模塊570與設備框架100中的冰槽110產生碰撞，當鋼絲繩限位開關550與鋼絲繩限位塊560接觸時，纏繞電機512將停止工作，然後做出進一步響應，所述鋼絲繩限位開關550為直動式防水開關；其中第一、第二張緊滑輪組（580、590）用於保持鋼絲繩的張緊力。

參見圖2，在具體實施例中，上述的極地船用鋼板超低溫摩擦實驗系統，還包含一加載模塊，其包含：工件固定底座573，其壓住所述的測試工件571；一對導流板577，其安裝在工件固定底座573的兩側，引導所述的測試工件571的摩擦方向；豎直設置在工件固定底座573上的砝碼導向杆575，用於裝載砝碼576；鋼絲繩固定座574，其與工件固定底座573相連且固定鋼絲繩；拉動所述的鋼絲繩535，使得工件固定底座拖拽往復運動。

其中測試工件571為用來測試的船用低溫鋼板或者根據測試要求加工的船舶模型或者其它測試工件，測試工件（測試船用鋼板）571與工件固定底座573通過螺栓連接；其中，工件固定底座573將各部件連接一體後可以在鋼絲繩535的牽引力作用下在冰面上做往復移動，控制模塊700對往復移動的牽引力和移動速度進行記錄；其中鋼絲繩固定底座574與工件固定底座573、鋼絲繩535連接，可以實現對鋼絲繩的固定並拖動工件往復移動；其中砝碼576實現對於工件的壓力加載，砝碼重量介於0.1kg～50kg之間，砝碼可以根據試驗需要加載和卸載，砝碼通過砝碼導向杆575固定；為了保證摩擦試驗的正常進行，在工件固定底座的兩邊安裝有導流板577可以引導測試工件571在冰面上的摩擦方向。

參見圖4，上述的鋼絲繩纏繞組件510包含：纏繞底座519，其設有導軌528；纏繞盤滑動座529，其設置在導軌528上；設置在纏繞盤滑動座529上的纏繞盤511，其一端與鋼絲繩旋轉軸517連接，另一端經扭矩傳感器514、聯軸器513與纏繞電機512相連；第一同步帶輪515，其與鋼絲繩旋轉軸相連；第二同步帶輪520、絲杆521，所述的第二同步帶輪520與第一同步帶輪515相互聯動，並與絲杆521連接，所述的絲杆521設置於纏繞底座519。

纏繞底座設有第一、二、三行程開關（525-1、525-2、525-3）；所述的纏繞盤滑動座設有第一、二限位板（524、526）；旋轉所述的絲杆，使得所述的絲杆帶動纏繞盤滑動座在導軌上移動，當所述的第一限位板524與第一行程開關525-1接觸時，纏繞電機停止轉動並開始反轉，當第二限位板526與第三行程開關525-3接觸時，纏繞電機停止轉動開始正轉。

其中繩纏繞底座519上設有導軌528，可供纏繞盤滑動座529在導軌528上往復移動；鋼絲繩纏繞盤511，纏繞電機512，聯軸器513，扭矩傳感器514，第一同步帶輪515，第一限位板524，第二限位板526，軸承座523與纏繞板滑動座529連接；第二同步帶輪520與絲杆521連接；第一同步帶輪515與第二同步帶輪520至的直徑比包含但不局限於2:1～30:1。

其中鋼絲繩纏繞盤511直徑為0.4m～1m，長度為0.6m-1.2m鋼絲繩纏繞盤511上加工有凹槽，凹槽直徑與鋼絲繩535直徑相配，可以方便的纏繞鋼絲繩535，鋼絲繩纏繞盤511與鋼絲繩旋轉軸517連接，經扭矩傳感器514，聯軸器513與纏繞電機512連接。其中扭矩傳感器514可以監控纏繞電機512的輸出扭矩，並將扭矩信號傳輸到控制模塊700；所述纏繞電機512為步進電機，可以根據控制系統要求控制電機的啟動，停止，旋轉速度等參數；所述旋轉電機512的功率包含但不局限於1kw～10kw；

其中絲杆（520）的螺距與鋼絲繩（535）直徑比例包含但不局限於1.5:1～3：1。第一限位板525和第二限位板526的位置可以調整，通過控制第一限位板525和第二限位板526的位置可以調整壓載模塊的移動距離和位置。

本發明還提供了使用極地船用鋼板超低溫摩擦實驗系統測試船用鋼板的低溫摩擦性能的工藝，該工藝的操作使用上述極地船用鋼板超低溫摩擦實驗系統系統，具體工藝如下：

步驟1：啟動控制模塊700電源，開啟程序控制模塊；

步驟2：按照試驗要求配置海水，打開冰槽進排水管控制閥將海水注入冰槽，要求不超過冰槽的2/3深度。

步驟3：啟動製冷模塊200，打開熱交換控制閥420，啟動製冷壓縮機組210，冷卻水塔220，循環風扇450，讓製冷劑流經熱交換管410對測試室150和冰槽110中的海水進行製冷，如需快速製冷，可打開液氮控制閥480，打開排氣閥160，啟動空壓機組240，讓空壓機組中的空氣經過空氣乾燥機250後在氣體混合器260中與液氮混合，讓汽化的氮氣和壓縮空氣經過液氮冷卻管470進入測試空間，使測試空間內溫度降到零下10攝氏度以下，關閉液氮控制閥門480。

步驟4：當溫度達到零下10攝氏度以後，調整鋼絲繩纏繞組件510中的第一行程開關和第二行程開關的位置，使加載模塊570的移動行程與試驗要求行程一致。

步驟5：在控制模塊700中輸入測試需要的轉速，短接連接加載模塊570的鋼絲繩，控制模塊啟動拖拽模塊500中的纏繞電機512，使鋼絲繩535按照程序設定進行往復運動。

步驟6：旋轉手柄螺母320，打開密封門310，將測試工件571固定在工件固定底座573上，並將鋼絲繩535與加載模塊570連接，按照測試程序要求將相應載荷的砝碼576加載到砝碼導向杆575上，擰緊鎖緊螺母，關閉密封門。

步驟7：打開液氮控制閥門480，打開液氮控制閥480，打開排氣閥160，啟動空壓機組240，讓空壓機中的空氣經過空氣乾燥機250後在氣體混合器260中與液氮混合，讓汽化的氮氣和壓縮空氣經過液氮冷卻管470進入測試空間，使測試空間內溫度降到設定溫度（-60攝氏度以上），

步驟8：將控制模塊700利用測量和監控模塊600中的拉力傳感器、扭矩傳感器進行歸零操作。

步驟9：將旋轉電機512的轉速設定為程序要求速度，按照程序設定時間對極地船用鋼板571進行超低溫往復摩擦試驗，在測試過程中，控制程序700利用測量與監控模塊600中的溫度傳感器180、速度傳感器、拉力傳感器540、扭矩傳感器514等來記錄相關數據。

步驟10：試驗完成後，關閉相關閥門，停止制冷機組210、空壓機組240，旋轉手柄螺母320，打開密封門310，拆下極地航行用船用鋼板571，進行相關檢測。

綜上所述，本發明一種極地船用鋼板超低溫摩擦實驗系統能夠在實驗室中模擬極地航行船舶模型或者破冰船鋼板在超低溫環境下，提供不同的溫度、載荷、速度、溼度等環境，測試船板與冰面之間的摩擦磨損，低溫衝擊性能，船體型線與冰塊之間的摩擦蝕損等性能。儘管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容後，對於本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護範圍應由所附的權利要求來限定。