(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210833859.5 (22)申请日 2022.07.15 (71)申请人 华南理工大 学 地址 510640 广东省广州市天河区五山路 381号 (72)发明人 周池楼　刘先晖　郑益然　 (74)专利代理 机构 广州粤高专利商标代理有限 公司 44102 专利代理师 周春丽 (51)Int.Cl. G01N 3/02(2006.01) G01N 3/56(2006.01) (54)发明名称 本质安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨 损原位测试装置 (57)摘要 本发明公开了本质安全的多功能高压氢环 境材料摩擦磨损原位测试装置， 包括环境箱、 气 源系统、 换热系统、 摩擦磨损系统和控制系统。 摩 擦磨损系统包括支撑装置、 载荷施加装置、 运动 模块、 样品台、 动力传动装置和抗氢载荷传感器。 支撑装置包括用于固定载荷施加装置的侧板； 载 荷施加装置包括磨球卡具及调节其竖直位置的 丝杆滑台、 竖直滑块、 调节水平位置的丝杆、 限位 套筒和砝码座； 运动模块包括往复运动 传动箱和 旋转运动传动箱； 动力传动装置设于环境箱底 座， 由磁耦合传动为转轴提供动力； 本发明既能 实现摩擦磨损模块的旋转运动和往复运动， 又能 保障设备的安全性； 且通过使用新型差动变压式 力传感器， 保障在宽温高压氢气环 境下实现试验 力的精确 测量。 权利要求书2页 说明书7页 附图4页 CN 115165538 A 2022.10.11 CN 115165538 A 1.本质安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置， 其特征在于， 包括环境 箱、 气源系统、 换 热系统、 摩擦磨损系统和控制系统， 所述环境箱包括环境箱顶盖和环境箱底座( 24)， 环境箱顶盖盖合固定在环境箱底座 (24)上并在内部形成环境箱腔室， 且环境箱上设有 进出气口(7)、 进液口(3)和出 液口(4)； 气源系统包括与进出气口(7)连通的真空泵(13)、 放空阀(11)和增压泵(14)， 真空泵 (13)用于对环境箱腔室抽真空， 放空 阀(11)用于对测试装置进行放空泄压， 增压泵(14)用 于给环境箱腔室增压； 换热系统用于通过进液口(3)和出液口(4)与环境箱内进行热量交换以调控环境箱内 的温度； 摩擦磨损系 统包括支撑装置、 动力传动装置、 载荷施加装置、 运动模块、 样品台(27)和 抗氢载荷传感器(30)， 支撑装置、 载荷施加装置、 运动模块和抗氢载荷传感器(30)均位于环 境箱腔室内， 动力传动装置用于给运动模块提供转动 驱动力， 运动模块包括能够替换使用 的往复运动传动箱和旋转运动传动箱， 往复运动传动箱内部设置有非圆齿轮结构和曲柄连 杆机构， 非圆齿轮结构用于与动力传动装置转动连接， 以给曲柄连杆机构提供匀速往复运 动的动力输出， 曲柄连杆机构的端部与样品台(27)连接以带动样品台(27)做匀速往复运 动， 旋转运动传动箱内设置有用于与动力传动装置转动连接的转轴； 载荷施加装置和抗氢 载荷传感器(30)均设置在支撑装置上， 载荷施加装置包括升降单元、 水平丝杆(37)、 砝码座 (32)、 限位套筒(29)和磨球卡具(28)， 水平丝杆(37)的一端与升降单元转动连接， 且 水平丝 杆(37)与所述限位套筒(29)螺纹连接以调节磨球卡具(28)在水平方向的位置， 砝码座(32) 设置在限位套 筒(29)顶部， 磨球卡具(28)设置在限位套 筒(29)底部； 控制系统用于控制真空泵(13)、 放空阀(11)、 增压泵(14)和换热系统的运行与关闭， 抗 氢载荷传感器(3 0)与控制系统信号连接 。 2.根据权利要求1所述的本质安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置， 其特征在于， 动力传动装置为磁力耦合传动机构， 包括无磁管(59)、 磁力耦合控制器(5)、 铜 转子(6)、 永磁转子(23)和回转轴(25)， 无磁管(59)与环 境箱底座(24)固定连接， 铜转子(6) 设置在无磁管(59)的外周壁上， 永磁转子(23)与铜转子(6)相对， 永磁转子(23)固定在回转 轴(25)外周壁上且回转轴(25)位于无磁管(59)内部， 磁力耦合控制器(5)用于控制铜转子 (6)绕无磁管(59)轴向的转速， 其中， 回转轴(25)用于与往复运动传动箱内的非圆齿轮结构 传动连接或与旋转 运动传动箱中的转轴传动连接 。 3.根据权利要求1所述的本质安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置， 其特征在于， 载荷施加装置中的所述升降单元包括竖直丝杆滑 台(34)和竖直滑块(33)， 竖 直丝杆滑 台(34)固定在支撑装置上， 竖直滑块(33)滑动设置在竖直丝杆滑台(34)上， 水平 丝杆(37)的一端与竖直滑块(3 3)连接。 4.根据权利要求3所述的本质安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置， 其特征在于， 竖直滑块(33)上还设置有转轴(41)， 水平丝杆(37)的一端通过连接件(42)与 所述转轴(41)连接， 在竖直滑块(33)上且位于水平丝杆(37)的下方还设置有用于限制连接 件(42)绕转轴(41)的转动方向的限位 块(43)。 5.根据权利要求1所述的本质安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置， 其特征在于， 曲柄连杆机构包括转盘(52)、 联动 杆(49)、 传动 杆(45)， 转盘(52)与非圆齿轮权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115165538 A 2结构转动连接， 转盘(52)上开设有径向的开口(55)， 开口(55)的边缘设置有滑槽(51)， 联动 杆(49)的一端穿过开口(55)并能沿滑槽(51)滑动， 另一端与传动 杆(45)连接， 样品台(27) 与传动杆(45)固定连接 。 6.根据权利要求1所述的本质安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置， 其特征在于， 抗氢载荷传感器(30)位于所述砝码座(32)下方， 包括壳体和位于壳体内的两 个垂直交叉设置的差动变压式力传感器， 用于同时测 量轴向载荷和试验摩擦力， 每个所述 差动变压式力传 感器包括LVDT位移传感器(56)、 金属应变环(57)和夹持机构(58)， LVDT位 移传感器(56)包括定子和动子， 金属 应变环(57)的一端与所述定子固定连接， 另一端夹持 于动子的自由端部， 且与夹持机构(58)连接 。 7.根据权利要求1所述的本质安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置， 其特征在于， 气源系统还包括氢气瓶(16)、 氩气瓶(15)和压力传感器(8)， 氢气瓶(16)和氩 气瓶(15)通过气路管线依次连接所述增压泵(14)和环境箱底座(24)上的进出气口(7)， 且 压力传感器(8)设置在气路管线上， 且放空阀(1 1)与气路管线管道连接 。 8.根据权利要求1所述的本质安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置， 其特征在于， 环境箱顶盖包括内筒(19)、 外夹套(21)和隔热板(18)， 内筒(19)位于外夹套 (21)内且两者之间形成有外加套内腔， 外夹套(21)上设置有与所述真空泵(13)连通的气孔 (9)， 且真空泵(13)与气孔(9)连接的管道上设置有真空度传感器(12)。 9.根据权利要求1所述的本质安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测试装置， 其特征在于， 换热系统包括制冷加热机(2)、 连接制冷加热机(2)和环境箱底座(24)上进液 口(3)的进液管路、 设置在环境箱腔室内的换热弯管(10)、 连接环境箱底座(24)上出液口 (24)和制冷加热机(2)的出液管路以及设置在环境箱腔体内的温度传感器(36)， 且换热弯 管(10)的两端分别与进液口(3)和出 液口(24)连通。 10.根据权利要求1 ‑9任一所述的本质安全的多功能高压氢环境材料摩擦磨损原位测 试装置， 其特征在于， 当进行旋转摩擦测试时， 不设置所述旋转运动传动箱， 而是将动力传 动装置直接与样品台(27)转动连接 。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115165538 A 3