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

背景技術(shù)：

隨著全球溫室效應(yīng)的加劇，極地區(qū)域覆蓋的海冰面積正在快速減少.極地區(qū)域的環(huán)境也更加有利于航運業(yè)和能源開發(fā)的進(jìn)行。極地區(qū)域航行的船舶鋼板在航行過程中會受到冰層的連續(xù)撞擊，冰層對船用鋼板的反復(fù)沖擊和摩擦?xí)茐耐鈿みM(jìn)而使船用鋼板產(chǎn)生變形和疲勞失效，船用鋼板應(yīng)具有較強(qiáng)的破冰能力和抗冰面磨損能力，以承受冰層的動態(tài)、連續(xù)的沖擊載荷。研究鋼板的各種常溫和低溫力學(xué)性能對于在極地區(qū)域航行的船舶很有必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種極地船用鋼板超低溫摩擦實驗系統(tǒng)，能夠真實測試鋼板在環(huán)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(xiàn)以上目的，本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：

一種極地船用鋼板超低溫摩擦實驗系統(tǒng)，其特點是，包含：

設(shè)備框架，其設(shè)有一測試室；

連接固定于設(shè)備框架內(nèi)的制冷模塊、保溫模塊、熱交換模塊、拖拽模塊；

所述的制冷模塊用于根據(jù)試驗環(huán)境需要控制試驗室溫度；

所述的保溫模塊用于將測試室與外部空間隔離；

所述的熱交換模塊利用制冷劑的流動實現(xiàn)測試室與制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(fù)移動。

所述的測試室內(nèi)設(shè)有一冰槽；

所述的制冷模塊包含：

制冷機(jī)組，其與熱交換模塊相連；

冷卻水塔，其通過冷卻水循環(huán)水管與制冷機(jī)組相連；

液氮罐、空壓機(jī)組，其并聯(lián)后連接于測試室。

所述的保溫模塊設(shè)置在冰槽和測試室四周；所述的保溫模塊開設(shè)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(jī)組相連，所述的熱交換管均勻布置在測試室和冰槽內(nèi)；

若干個循環(huán)風(fēng)扇，其設(shè)置在測試室頂部，用于測試室內(nèi)空氣流通。

如權(quán)利要求1所述的極地船用鋼板超低溫摩擦實驗系統(tǒng)，其特征在于，所述的拖拽模塊包含：

鋼絲繩纏繞組件、若干個導(dǎo)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(shè)于若干個導(dǎo)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(guān)，所述的鋼絲繩限位塊與鋼絲繩限位開關(guān)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(shè)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(dǎo)流板，其安裝在工件固定底座的兩側(cè)，引導(dǎo)所述的測試工件的摩擦方向；

豎直設(shè)置在工件固定底座上的砝碼導(dǎo)向桿，用于裝載砝碼；

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(fù)運動。

所述的鋼絲繩纏繞組件包含：

纏繞底座，其設(shè)有導(dǎo)軌；

纏繞盤滑動座，其設(shè)置在導(dǎo)軌上；

設(shè)置在纏繞盤滑動座上的纏繞盤，其一端與鋼絲繩旋轉(zhuǎn)軸連接，另一端經(jīng)扭矩傳感器、聯(lián)軸器與纏繞電機(jī)相連；

第一同步帶輪，其與鋼絲繩旋轉(zhuǎn)軸相連；

第二同步帶輪、絲桿，所述的第二同步帶輪與第一同步帶輪相互聯(lián)動，并與絲桿連接，所述的絲桿設(shè)置于纏繞底座。

所述的纏繞底座設(shè)有第一、二、三行程開關(guān)；

所述的纏繞盤滑動座設(shè)有第一、二限位板；

旋轉(zhuǎn)所述的絲桿，使得所述的絲桿帶動纏繞盤滑動座在導(dǎo)軌上移動，當(dāng)所述的第一限位板與第一行程開關(guān)接觸時，纏繞電機(jī)停止轉(zhuǎn)動并開始反轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)诙尬话迮c第二行程開關(guān)接觸時，纏繞電機(jī)停止轉(zhuǎn)動開始正轉(zhuǎn)。

還包含：

測量監(jiān)控模塊，用于測量試驗過程中的溫度、壓力、速度、加速度參數(shù)；

控制模塊，用于控制系統(tǒng)的啟動和停止。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：

本發(fā)明能夠真實測試鋼板在環(huán)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(fā)明一種極地船用鋼板超低溫摩擦實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)總圖；

圖2為本發(fā)明加載模塊的結(jié)構(gòu)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(jié)合附圖，通過詳細(xì)說明一個較佳的具體實施例，對本發(fā)明做進(jìn)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(tǒng)，包含：設(shè)備框架100，其設(shè)有一測試室150；連接固定于設(shè)備框架內(nèi)的制冷模塊200、保溫模塊300、熱交換模塊400、拖拽模塊500；所述的制冷模塊200用于根據(jù)試驗環(huán)境需要控制試驗室溫度；所述的保溫模塊300用于將測試室與外部空間隔離；所述的熱交換模塊400利用制冷劑的流動實現(xiàn)測試室與制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(fù)移動；測量監(jiān)控模塊600，用于測量試驗過程中的溫度、壓力、速度、加速度參數(shù)；控制模塊700，用于控制系統(tǒng)的啟動和停止。

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

設(shè)備框架100，采用方管、角鐵、槽鋼等材料焊接而成，所述設(shè)備框架100的長度包含但不局限于5m～100m，寬度包含但不局限于1m～30m，高度包含但不局限于2m～4m，設(shè)備框架100內(nèi)部與保溫模塊300、熱交換模塊400、拖拽模塊500、測量監(jiān)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，并提供必要的各種連接方式。

設(shè)備框架100外部采用厚度為1mm-2mm的鋼板鈑金折彎后密封，設(shè)備框架底部和四周及頂部安裝有保溫模塊300，在設(shè)備框架內(nèi)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；采用sus304不銹鋼板焊接，所述冰槽110外部包有保溫層。所述的測試冰槽內(nèi)裝有熱交換管410，所述熱交換管410與制冷模塊200連接，熱交換管410內(nèi)部填充可以流動的制冷劑；所述的冰槽110中安裝有進(jìn)排水管120，并裝有控制閥，可以實現(xiàn)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制海水。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(jìn)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(jiān)控溫度并反饋至控制模塊。

其中，由設(shè)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(shè)備框架的頂部及四周安裝有溫度傳感器180和循環(huán)風(fēng)扇450。

所述的制冷模塊200包含：制冷機(jī)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(huán)水管與制冷機(jī)組相連；液氮罐、空壓機(jī)組，其并聯(lián)后連接于測試室。制冷模塊200可以根據(jù)試驗要求達(dá)到測試室150的設(shè)定溫度并維持。制冷溫度范圍從室溫至-60℃。

制冷機(jī)組210為雙級壓縮機(jī)組，能夠?qū)崿F(xiàn)測試環(huán)境在較高溫度的制冷要求并維系測試室150在較低溫時的冷量維持，包含壓縮機(jī)、冷卻風(fēng)扇、制冷劑管道組成；所述的制冷劑包含但不局限于r22、r23、r410a、r407c、r134a、r404等。所述制冷劑組與熱交換模塊400連接，制冷機(jī)組210與熱交換控制閥420、熱交換回流管430、熱交換管410連接，通過制冷劑的循環(huán)實現(xiàn)熱量的交換；所述冷卻水塔220通過冷卻水循環(huán)水管460與制冷機(jī)組210連接，為空調(diào)專用冷卻水塔，采用機(jī)械通風(fēng)方式冷卻。

液氮罐230與空壓機(jī)組240并聯(lián)后與通過液氮冷卻進(jìn)管470、液氮控制閥480與設(shè)備的低溫船板測試室150連接，可以實現(xiàn)對低溫船板測試室快速降溫以及較低試驗溫度的制冷，所述液氮罐的容積包含但不局限于20l-21000立方米；在液氮輸入測試室的同時可以利用空氣干燥器250對壓縮空氣進(jìn)行干燥降溫。所述空氣壓縮機(jī)240容量包含但不局限于20l-160l。所述的壓縮機(jī)壓縮的空氣經(jīng)過空氣干燥機(jī)250干燥后在氣體混合器260中與汽化的液氮混合。

上述的保溫模塊設(shè)置在冰槽和測試室四周；所述的保溫模塊開設(shè)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，觀察窗的尺寸介于100mm～300mm之間；其中，保溫材料包含但不局限于泡沫石棉、橡塑海綿、聚氨酯發(fā)泡板、酚醛泡沫保溫板；導(dǎo)熱系數(shù)介于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(jìn)入測試室150，密封門310采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便于操作者進(jìn)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(jī)組210相連，所述的熱交換管410均勻布置在測試室和冰槽內(nèi)；若干個循環(huán)風(fēng)扇450，其設(shè)置在測試室150頂部，用于測試室內(nèi)空氣流通。循環(huán)風(fēng)扇450中的風(fēng)扇葉片在測試室內(nèi)部，循環(huán)風(fēng)扇450的電機(jī)在測試室150外部，電機(jī)與測試室內(nèi)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(dǎo)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(shè)于若干個導(dǎo)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(guān)550，所述的鋼絲繩限位塊560與鋼絲繩限位開關(guān)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(shè)備框架連接。所述的拖拽模塊500安裝于設(shè)備框架100上，與測試室150分離，工作于室溫環(huán)境。上述的導(dǎo)向滑輪組為第一導(dǎo)向滑輪組530、第二導(dǎo)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為包含單不局限于光面鋼絲繩，所述鋼絲繩材料包含但不局限于高碳鋼、不銹鋼，高碳鋼牌號包含但不局限于60#、65#、70#、75#、80#鋼；所述鋼絲繩絞線方式包含但不局限于雙繞繩或者三繞繩。

其中第一導(dǎo)向滑輪組530支撐架固定在設(shè)備框架100上，導(dǎo)向滑輪可以根據(jù)兩滑輪組之間的位置調(diào)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(dāng)，可以實現(xiàn)對鋼絲繩的定位導(dǎo)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(zhuǎn)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于5～500kg，誤差為0.01%～0.05%。

其中鋼絲繩限位開關(guān)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(shè)備框架100中的冰槽110產(chǎn)生碰撞，當(dāng)鋼絲繩限位開關(guān)550與鋼絲繩限位塊560接觸時，纏繞電機(jī)512將停止工作，然后做出進(jìn)一步響應(yīng)，所述鋼絲繩限位開關(guān)550為直動式防水開關(guān)；其中第一、第二張緊滑輪組（580、590）用于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(tǒng)，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(dǎo)流板577，其安裝在工件固定底座573的兩側(cè)，引導(dǎo)所述的測試工件571的摩擦方向；豎直設(shè)置在工件固定底座573上的砝碼導(dǎo)向桿575，用于裝載砝碼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(fù)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(jù)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將各部件連接一體后可以在鋼絲繩535的牽引力作用下在冰面上做往復(fù)移動，控制模塊700對往復(fù)移動的牽引力和移動速度進(jìn)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(xiàn)對鋼絲繩的固定并拖動工件往復(fù)移動；其中砝碼576實現(xiàn)對于工件的壓力加載，砝碼重量介于0.1kg～50kg之間，砝碼可以根據(jù)試驗需要加載和卸載，砝碼通過砝碼導(dǎo)向桿575固定；為了保證摩擦試驗的正常進(jìn)行，在工件固定底座的兩邊安裝有導(dǎo)流板577可以引導(dǎo)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(shè)有導(dǎo)軌528；纏繞盤滑動座529，其設(shè)置在導(dǎo)軌528上；設(shè)置在纏繞盤滑動座529上的纏繞盤511，其一端與鋼絲繩旋轉(zhuǎn)軸517連接，另一端經(jīng)扭矩傳感器514、聯(lián)軸器513與纏繞電機(jī)512相連；第一同步帶輪515，其與鋼絲繩旋轉(zhuǎn)軸相連；第二同步帶輪520、絲桿521，所述的第二同步帶輪520與第一同步帶輪515相互聯(lián)動，并與絲桿521連接，所述的絲桿521設(shè)置于纏繞底座519。

纏繞底座設(shè)有第一、二、三行程開關(guān)（525-1、525-2、525-3）；所述的纏繞盤滑動座設(shè)有第一、二限位板（524、526）；旋轉(zhuǎn)所述的絲桿，使得所述的絲桿帶動纏繞盤滑動座在導(dǎo)軌上移動，當(dāng)所述的第一限位板524與第一行程開關(guān)525-1接觸時，纏繞電機(jī)停止轉(zhuǎn)動并開始反轉(zhuǎn)，當(dāng)?shù)诙尬话?26與第三行程開關(guān)525-3接觸時，纏繞電機(jī)停止轉(zhuǎn)動開始正轉(zhuǎn)。

其中繩纏繞底座519上設(shè)有導(dǎo)軌528，可供纏繞盤滑動座529在導(dǎo)軌528上往復(fù)移動；鋼絲繩纏繞盤511，纏繞電機(jī)512，聯(lián)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與絲桿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于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(zhuǎn)軸517連接，經(jīng)扭矩傳感器514，聯(lián)軸器513與纏繞電機(jī)512連接。其中扭矩傳感器514可以監(jiān)控纏繞電機(jī)512的輸出扭矩，并將扭矩信號傳輸?shù)娇刂颇K700；所述纏繞電機(jī)512為步進(jìn)電機(jī)，可以根據(jù)控制系統(tǒng)要求控制電機(jī)的啟動，停止，旋轉(zhuǎn)速度等參數(shù)；所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)512的功率包含但不局限于1kw～10kw；

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

本發(fā)明還提供了使用極地船用鋼板超低溫摩擦實驗系統(tǒng)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(tǒng)系統(tǒng)，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(jìn)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：啟動制冷模塊200，打開熱交換控制閥420，啟動制冷壓縮機(jī)組210，冷卻水塔220，循環(huán)風(fēng)扇450，讓制冷劑流經(jīng)熱交換管410對測試室150和冰槽110中的海水進(jìn)行制冷，如需快速制冷，可打開液氮控制閥480，打開排氣閥160，啟動空壓機(jī)組240，讓空壓機(jī)組中的空氣經(jīng)過空氣干燥機(jī)250后在氣體混合器260中與液氮混合，讓汽化的氮氣和壓縮空氣經(jīng)過液氮冷卻管470進(jìn)入測試空間，使測試空間內(nèi)溫度降到零下10攝氏度以下，關(guān)閉液氮控制閥門480。

步驟4：當(dāng)溫度達(dá)到零下10攝氏度以后，調(diào)整鋼絲繩纏繞組件510中的第一行程開關(guān)和第二行程開關(guān)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(zhuǎn)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(jī)512，使鋼絲繩535按照程序設(shè)定進(jìn)行往復(fù)運動。

步驟6：旋轉(zhuǎn)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，并將鋼絲繩535與加載模塊570連接，按照測試程序要求將相應(yīng)載荷的砝碼576加載到砝碼導(dǎo)向桿575上，擰緊鎖緊螺母，關(guān)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(jī)組240，讓空壓機(jī)中的空氣經(jīng)過空氣干燥機(jī)250后在氣體混合器260中與液氮混合，讓汽化的氮氣和壓縮空氣經(jīng)過液氮冷卻管470進(jìn)入測試空間，使測試空間內(nèi)溫度降到設(shè)定溫度（-60攝氏度以上），

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

步驟9：將旋轉(zhuǎn)電機(jī)512的轉(zhuǎn)速設(shè)定為程序要求速度，按照程序設(shè)定時間對極地船用鋼板571進(jìn)行超低溫往復(fù)摩擦試驗，在測試過程中，控制程序700利用測量與監(jiān)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(guān)數(shù)據(jù)。

步驟10：試驗完成后，關(guān)閉相關(guān)閥門，停止制冷機(jī)組210、空壓機(jī)組240，旋轉(zhuǎn)手柄螺母320，打開密封門310，拆下極地航行用船用鋼板571，進(jìn)行相關(guān)檢測。

綜上所述，本發(fā)明一種極地船用鋼板超低溫摩擦實驗系統(tǒng)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(huán)境下，提供不同的溫度、載荷、速度、濕度等環(huán)境，測試船板與冰面之間的摩擦磨損，低溫沖擊性能，船體型線與冰塊之間的摩擦蝕損等性能。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過上述優(yōu)選實施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來限定。