本发明属于摩擦腐蚀试验系统设计领域，具体涉及一种全海深模拟摩擦腐蚀试验台的环形加载缸及加载装置。
背景技术：
进行深海资源的勘探、开采对改善人类生存和发展环境具有重要战略意义，因为海洋占有地球70％的表面积，而75％海域的深度超过3000米。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》进一步指出加强深海、深地、深空、深蓝等领域的战略高技术部署。深海装备是深海科学技术发展的基础，而深海材料又是海洋装备研制的基础。
目前，深海装备中部分关键元、器件的摩擦副直接在苛刻的海洋环境下工作，如潜器浮力调节系统、推进系统，作业系统等。天然水润滑摩擦副是这些水下装备的核心，因为材料的摩擦磨损、腐蚀及其相互作用严重制约着深海装备的效率和可靠性。然后，现有摩擦学理论尚未延伸至深海领域，人们缺乏对材料在深海水环境中的摩擦腐蚀特性、失效机理的系统认识。
搭建“全海深模拟摩擦腐蚀试验台”，探索材料在极端海洋环境下的摩擦磨损、腐蚀行为、规律以及服役失效机理，从而完成海洋材料筛选、找到改善材料摩擦学性能的方法，进而保障海洋装备安全可靠运行的目的，填补深海摩擦学领域空白，推进海洋技术向深海发展，具有重要的现实意义。
模拟海洋环境摩擦腐蚀试验机采用高压泵压缩海水，在压力釜内模拟深海高压，试验试件放置在压力釜体内，加载装置、测量系统位于压力釜体外。因此，试验力、加载力需要在压力釜体内、外精确传递与准确测量。然而，运动部件在压力釜上的超高压密封为接触密封，接触密封产生的轴向摩擦力及摩擦力矩难以从测量数据中剔除，直接影响试验力、加载力的测量精度。如何解决高压密封与试验力、加载力的精确传递之间的矛盾，是深海摩擦试验台设计的关键。
技术实现要素：
本发明旨在提供一种能够解决试验力、加载力的传递与高压密封之间的矛盾，实现试验力和加载力在高压釜体内外的精确传递的全海深模拟摩擦腐蚀试验台的加载装置。
为了实现上述目的，本发明提供了一种全海深模拟摩擦腐蚀试验台的环形加载缸，包括：活塞杆和加载缸缸体；
活塞杆包括第一基座、活塞环，第一基座向下延伸出活塞环，第一基座沿轴向开设有贯通的第一轴孔，第一轴孔与活塞环同轴；
加载缸缸体包括第二基座、内环、外环；第二基座向上延伸出内环和外环，活塞环安装于内环和外环之间并密封，活塞环、内环、外环同轴；内环与第二基座沿轴向开设有贯通的且与第一轴孔同轴的第二轴孔；外环开设有连通外界与活塞环、第二基座、内环、外环围成的空间的进口。
进一步地，活塞杆还包括轴套；第一基座向上延伸出轴套，向下延伸出活塞环，第一轴孔沿轴向贯通轴套和第一基座；轴套上端面沿轴向开设有导向孔，导向孔内安装有导向销，导向销与导向孔为大间隙配合。
进一步地，活塞环内壁沿径向开设有环形的轴用密封槽，轴用密封槽内设有环形的轴用密封件，将活塞环和内环的对应面密封；活塞环外壁沿径向开设有环形的孔用密封槽，孔用密封槽内设有环形的孔用密封件，将活塞环和外环的对应面密封。
进一步地，内环外壁在轴用密封件上方沿内环径向开设有第一导向环安装槽，孔用导向环安装于第一导向环安装槽内，并支撑在活塞环内壁上；外环内壁在孔用密封件上方沿外环径向开设有第二导向环安装槽，轴用导向环安装于第二导向环安装槽内，并支撑在活塞环外壁上。
进一步地，外环的内壁在第二导向环安装槽的上方沿径向开设有防尘槽，防尘槽内安装有防尘塞。
为了实现上述目的，本发明还提供了一种全海深模拟摩擦腐蚀试验台的加载装置，包括：
活塞杆、加载缸缸体、驱动轴、推力球轴承、称重传感器、轴承安装座；
活塞杆包括第一基座、活塞环，第一基座向下延伸出活塞环，第一基座沿轴向开设有贯通的第一轴孔，第一轴孔与活塞环同轴；
加载缸缸体包括第二基座、内环、外环；第二基座向上延伸出内环和外环，活塞环安装于内环和外环之间并密封，活塞环、内环、外环同轴；内环与第二基座沿轴向开设有贯通的且与第一轴孔同轴的第二轴孔；外环开设有连通外界与活塞环、第二基座、内环、外环围成的空间的进口；
推力球轴承、轴承安装座、活塞杆、加载缸缸体沿驱动轴的轴向从上至下依次套在驱动轴上，驱动轴插入第一轴孔和第二轴孔内；推力球轴承的定圈固定在轴承安装座上，动圈固定在驱动轴上；
称重传感器的上端固定在轴承安装座下端，称重传感器的下端固定在活塞杆的第一基座上端。
进一步地，活塞杆还包括轴套；第一基座向上延伸出轴套，向下延伸出活塞环，第一轴孔沿轴向贯通轴套和第一基座；轴套上端面沿轴向开设有导向孔，导向孔内安装有导向销，导向销与导向孔为大间隙配合，导向销上端固定在轴承安装座下端。
进一步地，活塞环内壁沿径向开设有环形的轴用密封槽，轴用密封槽内设有环形的轴用密封件，将活塞环和内环的对应面密封；活塞环外壁沿径向开设有环形的孔用密封槽，孔用密封槽内设有环形的孔用密封件，将活塞环和外环的对应面密封。
进一步地，内环外壁在轴用密封件上方沿内环径向开设有第一导向环安装槽，孔用导向环安装于第一导向环安装槽内，并支撑在活塞环内壁上；外环内壁在孔用密封件上方沿外环径向开设有第二导向环安装槽，轴用导向环安装于第二导向环安装槽内，并支撑在活塞环外壁上。
进一步地，外环的内壁在第二导向环安装槽的上方沿径向开设有防尘槽，防尘槽内安装有防尘塞。
本发明的技术效果有：
1.特制的环形加载缸，在功能上相当于两个液压缸并联使用；在结构上，环形活塞既充当一个液压缸的缸体，又充当另一个液压缸的活塞，相当于并联液压缸刚性连接。该加载方案较之并联液压缸，不存在两缸伸出不同步的问题，同时有利于传感器的安装及加载力的精确测量。
2.称重传感器安装在轴承支座与活塞杆之间，较之传统摩擦试验台通过测量加载缸压力间接得到加载力，该系统排除了加载缸密封产生的摩擦力对加载力测量的干扰。
3.中空结构的活塞杆使得环形加载缸能安装在旋转主轴与原动机之间，实现高速旋转加载轴的同侧、同轴式加载，即上试件固定封装在高压釜上罐体内，下试件可同时作旋转运动与轴向移动。与传统摩擦腐蚀试验台异侧加载方式相比，上试件不需要作轴向移动，动密封数量更少，便于实现加载力和试验力在高压釜体内、外的精确传递与准确测量。
附图说明
图1为本发明优选实施例的环形加载缸剖视示意图；
图2为本发明优选实施例的加载装置外形示意图；
图3为图2的A-A剖视图；
图4为本发明优选实施例的一个应用实例的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
请参考图1，本发明优选实施例的环形加载缸包括：活塞杆6.3和加载缸缸体6.4；活塞杆包括第一基座6.3.1、轴套6.3.2、活塞环6.3.3；第一基座6.3.1向上延伸出轴套6.3.2，向下延伸出活塞环6.3.3；轴套6.3.2与第一基座6.3.1沿轴向开设有贯通的第一轴孔，第一轴孔与活塞环6.3.3同轴；加载缸缸体6.4包括第二基座6.4.1、内环6.4.2、外环6.4.3；第二基座6.4.1 向上延伸出内环6.4.2和外环6.4.3，活塞环6.3.3安装于内环6.4.2和外环 6.4.3之间并密封，活塞环6.3.3、内环6.4.2、外环6.4.3 同轴；内环6.4.2与第二基座6.4.1沿轴向开设有贯通的且与第一轴孔同轴的第二轴孔；外环 6.4.3开设有连通外界与活塞环6.3.3、第二基座6.4.1、内环6.4.2、外环6.4.3 围成的空间的进口。
轴套6.3.2上端面沿轴向开设有导向孔，导向孔内安装有导向销6.10，导向销6.10与导向孔为大间隙配合。活塞环6.3.3内壁沿径向开设有环形的轴用密封槽，轴用密封槽内设有环形的轴用密封件6.16，将活塞环6.3.3和内环6.4.2的对应面密封；活塞环6.3.3外壁沿径向开设有环形的孔用密封槽，孔用密封槽内设有环形的孔用密封件6.13，将活塞环6.3.3和外环6.4.3 的对应面密封。内环6.4.2外壁在轴用密封件6.16上方沿内环6.4.2径向开设有第一导向环安装槽，孔用导向环6.17安装于第一导向环安装槽内，并支撑在活塞环6.3.3内壁上；外环6.4.3内壁在孔用密封件6.13上方沿外环 6.4.3径向开设有第二导向环安装槽，轴用导向环6.12安装于第二导向环安装槽内，并支撑在活塞环6.3.3外壁上。外环6.4.3的内壁在第二导向环安装槽的上方沿径向开设有防尘槽，防尘槽内安装有防尘塞6.11。轴用导向环6.12起支撑导向作用，防止活塞环6.3.3和缸体6.4过度磨损。
请参考图2，为本发明优选实施例的加载装置外形示意图，同时也包括图1中环形加载缸部件的外形图，加载装置包括推力球轴承6.1、称重传感器6.2(本实施例为方S形称重传感器，也可以采用其他称重传感器)、活塞杆6.3、加载缸缸体6.4、安装板6.5、固定螺柱6.6、支撑螺柱6.7、轴承安装座6.8、驱动轴6.9。推力球轴承、轴承安装座、活塞杆、加载缸缸体沿驱动轴的轴向从上至下依次套在驱动轴上，驱动轴插入第一轴孔和第二轴孔内；推力球轴承的定圈固定在轴承安装座上，动圈固定在驱动轴上。
方S形称重传感器6.2通过固定螺柱6.6和支撑螺柱6.7分别与活塞杆 6.3、轴承安装座6.8采用螺纹连接。加载缸缸体6.4通过4个内六角螺钉固定在安装板6.5上，安装板6.5为试验台支架7的一部分。
图3为图2的A-A剖视图，剖切位置如图2所示，轴套6.3.2上端面沿轴向开设有导向孔，导向孔内安装有导向销6.10，导向销6.10与导向孔为大间隙配合，导向销6.10上端固定在轴承安装座下端。
图4为加载装置的应用实例示意图，图中主要包括高压釜体1、上试件 2、下试件3、加载轴4、氮化硅轴套5、加载缸部件6、支架部件7、压力表8、加载泵9、入口过滤器10、电机11、溢流阀12、安全阀13。加载缸部件6的轴端6.9.1用于与联轴器、电机等连接，以驱动加载轴4旋转。高压釜体1用于形成密闭容腔，模拟深海高压环境，加载轴4穿过高压釜体1，实现加载力在高压釜体1内、外传递。加载轴4采用不锈钢17-4PH作为基体，表面材料为喷涂或熔覆于基体表面的陶瓷或硬质合金，与之配对的轴套5采用氮化硅陶瓷制成，这使得该配对副具有良好的摩擦学性能及耐磨性。加载轴4与氮化硅轴套5之间为间隙密封，这类非接触式密封能有效剔除密封件所产生摩擦力、摩擦力矩对实验力测量的干扰。
当需要对上、下试件提供法向加载力时，启动加载泵9向环形加载缸注入压力油，驱动活塞杆伸出，并通过推力球轴承传递轴向加载力。溢流阀12起调节作用，用于控制加载缸内的压力，调节加载力大小。安全阀13 用于限制加载缸内的最高压力。调节溢流阀12的调节弹簧压缩量，即 可调节加载缸6内容腔压力，从而控制法向加载力大小，完全松开溢流阀12的调节弹簧即可实现卸载，加载缸内的液压油通过溢流阀12流回油箱。在其他实施例中，液压油也可以直接用海水替代。
具体地，当需要对试件提供法向加载力时，启动加载泵9，压力油通过加载缸接头6.14进入加载液压缸，推动活塞杆6.3伸出，活塞杆通过方S 称重传感器6.2将轴向推力传递给轴承安装座6.8。推力球轴承6.1的定圈与轴承安装座6.8固定，动圈与驱动轴6.9固定，动圈随驱动轴6.9高速旋转，即该结构能将加载缸提供的轴向推力平稳的作用在高速旋转的驱动轴 6.9上。导向销6.10与轴承安装座6.8为过盈配合，与活塞杆6.3为大间隙配合。该结构能保证轴承安装座6.8与活塞杆6.3在周向位置相对固定，同时能灵活地作轴向移动，从而避免称重传感器6.2承受附加扭矩和附加轴向摩擦力。称重传感器6.2安装在活塞杆6.3和轴承支座6.8之间，排除了液压缸密封件产生的摩擦力对加载力测量的干扰。
本实施例中称重传感器数量6.2的数量为2个，对称安装。活塞杆6.3 为中空结构，允许加载轴6.9穿过环形加载缸并通过联轴器与转矩转速仪、电机连接，最终由伺服电机驱动加载轴转动。该结构采用同侧、同轴式加载，上试件固定，下试件同时作旋转运动与轴向移动，较之传统摩擦试验台异侧、异轴式加载，密封数量少，结构紧凑，有利于加载力在压力釜体内、外的精确传递。为适应中空的活塞杆6.3结构，与之对应的活塞及缸体部分均采用环形结构，功能上相当于两个液压缸并联。环形活塞杆6.3的活塞环6.3.3内圆柱面充当一个液压缸的缸体内壁，外圆柱面充当另一个液压缸的活塞外壁。同样，与之对应缸体6.4既起活塞作用(内环6.4.2)，又起到缸体作用(外环6.4.3)。该结构较之两个液压缸并联，不需考虑两缸同步问题，同时便于称重传感器的安装。驱动轴6.9与加载轴4通过扁方结构连接，拆装方便，结构简单且能自动补偿两轴之间轴向位移、径向位移。
驱动轴6.9与高压釜体1通过氮化硅陶瓷内衬形成间隙密封，与传统摩擦试验台加载装置相比，不存在接触密封。避免了高压密封产生的摩擦力影响试验力和加载力的测量精度。同时也能排除密封件在系统运行过程中的无规律磨损导致摩擦力波动，干扰加载力的测量。驱动轴6.9采用复合材料结构，不锈钢基体为17-4PH，主轴表面材料为喷涂或熔覆于基体表面的陶瓷或硬质合金，使主轴可承受较大扭矩，同时具有良好的摩擦学性能。驱动轴6.9与加载轴4采用扁方结构连接，具有自动补偿轴向和径向位移的能力，有效降低了两轴对加工、装配精度的要求。安装在驱动轴6.9上的自适应调整装置，能够保证上、下试件充分接触，并提供始终垂直于接触面的加载力。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。