超重力环境下使用的固定式实验舱的制作方法

本发明涉及超重力技术领域，尤其涉及一种超重力环境下使用的固定式实验舱。

背景技术：

利用超重力加快多相介质相间相对运动效应以及超重力模拟常重力过程的缩尺效应、缩时效应和强化能量效应，在超重力离心机上搭载振动台、高压釜、熔铸炉、高压高温腔等机载实验装置，再现物质的大空间、长历时物质演变和灾变全过程，揭示其中的新现象和新规律，解决多相介质的大时空演变和灾变机制这一共性重大科学问题，具有重要的科学意义。

边坡与高坝、岩土地震、深海、深地、地质、材料等领域研究工作者，为了利用超重力离心模拟实验装置完成科学实验，需要在超重力离心模拟实验装置上安装一些特定的实验装置或仪器，如振动台、高压釜、熔铸炉。但由于超重力离心模拟实验装置工作时，处于高速旋转状态，为了确保特定的实验装置或仪器在离心机上安全运行，急需能够安装这些试验装置或仪器的实验舱。

技术实现要素：

本发明需要解决的是针对上述高速旋转状态下搭载试验装置或仪器的难题，提供一种装配简单、使用方便、安全系数高，容积1立方米，载重1吨，适合在1g-2500g超重力环境下使用，最高使用温度200℃，可以提供5-200A强电流接口，弱信号控制线包括温度、应变片等接口，真空接口的实验舱。

本发明采用的技术方案：

本发明包括舱体接口件、上密封穹顶、舱体吊耳和舱体；舱体内部设有腔体，腔体上端开口，舱体的两侧侧壁向外连接有舱体吊耳，两侧的舱体吊耳铰接连接到超重力离心机的吊篮转臂上，上密封穹顶通过螺栓安装连接到舱体的腔体开口端面并密封连接；上密封穹顶的中央安装有舱体接口件，舱体接口件包括通讯上密封舱盖和通讯舱体，通讯上密封舱盖安装在通讯舱体的上端开口，通讯上密封舱盖和通讯舱体均设有外凸缘，外凸缘台阶面上开设第一螺孔，螺栓穿过第一螺孔连接到上密封穹顶；舱体接口件上还设有上玻璃压装法兰、上法兰紧固螺钉、石英玻璃和真空插座，石英玻璃被上玻璃压装法兰固定安装在通讯上密封舱盖顶部中心的开口处，上玻璃压装法兰通过上法兰紧固螺钉固定于上密封舱盖顶部，通讯上密封舱盖，通讯舱体底部开孔，开孔处安装真空插座；舱体的腔体内底面固定安装有布线支架，舱体外侧壁上开设有接线孔和安装孔，接线孔处安装接线电级，接线电级经过接线孔与舱体内部的布线支架相连；弱信号控制电线经过安装孔与布线支架相连；所述的接线电级包括内六角螺钉、铜电极、电极绝缘套和电极固定绝缘套；铜电极为具有大小两端的结构，铜电极的大端端面中心开设有固定螺孔，固定螺孔周围的铜电极的大端端面开设有连接螺孔；电极绝缘套套装在铜电极的小端以及小端和大端之间的台阶上，内六角螺钉穿过连接螺孔连接到电极绝缘套，使得铜电极通过内六角螺钉固定安装在电极绝缘套中，内六角螺钉与铜电极之间设置有电极固定绝缘套；铜电极小端端部穿出电极绝缘套后连接到外部的强电源，铜电极在小端和大端之间的台阶上设有环形的尖锐凸起。所述的固定螺孔通过离心机主机壁与地面供电电源连接。

所述的布线支架包括布线架上横梁、布线架下横梁、布线架立梁和绝缘陶瓷固定件；一根布线架上横梁、多根布线架下横梁从上到下依次平行布置，布线架上横梁位于最上方，布线架上横梁和布线架下横梁的两侧均分别固定连接有布线架立梁之间，使得布线架上横梁和布线架下横梁被两侧的布线架立梁支撑安装，布线架立梁底部设置有凸耳结构，凸耳结构通过螺栓/螺钉固定连接到舱体内底面；布线架上横梁上布置有用超重力环境测试的温度传感器和应变片的弱信号电线；布线架上横梁、布线架下横梁分别和布线架立梁之间均通过圆柱螺钉固接，布线架立梁上沿立梁竖直方向开设有多个安装孔，圆柱螺钉可调整地连接安装在不同安装孔中，使得布线架上横梁、布线架下横梁安装高度位置调整。

所述的上密封穹顶外边缘开设第二螺孔，螺栓穿过第二螺孔连接到舱体，从而使得上密封穹顶与舱体连接。

所述的舱体吊耳径向伸出的凸耳部分的面开设多个间隔的固定孔，螺栓穿过固定孔连接到超重力离心机的转臂，使得舱体吊耳通过固定孔及螺栓与超重力离心机的转臂相连。

所述的舱体吊耳和舱体相连的端面开设有第三螺孔，螺栓穿过第三螺孔连接到舱体，使得舱体吊耳通过第三螺孔及螺栓与舱体相连。

所述的舱体外侧壁上开设有真空接口，真空接口直接和舱体外部的真空管道连接。

所述接线电级的连接螺孔开设有四个，四个连接螺孔沿周向间隔均布，电极固定绝缘套对应也开设有四个安装螺孔。

所述接线电级的铜电极的大端为圆形，小端为方形；所述的铜电极的小端端面设置有接线柱，接线柱和超重力装置的强电源的接线端连接。

所述布线支架的布线架上横梁、布线架下横梁均为倒U形结构，倒U形结构的两侧开设有用于安装圆柱螺钉的固定螺孔，倒U形结构通过圆柱螺钉连接到布线架立梁。

所述布线支架的布线架上横梁上开设有用来布置弱信号电线的固定槽，布线架下横梁上开设有用来布置强电电缆的固定槽。

本发明的有益效果是：

本发明为振动台、高压釜、熔铸炉等超重力环境下运行的特殊装备提供安装平台，同时提供强电、弱电、真空等接口；

本发明为超重力实验提供一种固定式实验舱，解决超重力环境下放置实验装备的难题。

本发明的实验舱具有结构简单，操作方案且安全系数较高的优点。

附图说明

图1是本发明在超重力环境下使用的固定式实验舱主视图。

图2是舱体接口件1的主视图；2-1上玻璃压装法兰；2-2上法兰紧固螺钉；2-3石英玻璃；2-4通讯上密封舱盖；2-5通讯舱体；2-6真空插座；2-7连接螺孔。

图3是上密封穹顶2的主视图；3-1螺孔。

图4是舱体吊耳3的示意图，图4(a)是舱体吊耳3的正视图，图4(b)是舱体吊耳3的侧视图，图4(c)是舱体吊耳3的俯视图；4-1固定孔；4-2螺孔。

图5是接线电级5的主剖视图；

图6是接线电级5的铜电极剖视图及其局部放大图；内六角螺钉51、铜电极52、电极绝缘套53、电极固定绝缘套54、固定螺孔52-1、连接螺孔52-2、接线柱52-3、安装螺孔54-1。

图7是布线支架的主视图；

图8是布线支架的侧视图；布线架上横梁61、布线架下横梁62、布线架立梁63、圆柱螺钉64、十字槽盘头螺钉65、绝缘陶瓷固定件66。

图9是舱体7的示意图；7-1接线孔；7-2安装孔。

图中：舱体接口件1、上密封穹顶2、舱体吊耳3、真空接口4、接线电级5、布线支架6、舱体7、上玻璃压装法兰2-1、上法兰紧固螺钉2-2、石英玻璃2-3、通讯上密封舱盖2-4、通讯舱体2-5、真空插座2-6、第一螺孔2-7、第二螺孔3-1、固定孔4-1、第三螺孔4-2、接线孔7-1、安装孔7-2；布线架上横梁61、布线架下横梁62、布线架立梁63、圆柱螺钉64、十字槽盘头螺钉65、绝缘陶瓷固定件66；内六角螺钉51、铜电极52、电极绝缘套53、电极固定绝缘套54、固定螺孔52-1、连接螺孔52-2、接线柱52-3、安装螺孔54-1。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，包括舱体接口件1、上密封穹顶2、舱体吊耳3和舱体7；舱体7内部设有腔体，腔体上端开口，舱体7的两侧侧壁向外连接有舱体吊耳3，两侧的舱体吊耳3铰接连接到超重力离心机的吊篮转臂上，上密封穹顶2通过螺栓安装连接到舱体7的腔体开口端面并密封连接；上密封穹顶2的中央安装有舱体接口件1，舱体接口件1包括通讯上密封舱盖2-4和通讯舱体2-5，通讯上密封舱盖2-4安装在通讯舱体2-5的上端开口，通讯上密封舱盖2-4和通讯舱体2-5均设有外凸缘，外凸缘台阶面上开设第一螺孔2-7，螺栓穿过第一螺孔2-7连接到上密封穹顶2，从而使得通讯上密封舱盖2-4和通讯舱体2-5通过第一螺孔2-7及螺栓与上密封穹顶2连接固定。

如图2所示，舱体接口件1上还设有上玻璃压装法兰2-1、上法兰紧固螺钉2-2、石英玻璃2-3和真空插座2-6，石英玻璃2-3被上玻璃压装法兰2-1固定安装在通讯上密封舱盖2-4顶部中心的开口处，上玻璃压装法兰2-1通过上法兰紧固螺钉2-2固定于上密封舱盖2-4顶部，通讯上密封舱盖2-4，通讯舱体2-5底部开孔，开孔处安装真空插座2-6；石英玻璃2-3用于肉眼观察舱体7内的情况，真空插座2-6用于和通过离心机转壁引进的真空管线相连。

如图3所示，上密封穹顶2外边缘开设第二螺孔3-1，螺栓穿过第二螺孔3-1连接到舱体7，从而使得上密封穹顶2与舱体7连接。

如图4所示，舱体吊耳3呈T型柱体结构，径向伸出的凸耳部分的面开设多个间隔的固定孔4-1，螺栓穿过固定孔4-1连接到超重力离心机的转臂，使得舱体吊耳3通过固定孔4-1及螺栓与超重力离心机的转臂相连。

舱体吊耳3和舱体7相连的端面开设有第三螺孔4-2，螺栓穿过第三螺孔4-2连接到舱体7，使得舱体吊耳3通过第三螺孔4-2及螺栓与舱体7相连。

舱体7外侧壁上开设有真空接口4，真空接口4直接和舱体7外部的真空管道连接。

如图9所示，舱体7的腔体内底面固定安装有布线支架6，舱体7外侧壁上开设有接线孔7-1和安装孔7-2，接线孔7-1处安装接线电级5，接线电级5经过接线孔7-1与舱体7内部的布线支架6上的强电电线相连；弱信号控制电线经过安装孔7-2与布线支架6上的弱信号控制电线相连。

如图5所示，具体实施的接线电极5包括内六角螺钉51、铜电极52、电极绝缘套53和电极固定绝缘套54。如图6所示，铜电极52为具有大小两端的近似螺栓型结构，大端为圆形，小端为方形，铜电极52的大端端面中心开设有固定螺孔52-1，固定螺孔52-1通过离心机主机壁与地面供电电源连接；固定螺孔52-1周围的铜电极52的大端端面开设有连接螺孔52-2，连接螺孔52-2用于连接安装内六角螺钉51；电极绝缘套53套装在铜电极52的小端以及小端和大端之间的台阶上，内六角螺钉51穿过连接螺孔52-2连接到电极绝缘套53，使得铜电极52通过内六角螺钉51固定安装在电极绝缘套53中，内六角螺钉51用来连接铜电极52和电极绝缘套53，内六角螺钉51主要用来将连接铜电极52和电极绝缘套53固定在舱体7的接线孔7-1上。铜电极52在小端和大端之间的台阶上设有环形的尖锐凸起，尖锐凸起用于在安装铜电极52时起到定位作用，同时也可以限制离心机作用下铜电极52上下移动。

如图6所示，铜电极52小端端部穿出电极绝缘套53后连接到外部超重力装置的强电源，强电源电流从10-200A范围，电极绝缘套53用来将铜电极52和外壁导体隔离，防止漏电；铜电极52的小端端面设置有接线柱52-3，接线柱52-3和外部的强电源的接线端连接。

如图5所示，内六角螺钉51与铜电极52之间设置有电极固定绝缘套54，电极固定绝缘套54用来将内六角螺钉51与铜电极52隔离，防止铜电极52上的电流传到超重力装置，造成漏电事故；电极固定绝缘套54为U型。

具体实施中，连接螺孔52-2开设有四个，四个连接螺孔52-2沿周向间隔均布，电极固定绝缘套54对应也开设有四个安装螺孔，如图5所示，使得内六角螺钉51安装连接。

具体实施中，电极形状选用大尺寸铜柱，确保电极在超重力和电流发热情况具有良好的导电性，也不需对铜电极进行水冷，能非常灵活地安装在各种类型的超重力实验舱上。

电极材料选用铜合金，具有良好的塑形，在确保导电情况下，具有良好的塑形，防止电极装置在超重和电流产生的热量交互作用下的疲劳失效。铜柱电极能减少单位面积上的载流量，可以满足10-200A范围内各种输电需求。

如图7和图8所示，具体实施包括布线架上横梁61、布线架下横梁62、布线架立梁63和绝缘陶瓷固定件66；设置两根竖直平行布置的布线架立梁63，一根布线架上横梁61、多根布线架下横梁62从上到下依次平行布置，布线架上横梁61位于最上方，布线架上横梁61和布线架下横梁62的两侧均分别固定连接有布线架立梁63之间，使得布线架上横梁61和布线架下横梁62被两侧的布线架立梁63支撑安装，布线架立梁63底部设置有凸耳结构，凸耳结构通过螺栓/螺钉固定连接到实验舱的舱体7内底面；布线架上横梁61连接在两侧的布线架立梁63之间，布线架上横梁61上布置有用超重力环境测试的温度传感器和应变片的弱信号电线，超重力环境中温度传感器和应变片经弱信号电线和超重力离心机上的弱信号导电滑环连接；布线架下横梁62也连接在两侧的布线架立梁63之间，布线架下横梁62上间隔安装有多个绝缘陶瓷固定件66，多个绝缘陶瓷固定件66沿布线架下横梁62等间隔布置，绝缘陶瓷固定件66连接强电电缆，强电电流5-200A，超重力离心机中安装有高温加热装置，高温加热装置的三个独立控温温度延长导线经强电电缆接入信号采集器。；布线架立梁63主要用来连接布线架上梁1和2根布线架下横梁62，同时用来将布线架固定在超重力实验装置上。

如图8所示，布线架上横梁61、布线架下横梁62分别和布线架立梁63之间均通过圆柱螺钉64固接，布线架立梁63上沿立梁竖直方向开设有多个安装孔，圆柱螺钉64可调整地连接安装在不同安装孔中，使得布线架上横梁61、布线架下横梁62安装高度位置调整。圆柱螺钉64用来将布线架上梁1，布线架下横梁62和布线架立梁63连接。

绝缘陶瓷固定件66通过十字槽盘头螺钉65固定于布线架下横梁62上。十字槽盘头螺钉65用来在2根布线架下横梁62上固定绝缘陶瓷固定件66。绝缘陶瓷固定件66用来固定强电电缆，且具有绝缘作用，防止漏电。

具体实施中，布线架上横梁61上开设有用来布置温度传感器和应变片的弱信号电线的固定槽，布线架下横梁62上开设有用来布置强电电缆的固定槽。且具体实施中，布线架上横梁61、布线架下横梁62均为倒U形结构，倒U形结构的两侧开设有用于安装圆柱螺钉64的固定螺孔，倒U形结构通过圆柱螺钉64连接到布线架立梁63。

本发明提供的超重力环境下使用的一种固定式实验舱，具有与离心机连接方便，容积1立方米，载重1吨，适合在1g-2500g超重力环境下使用，最高使用温度200℃，可以提供5-200A强电流接口，弱信号控制线包括温度、应变片等接口，真空接口。

本发明的固定式实验舱的使用过程为：

超重力离心机中布置有高温加热装置，根据高温加热装置的加热分区，确定强电电缆路数；根据测试过程中需要的温度、应变等弱信号情况，确定弱信号电线路数。

下面以三区独立加热高温加热装置、三个温度控制信号、三个应变测试信号为例，说明使用和运行过程：

第一步：布线架上横梁61和两层布线架下横梁62通过布线架立梁63固定。同时将接线电极固定在超重力离心机的实验舱壳体上，三个回路，用六个接线电极。

第二步：将布线支架固定在超重力实验舱底座上。三个强电电缆，用六个接线电极，3个温度弱信号回路、3个应变弱信号回路。

布线支架分三层，第一层布线支架为布线架上横梁61，用来布置弱电信号线；两层布线架下横梁62，用来布置三路强电线路。

从地面供电柜/主机轴上的电滑环连接引出三个回路，共六根电线，分别和主机轴上的电滑环连接。每个回路的可以是直流电或交流电，最大电流为200A。每根电线和每个接线电极铜电极52中的固定螺孔52-1连接。通过铜电极52将地面供电柜的电流供应的到实验舱内部。

第三步：强电电缆通过固定十字槽盘头螺钉65和绝缘陶瓷固定件66固定在布线架下横梁62的一段，然后沿横梁布线。为了防止超重力实验舱运行过程中，电线移动，在布线架下横梁62的两个立梁之间用7个十字槽盘头螺钉65和绝缘陶瓷固定件66依次固定，然后在立梁另一段外侧，再用十字槽盘头螺钉65和绝缘陶瓷固定件66固定。

同时将通过铜电极52的接线柱52-3，六个接线电极将六根电源线与布线架相连，防止电线在超重力环境下断裂，或缠结。

第四步：从弱信号导电滑环引出三个温度弱信号回路和三个应变弱信号回路通过布线架上横梁61固定。由于弱信号电线电流小，线细且轻，直接沿横梁布置。

第五步：从靠近高温加热装置段的六个接线电极引出六个独立电线，分别与高温加热装置相连。其中将第一个回路和高温炉上加热区连接；将第二个回路和高温炉中加热区连接；将第三个回路和高温炉下加热区连接。高温炉上、中、下三个加热区分别独立加热。实验过程中，可以根据需要在不同的加热区设置不同的温度。

第六步：实验过程中，将控制高温加热装置的三个独立控温温度延长导线接入信号采集器，并且将温度传感器和应变片采集的信号实时传给信号采集器，信号采集器将获得模拟信号转变为数字信号，再通过布线架与信号滑环连接，最后与地面测控中心连接。