机载超重离心模拟装置的多功能实验舱的制作方法

本发明涉及超重力技术领域，尤其涉及一种机载超重离心模拟装置的多功能实验舱。

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，急需能够按照这些试验装置或仪器的实验舱，且具备加热、气冷等功能。

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，因此提供了一种装配简单、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和供气支架，舱体一侧壁上开设有接线孔和第一安装孔，舱体另一侧壁对称开设有接线孔和第二安装孔，接线孔处安装接线电极，接线电极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第一安装孔与布线支架相连；第二安装孔中安装冷却气体阀装置，冷却气体经管路连接到冷却气体阀装置，冷却气体阀装置经供气支架上的管路和舱体内的试验仪器进出气口连通。

所述的接线电极包括内六角螺钉、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。

所述的冷却气体阀装置安装于超重力实验舱，包括内六角螺钉、通气阀座、密封套和密封件；通气阀座为具有大小两端的结构，通气阀座的大端端面中心开设有气管固定螺孔，气管固定螺孔和超重力实验舱外部的供气管或排气管密封连接，气管固定螺孔周围的通气阀座的大端端面开设有安装螺孔；密封套套装在通气阀座的小端以及小端和大端之间的台阶上，密封套开设有和安装螺孔对应的连接螺孔，内六角螺钉穿过安装螺孔和连接螺孔后连接到超重力实验舱侧壁的螺纹安装孔中，从而将通气阀座和密封套安装到超重力实验舱上，内六角螺钉与通气阀座的安装螺孔之间设置有密封件；通气阀座小端端部穿出密封套伸入到超重力实验舱内部；超重力实验舱内部的所述通气阀座小端端面中间开设气管连接螺孔，气管连接螺孔和气管固定螺孔之间通过通气阀座内部通道连通，气管连接螺孔和超重力实验舱内部的供气支架上的气管密封连接。

所述的多功能实验舱用于超重力定向凝固试验，作为超重力定向凝固试验的超重力实验舱时，设置两个第二安装孔，每个第二安装孔均安装有一个冷却气体阀装置，一个冷却气体阀装置作为供气装置，另一个冷却气体阀装置作为排气装置，冷却气体由超重力实验舱外部气源经供气滑环/供气管通入供气装置的气管固定螺孔，接着经供气装置的气管连接螺孔进入超重力实验舱内部的气管，为降温或冷却装置供气；超重力实验舱内部排出的冷却气体经由气管通入排气装置的气管连接螺孔，接着经排气装置的气管固定螺孔连通到超重力实验舱外部的排气滑环/排气管排出。

所述的通气阀座和铜电极一致，大端为圆形，小端为方形。

所述的通气阀座和铜电极一致，在小端和大端之间的台阶上设有环形的尖锐凸起，尖锐凸起用于在通气阀座时起到定位作用，同时也可以限制离心机作用下通气阀座径向/轴向移动。

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。

所述接线电极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是本发明在机载超重离心模拟装置的多功能实验舱主视图。

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是接线电极5的主剖视图；

图6是接线电极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第一安装孔。

图10是本发明实验舱在超重力定向凝固实验实施中的连接安装示意图。

图11是冷却气体阀装置的主视图；

图12是冷却气体阀装置的通气阀座2的剖视图；

图13是图12中a的局部放大示意图；

图14是密封套的示意图；

图15是密封件的示意图；

图中：舱体接口件1、上密封穹顶2、舱体吊耳3、真空接口4、接线电极5、布线支架6、舱体7、供气支架8、冷却气体阀装置9、上玻璃压装法兰12-1、上法兰紧固螺钉12-2、石英玻璃12-3、通讯上密封舱盖12-4、通讯舱体12-5、真空插座12-6、第一螺孔12-7、第二螺孔3-1、固定孔4-1、第三螺孔4-2、接线孔7-1、第一安装孔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、内六角螺钉91、通气阀座92、密封套93、密封件94、固定螺孔92-1、气管固定螺孔92-2、气管连接螺孔92-3、连接螺孔93-1。

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，具体实施包括舱体接口件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。

如图2所示，舱体接口件1包括通讯上密封舱盖12-4和通讯舱体12-5，通讯上密封舱盖12-4安装在通讯舱体12-5的上端开口，通讯上密封舱盖12-4和通讯舱体12-5均设有外凸缘，外凸缘台阶面上开设第一螺孔12-7，螺栓穿过第一螺孔12-7连接到上密封穹顶2。舱体接口件1上还设有上玻璃压装法兰12-1、上法兰紧固螺钉12-2、石英玻璃12-3和真空插座12-6，石英玻璃12-3被上玻璃压装法兰12-1固定安装在通讯上密封舱盖12-4顶部中心的开口处，上玻璃压装法兰12-1通过上法兰紧固螺钉12-2固定于上密封舱盖12-4顶部，通讯上密封舱盖12-4，通讯舱体12-5底部开孔，开孔处安装真空插座12-6。

如图9所示，舱体7的腔体内底面固定安装有布线支架6和供气支架8，舱体7一侧壁上开设有接线孔7-1和第一安装孔7-2，舱体7另一侧壁对称开设有接线孔和第二安装孔7-3，接线孔7-1处安装接线电极5，接线电极5经过接线孔7-1与舱体7内部的布线支架6相连，弱信号控制电线经过第一安装孔7-2与布线支架6相连；第二安装孔7-3中安装冷却气体阀装置9，冷却气体经管路连接到冷却气体阀装置9，冷却气体阀装置9经供气支架8上的管路和舱体7内的试验仪器进出气口连通。

如图5和图6所示，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；铜电极52为具有大小两端的结构，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周围的铜电极52的大端端面开设有连接螺孔52-2；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与铜电极52之间设置有电极固定绝缘套54；铜电极52小端端部穿出电极绝缘套53后连接到外部的强电源，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。

如图7和图8所示，布线支架6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；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/螺钉固定连接到舱体7内底面；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；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。

冷却气体阀装置9安装于超重力实验舱，包括内六角螺钉91、通气阀座92、密封套93和密封件94；通气阀座92为具有大小两端的结构，通气阀座92安装于超重力实验舱侧壁的螺纹安装孔中，通气阀座92大端朝外安装，通气阀座92主要用来通气，最高气压不高于5mpa；由紫铜制备。通气阀座92的大端端面中心开设有气管固定螺孔92-2，气管固定螺孔92-2和超重力实验舱外部的供气管或排气管密封连接，气管固定螺孔92-2周围的通气阀座92的大端端面开设有安装螺孔92-1；密封套93套装在通气阀座92的小端以及小端和大端之间的台阶上，密封套93开设有和安装螺孔92-1对应的连接螺孔93-1，内六角螺钉91穿过安装螺孔92-1和连接螺孔93-1后连接到超重力实验舱侧壁的螺纹安装孔中，从而将通气阀座92和密封套93安装到超重力实验舱上，内六角螺钉91与通气阀座92的安装螺孔92-1之间设置有密封件94，密封件94用来将内六角螺钉91与通气阀座92隔离；通气阀座92小端端部穿出密封套93伸入到超重力实验舱内部；超重力实验舱内部的通气阀座92小端端面中间开设气管连接螺孔92-3，气管连接螺孔92-3和气管固定螺孔92-2之间通过通气阀座92内部通道连通，气管连接螺孔92-3和超重力实验舱内部的供气支架上的气管密封连接。

多功能实验舱用于超重力定向凝固试验，作为超重力定向凝固试验的超重力实验舱时，设置两个第二安装孔7-3，每个第二安装孔7-3均安装有一个冷却气体阀装置，一个冷却气体阀装置作为供气装置，另一个冷却气体阀装置作为排气装置，冷却气体由超重力实验舱外部气源经供气滑环/供气管通入供气装置的气管固定螺孔92-2，接着经供气装置的气管连接螺孔92-3进入超重力实验舱内部的气管，为降温或冷却装置供气；超重力实验舱内部排出的冷却气体经由气管通入排气装置的气管连接螺孔92-3，接着经排气装置的气管固定螺孔92-2连通到超重力实验舱外部的排气滑环/排气管排出。

安装螺孔92-1开设有四个，四个安装螺孔92-1沿周向间隔均布，密封套93对应也开设有四个安装螺孔93-1。

通气阀座92和铜电极52一致，大端为圆形，小端为方形，小端为方形和超重力实验舱侧壁的方通孔配合，使得通气阀座92限制转动。

通气阀座92和铜电极52一致，在小端和大端之间的台阶上设有环形的尖锐凸起，尖锐凸起相比安装螺孔92-1更靠近中间位置，尖锐凸起用于在通气阀座92时起到定位作用，同时也可以限制离心机作用下通气阀座92径向/轴向移动。

本发明的通气阀座92选用紫铜合金，具有良好的塑形，在确保通气情况下，具有良好的塑形，防止通气阀座在超重力和冷却交互作用下的疲劳失效。

密封套93将通气阀座92和超重力实验舱隔离密封，防止通气阀座92和超重力实验舱固定时的缝隙漏气，降低实验舱内的真空度。密封套93利用聚四氟乙烯制备，具有隔热保温效果，防止冷却气体温度降低。

密封件94将通气阀座92和内六角螺钉91隔离密封，用来密封内六角螺钉91与通气阀座92连接的缝隙，防止漏气，降低实验舱内的真空度。密封件94也可利用聚四氟乙烯制备，具有隔热保温效果，防止冷却气体温度通过内六角螺钉91散掉。

冷却气体为液氮、压缩空气等，压力不高于5mpa。

本发明适合1g-2500g超重力环境下，温度从室温-150℃。

冷却气体阀装置置于超重力环境下，尤其是用于超重力定向凝固试验。超重力方向沿超重力实验舱的轴向，通气阀座安装于超重力实验舱的侧壁，因此超重力方向沿通气阀座92的径向方向。

本发明的冷却通气结构在超重力环境下，能满足最大供气压力不低于5mpa的要求，有利于通过调节冷却气体流量或压力给加热或降温装置控制冷却速率的范围，能非常灵活地满足各种类型超重力机载装置的降温要求，适应性强，应用范围宽。

如图2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。

如图1所示，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。

接线电极5的连接螺孔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。

接线电极5的铜电极52的大端为圆形，小端为方形；铜电极52的小端端面设置有接线柱52-3，接线柱52-3和超重力装置的强电源的接线端连接。

如图7和图8所示，布线支架6的布线架上横梁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；布线支架6的布线架上横梁61上开设有用来布置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。

本发明的多功能舱使用和运行过程：

第一步：将拟加热或冷却的装置安装在多功能实验舱，实验舱通过舱体吊耳3与离心主机转臂相连；

第二步：通过真空接口4将真空管线通过离心主机转臂与离心主轴的排气滑环连接，在通过排气滑环连接与地面真空机组相连；

第三步：将冷却气体阀装置固定在超重力实验舱壳体上。一个回路，2个通气阀座，一个与供气管连接，一个与排气管连接；

第四步：从地面气源控制阀引出一路供气管，与离心机主轴的供气滑环连接；

第五步：用一路供气管，一端和离心机主轴的供气滑环连接，然后通过主机转臂，另一端与冷却气体阀装置上的供气阀座连接。最大供气压力不高于5mpa；

第六步：将供气管与供气支架相连，防止供气管在超重力环境下断裂和移动；

第七步：再用一路供气管，一端与供气支架上的供气管连接，另一端与降温或冷却装置的供气管连接；

第八步：用一路排气管，一端与降温或冷却装置的排气管连接，另一端与供气支架上的排气管连接，防止排气管在超重力环境下断裂和移动；

第九步：用一路排气管，一端与供气支架上的排气管连接，另一端与冷却气体阀装置上通气阀座连接排气口连接；

第十步：用一路排气管，一端与冷却气体阀装置上通气阀座排气口连接，通过离心机主轴，另一端与离心机主轴的排气滑环连接；

第十一步：用一路排气管，一端与离心机主轴的排气滑环连接，另一端通入到气体排放室或室外；

第十二步：根据高温加热装置的加热分区，确定强电总线路数。下面以一区加热为例，说明加热功能的实现过程：

第十三步：将电极装置固定在超重力实验舱壳体上。一个回路，用二个电极装置。

第十四步：从地面供电柜引出一个回路，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。

第十五步：从主机轴上的电滑环连接引出一个回路，共2根电线，每根电线和每个电极装置铜电极52中的固定螺孔52-1连接。通过铜电极2将地面供电柜的电流供应的到超重力实验舱。

第十六步：通过铜电极52的接线柱52-3，将2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。

第十七步：从布线架靠近高温加热装置段的二个接电位置引出二个独立电线，分别与高温加热装置相连。

第十八步：将控制高温加热装置的热电偶温度延长导线接入信号采集器，信号采集器将接受的温度信号，从模拟信号转变为数字信号；数字信号通过布线架与信号滑环连接，再与地面测控中心连接；

第十九步：将安装在主机转臂上的转速计信号线与弱信号导电滑环连接；

第二十步：实验过程中，利用加热装置上的热电偶，控制实验温度和加热速率。

第二十一步：离心机的转轴上安装转速计，利用转速计控制离心机转速，利用以下公式计算装置所承受的平均离心应力f：

f＝m·a＝m·r(2πn/60)²

其中，m为装置的质量；a为离心加速度，计算公式为a＝r(2πn/60)²，r为装置中心位置到离心机转轴轴线的有效距离；n为离心机的转速。

第二十二步：当上述过程完成，并检查无误后，首先启动地面真空机组，当真空度小于5pa后，启动加热系统，通过控温热电偶和智能控温系统调节加热速率；如果需要冷却，启动气冷系统，利用地面供气阀上的压力表，控制供气流量或压力。