热真空环境的摩擦实验装置

1.本发明涉及热真空环境下的驱动加载测试领域，更具体的说，尤其涉及一种热真空环境的摩擦实验装置。


背景技术：

2.现有一适用于航天领域的制动器，设备的目的是使得旋转轴减速直至停止转动。该种制动器的主要工作环境是热真空环境，它的主要原理是：利用制动器内的摩擦副产生与阻止旋转轴旋转的扭矩，从而使得目标轴减速直至停止转动。为了研究该制动器在不同工况、不同环境、不同转向下的性能、寿命等特性需要在地面进行相应的模拟测试。
3.为完成该制动器的地面模拟测试，需要设计一种热真空环境的摩擦实验装置，该种热真空环境的摩擦实验装置需要完成的测试有：1.不同转速下的制动器打滑测试，该测试中要求达到的转速极高、扭矩较大；2.不同转向下的打滑测试；3.不同温度下的打滑测试。
4.目前，地面真空驱动加载设备使用真空电机提供的转速和转速，但其提供的转速和转矩有限且其可以在真空环境工作但工作的温度区间有限。当实验需要高转速和高扭矩时，难以满足需求，需要将测试件置于真空箱内，在真空箱上的两侧均安装磁流体密封轴，在真空箱外部使用高转速大扭矩的伺服电机与一侧磁流体相连，从而驱动测试件；另一侧磁流体密封轴与磁滞制动器等连接，从而对测试件加载。这种方法，势必导致传动链很长，其同轴度难以保证，且所需场地较大；需要定制专用的真空箱，以配合合适的磁流体密封轴，经济效益低。
5.目前，进行加载打滑实验时，大多采用磁滞制动器提供加载，但是磁滞制动器的原理导致其加载和卸载具有延迟，无法完成瞬间的加载和卸载，从而可能会影响实验的准确性。
6.目前，尚无在热真空的环境内设置常温常压箱的设计。在热真空环境内，主要考虑常温常压箱的温度会对测试件的测试环境温度产生影响，从而影响实验的精确度。在真空环境内无法产生热对流，主要的热传递方式是热传导和热辐射，只需要抑制这两种热传递的方式，可以极大程度的提高实验精确度。
7.现欲实现制动器的地面模拟测试，需求可以实现大扭矩高转速条件下的实验、传动链短易于保证较高同轴度、加载和卸载的速度快、无需定制真空箱且实验所需场地较小。而现有的地面真空驱动加载设备真空电机无法满足所需的转速和扭矩，而真空箱外部驱动加载所需传动链长，同轴度难以保证，所需场地大，加载和卸载具有一定的延迟，需要定制相应的真空箱。进而提供一种传动链短、同轴度高、所需场地小、实现良好隔热且加载速度快的一种热真空环境的摩擦实验装置。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于解决现有的地面真空驱动加载设备真空电机存在无法满足实
验所需的转速、扭矩和工作温度的问题，而采用真空箱外部驱动加载所需传动链长，同轴度难以保证，所需场地大，加载和卸载具有一定的延迟，需要定制相应的真空箱等问题，提出了一种传动链短、同轴度高、所需场地小、实现良好隔热且加载速度快的热真空环境的摩擦实验装置。
9.本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种热真空环境的摩擦实验装置，包括可控温真空箱、加载箱、总安装底板、加载端磁流体密封轴、第三隔热联轴器、扭矩传感器、第一隔热联轴器、测试件、第二隔热联轴器、驱动端磁流体密封轴、驱动端常温常压箱、驱动装置和加载装置，所述总安装底板固定在可控温真空箱的内部底板上，驱动端常温常压箱、测试件和加载箱均固定安装在总安装底板上，测试件设置有驱动端和加载端，测试件的驱动端和加载端为同一根轴的两端，驱动端常温常压箱和加载箱分别设置在测试件的左右两侧；所述驱动装置固定在驱动端常温常压箱内，驱动装置的输出端通过加载端磁流体密封轴和第二隔热联轴器连接测试件的驱动端，驱动装置提供摩擦试验所需的驱动力；所述加载装置固定在加载箱内，加载装置的输出端依次连接加载端磁流体密封轴、第三隔热联轴器、扭矩传感器和第一隔热联轴器后连接测试件的加载端，加载装置提供摩擦试验所需的加载。
10.进一步的，所述驱动装置包括伺服电机、伺服放大器、伺服放大器支架、温度气压传感器、驱动端小带轮、驱动端大带轮、驱动端同步带、驱动端主轴、第二支架、驱动端安装底板、电机支座和第三联轴器，所述伺服放大器通过伺服放大器支架固定在驱动端常温常压箱上，温度气压传感器固定在驱动端常温常压箱的侧壁上；所述驱动端常温常压箱的内部底面上固定有驱动端安装底板，伺服电机通过电机支座固定在驱动端安装底板上；所述伺服电机的输出端固定有驱动端小带轮，驱动端大带轮通过第二胀紧套固定在驱动端主轴的一端，驱动端小带轮和驱动端大带轮通过驱动端同步带连接，所述驱动端主轴通过轴承安装在第二支架上，第二支架固定在驱动端安装底板上，驱动端主轴的另一端通过第三联轴器连接驱动端磁流体密封轴的一端，伺服放大器与伺服电机电连接并控制伺服电机的工作。
11.进一步的，所述加载装置包括加载端安装底板、刹车器、磁滞制动器、加载轴、u型架、第一支架、加载端主轴、加载端小带轮、加载端大带轮、加载端同步带、编码盘和第二联轴器，所述加载端安装底板固定在加载箱底部，第一支架和u型架均固定在加载端安装底板上，刹车器固定在u型架的一条侧边外侧，磁滞制动器固定在u型架的中间部位，加载轴穿过穿过磁滞制动器和刹车器且通过滚珠轴承安装在u型架上，加载轴伸出u型架的部分上固定有加载端小带轮；所述加载端主轴通过滚珠轴承安装在第一支架上，加载端大带轮通过第一胀紧套固定在加载端主轴的一端，加载端大带轮和加载端小带轮通过加载端同步带连接；所述加载端主轴的另一端通过第二联轴器连接加载端磁流体密封轴的一端，所述加载端主轴上套装有编码盘。
12.进一步的，所述可控温真空箱侧面设置有真空箱端盖，真空箱端盖和可控温真空箱通过螺栓固定连接，可控温真空箱和真空箱端盖共同组成真空箱。真空箱自带温度调节和实现真空环境的功能，可实现可控温真空箱内的热真空环境。
13.进一步的，所述总安装底板的两侧设置有定位槽，总安装底板的中间设置有隔热孔，加载箱和驱动端常温常压箱底部设计有定位凸台，加载箱和驱动端常温常压箱与总安
装底板通过定位凸台与定位槽的过盈配合实现定位，加载箱和驱动端常温常压箱通过螺栓固定在总安装底板上。
14.进一步的，所述加载箱的侧面设置有加载箱端盖，加载箱端盖通过螺栓固定在加载箱上。
15.进一步的，所述驱动端常温常压箱的侧壁上设置有插件安装板，插件安装板上设置有进气口、电接插件和出气口。进气口、电接插件和出气口均通过螺栓固定在插件安装板，插件安装板与驱动端常温常压箱侧壁的连接为密封连接，进气口、电接插件和出气口与插件安装板的连接为密封连接。电接插件用于驱动端常温常压箱内各种机构的电缆走线，进气口用于连接外接进气管，出气口用于连接外接出气管，通过进气口和出气口将驱动端常温常压箱的内部与外界环境连通，使得整个驱动端常温常压箱内始终处于常温常压环境。
16.进一步的，所述伺服放大器支架通过螺栓固定在驱动端常温常压箱的顶部侧壁上。
17.进一步的，温度气压传感器固定在与插件安装板相对的驱动端常温常压箱的侧壁上。
18.进一步的，所述驱动端常温常压箱上还设置有常温常压箱端盖。
19.进一步的，所述驱动端磁流体密封轴的外壳与驱动端常温常压箱的侧壁密封连接，所述加载端磁流体密封轴的外壳与加载箱的侧壁密封连接。驱动端常温常压箱的侧壁上加工有驱动端磁流体密封轴的安装孔，加载端磁流体密封轴和加载端箱的安装孔轴线重合后，加载端磁流体密封轴通过螺栓与加载箱固定，其伸出轴一端通过第三隔热联轴器与扭矩传感器连接，另一端伸出轴通过第二联轴器与加载端主轴连接。驱动端常温常压箱端面上加工有驱动端磁流体密封轴的安装孔，驱动端磁流体密封轴和驱动端常温常压箱的安装孔轴线重合后，驱动端磁流体密封轴通过螺栓与驱动端常温常压箱固定。
20.进一步的，所述编码盘为中空式编码盘，编码盘的外壳通过螺栓固定在第一支架上。
21.本发明的有益效果在于：
22.1、本发明可以将伺服电机置于由常温常压箱的开口端面通过螺栓与常温常压箱端盖14固定形成常温常压箱，在既可以满足大扭矩高转速测试要求的情况下，无需真空罐外驱动和加载，使得完成测试时无需定制专用真空罐只需可放下安装平台即可且极大程度的缩短了传动链长度，易于保证同轴度。
23.2、本发明设计了第一隔热联轴器、第二隔热联轴器，常温常压箱、常温常压箱端盖以及总安装底板，在热真空的测试环境中，由常温常压箱的开口端面通过螺栓与常温常压箱端盖固定形成常温常压箱会对测试件产生温度影响，真空条件下的热传递方式主要是热传导和热辐射，隔热联轴器和第二隔热联轴器均由隔热材料制成，而总安装底板不仅由隔热材料制成更加工了许多矩形通孔，用以抑制了常温箱对测试件的热传导，减小了实验误差。常温常压箱与常温常压箱端盖内外均涂有防辐射涂层，极大程度了热辐射对测试件的影响，减小了实验误差。
24.3、本发明设计了进气口、出气口和温度气压传感器，当工作在热真空环境中时，通过进气口对常温常压箱的开口端面通过螺栓与常温常压箱端盖固定形成常温常压箱内部
输入冷空气，并从出气口排除内部空气，确保伺服电机等原件工作在适宜的温度与适宜的气压，并可通过温度气压传感器实时监控常温常压箱内部温度，便于对进气口输入冷空气的速率、和出气口排气的速率进行实时调节。
25.4、本发明设计了由常温常压箱的开口端面通过螺栓与常温常压箱端盖固定形成常温常压箱固定形成的常温常压箱和驱动端同步带、驱动端小带轮、驱动端大带轮；当真空电机无法提供满足实验所需的力矩、转速、精度时，使得无法在真空条件下工作的伺服电机也可以置于真空箱内，并可通过皮带轮增大力矩，以满足实验需求无需进行罐外加载驱动，同时通过皮带轮最大程度的利用空间，使得实验台的十分小巧，从而减小了实验所需的场地大小。
26.5、本发明设计了刹车器，一般实验中采用电机带动测试件转动，然后磁滞制动器加载实现打滑实验，而磁滞制动器加载存在一段时间的延迟，会影响实验数据。本发明中当电机达到实验所需转速时，通过刹车器瞬间抱死加载轴，通过驱动端同步带、驱动端小带轮、驱动端大带轮使得加载端主轴停止转动，实现对测试件的瞬间驱动加载，实现瞬间达到打滑实验的目的，消除了加载时间。
附图说明
27.图1是本发明一种热真空环境的摩擦实验装置的主视图。
28.图2是本发明一种热真空环境的摩擦实验装置的后视剖视视图。
29.图3是本发明一种热真空环境的摩擦实验装置的右视图。
30.图4是本发明一种热真空环境的摩擦实验装置的左视图。
31.图5是本发明总安装底板的结构示意图。
32.图中，1
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真空箱端盖、2
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可控温真空箱、3
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加载箱端盖、4
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加载箱、5
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加载端磁流体密封轴、6
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第三隔热联轴器、7
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扭矩传感器、8
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第一隔热联轴器、9
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测试件、10
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第二隔热联轴器、11
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驱动端磁流体密封轴、12
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总安装底板、13
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驱动端常温常压箱、14
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驱动端常温箱端盖、15
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接插件安装板、16
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进气口、17
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电接插件、18
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出气口、19
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刹车器、20
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磁滞制动器、21
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u型架、22
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第一胀紧套、23
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加载端同步带、24
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第一支架、25
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编码盘、26
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第二联轴器、27
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伺服电机、28
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第三联轴器、29
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驱动端主轴、30
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第二支架、31
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电机支座、32
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驱动端安装底板、33
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驱动端同步带、34
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第二胀紧套、35
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伺服放大器支架、36
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温度气压传感器、37
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伺服放大器、38
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加载端安装底板、39
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加载端主轴、40
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加载端大带轮、41
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加载端小带轮、42
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加载轴、43
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驱动端小带轮、44
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驱动端大带轮。
具体实施方式
33.下面结合附图对本发明作进一步说明：
34.如图1~5所示，一种热真空环境的摩擦实验装置，包括可控温真空箱2、加载箱4、总安装底板12、加载端磁流体密封轴5、第三隔热联轴器6、扭矩传感器7、第一隔热联轴器8、测试件9、第二隔热联轴器10、驱动端磁流体密封轴11、驱动端常温常压箱13、驱动装置和加载装置，所述总安装底板12固定在可控温真空箱2的内部底板上，驱动端常温常压箱13、测试件9和加载箱4均固定安装在总安装底板12上，测试件9设置有驱动端和加载端，测试件9的驱动端和加载端为同一根轴的两端，驱动端常温常压箱13和加载箱4分别设置在测试件9的
左右两侧；所述驱动装置固定在驱动端常温常压箱13内，驱动装置的输出端通过加载端磁流体密封轴5和第二隔热联轴器10连接测试件9的驱动端，驱动装置提供摩擦试验所需的驱动力；所述加载装置固定在加载箱4内，加载装置的输出端依次连接加载端磁流体密封轴5、第三隔热联轴器6、扭矩传感器7和第一隔热联轴器8后连接测试件9的加载端，加载装置提供摩擦试验所需的加载。
35.所述驱动装置包括伺服电机27、伺服放大器37、伺服放大器支架35、温度气压传感器36、驱动端小带轮43、驱动端大带轮44、驱动端同步带33、驱动端主轴29、第二支架30、驱动端安装底板32、电机支座31和第三联轴器28，所述伺服放大器37通过伺服放大器支架35固定在驱动端常温常压箱13上，温度气压传感器36固定在驱动端常温常压箱13的侧壁上；所述驱动端常温常压箱13的内部底面上固定有驱动端安装底板32，伺服电机27通过电机支座31固定在驱动端安装底板32上；所述伺服电机27的输出端固定有驱动端小带轮43，驱动端大带轮44通过第二胀紧套34固定在驱动端主轴29的一端，驱动端小带轮43和驱动端大带轮44通过驱动端同步带33连接，所述驱动端主轴29通过轴承安装在第二支架30上，第二支架30固定在驱动端安装底板32上，驱动端主轴29的另一端通过第三联轴器28连接驱动端磁流体密封轴11的一端，伺服放大器37与伺服电机27电连接并控制伺服电机27的工作。
36.所述加载装置包括加载端安装底板38、刹车器19、磁滞制动器20、加载轴42、u型架21、第一支架24、加载端主轴39、加载端小带轮41、加载端大带轮40、加载端同步带23、编码盘25和第二联轴器26，所述加载端安装底板38固定在加载箱4底部，第一支架24和u型架21均固定在加载端安装底板38上，刹车器19固定在u型架21的一条侧边外侧，磁滞制动器20固定在u型架21的中间部位，加载轴42穿过穿过磁滞制动器20和刹车器19且通过滚珠轴承安装在u型架21上，加载轴42伸出u型架21的部分上固定有加载端小带轮41；所述加载端主轴39通过滚珠轴承安装在第一支架24上，加载端大带轮40通过第一胀紧套22固定在加载端主轴39的一端，加载端大带轮40和加载端小带轮41通过加载端同步带23连接；所述加载端主轴39的另一端通过第二联轴器26连接加载端磁流体密封轴5的一端，所述加载端主轴39上套装有编码盘25。
37.所述可控温真空箱2侧面设置有真空箱端盖1，真空箱端盖1和可控温真空箱2通过螺栓固定连接，可控温真空箱2和真空箱端盖1共同组成真空箱。
38.所述总安装底板12的两侧设置有定位槽，总安装底板12的中间设置有隔热孔，加载箱4和驱动端常温常压箱13底部设计有定位凸台，加载箱4和驱动端常温常压箱13与总安装底板12通过定位凸台与定位槽的过盈配合实现定位，加载箱4和驱动端常温常压箱13通过螺栓固定在总安装底板12上。
39.所述加载箱4的侧面设置有加载箱端盖3，加载箱端盖3通过螺栓固定在加载箱4上。
40.所述驱动端常温常压箱13的侧壁上设置有插件安装板15，插件安装板15上设置有进气口16、电接插件17和出气口18；进气口16、电接插件17和出气口18均通过螺栓固定在插件安装板15，插件安装板15与驱动端常温常压箱13侧壁的连接为密封连接，进气口16、电接插件17和出气口18与插件安装板15的连接为密封连接。
41.所述伺服放大器支架35通过螺栓固定在驱动端常温常压箱13的顶部侧壁上。
42.所述驱动端常温常压箱13上还设置有常温常压箱端盖。
43.所述编码盘25为中空式编码盘25，编码盘25的外壳通过螺栓固定在第一支架24上。
44.本发明可以进行不同转速下的打滑实验：
45.1)安装完成后，调节可控温真空箱2使其内部温度达到实验所需并抽出空气实现热真空环境；
46.2)进气口16向由常温常压箱13的开口端面通过螺栓与常温常压箱端盖14固定形成常温常压箱固定形成的常温常压箱注入冷空气、出气口18排出常温常压箱内的气体，并通过温度气压传感器36对其内部温度和气压实时监控，实验过程中当温度高于阈值时加大注入冷空气的速率、加大排气速率，以保证伺服电机工作在适宜的气压和温度；
47.3)启动伺服电机27达到实验所需的最低转速；电机带动驱动端小带轮43，驱动端小带轮43通过驱动端同步带33带动驱动端大带轮44转动，驱动端大带轮44带动驱动端主轴29转动，从而使得测试件9开始转动
48.4)启动刹车器19 ，刹车器19瞬间抱死加载轴42，驱动端小带轮43停止转动，通过驱动端同步带33使得驱动端大带轮44停止转动，从而使得测试件9的加载端停止转动，测试件9瞬间实现打滑，其间编码盘25用于检测加载端主轴39是否停止转动，扭矩传感器7将实时数据传递给数据处理系统；
49.5)关闭刹车器19，调节伺服电机27转速至下一个所需速度；
50.6)重复上述第四步与第五步，直至实验完成。
51.本发明可以进行加载实验：
52.①
安装完成后，调节可控温真空箱2使其内部温度达到实验所需并抽出空气实现热真空环境；
53.②
进气口16向由常温常压箱13的开口端面通过螺栓与常温常压箱端盖14固定形成常温常压箱固定形成的常温常压箱注入冷空气、出气口18排出常温常压箱内的气体，并通过温度气压传感器36对其内部温度和气压实时监控，实验过程中当温度高于阈值时加大注入冷空气的速率、加大排气速率，以保证伺服电机工作在适宜的气压和温度；
54.③
启动伺服电机27达到实验所需的转速；电机带动驱动端小带轮43，驱动端小带轮43通过驱动端同步带33带动驱动端大带轮44转动，驱动端大带轮44带动驱动端主轴29转动，从而使得测试件9开始转动
55.④
启动磁滞制动器20 ，磁滞制动器20对加载轴42加载，通过驱动端小带轮43驱动端同步带33使得驱动端大带轮44被加载，从而使得测试件9的加载端实现加载，测试件9开始加载试验，其间编码盘25与扭矩传感器7将实时数据传递给数据处理系统；
56.⑤
调整磁滞制动器20的加载大小；
57.⑥
重复上述第四步与第五步，直至实验完成。
58.上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。