CN111044401B - 一种自带真空室的便携式粉尘磨损测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自带真空室的便携式粉尘磨损测试装置，具体涉及用于登月航天服月尘防护、清洁机理研究的自带真空室的便携式粉尘磨损测试设备，属于复杂环境个体防护技术领域。该设备主要由载荷装置、传动系统、控制系统和真空室等四部分组成。是一种能进行材料级粉尘填料磨损测试和粉尘真空磨损测试的装置。能够进行刚性‑刚性、刚性‑柔性、柔性‑柔性等不同物理特性的材料间的填料磨损测试。该装置自带密封舱并设有观察窗，可进行动态粉尘填料。在工作过程中可避免粉尘对环境造成影响。可以接真空泵模拟真空环境进行磨损测试。

Description

一种自带真空室的便携式粉尘磨损测试装置
技术领域
本发明涉及一种自带真空室的便携式粉尘磨损测试装置，具体涉及用于登月航天服月尘防护、清洁机理研究的自带真空室的便携式粉尘磨损测试设备，属于复杂环境个体防护技术领域。
背景技术
国际上以月球、火星等为主要目的地的深空探测进入了一个新的阶段，探测的规模更大、参与的国家更多，重返月球、建立月球基地等深空探测目标更为明确[1]。美国阿波罗登月计划是迄今为止唯一成功的载人登月计划，从阿波罗登月经验来看，月尘问题是载人登月及开展月面探测所要面对的首要挑战。研究认为：1、月尘附着力与月尘粒子和物体之间形成的表面能有关；2、月尘附着力和对材料磨损能力与月尘颗粒的表面极不规则形状有关；3)在地球表面，颗粒物都会或多或少地吸附一些气体，相互接触的颗粒之间一般被气体分子吸附层隔离，气体吸附层的存在大大地减少了颗粒间的摩擦力。月壤颗粒处于高度真空之中，相互之间极易发生黏着、冷焊和干摩擦，在高真空环境中，模拟物质与其他物体之间的摩擦力增大，增加的幅度从1.5倍至60倍不等；在上述研究的牵引和带动下，必须开展开展登月服备选纺织材料附着特性研究、利用模拟月尘开展登月服纺织材料附着特性测试标准及评价技术研究、降低月尘吸附特性的材料技术研究、除尘技术研究等系列技术研究，为人类重返月球建立了先期技术储备。
发明内容
本发明目的为提供一种自带真空室的便携式粉尘磨损测试装置，该装置可用于模拟月尘开展登月服纺织材料附着特性测试标准及评价。是一种能进行材料级粉尘填料磨损测试和粉尘真空磨损测试的装置。能够进行刚性-刚性、刚性-柔性、柔性-柔性等不同物理特性的材料间的填料磨损测试。该装置自带密封舱并设有观察窗，可进行动态粉尘填料。在工作过程中可避免粉尘对环境造成影响。可以接真空泵模拟真空环境进行磨损测试。
本发明目的通过下述技术方案实现的。
一种自带真空室的便携式粉尘磨损测试装置，包括：底座、下壳体、穿舱接头、法兰、观察窗、上壳体、真空扬尘接头、支架和动力总成；传动带组合置于支架内部，将提供的动力传输给星型传动；底座、下壳体、法兰、观察窗和上壳体依次固定连接；下壳体侧壁开设有穿舱接头；真空扬尘接头设置在上壳体上；
星型传动与摩擦轮连接，带动摩擦轮转动工作；
集尘座为带有三凸台的圆饼结构，分别为第一凸台、第二凸台和第三凸台，第一凸台位于；第一凸台位于圆饼中心位置，第三凸台位于圆饼边缘位置，第二凸台位于第一凸台和第三凸台之间；第二凸台与第三凸台形成的凹槽用于放置快拆卡环，进而实现对试片的固定；试片基座置于第一凸台上，且位于第二凸台内；负荷总成固定在底座上，用于控制驱动传动组合沿导向杆轴线方向带动集尘座运动；压力传感器安装在传动组合与集尘座之间，用于采集集尘座带动试片座、试片与摩擦轮的接触压力；
工作过程：将放置在上，通过固定；带动使与接触；工作，施加负载；
通过试片基座对试片和摩擦轮施加负载。控制系统对动力总成进行转速控制，通过穿舱接头，对压力传感器信号进行反馈，对载荷装置的负荷总成进行控制，实现加载操作。
在模拟常压环境试验时，可经由接头，按需进行粉尘吹拂，模拟扬尘环境进行磨损测试。
在模拟真空环境试验时，可经由接头外接真空泵对舱体抽真空，模拟高真空环境进行磨损测试。
便携式真空磨损测试设备满足以下性能要求：
1)电机选用直流减速电机，电压24V，功率≥6W；扭矩不小于4N/m；
配备调速装置，输出转速在15～300r/min之间可调；
2)整机的粉尘区分为工作区及集落区；粉尘区应与其它工作区域相隔离；
3)粉尘区与集落区具有承受绝对真空的能力；
4)样件的压力施加可以在0～10N任意调节，并有压力表显示；
5)控制系统：
·可依据计数控制电机工作
·可依据计时控制电机工作
·显示电机转速
·电机转速无级调节
·实时压力显示
·手动压力调节
整机为台式仪器，整机质量小于30Kg。
有益效果
1、本发明的一种自带真空室的便携式粉尘磨损测试装置，初步针对模拟月尘样本，包括长石、玻璃、橄榄石、长铁矿及人造月尘等，获取了不同成分、不同粒度、不同形态的模拟月尘样本在常压及真空环境下，对材料的渗透和腐蚀等具体实验参数。
2、本发明的一种自带真空室的便携式粉尘磨损测试装置，借助模拟月尘开展的登月服外层防护材料筛选，对材料耐磨损性能情况提供了科学依据。
附图说明
图1为机械结构整机示意图；
图2为机械结构整机内部结构剖切示意图；
图3为真空磨损测试设备实物图。
其中，1—底座、2—下壳体、3—穿舱接头、4—法兰、5—观察窗、6—上壳体、7—真空扬尘接头、8—支架、9—动力总成、10—摩擦轮、11—星型传动、12—传动带组合、13—试片、14—试片基座、15—快拆卡环、16—集尘座、17—传动组合、18—压力传感器、19—导向杆、20—负荷总成。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行进一步阐述。
实施例1
一种自带真空室的便携式粉尘磨损测试装置，如图1、2、3所示，主要由底座1、下壳体2、穿舱接头3、法兰4、观察窗5、上壳体6、真空扬尘接头7、支架8、动力总成9、摩擦轮10、星型传动11、传动带组合12、试片13、试片基座14、快拆卡环15、集尘座16、传动组合17、压力传感器18、导向杆19、负荷总成20等组成。
磨损测试设备主要由载荷装置、传动系统、控制系统和真空室四部分组成：底座1、下壳体2、穿舱接头3、法兰4、观察窗5、上壳体6、真空扬尘接头7共同构成设备的真空室。支架8、动力总成9、摩擦轮10、星型传动11、传动带组合12构成设备的传动系统，实现摩擦轮10围绕轴心，在水平方向与试片13间的相对运动。试片基座14、快拆卡环15、集尘座16、传动组合17、压力传感器18、导向杆19、负荷总成20等组成载荷装置，通过试片基座14对试片13和摩擦轮10施加负载。控制系统对动力总成9进行转速控制，通过穿舱接头3，对压力传感器18信号进行反馈，对载荷装置的负荷总成20进行控制，实现加载操作。
本装置有常压环境粉尘动态加注磨损测试和真空环境下填料磨损测试两种工作方式，在设备工作时可防止粉尘对外部环境或设备造成影响。
设备工作方式：
将法兰4上的固定螺栓拆除，可将法兰4及设备上部包括上壳体6等部位打开，暴露设备内部，设备配备的摩擦轮10有两只，如图2所示。摩擦轮10轮体为可快速拆卸结构，可根据需要更换不同材质的轮体或在轮体圆周方向固定安装柔性材料。试片13也可根据需要采用刚性或柔性材料，利用快拆卡环15固定在集尘座16上，集尘座16上的试片基座14对试片底部进行支撑，保证试片与摩擦轮的10的有效压合。根据需要选择相应材质的摩擦轮10和试片13，可根据需要在试片13表面放置适量的粉尘填料，将法兰4连同上壳体6等装置复位，螺栓紧固。通过控制系统，利用压力传感器18提供的反馈，控制负荷总成20的步进电机，驱动传动组合17沿导向杆19轴线方向带动集尘座16及其上安装的试片13等与摩擦轮10之间施加预压力到设定值。控制系统驱动动力总成9的步进电机及减速器,经由传动带12带动星型传动11，将绕垂直轴的旋转运动，转换成摩擦轮10绕水平轴的转动，形成摩擦轮10在试片13上的滚动。
在模拟常压环境试验时，可经由接头7，按需进行粉尘吹拂，模拟扬尘环境进行磨损测试。
在模拟真空环境试验时，可经由接头7外接真空泵对舱体抽真空，模拟高真空环境进行磨损测试。
控制系统可实时控制摩擦轮10的转速及与试片13间的载荷，采用计时或计数方式进行试验控制。
在试验过程中可通过观察窗5随时观察及记录试验过程。
对比例1
将天然胶片按规格裁成条状沿圆周安装在摩擦轮10上，将锦纶斜纹织物按规格状安装在裁剪成圆盘状安装在集尘座16上的试片基座14上，试片基座材质为5A6铝合金，利用快拆卡环15将试片固定。设定压力传感器18压力值5N，设定摩擦轮10主轴转速30转/分钟,设定旋转计数20000次，在锦纶斜纹织物上均匀撒上1g的模拟月尘。压力常压，启动设备，随时通过观察窗观察试片状态，每千次暂停并打开设备上壳体6，观察并记录材料表面状态。到达规定计数后停止设备。清洁设备内腔，更换天然胶片、锦纶斜纹织物试片及等量模拟月尘，重置设备参数不变，在接头7上用真空软管连接真空泵，将设备内腔压力抽至小于1kPa，启动设备同样观察并记录试片状态，通过实验发现，在常压环境下，实验到10000次，天然胶片出现少许硌划痕迹，锦纶织物有起毛边现象，到20000次时天然胶片出现表面损伤，锦纶织物局部出现松懈起毛现象。在1kPa真空环境下，3000次左右时，天然胶片就出现了表面损伤，锦纶织物大量起毛球，到5000次左右，天然胶片出现破损，锦纶织物出现孔洞。
实验表面：在真空环境下，由于真空的吸附作用，月尘对天然胶片及锦纶织物等航天服材料的磨损会急剧增加。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种自带真空室的便携式粉尘磨损测试装置，其特征在于：包括：底座(1)、下壳体(2)、穿舱接头(3)、法兰(4)、观察窗(5)、上壳体(6)、真空扬尘接头(7)、支架(8)和动力总成(9)；传动带组合(12)置于支架(8)内部，将动力总成(9)提供的动力传输给星型传动(11)；底座(1)、下壳体(2)、法兰(4)、观察窗(5)和上壳体(6)依次固定连接；下壳体(2)侧壁开设有穿舱接头(3)；真空扬尘接头(7)设置在上壳体(6)上；
星型传动(11)与摩擦轮(10)连接，带动摩擦轮(10)转动工作；
集尘座(16)连接在传动组合(17)上，集尘座(16)为带有三凸台的圆饼结构，分别为第一凸台、第二凸台和第三凸台；第一凸台位于圆饼中心位置，第三凸台位于圆饼边缘位置，第二凸台位于第一凸台和第三凸台之间；第二凸台与第三凸台形成的凹槽用于放置快拆卡环(15)，进而实现对试片(13)的固定；试片基座(14)置于第一凸台上，且位于第二凸台内；负荷总成(20)固定在底座(1)上，用于控制驱动传动组合(17)沿导向杆(19)轴线方向带动集尘座(16)运动；压力传感器(18)安装在传动组合(17)与负荷总成(20)之间，用于采集集尘座(16)带动试片基座(14)、试片(13)与摩擦轮(10)的接触压力。
2.如权利要求1所述装置，其特征在于：所述装置需满足以下性能要求：电机选用直流减速电机，电压24V，功率≥6W；扭矩不小于4N/m；配备调速装置，输出转速在15～300r/min之间可调；整机的粉尘区分为工作区及集落区；粉尘区应与其它工作区域相隔离；粉尘区与集落区具有承受绝对真空的能力；样件的压力施加在0～10N间任意调节，并有压力表显示。
3.采用如权利要求1所述装置对试片进行测试的方法，其特征在于：
工作过程：将试片(13)放置在试片基座(14)上，通过快拆卡环(15)固定；负荷总成(20)带动驱动传动组合(17)使试片(13)与传动带组合(12)接触；测试时，通过试片基座(14)对试片(13)和摩擦轮(10)施加负载；控制系统对动力总成(9)进行转速控制，通过穿舱接头(3)，对压力传感器(18)信号进行反馈，对载荷装置的负荷总成(20)进行控制，实现加载操作；
在模拟常压环境试验时，可经由真空扬尘接头(7)，按需进行粉尘吹拂，模拟扬尘环境进行磨损测试；
在模拟真空环境试验时，可经由真空扬尘接头(7)外接真空泵对舱体抽真空，模拟高真空环境进行磨损测试。
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