CN111551445A - 悬臂式离心超重力环境下的材料性能测试试验机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种悬臂式离心超重力环境下的材料性能测试试验机系统。包括离心主机、转子系统、实验腔、升降系统和上驱式主轴复合体；转子系统和上驱式主轴复合体装在实验腔内，实验腔底部装在装置底座上，离心主机装在升降系统上并上驱式主轴复合体连接，上驱式主轴复合体和转子系统驱动连接，升降系统装在装置底座且在实验腔上方，升降系统和实验盖连接；挂杯装保温装置，保温装置装有加热装置，加热装置装承力装置，挂杯通过吊耳铰接悬挂在超重力离心机的旋转臂端部。本发明可实现离心超重力环境下拉伸、持久、蠕变、疲劳等材料性能的高通量测试，能给试样施加均匀应力梯度、不均匀应力梯度，以最大限度模拟试样的工况环境，操作方便且安全可靠。

Description

悬臂式离心超重力环境下的材料性能测试试验机系统
技术领域
本发明涉及材料性能测试技术领域的一种超重力材料性能测试试验机，尤其涉及了一种悬臂式离心超重力环境下的材料性能测试试验机系统。
背景技术
叶片类机械是航天航空、冶金、能源行业的关键设备，如航空发动机、压缩机、汽轮机、水轮机等，这类机械的设计、运行、维护关系到重大工程项目的安全稳定，对国民经济，国家安全有着重大的意义。
涡轮工作叶片作为航空发动机高温燃气做功的核心部件，通常设计为变截面、强扭面(扭曲度超60度)、薄壁曲面(缘头最薄处不足3mm)、复杂拓扑形状的几何结构。特殊的几何结构和复杂的工况环境使涡轮工作叶片成为航空发动机热端部件中可靠性最低、故障率较高的部件。虽然叶片-轮盘系统属于圆周循环对称结构，但由于加工误差、装配、工作时磨损不均匀等因素，导致该系统周期性对称结构失谐，使叶片模态振型不能沿圆周方向均匀地传递到所有叶片上，而是将振动能量集中在几个叶片上，使它们的振幅及应力显著大于其他叶片，从而发生严重的振动模态局部化现象，极易诱发叶片的高周疲劳断裂。美国军方统计数据表明，近20年来，涡轮叶片引发的航空发动机事故占总事故的44.3％，其中56％的事故与涡轮叶片高周疲劳断裂有关。
目前现有的材料力学性能测试装置主要集中在1g下的标准试样的性能测试上。虽然标准试样力学性能数据在一定程度上能为高速旋转类部件强度设计提供实验依据，但与实际工况相比，标准试样在性能测试过程中无法综合反映高速旋转类部件几何特征相关的凝固组织和应力分布不均、薄壁效应、加工工艺等耦合作用对其动态疲劳性能的影响，因而严重制约了我国高速旋转类部件可靠性设计水平。
发明内容
针对高速旋转部件性能测试装置无法进行高通量测试的设备难题，本发明提供了一种装配简单、使用方便、安全系数高，在超重力环境下单次实验能够实现多种性能同时测试的试验机系统。
本发明采用的技术方案：
本发明包括离心主机、转子系统、实验腔和升降系统和上驱式主轴复合体；转子系统和上驱式主轴复合体安装在实验腔内，实验腔底部安装在装置底座上，离心主机安装在实验腔上方的升降系统上并上驱式主轴复合体上端连接，上驱式主轴复合体下端和转子系统驱动连接，升降系统安装在装置底座上且位于实验腔上方，升降系统和实验腔的腔盖连接。
所述的实验腔包括实验腔体、保护壳、实验腔盖、立式肘夹和支座；实验腔体底部通过支座固定安装在装置底座上，实验腔体顶部开口并设有实验腔盖；实验腔盖周围的实验腔体顶面沿圆周均布固定安装有三个立式肘夹，实验腔盖通过立式肘夹与实验腔体固定，立式肘夹具体为卡扣式连接锁紧结构；实验腔盖和实验腔体接触面之间用O型橡胶圈密封，实验腔体侧壁开设有真空接口，真空接口与外部的地面真空系统或充气系统相连；实验腔体内周围设有三层防护壳。
所述的升降系统包括驱动电机、联轴器、丝杠导轨、支架、螺母块、竖直导轨；升降支架安装在实验腔侧方的装置底座上，驱动电机固定在升降支架顶部，驱动电机输出轴朝下经联轴器和丝杠传动连接，丝杠竖直布置，丝杠上通过螺纹安装有螺母块，螺母块同时轴向活动套装于丝杠旁平行布置的竖直导轨上，形成丝杠螺母副；驱动电机工作带动丝杠旋转进而带动螺母块沿竖直导轨导向上下升降移动。
所述的离心主机包括离心电机、上轴承支架、转速传感器、位移传感器和电机支座；电机支座固定于升降系统的螺母块侧面，离心电机固定安装在电机支座上，电机支座底部固定连接于实验腔的实验腔盖，离心电机侧旁安装有上驱式主轴复合体，上驱式主轴复合体支撑安装于上轴承支架上，上轴承支架固定连接电机支座，离心电机的输出轴朝下经带传动结构和上驱式主轴复合体连接，带动上驱式主轴复合体旋转运动；实验腔盖内顶面在上驱式主轴复合体侧方旁固定装有转速传感器，上驱式主轴复合体下部固定连接安装有位移传感器，上驱式主轴复合体下端和转子系统连接。
所述的上驱式主轴复合体包括滑环、滑环轴、主轴、小带轮、磁流体密封结构、密封法兰、连接法兰和胀紧套；主轴上部套装从上倒下依次设有滑环轴和轴环部；滑环轴下端和主轴上端同轴固接，滑环轴外套装有滑环；所述滑环轴下方的主轴局部设置有环形外凸缘作为轴环部，轴环部的外周面设置为倾斜向下的外圆锥面，小带轮的内周面设置为倾斜向下的内圆锥面，小带轮通过内外圆锥面同轴套装于主轴的轴环部上，小带轮经皮带和离心电机的输出轴同步连接传动，滑环轴和轴环部之间的主轴通过轴承套装于离心主机的上轴承支架的通孔中；主轴中部从上到下依次套装有磁流体密封结构和密封法兰；磁流体密封结构包括轴承盖、深沟球轴承、壳体和O型圈；壳体套装在主轴外，壳体和主轴中部之间具有径向间隙形成游动腔，游动腔内部的上侧和下侧均安装有深沟球轴承，使得壳体和主轴之间通过深沟球轴承转动连接，游动腔上端口处的壳体开口并安装有轴承盖，轴承盖套装于主轴外并轴向对深沟球轴承限位；壳体在下端处的壳体封闭形成封闭端，壳体下端封闭端和主轴之间密封连接；壳体的下端部设有外凸缘，外凸缘开设连接孔，螺栓穿过连接孔连接到实验腔盖顶面，从而将壳体的下端部固定连接到实验腔盖顶面，且壳体的下端面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装O型圈，通过O型圈使得壳体的下端面和实验腔盖顶面密封配合；密封法兰位于实验腔体内且固定在实验腔盖底面，在顶部内圈周面开设有环形缺口槽，环形缺口槽中安装有油封，油封上侧设有孔用弹性挡圈，孔用弹性挡圈嵌装在密封法兰环形缺口槽内周面所开设的环形挡圈槽中；密封法兰顶面设有环形台阶，环形台阶表面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装密封圈，通过密封圈使得密封法兰顶面和实验腔盖底面密封配合；主轴下端经胀紧套和连接法兰同轴固接，连接法兰下端连接离心超重力装置的转子系统。
所述的转子系统包括挂杯臂、挂杯和挂销；上驱式主轴复合体主轴下端穿过实验腔盖的中心通孔伸入到实验腔体内，挂臂顶面中心和主轴底端的密封法兰同轴固接，挂臂的两端对称铰接安装有挂杯，挂杯均通过挂销铰接安装于挂臂的末端；挂臂底面中心可旋转活动地承托在中心支承轴顶端，支承轴底端竖直固定于实验腔体底部中心。
所述的实验腔体底面上开有视窗，视窗下方的装置底座上安装监视器，监视器朝向视窗并透过视窗向实验腔体内拍摄实验状况。
每个所述的挂杯中安装有材料性能测试系统，材料性能测试系统包括加热装置、保温装置和承力装置；挂杯中安装保温装置，保温装置中装有加热装置，加热装置中装有承力装置，挂杯顶部两侧设有吊耳，挂杯通过两侧的吊耳铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上。
所述的保温装置包括保护壳、上段气凝胶层、上段陶瓷纤维层、上段绝缘环、上固定环隔热层、中段气凝胶层、中段陶瓷纤维层、下段绝缘环、下固定环隔热层、下段气凝胶层、下段陶瓷纤维层、隔热支撑座、保温盖、炉顶气凝胶层、上进线安装环道、上出线安装孔、下进线安装环道、下出线安装孔、上环形间隔和下环形间隔；保护壳固定放置在挂杯底部，保护壳的内周壁布置有环状沿圆周一圈的气凝胶层，气凝胶层从下到上分为下段气凝胶层、中段气凝胶层和上段气凝胶层，下段气凝胶层和中段气凝胶层之间设有下环形间隔，下环形间隔处布置下段加热结构的下段固定环；中段气凝胶层和上段气凝胶层之间设有上环形间隔，上环形间隔处布置上段加热结构的上段固定环；下段气凝胶层所在的保护壳中央固定有隔热支撑座，隔热支撑座和下段气凝胶层之间填充有下段陶瓷纤维层；下段陶瓷纤维层之上的上段气凝胶层和中段气凝胶层的内周壁布置有环状沿圆周一圈的陶瓷纤维层，陶瓷纤维层从下到上分为中段陶瓷纤维层和上段陶瓷纤维层，中段陶瓷纤维层和上段陶瓷纤维层分别位于紧贴中段气凝胶层和上段气凝胶层的内周壁；中段陶瓷纤维层和下段陶瓷纤维层之间设有下固定环隔热层，上段气凝胶层和中段陶瓷纤维层之间设有上固定环隔热层；中段陶瓷纤维层和下固定环隔热层之间内嵌设有分别上下布置的下进线安装环道和下出线安装环道，下进线安装环道布置下段进电接线环，下出线安装环道布置下段出电接电环，下进线安装环道和下出线安装环道之间通过下段绝缘环隔绝；上段陶瓷纤维层和上固定环隔热层之间内嵌设有分别上下布置的上进线安装环道和上出线安装环道，上进线安装环道布置上段进电接线环，上出线安装环道布置上段出电接电环，上进线安装环道和上出线安装环道之间通过上段绝缘环隔绝；上段陶瓷纤维层上端口形成阶梯口，阶梯口安装保温盖，在保护壳上端口安装炉顶气凝胶层，炉顶气凝胶层底面紧贴于保温盖和上段陶瓷纤维层的顶面；下段陶瓷纤维层之上的中段陶瓷纤维层内周形成加热内腔，加热内腔中安装加热腔体。
所述的加热装置包括加热腔体、上段发热体、下段发热体、上段进电接线环、上段出电接电环、下段进电接线环、下段出电接电环、上段固定环、下段固定环和陶瓷盖；加热腔体内部安装发热体并顶端安装陶瓷盖，加热腔体中心设有筒状空腔，加热腔体筒状空腔中安装承力装置和试样；筒状空腔周围的加热腔体上半部分侧壁内部开设有沿周向间隔均布的四个上段发热体安装槽，每个上段发热体安装槽呈圆弧形布置，每个上段发热体安装槽均安装有一个上段发热体；筒状空腔和上段发热体安装槽之间的加热腔体侧壁开设有上段辐射孔，上段发热体产生的热量透过上段辐射孔通过热辐射加热到整个加热腔体上半段的筒状空腔中；加热腔体中心设有筒状空腔，筒状空腔周围的加热腔体下半部分侧壁内部开设有沿周向间隔均布的四个下段发热体安装槽，每个下段发热体安装槽呈圆弧形布置，每个下段发热体安装槽均安装有一个下段发热体；筒状空腔和下段发热体安装槽之间的加热腔体侧壁开设有下段辐射孔，下段发热体产生的热量透过下段辐射孔通过热辐射加热到整个加热腔体下半段的筒状空腔中；加热腔体顶端周围设有上段进电接线环和上段出电接电环和上段固定环，上段发热体与上段进电接线环、上段出电接电环并联电连接，上段进电接线环和上段出电接电环再连接到地面供电系统；上段进电接线环和上段出电接电环外周围还设有上段固定环，上段固定环布置于保温装置结构内；加热腔体底端周围设有下段进电接线环和下段出电接电环和下段固定环，下段发热体与下段进电接线环、下段出电接电环并联电连接，下段进电接线环和下段出电接电环再连接到地面供电系统；下段进电接线环和下段出电接电环外周围还设有下段固定环，下段固定环布置于保温装置结构内。
所述的承力装置包括承力架、高温拉杆和缓冲体；承力架安装在挂杯顶端口，整体为上凸弧形结构，承力架的底面内圈边缘设有凸边，凸边嵌装配合于挂杯顶端口内壁；高温拉杆上端部通过螺栓固定连接在承力架的中心孔处，高温拉杆下端向下穿过保温装置的保温盖和炉顶气凝胶层后伸入到加热装置的加热腔体筒状空腔中，高温拉杆下端部和试样上端连接，高温拉杆和试样同轴且位于加热腔体筒状空腔的中心轴线位置；缓冲体位于试样正下方且固定于保温装置的隔热支撑座上，缓冲体包括筒体壳、第一层缓冲挡板和第二层缓冲挡板，筒体壳底端固定于隔热支撑座顶面，筒体壳的上半部分的内周面加工成螺纹孔，第一层缓冲挡板和第二层缓冲挡板通过螺纹配合套装在螺纹孔中，第一层缓冲挡板位于第二层缓冲挡板上方且相互之间相间隔距离布置，筒体壳的下半部分的两侧侧壁开设有减重孔，以减轻缓冲体的重量。
所述的高温拉杆下端面开设有试样卡槽，试样从上到下分为卡头、工作段和面力加载块，卡头、工作段和面力加载块同轴成一体，卡头加工成和试样卡槽相吻合、能嵌装入试样卡槽的形状和尺寸，面力加载块位于缓冲体的上方。
所述的上段固定环、下段固定环和加热腔体均为氧化铝陶瓷，上段固定环和加热腔体之间通过利用陶瓷纤维制备的上固定环隔热层隔热，下段固定环和加热腔体之间通过利用陶瓷纤维制备的下固定环隔热层分隔。
所述的保护壳顶部和底部外壁面均设有多个护栏，多个护栏沿圆周间隔均布用于保护壳放入和取出挂杯。
所述的保护壳的上半部分的壳壁开设有散热孔。
所述的陶瓷盖盖在加热腔体的顶端，陶瓷盖底面中心固定设有凸台，凸台位于加热腔体的筒状空腔内；凸台两侧的陶瓷盖开设有竖直的热电偶孔，热电偶孔中插装热电偶，通过热电偶控温。
还包括搭载独立的应力应变测试系统，采用电阻应变片焊接在试样工作段的不同部位，引线沿高温拉杆引出到挂杯外面与地面监测系统连接，通过电阻应变片测试获得试样工作段的动态应力- 应变曲线。
本发明提供适合高通量材料制备与性能测试的悬臂式离心超重力实验装置平台，通过搭载高温加热和性能测试装置，可实现体积力-面力-温度耦合作用下材料持久、蠕变、疲劳、热机械疲劳等性能测试，解决高速旋转状态下体积力-面力-温度耦合作用下材料动态性能高通量测试的难题。
本发明的上驱式主轴复合体能适用于转速大于5万转/min高速旋转工况环境，能够搭载重量超过500kg的载荷，同时具备在10-2Pa高真空环境下使用的可行性，具有在低转速下通过载荷自重自动调平的能力，也具备在发生意外时载荷自动与主轴脱离的功能，结构模块化设计，安装和拆卸方便，具有很强的适应性和拓展性。
本发明的上驱式主轴复合体结构中，磁流体密封结构、密封法兰和油封组成主轴复合体的密封和润滑系统，通过密封法兰和油封实现一次密封，当他们的密封效果无法满足10-2Pa高真空要求时，磁流体密封结构可以实现二次密封，解决高速旋转状态下现有主轴无法同时满足过载保护、高真空等特殊要求的关键难题，使该发明的主轴复合体可以适应真空、非真空、动密封等多种工况条件，具有应用范围广的特点。如果主轴复合体在非真空条件下工作，可以去掉磁流体密封结构。
本发明的上驱式主轴复合体中，连接法兰、胀紧套与离心超重力装置搭载机载装置的转子系统相连，这种结构使连接法兰、胀紧套直接与载荷连接，在载荷自身重力作用下，以主轴为轴心可以自动找平衡；安装好载荷后，通过低转速调试转子系统和主轴系统的动平衡；由于连接法兰为自由端，在高转速情况下，通过转子系统和主轴末端的自由晃动，避免形成过静定结构，从而在高转速情况下再次达到动平衡，有利于上驱式主轴复合体在高转速、超大载荷下长时间安全运行。
本发明的上驱式主轴复合体中，连接法兰、胀紧套与离心超重力装置搭载机载装置的转子系统相连，这种结构使连接法兰、胀紧套直接与载荷连接。高速试验过程中，一旦载荷在离心作用下发生破坏或意外，与主轴连接的胀紧套，如果瞬间受力超过设计要求，胀紧套的内外套内涨外缩，减少主轴和胀紧套51包容面产生的摩擦力，通过主轴和胀紧套异速旋转，保护主轴。当转子系统的重量大于胀紧套51包容面产生的摩擦力时，转子系统在重力作用下自动与主轴脱落，直接掉到实验舱底部；主轴复合体空载后，在自身重力作用下，再次自动找回平衡，免受破坏。这种结构安装和拆卸方便。在主轴过载或意外发生时，通过胀紧套自动失去与离心超重力装置传动系统的联结，使主轴复合体免受损坏。
本发明的有益效果是：
本发明公布的离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统，将转子系统设计为图13，每次实验离心主机可以搭载3对(A1-A2，B1-B2，C1-C2)相同的挂杯61，每对挂杯完成一种类型的材料性能实验，这样每次就能同时完成同一种材料3种类型的性能测试实验(如一组持久实验，一组疲劳试验，一组热机械疲劳)，实现离心超重力下材料性能测试的高通量测试，加速部件定型过程中关键性能测试周期，有效地提升新产品研发效率。
本发明公布的离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统，将转子系统设计为图13，每次实验离心主机可以搭载3对(A1-A2，B1-B2，C1-C2)相同的挂杯61，每对挂杯完成一种类型的材料性能实验，这样每次就能同时完成三种材料同一类型的性能测试实验(如A合金，B合金，C 合金)，加速最优性能的材料筛选效率，解决高转速复杂工况下材料性能对比难题。
本发明通过搭载离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统，可实现离心超重力环境下拉伸、持久、蠕变、疲劳等材料性能的高通量测试。根据发热体类型，加热系统最高可实现1650℃。
本发明通过设计试样形状和面力加载块重量，可给试样施加均匀应力梯度、不均匀应力梯度，以最大限度模拟试样的工况环境。
本发明针对解决高速旋转部件性能测试面临的设备难题，通过搭载高温加热装置，可实现离心超重力环境下拉伸、持久、蠕变、疲劳等材料性能测试。根据发热体类型，加热装置最高可以实现 1650℃。
本发明离心主机具备提供1500g-50000g超重力环境下的能力，实验腔具备提供真空或冲入惰性气体的能力，操作方便且安全可靠。
本发明的离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统，采用上驱式主轴复合体，解决了高转速、高载荷、真空环境下性能高通量测试过程中个别样品突然断裂后系统无法实现自动调平和载荷主动与主轴脱离的关键难题，有利于该装备的商业化应用。
附图说明
图1是本发明装置的总体主视图。
图2是实验腔的结构剖视图；
图3是升降系统的侧视图；
图4是升降系统的正视图；
图5是离心主机的结构侧视图；
图6是转子系统的示意图；
图7是上驱式主轴复合体的结构剖视图；
图8是主轴的结构图；
图9是滑环轴和主轴的局部连接结构图；
图10是磁流体密封结构的结构剖视图；
图11是密封法兰的结构剖视图；
图12是小带轮的结构剖视图；
图13是转子系统设计的挂杯布置示意图；
图14是机载装置为臂式离心机时挂杯的布置示意图；
图15是体积力-面力-温度耦合作用下材料持久和蠕变实验载荷谱图；
图16是体积力-面力-温度耦合作用下材料疲劳实验载荷谱图；
图17是体积力-面力-温度耦合作用下材料热机械疲劳实验载荷谱图；
图18是本发明材料性能测试系统的整体结构剖视图；
图19是挂杯的结构剖视图；
图20是保温装置的整体结构剖视图；
图21是保护壳的俯视图；
图22是保护壳的侧视图；
图23是加热装置的整体结构剖视图；
图24是加热腔体的俯视图；
图25是加热腔体的侧视图；
图26是陶瓷盖的仰视图；
图27是陶瓷盖的侧视图；
图28是承力装置的整体结构剖视图；
图29是承力架的俯视图；
图30是高温拉杆的结构图；
图31是试样的各种结构示意图；
图32是试样卡槽的各种形状示意图；
图33是缓冲体结构示意图。
图中的附图标记如下：
离心主机1：1-1离心电机、1-3上轴承支架、1-4转速传感器、1-5位移传感器、1-6支承轴、 1-7电机支座。
转子系统2：2-1挂杯臂、2-3挂销、2-4轴用弹性挡圈。
实验腔3：3-1腔体、3-2保护壳、3-3实验腔盖、3-4立式肘夹、3-5O型圈、3-6支座、3-7监视器、3-8视窗、3-9真空接口。
升降系统4：4-1驱动电机、4-2联轴器、4-3丝杠导轨、4-4支架、4-5螺母块、4-6竖直导轨。
上驱式主轴复合体5：滑环51、滑环轴52、主轴59、小带轮510、磁流体密封结构511、密封法兰513、连接法兰515、胀紧套516；511-2轴承盖；511-3深沟球轴承；511-4壳体；511-5游动腔；511-6连接孔；511-7O型圈；513-1油封；513-2孔用弹性挡圈；513-3密封圈。
挂杯61：吊耳61-1。
加热装置62：加热腔体62-1、上段发热体62-2、下段发热体62-3、上段进电接线环62-4、上段出电接电环62-5、下段进电接线环62-6、下段出电接电环62-7、上段固定环62-8、下段固定环 62-9、陶瓷盖62-10；上段发热体安装槽62-1-1、下段发热体安装槽62-1-2、上段辐射孔62-1-3、下段辐射孔62-1-4；热电偶孔62-10-1、凸台62-10-2。
保温装置63：保护壳63-1、上段气凝胶层63-2、上段陶瓷纤维层63-3、上段绝缘环63-4、上固定环隔热层63-5、中段气凝胶层63-6、中段陶瓷纤维层63-7、下段绝缘环63-8、下固定环隔热层63-9、下段气凝胶层63-10、下段陶瓷纤维层63-11、隔热支撑座63-12、保温盖63-13、炉顶气凝胶层63-14、上进线安装环道63-15，上出线安装孔63-16，下进线安装环道63-17，下出线安装孔63-18，上环形间隔63-19，下环形间隔63-20；护栏63-1-1、散热孔63-1-2。
承力装置64：承力架64-1、高温拉杆64-2、试样64-3、缓冲体64-4；凸边64-1-3；试样卡槽 64-2-1；卡头64-3-1、工作段64-3-2、面力加载块64-3-3；第一层缓冲挡板64-4-1、第二层缓冲挡板64-4-2、螺纹孔64-4-3、减重孔64-4-4。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步说明。
如图1所示，具体实施的整个装置包括离心主机1、转子系统2、实验腔3和升降系统4和上驱式主轴复合体5；转子系统2和上驱式主轴复合体5安装在实验腔3内，实验腔3底部安装在装置底座上，离心主机1安装在实验腔3上方的升降系统4上并上驱式主轴复合体5上端连接，上驱式主轴复合体5下端和转子系统2驱动连接，升降系统4安装在装置底座上且位于实验腔3上方，升降系统4和实验腔3的腔盖连接。
利用本发明装置进行材料性能测试过程实现满足了抗高温条件、特殊气氛环境、超重力等要求。考虑到此装置的运行环境，主要为超重力带来的影响，本发明装置结构为高强度轻质量的结构模块化设计，实验准备周期短，测试过程安全可靠。
如图2所示，实验腔3提供实验环境。实验腔3包括实验腔体3-1、保护壳3-2、实验腔盖3-3、立式肘夹3-4和支座3-6；实验腔体3-1底部通过支座3-6固定安装在装置底座上，实验腔体3-1 顶部开口并设有实验腔盖3-3；实验腔盖3-3周围的实验腔体3-1顶面沿圆周均布固定安装有三个立式肘夹3-4，实验腔盖3-3通过立式肘夹3-4与实验腔体3-1固定，立式肘夹3-4具体为卡扣式连接锁紧结构；实验腔盖3-3采用高强度钢板制作，实验腔盖3-3在盖上后，用三个手动立式肘夹3-4 压紧，以防止试验过程中有碎片飞出撞击实验腔盖3-3。实验腔盖3-3需在试验腔3内完全消除真空，恢复常压后才能打开。
实验腔盖3-3和实验腔体3-1接触面之间用O型橡胶圈3-5密封，能确保实验腔3所需的真空度，试验时腔内抽成真空至10-2Pa，避免转子系统2在空气中由于高速旋转引起的功率消耗和温升；试验腔3内真空度未达到要求时不允许转子系统2的超速旋转试验。实验腔体3-1侧壁开设有真空接口3-9，真空接口3-7与外部的地面真空系统或充气系统相连，一旦实验发生意外，可以快速向实验腔3内冲入惰性气体；实验腔体3-1内周围设有三层防护壳3-2，防护壳3-2用于在受撞击后充分变形以吸收破坏能量，且，阻止碎片飞出，防止试验台出现严重损坏，避免试验人员发生任何伤害。防护壳3-2由高强度钢板材料焊接成形，焊缝进行100％射线检测，焊缝不允许有气孔，夹渣，裂纹存在。防护壳3-2用于安全的吸收试验过程中出现意外时所释放的能量，阻止碎片飞出，防止试验台出现严重损坏，避免试验人员发生任何伤害。
实验腔体3-1底面上开有视窗3-8，视窗3-8用于观察实验腔3内的状况，视窗3-8下方的装置底座上安装监视器3-7，监视器3-7朝向视窗3-8并透过视窗3-8向实验腔体3-1内拍摄实验状况。
安装在腔体3-1底部的三个支座3-6，用于支撑试验腔3。
升降系统4的主要功能提升或下降腔盖3-3和转子系统2。
如图3和图4所示，升降系统4包括驱动电机4-1、联轴器4-2、丝杠导轨4-3、支架4-4、螺母块4-5、竖直导轨4-6；升降支架4-4安装在实验腔3侧方的装置底座上，驱动电机4-1固定在升降支架4-4顶部，驱动电机4-1输出轴朝下经联轴器4-2和丝杠4-3传动连接，丝杠4-3竖直布置支撑安装于升降支架4-4，丝杠4-3上通过螺纹安装有螺母块4-5，螺母块4-5同时轴向活动套装于丝杠4-3旁平行布置的竖直导轨4-6上，竖直导轨也支撑安装于升降支架4-4，形成丝杠螺母副；驱动电机4-1工作带动丝杠4-3旋转进而带动螺母块4-5沿竖直导轨4-6导向上下升降移动；
离心主机1的主要功能是，为离心超重力作用下材料性能测试装置提供离心超重力。
如图5所示，离心主机1包括离心电机1-1、上轴承支架1-3、转速传感器1-4、位移传感器1-5、支承轴1-6和电机支座1-7；电机支座1-7固定于升降系统4的螺母块侧面，离心电机1-1固定安装在电机支座1-7上，电机支座1-7底部固定连接于实验腔3的实验腔盖3-3，离心电机1-1侧旁安装有上驱式主轴复合体5，上驱式主轴复合体5支撑安装于上轴承支架1-3上，上轴承支架1-3 固定连接电机支座1-7，上轴承支架1-3功能是用来支撑上驱式主轴复合体5中的滑环轴52；离心电机1-1的输出轴朝下经带传动结构和上驱式主轴复合体5连接，带动上驱式主轴复合体5旋转运动；实验腔盖3-3内顶面在上驱式主轴复合体5侧方旁固定装有转速传感器1-4，上驱式主轴复合体5下部固定连接安装有位移传感器1-5，上驱式主轴复合体5下端和转子系统2连接；
离心电机1-1为离心主机1提供动力，其功率计算及电机选择是离心主机设计中的重要组成部分，根据离心机的工作要求进行功率计算，可以合理的确定电动机的功率。
转速传感器1-4用于测量上驱式主轴复合体5中主轴59的转速，与各种转速数字显示仪配套使用及计算机接口电路直接联系，能无接触测量转速、线速。
位移传感器1-5固定在上驱式主轴复合体5上，用来监测上驱式主轴复合体5中主轴59的振动。试验过程中，主轴59的振动振幅大于0.1mm时报警，主轴59的振动振幅大于0.3mm时自动停机。振动振幅报警和停机值可根据不同的试验需要灵活设置，在确保试验过程顺利进行的同时，尽可能减轻对主轴59的损伤，提高主轴59的使用寿命。
如图7所示，上驱式主轴复合体5包括滑环51、滑环轴52、主轴59、小带轮510、磁流体密封结构511、密封法兰513、连接法兰515和胀紧套516；如图9所示，主轴59上部套装从上倒下依次设有滑环轴52和轴环部；滑环轴52下端和主轴59上端同轴固接，滑环轴52外套装有滑环 51；滑环51是实现离心超重力装置机载装置与地面供电、控制系统、冷却系统之间供电、通讯和供气。滑环51的内圈转子紧固套在滑环轴52上，滑环51的内圈转子随主轴59一起旋转，可根据需要方便更换滑环51；滑环51的外圈转子固定在实验腔的内顶面。
如图8和图12所示，滑环轴52下方的主轴59局部设置有环形外凸缘作为轴环部，轴环部的外周面设置为倾斜向下的外圆锥面，小带轮510的内周面设置为倾斜向下的内圆锥面，即均为上端小下端大的圆锥面，小带轮510通过内外圆锥面同轴套装于主轴59的轴环部上，小带轮510经皮带和离心电机1-1的输出轴同步连接传动，滑环轴52和轴环部之间的主轴59通过轴承套装于离心主机1的上轴承支架1-3的通孔中。
小带轮510为主轴复合体输入扭矩。小带轮510与离心超重力装置搭载机载装置的转子系统相连，小带轮510通过安装孔与主轴59相连，把旋转扭矩传递到主轴59。根据需要，通过调整小带轮传动比，满足不同转速工况环境，具有很强的适应性和拓展性。小带轮510与离心超重力装置的动力系统通过平带传递扭矩，平带具有弹性，可缓和冲击和振动载荷，运转平稳，无噪声；当过载时，带即在轮上打滑，可防止其它零件损坏。
与此，本发明在离心电机1-1和上驱式主轴复合体5之间采用带传动结构传动，带传动结构的传送平带的材料为帆布，进行增速传动，传动比可根据需要进行调整。传送平带具有弹性，可缓和冲击和振动载荷，运转平稳，无噪声；当过载时，带即在轮上打滑，可防止其它零件损坏。
如图7所示，主轴59中部从上到下依次套装有磁流体密封结构511和密封法兰513。
如图10所示，磁流体密封结构511包括轴承盖511-2、深沟球轴承511-3、壳体511-4和O型圈511-7；壳体511-4套装在主轴59外，壳体511-4和主轴59中部之间具有径向间隙形成游动腔 511-5，轴承座511密封固定于离心超重力实验腔的顶板中心通孔孔端面，游动腔内部的上侧和下侧均安装有深沟球轴承511-3，使得壳体511-4和主轴59之间通过深沟球轴承511-3转动连接，游动腔511-5上端口处的壳体511-4开口并安装有轴承盖511-2，轴承盖511-2套装于主轴59外并轴向对深沟球轴承511-3限位；壳体511-4在下端处的壳体511-4封闭形成封闭端，壳体511-4下端封闭端和主轴59之间密封连接；壳体511-4的下端部设有外凸缘，外凸缘开设连接孔511-6，螺栓穿过连接孔511-6连接到实验腔盖3-3顶面，从而将壳体511-4的下端部固定连接到实验腔盖3-3 顶面，从而磁流体密封结构511通过连接孔511-6固定在离心超重力装置。且壳体511-4的下端面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装O型圈511-7，通过O型圈511-7使得壳体511-4的下端面和实验腔盖3-3顶面密封配合。
磁流体密封结构511和主轴59和小带轮510组成固定-游动支承结构，这种固定-游动支承结构设计可以补偿主轴59因热变形及制造安装误差所引起的长度变化。
主轴59为复合体传递扭矩，是主轴复合体的重要零件，可根据传递转矩，选择不同的材料类型，但该材料务必需要具备较强的强度和韧性。
磁流体密封结构511为主轴59提供高水平动密封，用于产生磁流体密封的磁铁及磁靴环放置在游动腔511-5里面。磁流体密封结构511通过安装孔511-1与主轴59相连，主轴59与磁流体密封结构511之间采用一对角接触球轴承511-3连接；角接触球轴承511-3采用背对背排列，支点间跨距较大，悬臂长度较小，悬臂端支承刚度较大。
如图11所示，密封法兰513位于实验腔体3-1内且通过螺栓固定在实验腔盖3-3底面，在顶部内圈周面开设有环形缺口槽，环形缺口槽中安装有油封513-1，油封513-1上侧设有孔用弹性挡圈513-2，孔用弹性挡圈513-2嵌装在密封法兰513环形缺口槽内周面所开设的环形挡圈槽中；密封法兰513顶面设有环形台阶，环形台阶表面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装密封圈513-3，通过密封圈513-3使得密封法兰513顶面和实验腔盖3-3底面密封配合；
密封法兰513提供主轴复合体与离心超重力装置真空实验腔之间的静密封。密封法兰513套装安装在主轴59上，给密封法兰513提供静密封的密封圈513-3安装在凹槽513-2里面，密封法兰 513通过螺栓安装在心超重力装置真空实验腔内顶部。密封圈513-3为密封法兰513提供密封，以隔绝外部大气压与内部真空腔室，密封性能好，寿命长，结构紧凑，装拆方便。
主轴59下端经胀紧套516和连接法兰515同轴固接，连接法兰515下端连接离心超重力装置的转子系统；主轴59高速旋转时，连接法兰515固定不动，胀紧套516随主轴59一起旋转。胀紧套516使零件制造和安装简单，由于胀紧套516依赖摩擦传动，无需在主轴59上开槽，避免开槽对主轴59强度的影响。胀紧套516拆卸方便，具有良好的互换性。
根据主轴59传递的扭矩和负荷，胀紧套516选择原则为：传递扭距：Mt≥a×M；承受轴向力： Ft≥a×Fx；传递力：Ft≥a×(Fx 2+(M×d×10-3/2)2)0.5；承受径向力：Pt≥a×Fr×103/d/l，式中：a：安全系数；M：需传递的扭矩，KN·m；Fx：需承受的轴向力，KN；Ft：需承受径向力，KN；Mt：胀套的额定扭矩，KN·m；Ft：胀套的额定轴向力；KN；d、l：胀套的内径和内环宽度，mm；Pt：胀套与轴结合面上的压力，N/mm2。
油封513-1选用SKF的氟橡胶油封，适合耐高温、极限转速高的工况环境，为主轴复合体提供二次动密封。
转子系统2的主要功能是提供实验所需的离心超重力环境。
如图5和图6所示，转子系统2包括挂杯臂2-1、挂杯61和挂销2-3；上驱式主轴复合体5主轴59下端穿过实验腔盖3-3的中心通孔伸入到实验腔体3-1内，挂臂2-1顶面中心和主轴59底端的密封法兰513同轴固接，挂臂2-1的两端对称铰接安装有挂杯61，挂杯61均通过挂销2-3铰接安装于挂臂2-1的末端；挂臂2-1底面中心可旋转活动地承托在中心支承轴1-6顶端，支承轴1-6 底端竖直固定于实验腔体3-1底部中心。该装置工程测试过程中，挂臂2-1为主要承力件，采用具有较高热强性材料制备。挂销2-3连接挂臂2-1与挂杯61，为主要受力点，材料高强材料制备。挂杯61用于放置高温加热和性能测试装置，尺寸大小可以根据机载装置重量进行调整。
支承轴1-6用来支撑上驱式主轴复合体5，防止在高速旋转过程中上驱式主轴复合体5下部晃动。
挂杯臂2-1、挂杯61之间的挂销2-3外套装有轴用弹性挡圈2-4，轴用弹性挡圈2-4主要用来固定挂杯61的轴向运动，提供高速旋转时挂杯61的安全性。
根据本发明上述上驱式主轴复合体结构，在扭矩输出结构中，通过连接法兰515和胀紧套516 设计，利用胀紧套516摩擦传动的特点，无需在主轴59表面上开槽，避免开槽对主轴59强度的影响，同时主轴59过载时，胀紧套516通过内外套内涨外缩，减少主轴59和胀紧套516包容面产生的摩擦力，借助主轴59和胀紧套516异速旋转，实现对主轴59的过载保护；根据载荷、转速，灵活调整小带轮510传动比，满足不同转速工况环境，具有很强的适应性和拓展性。小带轮510与离心超重力装置的动力系统通过平带传递扭矩，平带具有弹性，可缓和冲击和振动载荷，运转平稳，无噪声；当过载时，带即在轮上打滑，可防止其它零件损坏；采用磁流体密封结构511，防止高真空环境下润滑油挥发，使本发明适合长时间、高真空、超转速的特殊工况环境；采用扭矩输入结构上置，扭矩输出结构下置，可以在相同扭矩情况下，增加主轴59的载荷，且能实现载荷在自身重力作用下自动调平功能；在高转速时，载荷失稳或出现意外，载荷在重力和离心力作用下通过胀紧套516自动与主轴59脱落，从而解决了转速大于5万转/min、载荷超过500kg、10-2Pa环境下17a 下驱式主轴复合体无法实现自动调平和载荷主动与主轴59脱离的关键难题。结构简单，方便安装更换，高速工作安全可靠。
具体实施中，上驱式主轴复合体5置于离心超重力装置的实验腔中，下端连接转子系统2，上端连接离心主机1，离心主机1的驱动力经上驱式主轴复合体5的主轴59可靠有效地传递到转子系统2，进而带动转子系统2进行高速旋转进行离心超重力试验。通过上驱式主轴复合体5能够实现过载保护；根据扭矩和负载大小，灵活改变上驱式主轴复合体机械传动机构的布局和轴承的类型；在高速旋转过程中，通过密封润滑机构随时添加或更换润滑油的结构设计，体现装置在长时间、高真空、超转速的特殊工况环境下安全运行等优势效果。
离心主机1驱动力传递到小带轮510，经胀紧套516带动上驱式主轴复合体5的主轴59旋转时，主轴59经固定-游动支承结构在壳体511-4中旋转，主轴59下端经连接法兰515带动转子系统的挂臂2-1旋转，再带动挂臂2-1两端的挂杯61绕主轴59旋转，进而带动挂臂2-1、挂销2-3、挂杯61一起高速旋转。
每个挂杯61中安装有材料性能测试系统，如图18所示，具体实施的材料性能测试系统包括挂杯61、加热装置62、保温装置63和承力装置64；挂杯61为上端开口的杯状结构，挂杯61中安装保温装置64，保温装置64中装有加热装置62，加热装置62中装有保温装置63，如图19所示，挂杯61顶部两侧设有吊耳61-1，挂杯61通过两侧的吊耳61-1铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上。
具体实施中，挂杯61中安装加热装置62、保温装置63和保温装置64，采用钛合金、高强钢等材料整体锻造加工而成，内表面采用电抛光处理，同时能够承受高速旋转产生的离心应力，具有很高强高温强度和刚度。
实验过程中为了保持动平衡，如果一次仅做一种类型的力学性能测试实验，需采用2个挂杯 61同时做实验(如图6)；如果一次做多种类型的力学性能测试实验，需采用圆周对称结构，挂杯61 的数量为偶数，具体挂杯数量取决试验机系统的有效载荷和空间体积(如图13)。挂杯61能承受的最高转速为10万转/分钟，或离心加速度为105g(g＝9.8m/s2)。
保温装置63的功能是维持加热装置62的高温环境，防止热量散失。
如图20所示，保温装置63包括保护壳63-1、上段气凝胶层63-2、上段陶瓷纤维层63-3、上段绝缘环63-4、上固定环隔热层63-5、中段气凝胶层63-6、中段陶瓷纤维层63-7、下段绝缘环63-8、下固定环隔热层63-9、下段气凝胶层63-10、下段陶瓷纤维层63-11、隔热支撑座63-12、保温盖 63-13、炉顶气凝胶层63-14、上进线安装环道63-15、上出线安装孔63-16、下进线安装环道63-17、下出线安装孔63-18、上环形间隔63-19和下环形间隔63-20。
保护壳63-1固定放置在挂杯61底部，用于安装加热装置62、保温装置63和承力装置64，保护壳63-1的内周壁布置有环状沿圆周一圈的气凝胶层，气凝胶层从下到上分为下段气凝胶层63-10、中段气凝胶层63-6和上段气凝胶层63-2，下段气凝胶层63-10和中段气凝胶层63-6之间设有下环形间隔63-20，下环形间隔63-20处布置下段加热结构的下段固定环62-9；中段气凝胶层63-6和上段气凝胶层63-2之间设有上环形间隔63-19，上环形间隔63-19处布置上段加热结构的上段固定环 62-8；下段气凝胶层63-10所在水平空间的保护壳63-1中央固定有隔热支撑座63-12，隔热支撑座 63-12和下段气凝胶层63-10之间填充有下段陶瓷纤维层63-11；隔热支撑座63-12、下段陶瓷纤维层63-11顶面和下段气凝胶层63-10的顶面平齐位于同一水平面。
下段陶瓷纤维层63-11之上的上段气凝胶层63-2和中段气凝胶层63-6的内周壁布置有环状沿圆周一圈的陶瓷纤维层，陶瓷纤维层从下到上分为中段陶瓷纤维层63-7和上段陶瓷纤维层63-3，中段陶瓷纤维层63-7和上段陶瓷纤维层63-3分别位于紧贴中段气凝胶层63-6和上段气凝胶层63-2 的内周壁；中段陶瓷纤维层63-7和下段陶瓷纤维层63-13之间设有下固定环隔热层63-9，上段气凝胶层63-2和中段陶瓷纤维层63-7之间设有上固定环隔热层63-5。
中段陶瓷纤维层63-7和下固定环隔热层63-9之间内嵌设有分别上下布置的下进线安装环道 63-17和下出线安装环道63-23，下进线安装环道63-17布置下段进电接线环62-6，下出线安装环道63-23布置下段出电接电环62-7，下进线安装环道63-17和下出线安装环道63-23之间通过下段绝缘环63-8隔绝，使得下段进电接线环62-6和下段出电接电环62-7之间通过下段绝缘环63-8绝缘；上段陶瓷纤维层63-3和上固定环隔热层63-5之间内嵌设有分别上下布置的上进线安装环道 63-15和上出线安装环道63-16，上进线安装环道63-15布置上段进电接线环62-4，上出线安装环道63-16布置上段出电接电环62-5，上进线安装环道63-15和上出线安装环道63-16之间通过上段绝缘环63-4隔绝，使得上段进电接线环62-4和上段出电接电环62-5之间通过上段绝缘环63-4绝缘；
上段陶瓷纤维层63-3上端口形成上端大下端小的阶梯口，阶梯口安装保温盖63-13，在保护壳 63-1上端口安装炉顶气凝胶层63-14，保温盖63-13和上段陶瓷纤维层63-3的顶面平齐位于同一水平面，炉顶气凝胶层63-14底面紧贴于保温盖63-13和上段陶瓷纤维层63-3的顶面，炉顶气凝胶层 63-14顶面和保护壳63-1端口平齐；下段陶瓷纤维层63-11之上的中段陶瓷纤维层63-7内周形成加热内腔，加热内腔中安装加热腔体62-1；
上段固定环62-8、下段固定环62-9和加热腔体62-1均为氧化铝陶瓷，上段固定环62-8和加热腔体62-1之间通过利用陶瓷纤维制备的上固定环隔热层63-5隔热，下段固定环62-9和加热腔体 62-1之间通过利用陶瓷纤维制备的下固定环隔热层63-9分隔隔热，且防止超重力下陶瓷破裂。上段气凝胶层63-2、上段陶瓷纤维层63-3、上固定环隔热层63-5、保温盖63-13和炉顶气凝胶层63-14 给加热装置62组成一个上段保温层。上段气凝胶层63-2直接与保护壳63-1内壁接触，上段陶瓷纤维层63-3安装在保温盖63-13和上段气凝胶层63-2之间。
中段气凝胶层63-6和中段陶瓷纤维层63-7给加热装置62组成一个中段保温层，中段气凝胶层63-6安装在保护壳63-1的内壁，中段陶瓷纤维层63-7安装在中段气凝胶层63-6和加热腔体62-1 之间。下段气凝胶层63-10、下段陶瓷纤维层63-11和隔热支撑座63-12给加热装置62组成一个下段保温层，下段气凝胶层63-10安装在保护壳63-1的内壁，下段陶瓷纤维层63-11安装在下段气凝胶层63-10和隔热支撑座63-12之间。
炉顶气凝胶层63-14安装在上段陶瓷纤维层63-3和保温盖63-13上面，防止热量向外散失。由于陶瓷纤维层具有一定的韧性，在超重力下可以吸收部分能量，防止实验过程中陶瓷保温盖63-13 在外力作用下破坏。由于陶瓷纤维隔热性能好，且具有弹性，上段陶瓷纤维层63-3和上固定环隔热层63-5直接安装在加热腔体62-1的外壁，起到隔热保温和保护作用。
隔热支撑座63-12对整个加热装置62起支撑作用。试验过程中，隔热支撑座63-12为最主要的承力部件，每次实验前仔细检查或应该经常更换。
保护壳63-1采用高强合金钢制备，比如镍基高温合金等，具有很高的熔点和强度。
如图21和图22所示，保护壳63-1顶部和底部外壁面均设有多个护栏63-1-1，多个护栏63-1-1 沿圆周间隔均布用于保护壳63-1放入和取出挂杯61；将保护壳63-1向挂杯61中安装时，利用具有六个推杆的动力装置顶住六个护栏63-1-1，把保护壳63-1推到其底部与挂杯61的底部接触；实验结束后，从挂杯61中取出保护壳63-1时，利用具有六个拉杆的动力装置抓住六个护栏63-1-1，把保护壳63-1从挂杯61中取出。
如图22所示，保护壳63-1的上半部分的壳壁开设有散热孔63-1-2。当保温装置64出现异常，造成保护壳63-1壳体温度剧增，通过散热孔63-1-2散热，降低保护壳63-1壳体温度，否则高温降低保护壳63-1强度，威胁实验安全，同时散热孔63-1-2也可以减轻保护壳63-1的重量。
加热装置62的主要功能是在离心超重力环境下给实验试样施加热载荷。
如图23所示，加热装置62包括加热腔体62-1、上段发热体62-2、下段发热体62-3、上段进电接线环62-4、上段出电接电环62-5、下段进电接线环62-6、下段出电接电环62-7、上段固定环 62-8、下段固定环62-9和陶瓷盖62-10；加热腔体62-1内部安装发热体并顶端安装陶瓷盖62-13，加热腔体62-1中心设有筒状空腔，加热腔体62-1筒状空腔中安装承力装置64和试样64-3；
如图24和图25所示，筒状空腔周围的加热腔体62-1上半部分侧壁内部开设有沿周向间隔均布的四个上段发热体安装槽62-1-1，每个上段发热体安装槽62-1-1呈圆弧形布置，每个上段发热体安装槽62-1-1均安装有一个上段发热体62-2，上段发热体62-2固定于上段发热体安装槽62-1-1 内并防止发热体在超重力下移动；筒状空腔和上段发热体安装槽62-1-1之间的加热腔体62-1侧壁开设有上段辐射孔62-1-3，上段发热体62-2产生的热量透过上段辐射孔62-1-3通过热辐射加热到整个加热腔体62-1上半段的筒状空腔中；
加热腔体62-1安装发热体，加热腔体62-1中心设有筒状空腔，筒状空腔周围的加热腔体62-1 下半部分侧壁内部开设有沿周向间隔均布的四个下段发热体安装槽62-1-2，每个下段发热体安装槽 62-1-2呈圆弧形布置，每个下段发热体安装槽62-1-2均安装有一个下段发热体62-3，下段发热体 62-3固定于下段发热体安装槽62-1-2内并防止发热体在超重力下移动；筒状空腔和下段发热体安装槽62-1-2之间的加热腔体62-1侧壁开设有下段辐射孔62-1-4，下段发热体62-3产生的热量透过下段辐射孔62-1-4通过热辐射加热到整个加热腔体62-1下半段的筒状空腔中；
通过加热腔体62-1上半部分和下半部分的加热结构在加热腔体62-1内部营造一个均匀的温度场。具体实施根据最高工作温度、真空环境和超重力环境等因素，确定上段发热体62-2和下段发热体62-3类型。
设置上段发热体62-2和下段发热体62-3的材料类型，以使加热腔体62-1的上段和下段升温速率、温度不同，并且加热装置62采用加热腔体62-1上半部分和下半部分进行分体加热，通过多点控温在加热腔体62-1内形成更加均匀的温度场。
加热腔体62-1顶端周围设有上段进电接线环62-4和上段出电接电环62-5和上段固定环62-8，上段发热体62-2与上段进电接线环62-4、上段出电接电环62-5通过内部布设的绝热电线或者直接焊接并联电连接，上段进电接线环62-4和上段出电接电环62-5通过内部布设的绝热电线再连接到地面供电系统，由此通过上段进电接线环62-4和上段出电接电环62-5与地面供电系统连接形成闭环为上段发热体62-2供电，地面供电系统连接温控系统；上段进电接线环62-4和上段出电接电环 62-5外周围还设有上段固定环62-8，上段固定环62-8布置于保温装置64结构内；加热腔体62-1 底端周围设有下段进电接线环62-6和下段出电接电环62-7和下段固定环62-9，下段发热体62-3 与下段进电接线环62-6、下段出电接电环62-7通过内部布设的绝热电线或者直接焊接并联电连接，下段进电接线环62-6和下段出电接电环62-7通过内部布设的绝热电线再连接到地面供电系统，由此通过下段进电接线环62-6和下段出电接电环62-7与地面供电系统连接形成闭环为下段发热体 62-3供电，地面供电系统连接温控系统；下段进电接线环62-6和下段出电接电环62-7外周围还设有下段固定环62-9，下段固定环62-9布置于保温装置64结构内；
连接线、发热体与地面电源并联连接，防止个别发热体损伤造成整个线路断路而影响实验。上下进出接线环采用GH49等金属材料制备，具有强度、抗氧化性能和导电性性能。
通过加热腔体62-1内部周围结构的设置，一方面以加热腔体62-1外壁防止热量向炉外散失，二来通过上段辐射孔62-1-3和下段辐射孔62-1-4联通，最大限度将上段发热体62-2、下段发热体 62-3产生的热量通过超重力产生的热对流，在加热腔体62-1内部形成一个稳定的恒温区，从而形成一个完整的上段加热过程。
超重力的热对流下，加热管内圈内保温装置63周围的温度低的气流向加热装置62底部流动，加热管内圈内保温装置63周围的温度高的气流向加热装置62顶部流动；然后加热装置62底部后的气流经上段辐射孔62-1-3和下段辐射孔62-1-4向加热装置62顶部流动，进而经陶瓷盖62-10接触冷却后形成温度低的气流，再透过上段辐射孔62-1-3和下段辐射孔62-1-4到加热管内圈内向加热装置62底部流动，形成热对流循环。
如图26和图27所示，陶瓷盖62-10盖在加热腔体62-1的顶端，防止热端散失；陶瓷盖62-10 底面中心固定设有凸台62-10-2，凸台62-10-2位于加热腔体62-1的筒状空腔内，保温并形成台阶防止陶瓷盖62-10在超重力下下沉，同时防止加热腔在超重力下左右摇晃；凸台62-10-2两侧的陶瓷盖62-10开设有竖直的热电偶孔62-10-1，热电偶孔62-10-1中插装热电偶，通过热电偶控温，防止超重力环境下热电偶损坏。上段固定环62-8和下段固定环62-9分布安装在加热腔体62-1的上部和下部，增加加热腔体62-1的刚度，防止它在超重力下晃动和变形。固定环和陶瓷盖62-10材料具有耐高温压缩性能良好的氧化铝制备。
加热腔体62-1采用高性能陶瓷材料制备，如空心球氧化铝陶瓷等，确保超重力下的安全。
承力装置64的主要功能是在高速旋转过程中给试样施加离心应力。
如图28所示，承力装置64包括承力架64-1、高温拉杆64-2和缓冲体64-4；承力架64-1安装在挂杯61顶端口，整体为上凸弧形结构，如图29所示，承力架64-1的端面沿圆周间隔开设有镂空槽，以减轻重量并加固动态承力；承力架64-1的底面内圈边缘设有凸边64-1-3，凸边64-1-3嵌装配合于挂杯61顶端口内壁，使得凸边64-1-3的外侧周面与挂杯61内壁面接触，用来确保实验过程中承力架64-1不径向移动，并将高速旋转产生的离心力传递到挂杯61，以降低承力架64-1 的应力水平；高温拉杆64-2上端部通过螺栓固定连接在承力架64-1的中心孔处，高温拉杆64-2 下端向下穿过保温装置63的保温盖63-13和炉顶气凝胶层63-14后伸入到加热装置62的加热腔体 62-1筒状空腔中，高温拉杆64-2下端部和试样64-3上端连接，高温拉杆64-2和试样64-3同轴且位于加热腔体62-1筒状空腔的中心轴线位置；
如图33所示，缓冲体64-4位于试样64-3正下方且固定于保温装置63的隔热支撑座63-12上，缓冲体64-4包括筒体壳、第一层缓冲挡板64-4-1和第二层缓冲挡板64-4-2，筒体壳底端固定于隔热支撑座63-12顶面，筒体壳的上半部分的内周面加工成螺纹孔64-4-3，第一层缓冲挡板64-4-1 和第二层缓冲挡板64-4-2通过螺纹配合套装在螺纹孔64-4-3中，第一层缓冲挡板64-4-1位于第二层缓冲挡板64-4-2上方且相互之间相间隔距离布置，筒体壳的下半部分的两侧侧壁开设有减重孔 64-4-4，以减轻缓冲体64-4的重量。
承力架64-1主要用来安装高温拉杆64-2，采用轻质高强钛合金制备减轻重量。承力架64-1设计为整体弧形结构，增加强度，表面时效氮化处理，加强其硬度及强度，能承受高温和超重力，能防止受力变形。高温拉杆64-2为最重要的受力机构，采用单晶高温合金制备，如DD5。
如图30所示，高温拉杆64-2下端面开设有试样卡槽64-2-1，如图31所示，试样64-3从上到下分为卡头64-3-1、工作段64-3-2和面力加载块64-3-3，卡头64-3-1、工作段64-3-2和面力加载块64-3-3同轴成一体，卡头64-3-1加工成和试样卡槽64-2-1相吻合、能嵌装入试样卡槽64-2-1的形状和尺寸，面力加载块64-3-3位于缓冲体64-4的上方。试样64-3在高温下高速旋转时，试样 64-3自身产生的离心应力与面力加载块64-3-3产生的面力共同作用在工作段64-3-2。实验过程中，可以根据需要，通过改变面力加载块64-3-3的重量改变施加在工作段64-3-2上的面力，通过改变转速改变施加在工作段64-3-2上的离心应力。
通过试样卡槽64-2-1和卡头64-3-1的配合安装将试样64-3安装在高温拉杆64-2上，并使试样 64-3处于加热装置62的均温区中心位置。根据试样大小、重量、应力水平和温度，选择高温拉杆 64-2的材料、尺寸和长度，但高温拉杆64-2的长度务必确保试样64-3处于加热装置的均温区中心位置。
如图31和图32所示，试样卡槽64-2-1根据试样形状加工成不同形状的卡槽，如燕尾槽形状和半工字形状等。实验前，卡头64-3-1结构需要根据试样卡槽64-2-1的结构进行加工。
如图33所示，工作段64-3-2加工成规格的圆柱形、板状等，能使工作段64-3-2获得均匀的离心力梯度；工作段64-3-2加工成不规格的圆柱形、板状等，能使工作段64-3-2获得不均匀的离心力梯度。
实验前首先，根据实验温度、转速、预施加的离心力和面力，计算卡头64-3-2承受的最大应力F，F＝m×r×ω2，其中m为试样64-3的重量，r为试样64-3质量重心距离转轴的距离，ω为转速；
然后，在计算获得F值之后，根据安全系数n，计算卡头64-3-2的最大承受应力Feff，Feff＝F×n， n不能低于2；
接着，根据Feff确定卡头64-3-2的结构和尺寸，然后根据预施加在工作段64-3-2上的应力水平(不能高于(0.5-0.8)×Feff)确定面力加载块64-3-3的重量和尺寸，然后一次性加工成试样64-3。
对于缓冲体64-4在实验过程中，如果工作段64-3-2发生断裂，断裂试样和面力加载块64-3-3 在离心力作用下，首先撞向第一层缓冲挡板64-4-1；如果第一层缓冲挡板64-4-1发生断裂，断裂试样和面力加载块64-3-3继续撞向第二层缓冲挡板64-4-2，直到试样完全停止；且将第一层缓冲挡板64-4-1和第二层缓冲挡板64-4-2预留足够的距离，使第一层缓冲挡板64-4-1有足够的变形距离；这样能最大限度释放断裂试样和面力加载块64-3-3对缓冲挡板的撞击力，并最大限度减缓断裂试样和面力加载块64-3-3的撞击速度。
实施实验中首先计算断裂试样和面力加载块64-3-3撞击力F的公式：
F＝m×r×ω/t
其中，m为断裂试样和面力加载块64-3-3的总重量，r为断裂试样和面力加载块64-3-3质量重心距离转轴的距离，ω为转速，t为断裂试样和面力加载块64-3-3撞击缓冲挡板的时间。根据撞击力F的大小，分别确定第一层缓冲挡板64-4-1和第二层缓冲挡板64-4-2的材料、厚度、间距。
第一层缓冲挡板64-4-1和第二层缓冲挡板64-4-2为耗材，每次实验前可以进行方便更换。
还包括搭载独立的应力应变测试系统，采用电阻应变片焊接在试样64-3工作段64-3-2的不同部位，引线沿高温拉杆64-2引出到挂杯61外面与地面监测系统连接，通过电阻应变片测试获得试样64-3工作段64-3-2的动态应力-应变曲线。
如图14所示，利用本发明系统进行试样性能测试的具体过程是：
第一步：打开真空接口3-9，给实验腔3破真空。
第二步：打开腔盖3-3上的立式肘夹3-4。
第三步：启动升降系统4，提升腔盖3-3和转子系统2。
第四步：打开挂销2-3，取出挂杯61。为了动平衡需要，同时取下左右两个挂杯。
第五步：根据实验温度，确定上段发热体62-2和下段发热体62-3材料类型。
如果实验温度恒定，上段发热体62-2和下段发热体62-3材料类型相同，通过地面控制系统，在实验腔3的腔体3-1中形成一个均温区。
如果实验腔3的腔体3-1内有一定温度梯度，可以使上段发热体62-2和下段发热体62-3材料类型不同或相同，通过地面控制系统，在实验腔3的腔体3-1中形成一个温度梯度。
第六步：根据试样5-4-3的重量和实验应力(包括离心应力和面力)，确定试样卡槽64-2-1的形状和尺寸，根据试样卡槽64-2-1的形状确定卡头64-3-1的形状。
如果給试样施加均匀的应力梯度，工作段64-3-2为圆柱状、板状等形状。
如果給试样施加不均匀的应力梯度，工作段64-3-2为具有一定锥度的圆柱状、板状等形状。
根据预施加的离心应力，结合高温拉杆64-2的长度，确定转速。
根据预施加的面力，结合高温拉杆64-2的长度和转速，确定面力加载块64-3-3的重量和形状。
确定好上述参数后，再加工试样。
第七步：确定了转速、试样5-4-3的重量后，假设试样断裂，计算最大撞击力，确定第一层缓冲挡板64-4-1和第二层缓冲挡板64-4-2的材料类型、厚度和间距。
第八步：根据实验温度确定发热体类型，组装加热装置62。
第九步：根据确定的应力水平和试样形状，组装承力系统5-4。
第十步：在缓冲体64-4上安装第一层缓冲挡板64-4-1和第二层缓冲挡板64-4-2。
第十一步：在保护壳63-1内依次安装缓冲体64-4、加热装置62和承力系统5-4。
第十二步：将保护壳63-1安装到挂杯61中。
第十三步：将挂杯61安装在转子系统2的挂臂2-1上。
第十四步：将性能测试系统5所需的强电和弱信号线通过滑环1-2-1与地面控制系统和供电系统相连，并对连接结果进行测试，确定连接无误。
第十五步：启动升降系统4，将升起的腔盖3-3和转子系统2放回实验腔3中，然后锁紧腔盖 3-3上的立式肘夹3-4。
第十六步：启动离心主机1，使转子系统2在低速下旋转，对挂杯61进行动平衡测试。利用转速传感器1-4监测主轴59的转速，位移传感器1-5监测主轴59的振动。如果挂杯61振动超过技术指标要求，立刻关掉离心主机1，通过调整挂杯61负载，直到动平衡测试满足技术规范要求。
第十七步：启动真空系统，通过真空接口3-9对实验腔3抽真空，直到实验腔3内的真空度达到实验要求后才能启动性能测试系统的加热装置62。
第十八步：当加热腔62-1温度达到预定温度时，利用转速传感器1-4监测主轴59的转速，位移传感器1-5监测主轴59的振动。离心主机1运行过程中加热装置62-1同时运行。
第十九步：当离心主机转速达到实验设定的转速。
实验过程中，温度信号实时传给信号采集器，信号采集器通过滑环与地面测控中心连接，从而获得实验过程中温度-时间曲线。
第二十步：当实验结束后，依次关闭加热装置62和离心主机1。
第二十一步：当温度减低到400℃以下，且离心主机1完全停稳后，打开真空接口3-9，给实验腔3破真空。
第二十二步：当实验腔3内真空度达到1大气压时，打开腔盖3-3上的立式肘夹3-4，启动升降系统4，提升腔盖3-3和转子系统2。
第二十三步：打开挂销2-3，取出挂杯61，从挂杯61中取出保护壳63-1，最后从承力系统5-4 中取出试样。
第二十四步：挂杯61打扫干净后，空挂杯61再装回到转子系统2中。
第二十五步：启动升降系统4，将升起的腔盖3-3和转子系统2放回实验腔3中，然后锁紧腔盖3-3上的立式肘夹3-4。
第二十六步：启动真空系统，通过真空接口3-9对实验腔3抽真空，直到试验腔3内的真空度达到1Pa后关闭真空系统。
本发明具体实施的材料性能测试分为如下几种情况：
具体实施一：离心超重力作用下体积力-面力-温度耦合作用下材料持久和蠕变性能测试
在挂杯61中搭载离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统。两个的挂杯61实验内容和质心完全相同，确保动平衡。如图6所示，启动加热系统，提供热环境，对试样施加温度场；启动离心机，通过试样自身重力产生的离心加速度，对试样施加体积力；试样末端的面力加载块在离心超重力作用下对试样产生一定的拉应力，通过这个拉应力给试样施加面力，这样就在高转速环境下给试样施加了体积力-面力-温度耦合加载条件。通过图15所示的载荷谱，实现离心超重力作用下体积力-面力-温度耦合作用下材料持久和蠕变性能测试。
具体实施二：离心超重力作用下体积力-面力-温度耦合作用下材料疲劳性能测试
在挂杯61中搭载离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统。两个的挂杯61实验内容和质心完全相同，确保动平衡。如图6所示，启动加热系统，提供热环境，对试样施加温度场；启动离心机，通过试样自身重力产生的离心加速度，对试样施加体积力；试样末端的面力加载块在离心超重力作用下对试样产生一定的拉应力，通过这个拉应力给试样施加面力，这样就在高转速环境下给试样施加了体积力-面力-温度耦合加载条件。实验过程中通过周期性改变主机转速，进而改变施加试样上的体积力和面力，形成如图16所示的疲劳试验的载荷谱，实现离心超重力作用下体积力- 面力-温度耦合作用下材料疲劳性能测试。
具体实施三：离心超重力作用下体积力-面力-温度耦合作用下材料热机械疲劳性能测试
在挂杯61中搭载离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统。两个的挂杯61实验内容和质心完全相同，确保动平衡。如图6所示，启动加热系统，提供热环境，对试样施加温度场；启动离心机，通过试样自身重力产生的离心加速度，对试样施加体积力；试样末端的面力加载块在离心超重力作用下对试样产生一定的拉应力，通过这个拉应力给试样施加面力，这样就在高转速环境下给试样施加了体积力-面力-温度耦合加载条件。实验过程中通过周期性改变加热温度，形成如图17 所示的热机械疲劳试验载荷谱，实现离心超重力作用下体积力-面力-温度耦合作用下材料热机械疲劳性能测试。
具体实施四：离心超重力作用下体积力-面力-温度耦合作用下材料力学性能测试的高通量实验
将转子系统设计为图13，搭载离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统。每次实验离心主机搭载三对完全相同的挂杯61，确保动平衡。开展实验的时候，在A1-A2、B1-B2，C1-C2挂杯中放置三种不同性能测试实验，确保A1-A2实验内容和质心完全相同；B1-B2实验内容和质心完全相同；C1-C2实验内容和质心完全相同。启动三个独立的加热系统，给A1-A2、B1-B2，C1-C2三组样品施加三个不同的实验温度；改变A1-A2、B1-B2，C1-C2中实验末端面力加载块的重量，给 A1-A2、B1-B2、C1-C2三组样品施加三个不同的面力，实现一次离心超重力下实验同时开展不同实验条件下的性能测试，从而实现离心超重力作用下体积力-面力-温度耦合作用下材料力学性能测试的高通量实验。实验过程中，A1-A2、B1-B2、C1-C2可以为同种材料，也可以为不同种材料。

Claims (10)

1.一种悬臂式离心超重力环境下的材料性能测试试验机系统，其特征在于：
包括离心主机(1)、转子系统(2)、实验腔(3)和升降系统(4)和上驱式主轴复合体(5)；转子系统(2)和上驱式主轴复合体(5)安装在实验腔(3)内，实验腔(3)底部安装在装置底座上，离心主机(1)安装在实验腔(3)上方的升降系统(4)上并上驱式主轴复合体(5)上端连接，上驱式主轴复合体(5)下端和转子系统(2)驱动连接，升降系统(4)安装在装置底座上且位于实验腔(3)上方，升降系统(4)和实验腔(3)的腔盖连接。
2.根据权利要求1所述的一种悬臂式离心超重力环境下的材料性能测试试验机系统，其特征在于：所述的实验腔(3)包括实验腔体(3-1)、保护壳(3-2)、实验腔盖(3-3)、立式肘夹(3-4)和支座(3-6)；实验腔体(3-1)底部通过支座(3-6)固定安装在装置底座上，实验腔体(3-1)顶部开口并设有实验腔盖(3-3)；实验腔盖(3-3)周围的实验腔体(3-1)顶面沿圆周均布固定安装有三个立式肘夹(3-4)，实验腔盖(3-3)通过立式肘夹(3-4)与实验腔体(3-1)固定，立式肘夹(3-4)具体为卡扣式连接锁紧结构；实验腔盖(3-3)和实验腔体(3-1)接触面之间用O型橡胶圈(3-5)密封，实验腔体(3-1)侧壁开设有真空接口(3-9)，真空接口(3-7)与外部的地面真空系统或充气系统相连；实验腔体(3-1)内周围设有三层防护壳(3-2)；
所述的升降系统(4)包括驱动电机(4-1)、联轴器(4-2)、丝杠导轨(4-3)、支架(4-4)、螺母块(4-5)、竖直导轨(4-6)；升降支架(4-4)安装在实验腔(3)侧方的装置底座上，驱动电机(4-1)固定在升降支架(4-4)顶部，驱动电机(4-1)输出轴朝下经联轴器(4-2)和丝杠(4-3)传动连接，丝杠(4-3)竖直布置，丝杠(4-3)上通过螺纹安装有螺母块(4-5)，螺母块(4-5)同时轴向活动套装于丝杠(4-3)旁平行布置的竖直导轨(4-6)上，形成丝杠螺母副；驱动电机(4-1)工作带动丝杠(4-3)旋转进而带动螺母块(4-5)沿竖直导轨(4-6)导向上下升降移动；
所述的离心主机(1)包括离心电机(1-1)、上轴承支架(1-3)、转速传感器(1-4)、位移传感器(1-5)和电机支座(1-7)；电机支座(1-7)固定于升降系统(4)的螺母块侧面，离心电机(1-1)固定安装在电机支座(1-7)上，电机支座(1-7)底部固定连接于实验腔(3)的实验腔盖(3-3)，离心电机(1-1)侧旁安装有上驱式主轴复合体(5)，上驱式主轴复合体(5)支撑安装于上轴承支架(1-3)上，上轴承支架(1-3)固定连接电机支座(1-7)，离心电机(1-1)的输出轴朝下经带传动结构和上驱式主轴复合体(5)连接，带动上驱式主轴复合体(5)旋转运动；实验腔盖(3-3)内顶面在上驱式主轴复合体(5)侧方旁固定装有转速传感器(1-4)，上驱式主轴复合体(5)下部固定连接安装有位移传感器(1-5)，上驱式主轴复合体(5)下端和转子系统(2)连接；
所述的上驱式主轴复合体(5)包括滑环(51)、滑环轴(52)、主轴(59)、小带轮(510)、磁流体密封结构(511)、密封法兰(513)、连接法兰(515)和胀紧套(516)；主轴(59)上部套装从上倒下依次设有滑环轴(52)和轴环部；滑环轴(52)下端和主轴(59)上端同轴固接，滑环轴(52)外套装有滑环(51)；所述滑环轴(52)下方的主轴(59)局部设置有环形外凸缘作为轴环部，轴环部的外周面设置为倾斜向下的外圆锥面，小带轮(510)的内周面设置为倾斜向下的内圆锥面，小带轮(510)通过内外圆锥面同轴套装于主轴(59)的轴环部上，小带轮(510)经皮带和离心电机(1-1)的输出轴同步连接传动，滑环轴(52)和轴环部之间的主轴(59)通过轴承套装于离心主机(1)的上轴承支架(1-3)的通孔中；主轴(59)中部从上到下依次套装有磁流体密封结构(511)和密封法兰(513)；磁流体密封结构(511)包括轴承盖(511-2)、深沟球轴承(511-3)、壳体(511-4)和O型圈(511-7)；壳体(511-4)套装在主轴(59)外，壳体(511-4)和主轴(59)中部之间具有径向间隙形成游动腔(511-5)，游动腔内部的上侧和下侧均安装有深沟球轴承(511-3)，使得壳体(511-4)和主轴(59)之间通过深沟球轴承(511-3)转动连接，游动腔(511-5)上端口处的壳体(511-4)开口并安装有轴承盖(511-2)，轴承盖(511-2)套装于主轴(59)外并轴向对深沟球轴承(511-3)限位；壳体(511-4)在下端处的壳体(511-4)封闭形成封闭端，壳体(511-4)下端封闭端和主轴(59)之间密封连接；壳体(511-4)的下端部设有外凸缘，外凸缘开设连接孔(511-6)，螺栓穿过连接孔(511-6)连接到实验腔盖(3-3)顶面，从而将壳体(511-4)的下端部固定连接到实验腔盖(3-3)顶面，且壳体(511-4)的下端面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装O型圈(511-7)，通过O型圈(511-7)使得壳体(511-4)的下端面和实验腔盖(3-3)顶面密封配合；密封法兰(513)位于实验腔体(3-1)内且固定在实验腔盖(3-3)底面，在顶部内圈周面开设有环形缺口槽，环形缺口槽中安装有油封(513-1)，油封(513-1)上侧设有孔用弹性挡圈(513-2)，孔用弹性挡圈(513-2)嵌装在密封法兰(513)环形缺口槽内周面所开设的环形挡圈槽中；密封法兰(513)顶面设有环形台阶，环形台阶表面开设有环形凹槽，环形凹槽中安装密封圈(513-3)，通过密封圈(513-3)使得密封法兰(513)顶面和实验腔盖(3-3)底面密封配合；主轴(59)下端经胀紧套(516)和连接法兰(515)同轴固接，连接法兰(515)下端连接离心超重力装置的转子系统；
所述的转子系统(2)包括挂杯臂(2-1)、挂杯(61)和挂销(2-3)；上驱式主轴复合体(5)主轴(59)下端穿过实验腔盖(3-3)的中心通孔伸入到实验腔体(3-1)内，挂臂(2-1)顶面中心和主轴(59)底端的密封法兰(513)同轴固接，挂臂(2-1)的两端对称铰接安装有挂杯(61)，挂杯(61)均通过挂销(2-3)铰接安装于挂臂(2-1)的末端；挂臂(2-1)底面中心可旋转活动地承托在中心支承轴(1-6)顶端，支承轴(1-6)底端竖直固定于实验腔体(3-1)底部中心。
3.根据权利要求1所述的一种悬臂式离心超重力环境下的材料性能测试试验机系统，其特征在于：所述的实验腔体(3-1)底面上开有视窗(3-8)，视窗(3-8)下方的装置底座上安装监视器(3-7)，监视器(3-7)朝向视窗(3-8)并透过视窗(3-8)向实验腔体(3-1)内拍摄实验状况。
4.根据权利要求1所述的一种悬臂式离心超重力环境下的材料性能测试试验机系统，其特征在于：每个所述的挂杯(61)中安装有材料性能测试系统，材料性能测试系统包括加热装置(62)、保温装置(63)和承力装置(64)；挂杯(61)中安装保温装置(63)，保温装置(63)中装有加热装置(62)，加热装置(62)中装有承力装置(64)，挂杯(61)顶部两侧设有吊耳(61-1)，挂杯(61)通过两侧的吊耳(61-1)铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上。
5.根据权利要求4所述的一种悬臂式离心超重力环境下的材料性能测试试验机系统，其特征在于：所述的保温装置(63)包括保护壳(63-1)、上段气凝胶层(63-2)、上段陶瓷纤维层(63-3)、上段绝缘环(63-4)、上固定环隔热层(63-5)、中段气凝胶层(63-6)、中段陶瓷纤维层(63-7)、下段绝缘环(63-8)、下固定环隔热层(63-9)、下段气凝胶层(63-10)、下段陶瓷纤维层(63-11)、隔热支撑座(63-12)、保温盖(63-13)、炉顶气凝胶层(63-14)、上进线安装环道(63-15)、上出线安装孔(63-16)、下进线安装环道(63-17)、下出线安装孔(63-18)、上环形间隔(63-19)和下环形间隔(63-20)；保护壳(63-1)固定放置在挂杯(61)底部，保护壳(63-1)的内周壁布置有环状沿圆周一圈的气凝胶层，气凝胶层从下到上分为下段气凝胶层(63-10)、中段气凝胶层(63-6)和上段气凝胶层(63-2)，下段气凝胶层(63-10)和中段气凝胶层(63-6)之间设有下环形间隔(63-20)，下环形间隔(63-20)处布置下段加热结构的下段固定环(62-9)；中段气凝胶层(63-6)和上段气凝胶层(63-2)之间设有上环形间隔(63-19)，上环形间隔(63-19)处布置上段加热结构的上段固定环(62-8)；下段气凝胶层(63-10)所在的保护壳(63-1)中央固定有隔热支撑座(63-12)，隔热支撑座(63-12)和下段气凝胶层(63-10)之间填充有下段陶瓷纤维层(63-11)；下段陶瓷纤维层(63-11)之上的上段气凝胶层(63-2)和中段气凝胶层(63-6)的内周壁布置有环状沿圆周一圈的陶瓷纤维层，陶瓷纤维层从下到上分为中段陶瓷纤维层(63-7)和上段陶瓷纤维层(63-3)，中段陶瓷纤维层(63-7)和上段陶瓷纤维层(63-3)分别位于紧贴中段气凝胶层(63-6)和上段气凝胶层(63-2)的内周壁；中段陶瓷纤维层(63-7)和下段陶瓷纤维层(63-13)之间设有下固定环隔热层(63-9)，上段气凝胶层(63-2)和中段陶瓷纤维层(63-7)之间设有上固定环隔热层(63-5)；中段陶瓷纤维层(63-7)和下固定环隔热层(63-9)之间内嵌设有分别上下布置的下进线安装环道(63-17)和下出线安装环道(63-23)，下进线安装环道(63-17)布置下段进电接线环(62-6)，下出线安装环道(63-23)布置下段出电接电环(62-7)，下进线安装环道(63-17)和下出线安装环道(63-23)之间通过下段绝缘环(63-8)隔绝；上段陶瓷纤维层(63-3)和上固定环隔热层(63-5)之间内嵌设有分别上下布置的上进线安装环道(63-15)和上出线安装环道(63-16)，上进线安装环道(63-15)布置上段进电接线环(62-4)，上出线安装环道(63-16)布置上段出电接电环(62-5)，上进线安装环道(63-15)和上出线安装环道(63-16)之间通过上段绝缘环(63-4)隔绝；上段陶瓷纤维层(63-3)上端口形成阶梯口，阶梯口安装保温盖(63-13)，在保护壳(63-1)上端口安装炉顶气凝胶层(63-14)，炉顶气凝胶层(63-14)底面紧贴于保温盖(63-13)和上段陶瓷纤维层(63-3)的顶面；下段陶瓷纤维层(63-11)之上的中段陶瓷纤维层(63-7)内周形成加热内腔，加热内腔中安装加热腔体(62-1)；
所述的加热装置(62)包括加热腔体(62-1)、上段发热体(62-2)、下段发热体(62-3)、上段进电接线环(62-4)、上段出电接电环(62-5)、下段进电接线环(62-6)、下段出电接电环(62-7)、上段固定环(62-8)、下段固定环(62-9)和陶瓷盖(62-10)；加热腔体(62-1)内部安装发热体并顶端安装陶瓷盖(62-13)，加热腔体(62-1)中心设有筒状空腔，加热腔体(62-1)筒状空腔中安装承力装置(64)和试样(64-3)；筒状空腔周围的加热腔体(62-1)上半部分侧壁内部开设有沿周向间隔均布的四个上段发热体安装槽(62-1-1)，每个上段发热体安装槽(62-1-1)呈圆弧形布置，每个上段发热体安装槽(62-1-1)均安装有一个上段发热体(62-2)；筒状空腔和上段发热体安装槽(62-1-1)之间的加热腔体(62-1)侧壁开设有上段辐射孔(62-1-3)，上段发热体(62-2)产生的热量透过上段辐射孔(62-1-3)通过热辐射加热到整个加热腔体(62-1)上半段的筒状空腔中；加热腔体(62-1)中心设有筒状空腔，筒状空腔周围的加热腔体(62-1)下半部分侧壁内部开设有沿周向间隔均布的四个下段发热体安装槽(62-1-2)，每个下段发热体安装槽(62-1-2)呈圆弧形布置，每个下段发热体安装槽(62-1-2)均安装有一个下段发热体(62-3)；筒状空腔和下段发热体安装槽(62-1-2)之间的加热腔体(62-1)侧壁开设有下段辐射孔(62-1-4)，下段发热体(62-3)产生的热量透过下段辐射孔(62-1-4)通过热辐射加热到整个加热腔体(62-1)下半段的筒状空腔中；加热腔体(62-1)顶端周围设有上段进电接线环(62-4)和上段出电接电环(62-5)和上段固定环(62-8)，上段发热体(62-2)与上段进电接线环(62-4)、上段出电接电环(62-5)并联电连接，上段进电接线环(62-4)和上段出电接电环(62-5)再连接到地面供电系统；上段进电接线环(62-4)和上段出电接电环(62-5)外周围还设有上段固定环(62-8)，上段固定环(62-8)布置于保温装置(64)结构内；加热腔体(62-1)底端周围设有下段进电接线环(62-6)和下段出电接电环(62-7)和下段固定环(62-9)，下段发热体(62-3)与下段进电接线环(62-6)、下段出电接电环(62-7)并联电连接，下段进电接线环(62-6)和下段出电接电环(62-7)再连接到地面供电系统；下段进电接线环(62-6)和下段出电接电环(62-7)外周围还设有下段固定环(62-9)，下段固定环(62-9)布置于保温装置(64)结构内；
所述的承力装置(64)包括承力架(64-1)、高温拉杆(64-2)和缓冲体(64-4)；承力架(64-1)安装在挂杯(61)顶端口，整体为上凸弧形结构，承力架(64-1)的底面内圈边缘设有凸边(64-1-3)，凸边(64-1-3)嵌装配合于挂杯(61)顶端口内壁；高温拉杆(64-2)上端部通过螺栓固定连接在承力架(64-1)的中心孔处，高温拉杆(64-2)下端向下穿过保温装置(63)的保温盖(63-13)和炉顶气凝胶层(63-14)后伸入到加热装置(62)的加热腔体(62-1)筒状空腔中，高温拉杆(64-2)下端部和试样(64-3)上端连接，高温拉杆(64-2)和试样(64-3)同轴且位于加热腔体(62-1)筒状空腔的中心轴线位置；缓冲体(64-4)位于试样(64-3)正下方且固定于保温装置(63)的隔热支撑座(63-12)上，缓冲体(64-4)包括筒体壳、第一层缓冲挡板(64-4-1)和第二层缓冲挡板(64-4-2)，筒体壳底端固定于隔热支撑座(63-12)顶面，筒体壳的上半部分的内周面加工成螺纹孔(64-4-3)，第一层缓冲挡板(64-4-1)和第二层缓冲挡板(64-4-2)通过螺纹配合套装在螺纹孔(64-4-3)中，第一层缓冲挡板(64-4-1)位于第二层缓冲挡板(64-4-2)上方且相互之间相间隔距离布置，筒体壳的下半部分的两侧侧壁开设有减重孔(64-4-4)，以减轻缓冲体(64-4)的重量；
所述的高温拉杆(64-2)下端面开设有试样卡槽(64-2-1)，试样(64-3)从上到下分为卡头(64-3-1)、工作段(64-3-2)和面力加载块(64-3-3)，卡头(64-3-1)、工作段(64-3-2)和面力加载块(64-3-3)同轴成一体，卡头(64-3-1)加工成和试样卡槽(64-2-1)相吻合、能嵌装入试样卡槽(64-2-1)的形状和尺寸，面力加载块(64-3-3)位于缓冲体(64-4)的上方。
6.根据权利要求5所述的一种悬臂式离心超重力环境下的材料性能测试试验机系统，其特征在于：所述的上段固定环(62-8)、下段固定环(62-9)和加热腔体(62-1)均为氧化铝陶瓷，上段固定环(62-8)和加热腔体(62-1)之间通过利用陶瓷纤维制备的上固定环隔热层(63-5)隔热，下段固定环(62-9)和加热腔体(62-1)之间通过利用陶瓷纤维制备的下固定环隔热层(63-9)分隔。
7.根据权利要求5所述的一种悬臂式离心超重力环境下的材料性能测试试验机系统，其特征在于：所述的保护壳(63-1)顶部和底部外壁面均设有多个护栏(63-1-1)，多个护栏(63-1-1)沿圆周间隔均布用于保护壳(63-1)放入和取出挂杯(61)。
8.根据权利要求5所述的一种悬臂式离心超重力环境下的材料性能测试试验机系统，其特征在于：所述的保护壳(63-1)的上半部分的壳壁开设有散热孔(63-1-2)。
9.根据权利要求5所述的一种悬臂式离心超重力环境下的材料性能测试试验机系统，其特征在于：所述的陶瓷盖(62-10)盖在加热腔体(62-1)的顶端，陶瓷盖(62-10)底面中心固定设有凸台(62-10-2)，凸台(62-10-2)位于加热腔体(62-1)的筒状空腔内；凸台(62-10-2)两侧的陶瓷盖(62-10)开设有竖直的热电偶孔(62-10-1)，热电偶孔(62-10-1)中插装热电偶，通过热电偶控温。
10.根据权利要求5所述的一种悬臂式离心超重力环境下的材料性能测试试验机系统，其特征在于：还包括搭载独立的应力应变测试系统，采用电阻应变片焊接在试样(64-3)工作段(64-3-2)的不同部位，引线沿高温拉杆(64-2)引出到挂杯(61)外面与地面监测系统连接，通过电阻应变片测试获得试样(64-3)工作段(64-3-2)的动态应力-应变曲线。
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