CN111595692A - 用于材料制备与性能测试的悬臂式离心超重力实验装置 - Google Patents

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CN111595692A CN202010259138.9A CN202010259138A CN111595692A CN 111595692 A CN111595692 A CN 111595692A CN 202010259138 A CN202010259138 A CN 202010259138A CN 111595692 A CN111595692 A CN 111595692A
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Abstract

本发明公开了一种用于材料制备与性能测试的悬臂式离心超重力实验装置。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。本发明实现离心超重力下材料高通量制备，以及体积力‑面力‑温度耦合作用下材料持久、蠕变、疲劳、热机械疲劳等性能的高通量测试，装置结构有效，操作方便且安全可靠。

Description

用于材料制备与性能测试的悬臂式离心超重力实验装置
技术领域
本发明涉及了离心超重力材料制备与性能测试领域的一种实验装置，尤其涉及一种用于材料制备与性能测试的悬臂式离心超重力实验装置。
背景技术
材料是实现科学技术和理念的重要载体，是社会发展和人类进步的物质基础。在高性能材料领域，经过多年发展，我国虽然取得了一些令人瞩目的成绩，但与发达国家相比，整体水平仍然比较落后，差距明显。传统的新材料研发过程周期长，投入大，且由于材料成分-结构-性能之间非线性关系，很难实现面向实际性能需求的材料设计。为解决我国新材料研发周期长，研发成本高的不足， 2016年国家启动了材料基因组计划，旨在实现高性能结构材料研发由“经验指导试验”向“理论预测、试验验证”的模式转变，其中“材料基因组工程”的核心内容是高通量材料制备技术以及材料性能的高通量测试技术。
已报道的高通量材料制备技术，组合薄膜制备技术最为成熟，但只能制备二维材料，无法实现块体材料的高通量制备。对比文件1(201910538197.7，超重力环境下使用的固定式实验舱)、对比文件2(201910538193.9，超重力环境固定式多场耦合作用下材料性能测试系统)、对比文件3(201910539151.7，超重力环境悬挂式多场耦合作用下材料性能测试系统)、对比文件4 (201910853672.X，机载超重离心模拟装置的多功能实验舱)报道的现有超重力性能测试装置，仅适合臂式离心机，且每次只能悬挂两个实验舱，考虑到离心超重力主机和机载装置的动平衡，两个实验舱的实验内容和质心必须相同，这样每次实验只能完成一种类型的实验，无法在一台设备上同时实现多种类型实验，因而实验效率低，实验成本高。
因此，迫切需要开发成分和组织可控的高通量块体材料制备和性能测试新方法和新技术，实现材料的快速集成设计，从根本上改变材料领域的研发模式。
发明内容
本发明针对现有基于超重力离心实验装置的材料制备或性能测试实验每次只能开展一种类型的实验，无法在一台设备上同时完成多种类型的实验，即高通量实验，公开了一种可以实现高通量材料制备或性能高通量测试的离心超重力实验装置，解决在高速旋转状态下制约材料高通量制备与性能高通量测试的关键难题，显著提高材料制备和测试的效率，降低成本，提供一种装配简单、使用方便、安全系数高，且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。
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。材料制备或性能测试装置搭载在转子系统的挂杯中。转子系统可以设计为搭载一组或多组挂杯，以适应单次实验制备多种材料或完成多种类型材料性能测试实验。
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。
所述的磁流体密封结构中，油封选用SKF的氟橡胶油封。
所述的转子系统中，挂杯臂、挂杯之间的挂销外套装有轴用弹性挡圈。
所述的转速传感器测量上驱式主轴复合体中主轴的转速，位移传感器测量上驱式主轴复合体中主轴的振动。
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，通过搭载高温熔铸系统和材料性能测试装置，实现高速旋转状态下材料的高通量制备与持久、蠕变、疲劳、热机械疲劳等材料性能的高通量测试，解决高速旋转状态下单次实验无法制备多种类型材料或完成多种类型性能测试实验的关键难题。
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。
本发明的有益效果和特点是：
本发明提供的用于材料制备与性能测试的悬臂式离心超重力实验装置，通过搭载离心超重力熔铸系统，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)挂杯2-2，每对挂杯放置一种类型或不同类型的材料。凝固过程中，通过超重力产生的浮力因子Δρng(Δρ为析出相与合金熔体的密度差，ng为离心超重力)以及离心力沿凝固方向呈梯度分布的特点，通过精确控制温度、冷速、超重力参数等参数，调控形核长大行为和凝固组织形成顺序，获得具有成分和组织梯度的材料，从而实现单次同时完成3组同类或不同类材料的高通量制备，材料研发周期缩短40％，研发成本降低50％以上。
本发明提供的用于材料制备与性能测试的悬臂式离心超重力实验装置，通过搭载离心力-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)挂杯2-2，每对挂杯完成一种类型或不同类型的材料性能实验，这样每次就能同时完成3组同类或不同类材料性能测试实验。性能测试过程中，通过调控加热温度、超重力参数、面力加载块质量等，实现单次实验能够同时测试3中同类或不同类材料的持久、蠕变、疲劳等力学性能，从而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测试的高通量测试难题，极大地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。
本发明的离心主机具备提供1500g-50000g超重力环境下的能力，转子系统具备搭载高温熔铸炉、力学性能测试系统等实验装置等能力，实验腔具备提供真空或冲入惰性气体的能力，具备开展各种气氛环境下材料动态性能的高通量测试实验，有利于对比研究不同类型材料在同种气氛环境下的力学性能，极大方便最优性能材料的筛选速度。装置结构简单，操作方便且安全可靠。
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、2-2挂杯、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。
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2-2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2-2，挂杯2-2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2-2，为主要受力点，材料高强材料制备。挂杯2-2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2-2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2-2的轴向运动，提供高速旋转时挂杯2-2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2-2绕主轴59旋转，进而带动挂臂2-1、挂销2-3、挂杯2-2一起高速旋转。
本发明的装置使用和运行过程：
根据实验需要，确定该装置需要做的实验类型。如果做超重力环境下的凝固实验，就准备熔铸炉；如果做超重力作用下的材料性能测试实验，就准备材料性能测试装置。下面以超重力凝固实验为例，详细说明该发明的使用和运行过程：
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，驱动电机4-1驱动丝杠4-3旋转带动螺母块4-5 沿竖直导轨4-6导向上下升降移动，进而螺母块4-5带动提升或者下降实验腔盖 3-3。
第四步：打开挂销2-3，取出挂杯2-2。为了动平衡需要，同时取下左右两个挂杯。
第五步：在挂杯2-2中装入机载熔铸炉，将熔铸炉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。
第六步：启动升降系统4，将升起的实验腔盖3-3放回实验腔3中，然后锁紧腔盖3-3上的立式肘夹3-4。
第七步：启动离心主机1，使转子系统2在低速下旋转，对挂杯2-2进行动平衡测试。利用转速传感器1-5监测主轴59的转速，位移传感器1-6监测主轴 59的振动。如果挂杯2-2振动超过技术指标要求，立刻关掉离心主机1，回到第二步，通过调整挂杯2-2负载，直到动平衡测试满足技术规范要求。
第八步：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内的真空度达到熔铸要求后才能启动熔铸炉的加热系统。
第九步：当熔铸炉炉温达到一定温度后，启动离心主机1，并利用转速传感器1-5监测主轴59的转速，位移传感器1-6监测主轴59的振动。
第十步：熔铸结束后，依次关闭熔铸炉加热系统和离心主机1。
第十一步：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。
第十三步：打开挂销2-3，取出挂杯2-2，从挂杯2-2中取出熔铸炉和试样。
第十四步：挂杯2-2打扫干净后，空挂杯2-2再装回到转子系统2中。
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。
本发明提供了离心超重力环境下的材料制备平台，通过搭载具有分区加热功能的离心超重力定向熔铸系统，可以用于离心超重力下的材料制备，根据图6，为了确保动平衡，每次实验离心主机只能搭载2个完全相同的挂杯2-2，开展相同的实验。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2-2，每对挂杯完成一种类型的材料制备实验，单次就能同时完成3种类型材料制备实验，实现离心超重力下材料的高通量制备。
本发明提供了离心超重力环境下的材料性能测试平台，通过搭载离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统，可以用于体积力-面力-温度耦合作用下材料持久、蠕变、疲劳和热机械疲劳等性能测试。为了确保动平衡，每次实验离心主机只能搭载2个完全相同的挂杯2-2，开展相同的实验。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2-2，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3种类型材料性能测试实验，从而实验离心超重力下材料性能测试的高通量实验，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难题。
本发明具体实施的材料制备和测试分为如下几种情况：
具体实施一：离心超重力作用下同种类型材料的高通量制备
在挂杯2-2中搭载具有分区加热功能的离心超重力定向熔铸系统，两个的挂杯2-2实验内容和质心完全相同，确保动平衡。启动加热系统，熔化合金材料；启动离心机，通过冷却系统，控制冷却速度，实现离心超重力下同种类型材料的高通量制备。
具体实施二：离心超重力作用下异种类型材料的高通量制备
将转子系统设计为图13，搭载具有分区加热功能的离心超重力定向熔铸系统。每次实验离心主机搭载三对完全相同的挂杯2-2，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类型的材料，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，分别熔化A1-A2、B1-B2，C1-C2挂杯中的合金材料；启动离心机，通过冷却系统，控制A1-A2、B1-B2，C1-C2冷却速度，实现单次离心超重力实验同时制备三种不同类型的材料，从而实现离心超重力作用下异种类型材料的高通量制备。
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持久和蠕变性能测试
在挂杯2-2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2-2实验内容和质心完全相同，确保动平衡。如图14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。
具体实施四：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2-2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2-2实验内容和质心完全相同，确保动平衡。如图14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。
具体实施五：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2-2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2-2实验内容和质心完全相同，确保动平衡。如图14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。
具体实施六：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，每个挂杯2-3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2-2，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类型的性能测试实验，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，实现单次离心超重力下实验同时开展不同类型实验条件下的多种类型性能测试，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的高通量测试。

Claims (6)

1.一种用于材料制备与性能测试的悬臂式离心超重力实验装置，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所述的一种用于材料制备与性能测试的悬臂式离心超重力实验装置，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(2-2)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(2-2)，挂杯(2-2)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所述的一种用于材料制备与性能测试的悬臂式离心超重力实验装置，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所述的一种用于材料制备与性能测试的悬臂式离心超重力实验装置，其特征在于：所述的磁流体密封结构(511)中，油封(513-1)选用(SKF)的氟橡胶油封。
5.根据权利要求1所述的一种用于材料制备与性能测试的悬臂式离心超重力实验装置，其特征在于：所述的转子系统(2)中，挂杯臂(2-1)、挂杯(2-2)之间的挂销(2-3)外套装有轴用弹性挡圈(2-4)。
6.根据权利要求1所述的一种用于材料制备与性能测试的悬臂式离心超重力实验装置，其特征在于：所述的转速传感器(1-4)测量上驱式主轴复合体(5)中主轴(59)的转速，位移传感器(1-5)测量上驱式主轴复合体(5)中主轴(59)的振动。
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