CN112748068A - 适用于低温真空条件下的摩擦实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于低温真空条件下的摩擦实验装置，包括驱动装置、加载装置、传动装置、第二隔热联轴器、可控温真空箱、常温箱和测试件，所述常温箱设置在可控温真空箱内，测试件和传动装置设置在可控温真空箱内，加载装置通过传动装置连接测试件的加载输入端，驱动装置通过第二隔热联轴器连接测试件的驱动端；本发明可以将伺服电机置于由常温箱通过螺丝与常温箱端盖固定形成常温箱，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。
Description
技术领域
本发明涉及低温真空条件下的摩擦打滑测试领域，更具体的说，尤其涉及一种适用于低温真空条件下的摩擦实验装置。
背景技术
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低温真空环境，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。
为完成该制动器的地面模拟测试，需要设计一种低温真空条件下的驱动加载平台，该种低温真空条件下的驱动加载平台需要完成的测试有：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.不同温度下的加载测试。
目前，地面真空驱动加载设备通常采用真空电机提供转速和转矩，但真空电机可以提供的转速和转速有限并且虽然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，真空电机难以满足实验需求，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。
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。
目前，尚无在低温真空的环境内设置常温箱的设计。在低温真空环境内，主要考虑常温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。
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适用于低温真空条件下的摩擦实验装置。
发明内容
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，提出了传动链短、同轴度高、所需场地小、实现良好隔热且加载速度快的一种适用于低温真空条件下的摩擦实验装置。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种适用于低温真空条件下的摩擦实验装置，包括驱动装置、加载装置、传动装置、第二隔热联轴器、可控温真空箱、常温箱和测试件，所述测试件设置有加载输入端和驱动端，加载输入端和驱动端为测试件上同一根轴的两端；所述常温箱设置在可控温真空箱内，常温箱内部底面上设置有水平安装的隔热安装板，驱动装置和加载装置安装在常温箱内，常温箱内部的隔热安装板上还设置有温度传感器和加热片，测试件和传动装置设置在可控温真空箱内，加载装置通过传动装置连接测试件的加载输入端，驱动装置通过第二隔热联轴器连接测试件的驱动端；
所述驱动装置包括伺服电机、驱动主轴、驱动小带轮、驱动大带轮、驱动大带轮支架、驱动端皮带、第一联轴器和驱动磁流体密封轴，伺服电机固定在常温箱内的隔热安装板上，驱动小带轮固定在伺服电机的输出轴上，所述驱动大带轮支架竖直安装在隔热安装板上，驱动主轴的一端通过轴承水平安装在驱动大带轮支架上，驱动大带轮固定在驱动主轴上，驱动大带轮和驱动小带轮通过驱动端皮带连接，驱动主轴的另一端依次连接第一联联轴器和驱动磁流体密封轴；所述驱动主轴、第一联联轴器和驱动磁流体密封轴的轴线在通一条直线上，驱动磁流体密封轴安装在常温箱的侧壁上；所述驱动磁流体密封轴的输出端伸出到常温箱外并通过第二隔热联轴器连接测试件的驱动端；
所述加载装置包括刹车支座、刹车器、转速传感器、刹车轴、第二联轴器、磁滞制动器、第三联轴器、第二扭矩传感器、第四联轴器和加载磁流体密封轴，所述刹车器通过刹车支座固定在隔热安装板上，刹车器的刹车轴依次连接转速传感器、第二联轴器、磁滞制动器、第三联轴器、第二扭矩传感器和加载磁流体密封轴，所述磁滞制动器通过制动器支架固定在隔热安装板上，刹车器、转速传感器、第二联轴器、磁滞制动器、第三联轴器、第二扭矩传感器和加载磁流体密封轴的轴线在同一条直线上；所述加载磁流体密封轴的输出端伸出到常温箱外；
所述传动装置包括第一隔热联轴器、第一扭矩传感器、第三隔热联轴器、中间轴、加载端小轮支架、加载端大轮支架、加载大带轮、加载小带轮、加载主轴和第四隔热联轴器，所述加载端小轮支架和加载端大轮支架均固定在可控温真空箱的底板上，中间轴的一端通过轴承水平安装在加载端小轮支架上，加载主轴的一端通过轴承水平安装在加载端大轮支架上，所述加载小带轮固定在中间轴上，加载大带轮固定在加载主轴上，加载小带轮和加载大带轮通过加载端皮带连接；所述中间轴的另一端依次连接第三隔热联轴器、第一扭矩传感器、第一隔热联轴器和测试件的加载输入端；所述加载主轴的另一端经过第四隔热联轴器连接加载磁流体密封轴伸出常温箱的一端。
进一步的，加载磁流体密封轴和驱动磁流体密封轴的外壳均与常温箱固定连接。加载磁流体密封轴和驱动磁流体密封轴实现常温箱内外的隔热密封和转矩传递。
进一步的，所述隔热安装板由隔热材料制成，隔热安装板通过螺丝固定在常温箱的内侧底部。
进一步的，所述刹车支座、电机支座、驱动大带轮支架和温度传感器均通过螺栓固定在常温箱内部的隔热安装板上。
进一步的，所述伺服电机的输出轴上设置有键槽和螺纹定位孔，驱动小带轮通过键槽和螺纹定位孔与伺服电机的输出轴固定连接。伺服电机通过螺栓固定在电机支座上。
进一步的，所述测试件的底面由隔热材料加工而成。测试件的底面也可以设置单独的隔热底座，测试件通过隔热底座安装在常温箱上。
进一步的，所述第一扭矩传感器和第二扭矩传感器均为双出轴式扭矩传感器。
进一步的，所述磁滞制动器为双出轴式磁滞制动器，磁滞制动器通过制动器支座固定在隔热安装板上。
本发明的有益效果在于：
1、本发明可以将伺服电机置于由常温箱通过螺丝与常温箱端盖固定形成常温箱，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。
2、本发明设计了第一隔热联轴器、第二隔热联轴器，常温箱、常温箱端盖以及测试件，在低温真空的测试环境中，由常温箱通过螺丝与常温箱端盖固定形成常温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，第一隔热联轴器和第二隔热联轴器均由隔热材料制成，而测试件的底部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上部的热传导，减小了实验误差。常温箱常温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。
3、本发明设计了加热片和温度传感器，当工作在低温真空环境中时，通过加热片对由常温箱通过螺丝与常温箱端盖固定形成常温箱内部进行加热，确保伺服电机等原件工作在适宜的温度，并可通过温度传感器实时监控常温箱内部温度，便于对加热片的开启与否进行实时调节。
4、本发明设计了由常温箱通过螺丝与常温箱端盖固定形成常温箱和驱动端皮带通过张紧力与驱动小带轮、驱动大带轮配合，实现传动的机构；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，减小了实验所需的场地大小。
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刹车轴，通过加载端皮带、加载大带轮、加载小带轮配合使得测试件一端停止转动，实现对测试件的瞬间加载，实现瞬间达到打滑实验的目的，缩短了加载时间。
附图说明
图1是本发明一种适用于低温真空条件下的摩擦实验装置的主视图。
图2是本发明一种适用于低温真空条件下的摩擦实验装置的左视图。
图3是本发明一种适用于低温真空条件下的摩擦实验装置的右视图。
图4是本发明常温箱的结构示意图。
图中，1-可控温真空箱、2-加载端小轮支架、3-加载端皮带、4-加载主轴、5-加载端大轮支架、6-常温箱、7-第一扭矩传感器、8-加载磁流体密封轴、9-第一隔热联轴器、10-测试件、11-第二扭矩传感器、12-第二隔热联轴器、13-温度传感器、14-隔热安装板、15-加热片、16-刹车支座、17-刹车器、18-转速传感器、19-刹车轴、20-磁滞制动器、21-电机支座、22-伺服电机、23-驱动大带轮支架、24-驱动端皮带、25-驱动主轴、26-驱动磁流体密封轴、27-真空箱端盖、28-电接插件法兰、29-加载大带轮、30-加载小带轮、31-常温箱端盖、32-驱动小带轮、33-驱动大带轮、34-中间轴、601-第一台阶、602第二台阶
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1～4所示，一种适用于低温真空条件下的摩擦实验装置，包括驱动装置、加载装置、传动装置、第二隔热联轴器12、可控温真空箱1、常温箱6和测试件10，可控温真空箱1一侧设置有真空箱端盖27。所述测试件10设置有加载输入端和驱动端，加载输入端和驱动端为测试件10上同一根轴的两端；所述常温箱6设置在可控温真空箱1内，常温箱6内部底面上设置有水平安装的隔热安装板14，驱动装置和加载装置安装在常温箱6内，常温箱6内部的隔热安装板14上还设置有温度传感器13和加热片15，测试件10和传动装置设置在可控温真空箱1内，加载装置通过传动装置连接测试件10的加载输入端，驱动装置通过第二隔热联轴器12连接测试件10的驱动端。
所述驱动装置包括伺服电机22、驱动主轴25、驱动小带轮32、驱动大带轮33、驱动大带轮33支架23、驱动端皮带24、第一联轴器和驱动磁流体密封轴26，伺服电机22固定在常温箱6内的隔热安装板14上，驱动小带轮32固定在伺服电机22的输出轴上，所述驱动大带轮33支架23竖直安装在隔热安装板14上，驱动主轴25的一端通过轴承水平安装在驱动大带轮33支架23上，驱动大带轮33固定在驱动主轴25上，驱动大带轮33和驱动小带轮32通过驱动端皮带24连接，驱动主轴25的另一端依次连接第一联联轴器和驱动磁流体密封轴26；所述驱动主轴25、第一联联轴器和驱动磁流体密封轴26的轴线在通一条直线上，驱动磁流体密封轴26安装在常温箱6的侧壁上；所述驱动磁流体密封轴26的输出端伸出到常温箱6外并通过第二隔热联轴器12连接测试件10的驱动端。
所述加载装置包括刹车支座16、刹车器17、转速传感器18、刹车轴19、第二联轴器、磁滞制动器20、第三联轴器、第二扭矩传感器11、第四联轴器和加载磁流体密封轴8，所述刹车器17通过刹车支座16固定在隔热安装板14上，刹车器17的刹车轴19依次连接转速传感器18、第二联轴器、磁滞制动器20、第三联轴器、第二扭矩传感器11和加载磁流体密封轴8，所述磁滞制动器20通过制动器支架固定在隔热安装板14上，刹车器17、转速传感器18、第二联轴器、磁滞制动器20、第三联轴器、第二扭矩传感器11和加载磁流体密封轴8的轴线在同一条直线上；所述加载磁流体密封轴8的输出端伸出到常温箱6外。
所述传动装置包括第一隔热联轴器9、第一扭矩传感器7、第三隔热联轴器、中间轴34、加载端小轮支架2、加载端大轮支架5、加载大带轮29、加载小带轮30、加载主轴4和第四隔热联轴器，所述加载端小轮支架2和加载端大轮支架5均固定在可控温真空箱1的底板上，中间轴34的一端通过轴承水平安装在加载端小轮支架2上，加载主轴4的一端通过轴承水平安装在加载端大轮支架5上，所述加载小带轮30固定在中间轴34上，加载大带轮29固定在加载主轴4上，加载小带轮30和加载大带轮29通过加载端皮带3连接；所述中间轴34的另一端依次连接第三隔热联轴器、第一扭矩传感器7、第一隔热联轴器9和测试件10的加载输入端；所述加载主轴4的另一端经过第四隔热联轴器连接加载磁流体密封轴8伸出常温箱6的一端。
加载磁流体密封轴8和驱动磁流体密封轴26的外壳均与常温箱6固定连接。
所述隔热安装板14由隔热材料制成，隔热安装板14通过螺丝固定在常温箱6的内侧底部。所述刹车支座16、电机支座21、驱动大带轮33支架23和温度传感器13均通过螺栓固定在常温箱6内部的隔热安装板14上。
常温箱6的整体结构呈台阶型，常温箱底面延伸出底部台阶，底部台阶设置第一台阶601，第一台阶601一侧设置第二台阶602，底部台阶、第一台阶601和第二台阶602的高度依次升高，所述测试件10的底面由隔热材料加工而成。测试件10固定在第二台阶602的水平横板上，第二台阶602的竖直侧板上设置有电接插件法兰28和连接加载磁流体密封轴8的通孔，第一台阶601上设置有连接驱动磁流体密封轴26的通孔。常温箱6的侧面设置有常温箱端盖31。
所述伺服电机22的输出轴上设置有键槽和螺纹定位孔，驱动小带轮32通过键槽和螺纹定位孔与伺服电机22的输出轴固定连接。伺服电机22通过螺栓固定在电机支座21上。
所述第一扭矩传感器7和第二扭矩传感器11均为双出轴式扭矩传感器。
所述磁滞制动器20为双出轴式磁滞制动器20，磁滞制动器20通过制动器支座固定在隔热安装板14上。
本发明可以进行不同转速下的打滑实验：
1)安装完成后，调节可控温真空箱1使其内部温度达到实验所需并抽出空气实现热真空环境；
2)启动加热片15对由常温箱6通过螺丝与常温箱端盖31固定形成常温箱进行加热，加热至预定温度时关闭加热片15，并通过温度传感器13对其内部温度实时监控，实验过程中当温度低于最低阈值时启动加热片15；
3)启动伺服电机22达到实验所需的最低转速；电机带动驱动小带轮30，驱动小带轮32通过驱动端皮带24带动驱动大带轮33转动，驱动大带轮33带动驱动磁流体密封轴26转动，从而使得测试件10开始转动
4)启动刹车器17，刹车器17瞬间抱死刹车轴19，加载磁流体密封轴8停止转动，从而加载大带轮29停止转动，通过加载端皮带3使得加载小带轮30停止转动，从而使得测试件10一侧停止转动，测试件10瞬间实现打滑，其间通过转速传感器18判断是否停止转动实现打滑，第一扭矩传感器7和第二扭矩传感器11将实时数据传递给数据处理系统；
5)关闭刹车器17，调节伺服电机22转速至下一个所需速度；
6)重复上述第四步与第五步，直至实验完成。
本发明可以进行加载实验，具体包括如下步骤：
①安装完成后，调节可控温真空箱1使其内部温度达到实验所需并抽出空气实现热真空环境；
②启动加热片15对由常温箱6通过螺丝与常温箱端盖31固定形成常温箱进行加热，加热至预定温度时关闭加热片15，并通过温度传感器13对其内部温度实时监控，实验过程中当温度低于最低阈值时启动加热片15；
③启动伺服电机22达到实验所需的最低转速；电机带动驱动小带轮30，驱动小带轮32通过驱动端皮带24带动驱动大带轮33转动，驱动大带轮33带动驱动磁流体密封轴26转动，从而使得测试件10开始转动
④启动磁滞制动器20，磁滞制动器20对加载磁流体密封轴8加载，通过加载大带轮29、加载端皮带3使得加载小带轮30被加载，从而使中间轴34被加载，测试件10一侧被加载，开始加载试验，其间转速传感器18、第二扭矩传感器11和第一扭矩传感器7将实时数据传递给数据处理系统；
⑤调整磁滞制动器20的加载大小；
⑥重复上述第四步与第五步，直至实验完成。
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。
Claims (8)
1.一种适用于低温真空条件下的摩擦实验装置，其特征在于：包括驱动装置、加载装置、传动装置、第二隔热联轴器(12)、可控温真空箱(1)、常温箱(6)和测试件(10)，所述测试件(10)设置有加载输入端和驱动端，加载输入端和驱动端为测试件(10)上同一根轴的两端；所述常温箱(6)设置在可控温真空箱(1)内，常温箱(6)内部底面上设置有水平安装的隔热安装板(14)，驱动装置和加载装置安装在常温箱(6)内，常温箱(6)内部的隔热安装板(14)上还设置有温度传感器(13)和加热片(15)，测试件(10)和传动装置设置在可控温真空箱(1)内，加载装置通过传动装置连接测试件(10)的加载输入端，驱动装置通过第二隔热联轴器(12)连接测试件(10)的驱动端；
所述驱动装置包括伺服电机(22)、驱动主轴(25)、驱动小带轮(32)、驱动大带轮(33)、驱动大带轮(33)支架(23)、驱动端皮带(24)、第一联轴器和驱动磁流体密封轴(26)，伺服电机(22)固定在常温箱(6)内的隔热安装板(14)上，驱动小带轮(32)固定在伺服电机(22)的输出轴上，所述驱动大带轮(33)支架(23)竖直安装在隔热安装板(14)上，驱动主轴(25)的一端通过轴承水平安装在驱动大带轮(33)支架(23)上，驱动大带轮(33)固定在驱动主轴(25)上，驱动大带轮(33)和驱动小带轮(32)通过驱动端皮带(24)连接，驱动主轴(25)的另一端依次连接第一联联轴器和驱动磁流体密封轴(26)；所述驱动主轴(25)、第一联联轴器和驱动磁流体密封轴(26)的轴线在通一条直线上，驱动磁流体密封轴(26)安装在常温箱(6)的侧壁上；所述驱动磁流体密封轴(26)的输出端伸出到常温箱(6)外并通过第二隔热联轴器(12)连接测试件(10)的驱动端；
所述加载装置包括刹车支座(16)、刹车器(17)、转速传感器(18)、刹车轴(19)、第二联轴器、磁滞制动器(20)、第三联轴器、第二扭矩传感器(11)、第四联轴器和加载磁流体密封轴(8)，所述刹车器(17)通过刹车支座(16)固定在隔热安装板(14)上，刹车器(17)的刹车轴(19)依次连接转速传感器(18)、第二联轴器、磁滞制动器(20)、第三联轴器、第二扭矩传感器(11)和加载磁流体密封轴(8)，所述磁滞制动器(20)通过制动器支架固定在隔热安装板(14)上，刹车器(17)、转速传感器(18)、第二联轴器、磁滞制动器(20)、第三联轴器、第二扭矩传感器(11)和加载磁流体密封轴(8)的轴线在同一条直线上；所述加载磁流体密封轴(8)的输出端伸出到常温箱(6)外；
所述传动装置包括第一隔热联轴器(9)、第一扭矩传感器(7)、第三隔热联轴器、中间轴(34)、加载端小轮支架(2)、加载端大轮支架(5)、加载大带轮(29)、加载小带轮(30)、加载主轴(4)和第四隔热联轴器，所述加载端小轮支架(2)和加载端大轮支架(5)均固定在可控温真空箱(1)的底板上，中间轴(34)的一端通过轴承水平安装在加载端小轮支架(2)上，加载主轴(4)的一端通过轴承水平安装在加载端大轮支架(5)上，所述加载小带轮(30)固定在中间轴(34)上，加载大带轮(29)固定在加载主轴(4)上，加载小带轮(30)和加载大带轮(29)通过加载端皮带(3)连接；所述中间轴(34)的另一端依次连接第三隔热联轴器、第一扭矩传感器(7)、第一隔热联轴器(9)和测试件(10)的加载输入端；所述加载主轴(4)的另一端经过第四隔热联轴器连接加载磁流体密封轴(8)伸出常温箱(6)的一端。
2.根据权利要求1所述的一种适用于低温真空条件下的摩擦实验装置，其特征在于：加载磁流体密封轴(8)和驱动磁流体密封轴(26)的外壳均与常温箱(6)固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种适用于低温真空条件下的摩擦实验装置，其特征在于：所述隔热安装板(14)由隔热材料制成，隔热安装板(14)通过螺丝固定在常温箱(6)的内侧底部。
4.根据权利要求1所述的一种适用于低温真空条件下的摩擦实验装置，其特征在于：所述刹车支座(16)、电机支座(21)、驱动大带轮(33)支架(23)和温度传感器(13)均通过螺栓固定在常温箱(6)内部的隔热安装板(14)上。
5.根据权利要求1所述的一种适用于低温真空条件下的摩擦实验装置，其特征在于：所述伺服电机(22)的输出轴上设置有键槽和螺纹定位孔，驱动小带轮(32)通过键槽和螺纹定位孔与伺服电机(22)的输出轴固定连接。伺服电机(22)通过螺栓固定在电机支座(21)上。
6.根据权利要求1所述的一种适用于低温真空条件下的摩擦实验装置，其特征在于：所述测试件(10)的底面由隔热材料加工而成。
7.根据权利要求1所述的一种适用于低温真空条件下的摩擦实验装置，其特征在于：所述第一扭矩传感器(7)和第二扭矩传感器(11)均为双出轴式扭矩传感器。
8.根据权利要求1所述的一种适用于低温真空条件下的摩擦实验装置，其特征在于：所述磁滞制动器(20)为双出轴式磁滞制动器(20)，磁滞制动器(20)通过制动器支座固定在隔热安装板(14)上。
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