CN115452636A - 一种真空滚筒磨损实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供真空滚筒磨损实验装置，包括真空磨损装置、传动支撑结构以及传动轴，所述传动支撑结构包括支撑筒体以及设置在所述支撑筒体右侧端部密封所述支撑筒体所组成的腔体的支撑端盖，所述真空磨损装置设置在所述支撑筒体与所述支撑端盖所包围的腔体内，所述传动支撑结构通过传动轴与所述真空磨损装置连接，通过设置传动支撑结构使得真空磨损装置可以与外界电机连接，形成滚筒实验装置，开发真空滚筒粉尘磨损实验装置可以进行长时间的滚筒磨损实验，符合真实情况下引起随机磨损的特征，同时满足了真空和滚筒磨损两个要求，可以模拟出长时间工作情况下的随机性和均匀性的磨损，能够再现模拟空间环境。
Description
技术领域
本发明属于航空航天领域，具体地涉及一种真空滚筒磨损实验装置。
背景技术
月球表面覆盖着一层长期环境作用而形成的、由岩石碎屑、粉末、角砾、撞击玻璃熔融物质组成的结构松散的混合物，即月壤。月壤颗粒直径以小于 1mm为主，绝大部分颗粒直径在30μm～1mm，其中约10％～20％的颗粒直径小于20μm，这部分月壤称为月尘。月尘具有极细小、形状不规则、棱角尖锐、易带电飘浮等特性，导致月尘具有高磨损性和强粘附性，易粘附于各种接触物体表面且难以清除，从而给航天员健康和生命安全、航天器可靠性和安全性均造成了极大威胁，对航天服磨损尤为严重。
现有技术中1990年，JSC首先开展了模拟8小时月面活动的防护材料磨损情况滚筒式旋转滚动磨损实验方法研究，研究人员首先将五种候选材料分别制成圆筒形试件以模拟登月服腿部外防护层，然后放入装有模拟月壤/ 月尘的圆柱滚筒中进行转动磨损实验。8小时实验后，用电子扫描显微镜对材料进行外观检查，并与Apollo 12号登月服样本进行比对，以此建立实验评价基准。上述The tumble test体积较大，且整体装置进行旋转，稳定性较差，同时无法进行真空环境下的磨损实验。基于上述缺陷，本新型设计降低了总体的质量和体积，并且可以将磨损筒抽真空进行真空环境下单的滚筒磨损实验，另外本新型设计添加了固定装置，和传动装置，可以由标准电机带动使用稳定性更好，工作寿命更长。
本发明首先要解决真空粉尘环境下下刚性/柔性设备的磨损防护测试问题，利用模拟的月尘进行宇航服的柔性织物的抗磨损性能以及月尘颗粒的附着特性的研究相关磨损测试，并对月尘颗粒对刚性材料的磨损进行相关的测试，通过滚筒实验装置，可以模拟出长时间工作情况下的随机性和均匀性的磨损，在之后对磨损情况进行评价，本申请使用真空滚筒，一方面利用真空的压差将滚筒自身实现密封，另一方面可以将磨损筒抽真空进行真空环境下的滚筒磨损实验，由于真空环境下月尘颗粒的附着特性更贴近于本申请的刚性/柔性设备的磨损防护的实际使用情况，因此本申请中的真空滚筒磨损实验装置相对于现有技术可以更真实的模拟进行真空环境下的磨损实验。
发明内容
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
本发明提供了一种真空滚筒磨损实验装置，包括真空磨损装置、传动支撑结构以及传动轴，所述真空磨损装置由真空磨损筒和端盖组成，所述端盖包括端盖主体以及突出设置在所述端盖主体一侧的塞体，所述塞体的半径小于所述端盖主体的半径并与所述端盖主体同心设置，所述塞体至少部分的设置于所述真空磨损筒内，所述端盖上还设置有真空阀门，所述真空阀门可以与真空泵可拆卸连接，通过真空阀门可以将真空磨损筒内抽至-1Mpa的真空；所述端盖主体上位于所述塞体的外圆周面外侧设置有密封部，所述塞体为圆柱状塞体，所述塞体的半径小于等于所述真空磨损筒的半径，所述密封部与所述真空磨损筒的开口端一侧端面配合以使所述端盖密封所述真空磨损筒的开口端。
进一步的，所述传动支撑结构包括支撑筒体以及设置在所述支撑筒体右侧端部密封所述支撑筒体所组成的腔体的支撑端盖，所述真空磨损装置设置在所述支撑筒体与所述支撑端盖所包围的腔体内，所述传动支撑结构通过传动轴与所述真空磨损装置连接。
进一步的，所述所述真空磨损装置的真空磨损筒内可以加入模拟的月尘。
进一步的，所述支撑筒体左侧内壁上设置有支撑凸台，所述支撑凸台内设置有支撑轴孔，所述支撑轴孔内固定设置有左转动支撑轴承，所述传动轴的左侧穿过所述转动支撑轴承，所述支撑端盖的中心开设有通孔，右转动支撑轴承设置在所述通孔内，所述传动轴的右侧穿过所述右转动支撑轴承并可以与外界的转动电机连接设置。
进一步的，所述端盖左端设置有橡胶垫圈。
进一步的，所述真空磨损筒内还设置有轴孔，所述传动轴穿过所述轴孔，并与所述轴孔通过连接键相对固定。
进一步的，所述支撑筒体右侧端部设置有支撑筒体开口，所述支撑端盖密封所述支撑筒体开口。
进一步的，所述支撑筒体采用铸造工艺制成，所述支撑筒体的外圈一端设置有左侧支架，所述支撑筒体的外圈中央设置有中央支架，所述左侧支架以及中央支架围绕所述支撑筒体设置，并在所述左侧支架以及中央支架的底部固定设置有支撑底座。
进一步的，所述支撑底座水平设置，所述支撑底座在水平方向上的长度大于所述传动支撑结构在水平方向上的长度，所述支撑底座左右两端均设置有地脚螺栓孔。
进一步的，所述传动轴通过联轴器外接微型齿轮变速电机。
本发明的有益效果为：
本发明的真空滚筒磨损实验装置，利用模拟的月尘进行宇航服服的柔性织物的抗磨损性能以及月尘颗粒的附着特性的研究相关磨损测试，并对月尘颗粒对刚性材料的磨损进行相关的测试，通过抽真空滚筒实验装置，一方面可以模拟出真空环境长时间工作情况下的随机性和均匀性的磨损，对磨损情况进行评价，另一方面利用真空的压差完成真空磨损筒的密封，使其密封性能不会因为多次或者长时间的使用而降低，且密封方便快捷便于使用；
本发明通过设置传动支撑结构使得真空磨损装置可以与外界电机连接，形成滚筒实验装置，开发真空滚筒粉尘磨损实验装置可以进行长时间的滚筒磨损实验，符合真实情况下引起随机磨损的特征，同时满足了真空和滚筒磨损两个要求，可以模拟出长时间工作情况下的随机性和均匀性的磨损，能够再现模拟空间环境，在之后对磨损情况进行评价；本申请还采用了真空磨损装置，可以在抽真空之后安装在传动支撑结构上进行实验，通过设置传动支撑结构同轴度高而且可以外界电机连接，滚筒实验装置震动低，使用寿命长。
附图说明
图1为真空滚筒磨损实验装置的部分结构剖面示意图；
图2为真空滚筒磨损实验装置的整体结构剖面示意图；
图3为真空滚筒磨损实验装置的真空磨损筒整体结构示意图；
图4为真空滚筒磨损实验装置的真空磨损装置的端盖剖面示意图1；
图5为真空滚筒磨损实验装置的真空磨损装置的端盖剖面示意图2；
图6为真空滚筒磨损实验装置的真空密封过程示意图；
图7为真空滚筒磨损实验装置的真空磨损筒的部分结构爆炸示意图；
图8为真空滚筒磨损实验装置的传动轴结构示意图；
图9为使用真空滚筒磨损实验装置用月尘颗粒对宇航服材料磨损实验的拉伸强度、撕破强度的实验结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面结合图1-9对本发明的真空滚筒磨损实验装置进行具体的说明。
实施例1
一种真空滚筒磨损实验装置，包括真空磨损装置1、传动支撑结构2以及传动轴3，所述真空磨损装置1由真空磨损筒101和端盖102组成，所述端盖102包括端盖主体1021以及突出设置在所述端盖主体1021一侧的塞体 1022，所述塞体1022的半径小于所述端盖主体1021的半径并与所述端盖主体1021同心设置，所述塞体1022至少部分的设置于所述真空磨损筒101内，所述端盖102上还设置有真空阀门103，所述真空阀门103可以与真空泵可拆卸连接，通过真空阀门103可以将真空磨损筒101内抽至-1Mpa的真空；优选的，所述端盖主体1021上位于所述塞体1022的外圆周面外侧设置有密封部1023，所述塞体1022为圆柱状塞体，所述塞体1022的半径小于等于所述真空磨损筒101的半径，所述密封部1023与所述真空磨损筒101的开口端104一侧端面配合以使所述端盖102密封所述真空磨损筒101的开口端104。
进一步的，所述传动支撑结构2包括支撑筒体201以及设置在所述支撑筒体201右侧端部密封所述支撑筒体201所组成的腔体的支撑端盖202，所述真空磨损装置1设置在所述支撑筒体201与所述支撑端盖202所包围的腔体内，所述传动支撑结构2通过传动轴3与所述真空磨损装置1连接。完成真空磨损装置1的安装以之后，将真空磨损筒101安装在传动支撑结构2的支撑筒体201上，完成后的总装图如图2所示，真空磨损装置1通过键106 固定在传动轴3上，本发明所有零件均采用了标准件，因此传动轴3可以外接电机进行实验；通过支撑结构2的支撑筒体201与支撑端盖202的密封腔体的设置，并在密封腔体的一侧设置抽真空接口6，将真空磨损装置1设置在密封腔体内并将密封腔体内部保持一定的真空度一方面有助于真空磨损装置1内的真空度保持，另一方面在真空磨损装置1密封不足导致磨损粉尘溢出时也可以实现二次拦截，避免磨损粉尘溢出到空气中。
在使用时首先将磨损粉尘和磨损实验品放入真空磨损筒101中，然后关闭端盖102，利用真空泵通过真空阀门103将磨损筒101内部抽致真空，然后关闭阀门103，利用气压差完成真空磨损筒101的密封。进一步的，还可以对支撑筒体201与支撑端盖202的密封腔体进行抽真空。本发明利用模拟的月尘进行宇航服服的柔性织物的抗磨损性能以及月尘颗粒的附着特性的研究相关磨损测试，并对月尘颗粒对刚性材料的磨损进行相关的测试，通过抽真空滚筒实验装置，一方面可以模拟出真空环境长时间工作情况下的随机性和均匀性的磨损，对磨损情况进行评价，另一方面利用真空的压差完成真空磨损筒101的密封，使其密封性能不会因为多次或者长时间的使用而降低，且密封方便快捷便于使用。
优选的，所述塞体1022设置为圆台状，所述圆台状塞体1022的小径端面半径小于所述真空磨损筒101的内径，所述圆台状塞体1022的大径端面半径大于所述真空磨损筒101的内径，所述圆台状塞体1022与所述真空磨损筒101的交接面密封所述真空磨损筒101，通过将塞体1022设置为圆台状，可以避免塞体1022或者真空磨损筒101的加工误差导致塞体1022相对过大难以设置于真空磨损筒101内部或者加工误差导致塞体1022相对过小难以实现更好的密封。
进一步的，所述真空磨损装置1内还设置有气压传感器，所述气压传感器可以与外部的控制系统无线通信，通过检测气压传感器的电流信号变化可以了解所述真空磨损装置1内的真空状况，避免由于真空磨损筒101和端盖 102的密封不严导致真空磨损装置1内磨损粉尘等外泄。
进一步的，所述真空磨损装置1的真空磨损筒101内可以加入模拟的月尘作为磨损粉尘使用；在将模拟的月尘加入所述真空磨损装置1内后，可以利用模拟的月尘在真空条件下的磨损进行宇航服服的柔性织物的抗磨损性能以及月尘颗粒的附着特性的研究相关磨损测试，并对月尘颗粒对刚性材料的磨损进行相关的测试。
进一步的，所述支撑筒体201左侧内壁上设置有支撑凸台2011，所述支撑凸台2011内设置有支撑轴孔2012，所述支撑轴孔2012内固定设置有左转动支撑轴承2013，所述传动轴3的左侧穿过所述转动支撑轴承2013，所述支撑端盖202的中心开设有通孔2021，右转动支撑轴承2022设置在所述通孔2021内，所述传动轴3的右侧穿过所述右转动支撑轴承2022并可以与外界的转动电机连接设置。本申请针对真空滚筒磨损实验装置，设计了相关的支撑筒体201和密封的腔体所围外壳，设备支撑筒体和腔体外壳的剖面图如图所示，可以通过焊接以及螺栓紧固的方式将实验装置固定到实验台上进行磨损实验，提高了整个实验设备的安全性和稳定性。腔体外壳用于固定传动轴3以及对真空磨损筒101起保护作用。与传统的行星球磨机相比，该涉被的结构简单，易于生产和使用。相关的支撑以及外壳设备可以大大地提高磨损设备的工作稳定性。是国内首例真空滚筒磨损测试设备，可以进行真空环境下的织物以及其他材料的粉尘磨损实验。
进一步的，所述端盖102左端设置有橡胶垫圈，通过气压差压缩所述橡胶垫圈，便可以使端盖牢固地固定在真空磨损筒上，满足密封功能。
进一步的，所述真空磨损筒101内还设置有轴孔105，所述传动轴3穿过所述轴孔105，并与所述轴孔105通过连接键302相对固定。
进一步的，所述支撑筒体201右侧端部设置有支撑架开口203，所述支撑端盖202密封所述支撑架开口203。本申请支撑筒体201采用了半密封的结构，既可以保证真空磨损筒1的真空度，也可以在真空磨损筒1高速转动的情况下保护操作人员的安全。
进一步的，所述支撑筒体201采用铸造工艺制成，所述支撑筒体201的外圈一端设置有左侧支架204，所述支撑筒体201的外圈中央设置有中央支架205，所述左侧支架204以及中央支架205围绕所述支撑筒体201设置，并在所述左侧支架204以及中央支架205的底部固定设置有支撑底座4。为了提高设备的稳定性，采用了铸造支撑筒体201，可以将真空滚筒磨损实验装置固定在实验台上使用，提高工作寿命和稳定性。
进一步的，所述支撑底座4水平设置，所述支撑底座4在水平方向上的长度大于所述传动支撑结构2在水平方向上的长度，所述支撑底座4左右两端均设置有地脚螺栓孔401。
进一步的，所述传动轴3通过联轴器301外接微型齿轮变速电机5。通过微型齿轮变速电机5的转动可以带动传动轴3的转动进而带动真空磨损筒的转动实现真空磨损筒内织物材料以及粉尘磨料之间的磨损试验。优选的，真空磨损筒的传动轴3的工艺和设计如图所示。传动轴3的轴颈303为 18mm，与微型齿轮变速电机5相连，可以实现转速由每分钟20转到每分钟 100转的调节过程。可以通过连接键302将真空磨损筒101与传动轴3的连接。这种安装方式同心度高运行较为稳定，工作寿命较长。
本申请真空磨损实验装置参数表
| 传动方式 | 联轴器传动轴传动 |
| 工作方式 | 电机带动真空筒工作 |
| 真空筒体积 | 2.1L |
| 转速 | 20-100rad/min |
| 真空度 | -1Mpa |
| 调速方式 | 通过变频电机调速 |
| 工作功率 | 100-200W |
使用本申请真空磨损实验装置进行实验验证方法：
通过在真空磨损装置1中加入宇航服织物试样以及月尘模拟物进行真空磨损实验。测量磨损前后宇航服织物的抗拉强度和撕破强度的变化，包括拉伸强度，撕破强度，测量的结果说明，真空环境下的月尘的磨损明显影响到了宇航服织物的力学性能，通过显微镜观察织物表面形貌的变化。
本发明将滚筒设备与真空磨损设备结合起来，真空磨损筒由真空筒和端盖组成，二者通过橡胶垫圈密封，在进行磨损实验时需要如下准备步骤。首先将被磨损地织物材料以及粉尘磨料放置到真空磨损滚筒地真空腔中。然后将真空磨损筒地端盖盖到真空筒上，真空筒以及端盖都配有密封垫圈便于密封，最后，通过真空阀将真空桶内抽至-1Mpa的真空。通过外界大气压力以及气压差实现真空磨损筒的密封。在完成真空磨损筒的安装和密封之后，将真空磨损筒安装在传动轴上，通过电机带动真空磨损筒和传动轴进行转动。
本发明的真空滚筒磨损实验装置，解决了真空粉尘环境下下刚性/柔性设备的磨损防护测试问题，利用模拟的月尘进行宇航服服的柔性织物的抗磨损性能以及月尘颗粒的附着特性的研究相关磨损测试，并对月尘颗粒对刚性材料的磨损进行相关的测试，通过设置传动支撑结构使得真空磨损装置可以与外界电机连接，形成滚筒实验装置，开发真空滚筒粉尘磨损实验装置可以进行长时间的滚筒磨损实验，符合真实情况下引起随机磨损的特征，同时满足了真空和滚筒磨损两个要求，可以模拟出长时间工作情况下的随机性和均匀性的磨损，能够再现模拟空间环境，在之后对磨损情况进行评价；本申请还采用了真空磨损装置，可以在抽真空之后安装在传动支撑结构上进行实验，通过设置传动支撑结构同轴度高而且可以外界电机连接，滚筒实验装置震动低，使用寿命长。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种真空滚筒磨损实验装置，其特征在于，包括真空磨损装置、传动支撑结构以及传动轴，所述真空磨损装置由真空磨损筒和端盖组成，所述端盖包括端盖主体以及突出设置在所述端盖主体一侧的塞体，所述塞体的半径小于所述端盖主体的半径并与所述端盖主体同心设置，所述塞体至少部分的设置于所述真空磨损筒内，所述端盖上还设置有真空阀门，所述真空阀门可以与真空泵可拆卸连接，通过真空阀门可以将真空磨损筒内抽至-1Mpa的真空；所述端盖主体上位于所述塞体的外圆周面外侧设置有密封部，所述塞体为圆柱状塞体，所述塞体的半径小于等于所述真空磨损筒的半径，所述密封部与所述真空磨损筒的开口端一侧端面配合以使所述端盖密封所述真空磨损筒的开口端。
2.根据权利要求1所述的真空滚筒磨损实验装置，其特征在于所述传动支撑结构包括支撑筒体以及设置在所述支撑筒体右侧端部密封所述支撑筒体所组成的腔体的支撑端盖，所述真空磨损装置设置在所述支撑筒体与所述支撑端盖所包围的腔体内，所述传动支撑结构通过传动轴与所述真空磨损装置连接。
3.根据权利要求1所述的真空滚筒磨损实验装置，其特征在于所述所述真空磨损装置的真空磨损筒内可以加入模拟的月尘。
4.根据权利要求2所述的真空滚筒磨损实验装置，其特征在于所述支撑筒体左侧内壁上设置有支撑凸台，所述支撑凸台内设置有支撑轴孔，所述支撑轴孔内固定设置有左转动支撑轴承，所述传动轴的左侧穿过所述转动支撑轴承，所述支撑端盖的中心开设有通孔，右转动支撑轴承设置在所述通孔内，所述传动轴的右侧穿过所述右转动支撑轴承并可以与外界的转动电机连接设置。
5.根据权利要求1所述的真空滚筒磨损实验装置，其特征在于所述端盖左端设置有橡胶垫圈。
6.根据权利要求1所述的真空滚筒磨损实验装置，其特征在于所述真空磨损筒内还设置有轴孔，所述传动轴穿过所述轴孔，并与所述轴孔通过连接键相对固定。
7.根据权利要求2所述的真空滚筒磨损实验装置，其特征在于所述支撑筒体右侧端部设置有支撑筒体开口，所述支撑端盖密封所述支撑筒体开口。
8.根据权利要求2所述的真空滚筒磨损实验装置，其特征在于所述支撑筒体采用铸造工艺制成，所述支撑筒体的外圈一端设置有左侧支架，所述支撑筒体的外圈中央设置有中央支架，所述左侧支架以及中央支架围绕所述支撑筒体设置，并在所述左侧支架以及中央支架的底部固定设置有支撑底座。
9.根据权利要求8所述的真空滚筒磨损实验装置，其特征在于所述支撑底座水平设置，所述支撑底座在水平方向上的长度大于所述传动支撑结构在水平方向上的长度，所述支撑底座左右两端均设置有地脚螺栓孔。
10.根据权利要求1所述的真空滚筒磨损实验装置，其特征在于所述传动轴通过联轴器外接微型齿轮变速电机。
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