一种模拟太空环境多功能摩擦磨损试验装置及方法与流程

本发明涉及太空环境摩擦学领域，尤其涉及一种模拟太空环境多功能摩擦磨损试验装置及方法。

背景技术：

随着我国航空、航天事业的推进，各种空间机构越来越多的应用于太空实践。空间机构在太空服役期间主要长期受高真空、微重力、交变温度、热辐射等环境因素的影响，并处于高比负荷、高低速、间断运行等复杂的运动工况，并由此带来了特殊的摩擦学问题。要解决空间环境中的摩擦学难题，开发各种新型空间耐磨材料,就必须进行大量的空间摩擦学试验。

模拟空间环境摩擦磨损试验机是开展空间摩擦学研究，进行空间环境摩擦学设计及研究空间环境下材料摩擦磨损特性的基本工具。空间环境涉及到高真空、微重力、交变温度、热辐射等多种环境和交变负荷、高低速、间断运行等复杂的运动工况，由于涉及的因素较多，以往的空间试验机往往只针对有限的一两种空间环境进行开发设计，并不能充分的反映材料在空间环境中真实饿摩擦磨损状况。而要开发多因素太空环境综合影响的空间摩擦磨损试验机要突破很多关键技术，而且成本高昂。所以本发明旨在开发一种能综合模拟空间环境的简易多功能摩擦磨损试验机。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明的目的是：提供一种模拟太空环境多功能摩擦磨损试验装置,该实验装置和方法可以模拟空间环境中特有的多种环境如：高真空、交变温度、热辐射等和机构复杂的运动工况如：交变负荷、高低速、间断运行等。

本发明的另一目的是：提供一种模拟空间环境摩擦磨损试验方法。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种模拟太空环境多功能摩擦磨损试验装置，包括载荷加载机构、真空箱、摩擦力检测机构、上试样夹具、下试样安装座、向试样照射紫外线的紫外线生成装置、用于使真空箱内温度下降的制冷系统、用于使真空箱内温度上升的加热系统以及用于驱动下试样安装座带动下试样相对上试样转动的下试样驱动系统；

载荷加载机构包括步进电机、滚珠丝杆、弹簧推板、加载弹簧、弹簧安装座、导轨以及加载力传递轴，步进电机动力输出轴与滚珠丝杆连接，弹簧推板与滚珠丝杆的滑动螺母连接，导轨与滚珠丝杆相平行设置，弹簧推板滑动连接到导轨上，加载弹簧两端分别与弹簧推板和弹簧安装座连接；加载力传递轴与弹簧安装座相连接，加载力传递轴伸进真空箱中，上试样夹具和下试样安装座均设置在真空箱中，加载力传递轴与上试样夹具相接触；

摩擦力检测机构包括挡板、摩擦力传感器、铰接轴以及传动轴，传动轴一端伸入到真空箱中与上试样夹具相连接，另一端通过摩擦力传感器与档板相接触，传动轴中部铰接于铰接轴上，下试样偏心装夹于下试样安装座上。

优选的，紫外线生成装置包括紫外线发生器、紫外线传输通道、连续光放点室、用于将接收到的紫外线反射到紫外线传输通道中的紫外线反射器以及用于将照射到紫外线反射器以外部分的紫外线反射到紫外线反射器上的连续光放电准直镜，紫外线发生器的紫外线发射口连接到连续光放点室中，紫外线反射器和连续光放电准直镜均设置在连续光放点室中，紫外线传输通道出口端伸进真空箱中，且紫外线传输通道出口端朝向试样摩擦位置，紫外线传输通道的紫外线入口端伸进到连续光放点室中。

优选的，所述紫外线反射器和连续光放电准直镜均为凹透镜。

优选的，所述上试样夹具与加载力传递轴相接触的位置处设置有球形凸块，加载力传递轴与球形凸块的球面相接触。

优选的，所述载荷加载机构还包括用于检测载荷加载机构施加的载荷力的压力传感器，压力传感器安装于弹簧安装座上，弹簧安装座通过压力传感器与加载力传递轴连接。

优选的，所述下试样驱动系统包括电机、主传动轴、轴承安装套、轴承以及轴承盖，轴承安装套安装到真空箱底部，轴承安装到轴承安装套中，轴承盖盖合于轴承安装套顶部开口中，主传动轴连接到轴承上并且穿过轴承盖伸入到真空箱中与下试样安装座连接，在真空箱外侧的主传动轴与电机连接。

优选的，所述制冷系统包括液氮生成装置以及液氮循环金属管，液氮生成装置与液氮循环金属管接通，氮循环管道围绕真空箱内壁面设置。

优选的，所述加热系统包括高频感应加热器以及钢管，高频感应加热器与钢管连接，钢管环绕在上试样和/或下试样外侧。

一种使用上述的模拟太空环境多功能摩擦磨损试验装置进行的模拟空间环境摩擦磨损试验方法，其特征在于包括以下步骤：

试样安装：将上试样和下试样分别安装到上试样夹具和下试样安装座上，真空箱抽真空，在达到所要求的真空度值后，进行摩擦环境设定；

摩擦环境设定包括加载力设定、磨擦环境温度设定、辐照条件设定以及摩擦状态的设定；

加载力设定：启动步进电机带动滚珠丝杆转动，弹簧推板在滚珠丝杆的滑动螺母的推动下沿导轨下滑压缩加载弹簧，加载弹簧受力后下压弹簧安装座，弹簧安装向加载力传递轴施加加载力，并通过载荷加载机构的压力传感器检测加载力的大小；当需要施加固定的加载力时，步进电机转动，加载至设定的加载力时停止；当需要交变的加载力时，步进电机在试验过程中正反转带动滚珠丝杆顺时针或逆时针转动，从而实现在交变加载力条件下进行试验；

磨擦环境温度设定：当需要磨擦在高温下进行时，加热系统的高频感应加热器启动，并通过钢管对上试样和/或下试样加热至设定温度，使上试样和下试样在设定的温度下进行摩擦；

当需要磨擦在低温下进行时，制冷系统的液氮生成装置向液氮循环金属管中通入液氮，从而降低真空箱内的温度至设置温度，使上试样和下试样在设定的温度下进行摩擦；

当需要在温度交替变化的条件下进行磨擦时，高频感应加热器和液氮生成装置交替启动，从而使真空箱内的温度发生交替变换，使上试样和下试样在温度交替变换的条件下进行摩擦；

辐照条件设定：当需要在辐照环境进行摩擦时，启动紫外线发生器，紫外线进入到连续光放点室，在连续光放点室中的连续光放电准直镜将照射到紫外线反射器以外部分的紫外线反射到紫外线反射器上，而紫外线反射器将接收到的紫外线反射到紫外线传输通道中，紫外线从紫外线传输通道射出后照射在上试样和下试样的磨擦位置处，从而达到在辐照环境下进行摩擦；

摩擦状态的设定：启动电机驱动下试样安装座带动下试样相对上试样转动，通过调整电机转速实现在设定转速或快慢速交替变换条件下进行摩擦，或控制电机的启停实现间断摩擦；

通过选择一种或多种摩擦条件，从而模拟太空环境，当调整到设定摩擦环境时启动电机进行试验；

在电机运转时，上试样-下试样摩擦副将产生相对运动，由于下试样偏心装夹，所以上试样-下试样摩擦副之间的摩擦力将对上试样产生一个切向扭矩力，这个扭矩力使传动轴有一个绕铰接轴转动的运动趋势，然后经过挡板和传动轴之间的摩擦力传感器测出这个扭矩力并换算成对应的摩擦力，从而得出实验时的摩擦力数据；在实验过程中摩擦力传感器将记录和保存产生的摩擦力。

优选的，当需要进行面磨擦时，上试样选用平面销试样；

当需要进行点磨擦时，上试样选用球头销试样；

当需要进行线磨擦时，上试样选用圆柱试样，通过圆柱试样的圆柱面与下试样摩擦。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明弥补了现有技术针对多因素太空环境综合影响空间摩擦磨损试验的不足，更好的探索空间环境下材料的摩擦磨损情况，本发明可以模拟太空空间环境中特有的多种环境，如：高真空、交变温度、热辐射等以及机构复杂的运动工况，如：交变负荷、高低速、间断运行等。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是图1中a部的放大图；

图3是图1中b部的放大图。

其中，1、真空箱，2、上试样夹具，3、下试样安装座，4、步进电机，5、滚珠丝杆，6、弹簧推板，7、加载弹簧，8、弹簧安装座，9、导轨，10、加载力传递轴，11、挡板，12、摩擦力传感器，13、铰接轴，14、传动轴，15、紫外线发生器，16、紫外线传输通道，17、连续光放点室，18、紫外线反射器，19、连续光放电准直镜，20、球形凸块，21、压力传感器，22、电机，23、主传动轴，24、轴承安装套，25、轴承，26、轴承盖，27、液氮生成装置，28、液氮循环金属管，29、高频感应加热器，30、钢管，31、上试样，32、下试样。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一：

一种模拟太空环境多功能摩擦磨损试验装置，包括载荷加载机构、真空箱、摩擦力检测机构、上试样夹具、下试样安装座、向试样照射紫外线的紫外线生成装置、用于使真空箱内温度下降的制冷系统、用于使真空箱内温度上升的加热系统以及用于驱动下试样安装座带动下试样相对上试样转动的下试样驱动系统；

载荷加载机构包括步进电机、滚珠丝杆、弹簧推板、加载弹簧、弹簧安装座、导轨以及加载力传递轴，步进电机动力输出轴与滚珠丝杆连接，弹簧推板与滚珠丝杆的滑动螺母连接，导轨与滚珠丝杆相平行设置，弹簧推板滑动连接到导轨上，加载弹簧两端分别与弹簧推板和弹簧安装座连接；加载力传递轴与弹簧安装座相连接，加载力传递轴伸进真空箱中，上试样夹具和下试样安装座均设置在真空箱中，加载力传递轴与上试样夹具相接触；

摩擦力检测机构包括挡板、摩擦力传感器、铰接轴以及传动轴，传动轴一端伸入到真空箱中与上试样夹具相连接，另一端通过摩擦力传感器与档板相接触，传动轴中部铰接于铰接轴上，下试样偏心装夹于下试样安装座上。

优选的，紫外线生成装置包括紫外线发生器、紫外线传输通道、连续光放点室、用于将接收到的紫外线反射到紫外线传输通道中的紫外线反射器以及用于将照射到紫外线反射器以外部分的紫外线反射到紫外线反射器上的连续光放电准直镜，紫外线发生器的紫外线发射口连接到连续光放点室中，紫外线反射器和连续光放电准直镜均设置在连续光放点室中，紫外线传输通道出口端伸进真空箱中，且紫外线传输通道出口端朝向试样摩擦位置，紫外线传输通道的紫外线入口端伸进到连续光放点室中。

优选的，所述紫外线反射器和连续光放电准直镜均为凹透镜。

优选的，所述上试样夹具与加载力传递轴相接触的位置处设置有球形凸块，加载力传递轴与球形凸块的球面相接触。

优选的，所述载荷加载机构还包括用于检测载荷加载机构施加的载荷力的压力传感器，压力传感器安装于弹簧安装座上，弹簧安装座通过压力传感器与加载力传递轴连接。

优选的，所述下试样驱动系统包括电机、主传动轴、轴承安装套、轴承以及轴承盖，轴承安装套安装到真空箱底部，轴承安装到轴承安装套中，轴承盖盖合于轴承安装套顶部开口中，主传动轴连接到轴承上并且穿过轴承盖伸入到真空箱中与下试样安装座连接，在真空箱外侧的主传动轴与电机连接。

优选的，所述制冷系统包括液氮生成装置以及液氮循环金属管，液氮生成装置与液氮循环金属管接通，氮循环管道围绕真空箱内壁面设置。

优选的，所述加热系统包括高频感应加热器以及钢管，高频感应加热器与钢管连接，钢管环绕在上试样和/或下试样外侧。

优选的，还包括控制器，控制器与步进电机、制冷系统、加热系统、紫外线生成装置和下试样驱动系统连接，用于控制步进电机、制冷系统、加热系统、紫外线生成装置和下试样驱动系统的工作状态。

本发明的工作过程及工作原理：

模拟空间环境摩擦磨损试验步骤如下：

首先安装好实验需要的上试样和下试样，然后真空箱抽真空，当真空度达到所要求的值时，再分别开启步进电机施加实验需要的加载力(载荷)或者所需的载荷类型、开启制冷系统和加热系统实现实验具体需要的高低温循环、开启紫外线生成装置为上试样和下试样提供紫外线，准备就绪后，开启电机进行实验，在实验过程中摩擦力传感器将记录和保存产生的摩擦力。因此，本发明的可同时模拟高真空、交变温度、辐射等太空空间环境和交变负荷、高低速、间断运行等复杂运动状况。

本发明也可以单独模拟一种或者几种太空空间环境或者工况，单独模拟一种或者几种空间环境摩擦磨损试验步骤如下：

准备步骤和上面相同，而根据所设定的太空环境，只需要开启实验所需的步进电机、制冷系统、加热系统、紫外线生成装置和/或下试样驱动系统即可。如：只模拟真空环境下的摩擦磨损，则只需要抽真空，制冷系统、加热系统和紫外线生成装置则不需要启动。

实施例二：

一种使用实施例一所述的模拟太空环境多功能摩擦磨损试验装置进行的模拟空间环境摩擦磨损试验方法，包括以下步骤：

试样安装：将上试样和下试样分别安装到上试样夹具和下试样安装座上，真空箱抽真空，在达到所要求的真空度值后，进行摩擦环境设定；

摩擦环境设定包括加载力设定、磨擦环境温度设定、辐照条件设定以及摩擦状态的设定；

加载力设定：启动步进电机带动滚珠丝杆转动，弹簧推板在滚珠丝杆的滑动螺母的推动下沿导轨下滑压缩加载弹簧，加载弹簧受力后下压弹簧安装座，弹簧安装向加载力传递轴施加加载力，并通过载荷加载机构的压力传感器检测加载力的大小；当需要施加固定的加载力时，步进电机转动，加载至设定的加载力时停止；当需要交变的加载力时，步进电机在试验过程中正反转带动滚珠丝杆顺时针或逆时针转动，从而实现在交变加载力条件下进行试验；

磨擦环境温度设定：当需要磨擦在高温下进行时，加热系统的高频感应加热器启动，并通过钢管对上试样和/或下试样加热至设定温度，使上试样和下试样在设定的温度下进行摩擦；

当需要磨擦在低温下进行时，制冷系统的液氮生成装置向液氮循环金属管中通入液氮，从而降低真空箱内的温度至设置温度，使上试样和下试样在设定的温度下进行摩擦；

当需要在温度交替变化的条件下进行磨擦时，高频感应加热器和液氮生成装置交替启动，从而使真空箱内的温度发生交替变换，使上试样和下试样在温度交替变换的条件下进行摩擦；

辐照条件设定：当需要在辐照环境进行摩擦时，启动紫外线发生器，紫外线进入到连续光放点室，在连续光放点室中的连续光放电准直镜将照射到紫外线反射器以外部分的紫外线反射到紫外线反射器上，而紫外线反射器将接收到的紫外线反射到紫外线传输通道中，紫外线从紫外线传输通道射出后照射在上试样和下试样的磨擦位置处，从而达到在辐照环境下进行摩擦；

摩擦状态的设定：启动电机驱动下试样安装座带动下试样相对上试样转动，通过调整电机转速实现在设定转速或快慢速交替变换条件下进行摩擦，或控制电机的启停实现间断摩擦；

通过选择一种或多种摩擦条件，从而模拟太空环境，当调整到设定摩擦环境时启动电机进行试验；

在电机运转时，上试样-下试样摩擦副将产生相对运动，由于下试样偏心装夹，所以上试样-下试样摩擦副之间的摩擦力将对上试样产生一个切向扭矩力，这个扭矩力使传动轴有一个绕铰接轴转动的运动趋势，然后经过挡板和传动轴之间的摩擦力传感器测出这个扭矩力并换算成对应的摩擦力，从而得出实验时的摩擦力数据；在实验过程中摩擦力传感器将记录和保存产生的摩擦力。

加载力传递轴与球形凸块的球面相接触，使得上试样夹具与加载力传递轴之间为点面接触(点接触)，可保证在受到振动时，所加载的加载力传递给上试样夹具时不受振动的影响，同时也可减少上试样夹具与加载力传递轴之间的摩擦力，减少传动轴绕铰接轴转动时的影响，从而使摩擦力传感器能更准确地进行检测。

优选的，下试样为圆盘状。

优选的，当需要进行面磨擦时，上试样选用平面销试样；

当需要进行点磨擦时，上试样选用球头销试样；

当需要进行线磨擦时，上试样选用圆柱试样，通过圆柱试样的圆柱面与下试样摩擦。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。