全文摘要
本实用新型提供了一种评估颗粒流集体摩擦磨损行为的实验装置，包括：主机动力系统、传动系统、主体管道回路、可更换的摩擦样品部件、真空系统、温控加热系统和平台支撑结构；主机动力系统用于驱动主体管道回路；传动系统用于将主机动力系统的动力传递给主体管道回路；主体管道回路在主机动力系统的驱动下旋转，模拟散裂靶颗粒流的多种流态；可更换的摩擦样品部件与主体管道回路，放置摩擦试样；主体管道回路放置于加热炉体中，温控加热系统用于对主体管道回路均匀加热；真空系统与主体管道回路相连，用于实现主体管道回路的真空及气氛保护；平台支撑结构用于为实验装置提供支撑。
主设计要求
1.一种评估颗粒流集体摩擦磨损行为的实验装置，其特征在于，包括：主机动力系统、传动系统、主体管道回路、可更换的摩擦样品部件、真空系统、温控加热系统和平台支撑结构；主机动力系统用于驱动主体管道回路；传动系统用于将主机动力系统的动力传递给主体管道回路；主体管道回路在主机动力系统的驱动下旋转，模拟散裂靶颗粒流的多种流态；可更换的摩擦样品部件与主体管道回路，放置摩擦试样；真空系统与主体管道回路相连，用于实现主体管道回路的真空及气氛保护；温控加热系统用于对主体管道回路均匀加热；其中，主体管道回路放置于加热炉体内；平台支撑结构用于为实验装置提供支撑。
设计方案
1.一种评估颗粒流集体摩擦磨损行为的实验装置，其特征在于，包括：主机动力系统、传动系统、主体管道回路、可更换的摩擦样品部件、真空系统、温控加热系统和平台支撑结构；
主机动力系统用于驱动主体管道回路；
传动系统用于将主机动力系统的动力传递给主体管道回路；
主体管道回路在主机动力系统的驱动下旋转，模拟散裂靶颗粒流的多种流态；
可更换的摩擦样品部件与主体管道回路，放置摩擦试样；
真空系统与主体管道回路相连，用于实现主体管道回路的真空及气氛保护；
温控加热系统用于对主体管道回路均匀加热；其中，主体管道回路放置于加热炉体内；
平台支撑结构用于为实验装置提供支撑。
2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，主机动力系统包括：
高扭矩电机，用于驱动主体管道回路；
控制机构，用于控制高扭矩电机的转速；
时序控制系统用于控制主体管道回路旋转状态以实现颗粒的不同的运动状态，从而模拟散裂靶颗粒流的多种流态。
3.如权利要求2所述的实验装置，其特征在于，多种流态包括：密集流态、密堆积状态、碰撞冲击、定向冲击状态、稀疏流状态。
4.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，主体管道回路包括：第一颗粒暂存箱、第二颗粒暂存箱、弧形管道、垂直靶段、斜管道、靶段下方收口、灌料卸料口、管道支撑结构。
5.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，真空系统包括：真空泵、真空计、阀门，主体管道回路经阀门连接真空泵，在阀门和真空泵之间安装有真空计。
6.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，温控加热系统包括：加热炉主体、温控系统，主体管道回路置于加热炉主体中，温控系统用于控制加热炉主体，可实现室温至600摄氏度范围内的温度调节。
7.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，平台支撑结构包括：底座以及底座上的支撑结构和旋转轴支撑结构，支撑结构支撑主机动力系统，旋转轴支撑结构支撑传动系统。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及一种评估颗粒流集体摩擦磨损行为的实验装置。
背景技术
加速器驱动次临界嬗变装置(CiADS)建设，已列入国家十三五项目，其中高功率散裂靶主要功能产生强中子源嬗变核废料，是CiADS中最关键的部分。最新提出的颗粒流散裂靶具有无腐蚀、热移除效率高等优点。但是由于散裂靶需要在极端恶劣的工况环境下运行，其中面临的主要问题之一就是颗粒流在运行过程中会产生强烈的摩擦磨损，这会影响到散裂靶的整体运行的稳定性和安全性，因此需要寻找一种切实可行的方法来评估颗粒流靶的摩擦磨损。由于靶运行环境苛刻，靶球颗粒数目众多(约超过10亿颗)，运动复杂，流态包括稀疏流、密集流及中间的过渡态，其磨损形式呈现多样化，包括滚动、滑动、碰撞冲击等，目前尚无合适的方法评估这类颗粒流靶集体运动行为的摩擦磨损状况。
另外，在散裂靶回路中，靶管道为颗粒靶运行的通道，因此除了颗粒靶的摩擦磨损，还有散裂靶管道的摩擦磨损。由于靶回路中颗粒流态的差异导致各处的管道磨损不同，因此其抗摩擦磨损性能涉及到装置的运行可靠性及安全问题，必须进行评估。
目前，现有的摩擦学设备大多只能开展较为简单的摩擦磨损实验，且为固定摩擦副，摩擦形式较单一，单独载荷，实验条件离散裂靶实际运行工况相差较大，难以客观真实的评估颗粒靶集体摩擦磨损行为(滚动、滑动、碰撞冲击等)。现有的一种高温真空旋转摩擦试验机可以半定量评估密集流情况下颗粒的摩擦磨损，但是不能评估稀疏流情况下的摩擦磨损及管道的冲蚀磨损。而在颗粒流散裂靶回路中稀疏流和密集流同时存在，而稀疏流产生的碰撞冲蚀磨损，可能比密集流产生的摩擦磨损更严重。因此，亟待寻找一种切实可行的方法综合评估颗粒流靶的摩擦磨损。
实用新型内容
(一)要解决的技术问题
本实用新型的目的是针对高功率散裂靶中摩擦磨损问题提供一种评估颗粒流集体摩擦磨损行为的实验装置，以评估大量颗粒在密集流、稀疏流时的摩擦磨损、流动冲蚀磨损以及相应管道的摩擦磨损。此外，本实用新型的实验装置可实现颗粒流散裂靶的高温、气氛等实际工况条件，并提供一套科学的方法评估颗粒流散裂靶长时效运行导致的颗粒集体及管道的摩擦磨损状况。
(二)技术方案
本实用新型提供了一种评估颗粒流集体摩擦磨损行为的实验装置，包括：主机动力系统、传动系统、主体管道回路、可更换的摩擦样品部件、真空系统、温控加热系统和平台支撑结构；主机动力系统用于驱动主体管道回路；传动系统用于将主机动力系统的动力传递给主体管道回路；主体管道回路在主机动力系统的驱动下旋转，模拟散裂靶颗粒流的多种流态；可更换的摩擦样品部件与主体管道回路，放置摩擦试样；真空系统与主体管道回路相连，真空系统用于实现主体管道回路的真空及气氛保护；温控加热系统用于对主体管道回路均匀加热；平台支撑结构用于为实验装置提供支撑。
在本实用新型的一些实施例中，主机动力系统包括：高扭矩电机，用于驱动主体管道回路；控制机构，用于控制高扭矩电机的转速；时序控制系统用于控制主体管道回路旋转状态以实现颗粒的不同的运动状态，从而模拟散裂靶颗粒流的多种流态。
在本实用新型的一些实施例中，多种流态包括：密集流态、密堆积状态、碰撞冲击、定向冲击状态、稀疏流状态。
在本实用新型的一些实施例中，主体管道回路包括：第一颗粒暂存箱、第二颗粒暂存箱、弧形管道、垂直靶段、斜管道、靶段下方收口、灌料卸料口、管道支撑结构。
在本实用新型的一些实施例中，真空系统包括：真空泵、真空计、阀门，主体管道回路经阀门连接真空泵，在阀门和真空泵之间安装有真空计。
在本实用新型的一些实施例中，温控加热系统包括：加热炉主体、温控系统，主体管道回路置于加热炉主体中，温控系统用于控制加热炉主体，可实现室温至600摄氏度范围内的温度调节。
在本实用新型的一些实施例中，平台支撑结构包括：底座以及底座上的支撑结构和旋转轴支撑结构，支撑结构支撑主机动力系统，旋转轴支撑结构支撑传动系统。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本实用新型具有以下有益效果：
(1)可以实现在不同颗粒装载量、不同温度(室温-600℃)、真空\/氛围环境下开展颗粒在管道内集体流动产生的摩擦磨损。
(2)利用电机带动管道运行模拟散裂靶内部颗粒的运行，在回路管道内不同区域可以实现颗粒密集流、稀疏流、颗粒的冲击等多种流态，并实现颗粒滚动、滑动、碰撞冲蚀等多种形式的摩擦磨损。本装置的运行工况接近于散裂靶运行的实际工况，实现了散裂靶回路的高度模拟。
(3)利用本实用新型装置提供的一套科学方法可以有效评估特殊工况下颗粒流散裂靶中的颗粒集体及管道的摩擦磨损行为，为CiADS工程建设提供可靠有效的科学数据和参考依据。
附图说明
图1为本实用新型实施例评估颗粒流集体摩擦磨损行为的实验装置的侧视图。
图2为主体管道回路的正视图。
【符号说明】
1-高扭矩电机；2-控制机构；3-传动轴；4-主体管道回路；5-可更换的摩擦样品部件；6-加热炉主体；7-底座；8-支撑结构；9-旋转轴支撑结构；10-第一颗粒暂存箱；11-弧形管道；12-垂直靶段；13-斜管道；14-靶段下方收口；15-灌料卸料口；16-管道支撑结构；17-抽气管道；18-第二颗粒暂存箱。
具体实施方式
本实用新型装置利用电机带动管道运行模拟散裂靶内部颗粒的驱动运行，运行时，可以实现颗粒流的复杂运动，并可模拟颗粒流靶在不同段处实现靶球的暂存、流动。
为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本实用新型进一步详细说明。
本实用新型一实施例提供了一种评估颗粒流集体摩擦磨损行为的实验装置，包括：主机动力系统、传动系统(或主轴系统)、主体管道回路4、可更换的摩擦样品部件5、真空系统、温控加热系统和平台支撑结构。
主机动力系统包括：高扭矩电机1、控制机构2、时序控制系统等。高扭矩电机1为驱动机构，用于驱动主体管道回路4，其扭矩约500N*m。控制机构2用于控制高扭矩电机1的转速，通过控制机构2，可以实现对高扭矩电机1转速的控制(转速范围0-30r\/min)。时序控制系统通过时序控制，可以在主体管道回路4的一个旋转周期内控制管道实现不同速度的的旋转状态，并由此控制主体管道回路4中颗粒的不同的运动状态，保证颗粒流在主体管道回路4的不同位置实现流动、暂存、稳定的垂直颗粒下落束。
传动系统介于主机动力系统和主体管道回路4之间，传动轴3连接高扭矩电机1和主体管道回路4，用于将高扭矩电机1的动力传递给主体管道回路4，并起到绝热作用，保护高扭矩电机1运行不受主体管道回路4的高温影响。
主体管道回路4包括：两个颗粒暂存箱、弧形管道11、垂直靶段12、斜管道13、靶段下方收口14、灌料卸料口15、管道支撑结构16等，可在主机动力系统的驱动下旋转。管道支撑结构16支撑主体管道回路4。主体管道回路4还安装有抽气管道17。
颗粒暂存箱用于颗粒的收集、暂时存储等，其中第一颗粒暂存箱10位于靶段下方收口14的下方，第二颗粒暂存箱18位于垂直靶段12的上方。弧形管道11为颗粒密集流流道，在主机动力系统的驱动下，主体管道回路4旋转，第一颗粒暂存箱10中的颗粒流入弧形管道11中，并相对弧形管道11运动，形成颗粒靶密集流态，最终流入第二颗粒暂存箱18，在时序系统控制下，此过程旋转速度可较缓慢。之后，在时序系统的控制下，主体管道回路4可快速旋转(之前速度的2-3倍)到一定角度后静止，此时，垂直靶段12相对于地面处于垂直状态，第二颗粒暂存箱18可以将其暂存的颗粒注入到垂直靶段12处，在垂直靶段12处可以实现靶球颗粒的密堆积状态，同时实现了靶颗粒间的碰撞冲击。通过调节靶球装载率，可调节靶球颗粒的堆积高度。堆积在垂直靶段12处的靶球颗粒通过靶段下方收口14形成垂直下落束，并作用到斜管道13上，模拟了散裂靶内部颗粒流与刚性部件的定向冲击状态，在颗粒流经斜管道13时可形成稀疏流状态，随后流入第一颗粒暂存箱10，在此过程中再次实现了颗粒的堆积与颗粒间的碰撞，静止一段时间后，在时序系统控制下，主体管道回路4再次开始旋转，如此往复循环。整个过程模拟了散裂靶中颗粒流几乎全部的不同流态，包括密集流、稀疏流、流动冲击、碰撞等。同时实现了颗粒滚动、滑动、碰撞冲蚀等多种形式的摩擦磨损。
可更换的摩擦样品部件5与主体管道相连(见图2)，可放置与管道尺寸相应的摩擦试样，要求摩擦试样曲面、材料与管道相同，其主要目的是通过检测摩擦试样的磨损情况来评估管道材料的摩擦状况。其拆卸方便，可随时取样检测样品的摩擦磨损程度。
真空系统包括：真空泵、真空计、阀门等。主体管道回路4通过抽气管道17经阀门连接真空泵，在阀门和真空泵之间安装有真空计。真空系统用于实现主体管道回路4的真空及气氛保护。
温控加热系统包括：加热炉主体6、温控系统等。主体管道回路4置于加热炉主体6中，加热炉主体6可以对整个主体管道回路4均匀加热。温控系统用于控制加热炉主体6，可实现室温至600摄氏度范围内的温度调节。
平台支撑结构包括：底座7以及底座7上的支撑结构8和旋转轴支撑结构9。支撑结构8支撑主机动力系统，旋转轴支撑结构9支撑传动系统、温控加热系统。
利用上述实验装置，本实用新型可对颗粒流集体摩擦磨损行为进行评估。根据摩擦距离的对等性，在本实施例的实验装置中，金属靶球的运行距离等效于散裂靶中金属靶球的运行距离。在本实施例的实验装置中可以控制靶球的运行速度。此外，本实施例实验装置的主体管道回路4中可以形成类似于颗粒流散裂靶不同的颗粒流态，进一步模拟了实际工况，因而可以利用本实验装置的实验结果快速评估散裂靶中颗粒流和管道的摩擦磨损。
利用上述实施例的实验装置评估颗粒流集体摩擦磨损行为，包括：
步骤S1：在主体管道回路中灌入散裂靶颗粒。
本步骤通过灌料卸料口15，将散裂靶颗粒灌入主体管道回路4中。
步骤S2：主机动力系统驱动主体管道回路旋转，模拟散裂靶颗粒流的多种流态，这些流态包括：密集流态、密堆积状态、碰撞冲击、定向冲击状态、稀疏流状态等。
在本步骤中，在主机动力系统的驱动下，主体管道回路4旋转，第一颗粒暂存箱10中的颗粒流入弧形管道11中，并相对弧形管道11运动，形成颗粒靶密集流态，最终流入第二颗粒暂存箱18，在时序系统控制下，此过程旋转速度可较缓慢。
之后，在时序系统的控制下，主体管道回路4可快速旋转(之前速度的2-3倍)到一定角度后静止，此时，垂直靶段12相对于地面处于垂直状态，第二颗粒暂存箱18可以将其暂存的颗粒注入到垂直靶段12处，在垂直靶段12处可以实现靶球颗粒的密堆积状态，同时实现了靶颗粒间的碰撞冲击。通过调节靶球装载率，可调节靶球颗粒的堆积高度。
堆积在垂直靶段12处的靶球颗粒通过靶段下方收口14形成垂直下落束，并作用到斜管道13上，模拟了散裂靶内部颗粒流与刚性部件的定向冲击状态，在颗粒流经斜管道13时可形成稀疏流状态，随后流入第一颗粒暂存箱10，在此过程中再次实现了颗粒的堆积与颗粒间的碰撞，静止一段时间后，在时序系统控制下，主体管道回路4再次开始旋转，如此往复循环。整个过程模拟了散裂靶中颗粒流几乎全部的不同流态，包括密集流、稀疏流、流动冲击、碰撞等。同时实现了颗粒滚动、滑动、碰撞冲蚀等多种形式的摩擦磨损。
步骤S3：从实验装置内部取样，对散裂靶颗粒样品进行分析，评估散裂靶颗粒和管道的摩擦磨损情况。
本装置实验过程中可以定期(如每隔5天或10，根据实际需要可自行设定)从实验装置内部取样，对颗粒样品实时监测分析，对取样进行清洁处理，依次用去离子水、丙酮、酒精等液体进行超声清洗，将其表面灰尘及杂质清除，通过光学显微镜或SEM分析样品表面磨损状况，研究其磨损机理；对取样进行分组(约5-10组)并精确称重，获得每组样品的重量，将重量数据统计处理后，与未实验或之前的实验样品的重量相比，可获得一定实验时间内，颗粒靶集体磨损后的质量损耗，经过多次取样后，将一系列实验点统计分析，可获得颗粒靶球在一定实验条件下的磨损随实验时间的变化；根据颗粒靶球相对管道的运行距离等效于散裂靶中金属靶球的运行距离，将实验时间约化成散裂靶运行时间，可以间接的评估散裂靶中颗粒靶球的磨损状况随运行时间的变化；在取样的同时，可以取下可更换的摩擦样品，进行摩擦磨损分析，评估管道的摩擦磨损情况。
本实用新型的关键点在于通过对管道回路的多功能设计，与时序控制巧妙结合，模拟了颗粒在散裂靶回路中颗粒靶的多种流态，包括密集流、稀疏流、流动冲击等，特别是实现了难度较大的颗粒流垂直下落形成的定向冲击和稀疏流。
本实用新型的关键点还在于提供了一套科学的方法，根据摩擦距离的等效性原理和对颗粒流散裂靶中多种流态的模拟，建立了装置运行与散裂靶运行之间的关系，可以快速评估散裂靶中颗粒集体和管道的摩擦磨损状况。
本实用新型依据颗粒流靶运行的工况环境(高温、真空\/气氛)，针对颗粒流在特殊工况下的集体摩擦磨损行为。本实用新型的效果在于：(1)可以实现在不同颗粒装载量、不同温度(室温-600℃)、真空\/氛围环境下开展颗粒在管道内集体流动产生的摩擦磨损；(2)利用电机带动管道运行模拟散裂靶内部颗粒的运行，在回路管道内不同区域可以实现颗粒密集流、稀疏流、颗粒的冲击等多种流态，并实现颗粒滚动、滑动、碰撞冲蚀等多种形式的摩擦磨损。本实验装置的运行工况接近于散裂靶运行的实际工况，实现了散裂靶回路的高度模拟。(3)利用本实验装置提供的一套科学方法可以有效评估特殊工况下颗粒流散裂靶中的颗粒集体及管道的摩擦磨损行为，为CiADS工程建设提供可靠有效的科学数据和参考依据。
需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920009857.8
申请日:2019-01-03
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:62(甘肃)
授权编号:CN209640133U
授权时间:20191115
主分类号:G01N 3/56
专利分类号:G01N3/56
范畴分类:31E;
申请人:中国科学院近代物理研究所
第一申请人:中国科学院近代物理研究所
申请人地址:730000 甘肃省兰州市城关区南昌路509号
发明人:庞立龙;王志光;常海龙
第一发明人:庞立龙
当前权利人:中国科学院近代物理研究所
代理人:李坤
代理机构:11021
代理机构编号:中科专利商标代理有限责任公司 11021
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计
标签：真空环境论文;