复用式毫秒级快速泄压真空机构及快速减压试验系统的制作方法

本发明属于环境模拟与试验技术领域，具体涉及一种用于产品与系统高空或空间极快速减压环境模拟的复用式毫秒级快速泄压真空机构，也涉及一种相应的快速减压试验系统。

背景技术：

快速减压是指在高空或太空中因为某种原因或状况，因为飞机、飞船等飞行器、航天器舱内大气压力较高，而舱外大气压较低，从而使舱外舱内直接接触(瞬间失压)的现象。

近一个多世纪以来，飞机、火箭、航天飞机等航空航天器的相继出现与发展，大大推进了人类文明的进步，不仅在世界范围内加速了不同国家、不同地区之间的经济、政治、文化、科技的交融与提升，而且将人类的视野和足迹扩展到了太空。但是，目前航空航天器的发展并没有十分完善，从飞行员进入座舱起，到空中飞行，再到入轨、返航，直至着陆后离开座舱为止，航空航天器均有发生危险的可能。航空航天器的安全一方面取决于其本身、运载工具、发射装置、测控设备以及搜索救援设施等系统的安全可靠性，另一方面取决于飞行员的素质、人机系统的协调性、以及地面人员工作的可靠性。其中，航空航天器飞行过程中可能发生的机舱失压问题，直接影响到机载设备的安全可靠性，危及到飞行员、航天员等机载人员的生命安全。

由此引发的快速减压问题，在航空航天发展史上屡见不鲜，最著名的一次失压事故，发生在1971年6月30日，苏联联盟11号飞船返回大气层时，由于机械故障压力阀门被震开，密封舱瞬间失压，导致3名宇航员牺牲。对于民航客机，由于机舱失压原因，造成客机返航、紧急迫降甚至坠毁时有发生，造成不可估量的人员和财产损失，例如2018年5月14日，川航3u8633客机飞行途中驾驶舱右座前风挡玻璃突然爆裂脱落，机舱瞬间失压，伴随低温、缺氧、强气流冲击，不仅飞行员人身遭受重创、操作困难，而且导致部分机载设备失灵，险酿重大事故；同年，美国西南航空曾在一个月之内出现三起机舱失压事故，造成多名乘客伤亡。

因此，快速减压过程研究及其效应评估、应对防护技术是未来实现临近空间探索、深空探测、月球或火星居住基地等重大国家探索工程所必须面临的难题。为了更好地对快速减压过程进行研究，科研人员在地面上建设快速减压环境模拟装置，用于开展机舱失压对机载设备的影响研究以及飞行员、航天员面对机舱失压时的应急处理与逃生能力训练，因此该类设备是提高航空航天器飞行的安全可靠性的重要环节。目前，针对快速减压环境效应试验，航空工业行业标准hb6167/6167a以及国军标gjb150/150a中均有相应标准。其中，快速减压试验要求的降压时间极短，压力从75.2kpa降到18.8kpa/4.4kpa时间为15s，爆炸性降压小于0.1s，常规抽真空的方式难以实现，现阶段的相关环境模拟技术，多采用图1所示的结构。其中，图1显示了现有的快速减压环境模拟试验系统，该试验系统包括真空储备腔和快速减压舱，两者经泄压机构控制通断。试验时，样品试件置于快速减压舱内，真空储备舱腔、快速减压舱内气压分别抽至18.8kpa、75.2kpa以下，通过快速开启泄压机构实现快速泄压环境模拟。因此，快速泄压机构是快速减压环境模拟装置的核心部件之一。根据国军标要求，极快速减压要求能在0.1s内完成，因此就要求快速泄压机构能在毫秒级范围内实现瞬间开启，以往此类试验多是通过撞击玻璃或膜片等方式实现，但是同时存在可重复性差、污染物高、可控时间不精确等问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种应用于快速减压环境地面模拟装置的复用式毫秒级快速泄压真空机构，其中该泄压真空机构具有密封性高、可重复开启、控制精度高、可靠性高等优点，可有效实现毫秒级范围内机构的瞬间打开及快速减压环境的有效模拟。本发明的另一目的在于提供一种应用于快速减压环境地面模拟装置的复用式毫秒级快速减压试验系统，该快速减压试验系统，可以在毫秒级范围内实现机构的瞬间打开，用于检验机载设备对快速减压环境的适应性与可靠性，以及开展飞行员、航天员的相关应急处理与逃生能力训练等。

本发明目的是通过如下技术方案实现的：

用于快速减压环境地面模拟装置的复用式毫秒级快速泄压真空机构，包括阀座密封组件、翻转泄压组件、牵引蓄能组件，所述牵引蓄能组件的下固定板通过螺栓连接方式与阀座密封组件的阀门主体安装集成于一体，阀座密封组件中密封阀板上的一体式阀杆通过螺接的方式与牵引蓄能组件中的顶杆连接，翻转泄压组件通过螺栓连接或者焊接的方式设置于牵引蓄能组件的上固定板。

其中，阀座密封组件包括：阀门主体、密封阀板、阀板真空密封圈、焊接波纹管、阀座真空密

封圈，所述阀门主体为一体式焊接真空角阀形式，侧部与底部预留有真空法兰接口，顶部预留有密封槽，密封槽内设置有阀座真空密封圈；阀门主体内设置密封阀板，密封阀板的上部设置有一体式阀杆，下密封面设置有密封槽，密封槽内安装有阀板真空密封圈；密封阀板与焊接波纹管为下部焊接方式，阀门主体与焊接波纹管则通过螺栓连接并将阀座真空密封圈夹持于中间，连接后焊接波纹管可实现将阀门主体与上侧外部空间实现完全密封。

其中，当密封阀板受到向下的预紧力时，阀板真空密封圈被压缩实现密封，可完全保证阀门主体两焊接法兰被完全隔断。

其中，翻转泄压组件包括：翻转底座、圆形顶板、翻转转轴、翻转盖板、带轴调节手轮、轴承、锁紧推块、电磁推杆、锁紧支座、轴承挡圈，所述翻转泄压组件中的翻转底座、电磁推杆、锁紧支座通过螺栓连接或者直接焊接的方式固定于牵引蓄能组件上固定板上，翻转泄压组件中的翻转底座和翻转盖板由翻转转轴连接组成翻转机构，圆形顶板、带轴调节手轮通过螺栓连接与一体，带轴调节手轮转轴与翻转盖板也为螺纹连接方式，通过旋转带轴调节手轮实现高低行程调节，轴承、锁紧推块、锁紧支座、轴承挡圈组装与一体，锁紧推块与电磁推杆联动并通过电磁推杆实现轴承左右移动。

其中，牵引蓄能组件包括：下固定板、立柱固定座、阀杆固定座、支撑立柱、上固定板、牵引气缸、顶杆、减震垫块、蓄能弹簧、牵引圆盘，所述牵引蓄能组件中由下固定板、支撑立柱、上固定板通过立柱固定座联为一体，阀杆固定座安装于下固定板上部，减震垫块安装于上固定板下部，顶杆穿过阀杆固定座和减震垫块安装于中间，并在阀座密封组件和牵引蓄能组件螺栓连接安装完成后与密封阀板一体式阀杆螺接与一体；两套牵引气缸则安装于上固定板上方，蓄能弹簧上端连接于上固定板，下端固定于牵引圆盘，牵引圆盘则通过焊接方式与顶杆连接于一体。

其中，当需要关闭机构时，由牵引气缸向下运动牵引顶杆和牵引圆盘一体向下直线运动，同时蓄能弹簧实现了拉伸蓄能，牵引气缸向下运动到位后，旋转翻转盖板至关闭状态，使得轴承压制于翻转盖板上方；此时通过轴承、翻转盖板、顶杆、密封阀板向下力传递实现机构的关闭，关闭后可通过调节带轴调节手轮实现密封阀板预紧力的调节直至阀门完全关闭，阀门完全关闭后将牵引气缸向上提升至原位置。

当需要打开机构时，电磁推杆缩回动作，带动锁紧推块和轴承同时缩回，使得轴承不再对旋转翻转盖板施压，此时顶杆、密封阀板失去上方旋转翻转盖板压力，由于气压对密封阀板的压力以及蓄能弹簧的拉伸蓄能叠加，使得密封阀板可在毫秒级范围内完成向上运动打开，当牵引圆盘运动至减震垫块时受阻力停止完成整个机构的开启动作。

本发明的用于快速减压环境地面模拟装置的复用式毫秒级快速减压试验系统，主要包括上述复用式毫秒级快速泄压真空机构、安全防护阀、真空储备舱、快速泄压舱、压力传感器、高频数据采集系统，所述快速泄压真空机构的连接法兰通过螺栓连接方式分别安装于快速泄压舱与真空储备舱预留真空法兰上，阀门关闭运动的方向为快速泄压舱高压侧，侧边法兰连接低压侧真空储备舱，中间通过螺栓连接的方式连接有泄压(管道)通道和安全防护阀，快速泄压舱与真空储备舱上安装有压力传感器，压力传感器数据通过高频数据采集系统进行采集，当需要进行快速减压试验时，将试验前按照上述流程将阀门关闭后，按照试验所需的流程将高快速泄压舱与真空储备舱调节到所需压力，通过给快速泄压真空机构指令后瞬间打开机构实现气流的快速泄压。

本发明的复用式毫秒级快速泄压真空机构具有以下有益效果：

(1)本发明装置打开时采用气压与多组弹簧蓄能产生的拉力作为动力源，可保证机构在打开时的动力源，确保机构在毫秒量级时间内完成打开，且后续可通过更换弹簧强度更改动力源强度，继而达到调节开启时间的功能；

(2)本发明装置采用顶杆垂直对密封阀板施加压力的方式克服较大的气压及弹簧拉力，同时设置有调节手轮对预紧力进行调节，使用焊接波纹管完成密封，整个结构无动密封结构，具有密封性好、易于操作等优点；

(3)本发明装置设置气缸完成机构的辅助关闭，使用电磁推杆完成机构的打开动作，自动化程度高；机构密封阀板开闭的直线运动方式可靠性高，相对于翻板等方式结构简单且功能性更强。

附图说明

图1为现有技术中快速减压环境模拟试验系统的结构示意图；

图2a为本发明一具体实施方式的用于快速减压环境地面模拟装置的复用式毫秒级快速泄压真空机构正视图；

图2b为本发明一具体实施方式的用于快速减压环境地面模拟装置的复用式毫秒级快速泄压真空机构侧视图；

图2c为本发明一具体实施方式的用于快速减压环境地面模拟装置的复用式毫秒级快速泄压真空机构a-a剖视图；

图2d为本发明一具体实施方式的用于快速减压环境地面模拟装置的复用式毫秒级快速泄压真空机构等角轴侧图；

其中，11-阀座密封组件；12-翻转泄压组件；13-牵引蓄能组件。

图3为本发明一具体实施方式中阀座密封组件的结构示意图；

其中，111-阀门主体；112-密封阀板；113-阀板真空密封圈；114-焊接波纹管；115-阀座真空密封圈；

图4为本发明一具体实施方式中翻转泄压组件的结构示意图；

其中，121-翻转底座；122-圆形顶板；123-翻转转轴；124-翻转盖板；125-带轴调节手轮；126-轴承；127-锁紧推块，128-电磁推杆；129-锁紧支座；130-轴承挡圈。

图5为本发明一具体实施方式中牵引蓄能组件的结构示意图；

其中，131-下固定板；132-立柱固定座；133-阀杆固定座；134-支撑立柱；135-上固定板；136-牵引气缸；137-顶杆，138-减震垫块；139-蓄能弹簧；140-牵引圆盘。

图6为本发明一具体实施方式的用于快速减压环境地面模拟装置的快速泄压真空试验系统的结构示意图；

其中，1-复用式毫秒级快速泄压真空机构；2-快速泄压舱；3-泄压通道；4-安全防护阀；5-压力传感器；6-高频数据采集系统；7-真空储备舱。

具体实施方式

以下参照附图对本发明的复用式毫秒级快速泄压真空机构及快速减压试验系统进行详细说明，但该描述仅仅示例性的，并不旨在对本发明的保护范围进行任何限制。

参见图2，图2a为本发明一具体实施方式的用于快速减压环境地面模拟装置的复用式毫秒级快速泄压真空机构正视图；图2b为本发明一具体实施方式的用于快速减压环境地面模拟装置的复用式毫秒级快速泄压真空机构侧视图；图2c为本发明一具体实施方式的用于快速减压环境地面模拟装置的复用式毫秒级快速泄压真空机构a-a剖视图；图2d为本发明一具体实施方式的用于快速减压环境地面模拟装置的复用式毫秒级快速泄压真空机构等角轴侧图。如图所示，本发明的用于快速减压环境地面模拟装置的复用式毫秒级快速泄压真空机构，包括阀座密封组件11；翻转泄压组件12；牵引蓄能组件13。参见图2，阀座密封组件11为一体式焊接真空角阀结构形式，所述牵引蓄能组件13的下固定板通过螺栓连接方式与阀座密封组件11的阀门主体安装集成于一体，阀座密封组件11中密封阀板上的一体式阀杆通过螺接的方式与牵引蓄能组件13中的顶杆连接。翻转泄压组件12通过螺栓连接或者焊接的方式安装于牵引蓄能组件13的上固定板。

图3是本发明的阀座密封组件结构示意图，包括：阀门主体(111)；密封阀板(112)；阀板真空密封圈(113)；焊接波纹管(114)；阀座真空密封圈(115)。其中，所述阀门主体(111)为一体式焊接真空角阀形式，侧部与底部预留有真空法兰接口，顶部预留有密封槽，密封槽内安装有阀座真空密封圈(115)；阀门主体(111)内设置密封阀板(112)，密封阀板上部设置有一体式阀杆，下密封面设置有密封槽，密封槽内安装有阀板真空密封圈(113)；密封阀板(112)与焊接波纹管(114)为下部焊接方式，阀门主体(111)与焊接波纹管(114)则通过螺栓连接并将阀座真空密封圈(115)夹持于中间，连接后焊接波纹管(114)可实现将阀门主体(111)与上侧外部空间实现完全密封。当密封阀板(112)受到向下的预紧力时，阀板真空密封圈(113)被压缩实现密封，可完全保证阀门主体(111)两焊接法兰被完全隔断。

图4是本发明的翻转泄压组件(12)结构示意图，包括：翻转底座(121)；圆形顶板(122)；翻转转轴(123)；翻转盖板(124)；带轴调节手轮(125)；轴承(126)；锁紧推块(127)；电磁推杆(128)；锁紧支座(129)；轴承挡圈(130)。其中，所述翻转泄压组件(12)中的翻转底座(121)、电磁推杆(128)、锁紧支座(129)通过螺栓连接或者直接焊接的方式固定于牵引蓄能组件(13)上固定板(135)。翻转泄压组件(12)中的翻转底座(121)和翻转盖板(124)由翻转转轴(123)连接组成翻转机构，圆形顶板(122)、带轴调节手轮(125)通过螺栓连接与一体，带轴调节手轮(125)转轴与翻转盖板(124)也为螺纹连接方式，可通过旋转带轴调节手轮(125)实现高低行程调节。轴承(126)、锁紧推块(127)、锁紧支座(129)、轴承挡圈(130)组装与一体，锁紧推块(127)与电磁推杆(128)联动并通过电磁推杆(128)实现轴承(126)左右移动。

图5是本发明的牵引蓄能组件(13)结构示意图，包括：下固定板(131)；立柱固定座(132)；阀杆固定座(133)；支撑立柱(134)；上固定板(135)；牵引气缸(136)；顶杆(137)；减震垫块(138)；蓄能弹簧(139)；牵引圆盘(140)。其中所述牵引蓄能组件(13)中由下固定板(131)、4根支撑立柱(134)、上固定板(135)通过立柱固定座(132)联为一体。阀杆固定座(133)安装于下固定板(131)上部，减震垫块(138)安装于上固定板(135)下部，顶杆(137)穿过阀杆固定座(133)和减震垫块(138)安装于中间，并在阀座密封组件(11)和牵引蓄能组件(13)螺栓连接安装完成后与密封阀板(112)一体式阀杆螺接与一体。2套牵引气缸(136)则安装于上固定板(135)上方。4根蓄能弹簧(139)上端连接于上固定板(135)，下端固定于牵引圆盘(140)，牵引圆盘(140)则通过焊接方式与顶杆(137)连接于一体。

当需要关闭机构时，由牵引气缸(136)向下运动牵引顶杆(137)和牵引圆盘(140)一体向下直线运动，同时蓄能弹簧(139)实现了拉伸蓄能。牵引气缸(136)向下运动到位后，旋转翻转盖板(124)至关闭状态，使得轴承(126)压制于翻转盖板(124)上方。此时通过轴承(126)、翻转盖板(124)、顶杆(137)、密封阀板(112)向下力传递实现机构的关闭，关闭后可通过调节带轴调节手轮(125)实现密封阀板(112)预紧力的调节直至阀门完全关闭。阀门完全关闭后将牵引气缸(136)向上提升至原位置。

当需要打开机构时，电磁推杆(128)缩回动作，带动锁紧推块(127)和轴承(126)同时缩回，使得轴承(126)不再对旋转翻转盖板(124)施压。此时顶杆(137)、密封阀板(112)失去上方旋转翻转盖板(124)压力，由于气压对密封阀板(112)的压力以及蓄能弹簧(139)的拉伸蓄能叠加，使得密封阀板(112)可在毫秒级范围内完成向上运动打开，当牵引圆盘(140)运动至减震垫块(138)时受阻力停止完成整个机构的开启动作。

图6是本发明的快速减压试验系统示意图，包括：复用式毫秒级快速泄压真空机构(1)；快速泄压舱(2)；泄压(管道)通道(3)；安全防护阀(4)；压力传感器(5)；高频数据采集系统(6)；真空储备舱(7)。其中所述快速泄压真空机构(1)两连接法兰通过螺栓连接方式分别安装于快速泄压舱(2)与真空储备舱(7)预留真空法兰上，一般阀门关闭运动的方向为快速泄压舱(2)高压侧，侧边法兰连接低压侧真空储备舱(7)，中间通过螺栓连接的方式连接有泄压(管道)通道(3)和安全防护阀(4)，快速泄压舱(2)与真空储备舱(7)上安装有压力传感器(5)，压力传感器(5)数据通过高频数据采集系统(6)进行采集。

当需要进行快速减压试验时，将试验前按照上述流程将阀门关闭后，按照试验所需的流程将高快速泄压舱(2)与真空储备舱(7)调节到所需压力，通过给快速泄压真空机构(1)指令后瞬间打开机构实现气流的快速泄压。

本发明面向快速减压环境地面模拟装置的需求，公开了一种复用式毫秒级快速泄压真空机构及快速减压试验系统，其中该机构具有密封性高、可重复开启、控制精度高、可靠性高等优点。本发明组成的快速减压环境地面模拟装置，可以在毫秒级范围内实现机构的瞬间打开，用于检验机载设备对快速减压环境的适应性与可靠性，以及开展飞行员、航天员的相关应急处理与逃生能力训练等。该装置可延伸应用于其他需要控制气流瞬间通断的相关试验或测试设备。

尽管上文对本发明的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本发明的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围之内。