CN101893531A - 带有气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统，整个系统包括气氛保护装置、加热系统和加载系统。气氛保护装置含有保护箱、废气排放管道和废气过滤装置，保护箱设有保护气体进气口、废气排放口、冷却气体进气口，保护箱和波导杆之间装有密封套件；加热系统包括加热炉、监测炉膛温度的铠装热电偶、点焊于试件上用来测量试件温度的热电偶丝。将整个加热炉、试件及两根波导杆的杆端部分置于保护箱中。可采用先对试件单独加热，然后完成试件与波导杆组装或者试件与波导杆同时加热这两种实验方式。本发明的实验系统不仅能够方便地进行保护气氛下的特殊材料的高温动态实验，还能用于常规空气中的高温动态实验。

Description

带有气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统

技术领域

 本发明属于材料高温动态力学性能实验技术领域，具体涉及一种带有气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统。

背景技术

利用霍普金森（Hopkinson）压杆进行材料高温动态力学性能研究常用的有两种方法。一种是实验前保持波导杆与试件处于分离状态，加热仅对试件进行，然后在冲击前完成试件和波导杆的装配。这种方法由于加热时杆与试件分离，降低了杆中的温度梯度，数据处理相对简单。名称为“用于高温霍普金森压杆实验的双向双气路自动组装装置”的发明专利( 专利号：ZL200610021096.5)详细介绍了这种方法，公开了一种用于高温霍普金森压杆实验的双向双气路自动组装装置，该装置能够保证组装的稳定性以及组装和应力波到达试件的同步性，并避免试件因离开热源而迅速降温。另一种方法是将波导杆与试件同时加热，然后在数据处理时对波导杆温度梯度影响进行修正。

部分材料的高温实验对实验环境具有特定的要求，如大多数金属在空气中进行高温实验都将产生较严重的氧化，氧化后的材料性能与原始材料具有较大的差别，而某些材料在高温下氧化甚至会产生有毒气体，对实验人员和环境造成较大伤害，因此这类实验对气氛保护具有明确需求。但目前的高温霍普金森压杆实验系统不能提供符合特定要求的实验气氛环境，相关的实验气氛环境提供装置未见报道。

发明内容

为了克服已有技术中高温压杆实验时不能提供符合特定要求的实验环境，导致实验材料发生高温氧化甚至释放有毒气体的不足，本发明提供了一种带有气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统。本发明的实验系统不仅能够方便地进行保护气氛下的特殊材料的高温动态实验，也能用于常规空气中的高温动态实验。

本发明的带有气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统，包括加载系统、加热系统，其特点是，还包括一套气氛保护装置，所述的气氛保护装置含有保护箱、废气排放管道和废气过滤装置，保护箱通过废气排放管道与废气过滤装置相连，保护箱底部设置有保护气体进气口、顶部设置有废气排放口、中部设置有冷却气体进气口，加载系统中的波导杆通过保护箱两侧的孔伸入保护箱内，保护箱与波导杆之间装有密封套件；加热系统的加热炉设置在保护箱内，加热炉内设置有铠装热电偶、热电偶丝，铠装热电偶通过加热炉端部炉壁的孔洞置于炉膛内，热电偶丝的头部与居于炉膛中心的试件固定连接。

本发明采用加热时保持波导杆与试件分离，加热仅对试件进行，在冲击前完成试件和波导杆的装配的实验方式时，加载系统包括入射杆、透射杆、分别设置在入射杆和透射杆上的两个推动支座及气路，总阀门通过空气炮击发气路和推动气路可同时控制空气炮击发和推动支座运动。

本发明采用试件与波导杆同时加热的实验方式时，加载系统包括入射杆、透射杆、普通支座。

本发明将整个加热炉、试件及部分波导杆置于保护箱中，保护箱由金属板焊接组成矩形结构，保护箱顶盖为可拆卸的盖板，以方便实验操作。保护箱顶盖和保护箱体的连接可采用螺栓连接，也可采用合页扣等其他连接方式，保护箱顶盖和保护箱体之间用耐高温橡胶垫隔开，可以有效地起到密封的作用。加热炉与保护箱底板焊接成一体，保护箱体与保护箱底板同样采用螺栓连接，通过耐高温橡胶垫密封。

本发明在保护箱的底部设置一个进气口，顶部设置一个废气排放口，采用的保护气体密度应大于空气密度。保护气体密度小于空气密度时，则以保护箱的顶部为输入口，保护箱底部为废气排放口。废气排放口与管道相连，将废气导引到安全区域，进入过滤装置进行过滤和吸收。保护箱内的保护气体减少了试件在高温时与氧气发生反应的可能性，同时即使有少量残留的氧气与试件接触，反应产生有毒气体，也可从废气排放口排出。

本发明在保护箱体中部设置另一保护气体输入口，当实验完毕后，向加热炉膛内吹入保护气体，加快炉膛的冷却速度，加快实验进程。

在加热炉内设置两套测温热电偶，其中一套为热电偶丝，采用点焊的方式焊接在试件周边，用于测定试件的瞬时温度，并作为加温系统控制柜的输入温度，以准确控制加热过程和试件温度。另一套为铠装热电偶，置于炉膛中，一方面与热电偶丝进行对比监测，另一方面，当实验完成、热电偶丝与试件的焊接断裂后，继续对炉膛降温过程进行监测。

本发明采用试件单独加热的实验方式时，由于实验过程中波导杆首先处于加热区域以外，加热到指定温度后波导杆在组装系统的推动下要向试件移动，完成与试件的对接，要求波导杆可以自由地左右移动，因此波导杆与保护箱的连接既要保证气体的密封，又不能有大的摩擦力阻碍波导杆的自由移动。本发明采用软连接的方式，采用耐高温软材料如橡胶等制作软套管，一端固定连接于保护箱壁板通孔处的法兰上，另一端固定连接于波导杆上。软套管与法兰和波导杆的连接采用绑丝或胶带捆扎。

本发明采用试件与波导杆同时加热的实验方式时，波导杆无需移动，波导杆与保护箱的连接部位可采用密封圈密封，取消软套管。

对其他可能漏气的部分，如电源引线孔、热电偶插孔、螺栓孔等，采用耐高温密封胶封堵。

本发明的实验系统不仅能够方便地进行常规空气中的高温动态实验，还能提供保护气氛，满足特殊材料对实验环境气氛的要求，降低和避免试件的氧化以及释放有毒气体，使实验结果更符合真实情况，减少对实验人员和环境的伤害。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为本发明的带气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统的实施例1总体结构示意图。

图2为本发明的带气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统的实施例2总体结构示意图。

图3为带气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统的实施例1中的波导杆与保护箱体的连接结构示意图。

图4为带气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统的实施例2中的波导杆与保护箱体的连接结构示意图。

图中：1.入射杆     2.透射杆     3.推动支座Ⅰ     4.普通支座Ⅰ     5.普通支座Ⅱ     6.普通支座Ⅲ     7.普通支座Ⅳ     8.试件     9.加热炉     10.总阀门     11.空气炮击发气路     12.推动气路     13.进气口     14.废气排放口     15.废气排放管道     16.过滤装置     17.保护箱体     18.保护箱顶盖     19.保护箱底板    20.冷却气体进气口    21.铠装热电偶     22.热电偶丝     23.推动支座Ⅱ     24.加热炉电源线     31.法兰     32.密封软套管     33.绑丝Ⅰ     34. 绑丝Ⅱ     41.密封圈     50.加热系统控制柜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例的实验方式采用加热时保持波导杆与试件分离，加热仅对试件进行，在冲击前完成试件和波导杆的装配的方式，配置了双向双气路自动组装装置。

图1为本发明的带气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统的实施例1总体结构示意图，图3为带气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统的实施例1中的波导杆与保护箱体的连接结构示意图。从图1、图3中可看出，本发明的带有气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统的整体结构，整个系统包括气氛保护装置、加热系统和加载系统。气氛保护装置含有保护箱、废气排放管道15和废气过滤装置16，保护箱含有保护箱体17、保护箱顶盖18和保护箱底板19，保护箱和废气过滤装置16通过废气排放管道15相连，保护箱底部设有保护气体进气口13、顶部设有废气排放口14、中部设有冷却气体进气口20、保护箱和波导杆之间装有密封套件。加热系统包括加热炉9、监测炉膛温度的铠装热电偶21、测量试件温度的热电偶丝22，加热炉电源24。加热炉电源24与加热系统控制柜50的输出端相连，铠装热电偶21通过加热炉端部炉壁的孔洞置于炉膛内，热电偶丝22的头部点焊于试件8上。加载系统包括入射杆1、透射杆2、分别设置在入射杆1和透射杆2上的推动支座Ⅰ3、推动支座Ⅱ23、总阀门10、空气炮击发气路11及推动气路12，总阀门通过空气炮击发气路11和推动气路12可同时控制空气炮击发和推动支座运动。

本实施例将整个加热炉9、试件8及波导杆的杆端部分置于保护箱中，保护箱顶盖18可拆卸。保护箱顶盖18和保护箱体17采用螺栓连接，并通过耐高温橡胶垫隔开。加热炉9与保护箱底板19焊接成一体，保护箱体17与保护箱底板19同样采用螺栓连接，并通过耐高温橡胶垫密封。

本实施例在保护箱体17的底部设置一个进气口13，保护箱顶盖18设置一个废气排放口14，废气排放口14与管道15相连，将废气导引到安全区域，进入过滤装置16进行过滤和吸收。采用的保护气体密度应大于空气密度。

图1中，在保护箱体中部设置另一冷却气体进气口，当实验完毕后，向加热炉9膛内吹入保护气体，加快炉膛的冷却速度。

在加热炉9内设置两套测温热电偶，其中一套为热电偶丝22，热电偶丝22的头部与居于炉膛中心的试件8采用点焊连接，热电偶丝22的另一端与加热系统控制柜50连接，将测定的试件瞬时温度输入加热系统控制柜50。另一套为铠装热电偶21，其测试端置于炉膛中，对炉膛温度进行监测，另一端与加热系统控制柜50连接。

本实施例采用加热时保持波导杆与试件8分离，加热仅对试件8进行，在冲击前完成试件和波导杆的装配的实验方式，要求波导杆可以自由地左右移动，因此波导杆与保护箱体17的连接既要保证气体的密封，又不能有大的摩擦力阻碍波导杆的自由移动。图3中，本发明采用耐高温橡胶制作的密封软套管32进行软连接，密封软套管32的一端固定于保护箱壁板通孔处的法兰31上，另一端固定于入射杆1上。密封软套管32与法兰31的连接采用绑丝Ⅱ34捆扎，密封软套管32与入射杆1的连接采用绑丝Ⅰ33捆扎，其中绑丝Ⅱ 34和绑丝Ⅰ33可用胶带代替。透射杆2与保护箱体17之间的密封连接同样采用软连接方式。

本实施例的带气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统的工作流程是：预先根据加热炉9的尺寸及推动支座的汽缸行程确定波导杆置于加热区域之外时波导杆的准确位置并做好标记，然后安装试件8、热电偶丝22等，根据预先的标记将波导杆置于相应的位置，对波导杆与保护箱体17采用软连接方式密封连接，盖上保护箱顶盖18并密封。对保护箱进行充气，检验密封情况，如有泄露则重新检查完善，确保密封。关闭冷却气体进气口20，打开保护气体进气口13，对保护箱充入保护气体，观察废气排气管道15及过滤装置16，确保空气排尽。给加热炉9通电，对试件8进行加热。当温度达到预设值时，保温足够时间。打开总阀门10，完成波导杆的自动组装，同时击发气炮，对试件8进行加载，完成实验。继续对保护箱进行充气，并将波导杆拉出加热区域。打开冷却气体进气口20，加快炉膛温度下降，待监测温度足够低时打开保护箱顶盖18，取出试件8，准备下一次实验。

实施例2

本实施例的实验方式采用试件与波导杆同时加热的实验方式，波导杆无需移动。

图2为本发明的带气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统的实施例2中总体结构示意图，图4为带气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统的实施例2的波导杆与保护箱体的连接结构示意图。从图2、图4中可以看出，本发明的带有气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统的整体结构，整个系统包括气氛保护装置、加热系统和加载系统。气氛保护装置含有保护箱、废气排放管道15和废气过滤装置16，保护箱含有保护箱体17、保护箱顶盖18和保护箱底板19，保护箱和废气过滤装置16通过废气排放管道15相连，保护箱底部设有保护气体进气口13、顶部设有废气排放口14、中部设有冷却气体进气口20、保护箱和波导杆之间装有密封套件。加热系统包括加热炉9、监测炉膛温度的铠装热电偶21、测量试件温度的热电偶丝22，加热炉电源24。加热炉电源24与加热系统控制柜50的输出端相连，铠装热电偶21通过加热炉端部炉壁的孔洞置于炉膛内，热电偶丝22的头部点焊于试件8上。加载系统包括入射杆1、透射杆2，还包括设置在入射杆1的普通支座Ⅰ4 和普通支座Ⅱ5，设置在透射杆2上普通支座Ⅲ6 和普通支座Ⅳ7。

采用波导杆与试件8同时加热的方式，波导杆不必左右移动。图4中，入射杆1与保护箱体17之间采用密封圈41密封连接，透射杆2与保护箱体17之间同样采用密封圈密封连接。

本实施例的带气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统的工作流程是：根据加热炉9的尺寸及位置安装试件8、热电偶丝22等，盖上保护箱顶盖18并密封。对保护箱进行充气，检验密封情况，如有泄露则重新检查完善，确保密封。关闭冷却气体进气口20，打开保护气体的进气口13，对保护箱充入保护气体，观察废气排气管道15及过滤装置16，确保空气排尽。给加热炉9通电，对试件8进行加热。当温度达到预设值时，保温足够时间。打开总阀门10，击发气炮，对试件8进行加载，完成实验。继续对保护箱进行充气，并将波导杆拉出加热区域。打开冷却气体进气口20，加快炉膛温度下降，待监测温度足够低时打开顶盖，取出试件8，准备下一次实验。

所述的保护气体采用氩气。

Claims (4)

1.一种带有气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统，包括加载系统、加热系统，其特征在于：还包括一套气氛保护装置，所述的气氛保护装置含有保护箱、废气排放管道（15）和废气过滤装置（16），保护箱通过废气排放管道（15）与废气过滤装置（16）相连，保护箱底部设置有保护气体进气口（13）、顶部设置有废气排放口（14）、中部设置有冷却气体进气口（20），加载系统中的波导杆通过保护箱两侧的孔伸入保护箱内，保护箱与波导杆之间装有密封套件；加热系统中的加热炉（9）设置在保护箱内，加热炉（9）内设置有铠装热电偶（21）、热电偶丝（22），铠装热电偶（21）通过加热炉（9）端部炉壁的孔洞置于炉膛内，热电偶丝（22）的头部与居于炉膛中心的试件（8）固定连接。

2.根据权利要求1所述的带气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统，其特征在于：所述的保护箱和波导杆之间的密封套件为密封软套管。

3.根据权利要求1所述的带气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统，其特征在于：所述的保护箱和波导杆之间的密封套件为密封圈。

4.根据权利要求1所述的带气氛保护装置的高温霍普金森压杆实验系统，其特征在于：所述的保护气体为氩气。

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