CN102156143A - 一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置，由横向旋转轴柄、横向轴、纵向平台旋转轴柄、旋转石墨夹具轴柄、装夹台、石墨夹具、被测试件、纵向平台、喷枪、喷枪支架、限流阀、调节阀、流量计、压力表、减压阀、乙炔瓶、氧气瓶、轴向旋转轴、操作台支架、轴向旋转轴柄、轴向进动杆、操作台和平台组成，本发明通过控制三维移动平台的工作距离及氧乙炔进气流量，可调节试验状态参数，该方法操作简单，效率高，成本低。

Description

一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置

(一)技术领域

本发明涉及的是一种地面模拟试验装置，具体地说是一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置。

(二)背景技术

防/隔热材料的表征和评价需要一系列的地面模拟和检测分析方法，主要的地面模拟设备有氧乙炔烧蚀、等离子火炬、风洞、电弧加热器以及火箭发动机燃气流实验装置等。

风洞有许多类，例如常规高超速风洞，其特点是工作时间长，可达几分钟，但其温度较低，只能做低温材料的烧蚀实验。激波风洞是脉冲式的，实验时间短，为毫秒级。电弧加热器是利用大电流在电极间形成电弧，使高压气体电离，形成高速等离子射流，可以提供高压、高温气动热环境。火箭发动机燃气流实验装置的优点是可以进行大尺寸模型实验，但焓值较低，与真实飞行条件差别较大。等离子火炬是利用高压震荡激发气体形成电弧，经机械压缩和电磁收缩效应压缩后形成稳定等离子电弧，可提供高压、高温气动环境，最高温度达7000℃，比真实飞行条件恶劣。氧乙炔烧蚀是利用氧气、乙炔燃烧产生低压高温火焰，火焰温度、热流密度可调节范围宽，可用于考核防热材料烧蚀性能、热冲击性能以及隔热材料隔热性能。目前，氧乙炔已用于防热材料烧蚀性能标准化考核手段之一。

因此以氧乙炔烧蚀装置核心，辅以多向可调式装配平台和多种在线检测和监控设备，建立一个廉价、适用结构广、模拟范围宽的防/隔热材料地面模拟试验系统，对防热材料进行表征和评价，已被普遍接受。

(三)发明内容

本发明的目的是针对不同结构防/隔热材料，提供一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置。

本发明的目的是这样实现的：由横向旋转轴柄1、横向轴2、纵向平台旋转轴柄3、旋转石墨夹具轴柄4、装夹台5、石墨夹具6、被测试件7、纵向平台8、喷枪9、喷枪支架10、限流阀11、调节阀12、流量计13、压力表14、减压阀15、乙炔瓶16、氧气瓶17、轴向旋转轴18、操作台支架19、轴向旋转轴柄20、轴向进动杆21、操作台22和平台23组成；操作台22固定在操作台支架19的上方，平台23和喷枪支架10固定在操作台22上，横向轴2连接平台23，横向旋转轴柄1连接横向轴2，轴向旋转轴柄20连接轴向旋转轴18，轴向旋转轴18连接轴向进动杆21，轴向进动杆21连接平台23，纵向平台8与平台23连接，纵向平台旋转轴柄3连接纵向平台8，装夹台5在纵向平台8上方，旋转石墨夹具轴柄4与装夹台5连接，石墨夹具6夹在装夹台5中，被测试件7夹在石墨夹具6中，喷枪支架10支撑喷枪9，喷枪9连接限流阀11，限流阀11通过管道连接调节阀12，调节阀12通过管道连接流量计13，流量计13通过管道连接压力表14，压力表14通过管道连接减压阀15，减压阀15通过管道连接氧气瓶17和乙炔瓶16。

本发明还具有以下结构特征：由平台23、纵向平台8和装夹台5互成90°分布组成三向可调式烧蚀平台。纵向平台8通过齿轮和螺杆等传动装置固定于支架上，可绕轴向转动。装夹台5固定于纵向平台8上，随着纵向平台8和平台23可沿轴向、横向和纵向移动；试样固定于装夹台5上，可绕纵向转动。喷枪9固定于喷枪支架10上，通过管道与限流阀11、调节阀12、流量计13、压力表14和减压阀15连接到氧气瓶17和乙炔瓶16上。

本发明通过控制三维移动平台的工作距离及氧乙炔进气流量，可调节试验状态参数，该方法操作简单，效率高，成本低。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置，由横向旋转轴柄1、横向轴2、纵向平台旋转轴柄3、旋转石墨夹具轴柄4、装夹台5、石墨夹具6、被测试件7、纵向平台8、喷枪9、喷枪支架10、限流阀11、调节阀12、流量计13、压力表14、减压阀15、乙炔瓶16、氧气瓶17、轴向旋转轴18、操作台支架19、轴向旋转轴柄20、轴向进动杆21、操作台22和平台23组成；操作台22固定在操作台支架19的上方，平台23和喷枪支架10固定在操作台22上，横向轴2连接平台23，横向旋转轴柄1连接横向轴2，轴向旋转轴柄20连接轴向旋转轴18，轴向旋转轴18连接轴向进动杆21，轴向进动杆21连接平台23，纵向平台8与平台23连接，纵向平台旋转轴柄3连接纵向平台8，装夹台5在纵向平台8上方，旋转石墨夹具轴柄4与装夹台5连接，石墨夹具6夹在装夹台5中，被测试件7夹在石墨夹具6中，喷枪支架10支撑喷枪9，喷枪9连接限流阀11，限流阀11通过管道连接调节阀12，调节阀12通过管道连接流量计13，流量计13通过管道连接压力表14，压力表14通过管道连接减压阀15，减压阀15通过管道连接氧气瓶17和乙炔瓶16。

由平台23、纵向平台8和装夹台5互成90°分布组成三向可调式烧蚀平台。纵向平台8通过齿轮和螺杆等传动装置固定于支架上，可绕轴向转动。装夹台5固定于纵向平台8上，随着纵向平台8和平台23可沿轴向、横向和纵向移动；试样固定于装夹台5上，可绕纵向转动。喷枪9固定于喷枪支架10上，通过管道与限流阀11、调节阀12、流量计13、压力表14和减压阀15连接到氧气瓶17和乙炔瓶16上。

使用时，被测试样固定于石墨夹具中，用隔热毡密封；根据被测试样的结构形状和试验状态需求，可设计不同的石墨夹具。

本发明可依据《GJB323-A1996》标准，分别针对原理性试验试件和小尺度结构试件(缩比件)，通过测量计算质量烧蚀率和线烧蚀率，评价防热材料烧蚀性能；通过可调整试验参数进行热冲击性能评价；针对窗口、大面积隔热材料，通过选配在线温度测量子系统可进行隔热性能评价。

$R_m=\frac{\mathrm{\Δm}}{t}=\frac{m_1-m_2}{t}---\left(1\right)$

R_m是试样质量烧蚀率，g/s；m₁是试样原始质量，g；m₂是试样烧蚀后质量，g；t是烧蚀时间，s。

$R_d=\frac{\mathrm{\Δd}}{t}=\frac{d_1-d_2}{t}---\left(2\right)$

R_d是试样线烧蚀率，g/s；d₁是试样原始厚度，mm；d₂是试样烧蚀后厚度，mm。

本发明具有以下几个主要技术特点：

1、通过塞式量热计和高温计标定本发明装置试验范围：热流密度0.1～4.18MW/m²，火焰温度850～3200℃；

2、通过控制三维移动平台的工作距离及氧乙炔进气流量，可调节试验状态参数，该方法操作简单，效率高，成本低；

3、定位平台的五自由度调节装置，可基本再现防/隔热材料服役特征，实现不同小尺度结构件防/隔热材料的烧蚀性能、热冲击性能及隔热性能的地面模拟试验。

试验测试表明，本发明可以提供温度不超过3200℃的稳定的氧乙炔火焰射流，流场稳定，能够满足防/隔热材料地面模拟试验的要求。

三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置的组成包括被测试件，试件固定于装用石墨夹具中，夹具可在装夹台内沿纵向呈360℃旋转，通过旋转石墨夹具轴柄调整装夹台纵向距离以固定石墨夹具角度，纵向平台旋转轴柄控制纵向平台，以调整装夹台纵向距离，横向旋转轴柄驱动横向轴控制平台，以调节试样的横向距离，轴向旋转轴柄控制平台沿轴向方向移动，调节试样的轴向距离；氧气由氧气瓶，乙炔由乙炔瓶经减压阀，压力表，流量计，调节阀，限流阀到喷枪，喷枪固定于喷枪支架上，通过控制调节阀和压力阀调节氧气乙炔的进气量，此外平台可沿轴向呈360℃旋转，以调节火焰与试样角度

本发明的工作流程是：首先根据防/隔热材料试件结构形状及试验要求，涉及相应石墨夹具，试件装备到石墨夹具中并用隔热毡密封；将石墨夹具固定于装夹台上，根据调整水平烧蚀角度后固定，调整三维定位平台，调节石墨夹具与喷嘴之间的距离以及轴向烧蚀角度，以满足试验要求。开启减压阀，点火后调整调节阀和流量计以调整状态参数，稳定后将氧乙炔枪固定于支架上，火焰经喷嘴射出，对试样进行烧蚀，试验结束后，关闭减压阀并测量试样相关参数。

下面通过具体实施例进一步阐明本发明的实质性特点：

实施例1.

采用ZrB₂-20SiC-10BN陶瓷基复合材料制作的试验试样，尺寸为Φ20×20mm³，采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于锥形石墨夹具中，然后固定于装夹台上，水平烧蚀角度为0°，垂直烧蚀角度为90°；调整三维定位平台，喷嘴至试样横向距离为10mm，喷嘴中心与试样中心重合。控制调节阀和减压阀，氧气流量为1.01L/s，压力0.43kPa；乙炔流量流量为0.39L/s，压力0.1kPa；试样表面温度1800±30℃，烧蚀60s后试样质量烧蚀率为-0.0008g/s。

实施例2.

采用ZrB₂-20SiC-10BN陶瓷基复合材料制作的试验试样，尺寸为Φ20×20mm³，采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于锥形石墨夹具中，然后固定于装夹台上，水平烧蚀角度为0°，垂直烧蚀角度为90°；调整三维定位平台，喷嘴至试样横向距离为10mm，喷嘴中心与试样中心重合。控制调节阀和减压阀，氧气流量为1.01L/s，压力0.43kPa；乙炔流量流量为0.39L/s，压力0.1kPa；试样表面温度2000±30℃，烧蚀180s后试样质量烧蚀率为0.0034g/s。

实施例3.

采用ZrB₂-20SiC_W陶瓷基复合材料制作的试验试样，尺寸为Φ20×20mm³，采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于锥形石墨夹具中，然后固定于装夹台上，水平烧蚀角度为0°，垂直烧蚀角度为90°；调整三维定位平台，喷嘴至试样横向距离为10mm，喷嘴中心与试样中心重合。控制调节阀和减压阀，氧气流量为1.0L/s，压力0.4kPa；乙炔流量流量为0.4L/s，压力0.1kPa；试样表面温度2100±30℃，烧蚀300s后试样质量烧蚀率为0.0026g/s。

实施例4.

采用ZrB₂-20SiC_W陶瓷基复合材料制作的试验试样，尺寸为Φ20×20mm³，采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于锥形石墨夹具中，然后固定于装夹台上，水平烧蚀角度为0°，垂直烧蚀角度为90°；调整三维定位平台，喷嘴至试样横向距离为10mm，喷嘴中心与试样中心重合。控制调节阀和减压阀，氧气流量为1.0L/s，压力0.4kPa；乙炔流量流量为0.4L/s，压力0.1kPa；试样表面温度2300±30℃，烧蚀300s后试样质量烧蚀率为0.0039g/s。

实施例5.

采用ZnS红外窗口透波材料制作的试验试样，尺寸为Φ30×20mm³，采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于筒形石墨夹具中，然后固定于装夹台上，水平烧蚀角度为0°，垂直烧蚀角度为90°；调整三维定位平台，喷嘴至试样横向距离为30mm，喷嘴中心与试样中心重合。控制调节阀和减压阀，氧气流量为0.097L/s，压力0.4kPa；乙炔流量为0.083L/s，压力0.1kPa；试样表面最高温度645℃，热冲击10s后试样出现宏观贯穿裂纹。

实施例6.

采用蓝宝石单晶红外透波材料制作的试验试样，尺寸为Φ30×5mm³，采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到光洁度低于1μm一下。将打磨后试样装夹于筒形石墨夹具中，然后固定于装夹台上，水平烧蚀角度为0°，垂直烧蚀角度为90°；调整三维定位平台，喷嘴至试样横向距离为30mm，喷嘴中心与试样中心重合。控制调节阀和减压阀，氧气流量为0.045L/s，压力0.4kPa；乙炔流量为0.04L/s，压力0.1kPa；试样表面最高温度631℃，热冲击5s后试样破裂。

实施例7.

采用石英纤维隔热材料制作的试验试样，尺寸为10×10×10mm³，采用金刚石研磨膏将试样表面打磨到水平。将打磨后试样装夹于平板形石墨夹具中，然后固定于装夹台上，水平烧蚀角度为0°，垂直烧蚀角度为90°；调整三维定位平台，喷嘴至试样横向距离为25mm，喷嘴中心与试样中心重合。控制调节阀和减压阀，氧气流量为0.087L/s，压力0.4kPa；乙炔流量为0.073L/s，压力0.1kPa；试样表面最高温度615℃，烧蚀65s后背壁最高温度达85℃。

Claims (5)

1.一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置，由横向旋转轴柄(1)、横向轴(2)、纵向平台旋转轴柄(3)、旋转石墨夹具轴柄(4)、装夹台(5)、石墨夹具(6)、被测试件(7)、纵向平台(8)、喷枪(9)、喷枪支架(10)、限流阀(11)、调节阀(12)、流量计(13)、压力表(14)、减压阀(15)、乙炔瓶(16)、氧气瓶(17)、轴向旋转轴(18)、操作台支架(19)、轴向旋转轴柄(20)、轴向进动杆(21)、操作台(22)和平台(23)组成，其特征在于：操作台(22)固定在操作台支架(19)的上方，平台(23)和喷枪支架(10)固定在操作台(22)上，横向轴(2)连接平台(23)，横向旋转轴柄(1)连接横向轴(2)，轴向旋转轴柄(20)连接轴向旋转轴(18)，轴向旋转轴(18)连接轴向进动杆(21)，轴向进动杆(21)连接平台(23)，纵向平台(8)与平台(23)连接，纵向平台旋转轴柄(3)连接纵向平台(8)，装夹台(5)在纵向平台(8)上方，旋转石墨夹具轴柄(4)与装夹台(5)连接，石墨夹具(6)夹在装夹台(5)中，被测试件(7)夹在石墨夹具(6)中，喷枪支架(10)支撑喷枪(9)，喷枪(9)连接限流阀(11)，限流阀(11)通过管道连接调节阀(12)，调节阀(12)通过管道连接流量计(13)，流量计(13)通过管道连接压力表(14)，压力表(14)通过管道连接减压阀(15)，减压阀(15)通过管道连接氧气瓶(17)和乙炔瓶(16)。

2.根据权利要求1所述的一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置，其特征在于：由平台(23)、纵向平台(8)和装夹台(5)互成90°分布组成三向可调式烧蚀平台。

3.根据权利要求1所述的一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置，其特征在于：纵向平台(8)通过齿轮和螺杆等传动装置固定于支架上，可绕轴向转动。

4.根据权利要求1所述的一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置，其特征在于：装夹台(5)固定于纵向平台(8)上，随着纵向平台(8)和平台(23)可沿轴向、横向和纵向移动；试样固定于装夹台(5)上，可绕纵向转动。

5.根据权利要求1所述的一种三维可调式防/隔热材料地面模拟试验装置，其特征在于：喷枪(9)固定于喷枪支架(10)上，通过管道与限流阀(11)、调节阀(12)、流量计(13)、压力表(14)和减压阀(15)连接到氧气瓶(17)和乙炔瓶(16)上。

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