CN102288497A - 用于霍普金森压杆试验的加热装置 - Google Patents

Abstract

一种用于霍普金森压杆试验的加热装置。包括移动支撑平台、管式加热炉和电气控制箱。管式加热炉安放在移动支撑平台的滑板上。在滑板的上表面有两组滑轨和多个固定滑珠。两个刚玉管对称的套在耐热钢管的两端。环两个刚玉管与耐热钢管接合部的外表面分别砌有耐热砖。在耐热砖上有安装硅碳棒的通孔。保温衬套在炉膛和耐热砖的外表面。在保温衬内腔与耐热砖上通孔相对应的位置均有硅碳棒的安装孔。硅酸铝纤维毯包裹在保温衬外表面。炉壳体包裹在硅酸铝纤维毯和保温衬的外表面。底座固定在炉壳体上。两个保温盖分别从两端炉膛装入炉膛内；端盖栓固定在炉壳体的两端。本发明中，管式加热炉能够在平台的上下、左右及前后三个方向移动，并具有保温性能好、维修方便的特点。

Description

用于霍普金森压杆试验的加热装置

技术领域

本发明属于材料动力试验及动态信号测实技术领域，具体涉及一种用于材料温度为常温～1200℃的霍普金森压杆试验的加热装置。

背景技术

一般说来，利用霍普金森压杆试验技术对材料进行不同温度下动态力学性能的测实，必须提前加热试件，试验过程中试件位于入射杆和透射杆之间，紧密接触，试件轴线要与压杆的轴线对齐，并保持恒定温度，所以必须要应用加热装置对试件进行加热，并应用保温定位装置对试件进行保温和试验定位，目前的高温霍普金森压杆试验方法有两种，对加热装置和保温定位装置的要求也有所不同。

一种是对试件和压杆同时加热的试验方法，这种方法要求加热装置能同时对试件和小部分压杆进行加热，加热装置要有保温和试件定位功能，容许压杆存在温度梯度，已用到的加热装置有简易恒温加热装置(由热电偶探头、电源、继电器、简易加热炉组成)和简易电炉升温装置。利用这种方法进行的高温动力试验，在数据处理时，要通过压杆中温度梯度对应力波传播的影响来对实测信号进行修正，需要测实压杆中的温度分布，试件温度范围以及应变率范围较小，因为部分压杆也被加热，其弹性和屈服强度一般随温度上升而下降，为了保持压杆的弹性状态，压杆的加热温度以及子弹的撞击速度均应有较大的限制，并且压杆在试验过程中加温、短时保温以及降温的反复过程会改变压杆的微观结构，进而影响压杆的力学性能。因此，这种试验方法中如何保护压杆、如何获得压杆中准确的温度分布、如何对实测信号进行修正以及如何设计相应的压杆尺寸均是值得深入研究的问题，试验的安全性和有效性较差，数据处理较为困难。

另一种是只对试件进行加热的试验方法，这种方法要求加热装置只对试件进行加热，可以同时利用加热装置进行保温和试件定位，要求加热装置移动方便、对试件的定位准确；也可以先用加热装置进行加热，再单独使用保温定位装置进行保温和试件定位，要求保温定位装置移动方便、对试件的定位准确。已用到的加热装置有环状简易加热炉和微波加热炉，环状简易加热炉利用电热丝进行加热，用隔热瓦片和石棉进行保温，最高加热温度为1200℃，微波加热炉采用微波加热原理，可实现对热惰性材料的快速加热；已有的保温装置多为简易保温装置，利用金属或厚纸片做成盒状，两端开孔，内部垫石棉和硅酸铝纤维毯进行保温，或者利用石棉包裹试件，用厚纸片进行支撑和包裹进行保温。这种方法的优点是对压杆上应变片所记录信号进行处理时，只需按照普通的试验数据处理方法进行处理。该方法又可以分成两类。一类是先只对试件加热，然后才将试件安装在系统中进行试验，这类办法的缺点是(1)只适用于霍普金森压杆试验系统；(2)由于既要保证试件温度不发生较大的变化，又要保证试验过程中试件的热量几乎不传递给压杆，这就要求试件加热至预定温度后到试验完成的这段时间必须非常短，这给试验系统的设计带来了较大的困难，该类方法可以忽略对压杆的加热，但是如何保证试件在快速加热后其温度分布均匀性将是一个需要解决的问题。只对试件进行加热的另一类试验技术是在试件两端各增加一保护块，保护块材料的弹性常数对温度不敏感，在加热过程中，只有试件以及试件与保护块的界面部分被加热，而压杆则处于室温状态，使用保护块技术进行材料动态高温力学性能测实的关键因素是保护块的选取，要求保护块材料对温度不敏感，保护块的使用不给压杆上应变片测实信号带来额外影响。

综合对比以上两种方法对加热装置的要求以及两种方法的优缺点，一般认为，利用加热装置只对试件加热的方法较易实施，试验可靠性相对较高，同时这种方法也是目前材料高温动力试验研究中采用比较多的一种方法，但已有的只对试件进行加热的加热装置和保温定位装置都较为简易，简易的加热装置存在位置调节不方便、试件定位不准确的缺点，会给试验带来较大误差，简易保温定位装置只能临时使用，会造成试件温度损失和温度不均匀，也会给试验结果带来较大误差。应用只对试件加热的方法进行试验的关键在于试件加热装置和保温定位装置的合理设计及准确使用，要求试件加热至预定温度后到试验完成的这段时间必须足够短，确保试件和压杆之间的热传导所导致的试件的温度分布不均匀性对试验结果产生的影响足够小，可以忽略不计。

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”(申请号200610021096.5和200620034468.3)的专利公开了一种用于高温霍普金森压杆试验的双向双气路自动组装装置，该装置称能够保证装置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，缩短了试件加热至预定温度后到试验完成时间，能够保证装置组装的稳定性，提高组装成功率，减小杆与试件的冷接触时间，减轻试件中的温度不均匀，减少试件的整体温度下降。但是该专利公开的双向双气路自动组装装置具有以下缺点：一是装置较为复杂，需要增设气源和气路以及附属设备，在常温霍普金森压杆装置上进行改造成本高；二是试验成功的关键是通过调节控制气压来确保实样组装和应力波到达实样的同步性，在正式试验前需对气炮气压和推动气压进行对照试验，绘制对照表，如何精确监测实样组装和应力波到达实样的同步性是个问题，绘制对照表的过程比较麻烦，即使绘制好了，相同气压在不同时间产生的激发速度也不一样，还是会存在误差，简言之，精确的同步性很难保证，此时有两种情况，一种是实样先组装，应力波后到达，存在先组装会产生预加载的问题，第二种是实样未组装好，应力波到达，试验失败。试验成功的关键在于组装的精确同步性，不精确的同步性会导致预加载的问题，甚至试验失败，然而事实上，精确的同步性是很难保证的，试验成功率低。该专利也提到了一种简易加热炉，用于进行高温试验时对试件进行加热，但并未说明其组成、构造以及工作原理，而实际上，简易的加热炉是不足以进行试验的，加热炉必须根据试验要求合理设计，并辅以合适的支撑平台进行位置调节，才能准确有效地进行高温冲击试验，现有技术简单利用其他物体支撑简易加热炉进行试验，不够精准，会对试验结果造成误差，不能满足试验要求。加热炉和支撑平台的合理设计以及准确使用对于高温冲击试验是非常重要的。

名称为“低温霍普金森压杆试验可控恒温试验装置”(申请号200920181057.0)的专利公开了一种用于低温霍普金森压杆试验的可控恒温试验装置，该装置包括输入和输出杆以及具有隔热保湿层的箱体，箱体底部安装有底架，可通过底架底部的调平螺栓和转向轮调节箱体到合适的位置，但该装置适用于低温条件，不能用来进行高温霍普金森压杆试验。

名称为“混凝土高温动态压缩力学性能实验”(陶俊林，爆炸与冲击，2011，Vol.31，第1期)的文章公开了一种用于高温冲击试验的微波加热炉和简易保温定位装置，简易保温定位装置用厚纸片和石棉做成，先利用微波加热炉对试件进行加热，然后将试件放入简易保温装置保温和试验，会造成温度损失，引起试件温度不均，给试验结果带来较大误差。

发明内容

为了克服已有技术中进行高温霍普金森压杆冲击试验时装置改造复杂，成本较高，试验成功率低，简易加热装置调节不便、试件定位不准确，简易保温定位装置误差大的不足，本发明提出了一种用于霍普金森压杆试验的加热装置。

本发明包括移动支撑平台和管式加热炉。所述的移动支撑平台由滑板和支架组成，所述的管式加热炉包括端盖、刚玉管、保温盖、保温衬、硅酸铝纤维毯、炉壳体、硅碳棒、垫片、耐热钢管、耐热砖和底座。管式加热炉安放在移动支撑平台的滑板上。

在滑板的上表面有两组滑轨和多个固定滑珠；多个固定滑珠呈“Γ”形排布在滑板的上表面。两组滑轨中的一对短滑轨相互垂直的固定在牛眼轴承排布的“Γ”形缺角的两个短边旁。一对长滑轨相互垂直的固定在牛眼轴承排布的“Γ”形的两个长边旁。

两个刚玉管对称的套在耐热钢管的两端。环两个刚玉管与耐热钢管接合部的外表面分别砌有耐热砖。在耐热砖上有安装硅碳棒的通孔。保温衬套在炉膛和耐热砖的外表面。在保温衬内腔与耐热砖上通孔相对应的位置均有硅碳棒的安装孔。硅酸铝纤维毯包裹在保温衬外表面。炉壳体包裹在硅酸铝纤维毯和保温衬的外表面。底座固定在炉壳体上。两个保温盖分别从两端炉膛装入炉膛内；端盖栓固定在炉壳体的两端。

刚玉管的长度自端盖内表面至耐热砖内孔表面。刚玉管的内孔为阶梯孔，其中一端孔径与保温盖的外径相同，另一端孔径与耐热钢管的外径相同。耐热钢管为薄壁套筒。耐热钢管的内径与刚玉管的最小内径相同。耐热钢管两端的外径与刚玉管的最大内径相同；耐热钢管中部的外径与刚玉管的外径相同。

保温盖的外径与刚玉管的最小内径相同；保温盖一端有连接法兰。

本发明中，滑板上设有导轨、固定滑珠和螺杆，使管式加热炉能够在平台的上下、左右及前后三个方向移动，调节方便。

管式加热炉的炉膛由刚玉管和耐热钢管组成，保温层采用绝热性能优良的硅酸铝纤维毯，炉体内部为圆形炉膛，加热元件及刚玉管放在其中，其中与工件接触部分采用耐热钢管；端盖由钢板和镶嵌在其上的耐火层组成。上述技术措施使得本发明具有保温性能好，维修方便的特点。

本发明采用只对试件加热的方式进行高温霍普金森压杆试验，由支撑平台和管式加热炉组成的加热装置固定于入射杆和透射杆之间的地面上，支撑平台用于对管式加热炉进行调节和定位，管式加热炉用于对试件进行加热、保温和定位。发明的加热装置用于高温霍普金压杆试验的有益效果是，试验时，成本小，操作调节方便，可同时满足试件的加热、保温和定位需求，能够保证试件温度的稳定性、均匀性，确保试件定位的准确性，提高试验成功率和试验精度。

试验时，先对试件进行加热，使其达到预定温度并保温一定时间，冲击加载前的瞬间，为防止试件降温，对试件继续加热，并将两边的端盖打开，推动动入射杆和透射杆到预定位置，同时激发子弹，完成试验。由于试件始终位于加热装置内，并在加载前瞬间，通过继续加温来抵消温度损失，使冷接触导致的试件中的温度不均匀性很小，试件的温度均匀性得到了保证，同时由于导杆上的局部温升并不影响导杆的弹性性能，其对试验结果的影响可以忽略不计，试验结果的可靠性得到了保证。

本发明中，组成加热装置的支撑平台和管式加热炉协同工作，使得试验的操作调节十分方便，试件定位准确，温度控制精确，试验成功率高，不需要再将试件放入保温定位装置进行保温和试验定位，避免了温度损失和温度不均，减少了试验误差，并且维修方便。本发明能够广泛应用于防护工程、岩土工程、地下工程等领域固体材料的室内高温霍普金森压杆试验中。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1为高温冲击试验测得的原始波形；

图2为高温下混凝土的动态应力应变曲线；

图3为加热装置的结构示意图；

图4为管式加热炉的结构组成示意图；

图5为保温盖的结构示意图。

图6为刚玉管的结构示意图。

图7为耐热钢管的结构示意图。

图8为滑板的结构示意图。

图9为加热装置与压杆组装示意图。附图中：

1.管式加热炉  2.螺栓      3.滑板      4.支架            5.端盖

6.刚玉管      7.保温盖    8.保温衬    9.硅酸铝纤维毯    10.炉壳体

11.加热元件    12.垫片      13.耐热钢管    14.耐热砖      15.试件

16.底座        17.牛眼轴承  18.导轨        19.入射压杆    20.透射压杆

具体实施方式

本实施例是一种用于霍普金森压杆试验的加热装置，包括移动支撑平台、管式加热炉和电气控制箱。移动支撑平台由滑板3和支架4组成，管式加热炉为整体式，包括端盖5、刚玉管6、保温盖7、保温衬8、硅酸铝纤维毯9、炉壳体10、加热元件11、垫片12、耐热钢管13、耐热砖14和底座16，电气控制箱通过两根加热导线和一根测温导线与加热炉连接，加热导线的两端分别连接电气控制箱和加热炉内的加热元件，用于对试件进行加热，测温导线的两端分别连接电气控制箱和放入炉内的热电偶，用于实施监测炉内温度。

如附图3所示，管式加热炉安放在移动支撑平台的滑板3上，通过滑板3上的导轨18、球珠和螺杆，能够在平台的上下、左右及前后三个方向移动，方便取放试件。滑板3位于支架4上表面。支架4为矩形框架，通过不等边角钢被固定于地面。

如图8所示，滑板3为不规则的矩形钢板平台。在滑板3的上表面有滑轨和固定滑珠。固定滑珠的数量根据滑板3的尺寸和固定滑珠的间距确定，本实施例中，固定滑珠有31个，呈“Γ”形排布在滑板3的上表面；相邻固定滑珠17的中心之间的间距为10厘米。所述的固定滑珠是将牛眼轴承用两个十字槽盘头螺钉固定在滑板之上形成的。所述的滑轨有两组，均用角钢制成。两组滑轨包括一对短滑轨和一对长滑轨。一对短滑轨相互垂直的固定在牛眼轴承排布的“Γ”形缺角的两个短边旁；一对长滑轨相互垂直的固定在牛眼轴承排布的“Γ”形的两个长边旁，位于滑板的边缘处。管式加热炉置于固定滑珠17上。管式加热炉的底座通过固定滑珠沿着滑轨左右前后移动，方便取放试件。

如图4所示，管式加热炉为整体式。端盖5由钢板和镶嵌在钢板上的耐火层组成，通过螺栓固定在炉壳体10的两端。刚玉管6有两个，均为薄壁套筒；两个刚玉管6的结构相同。刚玉管6的长度自端盖5内表面至耐热砖14内孔表面。刚玉管6的内孔为阶梯孔，其中一端孔径与保温盖7的外径相同，另一端孔径与耐热钢管13的外径相同。耐热钢管13为薄壁套筒。耐热钢管13的内径与刚玉管6的最小内径相同；耐热钢管13两端的外径与刚玉管6的最大内径相同。耐热钢管13中部的外径与刚玉管6的外径相同。

由两个刚玉管6和耐热钢管13共同组成圆形炉膛，具体是将两个刚玉管6对称的套在耐热钢管13的两端，使耐热钢管13处于所述的炉膛中部与工件接触的位置，通过耐热钢管13防止试验产生的碎片损坏炉膛。环两个刚玉管6与耐热钢管13接合部的外表面分别砌有耐热砖14。在耐热砖14上有安装加热元件11的通孔。

保温衬8套在炉膛和耐热砖14的外表面。在保温衬8内腔与耐热砖14上通孔相对应的位置均有盲孔，加热元件11装入耐热砖14上通孔后，两端均位于保温衬8上的盲孔内。硅酸铝纤维毯9包裹在保温衬8外表面。炉壳体10包裹在硅酸铝纤维毯9和保温衬8的外表面。底座16固定在炉壳体10上。两个保温盖7分别从两端炉膛装入炉膛内。

所述的保温盖7为圆形，由钢板和粘于钢板之上的保温材料组成。保温盖7的外径与构成炉膛的刚玉管6的最小内径相同。保温盖7一端有连接法兰。

加热元件采用耐高温硅碳棒，最高工作温度可达1200℃。加热元件沿圆周均匀布置，采用专用接线夹子和不锈钢箔与控制柜连接，通过耐热钢管加热位于其中的工件。热电偶固定在炉体正上方，通过补偿导线与温控仪表相连接，用于控制炉膛的温度。

电气控制箱采用现有技术，包括箱体、控制箱面板、断路器、温控仪、指示灯、电压电流表、中间继电器、交流接触器和固态继电器模块。电气控制箱通过两根加热导线和一根测温导线与加热炉连接，加热导线的两端分别连接电气控制箱和加热炉内的加热元件，用于对试件进行加热，测温导线的两端分别连接电气控制箱和放入炉内的热电偶，用于实施监测炉内温度。

加热时，盖上保温盖，实现封闭加热。试验时，打开保温盖，方便入射杆和透射杆沿炉膛方向冲击试件。保温衬8由刚玉制成，它和硅酸铝纤维毯9组成保温内衬，硅酸铝纤维毯9在最外层，保温衬8在内层。炉壳体10由型钢及钢板焊接而成，全部采用3mm厚钢板，其中耐高温部分采用不锈钢钢板。加热元件11是加热元件，沿圆周均匀置于带孔砖14的孔洞中，最高工作温度可达1200℃，它通过专用接线夹子和不锈钢箔与控制柜相连接，可通过耐热钢管加热位于其中的试件。垫片12是为定位试件而设置，位于于工件下方，圆弧形，采用耐高温的硅酸铝卷毡材料加工制作，最高可承受1200℃的高温。带孔的耐热砖14位于保温内衬和炉膛之间，能够沿圆周定位加热元件11，使其稳定均匀加热试件。

进行冲击试验时，加热装置与压杆的组装如图9所示，将入射杆20和透射杆19分别沿炉膛的轴线推入炉膛，待二者与试件紧密接触以后即可进行冲击加载。

本发明的用于高温霍普金森压杆试验的加热装置的工作流程是：1、调节三向移动支承平台对装置进行定位，使装置的高度适中，管式炉膛的轴线与压杆的轴线重合；2、水平调节管式加热炉，往装置中安放定位垫片，采用进出辅助器具将试件放入装置内并对试件进行定位，确保试件位于垫片上，确保圆柱体试件的轴线与装置的轴线重合；3、关闭保温盖，通过电气控制箱设定加热程序，装置中的温度会通过测温热电偶实时显示，开始加热；4、对试件加热到指定温度并恒温一段时间后，调节霍普金森压杆装置，使其处于待触发状态，此时，继续加热试件并开启管式炉的保温盖，迅速水平调节管式炉到预定位置，并推动入射杆和透射杆到指定位置，同时触发子弹，进行冲击加载；5、加载完毕后，水平调节管式加热炉，用进出辅助器具清理装置中的碎渣，清理完毕，即可进行下一次冲击加载。整个流程操作方便，成功率高。

Claims (3)

1.一种用于霍普金森压杆试验的加热装置，其特征在于，包括移动支撑平台和管式加热炉；所述的移动支撑平台由滑板和支架组成，所述的管式加热炉包括端盖、刚玉管、保温盖、保温衬、硅酸铝纤维毯、炉壳体、硅碳棒、垫片、耐热钢管、耐热砖和底座；管式加热炉安放在移动支撑平台的滑板上；

在滑板的上表面有两组滑轨和多个固定滑珠；多个固定滑珠呈“Γ”形排布在滑板的上表面；两组滑轨中的一对短滑轨相互垂直的固定在牛眼轴承排布的“Γ”形缺角的两个短边旁；一对长滑轨相互垂直的固定在牛眼轴承排布的“Γ”形的两个长边旁；

两个刚玉管对称的套在耐热钢管的两端；环两个刚玉管与耐热钢管接合部的外表面分别砌有耐热砖；在耐热砖上有安装硅碳棒的通孔；保温衬套在炉膛和耐热砖的外表面；在保温衬内腔与耐热砖上通孔相对应的位置均有硅碳棒的安装孔；硅酸铝纤维毯包裹在保温衬外表面；炉壳体包裹在硅酸铝纤维毯和保温衬的外表面；底座固定在炉壳体上；两个保温盖分别从两端炉膛装入炉膛内；端盖栓固定在炉壳体的两端。

2.如权利要求1所述一种用于霍普金森压杆试验的加热装置，其特征在于，刚玉管的长度自端盖内表面至耐热砖内孔表面；刚玉管的内孔为阶梯孔，其中一端孔径与保温盖的外径相同，另一端孔径与耐热钢管的外径相同；耐热钢管为薄壁套筒；耐热钢管的内径与刚玉管的最小内径相同；耐热钢管两端的外径与刚玉管的最大内径相同；耐热钢管中部的外径与刚玉管的外径相同。

3.如权利要求1所述一种用于霍普金森压杆试验的加热装置，其特征在于，保温盖的外径与刚玉管的最小内径相同；保温盖一端有连接法兰。

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