CN102692447B - 小型化强脉冲单轨放电烧蚀装置 - Google Patents
小型化强脉冲单轨放电烧蚀装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种小型化的强脉冲单轨放电烧蚀装置。所述装置为长方体结构,采用模块式设计可灵活拆卸、安装。所述装置的强脉冲电流为0≦I≦400KA;强脉冲耐受最大电压为12000V;镗口尺寸调节范围为8-15mm;利用非接触线性CCD测量系统进行膛口扩张尺寸测试,精度达到0.5μm;脉冲放电烧蚀温度测量精度达到0.5℃;装有静态电阻应变仪进行精确装配应力调节,应变测试精度达0.1με。本发明适应多种脉冲放电条件的需要,装配应力可调节,烧蚀温度的测试精度高,可以经过H-G非接触式光纤测温表征,提供准确的烧蚀温度。能够进行精密的材料形变测定,从而为材料的选型提供技术数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种强电磁场烧蚀机理研究技术领域,特别是涉及一种小型化强脉冲单轨放电烧蚀装置。
背景技术
强脉冲放电是当前电磁弹射研究领域的一个重要方向。利用强脉冲放电,可以提供兆级的电流,产生强大的瞬时推动力,带动物体在很短时间内达到很高速度。但是,由于发射载体与导轨材料的物理性能的差异,特别是导电率、导热系数的差异,以及材料接触界面粗糙度、洁净度、氧化与否等因素的影响,使得瞬时出现的强脉冲电流在接触表面产生巨大的焦耳热,形成烧蚀。烧蚀的产生会导致接触材料的变形、表面结构改变,恶化了重复放电性能,影响电磁转换装置的使用寿命。由于烧蚀的产生原因与强脉冲电流大小、放电形式、接触压力大小等有关,因此对烧蚀的研究应该从多角度、多因素进行。温度、应变和加载力的大小是直接关系强脉冲放电转换性能的重要表象,必须加以研究。
目前,许多电磁转换装置困于设备体积超大、结构设计复杂、难以实现及时拆卸和实时观测,而对强脉冲放电产生的烧蚀现象和机理研究不准确。大量数值模拟结果与实际观察结果匹配性较差,无法给出确定的技术数据,瞬时产生的烧蚀温度更是无法测量。针对于此,研制一种小型、简约、可拆卸、多因素测定的强脉冲放电烧蚀装置是十分必要的。
发明内容
为了克服利用现有大型脉冲放电装置进行烧蚀机理研究技术的不足,本发明提供一种小型化强脉冲单轨放电烧蚀装置。该装置可进行装配预紧力调节、实时烧蚀温度非接触测量、材料微米至毫米级变形尺寸可测、脉冲放电电极易于更换等特点。克服了一般研究不能实时测温、无法精细调节装配力、设备拆装困难、耗时耗力的缺点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:一种小型化强脉冲单轨放电烧蚀装置,所述装置为长方体结构,采用模块式设计,可灵活拆卸、安装,其长度为300mm~500mm,宽度为100mm~300mm,高度为200~400mm。强脉冲电流为 0≦ I ≦400KA;强脉冲耐受最大电压为12000V;镗口尺寸调节范围为8-15mm;利用非接触线性CCD测量系统进行膛口扩张尺寸测试,精度达到0.5μm;脉冲放电烧蚀温度测量精度达到0.5℃;装有静态电阻应变仪进行精确装配应力调节,应变测试精度达0.1με。
所述装置的压板Ⅰ由四个不锈钢螺栓和不锈钢螺母安装固定,压板Ⅰ的凹槽内装有绝缘板Ⅰ,导轨Ⅰ、摩擦板Ⅰ依次装在绝缘板Ⅰ上;用销钉将装有支撑件Ⅰ的侧板Ⅰ和装有支撑件Ⅱ的侧板Ⅱ固定在压板Ⅰ上。所述支撑件Ⅰ和支撑件Ⅱ的上部依次安装摩擦板Ⅱ、导轨Ⅱ和压板Ⅱ,所述绝缘板Ⅱ装入压板Ⅱ的凹槽内,压板Ⅱ与两侧的侧板Ⅰ和侧板Ⅱ留有间隙,压板Ⅲ由不锈钢螺母固定在压板Ⅱ的上部,压板Ⅲ的中心线上等距离加工3~7个螺孔,螺孔中装有端面具有球面的不锈钢螺栓。
所述静态电阻应变仪的传感器安装在不锈钢螺栓上;H-G非接触式光纤温度传感器布置在距离摩擦板Ⅰ7或摩擦板Ⅱ9侧面8~10mm处、布置高度为与摩擦板Ⅰ7或摩擦板Ⅱ9的侧面中心线同一平面高度、移动距离20~200mm范围内,可测量烧蚀引起的温度变化;所述非接触线性CCD光学测量系统测量布置在放电装置后方,进行放电轨道的尺寸形变测定。
所述压板Ⅰ、压板Ⅱ和压板Ⅲ采用A3钢制造,其表面加工精度为IT8级。所述不锈钢螺栓的加工精度为IT9。
所述绝缘板Ⅰ、绝缘板Ⅱ、支撑件Ⅰ、支撑件Ⅱ、侧板Ⅰ和侧板Ⅱ采用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料制造,其密度为2.08g/cm3,拉伸强度大于500MPa,拉伸模量大于25GPa,弯曲强度大于650MPa,伸长率为1.5%,玻璃纤维含量≧70%,介电强度为10×106V/m。
导轨Ⅰ和导轨Ⅱ的材质为T2纯铜材料,导电率IACS 100%。
强脉冲放电的汇流装置采用15~25层T2级软铜片接入,软铜片具有良好的塑性可极大缓解吸收强脉冲放电产生的电磁力,易于更换。
所述静态应变仪采用全桥接线方式,应变片电阻300欧姆;接线方法是相邻应变片相反,且全桥相对相同。
所述H-G非接触式光纤温度传感器测温范围400-1300℃,响应时间10毫秒,光纤探头直径3mm,长度15mm。
所述非接触线性CCD光学测量系统为单向直径测量仪,测量的精度±0.5μm,测量范围0.02mm~2mm。
本发明的有益效果是:采用模块化设计,可灵活拆卸、安装。该发明可以实时、准确进行强脉冲放电烧蚀温度,精度±0.5℃、装配预紧力,应变测试精度达0.1με,膛口尺寸形变的测量,变形精度达±0.5μm。该装置可进行多品种导电材料的烧蚀试验,强脉冲放电轨道间距离可调节,可以满足不同厚度试样的测试要求。汇流装置采用软铜片,可极大缓解硬接入导致的电磁力损伤。该发明克服了一般研究不能实时测温、无法精细调节装配力、设备拆装困难和耗时耗力的缺点。具有可进行装配预紧力调节、实时烧蚀温度非接触测量、材料微米至毫米级变形尺寸可测、脉冲放电电极易于更换等优点。
附图说明
图1是小型化强脉冲单轨放电烧蚀装置的结构示意图;
图2是小型化强脉冲单轨放电烧蚀装置的立体示意图;
图3为纯铜材料表面烧蚀照片;
图4强脉冲放电电压为10000V时的击穿试样;
图5强脉冲放电电压为4000V时的击穿试样。
在上述附图中,1.不锈钢螺栓,2.不锈钢螺母,3.压板Ⅰ,4.绝缘板Ⅰ,5.导轨Ⅰ,6.侧板Ⅰ,7.摩擦板Ⅰ,8.支撑件Ⅰ,9.摩擦板Ⅱ,10.导轨Ⅱ,11.绝缘板Ⅱ,12.压板Ⅱ,13.压板Ⅲ,14.不锈钢球头螺栓,15.侧板Ⅱ,16.支撑件Ⅱ,17.销钉。
具体实施方式
实施例 1
图1、图2是本发明公开的小型化强脉冲单轨放电烧蚀装置,该装置长方体结构,采用模块式设计,长度为300mm,宽度为156mm,高度为256mm。其中,压板Ⅰ3、压板Ⅱ12、压板Ⅲ13采用A3钢制造。压板Ⅲ13的中心线上等距离加工5个螺孔。导轨Ⅰ5、导轨Ⅱ10的材质为T2纯铜材料,导电率IACS 100%。绝缘板Ⅰ4、绝缘板Ⅱ11、支撑件Ⅰ8、支撑件Ⅱ16、侧板Ⅰ6和侧板Ⅱ15采用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料制造,其密度为2.08g/cm3,拉伸强度大于500MPa,拉伸模量大于25GPa,弯曲强度大于650MPa,伸长率为1.5%,玻璃纤维含量≧70%,介电强度为10×106V/m。
装置的装配工序如下:
(1)固定好压板Ⅰ3,使得压板Ⅰ3与平台表面留有35mm左右的间隙。
(2)将不锈钢螺栓1安装在压板Ⅰ的四个孔上,用不锈钢螺母2固定。
(3)将绝缘板Ⅰ4放入压板Ⅰ3的凹槽内,两端与压板Ⅰ3两端对齐。然后将导轨Ⅰ5和摩擦板Ⅰ7按照如图1所示的次序依次安放。
(4)利用销钉17将侧板Ⅰ6和侧板Ⅱ15固定在压板Ⅰ3上(支撑件Ⅰ8和支撑件Ⅱ16在组装前利用螺钉分别与侧板Ⅰ6和侧板Ⅱ15装好)。
(5)将摩擦板Ⅱ9、导轨Ⅱ10和绝缘板Ⅱ11按照图1所示放置在支撑件Ⅰ8和支撑件Ⅱ16上。所述摩擦板Ⅰ7和摩擦板Ⅱ9即为电磁烧蚀装置烧蚀样件。通过对摩擦板表面烧蚀现象的研究,可以进行强脉冲放电产生的各种烧蚀现象和机理的科学研究。
(6)把绝缘板Ⅱ11压在导轨Ⅱ10上,然后将绝缘板Ⅱ11压在压板Ⅱ12的凹槽内。
(7)将压板Ⅲ13装在不锈钢螺栓1上,并用不锈钢螺母2固定好。保证压板Ⅲ13与压板Ⅰ3平行。
(8)将导轨Ⅰ5和导轨Ⅱ10与供电装置的强脉冲放电的汇流装置连接,所述强脉冲放电的汇流装置采用20层T2级软铜片接入,软铜片具有良好的塑性可极大缓解吸收强脉冲放电产生的电磁力,易于更换。
(9)旋紧不锈钢球头螺栓14,应变仪上不锈球头钢螺栓14的总应变换算成力后即为施加的预紧力。静态电阻应变仪的传感器安装在不锈钢螺栓1上,所述静态应变仪采用全桥接线方式,应变片电阻300欧姆;接线方法是相邻应变片相反,且全桥相对相同。
(10)将H-G非接触式光纤温度传感器的光纤探头布置在距离摩擦板Ⅰ(7)或摩擦板Ⅱ9侧面8~10mm处,布置高度为与摩擦板Ⅰ7或摩擦板Ⅱ9的侧面中心线同一平面高度、移动距离20~200mm范围内。并根据测温需要进行长度方向的调节。所述H-G非接触式光纤温度传感器测温范围400-1300℃,响应时间10毫秒,光纤探头直径3mm,长度15mm。
(11)将CCD线性测量探头布置在装置尾端,镜头对准装置中心线,随时记录电磁转换过程的膛尾尺寸材料的形变。所述非接触线性CCD光学测量系统为单向直径测量仪,测量的精度±0.5μm,测量范围0.02mm~2mm。
铜-铍和无氧铜材料的烧蚀研究。验件尺寸367×40×10mm。强脉冲放电条件:膛口口径14.5mm;脉冲电压:6000~8000V,脉冲电流70~120KA。装配预紧力统一为2KN。
利用该装置进行的烧蚀表明:铍-铜抗烧蚀性能明显好于无氧铜材料。虽然从导热导电性能上说,无氧铜材料具有较优异的性能,但同铍-铜复合材料相比,其烧蚀坑面积较大,表面组织结构损伤严重,可观察到明显的裂纹、熔滴等烧蚀现象。膛尾温度测试表明:其膛尾的瞬时温度最高1100℃,但由于铍-铜复合材料的抗烧蚀性能增强,铍-铜复合材料膛尾部分的表面破坏程度远小于无氧铜材料。
[0033] 实施例 2
纯铜材料的烧蚀研究。试验装置尺寸:长300mm,宽150mm,高度270mm,装置的其它部分结构同实施例1相同。试验件尺寸367×40×10mm。强脉冲放电条件:膛口口径15mm;脉冲电压:4000~6000V,脉冲电流60~100KA。装配预紧力统一为2KN。图3为上述条件下纯铜表面烧蚀试样。
利用该装置进行的烧蚀表明:纯铜抗烧蚀性能随脉冲放电电压、电流的改变影响很大。当放电电压达到6000V,电流增大80KA以上时,纯铜的表面组织结构严重损伤,可观察到明显熔坑等烧蚀现象。膛尾瞬时温度测试表明放电时温度接近1200℃。
实施例 3
氧化铝涂层绝缘材料的绝缘性能研究。试验装置尺寸:长300mm,宽156mm,高度245mm,装置的其它部分结构同实施例1相同。试验件尺寸300×38×5mm。强脉冲放电条件:膛口口径14mm;脉冲电压:4000~8000V,脉冲电流60~100KA。装配预紧力统一为2.5KN。图4为强脉冲放电电压为10000V时的击穿试样。
利用该装置进行的绝缘材料烧蚀表明:氧化铝涂层绝缘材料的抗高压性能随着涂层材料厚度不同而不同。当氧化铝厚度达到500μm以上后,即使放电电压达到8000V,电流增大70KA以上时,涂层仍然没有被击穿。当电压达到10000V时,才出现击穿现象。
实施例 4
杂质对氧化铝复合涂层绝缘性能研究。试验装置尺寸:长300mm ,宽156mm,高度325mm,装置的其它部分结构同实施例1相同。试验件尺寸300×38×5mm。强脉冲放电条件:脉冲电压:4000~6000V,脉冲电流50~80KA。装配预紧力统一为2.5KN。Ag和Ni杂质含量为0.01mass%。图5为强脉冲放电电压4000V时,绝缘材料失效照片。
微量元素对绝缘性能的研究表明:即使微量的导电金属存在,都会导致绝缘性能的破坏。
Claims (9)
1.一种小型化强脉冲单轨放电烧蚀装置,包括不锈钢螺栓(1)、不锈钢螺母(2)、压板Ⅰ(3)、压板Ⅱ(12)和压板Ⅲ(13),其特征是:所述装置为长方体结构采用模块式设计,长度为300mm~500mm,宽度为100mm~300mm,高度为200~400mm;所述压板Ⅰ(3)和压板Ⅲ(13)由四个不锈钢螺栓(1)和不锈钢螺母(2)固定,压板Ⅰ(3)的凹槽内装有绝缘板Ⅰ(4),导轨Ⅰ(5)、摩擦层Ⅰ(7)依次装在绝缘板Ⅰ(4)上;用销钉(17)将装有支撑件Ⅰ(8)的侧板Ⅰ(6)和装有支撑件Ⅱ(16)的侧板Ⅱ(15)固定在压板Ⅰ(3)上,所述支撑件Ⅰ(8)和支撑件Ⅱ(16)的上部依次安装摩擦层Ⅱ(9)、导轨Ⅱ(10)和压板Ⅱ(12),所述绝缘板Ⅱ(11)装入压板Ⅱ(12)的凹槽内,压板Ⅱ(12)与两侧的侧板Ⅰ(6)和侧板Ⅱ(15)留有间隙,压板Ⅲ(13)由不锈钢螺母(2)固定在压板Ⅱ(12)的上部,压板Ⅲ(13)的中心线上等距离加工3~7个螺孔,螺孔中装有不锈钢球头螺栓(14);所述装置的强脉冲电流为 0≦ I ≦400KA;强脉冲耐受最大电压为12000V;镗口尺寸调节范围为8-15mm,利用非接触线性CCD测量系统进行膛口扩张尺寸测试,精度达到0.5μm;脉冲放电烧蚀温度测量精度达到0.5℃;装有静态电阻应变仪进行精确装配应力调节,所述静态电阻应变仪的测试精度为0.1με。
2.根据权利要求1所述的小型化强脉冲单轨放电烧蚀装置,其特征是:所述静态电阻应变仪的传感器安装在不锈钢螺栓(1)上;H-G非接触式光纤温度传感器布置在距离摩擦板Ⅰ(7)或摩擦板Ⅱ(9)侧面8~10mm处、布置高度为与摩擦板Ⅰ(7)或摩擦板Ⅱ(9)的侧面中心线同一平面高度、移动距离20~200mm范围内,可测量烧蚀引起的温度变化;所述非接触线性CCD光学测量系统测量布置在放电装置后方20~40mm距离处,进行放电轨道的尺寸形变测定。
3.根据权利要求1所述的小型化强脉冲单轨放电烧蚀装置,其特征是:所述压板Ⅰ(3)、压板Ⅱ(12)和压板Ⅲ(13)采用A3钢制造。
4.根据权利要求1所述的小型化强脉冲单轨放电烧蚀装置,其特征是:所述绝缘板Ⅰ(4)、绝缘板Ⅱ(11)、支撑件Ⅰ(8)、支撑件Ⅱ(16)、侧板Ⅰ(6)和侧板Ⅱ(15)采用玻璃纤维增强环氧树脂复合材料制造,其密度为2.08g/cm3,拉伸强度大于500MPa,拉伸模量大于25GPa,弯曲强度大于650MPa,伸长率为1.5%,玻璃纤维含量≧70%,介电强度为10×106V/m。
5.根据权利要求1所述的小型化强脉冲单轨放电烧蚀装置,其特征是:导轨Ⅰ(5)和导轨Ⅱ(10)的材质为T2纯铜材料,导电率IACS 100%。
6.根据权利要求1所述的小型化强脉冲单轨放电烧蚀装置,其特征是:强脉冲放电的汇流装置采用15~25层T2级软铜片接入,软铜片具有良好的塑性可极大缓解吸收强脉冲放电产生的电磁力,易于更换。
7.根据权利要求1所述的小型化强脉冲单轨放电烧蚀装置,其特征是:静态应变仪采用全桥接线方式,应变片电阻300欧姆;接线方法是相邻应变片相反,且全桥相对相同。
8.根据权利要求2所述的小型化强脉冲单轨放电烧蚀装置,其特征是:所述H-G非接触式光纤温度传感器测温范围400-1300℃,响应时间10毫秒,光纤探头直径3mm,长度15mm。
9.根据权利要求1所述的小型化强脉冲单轨放电烧蚀装置,其特征是:非接触线性CCD光学测量系统为单向直径测量仪,测量的精度±0.5μm,测量范围0.02mm~2mm。
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