CN103024955B - 用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置 - Google Patents

Abstract

一种用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置，它包括在屏蔽罩外设支承小车，屏蔽罩内设高频感应加热器，该加热器中心设陶瓷套管，套管的中央装置试件，试件两端分别与两陶瓷短杆的内端相连，两陶瓷短杆的外端分别与入射杆和透射杆的一端相连，应变片分别贴于入射杆和透射杆上并实现计算机同步数据处理的技术方案；它克服了现有霍普金森压杆实验用加热装置存在试件单独加热，加热和冲击不在同一位置进行，系统的准静态对接与同步精度难达要求，且结构复杂、操作烦锁，工作效率低，数据处理难度大，严重影响了霍普金森压杆实验的质量水平和精确度等缺陷；适合各种试验室的霍普金森压杆实验用，特别适合霍普金森压杆实验装置中金属试件的加热与应变片信息的即时数据处理。

Description

用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置

技术领域

本发明涉及一种用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置。

背景技术

现有霍普金森(Hopkinson)压杆实验用加热装置及方法，被认为是研究材料动态力学性能的一种有效方法。而对试件加热的方法主要有电阻(电炉)加热和直接燃烧(火)加热，采用此类方法加热的缺陷是：加热速度慢，表面氧化严重。而传统的SHPB高温实验法案大体分为二种类型：一种是将试件和部分导波杆放入温度箱中同时进行加热，名称为“SHPB装置应用于测量高温动态力学性能的研究”的文章(夏开文等，实验力学，1998，Vol.13，第3期，PP.307-313)采用恒温加热炉，利用一维应力波传播理论和传热原理，修正温度梯度场对波形测量的影响，其难点在于实验数据处理比较复杂；另一种是先单独对试件加热，实验前快速将试件安装在系统中，名称为“SHPB系统高温实验自动组装技术”的文章(张方举等，实验力学，2005，Vol.20，第2期，PP.281-284)和名称为“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)描述了一种Hopkinson实验双向双气路自动组装装置，其缺陷是难于实现系统的准静态对接与同步，要求有很高精度的实验装置。另外，名称为“用于霍普金森压杆试验的加热装置”的发明专利(专利：ZL201110189838.6)描述了一种能够在三个方向移动的管式加热炉加热装置；但是，在试件加热到预定温度后，同样需要推动入射杆和透射杆到预定位置，虽然对试件进行保温，同时也加热了杆，使杆的局部也升了温，而在冲击作用下杆的局部亦发生塑形变形，使应力波的传递夹带了杆的塑形变形内容，严重影响了霍普金森压杆实验的质量水平和精确度。

发明内容

针对上述情况，本发明的目的在于提供一种用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置，它既能单独加热试件，又能快速安装、加热试件，还能使加热和冲击在同一位置进行，实现试件无氧化和系统的准静态对接与同步，达到系统控制和同步数据处理快捷、精准，结构简单、紧凑，操作容易，工作效率高，资本投入少，经济实惠和便于普及推广。

为了实现上述目的，一种用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置，它包括在屏蔽罩外设支承小车，屏蔽罩内设高频感应加热器，该高频感应加热器中心设陶瓷套管，陶瓷套管的中央装置试件，试件两端分别与两陶瓷短杆的内端相连，两陶瓷短杆的外端分别与入射杆和透射杆的一端相连，应变片分别贴于入射杆和透射杆上并实现计算机同步数据处理。

为了提高本发明的综合性能，实现结构、效果优化，其进一步的措施是：

支承小车由底座和支架组成。

底座和支架之间设有垫块。

底座下部设有脚轮。

底座端部设有牵引耳。

陶瓷短杆为柱状，其外径与入射杆和透射杆的外径相同。

陶瓷短杆为管状，其外径与入射杆和透射杆的外径相同。

屏蔽罩为圆筒形且经上下开合的罩耳处启闭，并用螺母固定。

高频感应加热器与屏蔽罩之间设数个隔离支柱。

应变片测得的应力波信号经电桥平衡后送至信号放大器再传送给计算机进行数据处理，计算机经温控器控制高频感应加热器和试件升温，红外监测仪则经测温孔测得试件温度后反馈至温控器，计算机还与气泵电连接。

本发明一种用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置，它包括在屏蔽罩外设支承小车，屏蔽罩内设高频感应加热器，该高频感应加热器中心设陶瓷套管，陶瓷套管的中央装置试件，试件两端分别与两陶瓷短杆的内端相连，两陶瓷短杆的外端分别与入射杆和透射杆的一端相连，应变片分别贴于入射杆和透射杆上并实现计算机同步数据处理的技术方案，它克服了现有霍普金森压杆实验用加热装置存在试件单独加热，加热和冲击不在同一位置进行，需要使用机械装置移动压杆或加热炉，系统的准静态对接与同步精度难达要求，且结构复杂、操作烦锁，工作效率低，数据处理难度大，严重影响了霍普金森压杆实验的质量水平和精确度等缺陷。

本发明相比现有技术所产生的有益效果：

(I)本发明采用于屏蔽罩外设支承小车，屏蔽罩内设高频感应加热器加热的技术方案，极大地提升了加热速度，消除了加热过程中因试件氧化对试件材料性能造成的影响；

(II)本发明采用于屏蔽罩外设支承小车，屏蔽罩内设高频感应加热器加热的技术方案，省去了在加热试件前后要靠机械装置移动压杆或加热炉的烦杂过程，实现了试件加热和冲击在同一位置进行；

(III)本发明采用屏蔽罩外设活动支承小车、支承小车设垫块以及经上下开合的罩耳处启闭安装试件的技术方案，保证了屏蔽罩内高频感应加热器与试件灵活、快速、准确地安装；

(IV)本发明采用屏蔽罩外设活动支承小车以及隔离支柱的技术方案，保证了屏蔽罩内高频感应加热器对试件加热的安全性、可靠性和加热效果；

(V)本发明采用于压杆和试件之间添加陶瓷短杆，且使陶瓷短杆设为柱状或管状，其外径与入射杆和透射杆的外径相同，并结合同步应用计算机处理信息的技术方案，保证加热试件时不会传递热至入射杆和透射杆等压杆，实现了感应电流只对金属试件进行加热，在数据处理时，忽略温度梯度场对波形测量的影响，从而避免了实验后超量的复杂数据处理工作；

(VI)本发明采用于压杆和试件之间添加陶瓷短杆并采用高频感应加热器加热的技术方案，克服了应用“恒温加热炉与应用一维应力波传播理论和传热原理…对波形测量”方法存在数据处理系统比较复杂的缺陷；本发明较好地解决了数据处理系统并简化了数据处理程序；

(VII)本发明采用于压杆和试件之间添加陶瓷短杆并采用高频感应加热器加热的技术方案，克服了应用“预先单独对试件加热，实验前快速将试件安装在系统中”方法存在难以实现系统的准静态对接与同步，且对实验装置有很高的精度要求的缺陷；本发明较好地解决了系统的准静态对接与同步，使实验结果的精准度大大提高了；

(VIII)本发明采用感应加热与红外测温控制相结合的技术方案，红外监测仪经高频感应加热器的测温孔测量试件的温度，且同步反馈给温控器并自动控制试件加热温度；

(IX)本发明采用感应加热与红外测温控制相结合的技术方案，高频感应加热器与试件之间采用陶瓷套管支撑和保护，既可获得较好的绝缘、保温效果，又不会有环境污染；

(X)本发明采用感应加热、红外测温控制以及计算机处理信息相结合的技术方案，为满足试件应力、应变均匀性与加载脉冲形态、材料性质及试件几何参数的相互关系的深入研究、分析，提供了保障机理和基础分析条件；

(XI)本发明采用感应加热与红外测温控制相结合的技术方案，计算机与温控器、气泵二者相连接，当达到预定温度时，可自动启动气泵进行冲击压缩试验；

(XII)本发明采用组合式一体机结构，使结构极其简单、紧凑、体积小，自动操作控制，灵活轻快，加热速度快，工作效率高，无资源浪费，无环境污染，资本投入少，经济实惠，适合各种试验室和霍普金森压杆实验装置的应用，极易普及推广和广阔的市场前景。

本发明适合各种试验室的霍普金森压杆实验用；特别适合霍普金森压杆实验装置中金属试件的加热与应变片信息的即时数据处理。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

附图说明

图1为本发明用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置主视图。

图2为图1中显示试件、陶瓷套管、高频感应加热器以及活动屏蔽罩之间相互连接关系的横向截面放大视图。

图3为本发明用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置的数据处理流程框图。

图中：1、支承小车，11、底座，12、支架，13、垫块，14、脚轮，15、牵引耳，16、螺栓，2、屏蔽罩，21、罩耳，22、螺母，23、隔离支柱，3、高频感应加热器，4、陶瓷套管，5、试件，6、陶瓷短杆，7、入射杆，8、透射杆，9、应变片。

具体实施方式

结合附图，一种用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置，它包括在屏蔽罩2外设支承小车1，为了保证屏蔽罩内高频感应加热器与试件灵活、快速、方便、准确地安装，为了保证屏蔽罩内高频感应加热器对试件加热的安全性、可靠性，为了省去在加热试件前后要靠机械装置移动压杆或加热炉的烦杂过程，实现试件加热和冲击在同一位置进行，极大地提升加热速度，消除加热过程中因试件氧化对试件材料性能造成的影响；支承小车1由底座11和支架12组成，底座11和支架12之间设置可调节垫块13及锁紧用螺栓16，于底座11下部设有脚轮14，底座11端部设置牵引耳15，屏蔽罩2内设高频感应加热器3，为了方便使用与快速操作，屏蔽罩2为圆筒形且经上下开合的罩耳21处启闭，并用蝶形手动拧紧螺母22固定；为了保证高频感应加热器3的安全和加热效果，高频感应加热器3与屏蔽罩2之间设三排三列至少9个陶瓷材料制作的隔离支柱23；该高频感应加热器3中心设陶瓷套管4，陶瓷套管4的中央装置试件5，试件5两端分别与两陶瓷短杆6的内端相连，为了保证加热试件5时不会传递热至压杆，陶瓷短杆6设为柱状或管状，使陶瓷短杆6外径与入射杆7和透射杆8的外径相同；两陶瓷短杆6的外端分别与入射杆7和透射杆8的一端相连，入射杆7的另一端连接空气炮筒9及子弹，透射杆8的另一端连接吸收杆及阻尼器，应变片9分别贴于入射杆7和透射杆8上并实现计算机同步数据处理，应变片9测得的应力波信号经电桥平衡后送至信号放大器再传送给计算机进行数据处理，计算机经温控器控制高频感应加热器3和试件5升温，红外监测仪则经测温孔测得试件5温度后反馈至温控器，计算机还与气泵电连接。

由附图所示，本发明的一种用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置的工作原理，本发明采用高频感应加热方法对金属试件或样品进行加热，将金属试件5置于高频感应加热器3产生的交变磁场中，试件5内部产生感应电流，从而产生焦耳热来加热试件5；温控器通过接收红外监测仪的信号，判断试件5温度与预定温度的大小，当试件5温度小于预定温度时，继续对高频感应加热器3通电，对试件5继续加热；当试件5温度达到预定温度时，温控器对高频感应加热器3断电，从而停止对试件5加热，计算机获得信号，控制空气炮筒内子弹的即时冲击发射，进入冲击试验，实现停止加热和冲击试验两个过程连续且无间隙顺序进行，保证了试验所需温度的准确性，从而保证了试验结果的精确度。

参见附图，本发明的具体实施过程是：先打开屏蔽罩2的上开合罩耳21，将试件5装置于屏蔽罩2内高频感应加热器3的陶瓷套管4中，先在试件5一端装上陶瓷短杆6、入射杆7、空气炮筒及子弹，再在试件5另一端装上陶瓷短杆6、透射杆8以及吸收杆及阻尼器，然后将应变片9分别贴于入射杆7和透射杆8上，同时，将应变片9依次与信号放大器、计算机、温控器、红外监测仪、高频感应加热器3及测温孔电连接，还将计算机与气泵电连接，最后，合上屏蔽罩2的上开合罩耳21至下开合罩耳21处，用蝶形手动拧紧螺母22拧紧、固定；再用工具从牵引耳15处将支承小车1通过脚轮14牵引至屏蔽罩2下，并调节底座11和支架12之间的可调节垫块13，使屏蔽罩2座在支架12上，最后用螺栓16锁紧垫块13，此时，开启红外监测仪和温控器，同时启动高频感应加热器3，对试件5加热；当试件5温度达到预定温度时，温控器对高频感应加热器3断电即停止对试件加热，同时发出信号给计算机，然后计算机发出指令启动气泵，即对试件5进行冲击压缩试验。

Claims (7)

1.一种用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置，其特征在于它包括在屏蔽罩(2)外设一底座(11)和支架(12)，于该底座(11)和支架(12)之间设置垫块(13)，再于底座(11)下部设置脚轮(14)的支承小车(1)；屏蔽罩(2)内设高频感应加热器(3)，该高频感应加热器(3)中心设陶瓷套管(4)，陶瓷套管(4)的中央装置试件(5)，试件(5)两端分别与两陶瓷短杆(6)的内端相连，两陶瓷短杆(6)的外端分别与入射杆(7)和透射杆(8)的一端相连，应变片(9)分别贴于入射杆(7)和透射杆(8)上并实现计算机同步数据处理。

2.根据权利要求1所述的用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置，其特征在于底座(11)端部设有牵引耳(15)。

3.根据权利要求1所述的用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置，其特征在于陶瓷短杆(6)为柱状，其外径与入射杆(7)和透射杆(8)的外径相同。

4.根据权利要求1所述的用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置，其特征在于陶瓷短杆(6)为管状，其外径与入射杆(7)和透射杆(8)的外径相同。

5.根据权利要求1所述的用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置，其特征在于屏蔽罩(2)为圆筒形且经上下开合的罩耳(21)处启闭，并用螺母(22)固定。

6.根据权利要求1所述的用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置，其特征在于高频感应加热器(3)与屏蔽罩(2)之间设数个隔离支柱(23)。

7.根据权利要求1所述的用于高温霍普金森压杆实验的快速加热装置，其特征在于应变片(9)测得的应力波信号经电桥平衡后送至信号放大器再传送给计算机进行数据处理，计算机经温控器控制高频感应加热器(3)和试件(5)升温，红外监测仪则经测温孔测得试件(5)温度后反馈至温控器，计算机还与气泵连接。