CN108088641A - 一种砂尘碰撞反弹试验台及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种砂尘碰撞反弹试验台，包括气源装置、砂尘加速装置、试验舱、摄像设备；所述砂尘加速装置中采用承载体装载砂尘，承载体中心有凹槽，将砂尘放入凹槽内；将装有砂尘的承载体装入砂尘加速装置管道内，在加速管口安装承载体分离器分离承载体；采用高速气流加速承载体，承载体携带砂尘达到预定速度，经过承载体分离器与砂尘分离，砂尘由于惯性继续射向试验件完成碰撞反弹过程。在加速管道内，砂尘始终位于承载体内不与管壁接触进而保证了砂尘的结构完整性。通过标定储气罐压力与砂尘速度的对应关系能够达到控制砂尘入射速度的目的。

Description

一种砂尘碰撞反弹试验台及试验方法

技术领域

本发明涉及砂尘碰撞反弹试验的技术领域，具体涉及一种砂尘碰撞反弹试验台；同时也涉及一种砂尘碰撞反弹试验方法。

背景技术

截止目前，据已公开的文献资料显示，关于砂尘碰撞反弹特性研究十分有限，砂尘及其碎屑的反弹机理还不明晰。要完成砂尘碰撞反弹特性试验研究，面临如下技术难题：第一，如何在使砂尘加速至预定速度的同时保证砂尘结构完整性，尽可能使砂尘避免与管壁发生碰撞。试验用砂是极易破碎的不规则多边形，圆度不同且带有尖角，在管道内与高速气流混合加速时难以保证砂尘不与管壁发生碰撞。第二，如何在不影响正常拍摄的情况下，收集碰撞反弹后的砂尘。在不同入射速度和入射角度下，砂尘碰撞试验件后的反弹方向和反弹速度分布不均，如何能较为全面的收集砂尘以进行反弹特性研究，还没有具体的试验方案和技术设备。第三，如何在砂尘高速运动过程中多平面地捕捉拍摄砂尘碰撞反弹轨迹。试验用砂为质地微小的透光砂尘，形貌不规则导致其反弹为三维空间反弹；砂尘反射方向与入射方向不处于同一平面，如何尽可能的在多个平面上拍摄砂尘碰撞反弹过程，且能更便捷的调节拍摄角度以适应不同入射角度的拍摄过程，现有的技术方案还难以解决这个问题。

故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

发明目的：本发明提供一种砂尘碰撞反弹试验台。

本发明还提供了一种砂尘碰撞反弹试验方法。

技术方案：为达到上述目的，本发明砂尘碰撞反弹试验台可采用如下技术方案：

一种砂尘碰撞反弹试验台，包括气源装置、砂尘加速装置、试验舱、摄像设备；所述砂尘加速装置包括主管道、位于主管道前端的承载体分离器、位于主管道内的承载体；所述承载体的前端面向内凹设有用以承载砂尘的凹槽；所述主管道与气源装置连通并由气源装置向主管道内供气；承载体分离器同样为一个管道且与所述主管道同轴；所述主管道的内径大于承载体分离器的内径；所述承载体为圆柱形，且承载体的外径大于承载体分离器的内径。

有益效果：本发明将采用承载体装载砂尘，高速气流加速承载体至指定速度的方式，实现加速砂尘的同时使其不与管壁碰撞。承载体中心有凹槽，将砂尘放入凹槽内；将装有砂尘的承载体装入砂尘加速装置管道内，在加速管口安装承载体分离器分离承载体；采用高速气流加速承载体，承载体携带砂尘达到预定速度，经过承载体分离器与砂尘分离，砂尘由于惯性继续射向试验件完成碰撞反弹过程。在加速管道内，砂尘始终位于承载体内不与管壁接触进而保证了砂尘的结构完整性。通过标定储气罐压力与砂尘速度的对应关系能够达到控制砂尘入射速度的目的。

进一步的，所述主管道的尾端外壁面设有开口及位于开口上用以打开和关闭开口的滑块，所述承载体自开口放入主管道中。

进一步的，所述主管道与承载体分离器连接处设有开槽，所述承载体自开槽自主管道取出。

进一步的，所述试验舱中设有试验件夹具，所述试验件夹具包括底座、夹板、位于夹板两侧的支架；所述夹板的底部铰接在底座上，夹板通过铰接改变翻转的角度，所述支架的内侧面为弧形而形成拍摄空间；所述支架上设有若干开口，且该若干开孔以曲线排列，所述夹板侧面设有插入开口内的销或螺栓，通过插入不同位置的开口以使夹板在某个翻转角度的固定；所述夹板面对承载体分离器的出口。

进一步的，所述夹板面对承载体分离器的一面上设有用以安装试验件的安装部；所述安装部外侧设有挡板，所述挡板上设有供砂尘射入的进砂孔。

进一步的，所述夹板上设有砂尘回收盒，砂尘回收盒位于安装部下方。

进一步的，所述摄像设备包括位于试验舱一侧的摄像机、位于试验舱另一侧并面对摄像机的光源、镜面反射系统；所述镜面反射系统包括将试验舱的侧视图像反射至摄像机镜头的第一组镜面、及将试验舱的俯视图像反射至摄像机镜头的第二组镜面。

进一步的，所述第一组镜面包括第一镜面及第二镜面，第一镜面将试验舱的侧视图像反射至第二镜面，第二镜面再将试验舱的侧视图像反射至摄像机镜头；所述第二组镜面包括第三镜面、第四镜面、第五镜面、第六镜面、第七镜面，其中第三镜面将试验舱俯视图像反射至第四镜面，第四镜面再将将试验舱俯视图像反射至第五镜面，第五镜面再将将试验舱俯视图像反射至第六镜面，第六镜面再将将试验舱俯视图像反射至第七镜面，第七镜面再将将试验舱俯视图像反射至摄像机镜头，其中第二镜面与第七镜面均位于摄像机镜头前方，且第二镜面与第七镜面相互垂直。通过这样的设置，使用一台摄像机就能拍摄到砂尘在三维空间上的运动轨迹，节约试验设备；且此拍摄装置方便快捷，当入射角度变化时，试验件位置调整，只需调整支架位置及转动镜面，无需调整摄像机位置就能完成拍摄。

进一步的，所述第一镜面位于试验舱侧面，且试验舱侧面与第二镜面分别位于第一镜面的入射位置和出射位置，第一镜面与摄像机镜头分别位于第二镜面的入射位置和出射位置；所述第三镜面位于试验舱上方，第三镜面与第五镜面分别位于第四镜面的光入射位置和光出射位置，第六镜面位于第五镜面的下方，且第四镜面与第六镜面分别位于第五镜面的光入射位置和光出射位置；第六镜面与摄像机镜头分别位于第七镜面的光入射位置和光出射位置。

本发明提供的试验方法可采用以下技术方案：

一种使用上述试验台的试验方法，包括如下步骤：

第一步：安放试验件至试验舱内，调整摄像设备；

第二步：将试验砂尘放置于承载体的凹槽内，将承载体平放于主管道内且凹槽一端向前；

第三步：通过气源装置释放压力气体以加速砂尘和承载体至预定速度，承载体经管道加速向前喷向试验件；承载体碰撞到承载体分离器后，砂尘与承载体分离，且砂尘继续喷向试验件，完成碰撞反弹过程。

第四步：记录砂尘碰撞反弹试验过程及收集砂尘碎屑。

有益效果：上述试验方法给出了采用本发明中试验台进行沙尘碰撞反弹试验的具体步骤，能够实现砂尘始终位于承载体内不与管壁接触的目的，进而保证了砂尘的结构完整性。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。

图2是本发明中砂尘加速装置的剖面示意图。

图3是砂尘加速装置中承载体的立体图。

图4是气源装置的结构示意图。

图5是试验件夹具的立体图，并展示了未安装挡板时的状态。

图6是试验件夹具的立体图，并展示了安装挡板后的状态。

图7是展示本发明中试验舱、高速摄像机和镜面系统相对位置关系的立体图。

图8是试验舱、高速摄像机和镜面系统相对位置关系的俯视示意图。

图9是试验舱、高速摄像机和镜面系统相对位置关系的正视示意图(以图7中的方向为参考物)。

图10是试验舱、高速摄像机和镜面系统相对位置关系的左视示意图(以图7中的方向为参考物)。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

请参阅图1所示，本发明公开一种砂尘碰撞反弹试验台，包括气源装置5、砂尘加速装置4、试验舱2、摄像设备(包括高速摄像机7和镜面系统8)。

还包括试验桌6、试验桌9、试验舱前后滑移及升降机构10。试验舱升降机构10包括蜗轮丝杆升降机、同步轴、螺杆柱和手摇柄；试验舱2放置在升降机构10上，升降机构10固定在试验桌9。

在本实施方式中，砂尘并不现有技术一样直接放在加速装置的管道内，而是设置承载体承载砂尘。具体的方式请结合图2所示，所述砂尘加速装置包括主管道42、位于主管道42前端的承载体分离器37、位于主管道42内的承载体38(图2中展示的是承载体38自主管道喷出碰撞到承载体分离器37时的状态)。再结合图3所示，所述承载体38的前端面向内凹设有用以承载砂尘的凹槽41。所述主管道42与气源装5置连通并由气源装置5向主管道42内供气。承载体分离器37同样为一个管道且与所述主管道同轴；所述主管道42的内径大于承载体分离器37的内径；所述承载体38为圆柱形，且承载体38的外径大于承载体分离器37的内径，即承载体38在主管道42中加速向前后，会被承载体分离器37阻挡，无法通过，而砂尘可以继续向前并穿过承载体分离器37的管道。所述主管道42的尾端外壁面设有开口43及位于开口43上用以打开和关闭开口的滑块40，所述承载体38自开口43放入主管道42中。在本实施方式中，凹槽41为内锥形，且凹槽41的设置方式为，根据砂尘质量及承载体38材料摩擦系数，计算凹槽41锥角使得当顶面与水平面夹角小于等于90°时，由于斜面摩擦力大于重力分量，当承载体平放于砂尘加速装置管道内，砂尘不会掉落。

所述主管道42与承载体分离器37连接处设有开槽44，所述承载体38自开槽44自主管道42取出。在具体的试验中，承载体38高速撞到承载体分离器37上后是从该开槽44种弹出的。在本实施方式中，承载体38为直径10mm的铝制圆柱体，铝制承载体不仅密度小，质地光滑与管道内壁摩擦阻力小；对其加速过程影响小；且硬度较大，加速过程中不易因与管壁磨损而产生微小颗粒混入试验砂尘。承载体分离器37位于砂尘加速装置前端；一方面，当承载体38与承载体分离器37端面碰撞时，其中的砂尘将在自身惯性作用下，以与承载体38碰撞前相同速度冲击试验舱2中的试验件，以此创造出碰撞入射速度条件；另一方面，碰撞时铝制承载体将产生较大的塑性变形，在一定程度上以延长二者接触时间；而恰在二者碰撞接触的一定长时间中，主管道42中的剩余的少量气体将迅速从承载体分离器37的缺口中流出，以规避管道残余气流对砂尘反弹方向造成影响。

请结合图1所示，所述试验舱中设有试验件夹具6，所述试验件夹具6包括底座61、夹板62、位于夹板62两侧的支架29。所述夹板62的底部铰接在底座61上，夹板62通过铰接改变翻转的角度，所述支架29的内侧面为弧形而形成拍摄空间。所述支架29上设有若干开口64，且该若干开孔64以曲线排列，以15°为间隔，可满足15°～90°内不同入射角度的要求。所述夹板62侧面设有插入开口64内的销或螺栓，通过插入不同位置的开口64以使夹板62在某个翻转角度的固定。所述夹板62面对承载体分离器37的出口以能够对应收到砂尘的冲击。而所述夹板62面对承载体分离器37的一面上设有用以安装试验件的安装部65，该安装部65内设有试验件固定装置30。安装部65的侧面为透明玻璃面32以方便拍摄和观察。所述安装部65外侧设有挡板33，所述挡板33上设有供砂尘射入的进砂孔35。该挡板33为透明可滑移板33，两侧有长条孔34可安装螺钉，上下移动挡板33则可任意调节进砂孔35高度。所述夹板62上设有砂尘回收盒3，砂尘回收盒3位于安装部65下方。

请结合图4所示，是所述的气源装置5的示意图。高压气瓶15的左侧连接调压阀14，调压阀14的左侧连接电磁阀13，电磁阀13左侧连接储气罐12，储气罐12的左侧连接电磁阀11。

所述摄像设备包括位于试验舱2一侧的摄像机7、位于试验舱2另一侧并面对摄像机的光源1、镜面反射系统。所述镜面反射系统包括将试验舱的侧视图像反射至摄像机镜头的第一组镜面、及将试验舱的俯视图像反射至摄像机镜头的第二组镜面。大功率光源1、高速摄像机7、镜面反射系统8共同组成试验拍摄装置。调整光源1位置使其正对试验舱2打光，安放高速摄像机7及镜面系统8。由于试验所用砂粒具有透光性且粒径微小，通常在300μm至600μm范围，当砂粒高速运动时，想要拍摄记录其运动过程，难度极大。为了拍摄高速砂粒的运动轨迹，摄像机7采用不低于5μs的快门时间和30000帧以上的拍摄帧率，对于镜头则要求采用微距镜头。由于上述拍摄参数对于镜头进光量的要求极高，因此拍摄装置采用光源1正对试验舱2打光的方法，以此将砂尘碰撞反弹过程通过光线投影的方式被摄像机7捕捉记录。

为了能够达到上述将试验舱的侧视图像及试验舱的俯视图像均反射至摄像机镜头(摄像机镜头固定不动)，请结合图7至图10所示，可采用以下具体的设置：所述第一组镜面包括第一镜面21及第二镜面22。第一镜面21将试验舱的侧视图像反射至第二镜面22，第二镜面22再将试验舱的侧视图像反射至摄像机镜头。所述第二组镜面包括第三镜面23、第四镜面24、第五镜面25、第六镜面26、第七镜面27。其中第三镜面23将试验舱俯视图像反射至第四镜面24，第四镜面24再将将试验舱俯视图像反射至第五镜面25，第五镜面25再将将试验舱俯视图像反射至第六镜面26，第六镜面26再将将试验舱俯视图像反射至第七镜面27，第七镜面27再将将试验舱俯视图像反射至摄像机镜头。其中第二镜面22与第七镜面27均位于摄像机镜头前方，且第二镜面22与第七镜面27相互垂直(优选的方式为第二镜面22与第七镜面27的内侧缘相互连接且互相垂直，如图8中所示)。设计长臂支架8支撑平面反射镜(即各个镜面)，平面反射镜可立体旋转改变角度；长臂81之间通过铰接连接，可360°旋转；且长臂和81平面反射镜在任何角度都能固定。其目的在于改变不同镜面角度，仅使用一台摄像机就能拍摄到砂尘在三维空间上的运动轨迹，节约试验设备；且此拍摄装置方便快捷，当入射角度变化时，试验件位置调整，只需调整支架位置及转动镜面，无需调整摄像机位置就能完成拍摄。

经过上述设置可明确，所述第一镜面21位于试验舱侧面，且试验舱侧面与第二镜面22分别位于第一镜面21的入射位置和出射位置。第一镜面21与摄像机镜头分别位于第二镜面22的入射位置和出射位置。所述第三镜面23位于试验舱上方，第三镜面23与第五镜面25分别位于第四镜面24的光入射位置和光出射位置。第六镜面26位于第五镜面25的下方，且第四镜面24与第六镜面26分别位于第五镜面25的光入射位置和光出射位置。第六镜面26与摄像机镜头分别位于第七镜面27的光入射位置和光出射位置。

试验方法的实施例：

一种使用试验台的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：安放试验件，调整拍摄装置。将试验件装夹在试验件固定装置30凹槽内，安装好回收盒3，调整试验舱前后滑移及升降机构10调节回收盒位置，调整挡板33高度使得进砂孔35正对加速管口。通过调整月牙形夹具29的倾斜板31设定入射角度；打开并调整高速摄像机7和LED光源1位置，观察拍摄画面，调节平面反射镜21角度直至试验件前方的拍摄区域处于视野中央。

第二步：放置砂尘。将试验砂尘放置于承载体凹槽41内，移动滑块40将承载体平放于主管道42内，随后关闭滑块40。

第三步：释放压力气体，高速气流加速砂尘至预定速度，完成碰撞反弹试验。打开高压气瓶15，待储气罐12达到一定压力时，打开电磁阀11，承载体经管道加速喷向试验件，在管口承载体撞击到孔口从承载体分离器37上方缺口弹出，砂尘继续高速喷向试验件，完成碰撞反弹过程。

第四步：记录砂尘碰撞反弹试验过程及收集砂尘碎屑。高速摄像机7在打开电磁阀11的同时即触发其拍摄，记录砂尘的入射速度、反弹速度和反弹方向以及整个碰撞反弹过程产生的现象。调整月牙形夹具29的倾斜板31将试验舱2调至垂直位置，打开挡板33，取下回收盒3，收集盒内的砂尘，再用软刷清理回收盒内的砂尘防止砂尘残留。收集结束后用高压气枪喷射回收盒及试验舱内部清除残余的微小砂尘颗粒。该步骤中，先调节试验舱2为垂直位置使砂尘自然下落落在回收盒3内。试验砂尘形貌不规则导致其反弹为三维空间反弹，砂尘反射方向不一；将试验件安装于试验舱2内部能保证砂尘碰撞反弹后，无论反射方向如何，砂尘及其碎屑都能留在试验舱2内。回收盒3顶面面积略大于试验舱2底面面积以保证砂尘顺利下落。回收盒3各壁面贴有光滑防静电薄膜，可防止砂尘被吸附在回收盒3内壁。取下回收盒3，收集砂尘并倒入密封袋中贴上标签记录入射角度及速度等试验参数。收集结束后用高压气枪喷射回收盒3及试验舱2内部防止细微破碎砂尘残留而影响下一次回收效果。

另外，本发明的具体实现方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (10)

1.一种砂尘碰撞反弹试验台，其特征在于：包括气源装置、砂尘加速装置、试验舱、摄像设备；

所述砂尘加速装置包括主管道、位于主管道前端的承载体分离器、位于主管道内的承载体；所述承载体的前端面向内凹设有用以承载砂尘的凹槽；所述主管道与气源装置连通并由气源装置向主管道内供气；承载体分离器同样为一个管道且与所述主管道同轴；所述主管道的内径大于承载体分离器的内径；所述承载体为圆柱形，且承载体的外径大于承载体分离器的内径。

2.根据权利要求1所述的试验台，其特征在于：所述主管道的尾端外壁面设有开口及位于开口上用以打开和关闭开口的滑块，所述承载体自开口放入主管道中。

3.根据权利要求1或2所述的试验台，其特征在于：所述主管道与承载体分离器连接处设有开槽，所述承载体自开槽自主管道取出。

4.根据权利要求3所述的试验台，其特征在于：所述试验舱中设有试验件夹具，所述试验件夹具包括底座、夹板、位于夹板两侧的支架；所述夹板的底部铰接在底座上，夹板通过铰接改变翻转的角度，所述支架的内侧面为弧形而形成拍摄空间；所述支架上设有若干开口，且该若干开孔以曲线排列，所述夹板侧面设有插入开口内的销或螺栓，通过插入不同位置的开口以使夹板在某个翻转角度的固定；所述夹板面对承载体分离器的出口。

5.根据权利要求4所述的试验台，其特征在于：所述夹板面对承载体分离器的一面上设有用以安装试验件的安装部；所述安装部外侧设有挡板，所述挡板上设有供砂尘射入的进砂孔。

6.根据权利要求5所述的试验台，其特征在于：所述夹板上设有砂尘回收盒，砂尘回收盒位于安装部下方。

7.根据权利要求6所述的试验台，其特征在于：所述摄像设备包括位于试验舱一侧的摄像机、位于试验舱另一侧并面对摄像机的光源、镜面反射系统；所述镜面反射系统包括将试验舱的侧视图像反射至摄像机镜头的第一组镜面、及将试验舱的俯视图像反射至摄像机镜头的第二组镜面。

8.根据权利要求7所述的试验台，其特征在于：所述第一组镜面包括第一镜面及第二镜面，第一镜面将试验舱的侧视图像反射至第二镜面，第二镜面再将试验舱的侧视图像反射至摄像机镜头；所述第二组镜面包括第三镜面、第四镜面、第五镜面、第六镜面、第七镜面，其中第三镜面将试验舱俯视图像反射至第四镜面，第四镜面再将将试验舱俯视图像反射至第五镜面，第五镜面再将将试验舱俯视图像反射至第六镜面，第六镜面再将将试验舱俯视图像反射至第七镜面，第七镜面再将将试验舱俯视图像反射至摄像机镜头，其中第二镜面与第七镜面均位于摄像机镜头前方，且第二镜面与第七镜面相互垂直。

9.根据权利要求8所述的试验台，其特征在于：所述第一镜面位于试验舱侧面，且试验舱侧面与第二镜面分别位于第一镜面的入射位置和出射位置，第一镜面与摄像机镜头分别位于第二镜面的入射位置和出射位置；所述第三镜面位于试验舱上方，第三镜面与第五镜面分别位于第四镜面的光入射位置和光出射位置，第六镜面位于第五镜面的下方，且第四镜面与第六镜面分别位于第五镜面的光入射位置和光出射位置；第六镜面与摄像机镜头分别位于第七镜面的光入射位置和光出射位置。

10.一种使用根据权利要求1至9中任一项所述试验台的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：安放试验件至试验舱内，调整摄像设备；

第二步：将试验砂尘放置于承载体的凹槽内，将承载体平放于主管道内且凹槽一端向前；

第三步：通过气源装置释放压力气体以加速砂尘和承载体至预定速度，承载体经管道加速向前喷向试验件；承载体碰撞到承载体分离器后，砂尘与承载体分离，且砂尘继续喷向试验件，完成碰撞反弹过程；

第四步：记录砂尘碰撞反弹试验过程及收集砂尘碎屑。