CN109060879B - 一种超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置及测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置及测试方法，能模拟喷管喉衬在高温、高压、富氧条件下的烧蚀现象。该装置包括液压系统1、试验釜11、气源系统2、控制系统17、数据获取系统15通过数据获取系统实现温度、压力、浓度等参数的实时采集和实时观察试验釜内的燃烧情况。本发明与现有试验装置与方法相比，能模拟喷管喉衬在富氧、高温、高压下的烧蚀现象，可连续获取不同温度、压力、氧气浓度下的烧蚀特性，降低了试验周期，且结构简单、成本较低、自动化程度较高，通过所述测试方法获得的喉衬金属烧蚀数据可以为喷管喉衬的设计提供支撑。

Description

一种超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置及测试方法
技术领域
本发明属于弹药领域，涉及一种新型烧蚀性能测试装置，具体涉及一种对超高速弹药喉衬进行高温高压富氧条件下烧蚀性能测试的实验装置及测试方法。
背景技术
在现代军事领域中，为增加射程或提高命中目标时的毁伤能力，弹箭的飞行速度大幅提高，达到1800～2000m/s，未来发展的速度将更高。超高速飞行的弹箭在飞行过程中产生严酷的烧蚀现象，喷管喉衬的烧蚀即是其中之一。发动机工作时，由于高温燃气向喷管表面传热速度过快，喷管喉衬的温度迅速上升，热烧蚀严重，进而引起喷管喉部面积增大，推力减少，大大降低发动机性能。因此，快速准确的获得喷管喉衬的烧蚀性能，分析其金属燃烧特点，可以指导喷管喉衬的设计和选型，为弹箭打得远、打的准、打的狠提供有力支撑。
但是目前喷管喉衬烧蚀性能大都是通过打发动机试验获得的，造价大成本高，且要制作完整的发动机，工序繁琐，试验周期较长，试验数据残缺不全，不能满足超高速弹箭设计的要求。因此需要设计一种能够模拟喷管喉衬在高温高压及富氧条件下烧蚀的工况条件，且具备温度、压力等实时检测手段的测试装置，能够让喉衬在高温高压及富氧条件下烧蚀的同时还能检测其带来的温度和压力变化，并测试其烧蚀率。
实用新型专利CN205428337U公开了一种化学实验专用金属燃烧观察容器，通过将燃烧置入容器罩内，并通过固定夹和点燃装置的配合使得金属条燃烧可独立进行，大大提高其操作的安全性；实用新型专利CN2465184Y公开了一种金属燃烧速率试验仪，通过高压气源对金属试样进行点燃，通过热电偶对金属的燃烧进行感知，用计算机控制点燃物质并进行数据采集和处理，最终获得金属物质传播燃烧的能力；专利CN106501311A公开了一种富氧条件下液体燃烧性能的测试装置及测试方法，该装置将燃烧至于一端封闭、一端敞开的玻璃容器中，通过滴管将液体滴落至燃烧盘上，将燃烧盘加热使液体点燃，使用红外热象仪记录液体燃烧的温度波形，并结合所滴加液体的质量得到待测液体的燃烧性能数据。以上三种专利中第一项专利与本发明最为接近。
但是实用新型专利CN205428337U的装置存在以下缺点：(1)试验釜不具备自动开合功能，需要由人工打开，但是容器罩往往体积大，重量大，人员劳动强度大；(2)没有观察视窗和在线检测装置，不能观察喷管喉衬的烧蚀状态，也无法得到其烧蚀过程的温度、压力、氧气纯度等参数，无法指导喉衬设计，且没有安全防护措施；(3)没有提供系统的金属燃烧性能测试的方法。因此需要开发一种能够产生高温、高压、富氧条件的且具备温度、压力、氧气纯度等检测手段的测试装置，并结合此装置，开发一套喷管喉衬烧蚀性能检测的测试方法。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种结构简单，自动化程度较高，具备在线检测手段的喷管喉衬烧蚀性能检测装置。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置，其特征在于包括：液压系统、试验釜、气源系统、控制系统、数据获取系统。
上述超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置，所述液压系统为C型单臂油压机，其空间利用率高，便于测试人员进行操作。
上述超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置，所述试验釜由固定釜、移动釜、密封圈组成；所述固定釜通过上连接板与所述液压系统顶面相连，所述移动釜通过下连接板与所属液压系统底面相连；所述密封圈安装于固定釜和移动釜中间，用于固定釜和移动釜的密封。
上述超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置，所述固定釜由不锈钢锻造而成，壁厚应根据试验釜要求的氧气压力进行计算，但需要考虑试验釜内燃烧生热造成的压力升高；所述固定釜侧壁面开有两个视窗，分别用于红外热象仪视窗和高速摄像机视窗；所述固定釜下部有飞边，便于密封圈的安装；所述固定釜内壁面下端口开有锥面，便于固定釜和移动釜的定位和密封。
上述超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置，所述移动釜由加热点火装置、收集盘、陶瓷底座和移动釜盖组成；所述加热点火装置、收集盘均固定于所述陶瓷底座上；所述加热点火装置由陶瓷支架、电磁铁、陶瓷杠杆、导线、陶瓷夹、陶瓷夹导轨、试验样条组成；所述电磁铁上端连接磁力弹簧，达到与试验样条接触或断开的目的，可精确控制，实现实验样条加热、点燃之间的切换，模拟弹药喉衬从生热到烧蚀的真实状况；所述电磁铁外面包覆隔热外套，避免外部温度的干扰；所述陶瓷底座放置在移动釜盖内；所述移动釜盖为不锈钢锻造而成，厚度应根据试验釜要求的氧气压力进行计算，但需要考虑试验釜内燃烧生热造成的压力升高；所述移动釜盖有飞边，便于密封圈的安装；所述移动釜盖顶部有圆锥形凸台，用于与所述固定釜的定位和密封。
上述超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置，所述气源系统包括进气与增压支路、排气泄压与真空支路、氧气纯度检测支路、压力检测支路四条支路；所述进气与增压支路由所述试验釜向外依次是安全隔膜、隔离阀、压力计、氧气压缩机、压力表、储气瓶；所述排气泄压与真空支路由所述试验釜向外依次是安全阀、高压电磁阀、排气阀、真空泵或大气；所述氧气纯度检测支路由所述试验釜向外依次是高压电磁阀、减压阀、氧气纯度检测仪；所述压力检测支路由所述试验釜向外依次是压力表、超高压力传感器。
上述超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置，所述控制系统由控制柜、工控机、PLC、人机操作系统组成。
上述超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置，所述数据获取系统由红外热像仪、氧气纯度分析仪、超高压压力传感器、高速摄像机、支架等组成。氧气浓度为15％-100％，试验釜内氧气的含量对喉衬金属燃烧影响较大，例如碳钢在空气中燃烧会产生大量亚铁氧化物，而在氧气含量较高的环境中则会产生铁的氧化物，这对不锈钢的烧蚀率影响较大，因此要模拟喉衬在飞行过程中的环境，需要氧气纯度分析仪检测试验釜内的氧气浓度，才能进行测试。
上述超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置，所述加热点火装置为镍铬合金。
上述超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置，所述红外热像仪的量程范围为室温～3000℃，频率为100次/秒。
利用上述超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置的测试方法，其特征在于，包括：
步骤一：将用于弹药喉衬加工的金属材料制成直径为3.2mm，长度为50-101.6mm的样条，该样条的尺寸决定试验釜内压力，若样条体积过大，完全燃烧后释放热量过大，造成试验釜内压力的急剧升高，发生危险；
步骤二：将原材料样条垂直固定在夹持装置上，经过试验，若金属材料为W、Mo、Ta、Nb、Re等惰性金属，镍铬合金加热点火装置不足以将惰性金属点燃，需要在样条底部固定助燃块，助燃块在空气中燃点在600℃以下，体积不超过100mm3；
步骤三：将样条沿陶瓷夹导轨上下移动，保证样条在陶瓷夹和陶瓷杠杆之间实现完全闭合；
步骤三：通过液压系统闭合试验釜，打开真空泵及氧气压缩机，提高试验釜内氧气浓度及压力，通过高压压力传感器及氧气纯度分析仪检测釜内压力及氧气浓度，当达到所需要的压力和浓度时，关闭真空泵及氧气压缩机，并闭合该气路上的隔离阀和电磁阀，试验釜内的氧气浓度必须保证在燃烧结束后釜内的氧气不超过10％，超过10％则会造成釜内压力超限；
步骤四：电磁铁控制陶瓷杠杆与样条的接触与断开，当对样条进行加热时，电磁铁断电，电磁铁内弹簧将陶瓷杠杆弹起，陶瓷支架与样条端部接触，试验样条加热，通过红外热像仪实时记录样条的温度，若达到所需要的温度，则关闭加热点火装置；
步骤五：电磁铁通电，电磁铁内弹簧带动陶瓷杠杆下降，使陶瓷支架与样条脱离，增大加热点火装置的电流，对样条进行点燃，每次点燃时间为1-2s；
步骤六：若样条被点燃，则降低试验釜内压力或温度，再次进行点燃试验，若样条未被点燃，则需要在相同工艺条件下再进行5组试验，若还未点燃，再提高试验釜内压力或温度，压力和温度每次只能选择一个进行变化，通过高速摄像机观察燃烧情况，若连续5次点燃试验未被点燃，则该种材料不能被点燃的概率为41％，若连续22次均未被点燃，则该种材料不能被点燃的概率为90％；
步骤七：记录最高未燃压力/温度和最低点燃压力/温度；
步骤八：通过排气阀对试验釜内进行泄压，待压力传感器检测试验釜内压力与常压一致后打开试验釜；
步骤九：操作人员对剩余金属样条进行测量，记录其烧蚀率；
步骤十：通过高压压力传感器对试验釜内压力进行实时测量，若釜内压力达到设计值，则安全阀打开进行泄压。
与现有技术相比，本发明的优点是：能模拟喷管喉衬在富氧、高温、高压下的烧蚀现象，可连续获取不同温度、压力、氧气浓度下的烧蚀特性，降低了试验周期，且结构简单、成本较低、自动化程度较高，通过所述测试方法获得的喉衬金属烧蚀数据可以为喷管喉衬的设计提供支撑。该优点的实现是依靠以下三方面的技术：(1)通过液压系统实现试验釜的自动打开和锁紧，自动化程度高，由于该试验釜需要承担高压，频繁打开对试验釜的设计提出了很高的要求，本发明通过密封圈及锥面进行双重密封，通过液压系统进行锁死，通过锥面保证试验釜在开合过程中的定位；(2)通过在试验釜侧壁开有观察视窗，并安装了温度、压力、氧气纯度等检测装置，实现了对试验釜内燃烧过程的实时观察和测量，通过设计安全隔膜防止火焰在氧气进气支路发生回火，安装安全阀防止试验釜内压力的升高造成危险或影响设备使用寿命；(3)确定了一套用于喉衬加工金属材料的烧蚀性能测试方法，可以获得最高未燃压力/温度、最低点燃压力/温度及烧蚀率等说明金属烧蚀特性的参数，最终指导喉衬设计及材料的选择，保障弹箭的超高速飞行。
附图说明
图1：超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置结构示意图。
图2：超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置的气路原理图。
图3：超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置加热点火装置示意图。
图4：超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置电磁铁工作示意图。
图中1.液压系统，2.气源系统，3.下连接板，4.移动釜，5.移动釜盖，6.密封圈，7.减压阀，8.陶瓷底座，9.陶瓷夹，10.高速摄像机，11.试验釜，12.固定釜，13.上连接板，14.红外热像仪，15.数据获取系统，16.安全阀，17.控制系统，18.加热点火装置，19.安全隔膜，20.隔离阀，21.压力计，22.氧气压缩机，23.压力表，24.储气瓶，25.高压电磁阀，26.排气阀，27.真空泵，28.高压电磁阀，29.氧气纯度分析仪，30.压力表，31.超高压力传感器，32.陶瓷支架，33.电磁铁,34.陶瓷杠杆，35.收集盘，36.导线，37.陶瓷夹导轨，38.试验样条，39.磁力弹簧，40.隔热外套。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
请参阅图1，本发明的一种超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置，1为液压系统、11为试验釜、2为气源系统、17为控制系统、15为数据获取系统。
请参阅图1，所述液压系统1为C型单臂油压机。
请参阅图1，所述试验釜11由固定釜12、移动釜4、密封圈6组成；所述固定釜12由不锈钢锻造而成；所述移动釜4由夹持装置9、加热点火装置18、收集盘、陶瓷底座8和移动釜盖5组成；所述移动釜盖5为不锈钢锻造而成；所述加热点火装置18材质为镍铬合金，其加热的温度范围为0-1600℃。
请参阅图2，所述气源系统2包括进气与增压支路、排气泄压与真空支路、氧气纯度检测支路、压力检测支路四条支路；
请参阅图1，所述控制系统17由控制柜、工控机、PLC、人机操作系统组成；
请参阅图1，所述数据获取系统15由红外热像仪14、氧气纯度分析仪29、超高压压力传感器31、高速摄像机10、支架等组成；所述红外热像仪14的量程范围为室温～3000℃，频率为100次/秒。
请参阅图3，所述加热点火装置18、收集盘35均固定于所述陶瓷底座8上；所述加热点火装置18由陶瓷支架32、电磁铁33、陶瓷杠杆34、导线36、陶瓷夹9、陶瓷夹导轨37组成；
请参阅图4，所述电磁铁33上端连接磁力弹簧39，电磁铁33外面包覆隔热外套40。
实施例1：
此实施例中所述超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置的测试方法，其主要用于W、Mo、Ta、Nb、Re等金属的点燃，工作压力为0-10MPa，加热的温度范围为0-1600℃。
经过计算，若W、Mo、Ta、Nb、Re等金属的金属样条完全燃烧后试验釜11内压力最高可升至36MPa，因此试验釜11的设计压力为40MPa，釜内直径为200mm，釜内高度为200mm。
由于试验釜内设计压力为40MPa，釜内直径为200mm，因此油压机选择160T的输出作用力。
固定釜12的壁厚根据计算为42mm，上封盖的厚度为42mm；移动釜盖5厚度为50mm；
氧气浓度为15％-17％，模拟喉衬在高空飞行过程中的环境。
步骤一：将用于弹药喉衬加工的金属材料制成直径为3.2mm，长度为101.6mm的样条；
步骤二：将原材料样条垂直固定在夹持装置上，在样条底部固定铝制助燃块，助燃块直径6mm，高度5mm；
步骤三：通过液压系统闭合试验釜，打开真空泵及氧气压缩机，提高试验釜内氧气浓度及压力，通过高压压力传感器及氧气纯度分析仪检测釜内压力及氧气浓度，当达到所需要的压力和浓度时，关闭真空泵及氧气压缩机，并闭合该气路上的隔离阀和电磁阀；
步骤四：打开加热点火装置对样条进行加热，通过红外热像仪实时记录样条的温度，若达到所需要的温度，则关闭加热点火装置；
步骤五：增大加热点火装置的电流，对样条进行点燃，每次点燃时间为2s；
步骤六：若样条被点燃，则降低试验釜内压力或温度，再次进行点燃试验，若样条未被点燃，则需要在相同工艺条件下再进行5组试验，若还未点燃，再提高试验釜内压力或温度，压力和温度每次只能选择一个进行变化，通过高速摄像机观察燃烧情况；
步骤七：记录最高未燃压力/温度和最低点燃压力/温度；
步骤八：通过排气阀对试验釜内进行泄压，待压力传感器检测试验釜内压力与常压一致后打开试验釜；
步骤九：操作人员对剩余金属样条进行测量，记录其烧蚀率；
步骤十：通过高压压力传感器对试验釜内压力进行实时测量，若釜内压力达到设计值，则安全阀打开进行泄压。
实施例2：
此实施例中所述超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置的测试方法，其主要用于不锈钢、碳钢等金属的点燃，工作压力为0-10MPa，加热的温度范围为0-1600℃。
经过计算，若金属样条完全燃烧后试验釜11内压力最高可升至15MPa，因此试验釜11的设计压力为16MPa，釜内直径为200mm，釜内高度为200mm。
由于试验釜内设计压力为16MPa，釜内直径为200mm，因此油压机选择160T的输出作用力。
固定釜12的壁厚根据计算为25mm，上封盖的厚度为25mm；移动釜盖5厚度为30mm；
氧气浓度为20％，模拟喉衬在低空飞行过程中的环境。
步骤一：将用于金属材料制成直径为3.2mm，长度为80mm的样条；
步骤二：将原材料样条垂直固定在夹持装置上；
步骤三：通过液压系统闭合试验釜，打开真空泵及氧气压缩机，提高试验釜内氧气浓度及压力，通过高压压力传感器及氧气纯度分析仪检测釜内压力及氧气浓度，当达到所需要的压力和浓度时，关闭真空泵及氧气压缩机，并闭合该气路上的隔离阀和电磁阀；
步骤四：打开加热点火装置对样条进行加热，通过红外热像仪实时记录样条的温度，若达到所需要的温度，则关闭加热点火装置；
步骤五：增大加热点火装置的电流，对样条进行点燃，每次点燃时间为2s；
步骤六：若样条被点燃，则降低试验釜内压力或温度，再次进行点燃试验，若样条未被点燃，则需要在相同工艺条件下再进行5组试验，若还未点燃，再提高试验釜内压力或温度，压力和温度每次只能选择一个进行变化，通过高速摄像机观察燃烧情况；
步骤七：记录最高未燃压力/温度和最低点燃压力/温度；
步骤八：通过排气阀对试验釜内进行泄压，待压力传感器检测试验釜内压力与常压一致后打开试验釜；
步骤九：操作人员对剩余金属样条进行测量，记录其烧蚀率；
步骤十：通过高压压力传感器对试验釜内压力进行实时测量，若釜内压力达到设计值，则安全阀打开进行泄压。
本发明不限于上述实施例，其技术方案已在发明内容部分予以说明。

Claims (2)

1.一种超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置，包括：液压系统(1)、试验釜(11)、气源系统(2)、控制系统(17)和数据获取系统(15)；
所述液压系统(1)为C型单臂油压机；
所述试验釜(11)由固定釜(12)、移动釜(4)和密封圈(6)组成；所述固定釜(12)通过上连接板(13)与所述液压系统(1)顶面相连，所述移动釜(4)通过下连接板(3)与所属液压系统(1)底面相连；所述密封圈(6)安装于固定釜(12)和移动釜(4)中间，用于固定釜(12)和移动釜(4)的密封；
所述固定釜(12)由不锈钢锻造而成，壁厚应根据试验釜(11)要求的氧气压力进行计算，但需要考虑试验釜(11)内燃烧生热造成的压力升高；所述固定釜(12)侧壁面开有两个视窗，分别用于红外热象仪(14)视窗和高速摄像机(10)视窗；所述固定釜(12)下部有飞边，便于密封圈(6)的安装；所述固定釜(12)内壁面下端口开有锥面，便于固定釜(12)和移动釜(4)的定位和密封；
所述移动釜(4)由加热点火装置(18)、收集盘(35)、陶瓷底座(8)和移动釜盖(5)组成；所述加热点火装置(18)、收集盘(35)均固定于所述陶瓷底座(8)上；所述加热点火装置(18)由陶瓷支架(32)、电磁铁(33)、陶瓷杠杆(34)、导线(36)、陶瓷夹(9)、陶瓷夹导轨(37)和试验样条(38)组成；所述电磁铁(33)上端连接磁力弹簧(39)；所述电磁铁(35)外面包覆隔热外套(40)；所述陶瓷底座(8)放置在移动釜盖(5)内；所述移动釜盖(5)为不锈钢锻造而成，厚度应根据试验釜(11)要求的氧气压力进行计算，但需要考虑试验釜(11)内燃烧生热造成的压力升高；所述移动釜盖(5)有飞边，便于密封圈(6)的安装；所述移动釜盖(5)顶部有圆锥形凸台，用于与所述固定釜(12)的定位和密封；所述加热点火装置(18)材质为镍铬合金；
所述气源系统(2)包括进气与增压支路、排气泄压与真空支路、氧气纯度检测支路、压力检测支路四条支路；所述进气与增压支路由所述试验釜(11)向外依次是安全隔膜(19)、隔离阀(20)、压力计(21)、氧气压缩机(22)、压力表(23)和储气瓶(24)；所述排气泄压与真空支路由所述试验釜(11)向外依次是安全阀(16)、高压电磁阀(25)、排气阀(26)和真空泵(27)或大气；所述氧气纯度检测支路由所述试验釜(11)向外依次是高压电磁阀(28)、减压阀(7)和氧气纯度检测仪(29)；所述压力检测支路由所述试验釜(11)向外依次是压力表(30)和超高压力传感器(31)；
所述控制系统(17)由控制柜、工控机、PLC和人机操作系统组成；
所述数据获取系统(15)由红外热像仪(14)、氧气纯度分析仪(29)、超高压压力传感器(31)、高速摄像机(10)和支架组成；所述红外热像仪(14)的量程范围为室温～3000℃，频率为100次/秒，氧气浓度为15％-100％。
2.根据权利要求1所述的超高速弹药喉衬烧蚀性能测试装置的测试方法，其特征在于，包括：
步骤一：将用于弹药喉衬加工的金属材料制成直径为3.2mm，长度为50-101.6mm的样条；
步骤二：将原材料样条垂直固定在夹持装置上，若金属材料为W、Mo、Ta、Nb或Re的惰性金属，需要在样条底部固定助燃块，助燃块在空气中燃点在600℃以下，体积不超过100mm3；
步骤三：将样条沿陶瓷夹导轨上下移动，保证样条在陶瓷夹和陶瓷支架之间实现完全闭合；
步骤三：通过液压系统闭合试验釜，打开真空泵及氧气压缩机，提高试验釜内氧气浓度及压力，通过高压压力传感器及氧气纯度分析仪检测釜内压力及氧气浓度，当达到所需要的压力和浓度时，关闭真空泵及氧气压缩机，并闭合气路上的隔离阀和电磁阀，试验釜内的氧气浓度必须保证在燃烧结束后釜内的氧气不超过10％；
步骤四：电磁铁控制陶瓷杠杆与样条的接触与断开，当对样条进行加热时，电磁铁断电，电磁铁内弹簧将陶瓷杠杆弹起，陶瓷支架与样条端部接触，试验样条加热，通过红外热像仪实时记录样条的温度，若达到所需要的温度，则关闭加热点火装置；
步骤五：电磁铁通电，电磁铁内弹簧带动陶瓷杠杆下降，使陶瓷支架与样条脱离，增大加热点火装置的电流，对样条进行点燃，每次点燃时间为1-2s；
步骤六：若样条被点燃，则降低试验釜内压力或温度，再次进行点燃试验，若样条未被点燃，则需要在相同工艺条件下再进行5组试验，若还未点燃，再提高试验釜内压力或温度，压力和温度每次只能选择一个进行变化，通过高速摄像机观察燃烧情况，若连续5次点燃试验未被点燃，则该种材料不能被点燃的概率为41％，若连续22次均未被点燃，则该种材料不能被点燃的概率为90％；
步骤七：记录最高未燃压力/温度和最低点燃压力/温度；
步骤八：通过排气阀对试验釜内进行泄压，待压力传感器检测试验釜内压力与常压一致后打开试验釜；
步骤九：操作人员对剩余金属样条进行测量，记录其烧蚀率；
步骤十：通过高压压力传感器对试验釜内压力进行实时测量，若釜内压力达到设计值，则安全阀打开进行泄压。
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