CN109580697B - 炮管材料烧蚀试验装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种炮管材料烧蚀试验装置和方法，炮管材料烧蚀试验装置包括密闭爆发器，密闭爆发器包括圆筒、第一堵头、第二堵头、挡环、点火电极和衬筒，所述圆筒的端面上轴向开有通孔，所述第一堵头和第二堵头分别密封安装在通孔的右侧和左侧，所述第一堵头的表面开有第一穿孔，第一堵头的右表面开有与第一穿孔相贯通的第一凹槽，该第一凹槽的底面上安装有爆破膜片，所述挡环连接在第一堵头的左侧，该挡环的外侧壁和通孔的侧壁之间形成有供试件安装的容置区域，所述第二堵头的表面开有供点火电极插设的第二穿孔，所述衬筒插设在通孔内，并设置在第二堵头的右侧。与现有技术相比，本发明的优点在于：相对安全、成本较低且能够最大程度地模拟烧蚀过程。

Description

炮管材料烧蚀试验装置和方法
技术领域
本发明涉及结构部件测试技术领域，具体指一种炮管材料烧蚀试验装置和方法。
背景技术
炮管的烧蚀是现代火炮炮管寿命不足的主要原因，为提高炮管寿命，科研工作者在不断研制高性能的炮管材料以及抗烧蚀内膛涂层材料，而材料抗烧蚀性能的研究和表征，都需要通过烧蚀试验对材料的烧蚀性能做出评价。但由于炮管烧蚀是化学反应烧蚀、热烧蚀、机械烧蚀几种机理共同作用的复杂过程，要在烧蚀试验中，同时再现几种烧蚀反应的作用结果，非常困难。
如专利申请号为CN201810041394.3(公告号为CN108562507A)的发明专利公开了一种速射武器炮管抗烧蚀磨损实验方法及装置，该方法存在的问题有：一是采用了管腔外部加热的方法，不能反映发射药燃烧升温的过程对管壁造成的影响；二是将火药气体从外部导入管腔，不能反映炮管承受动态载荷而发生的变化。可见，该方法不能反映炮管武器发射时的受载和温度场状况，试验结果自然会与实际情况相差太多，影响其参考价值。
实弹射击是能够最大程度地模拟烧蚀过程的方法，但是对于大口径火炮来说，其成本是一般科研无法承受的，而且随着装药量和试验发数的提高，试验的危险性也势必增加。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是针对现有技术的现状，提供一种相对安全、成本较低、能够最大程度地模拟烧蚀过程的炮管材料烧蚀试验装置。
本发明所要解决的第二个技术问题是提供一种相对安全、成本较低、能够最大程度地模拟烧蚀过程的炮管材料烧蚀试验方法。
本发明解决第一个技术问题所采用的技术方案为：一种炮管材料烧蚀试验装置，其特征在于：包括密闭爆发器和安装支架，所述密闭爆发器包括圆筒、第一堵头、第二堵头、挡环、点火电极和衬筒，所述圆筒的端面上轴向开有通孔，所述第一堵头和第二堵头分别密封安装在通孔的右侧和左侧，所述第一堵头的表面开有第一穿孔，所述第一堵头的右表面开有与第一穿孔相贯通的第一凹槽，该第一凹槽的底面上安装有爆破膜片，所述挡环连接在第一堵头的左侧，该挡环的外侧壁和通孔的侧壁之间形成有供试件安装的容置区域，所述第二堵头的表面开有供点火电极插设的第二穿孔，所述衬筒插设在通孔内，并设置在第二堵头的右侧，所述安装支架包括第一挡板、第二挡板和拉杆，所述第一挡板和第二挡板分别夹持在密闭爆发器的右侧和左侧，并通过拉杆进行连接，试件安装于容置区域中时，试件与挡环之间留有狭缝。
优选地，所述密闭爆发器还包括第一密封圈、第二密封圈、第三密封圈和第四密封圈，所述第一堵头的外侧壁上开设有第一环形凹槽，所述第一密封圈和第二密封圈夹设在第一环形凹槽和通孔的侧壁之间，所述第二堵头的外侧壁上开设有第二环形凹槽，所述第三密封圈和第四密封圈夹设在第二环形凹槽和通孔的侧壁之间，从而提高炮管材料烧蚀试验装置的密封性。
进一步，所述第一密封圈和第三密封圈为三角形密封圈，所述第二密封圈和第四密封圈为O形密封圈。
优选地，所述挡环设有突起部，所述第一堵头的左表面开有与第一穿孔相贯通的第二凹槽，所述突起部和第二凹槽通过螺纹连接结构进行连接。
优选地，所述第一凹槽的侧壁上螺纹连接有螺栓，所述爆破膜片夹设在第一凹槽的底面和螺栓的端面之间，从而实现爆破膜片在第一堵头上的固定。
优选地，所述第一挡板的表面至少开设有两个第一连接孔，所述第二挡板的表面开设有与各所述第一连接孔同轴的第二连接孔，所述拉杆插设在同轴的第一连接孔和第二连接孔中，且拉杆的外侧壁螺纹连接有第一螺母和第二螺母，第一螺母与第一挡板的右表面相抵，第二螺母与第二挡板的左表面相抵，使密闭爆发器夹紧在安装支架上。安装支架的作用是承受模拟发射时的轴向力。
优选地，还包括测试系统，该测试系统包括应变片、压电晶体传感器、应变仪、电荷放大器和USB数据采集仪，所述应变片沿切线方向粘贴在试件的外表面，并与应变仪进行电连接，所述应变仪与USB数据采集仪进行电连接，所述圆筒的侧壁上径向开有台阶孔，所述压电晶体传感器密封安装在台阶孔中，并与电荷放大器进行电连接，所述电荷放大器与USB数据采集仪进行电连接。各仪器设备的作用：用压电晶体传感器测量密闭爆发器内压，应变片测量密闭爆发器外表面切向应变，电荷放大器和应变仪做调理，USB数据采集仪进行数据采集。
本发明解决第二个技术问题所采用的技术方案为：一种采用上述炮管材料烧蚀试验装置的炮管材料烧蚀试验方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)清洗试件：用无水乙醇清洗试件，并自然晾干；
(2)测量试件的内径；
(3)在试件的外表面沿切线方向粘贴应变片；
(4)对压电晶体传感器进行标定；
(5)对上述炮管材料烧蚀试验装置进行安装：
A、先将试件放置在圆筒的通孔中，然后将爆破膜片安装在第一堵头的第一凹槽的底面上，将挡环连接在第一堵头的左侧，再将第一堵头装入圆筒的通孔的右侧，接着从圆筒的通孔的左侧装入衬筒，将点火电极插设在第二堵头的第二穿孔中，再将称量好的发射药包放在衬筒中，再将点火电极连接点火头，第二堵头装入圆筒的通孔的左侧；
B、将密闭爆发器夹紧安装在由第一挡板、第二挡板和拉杆构成的安装支架中；
C、将压电晶体传感器安装在圆筒的台阶孔中形成密闭空间；
D、连接测试系统的仪器设备并进行仪器设备调试及参数设置；
(6)炮管材料烧蚀试验装置的较验：点火进行小装药量的试爆，对实验装置进行检查，确定其安全可靠性，对仪器设备进行再次调试，确定参数设置是否合理；
其中，实验过程如下：点火，发射药爆炸产生的压力冲破爆破膜片，试件受到火药气体的烧蚀和冲刷，在一定的爆炸次数后取出试件，称量重量得到烧蚀的结果；
(7)进行实验并保存实验数据：根据小装药量试爆的结果，酌情增加火药量，直到预期的压力峰值；保存原始数据；对仪器进行标定，记下标定值，以便后期处理；改换不同径比的圆筒再次进行实验，火药量酌情加减。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
(1)采用密闭的密闭爆发器作为炮管材料烧蚀研究工具，可以定量装药进行爆炸试验，通过装药量的调整实现火炮发射对应的膛压值；
(2)通过爆破膜片的调整模拟火炮发射的压力曲线；
(3)对材料能形成高温、高压、高应变率的受力环境，最大程度地模拟试件在火药气体的高温和化学烧蚀作用下的烧蚀行为，鉴定不同炮管材料耐烧蚀性能，以及不同内膛涂镀层防烧蚀效果；
(4)采用小型试验装置，相对安全、高效地完成试件的烧蚀模拟试验，且成本较低。
附图说明
图1为炮管材料烧蚀试验装置的局部剖视图；
图2为图1中密闭爆发器的剖视图；
图3为图2中Ⅰ部分的放大图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
如图1至图3所示，一种炮管材料烧蚀试验装置，包括密闭爆发器、安装支架和测试系统。
密闭爆发器包括圆筒1、第一堵头2、第二堵头3、挡环4、点火电极5、衬筒6、第一密封圈c、第二密封圈d、第三密封圈e和第四密封圈f。圆筒1的端面上轴向开有通孔11，第一堵头2和第二堵头3分别密封安装在通孔11的右侧和左侧。其中，第一堵头2的表面开有第一穿孔21，第一堵头2的右表面开有与第一穿孔21相贯通的第一凹槽22，该第一凹槽22的底面上安装有爆破膜片a，为使密闭爆发器内压力曲线相近于实际火炮发射时的膛压曲线，专门安装上述用于控压的爆破膜片a，爆破膜片a的采用是在保证膛压曲线上升沿的基础上，产生相应的下降沿，同时控制压力峰值。本实施例中，第一凹槽22的侧壁上螺纹连接有螺栓g，爆破膜片a夹设在第一凹槽22的底面和螺栓g的端面之间，从而实现爆破膜片a在第一堵头2上的固定。挡环4连接在第一堵头2的左侧，该挡环4的外侧壁和通孔11的侧壁之间形成有供试件j安装的容置区域b，挡环4和第一堵头2的连接可通过多种方式实现，本实施例中，挡环4设有突起部41，第一堵头2的左表面开有与第一穿孔21相贯通的第二凹槽23，突起部41和第二凹槽23通过螺纹连接结构进行连接，从而实现挡环4和第一堵头2的连接。另外，挡环4的内腔与第一穿孔21相贯通。试件j安装于容置区域b中时，试件j与挡环4之间留有狭缝，本实施例中，该狭缝宽度为1mm，在试件j与挡环4之间设计1mm宽的狭缝结构，使火药爆炸后，气体高速通过狭缝作用于试件j的内表面，从而在较低压力下，就能获得瞬时高温和高速气流冲刷的效果，接近火炮发射的实际情况，并在较少试验发数时反映出试件的烧蚀情况，保证了试验安全，降低了试验成本。第二堵头3的表面开有供点火电极5插设的第二穿孔31，衬筒6插设在通孔11内，并设置在第二堵头3的右侧，衬筒6的设置可以减少体积空间。
为了提高炮管材料烧蚀试验装置的密封性，第一堵头2的外侧壁上开设有第一环形凹槽24，第一密封圈c和第二密封圈d夹设在第一环形凹槽24和通孔11的侧壁之间，第二堵头3的外侧壁上开设有第二环形凹槽32，第三密封圈e和第四密封圈f夹设在第二环形凹槽32和通孔11的侧壁之间，其中，第一密封圈c和第三密封圈e为三角形密封圈，第二密封圈d和第四密封圈f为O形密封圈。
安装支架包括第一挡板7、第二挡板8和拉杆9，第一挡板7和第二挡板8分别夹持在密闭爆发器的右侧和左侧，并通过拉杆9进行连接，本实施例中，第一挡板7的表面至少开设有两个第一连接孔71，第二挡板8的表面开设有与各所述第一连接孔71同轴的第二连接孔81，拉杆9插设在同轴的第一连接孔71和第二连接孔81中，且拉杆9的外侧壁螺纹连接有第一螺母h和第二螺母i，第一螺母h与第一挡板7的右表面相抵，第二螺母i与第二挡板8的左表面相抵，使密闭爆发器夹紧在安装支架上。安装支架的作用是承受模拟发射时的轴向力。
测试系统包括应变片、压电晶体传感器、应变仪、电荷放大器和USB数据采集仪，应变片沿切线方向粘贴在试件j的外表面，并与应变仪进行电连接，应变仪与USB数据采集仪进行电连接，圆筒1的侧壁上径向开有台阶孔12，压电晶体传感器密封安装在台阶孔12中，并与电荷放大器进行电连接，电荷放大器与USB数据采集仪进行电连接。各仪器设备的作用：用压电晶体传感器测量密闭爆发器内压，应变片测量密闭爆发器外表面切向应变，电荷放大器和应变仪做调理，USB数据采集仪进行数据采集。本实施例中，台阶孔12的数量为两个。
为了安全起见，密闭爆发器外设置有钢板制造安全罩。
基于上述炮管材料烧蚀试验装置，炮管材料烧蚀试验方法包括以下步骤：
(1)清洗试件j：用无水乙醇清洗试件j，并自然晾干；
(2)测量试件j的内径；
(3)在试件j的外表面沿切线方向粘贴应变片；
(4)对压电晶体传感器进行标定；
(5)对炮管材料烧蚀试验装置进行安装：
A、先将试件j放置在圆筒1的通孔11中，然后通过螺栓g将爆破膜片a夹紧安装在第一堵头2的第一凹槽22的底面上，将挡环4的突起部41通过螺纹连接在第一堵头2的第二凹槽23中，将第一密封圈c和第二密封圈d嵌装在第一堵头2的第一环形凹槽24中，再将第一堵头2装入圆筒1的通孔11的右侧，接着从圆筒1的通孔11的左侧装入衬筒6，将点火电极5插设在第二堵头3的第二穿孔31中，用环氧树脂做绝缘层，再将称量好的发射药包放在衬筒6中，再将点火电极5连接点火头，将第三密封圈e和第四密封圈f嵌装在第二堵头3的第二环形凹槽32中，然后将第二堵头3装入圆筒1的通孔11的左侧；
采用制式的点火头保证点火的一致性和可靠性；
B、将密闭爆发器放入由第一挡板7、第二挡板8和拉杆9构成的安装支架中，调节第一螺母h和第二螺母i，使得第一螺母h与第一挡板7的右表面相抵，第二螺母i与第二挡板8的左表面相抵，使密闭爆发器夹紧在安装支架上；
C、将压电晶体传感器安装在圆筒1的台阶孔12中形成密闭空间；
D、连接测试系统的仪器设备并进行仪器设备调试及参数设置；
(6)炮管材料烧蚀试验装置的较验：点火进行小装药量的试爆，对实验装置进行检查，确定其安全可靠性，对仪器设备进行再次调试，确定参数设置是否合理；
其中，实验过程如下：点火，通过电点火，使火药爆炸产生阶跃压力，发射药爆炸产生的压力冲破爆破膜片a，试件j受到火药气体的烧蚀和冲刷，在一定的爆炸次数后取出试件j，称量重量得到烧蚀的结果；
(7)进行实验并保存实验数据：根据小装药量试爆的结果，酌情增加火药量，直到预期的压力峰值；保存原始数据；对仪器进行标定，记下标定值，以便后期处理；改换不同径比的圆筒1再次进行实验，火药量酌情加减。
综上所述，采用密闭的密闭爆发器作为炮管材料烧蚀研究工具，可以定量装药进行爆炸试验，通过模拟试件在火药气体的高温和化学烧蚀作用下的烧蚀行为，鉴定不同炮管材料耐烧蚀性能，以及不同内膛涂镀层防烧蚀效果，对所研究对象的烧蚀特性进行相对比较，用于火炮新材料的研制、筛选，以及烧蚀特性、烧蚀机理的研究。
在相似的工况环境下，实现以小模拟大，以少模拟多，用较少试验发数反映出试样的烧蚀情况，节约大量试验成本，并且保证了试验安全，获得可靠的试验数据，有力支持炮管材料的烧蚀研究。

Claims (6)

1.一种炮管材料烧蚀试验装置，其特征在于：包括密闭爆发器、安装支架和测试系统，所述密闭爆发器包括圆筒(1)、第一堵头(2)、第二堵头(3)、挡环(4)、点火电极(5)和衬筒(6)，所述圆筒(1)的端面上轴向开有通孔(11)，所述第一堵头(2)和第二堵头(3)分别密封安装在通孔(11)的右侧和左侧，所述第一堵头(2)的表面开有第一穿孔(21)，所述第一堵头(2)的右表面开有与第一穿孔(21)相贯通的第一凹槽(22)，该第一凹槽(22)的底面上安装有爆破膜片(a)，所述挡环(4)连接在第一堵头(2)的左侧，该挡环(4)的外侧壁和通孔(11)的侧壁之间形成有供试件(j)安装的容置区域(b)，所述第二堵头(3)的表面开有供点火电极(5)插设的第二穿孔(31)，所述衬筒(6)插设在通孔(11)内，并设置在第二堵头(3)的右侧，所述衬筒(6)的周壁上设有开孔，所述安装支架包括第一挡板(7)、第二挡板(8)和拉杆(9)，所述第一挡板(7)和第二挡板(8)分别夹持在密闭爆发器的右侧和左侧，并通过拉杆(9)进行连接，试件(j)安装于容置区域(b)中时，试件(j)与挡环(4)之间留有狭缝；
所述测试系统包括应变片、压电晶体传感器、应变仪、电荷放大器和USB数据采集仪，所述应变片沿切线方向粘贴在试件(j)的外表面，并与应变仪进行电连接，所述应变仪与USB数据采集仪进行电连接，所述圆筒(1)的侧壁上径向开有台阶孔(12)，所述压电晶体传感器密封安装在台阶孔(12)中，并与电荷放大器进行电连接，所述电荷放大器与USB数据采集仪进行电连接；
所述炮管材料烧蚀试验装置的炮管材料烧蚀试验方法包括以下步骤：
(1)清洗试件(j)：用无水乙醇清洗试件(j)，并自然晾干；
(2)测量试件(j)的内径；
(3)在试件(j)的外表面沿切线方向粘贴应变片；
(4)对压电晶体传感器进行标定；
(5)对炮管材料烧蚀试验装置进行安装：
A、先将试件(j)放置在圆筒(1)的通孔(11)中，然后将爆破膜片(a)安装在第一堵头(2)的第一凹槽(22)的底面上，将挡环(4)连接在第一堵头(2)的左侧，再将第一堵头(2)装入圆筒(1)的通孔(11)的右侧，接着从圆筒(1)的通孔(11)的左侧装入衬筒(6)，将点火电极(5)插设在第二堵头(3)的第二穿孔(31)中，再将称量好的发射药包放在衬筒(6)中，再将点火电极(5)连接点火头，第二堵头(3)装入圆筒(1)的通孔(11)的左侧；
B、将密闭爆发器夹紧安装在由第一挡板(7)、第二挡板(8)和拉杆(9)构成的安装支架中；
C、将压电晶体传感器安装在圆筒(1)的台阶孔(12)中形成密闭空间；
D、连接测试系统的仪器设备并进行仪器设备调试及参数设置；
(6)炮管材料烧蚀试验装置的较验：点火进行小装药量的试爆，对实验装置进行检查，确定其安全可靠性，对仪器设备进行再次调试，确定参数设置是否合理；
其中，实验过程如下：点火，发射药爆炸产生的压力冲破爆破膜片(a)，试件(j)受到火药气体的烧蚀和冲刷，在一定的爆炸次数后取出试件(j)，称量重量得到烧蚀的结果；
(7)进行实验并保存实验数据：根据小装药量试爆的结果，酌情增加火药量，直到预期的压力峰值；保存原始数据；对仪器进行标定，记下标定值，以便后期处理；改换不同径比的圆筒(1)再次进行实验，火药量酌情加减。
2.根据权利要求1所述的炮管材料烧蚀试验装置，其特征在于：所述密闭爆发器还包括第一密封圈(c)、第二密封圈(d)、第三密封圈(e)和第四密封圈(f)，所述第一堵头(2)的外侧壁上开设有第一环形凹槽(24)，所述第一密封圈(c)和第二密封圈(d)夹设在第一环形凹槽(24)和通孔(11)的侧壁之间，所述第二堵头(3)的外侧壁上开设有第二环形凹槽(32)，所述第三密封圈(e)和第四密封圈(f)夹设在第二环形凹槽(32)和通孔(11)的侧壁之间。
3.根据权利要求2所述的炮管材料烧蚀试验装置，其特征在于：所述第一密封圈(c)和第三密封圈(e)为三角形密封圈，所述第二密封圈(d)和第四密封圈(f)为O形密封圈。
4.根据权利要求1所述的炮管材料烧蚀试验装置，其特征在于：所述挡环(4)设有突起部(41)，所述第一堵头(2)的左表面开有与第一穿孔(21)相贯通的第二凹槽(23)，所述突起部(41)和第二凹槽(23)通过螺纹连接结构进行连接。
5.根据权利要求1所述的炮管材料烧蚀试验装置，其特征在于：所述第一凹槽(22)的侧壁上螺纹连接有螺栓(g)，所述爆破膜片(a)夹设在第一凹槽(22)的底面和螺栓(g)的端面之间。
6.根据权利要求1所述的炮管材料烧蚀试验装置，其特征在于：所述第一挡板(7)的表面至少开设有两个第一连接孔(71)，所述第二挡板(8)的表面开设有与各所述第一连接孔(71)同轴的第二连接孔(81)，所述拉杆(9)插设在同轴的第一连接孔(71)和第二连接孔(81)中，且拉杆(9)的外侧壁螺纹连接有第一螺母(h)和第二螺母(i)，第一螺母(h)与第一挡板(7)的右表面相抵，第二螺母(i)与第二挡板(8)的左表面相抵，使密闭爆发器夹紧在安装支架上。
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