CN109974966B - 一种高压气控制的物体多角度高速入水实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于物体高速入水实验领域。具体涉及一种高压气控制的物体多角度高速入水实验装置。本发明实现了同一套装置满足多种实验工况的需求，最高可以实现物体入水速度600m/s，入水角度在0～90度。本发明采用发射物弹托装置将发射物夹持，可以满足多尺寸形状的发射物，并在发射装置枪管端添加弹托收集器和泄气装置，避免高压气对物体入水瞬间的影响。并在发射物内安装加速度传感器，可记录在入水过程中物体的加速度变化过程。阵列光源使高速摄像机拍摄的入水过程更加清晰，以满足不同工况下的高精度实验，并且具有较好的操作性和重复性，并且在高压气罐上安装手动泄气装置，可手动泄气，安全可靠。装置结构紧凑灵活，整体所占空间小。

Description

一种高压气控制的物体多角度高速入水实验装置

技术领域

本发明属于物体高速入水实验领域。具体涉及一种高压气控制的物体多角度高速入水实验装置。

背景技术

结构入水问题的重要工程价值，对于该问题的研究受到国内外科研人员的重视，结构物入水是一个复杂的过程，分别低速和高速，目前对于低速结构入水问题的研究，无论从实验、理论推导和数值模拟均已经取得较大进展，但对于结构物高速入水问题的研究还未取得突破性的进展。结构物高速入水研究，逐渐成为国内国防科研领域的重点。

结构物在从空气高速射入水中的过程，气体、液体还有结构物相互作用，导致自由液面瞬间变化，力学模型复杂。研究入水问题对结构物入水初期至关重要，关乎结构物承受巨大跨介质载荷冲击时，其结构的安全性和可靠性。尤其是在结构物高速入水产生的超空泡的研究，而入水空泡形态的确定是预测入水初期水弹道的关键因素，对空泡形成的发展、闭合、溃灭、全湿等阶段研究也没有突破性的理论支撑，因此对结构物高速入水实验的研究具有实用以及科研价值。目前，现有技术存在以下几点不足：

1.物体入水速度限制较大，无法模拟高速或超高速的工况；

2.只考虑了单一形状物体高速入水的工况，没有实现同一套装置满足多种入水工况的需求；

3.对入水角度的限制较大，无法实现物体从0～90度的入水角度需求；

4.物体高速入水实验一般应用水池，耗费巨大且高速摄像机记录的物理现象不清晰；

5.没有对物体高速入水后，高压尾气对自由液面的影响考虑在内，无法捕捉真实物体入水情况；

6.对实验人员和装置的保护不足，由于高压的存在容易造成实验人员的伤害。

发明内容

本发明的目的是提供能满足多种实验工况的需求、实现不同尺寸形状的物体以不同的入水角度高速入水的一种高压气控制的物体多角度高速入水实验装置。

本发明的目的通过如下技术方案来实现：

一种高压气控制的物体多角度高速入水实验装置，包括发射装置和支架，所述的发射装置包括高压气罐；所述的高压气罐上设有隔离电磁阀和触发电磁阀；所述的隔离电磁阀的一端与高压气罐相连，另一端与空气压缩机相连；所述的触发电磁阀的一端与高压气罐相连，另一端与枪管相连；所述的支架上安装有升降平台，升降平台上安装有角度调节装置；所述的角度调节装置包括推杆电机，推杆电机与高压气罐的气罐顶盖连接板相连；所述的触发电磁阀与枪管的连接处安装有发射物弹托装置，枪管的另一端安装有弹托收集器及泄气装置。

本发明还可以包括：

所述的发射物弹托装置包括弹托与弹托底，弹托与弹托底内部嵌有橡胶弹夹，橡胶弹夹上设有开口槽；所述的弹托收集器与泄气装置连接处设有弹托缓冲环，所述的泄气装置四周开有泄气孔。

所述的高压气罐上安装有手动泄气装置和压力变送器；所述的手动泄气装置包括手动泄气三通，手动泄气三通进气端通过高压管与高压气罐相连，手动泄气三通的出气端设置有泄气螺栓，手动泄气三通的另一端与压力表相连。

所述的触发电磁阀与枪管通过法兰连接，在连接法兰处开有凹槽，凹槽内添加有组合垫圈密封环；所述的发射物弹托装置安装在组合垫圈密封环上；所述的高压气罐顶部开有凹槽，凹槽内放置有密封圈；所述的高压气罐上安装有气罐中盖，气罐中盖顶部开有凹槽，凹槽内放置有密封圈。

本发明还包括水箱，所述的水箱底部设有移动轮，水箱的侧面设置有观察窗，水箱的其中一个侧面顶部为凹槽结构，在水箱外部配备有光源和高速摄像机；所述的水箱设置在发射装置的枪管出口端。

所述的水箱外部配备的光源为阵列光源；所述的阵列光源为多个无频闪卤素灯采用阵列的形式布置构成；所述的阵列光源配备有移动轮底座。

本发明的有益效果在于：

1、本发明将可以自由控制发射装置的高度和角度，避免传统实验大水池的需求，可以通过小水箱的移动来满足入水角度的需求，使空间利用率最大化。

2、本发明中发射物体采用弹托的形式进行发射，可以满足不同工况下发射物体的形状和尺寸。在枪管尾部安装有弹托收集器和泄气装置，可最大程度的避免发射物尾部高压气对入水效果的影响。

3、本发明在高压气罐上配备有手动泄气三通，可在装置及电力出现意外时，直观观察高压气罐内部压力值以及可以手动拧泄气螺栓，释放高压气罐内高压，保证实验人员的安全性。

4、本发明中水箱体积小，移动自由，且一端侧面带有一凹槽，此凹槽可以实现大角度发射时水箱的最大利用率。本发明光源采用阵列光源，最大限度的提高了高速摄像机拍摄的画面清晰度。

附图说明

图1是本发明的整体示意图。

图2是本发明的支架示意图。

图3是本发明的升降平台示意图。

图4是本发明的角度调节装置示意图。

图5是入水角度0度和90度时本发明的发射装置与角度调节装置结构示意图。

图6是本发明的发射装置示意图

图7是本发明的夹有发射物的弹托装置示意图。

图8是本发明的弹托收集器及泄气装置示意图。

图9是本发明的水箱示意图。

图10是本发明的阵列光源示意图。

图11是本发明的手动泄气三通装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。应当理解，此处所描述的具体实施实例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，图1是本发明专利的整体示意图。主要由支架、升降平台、角度调节装置、发射装置、弹托收集及泄气装置、移动水箱、阵列光源和高速摄像机等几大模块组成，下面对各个组成模块详细说明。

请参阅图2，图2是本发明专利的支架示意图。支架设计为上下两层，下层主要为承重和加固，上层为布置滑轨41和电葫芦40，下层选用120mm宽，5.3mm厚的方管，上层选用80mm，3.5mm厚的方管。下层支架由四根支架底部支撑管23作为承重支撑，四根支架底部支撑管23均焊接有金属固定连接板22，用于膨胀螺栓与地面的固定。四根支架底部支撑管23由焊接有金属固定连接板22的支架底部长支撑管18和支架底部短支撑管24支撑固定，其中两根支架底部支撑管23一侧为支架底部斜撑管25，在四根支架底部支撑管23和支架底部斜撑管25上方有支架中间支撑方管33，其通过金属固定连接板22与墙面固定。滑轨座固定方管17底部均焊接有滑轨座固定方管平板20，与支架中间支撑方管33通过螺栓固定，四根滑轨座固定方管17也分别由滑轨座连接短方管31、支架顶部固定梯21和滑轨座连接长连接管19固定，且在一侧的两根滑轨座固定方管17通过螺栓固定。四个滑轨座连接短方管31通过滑轨座固定方管平板20与墙面固定，支架顶端还焊接有电葫芦底座36，电葫芦底座36是由四根电葫芦底座竖支撑管35和四根电葫芦底座横支撑管38首尾拼接组成。直接总体结构连接部分均采用螺栓连接，方便结构的组装与拆卸，且与地面和墙面相固定，满足了结构的稳定性和强度。

请参阅图3，图3是本发明专利的发射装置升降平台示意图。此装置由两个升降平台滑块固定长板9与三个滑块连接座10固定形成一个端面，分别由两个升降平台滑块固定短板12、一个滑块连接座10和一个支撑块48固定组成。所形成的两个端面由两个升降平台固定长板11定位固定，两个升降平台固定长板11之间通过轴承底座固定板13定位固定，即形成了一个升降平面，在两个升降平台滑块固定短板12所形成的端面下方分别添加一个三角支撑座52，在滑块连接座10和三角支撑座52固定六个滑块42，滑块42与支架上的滑轨41配合，在两端面安装四个吊钩66，在电葫芦的作用下实现发射装置升降平台的起升和降落。

请参阅图4和图5，图4是本发明专利的角度调节装置示意图。发射装置与角度调节装置连接由气罐顶盖连接板1完成，气罐顶盖连接板1通过螺栓与两个轴承座2固定，此外两个轴承座2与两个轴承底座14固定连接，轴承底座14与升降平台上的轴承底座固定板13固定，四个轴承座2通过轴15和轴套49配合定位，气罐顶盖连接板1与一个推杆支架45螺栓固定，另一个推杆支架与升降平台滑块固定长板9螺栓固定，推杆电机44两端分别与推杆支架45通过销47定位固定，推杆电机44通过控制台开关控制伸长与缩短，带动气罐顶盖连接板1转动，以实现不同入水角度工况的需求。图5是本发明专利的入水角度0度和90度结构示意图，详细解释了发射装置在0～90度入水角度内的转动效果，无死点无干涉，结构强度和精度可以保证。

请参阅图6，图6是本发明专利的发射装置示意图。本部分为电磁控制的高压气罐发射装置，是本发明的一个重点。高压气罐5两侧开有三个螺纹孔，分别与压力变送器8、高压管67和隔离电磁阀65相连，隔离电磁阀65另一端连接空气压缩机64，高压管67另一端连接的是手动泄气装置。高压气罐5顶部开有两个凹槽，分别放置O型密封圈B84和O型密封圈C85，高压气罐5与气罐中盖82螺纹连接固定，在气罐中盖82顶部开有一凹槽，放置O型密封圈A83，在气罐顶盖5和气罐中盖82上方通过八个螺栓将气罐顶盖连接板1固定，此设计采取了双重气密性密封与安全性防护设计。气罐中盖82与触发电磁阀6螺纹连接固定，触发电磁阀6与触发阀连接法兰4螺纹连接，触发阀连接法兰4顶部开有一凹槽，添加组合垫圈密封环86用来夹持固定发射物弹托装置，枪管连接法兰3和触发阀连接法兰4通过螺栓固定，枪管7通过螺纹与枪管连接法兰3固定。发射装置结构设计合理，结构紧凑，结构强度和安全性以及气密性均采用特殊设计，足以满足20Mpa的高压气储存以及释放。

请参阅图7，图7是本发明专利的夹有发射物的弹托装置示意图。发射物弹托由弹托73、弹托底75、橡胶弹夹74组成，弹托73和弹托底75螺纹固定，橡胶弹夹74嵌在两个零件内部，橡胶弹夹74有一开口槽，可以将发射物76夹持固定在其中，且适用于不同尺寸和形状的发射物。

请参阅图8，图8是本发明专利的弹托收集器及泄气装置示意图。由泄气装置71、弹托收集器72和弹托缓冲环87组成。弹托收集器72与发射装置枪管7螺纹连接固定，发射物弹托装置沿着枪管7高速冲到弹托收集器72内，在弹托缓冲环87的作用下，弹托装置速度减小，在这一瞬间发射物在惯性作用下沿着泄气装置71内径冲出，实现发射物的高速直线发射，而高压气罐5内的高压气沿着枪管7由弹托收集器72所开的大面积泄气孔流出，避免高压气流对发射物入水效果的影响，同时在泄气装置71四面也开了大面积泄气孔，放止弹托装置弹开以后高压气跟随发射物入水。采取双重泄气手段，有效避免了气流对入水效果的影响。

请参阅图9，图9是本发明专利的移动水箱示意图。由两个不锈钢水箱正面53、两个方形亚克力观察窗58、两个圆形亚克力观察窗57、一个不锈钢底面56、四个移动轮61、一个不锈钢水箱侧面54和一个带凹槽的不锈钢水箱侧面55组成，其中不锈钢面均焊接而成，观察窗与不锈钢板都采用螺栓连接，加以玻璃胶密封处理。值得注意的是本发明的移动水箱有一个带凹槽的不锈钢水箱侧面55，可以满足发射装置与水平面大角度的入射需求，此设计对水箱的尺寸要求较小，无需制造设计尺寸较大的水箱或水池。

请参阅图10，图10是本发明专利的阵列光源示意图。由四个移动轮61、阵列灯座架78、多个阵列的大功率无频闪卤素灯81、灯架底座79和移动轮底座80组成。本发明的阵列光源特点在于将光源采用阵列的形式布置，增加了光的强度和穿透，使高速摄像机记录的物理过程更加清晰明了。

请参阅图11，图11是本发明专利的手动泄气三通装置示意图。由手动泄气三通68、压力表69、泄气螺栓70和高压管67组成。高压管67与高压气罐5连通，当高压气罐5内冲入高压气时，沿着高压管67流入手动泄气三通装置内，使得压力表69可以实时显示高压气罐5内的压力值，旋转泄气螺栓70可以实现手动泄气。此设计的要点是保护实验人员的安全以及防止电路以及装置出现意外的情况下紧急手动卸掉装置内的高压气，同时又可以由压力表69上的压力值与压力变送器8所转化的控制显示led屏幕上的压力值进行校准。

综上，本发明专利的实验原理如下：架子与发射装置升降平台通过滑轨41和滑块42连接，在电葫芦39和吊钩66的作用下可以实现发射装置的升起和降落。在发射装置升降平台通过推杆电机44和分别固定在气罐顶盖连接板1和升降平台滑块固定长板9上的推杆支架45相配合，气罐顶盖连接板1通过轴承2和轴15相互配合固定于升降平面上的轴承底座固定板13上，推杆电机44在开关作用下可以实现伸缩，即可以实现发射装置与水平面之间的夹角范围在0～90度。发射装置为电磁控制高压气罐发射装置，起始状态打开隔离电磁阀65，关闭触发电磁阀6，将发射物内部放置加速度传感器厚固定于发射物弹托内，将弹托装置固定于枪管连接法兰3和触发阀连接法兰4中间的组合垫片密封环内，同时将泄气装置71和弹托收集器72安装在枪管的另一端，调整水箱和阵列光源还有高速摄像机77的位置，通过空气压缩机64向高压气罐5内冲入高压气，由压力变送器8向控制台led显示屏转换为压力数值，达到目标值以后关闭隔离电磁阀65和空气压缩机64，准备就绪后打开触发电磁阀6，弹托装置在高压气的作用下被沿着枪管7冲击向出口冲击，在达到枪管7的出口时，弹托装置与弹托收集器72上的弹托缓冲环87碰撞，使得发射物在惯性作用下继续沿着泄气装置71的轨迹行驶，直至冲入水面内，实验结束。

值得提出的是若在实验过程中，电力系统或控制系统出现问题，无法正常操作释放高压气，则可通过手动泄气装置中的泄气螺栓70手动进行泄压，安全可靠，最大限度的保护了人员和财产安全。

本发明属于物体高速入水实验领域。具体涉及一种高压气控制的物体多角度高速入水实验装置。本发明实现了同一套装置满足多种实验工况的需求，最高可以实现物体入水速度600m/s，入水角度在0～90度。本发明采用发射物弹托装置将发射物夹持，可以满足多尺寸形状的发射物，并在发射装置枪管端添加弹托收集器和泄气装置，避免高压气对物体入水瞬间的影响。并在发射物内安装加速度传感器，可记录在入水过程中物体的加速度变化过程。阵列光源使高速摄像机拍摄的入水过程更加清晰，以满足不同工况下的高精度实验，并且具有较好的操作性和重复性，并且在高压气罐上安装手动泄气装置，可手动泄气，安全可靠。装置结构紧凑灵活，整体所占空间小。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高压气控制的物体多角度高速入水实验装置，包括发射装置和支架，其特征在于：所述的发射装置包括高压气罐；所述的高压气罐上设有隔离电磁阀和触发电磁阀；所述的隔离电磁阀的一端与高压气罐相连，另一端与空气压缩机相连；所述的触发电磁阀的一端与高压气罐相连，另一端与枪管相连；所述的支架上安装有升降平台，升降平台上安装有角度调节装置；所述的角度调节装置包括推杆电机，推杆电机与高压气罐的气罐顶盖连接板相连；所述的触发电磁阀与枪管的连接处安装有发射物弹托装置，枪管的另一端安装有弹托收集器及泄气装置；

所述的发射物弹托装置包括弹托与弹托底，弹托与弹托底内部嵌有橡胶弹夹，橡胶弹夹上设有开口槽；所述的弹托收集器与泄气装置连接处设有弹托缓冲环，所述的泄气装置四周开有泄气孔；

弹托收集器四周开有泄气孔；

高压气罐上安装有手动泄气装置和压力变送器；高压气罐分别与压力变送器、高压管和隔离电磁阀相连，隔离电磁阀另一端连接空气压缩机，高压管另一端和手动泄气装置连接；所述的手动泄气装置包括手动泄气三通，手动泄气三通进气端通过高压管与高压气罐相连，手动泄气三通的出气端设置有泄气螺栓，手动泄气三通的另一端与压力表相连；

触发电磁阀与枪管通过法兰连接，在连接法兰处开有凹槽，凹槽内添加有组合垫圈密封环；所述的发射物弹托装置安装在组合垫圈密封环上；所述的高压气罐顶部开有凹槽，凹槽内放置有密封圈；所述的高压气罐上安装有气罐中盖，气罐中盖顶部开有凹槽，凹槽内放置有密封圈；气罐中盖和气罐顶盖连接板连接，气罐中盖和触发电磁阀连接。

2.根据权利要求1所述的一种高压气控制的物体多角度高速入水实验装置，其特征在于：还包括水箱，所述的水箱底部设有移动轮，水箱的侧面设置有观察窗，水箱的其中一个侧面顶部为凹槽结构，在水箱外部配备有光源和高速摄像机；所述的水箱设置在发射装置的枪管出口端。

3.根据权利要求2所述的一种高压气控制的物体多角度高速入水实验装置，其特征在于：所述的水箱外部配备的光源为阵列光源；所述的阵列光源为多个无频闪卤素灯采用阵列的形式布置构成；所述的阵列光源配备有移动轮底座。