CN111487152B - 一种气动式微颗粒发射实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气动式微颗粒发射实验装置，包括微颗粒发射机构、可旋转实验台和高速摄像机构；微颗粒发射机构包括高压气罐、高压气室以及发射管；高压气室内设有一个动压通道，动压通道的气压入口处设有密封垫，通过对密封垫施加外部冲击力实现密封垫的上下移动进而控制是否向动压通道内通入高压气流，动压通道的气压出口与发射管相连通；发射管临近高压气室的一端设有颗粒托块，发射管远离高压气室的一端设有弹簧I；颗粒托块受脉冲动压作用在发射管中滑动，当颗粒托块接触弹簧I开始减速时，微颗粒脱离颗粒托块射至可旋转实验台上；通过调整微颗粒的冲击角度、速度和距离，最终得到冲击速度、角度和方位等参数对微颗粒冲击特性的影响机理。

Description

一种气动式微颗粒发射实验装置

技术领域

本发明涉及冲击磨损技术领域，尤其是涉及一种气动式微颗粒发射实验装置。

背景技术

冲蚀磨损是指气体、液体等流体中包含的固体微颗粒冲击结构或材料表面，使其表面发生磨损破坏的现象。这是一种常见的磨损现象，普遍存在于现代工业生产中，是造成某些机械设备及其零部件损坏报废的重要原因之一。气体、液体流所携带的微颗粒以一定速度冲击零件表面材料时，被冲击的结构表面发生材料弹塑性变形与断裂、冲击磨粒破碎和反弹，所消耗的动能主要以热能的形式释放。

磨损实验方法是磨损研究中的一个复杂的问题，实验室冲蚀设备根据粒子获得速度或使它达到与靶材相对速度可以分为真空中自由落体式、气流喷砂式、旋转臂式、离心加速式四类；根据工况环境的不同，分为喷射式，旋转式和管道式。国外很早就设计了各种类型的冲蚀设备，气流喷砂式设备是目前最常用的实验方法，其中最具代表性的是加州大伯克利分校Lawrence实验室设计的立式喷砂式冲蚀设备。国内对于冲蚀实验开展较早，进展较快的有中国石油大学，中国科学院金属研究所等。现阶段大多实验装置均着眼于大量颗粒的冲击过程，通过宏观消耗量来评估冲蚀磨损性能，并不利于冲蚀机理的研究。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种气动式微颗粒发射实验装置，该微颗粒发射实验装置利用气压提供冲击所需的冲击力，可以发射单个微颗粒冲击靶体表面，并使用高速摄像机记录冲击动态过程，通过对单个微颗粒的冲击速度、冲击距离进行有效调节，实现研究变量调整，进而得到冲击速度、距离等参数对微颗粒冲击特性的影响机理。

本发明为了解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种气动式微颗粒发射实验装置，包括用于发射微颗粒的微颗粒发射机构、用于接收发射出的微颗粒的可旋转实验台以及用于捕捉微颗粒瞬态运动轨迹的高速摄像机构；所述微颗粒发射机构包括高压气罐、与高压气罐管道连接的高压气室以及与高压气室连通的水平设置的发射管；高压气室内设有一个直角形的动压通道，动压通道的气压入口处设有起密封作用的密封垫，通过对密封垫施加竖直方向的外部冲击力实现密封垫的上下移动进而控制是否向动压通道内通入高压气流，动压通道的气压出口与发射管相连通；发射管临近高压气室的一端设有能够放置微颗粒的颗粒托块，发射管远离高压气室的一端连接有能够使在气压作用下沿发射管运动的颗粒托块减速至停止运动的弹簧I；当带有微颗粒的颗粒托块在高压气流的作用下沿发射管滑动至接触弹簧I开始减速后，微颗粒能够脱离颗粒托块并穿出发射管射至可旋转实验台上；所述可旋转实验台包括两个支架以及位于两个支架中间的与两支架螺纹连接的的槽板，所述槽板临近发射管的侧面上可拆卸连接有用于接收微颗粒的靶体。

进一步地，高压气室内还设有弹簧II，弹簧II的一端与高压气室的顶部相连接，另一端与密封垫的上端连接，密封垫的下端设有触发杆，触发杆远离密封垫的一端穿过动压通道延伸至高压气室的外部，通过移动触发杆带动密封垫上下移动进而控制高压气室内的气流是否进入动压通道内。

进一步地，所述颗粒托块中部远离高压气室的一端设有用于放置微颗粒的凹孔，所述发射管远离高压气室的一端设有供微颗粒射出的通孔，所述弹簧I临近颗粒托块的一端与环形片相连接，颗粒托块与环形片接触进而开始压缩弹簧I减速，脱离颗粒托块的微颗粒依次穿过环形片、弹簧I以及通孔后射至可旋转实验台上。

进一步地，所述颗粒托块呈圆柱体，颗粒托块中的凹孔、环形片与发射管的轴线一致，颗粒托块的直径、环形片的外径与发射管的内径相匹配。

进一步地，所述微颗粒发射实验装置还包括透明保护罩，发射管的远离高压气室的一端延伸至透明保护罩内，可旋转实验台设于透明保护罩内。

进一步地，高速摄像机构包括三脚架、光源以及高速摄像机，高速摄像机的镜头朝向发射管与可旋转实验台之间。

进一步地，高压气罐与高压气室之间的管路上设有用于控制气流通过的气体阀门。

进一步地，高压气室外部设有用于监测气压的压力表。

进一步地，所述颗粒托块的材料为2024铝合金，其表面粗糙度为0.8；

和/或，所述发射管和透明保护罩的材料均为聚甲基丙烯酸甲酯；

和/或，所述高压气罐、高压气室以及可旋转实验台的材料为45号钢；

和/或，所述密封垫的材料为氯磺酰化聚乙烯合成橡胶。

有益效果：

如上所述，本发明的一种气动式微颗粒发射实验装置，具有以下有益效果：

1、本发明的微颗粒发射实验装置通过外部施加冲击力推动密封垫移动，从而产生高压气流推动颗粒托块运动获得动能，在发射管中颗粒托块与微颗粒持续滑动直至颗粒托块与环形片接触瞬间，颗粒托块的动能转化为与环形片连接的弹簧I的弹性势能，即颗粒托块速度不断减小直至停下，同时颗粒托块中的微颗粒由于惯性保持接触前的速度继续飞出，以一定的速度撞击到可旋转实验台上的靶体上，对其产生冲蚀破坏，可旋转实验台中的槽板能够根据实验要求调整角度，通过调整微颗粒的冲击速度（通过改变高压气室提供的高压气体压力的大小从而改变微颗粒的冲击速度）和距离（即发射管与槽板之间的距离），最终得到冲击速度、角度、距离等参数对微颗粒冲击特性的影响机理。因此，通过借助本发明中的微颗粒发射实验装置来分析单个颗粒的冲击过程，有助于深入了解冲蚀磨损过程中材料损耗的机理。

2、本发明中靶体与槽板为可拆卸连接，通过更换不同材料的靶体能够重复进行冲击试验。

3、本发明中通过在可旋转实验台外部设置透明保护罩，能够防止实验反射的微颗粒对人员造成伤害。

4、本发明的微颗粒发射实验装置可以通过调整微颗粒形状、靶体材质、冲击速度、距离、角度等，进而研究分析微颗粒形状、靶体材质、冲击速度、距离、角度对冲击造成的结果，为微颗粒冲蚀机理的研究提供了一种有效手段。该装置简单易安装，占用面积小，方便移动，便于在实验室里进行研究，成本较低，低耗节能，实验操作简便、安全性强，可以保障实验人员及仪器的安全，且无任何污染。

下面结合实施例附图和具体实施例对本发明做进一步具体详细的说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明中微颗粒发射实验装置的整体结构示意图；

图2是图1中微颗粒发射机构1的结构示意图；

图3是颗粒托块的结构示意图；

图4是图1中可旋转实验台2的结构示意图。

图示标记，1、微颗粒发射机构，101、高压气罐，102、气体阀门，103、高压气室，104、压力表，105、弹簧II，106、密封垫，107、动压通道，108、触发杆，109、颗粒托块，110、发射管，111、环形片，112、弹簧I，2、可旋转实验台，201、支架，202、槽板，3、高速摄像机构，4、透明保护罩。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种气动式微颗粒发射实验装置，本发明可以发射单个微颗粒冲击可旋转实验台2表面，同时使用高速摄像机捕捉微颗粒的动态过程，通过调节微颗粒的冲击速度、冲击距离、冲击角度，实现研究变量可控，最终得到微颗粒冲击速度、距离、角度等冲击参数对所发射微颗粒撞击试验件产生的冲击凹坑的影响。

一种气动式微颗粒发射实验装置，如图1-4所示，具体地，该微颗粒发射实验装置包括用于发射微颗粒的微颗粒发射机构1、用于接收发射出的微颗粒的可旋转实验台2以及用于捕捉微颗粒瞬态运动轨迹的高速摄像机构3；所述微颗粒发射机构1包括高压气罐101、与高压气罐101管道连接的高压气室103以及与高压气室103连通的水平设置的发射管110；高压气室103内设有一个直角形的动压通道107，动压通道107的气压入口处设有起密封作用的密封垫106，通过对密封垫106施加竖直方向的外部冲击力实现密封垫106的上下移动进而控制是否向动压通道107内通入高压气流，动压通道107的气压出口与发射管110相连通；发射管110临近高压气室103的一端设有能够放置微颗粒的颗粒托块109，发射管110远离高压气室103的一端连接有能够使在气压作用下沿发射管110运动的颗粒托块109减速至停止运动的弹簧I 112；当带有微颗粒的颗粒托块109在高压气流的作用下沿发射管110滑动至接触弹簧I 112开始减速后，微颗粒在惯性作用下能够脱离颗粒托块109并穿出发射管110射至可旋转实验台2上；所述可旋转实验台2包括两个支架201以及位于两个支架201中间且与两支架201螺纹连接的的槽板202，所述槽板202临近发射管110的侧面上可拆卸连接有用于接收微颗粒的靶体。可以将槽板202调整至实验所要求的角度，然后再与两个支架201螺纹连接，从而实现微颗粒冲击角度的差异化研究。

详细地，高压气罐101与高压气室103之间的管路上设有用于控制气流通过的气体阀门102。

详细地，所述颗粒托块109中部远离高压气室103的一端设有用于放置微颗粒的凹孔，所述发射管110远离高压气室103的一端设有供微颗粒射出的通孔，所述弹簧I 112临近颗粒托块109的一端连接有环形片111，颗粒托块109在气压的作用下滑动至与环形片111接触进而开始压缩弹簧I 112减速，脱离颗粒托块109的微颗粒依次穿过环形片111、弹簧I112以及通孔后射至可旋转实验台2上。所述颗粒托块109呈圆柱体，凹孔、环形片111与发射管110的轴线一致，颗粒托块109的直径、环形片111的外径与发射管110的内径相匹配。

该微颗粒发射实验装置研究对象为单个高速微颗粒对靶体的冲击特性，为实现单个微颗粒发射和观测，依次打开两个气体阀门102，高压气罐101内部气体进入高压气室103，当施加轴向冲击载荷于触发杆108上时，密封垫106向上被顶起，高压气室103内气体进入动压通道107产生脉冲动压推动发射管110内的颗粒托块109在发射管110内快速水平滑动。颗粒托块109在发射管110内不断加速直至与弹簧I 112接触，在颗粒托块109减速阶段，微颗粒从颗粒托块109中飞出冲击可旋转实验台2上的靶体表面。微颗粒放置于颗粒托块109正中心的凹孔内，确保发射的微颗粒能够精准冲击靶体上，在靶体出口处，环形片111与弹簧I 112连接并固定于出口处，对在发射管110中水平运动的颗粒托块109起到减速缓冲作用，颗粒托块109接触到弹簧I 112时开始减速，由于微颗粒速度未受弹簧I 112影响，从而使得微颗粒与颗粒托块109分离，使得微颗粒单独从发射管110中射出，冲击在可旋转实验台2的靶体上，对其产生冲蚀破坏。

其中，高压气室103内还设有弹簧II 105，弹簧II 105的一端与高压气室103的顶部相连接，另一端与密封垫106的上端连接，密封垫的下端106设有触发杆108，触发杆108远离密封垫106的一端穿过动压通道107延伸至高压气室103的外部，通过移动触发杆108带动密封垫106上下移动进而控制高压气室103内的气流是否进入动压通道107内。

需要说明的是，所述微颗粒发射实验装置还包括透明保护罩4，发射管110的远离高压气室103的一端延伸至透明保护罩4内，可旋转实验台2设于透明保护罩4内，以防止实验反射的微颗粒对人员造成伤害。

需要说明的是，高速摄像机构3包括三脚架、光源以及高速摄像机，高速摄像机的镜头朝向发射管110与可旋转实验台2之间。所述高速摄像机选用型号为Phantom M110用于捕捉微颗粒的瞬态运动轨迹。

高压气室103外部设有用于监测气压的压力表104。

所述颗粒托块109的材料为2024铝合金，其表面粗糙度为0.8，尺寸上偏差-0.01，下偏差-0.02。

所述发射管110和透明保护罩4的材料均为聚甲基丙烯酸甲酯，从而可以有效观测内部的状况。

所述高压气罐101、高压气室103以及可旋转实验台2的材料为45号钢。

所述密封垫106的材料为氯磺酰化聚乙烯合成橡胶。

需要说明的是：（1）、在其它实验条件不变的条件下，拆卸可旋转实验台2上的靶体，通过更换不同材料的靶体重复进行冲击试验，能够完成靶体材料对冲蚀磨损影响的研究工作。（2）、在其它条件不变的前提下，改变高压气室103提供的高压气体压力的大小从而改变颗粒托块109和微颗粒的冲击速度大小。（3）、微颗粒形状与靶体材料都是影响因素之一，也是本实验装置可以研究的对象之一，除了球形，微颗粒也可以是其它规则或不规则形状，靶体材料可以是金属材料或非金属材料，金属材料在受到微颗粒冲击时，会伴随有挤压、微切削，脱落等局部塑性现象，这些现象可以通过本实验装置验证测试。本发明的微颗粒发射实验装置可以通过调整微颗粒形状、靶体材质、冲击速度、距离、角度等，进而研究分析微颗粒形状、靶体材质、冲击速度、距离、角度对冲击造成的结果，为微颗粒冲蚀机理的研究提供了一种有效手段。

以上对本发明所提供的一种气动式微颗粒发射实验装置，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理和具体实施方式进行了阐述，上述实施例仅用来帮助理解本发明的方法和核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种气动式微颗粒发射实验装置，其特征在于：包括用于发射微颗粒的微颗粒发射机构(1)、用于接收发射出的微颗粒的可旋转实验台(2)以及用于捕捉微颗粒瞬态运动轨迹的高速摄像机构(3)；

所述微颗粒发射机构(1)包括高压气罐(101)、与高压气罐(101)管道连接的高压气室(103)以及与高压气室(103)连通的水平设置的发射管(110)；高压气室(103)内设有一个直角形的动压通道(107)，动压通道(107)的气压入口处设有起密封作用的密封垫(106)，通过对密封垫(106)施加竖直方向的外部冲击力实现密封垫(106)的上下移动进而控制是否向动压通道(107)内通入高压气流，动压通道(107)的气压出口与发射管(110)相连通；发射管(110)临近高压气室(103)的一端设有能够放置微颗粒的颗粒托块(109)，发射管(110)远离高压气室(103)的一端连接有能够使在气压作用下沿发射管(110)运动的颗粒托块(109)减速至停止运动的弹簧I (112)；当带有微颗粒的颗粒托块(109)在高压气流的作用下沿发射管(110)滑动至接触弹簧I (112)开始减速后，微颗粒能够脱离颗粒托块(109)并穿出发射管(110)射至可旋转实验台(2)上；

所述可旋转实验台(2)包括两个支架(201)以及位于两个支架(201)中间的与两支架(201)螺纹连接的槽板(202)，所述槽板(202)临近发射管(110)的侧面上可拆卸连接有用于接收微颗粒的靶体；

高压气室(103)内还设有弹簧II (105)，弹簧II (105)的一端与高压气室(103)的顶部相连接，另一端与密封垫(106)的上端连接，密封垫(106)的下端设有触发杆(108)，触发杆(108)远离密封垫(106)的一端穿过动压通道(107)延伸至高压气室(103)的外部，通过移动触发杆(108)带动密封垫(106)上下移动进而控制高压气室(103)内的气流是否进入动压通道(107)内；

所述颗粒托块(109)中部远离高压气室(103)的一端设有用于放置微颗粒的凹孔，所述发射管(110)远离高压气室(103)的一端设有供微颗粒射出的通孔，所述弹簧I (112)临近颗粒托块(109)的一端连接有环形片(111)，颗粒托块(109)在气压的作用下滑动至与环形片(111)接触进而开始压缩弹簧I (112)减速，脱离颗粒托块(109)的微颗粒依次穿过环形片(111)、弹簧I (112)以及通孔后射至可旋转实验台(2)上；所述颗粒托块(109)呈圆柱体，凹孔、环形片(111)与发射管(110)的轴线一致，颗粒托块(109)的直径、环形片(111)的外径与发射管(110)的内径相匹配。

2.根据权利要求1所述的一种气动式微颗粒发射实验装置，其特征在于：所述微颗粒发射实验装置还包括透明保护罩(4)，发射管(110)远离高压气室(103)的一端延伸至透明保护罩(4)内，可旋转实验台(2)设于透明保护罩(4)内。

3.根据权利要求1所述的一种气动式微颗粒发射实验装置，其特征在于：高速摄像机构(3)包括三脚架、光源以及高速摄像机，高速摄像机的镜头朝向发射管(110)与可旋转实验台(2)之间。

4.根据权利要求1所述的一种气动式微颗粒发射实验装置，其特征在于：高压气罐(101)与高压气室(103)之间的管路上设有用于控制气流通过的气体阀门(102)。

5.根据权利要求1所述的一种气动式微颗粒发射实验装置，其特征在于：高压气室(103)外部设有用于监测气压的压力表(104)。

6.根据权利要求1所述的一种气动式微颗粒发射实验装置，其特征在于：所述颗粒托块(109)的材料为2024铝合金，其表面粗糙度为0.8；

和/或，所述发射管(110)和透明保护罩(4)的材料均为聚甲基丙烯酸甲酯；

和/或，所述高压气罐(101)、高压气室(103)以及可旋转实验台(2)的材料为45号钢；

和/或，所述密封垫(106)的材料为氯磺酰化聚乙烯合成橡胶。

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