CN111562213B - 一种惰性氛围可变压力下金属摩擦火花能量的评估方法 - Google Patents

Abstract

一种惰性氛围可变压力下金属摩擦火花能量的评估方法，属于爆炸安全科学领域。这种惰性氛围可变压力下金属摩擦火花能量的评估方法采用的评估装置包括长方体爆炸容器、压力装置、摩擦轮装置、配气装置和数据采集控制装置。该装置结构合理、操作简便、功能强大、安全稳定。通过改变施加的压力、砂轮转数和金属试件种类三种可控变量进行操作，且能够在空气与惰性气体不同比例的条件下对摩擦火花的性质进行对比，实现不同压力大小、不同摩擦转数及不同气体环境条件下对不同金属材料试件摩擦产生火花的能量进行研究。

Description

一种惰性氛围可变压力下金属摩擦火花能量的评估方法

技术领域

本发明涉及一种惰性氛围可变压力下金属摩擦火花能量的评估方法，属于爆炸安全科学研究领域。

背景技术

机械摩擦引起的摩擦火花作为工业爆炸常见的引火源之一，在爆炸事故统计中约占比8.59%。因此，由摩擦作用产生的火花能量在一定程度上可以用来评定生产场所会发生爆炸的危险性，而越容易产生火花且火花能量越大的摩擦情况下引燃可燃气体爆炸的危险性越高。同时，对惰性气体条件下的摩擦火花性质进行研究可以对惰性条件下的火花能量改变有定量的认识，从而在生产实践中得以应用。

目前已有的摩擦火花爆炸测试装置多为撞击摩擦火花爆炸装置，主要研究在一定高度下冲击产生的撞击摩擦火花对粉尘或是可燃气体的引燃作用。研究旋转摩擦火花的装置也往往不满足转数、施加的压力和所需研究的金属种类这三种参数都可以进行定量改变的要求，国内专利CN110274874A和CN110068649A均没有满足这样的要求。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种惰性氛围可变压力下金属摩擦火花能量的评估方法，实现不同转数、不同压力下对不同的种类金属产生的摩擦火花能量进行定量的评估。

本发明的技术方案是：一种惰性氛围可变压力下金属摩擦火花能量评估装置，它包括长方体爆炸容器，长方体爆炸容器的前部设有正面观察窗，右侧部设有右侧观察窗，顶部外侧通过法兰安装有防爆片，顶部内侧设有压力传感器，它还包括压力装置、摩擦轮装置、配气装置和数据采集控制装置，所述压力装置包含固定柱、弯型杆件、重物、压力施加平台和夹持器，固定柱的下端固定在长方体爆炸容器的顶部，上端转动连接弯型杆件的一端，连接弯型杆件的另一端通过挂绳连接重物，弯型杆件的支点放置在压力施加平台的顶部，压力施加平台的底部连接夹持器的上端，夹持器的下端插入长方体爆炸容器的内部通过夹持端固定金属试件，正面观察窗上镶嵌有正对金属试件、用于比色温度仪的石英玻璃观察窗；

所述摩擦轮装置包含伺服电机、扭矩传感器、转轴和砂轮，伺服电机通过扭矩传感器连接转轴的一端，转轴的另一端插入长方体爆炸容器的内部连接砂轮，砂轮设置在金属试件的正下方，顶部紧贴由压力装置施压的金属试件的底面。

所述数据采集控制装置包含高速摄像机、电脑，信号调理仪、时序控制器和数据采集器，时序控制器电连接高速摄像机、电脑，信号调理仪和数据采集器，压力传感器电连接信号调理仪，信号调理仪电连接数据采集器，数据采集器电连接比色温度仪和高速摄像机，高速摄像机电连接电脑。

所述配气装置通过输气管道连通长方体爆炸容器的内部。

进一步的，所述配气装置包含真空泵、四通、惰性气体瓶和空气瓶，真空泵通过真空阀连接四通的底部通孔，四通的顶部通孔通过第三气阀连接压力表，惰性气体瓶通过第一气阀连接三通的顶部通孔，空气瓶通过第二气阀连接三通的底部通孔，三通的右侧通孔通过气体总阀连接四通的左侧通孔，四通的右侧通孔通过阻火器阀连接阻火器的一端，阻火器的另一端通过输气钢管连通长方体爆炸容器的内部。

金属试件为含碳量在0.0218-2.06%之间的钢材、活泼金属材料或者合金材料，重物的质量为0-5kg。

所述的一种惰性氛围可变压力下金属摩擦火花能量的评估方法，包含以下步骤：

a、将待测金属试件通过夹持器下端的夹持端固定；

b、将质量在0-5kg的重物通过挂绳悬挂在弯型杆件的端部；

c、通过配气装置向长方体爆炸容器内充入设定比例的惰性气体和空气的混合气体；

d、启动伺服电机，调节伺服电机的转速在200-2000r/min之间的一个定值；

e、在0-5kg质量范围内改变重物的质量，在0-100%范围内逐渐增加惰性气体占惰性气体和空气混合气体的比例，在200-2000r/min范围内调节伺服电机的转速，重复步骤a-d的实验；

f、通过数据采集器记录不同实验参数下的压力数据和温度数据，同时，通过高速摄影机得到不同参数、不同时刻下电火花压力波纹影图，结合纹影技术，用电脑对电火花的压力波传播过程进行分析计算，评价不同参数对电火花压力波的传播速度和能量场分布影响特性，通过正面观察窗和石英玻璃观察窗直接观测砂轮对金属试件摩擦后产生的火花形态并记录；

g、更换不同的金属试件重复步骤a-f的实验。

本发明的有益效果如下：这种惰性氛围可变压力下金属摩擦火花能量的评估方法采用的评估装置包括长方体爆炸容器、压力装置、摩擦轮装置、配气装置和数据采集控制装置。该装置结构合理、操作简便、功能强大、安全稳定。通过改变施加的压力、砂轮转数和金属试件种类三种可控变量进行操作，且能够在空气与惰性气体不同比例的条件下对摩擦火花的性质进行对比，实现不同压力大小、不同摩擦转数及不同气体环境条件下对不同金属材料试件摩擦产生火花的能量进行研究。长方体爆炸容器的腔内可耐压高达10MPa，施加给金属试件的压力可高达5kg，通过控制砂轮转数可以实现在200-2000r/min范围内对摩擦所需转数的精准控制，同时装置还留有清理窗口，对装置内的磨屑进行清理。

附图说明

图1是一种惰性氛围可变压力下金属摩擦火花能量评估装置的结构示意图。

图2是图1中长方体爆炸容器的主视剖面结构示意图。

图3是图1中长方体爆炸容器的左视剖面结构示意图。

图中，1、长方体爆炸容器，1a、正面观察窗，1a1、石英玻璃观察窗，1b右侧观察窗，1c、防爆片，1d、压力传感器，2、固定柱，2a、弯型杆件，2a1、支点，2b、重物，2c、压力施加平台， 2d、夹持器，2d1、夹持端，2e、金属试件，3、伺服电机，3a、扭矩传感器，3b、转轴，3c、砂轮，4、真空泵，4a、真空阀，5、四通，5a、三通，5b、气体总阀，5c、阻火器阀，5d、阻火器，5e、输气钢管，5f、第三气阀，5g、压力表，6、惰性气体瓶，6a、第一气阀，7、空气瓶，7a、第二气阀，8、高速摄像机，9、电脑，10、信号调理仪，11、时序控制器，12、数据采集器。

具体实施方式

下面参照附图来详细说明根据本发明的一种惰性氛围可变压力下金属摩擦火花能量的评估方法。

图1示出了一种惰性氛围可变压力下金属摩擦火花能量评估装置的结构示意图，图中，这种惰性氛围可变压力下金属摩擦火花能量评估装置包括长方体爆炸容器1、压力装置、摩擦轮装置、配气装置和数据采集控制装置。长方体爆炸容器1的前部设有正面观察窗1a，右侧部设有右侧观察窗1b，顶部外侧通过法兰安装有防爆片1c，顶部内侧设有压力传感器1d，压力装置包含固定柱2、弯型杆件2a、重物2b、压力施加平台2c和夹持器2d，固定柱2的下端固定在长方体爆炸容器1的顶部，上端转动连接弯型杆件2a的一端，连接弯型杆件2a的另一端通过挂绳连接重物2b，弯型杆件2a的支点2a1放置在压力施加平台2c的顶部，压力施加平台2c的底部连接夹持器2d的上端，夹持器2d的下端插入长方体爆炸容器1的内部通过夹持端2d1固定金属试件2e，正面观察窗1a上镶嵌有正对金属试件2e、用于比色温度仪的石英玻璃观察窗1a1。

摩擦轮装置包含伺服电机3、扭矩传感器3a、转轴3b和砂轮3c，伺服电机3通过扭矩传感器3a连接转轴3b的一端，转轴3b的另一端插入长方体爆炸容器1的内部连接砂轮3c，砂轮3c设置在金属试件2e的正下方，顶部紧贴由压力装置施压的金属试件2e的底面。

数据采集控制装置包含高速摄像机8、电脑9，信号调理仪10、时序控制器11和数据采集器12，时序控制器11电连接高速摄像机8、电脑9，信号调理仪10和数据采集器12，压力传感器1d电连接信号调理仪10，信号调理仪10电连接数据采集器12，数据采集器12电连接比色温度仪和高速摄像机8，高速摄像机8电连接电脑9。

配气装置包含真空泵4、四通5、惰性气体瓶6和空气瓶7，真空泵4通过真空阀4a连接四通5的底部通孔，四通5的顶部通孔通过第三气阀5f连接压力表5g，惰性气体瓶6通过第一气阀6a连接三通5a的顶部通孔，空气瓶7通过第二气阀7a连接三通5a的底部通孔，三通5a的右侧通孔通过气体总阀5b连接四通5的左侧通孔，四通5的右侧通孔通过阻火器阀5c连接阻火器5d的一端，阻火器5d的另一端通过输气钢管5e连通长方体爆炸容器1的内部。

一种惰性氛围可变压力下金属摩擦火花能量的评估方法，包含以下步骤：

a、将待测金属试件2e通过夹持器2d下端的夹持端2d1固定；

b、将质量在0-5kg的重物2b通过挂绳悬挂在弯型杆件2a的端部；

c、打开真空泵4将长方体爆炸容器1的内部减压至真空状态，关闭真空泵4，打开惰性气体瓶6和空气瓶7充入一定比例的惰性气体和空气的混合气体；

d、启动伺服电机3，调节伺服电机3的转速在200r-2000r/min之间的一个定值；

e、在0-5kg质量范围内改变重物2b的质量，在0~100%范围内逐渐增加惰性气体占惰性气体和空气混合气体的比例，在200r-2000r/min范围内调节伺服电机3的转速，重复步骤a-d的实验；

f、通过数据采集器12记录不同实验参数下的压力数据和温度数据，同时，通过高速摄影机8得到不同参数、不同时刻下电火花压力波纹影图，结合纹影技术，用电脑9对电火花的压力波传播过程进行分析计算，评价不同参数对电火花压力波的传播速度和能量场分布影响特性，通过正面观察窗1a和石英玻璃观察窗1a1直接观测砂轮2对金属试件2e摩擦后产生的火花形态并记录；

g、更换不同的金属试件2e重复步骤a-f的实验。

采用上述的技术方案，长方体爆炸容器内部的摩擦轮装置与压力装置同时对夹持器上的金属试件产生作用，在不同转数、不同压力下对不同的金属种类进行研究，通过控制变量法对各类金属产生的摩擦火花能量进行定量的评估，其中选用的金属试件可以为含碳量不同的钢材以及含有不同活泼金属的金属试件，如对含碳量在0.0218%-2.06%之间的低、中、高碳钢和锌合金、镁合金等含有不同活泼金属元素的金属试件产生的摩擦火花形态与能量之间进行对比研究。长方体爆炸容器对金属摩擦火花的性质与能量进行研究时，在空气与惰性气体不同比例条件下分别进行试验，从而对两种环境下的火花性质与能量进行比较。

长方体爆炸容器通过配气装置中的真空泵营造真空环境，再将配气装置中的惰性气体瓶和空气瓶充入所需的惰性气体和空气进行加压，充入长方体爆炸容器的气体量由压力表的示数及气瓶阀门控制加压，实现在长方体爆炸容器中营造所需的惰性气体环境。在不同含量的惰性气体条件下对金属试件进行摩擦实验，从而对比空气与惰性气体不同比例条件下的金属摩擦火花性质和能量。

长方体爆炸容器的上部设置压力装置，压力装置一端放置在挂绳上放置重物，剩下两段杆件分别为动力臂与阻力臂，在杆件的共同作用下可以对金属试件施加所需的力，通过放置的重物质量实现对所需压力的精准控制，压力装置提供摩擦所需要的压力大小，压力值可以在0-5kg范围内变化，是实验研究中的可控变量。

摩擦轮装置上有伺服电机对砂轮进行控制，伺服电机通过接头连接到砂轮上构成摩擦轮装置。摩擦轮装置通过控制一定数值的转数对爆炸容器内夹持的金属试件进行摩擦作用，满足实验所需要的旋转摩擦转数的要求，可以实现在200-2000r/min范围内摩擦所需转数的精准控制。砂轮可选用刚玉或碳化硅两种材料的砂轮，通过伺服电机控制砂轮的转数。长方体爆炸容器上安装有压力传感器通过管接头进行密封。

长方体爆炸容器前侧和右侧装有观察窗，在摩擦火花实验中直接观测金属试件尖端产生的摩擦火花形态，长方体爆炸容器前侧观察窗的外侧放置有比色测温仪，用于对摩擦火花的温度变化进行监测，保证在视窗玻璃影响表面发射率的情况下，仍可获得较高的精度。长方体爆炸容器前侧的观察窗为钢化玻璃的大视窗，通过法兰和法兰螺栓紧固，前侧的观察窗上正对金属试件的位置设置有石英玻璃的小观察窗，小观察窗通过法兰和法兰螺栓紧固。长方体爆炸容器上右侧的观察窗使用法兰和法兰螺栓紧固。装置的正面安装有较大的钢化玻璃材质观察窗的正面法兰，正面观察窗上备有较小的石英玻璃观察窗的正面法兰，同时，装置右侧的观察窗始终为石英玻璃观察窗。

最后补充说明的是，本发明的一种惰性氛围可变压力下金属摩擦火花能量评估装置属于高压装置，装置的承压可达到10MPa，因此在正确的操作下不会发生危险，安全可靠。此外，本发明的上部安装有防爆片，在达到7MPa的高压下进行泄压，保障装置的安全。

以上内容是结合优选技术方案对本发明做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种惰性氛围可变压力下金属摩擦火花能量的评估方法，所述评估方法采用的评估装置包括长方体爆炸容器（1）、压力装置、摩擦轮装置、配气装置和数据采集控制装置，长方体爆炸容器（1）的前部设有正面观察窗（1a），右侧部设有右侧观察窗（1b），顶部外侧通过法兰安装有防爆片（1c），顶部内侧设有压力传感器（1d），所述压力装置包含固定柱（2）、弯型杆件（2a）、重物（2b）、压力施加平台（2c）和夹持器（2d），固定柱（2）的下端固定在长方体爆炸容器（1）的顶部，上端转动连接弯型杆件（2a）的一端，连接弯型杆件（2a）的另一端通过挂绳连接重物（2b），弯型杆件（2a）的支点（2a1）放置在压力施加平台（2c）的顶部，压力施加平台（2c）的底部连接夹持器（2d）的上端，夹持器（2d）的下端插入长方体爆炸容器（1）的内部通过夹持端（2d1）固定金属试件（2e），正面观察窗（1a）上镶嵌有正对金属试件（2e）、用于比色温度仪的石英玻璃观察窗（1a1）；

所述摩擦轮装置包含伺服电机（3）、扭矩传感器（3a）、转轴（3b）和砂轮（3c），伺服电机（3）通过扭矩传感器（3a）连接转轴（3b）的一端，转轴（3b）的另一端插入长方体爆炸容器（1）的内部连接砂轮（3c），砂轮（3c）设置在金属试件（2e）的正下方，顶部紧贴由压力装置施压的金属试件（2e）的底面；

所述数据采集控制装置包含高速摄像机（8）、电脑（9）、信号调理仪（10）、时序控制器（11）和数据采集器（12），时序控制器（11）电连接高速摄像机（8）、电脑（9）、信号调理仪（10）和数据采集器（12），压力传感器（1d）电连接信号调理仪（10），信号调理仪（10）电连接数据采集器（12），数据采集器（12）电连接比色温度仪和高速摄像机（8），高速摄像机（8）电连接电脑（9）；

所述配气装置通过输气管道连通长方体爆炸容器（1）的内部；

所述配气装置包含真空泵（4）、四通（5）、惰性气体瓶（6）和空气瓶（7），真空泵（4）通过真空阀（4a）连接四通（5）的底部通孔，四通（5）的顶部通孔通过第三气阀（5f）连接压力表（5g），惰性气体瓶（6）通过第一气阀（6a）连接三通（5a）的顶部通孔，空气瓶（7）通过第二气阀（7a）连接三通（5a）的底部通孔，三通（5a）的右侧通孔通过气体总阀（5b）连接四通（5）的左侧通孔，四通（5）的右侧通孔通过阻火器阀（5c）连接阻火器（5d）的一端，阻火器（5d）的另一端通过输气钢管（5e）连通长方体爆炸容器（1）的内部；

所述金属试件（2e）为含碳量在0.0218-2.06%之间的钢材、活泼金属材料或者合金材料，重物（2b）的质量为0～5kg；

其特征在于，所述评估方法包含以下步骤：

a、将待测金属试件（2e）通过夹持器（2d）下端的夹持端（2d1）固定；

b、将质量在0-5kg的重物（2b）通过挂绳悬挂在弯型杆件（2a）的端部；

c、通过配气装置向长方体爆炸容器（1）内充入设定比例的惰性气体和空气的混合气体；

d、启动伺服电机（3），调节伺服电机（3）的转速在200-2000r/min之间的一个定值；

e、在0-5kg质量范围内改变重物（2b）的质量，在0-100%范围内逐渐增加惰性气体占惰性气体和空气混合气体的比例，在200-2000r/min范围内调节伺服电机（3）的转速，重复步骤a-d的实验；

f、通过数据采集器（12）记录不同实验参数下的压力数据和温度数据，同时，通过高速摄像机（8）得到不同参数、不同时刻下电火花压力波纹影图，结合纹影技术，用电脑（9）对电火花的压力波传播过程进行分析计算，评价不同参数对电火花压力波的传播速度和能量场分布影响特性，通过正面观察窗（1a）和石英玻璃观察窗（1a1）直接观测砂轮（3c）对金属试件（2e）摩擦后产生的火花形态并记录；

g、更换不同的金属试件（2e）重复步骤a-f的实验。

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