CN111912726B - 一种颗粒流发射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颗粒流发射装置，该发明的装置主要包括颗粒子弹制备装置、发射装置主体、空心圆柱管、限位盘、活塞杆和三自由度可调节支架；颗粒子弹制备装置包括密封端盖、空心圆柱管和定位锤；发射装置主体分为上、下两部分；空心圆柱管的两端分别与限位盘和发射装置主体进行过渡配合；活塞杆两端分别与空心圆柱管和缓震环(或缓震弹簧)装配，且中间段设计有两条定位槽；三自由度可调节支架包括上板、中板和底座。本发明采用创新型的颗粒子弹制备装置和发射装置，实现了单发或多发高速颗粒子弹冲击被测材料和结构的实验研究，解决了现阶段不能在实验室独立研究高速颗粒流载荷冲击对材料及结构服役安全性能影响的测试和评价的问题。

Description

一种颗粒流发射装置

技术领域

本发明属于金属、非金属、复合材料等相关材料及结构的高速颗粒流载荷冲击性能测试与评价领域，尤其涉及一种颗粒流发射装置。

背景技术

固体颗粒在生产生活中非常普遍，例如以SiO₂为主要成分的石英砂颗粒，广泛分布于沙漠、海滩、河流中。石英砂颗粒在强烈的空气流动作用下会形成恶劣的极端天气沙尘暴；另外，冰雹也与颗粒流载荷密切相关，类似沙尘暴和冰雹这样的极端天气条件下所产生的极端载荷和特殊环境对各个领域的材料装备产生了极大威胁。

在交通运输领域，沙尘暴中的颗粒对行驶过程中的高铁、车辆等外壳的最大冲击速度可达138m/s，对其材料和结构造成严重损伤；泥沙颗粒和冰雹颗粒也会对船体、螺旋桨叶片及车体造成冲击损伤。另一方面，颗粒流冲击载荷也会对建筑桥梁、水利枢纽、大坝、风电设施等民生基础设施等造成安全威胁。

相较而言，颗粒流冲击载荷对航空航天和军事领域的影响更大。首先，沙尘暴颗粒和冰雹颗粒的冲击会对飞机、导弹、火星探测器等的外壳造成冲击破坏。火星上的沙尘暴最高速度可达180m/s，2019年，美国NASA的“机遇号”火星探测器受沙尘暴的影响最终被迫休眠，结束火星探测使命。第二，沙尘暴中的颗粒会像砂纸一样冲刷摩擦装备表面，造成隐身战斗机表面隐身涂层的脱落，降低其隐身性能；同时摩擦会产生静电，对无线通讯和罗盘仪表产生干扰，严重影响飞行器和导弹的制导系统。第三，颗粒流冲击载荷会损坏航空发动机叶片，沙尘颗粒进入发动机的油路会产生腐蚀性液体，造成油路堵塞、导电不良等一系列问题；航空发动机在飞行过程中，将不可避免地受到燃烧室内各种杂质及外来颗粒的冲击，其速度最高可达300m/s，从而发生冲蚀失效，这一失效已成为制约耐高温、高隔热的热障涂层服役性能及安全应用的关键问题。

在军事领域，浅埋地表地雷爆炸引发颗粒流高速冲击对车辆及其他军事设施造成巨大破坏。国内外现有实验一般直接通过模拟整个爆炸过程来研究爆轰载荷对材料的影响，除成本高外，也存在以下问题：第一，爆炸过程中会产生非透明的爆炸云，阻挡实验人员观察视野，观测仪器无法清晰记录整个实验过程；第二，爆炸过程持续时间短，载荷大，材料变形严重，现有设备很难满足对其载荷、能量等参数的测量和记录；第三，被测材料迎爆面所承受的冲击载荷为土壤、砂石颗粒和其他爆轰产物的耦合作用，无法独立评价颗粒流冲击载荷对材料服役情况的影响。

发明内容

针对现有实验手段的不足，通过观测实际浅埋地雷爆炸的完整过程，发现土壤及砂石颗粒类似一圆柱形颗粒子弹以高速冲击材料表面，造成材料及结构的变形破坏，因此本发明提出一种颗粒流发射装置，利用此装置可以在实验室环境下独立开展颗粒流载荷冲击对材料及结构服役安全性能影响的测试与评价。

本发明采用如下技术方案来实现：

一种颗粒流发射装置，包括发射装置主体、空心圆柱管、限位盘、活塞杆和三自由度可调节支架；其中，发射装置主体设置在三自由度可调节支架上，包括可拆卸连接的发射装置主体上部和发射装置主体下部，发射装置主体上部和发射装置主体下部之间开设有阶梯孔，空心圆柱管内沿其轴向至少开设有一个通孔，空心圆柱管设置在发射装置主体设置的第一阶梯孔内，活塞杆的小端能够穿过发射装置主体设置的第二阶梯孔并深入至空心圆柱管对应的通孔内，且第一阶梯孔的尺寸大于第二阶梯孔的尺寸，限位盘连接在靠近第一阶梯孔的发射装置主体端面上，用于限制空心圆柱管的轴向运动。

本发明进一步的改进在于，还包括颗粒子弹制备装置，其包括密封端盖和定位锤，密封端盖用于连接在空心圆柱管内通孔的一端，定位锤能够从通孔的另一端伸入至通孔内。

本发明进一步的改进在于，定位锤表面刻有定位线，且定位锤与空心圆柱管孔为间隙配合。

本发明进一步的改进在于，密封端盖中间设有圆柱凸台与空心圆柱管的通孔为过渡配合，密封端盖上开有沉头孔。

本发明进一步的改进在于，靠近大端的活塞杆上套装有缓震环或缓震弹簧；

活塞杆的小端与空心圆柱管为H7/h6间隙配合，大端与缓震环为H7/k6过渡配合。

本发明进一步的改进在于，实验时，空心圆柱管内填充有颗粒子弹，以轻气炮发射的金属子弹为原动力撞击活塞杆的大端中心，然后活塞杆推动空心圆柱管内颗粒子弹发射，冲击被测材料和结构。

本发明进一步的改进在于，活塞杆的中间段设置两条定位槽，用于与定位片在子弹制备阶段后期和实验开始前装置位置调整阶段形成两次配合定位。

本发明进一步的改进在于，三自由度可调节支架包括支架底座、支架中板和支架上板，支架底座呈倒U型状，其两侧对称开设有通槽，支架中板呈U型状，设置在支架底座内，支架中板的两侧与支架底座的两侧连接，并能够沿支架底座两侧的通槽上下移动，支架中板的顶部开设有通槽，支架上板连接在支架中板的顶部，并能够沿着支架中板顶部的通槽移动，发射装置主体设置在支架上板上。

本发明进一步的改进在于，发射装置主体上部和发射装置主体下部两部分采用螺栓连接，模具定位器定位，更换颗粒子弹时，拆开发射装置主体上部，更换有颗粒子弹的空心圆柱管。

本发明进一步的改进在于，空心圆柱管内沿其轴向开设有两个通孔，对应的活塞杆设置有小端，形成单次双发的颗粒流发射装置，且单次双发的颗粒流发射装置采用同步发射同时冲击或者同步发射非同时冲击被测材料。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

本发明提供的一种颗粒流发射装置，包括发射装置主体、空心圆柱管、活塞杆、限位盘和三自由度支架；其中，发射装置主体为分离式，包括发射装置主体上部和发射装置主体下部，两部分采用模具定位器定位，螺钉连接，可实现快速精准的装配和拆分。每次更换颗粒子弹，只需将发射主体上部拆分，然后整体更换空心圆柱管及活塞杆即可。本发明以轻气炮发射的金属子弹为动力源，撞击发射装置中活塞杆的大端中心使活塞杆通过小端推动颗粒子弹发射，以一定速度冲击被测试材料和结构。实验中将借助速度传感器、高速摄影仪、力传感器、位移传感器等测试仪器和设备测量金属子弹速度、初始载荷和能量、颗粒子弹速度、被测材料和结构的变形和能量吸收等关键的测评数据。

进一步，颗粒子弹制备装置包括密封端盖、空心圆柱管和定位锤。密封端盖中间设有圆柱凸台，与空心圆柱管孔为过渡配合，密封端盖上开有沉头孔，使用螺钉与空心圆柱管连接后可使端盖朝下竖直放置于平面。

进一步，定位锤表面刻有定位线，与空心圆柱管孔为间隙配合。

进一步，活塞杆大端与缓震环或缓震弹簧过渡配合，冲击实验过程中可以起到缓震作用的同时也可减少噪音；活塞杆小端与空心圆柱管的空心圆孔采用间隙配合，两者可自由滑动；活塞杆中间区域设计两条定位槽，与定位片配合完成不同阶段装配时的限位功能。

进一步，三自由度支架分为支架上板、支架中板和支架底座，发射装置主体与支架上板采用螺栓连接，三个部分相互配合可完成整个发射装置XYZ三个方向的位置调整。

进一步，空心圆柱管可以为双腔或者多腔，配合相应数量的活塞杆，实现双发或多发颗粒子弹同时或非同时冲击被测材料和结构，实现对材料某一范围不同区域同时或非同时被颗粒流高速冲击后结构服役安全性能影响的测试与评价；改变空心圆柱管的内腔结构和活塞杆的机构设计，实现单颗或多颗不同角度颗粒子弹冲击被测材料和结构，实现对材料某一区域内不同角度颗粒流高速冲击后结构服役安全性能影响的测试与评价。

附图说明

图1为本发明发射装置整体正三轴测图；

图2为本发明空心圆柱管示意图；

图3为本发明发射装置主体上部和下部结构示意图，其中图3(a)为发射装置主体的结构示意图，图3(b)为发射装置主体上部的结构示意图；

图4为本发明限位盘示意图；

图5为本发明活塞杆与缓震环(缓震弹簧)装配示意图，其中图5(a)为活塞杆与缓震环装配示意图，图5(b)为活塞杆与缓震弹簧装配示意图；

图6为本发明三自由度可调节支架结构示意图；

图7为本发明定位片示意图；

图8为本发明颗粒子弹制备装置结构示意图；

图9为本发明单次双发颗粒子弹(同时冲击材料表面)发射装置示意图；

图10为本发明单次双发颗粒子弹(非同时冲击材料表面)发射装置示意图。

附图标记说明：

1、空心圆柱管，2、限位盘，3、发射装置主体上部，4、缓震环，5、活塞杆，6、发射装置主体下部，7、支架底座，8、支架中板，9、支架上板，10、定位片，11、密封端盖，12、定位锤，13、第一活塞杆，14、第一空心圆柱管，15、第二活塞杆，16、第二空心圆柱管；

101、第一螺纹孔，102、第一通孔，201、第二通孔，202、第一圆孔，203、第二圆孔，301、第二螺纹孔，302、第一半圆孔，303、第三通孔，304、第三螺纹孔，305、第一半圆通孔，306、第四通孔，501、第一槽，502、第二槽，601、第二半圆孔，602、第二半圆通孔，603、第四螺纹孔，604、第五通孔，605、第六通孔，701、第七通孔，702、第一方形通槽，801、第二方形通槽，901、倒T型槽，1001、第八通孔，1002、第三半圆孔，1101、沉头孔，1102、圆柱凸台，1201、标定线，1301、第一长杆，1302、第二长杆，1401、第九通孔，1402、第十通孔，1501、第三长杆，1502、短杆，1601、长孔，1602、短孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明做出进一步的说明。

如图1所示，本发明提供的一种颗粒流发射装置，包括颗粒子弹制备装置，空心圆柱管1，限位盘2，发射装置主体上部3，缓震环4或缓震弹簧，活塞杆5，发射装置主体下部6和三自由度可调节支架。

如图2所示为空心圆柱管1，此构件将应用于颗粒子弹制备和发射阶段，圆孔直径等于颗粒子弹的直径。如图8所示，在颗粒子弹制备阶段，第一螺纹孔101与颗粒子弹制备装置的密封端盖11上的沉头孔1101配合，用螺钉固定完成空心圆柱管下端的密封；在发射前装配阶段，活塞杆5的前段轴与空心圆柱管的第一通孔102形成H7/h6的间隙配合，图7中的定位片10的第三半圆孔1002将于活塞杆5上的第二槽502形成过渡配合，第八通孔1001与第一螺纹孔101使用螺钉连接形成活塞杆5与空心圆柱管装配阶段的定位，防止因装配造成活塞杆位置的移动，造成颗粒子弹位置的偏移，增加重复实验的稳定性。

如图3所示为发射装置主体上部3和发射装置主体下部6。发射装置主体下部6使用螺栓通过第六通孔605固定于支架上板9的倒T型槽901中，其位置可在支架上板沿槽的方向进行调整。发射装置主体上部的第三通孔303与发射装置下部的第四螺纹孔603使用螺钉连接，第四通孔306和第五通孔604分别与模具定位器的公母销以过盈方式装配，形成发射装置主体上部3和发射装置下部6的准确定位，保证第一半圆孔302和第二半圆孔601两者装配后形成圆孔的圆柱度，此圆孔与空心圆柱管1形成孔轴的过渡配合，对空心圆柱管3形成限位。发射装置主体上部3和发射装置主体下部6完成装配定位后，第一半圆通孔305和第二半圆通孔602合为一完整圆通孔，孔的直径等于活塞杆5小端直径。定位片10的第三半圆孔1002将于活塞杆上的第一槽501形成过渡配合，第八通孔1001与第三螺纹孔304使用螺钉连接形成发射装置主体上部3与活塞杆装配阶段的定位，防止因后续支架位置的调整，造成颗粒子弹位置的偏移，增加重复实验的稳定性。

图4为限位盘2，第一圆孔202与空心圆柱管1形成过渡配合，第二圆孔203直径小于第一圆孔202，对空心圆柱管1形成限位。第二通孔201与发射装置主体上部3和发射装置主体下部6的第二螺纹孔301采用螺钉连接。

图5为活塞杆5，第一槽501和第二槽502分别配合定位片10对装配阶段的活塞杆5进行限位，防止其移动。在活塞杆5的大端侧采用H7/k6过渡配合方式装配缓震环，缓震环4材料为铝合金或者非金属材料，例如聚四氟乙烯、硅橡胶，起到缓冲减震的作用。也可将缓震环替换为缓震弹簧，不但能实现撞击后活塞杆和发射装置主体自动分离的功能，而且弹簧还能够重复利用。

图6为三自由度可调节支架，由支架上板9，支架中板8和支架底座7组成。支架上板9上开有两个倒T型通槽901，发射装置下部6将采用螺栓与其配合，以达到整个发射装置主体部分沿槽方向的位置调整；支架中板为倒U型，横板两侧开有与支架上板倒T型槽901相互垂直的第二方形通槽801，支架上板9与支架中板8采用螺栓连接，可完成支架上板及以上装置沿第二方形通槽801方向的位置调整；支架底座7为U型，两个侧板上开有多个第一方形通槽702，支架中板8两侧板开有通孔，可通过螺栓与支架底座7侧板上的第一方形槽702进行连接，调整螺栓的位置可完成支架中板8及以上装置沿竖直方向的位置调整。支架底座7的底面开有多个第七通孔701，可与地面或其他固定支架完成连接，以保持整个发射装置在实验过程中的稳定。

图8为颗粒子弹制备装置，由空心圆柱管1，密封端盖11及定位锤12组成。密封端盖上开有两个沉头孔1101，与空心圆柱管1的端面螺纹孔用螺钉连接，完成端面的密封，圆柱凸台1102与第一通孔102为过渡配合；定位锤12小端圆柱上刻有标定线1201，作为颗粒子弹制备过程中不同颗粒层边界的定位；定位锤小端圆柱与空心圆柱管的第一通孔102为间隙配合。

接下来根据上述装置，论述颗粒子弹的制备、发射装置的装配及发射颗粒子弹的实验过程：

利用图8所示的装置制备所需颗粒子弹，颗粒子弹的材料可以是任意颗粒状材料，例如土壤、SiO₂颗粒、SiC颗粒、WC颗粒、金属铝颗粒、铅颗粒等，颗粒的大小和分布可根据实验需要进行设计制备。

制备过程：

第一步：制备颗粒子弹之前将空心圆柱管的第一通孔102内壁清理干净，然后将密封端盖11用螺钉与第一螺纹孔101进行装配拧紧，装配完成的组合装置以密封端盖为底面竖直放置在平板上；

第二步，处理颗粒子弹原材料。发射过程中，颗粒子弹速度呈梯度变化，需要借助高速摄像机观测颗粒子弹飞行过程中的形态和速度变化。因此需要将颗粒子弹分层制备，第一种方法是在颗粒层之间添加一薄层其他颜色的颗粒，例如将20mm的WC(黑色)颗粒子弹分为5层制备，在每一层的中间添加一薄层SiO₂颗粒(白色或金色)；第二种方法是利用染色剂将颗粒染色，不同层颗粒用不同颜色的颗粒制备，例如在制备SiO₂颗粒子弹时，将部分颗粒用黑色墨水将其染成黑色，然后用烘箱烘干，制备颗粒子弹时染色与未染色的颗粒依次添加，最终形成界面分明的颗粒子弹。

第三步，添加定量颗粒，利用定位锤的自然下落使颗粒子弹整体密实化。添加颗粒时注意分层添加，以标定线1201为基准进行每一层颗粒的制备。颗粒子弹整体制备完成后，需将活塞杆5前端润滑后与空心圆柱管1的第一通孔102装配，然后将定位片10与第二槽502配合锁紧完成活塞杆1的限位。若制备含水颗粒子弹，则需要按上述步骤制备好干颗粒子弹后，需要拆开密封端盖，用胶头滴管从第一通孔102加入蒸馏水(水量按照实验设计方案添加)。

颗粒子弹制备完成后，开始进行发射装置主体的装配。第一步，按照图6所示进行三自由度支架的初步装配，支架底座7固定与地面或者刚性支架上；第二步，按照图1所示，将发射主体装置下部6与三自由度支架上板9使用螺栓进行初步装配；第三步，将已经制备好的颗粒子弹和制备装装置与发射主体装置下部6的第二半圆孔601进行装备，定位片10取下后，将发射主体装置上部3的第一半圆孔302与之装配，并将发射装置主体上下部分定位锁紧，最后将密封端盖拆除；第四步，按如图1所示安装限位盘，将定位片10与活塞杆5上的第一槽501配合锁紧，防止位置调整时对颗粒子弹形态造成影响；第五步，利用三自由度支架调整活塞杆位置，使轻气炮的中心线、活塞杆的中心线和被测试材料的几何中心在一条直线上，活塞杆大端面距离轻气炮端面的距离根据实验设计调整。

整个装置装配完成并调整好位置后，将定位片10从活塞杆5的第一槽501中拆下，利用轻气炮发射钢子弹冲击活塞杆5的大端，活塞杆5受到冲击载荷作用推动颗粒子弹运动撞击被测材料的几何中心。

实施例1

如图1所示为单发颗粒子弹发射装置，此实施例可用于单个颗粒子弹单次或多次冲击材料或结构，完成对材料及结构服役安全性能影响的测试与评价；同时，在不改变被测材料边界条件和位置情况下，也可通过调节三自由度支架和轻气炮的位置，完成冲击样件内非定点位置，颗粒子弹反复冲击性能测试，实现材料某一区域性能衰减对另一区域安全性能影响的测试与评价。

实施例2

如图9所示为单次双发颗粒子弹发射装置，其发射的双发子弹同时冲击被测材料表面。在材料实际服役过程中，颗粒流载荷存在多点同时作用于服役材料表面，因此采用双发或多发颗粒子弹发射装置同时发射多枚颗粒子弹才能有效模拟材料实际服役条件，更加准确的测试与评价材料抗颗粒流载荷破坏的能力。

本实施例中第一活塞杆13有两根等长的第一长杆1301和第二长杆1302，相应的第一空心圆柱管14也有两个等长的第九通孔1401和第十通孔1402，与活塞杆的两个杆为间隙配合。发射装置主体上部和下部根据第一活塞杆13和第一空心圆柱管14的设计重新进行相应的形状和尺寸的变化。本实施例只提供了双发颗粒子弹发射装置的示意图，三发以上的发射装置可根据此原理设计。

实施例3

在实施例2的设计基础上做进一步的改进，将第二活塞杆15设计为一个第三长杆1501和一个短杆1502，相应的将第二空心圆柱管16也修改为一长孔1601和一短孔1602。本实施例的装置可模拟双发颗粒子弹同时发射但不同时到达被冲击材料表面的服役工况。

以上实施例仅用于说明而非限制本发明的技术方案，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明进行修改或者等同代替，而不脱离本发明的精神和范围的任何修改或者局部替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种颗粒流发射装置，其特征在于，包括发射装置主体、空心圆柱管(1)、限位盘(2)、活塞杆(5)和三自由度可调节支架；其中，

发射装置主体设置在三自由度可调节支架上，包括可拆卸连接的发射装置主体上部(3)和发射装置主体下部(6)，发射装置主体上部(3)和发射装置主体下部(6)之间开设有阶梯孔，空心圆柱管(1)内沿其轴向至少开设有一个通孔，空心圆柱管(1)设置在发射装置主体设置的第一阶梯孔内，活塞杆(5)的小端能够穿过发射装置主体设置的第二阶梯孔并深入至空心圆柱管(1)对应的通孔内，且第一阶梯孔的尺寸大于第二阶梯孔的尺寸，限位盘(2)连接在靠近第一阶梯孔的发射装置主体端面上，用于限制空心圆柱管(1)的轴向运动；

活塞杆(5)的小端与空心圆柱管(1)为H7/h6间隙配合，大端与缓震环(4)为H7/k6过渡配合；

实验时，空心圆柱管(1)内填充有颗粒子弹，以轻气炮发射的金属子弹为原动力撞击活塞杆(5)的大端中心，然后活塞杆(5)推动空心圆柱管(1)内颗粒子弹发射，冲击被测材料和结构。

2.根据权利要求1所述的一种颗粒流发射装置，其特征在于，还包括颗粒子弹制备装置，其包括密封端盖(11)和定位锤(12)，密封端盖(11)用于连接在空心圆柱管(1)内通孔的一端，定位锤(12)能够从通孔的另一端伸入至通孔内。

3.根据权利要求2所述的一种颗粒流发射装置，其特征在于，定位锤(12)表面刻有定位线(1201)，且定位锤(12)与空心圆柱管孔(1)为间隙配合。

4.根据权利要求2所述的一种颗粒流发射装置，其特征在于，密封端盖(11)中间设有圆柱凸台(1102)与空心圆柱管(1)的通孔为过渡配合，密封端盖(11)上开有沉头孔(1101)。

5.根据权利要求1或2所述的一种颗粒流发射装置，其特征在于，靠近大端的活塞杆(5)上套装有缓震环(4)或缓震弹簧。

6.根据权利要求1或2所述的一种颗粒流发射装置，其特征在于，活塞杆(5)的中间段设置两条定位槽，用于与定位片(10)在子弹制备阶段后期和实验开始前装置位置调整阶段形成两次配合定位。

7.根据权利要求1或2所述的一种颗粒流发射装置，其特征在于，三自由度可调节支架包括支架底座(7)、支架中板(8)和支架上板(9)，支架底座(7)呈倒U型状，其两侧对称开设有通槽，支架中板(8)呈U型状，设置在支架底座(7)内，支架中板(8)的两侧与支架底座(7)的两侧连接，并能够沿支架底座(7)两侧的通槽上下移动，支架中板(8)的顶部开设有通槽，支架上板(9)连接在支架中板(8)的顶部，并能够沿着支架中板(8)顶部的通槽移动，发射装置主体设置在支架上板(9)上。

8.根据权利要求1或2所述的一种颗粒流发射装置，其特征在于，发射装置主体上部(3)和发射装置主体下部(6)两部分采用螺栓连接，模具定位器定位，更换颗粒子弹时，拆开发射装置主体上部(3)，更换有颗粒子弹的空心圆柱管(1)。

9.根据权利要求1或2所述的一种颗粒流发射装置，其特征在于，空心圆柱管(1)内沿其轴向开设有两个通孔，对应的活塞杆(5)设置有小端，形成单次双发的颗粒流发射装置，且单次双发的颗粒流发射装置采用同步发射同时冲击或者同步发射非同时冲击被测材料。

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