CN114088551B - 一种考虑环境温度的涂层材料抗冲击试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种考虑环境温度的涂层材料抗冲击试验装置，包括射流箱体，射流箱体的输出端对应设置有环境箱，环境箱的一侧连通有环境调节箱；射流箱体内设置有高速射流发生器与控制射流频率的射流切割机构，环境箱的侧壁上开设有入口，高速射流发生器与入口对应设置，射流切割机构分别与高速射流发生器的出口、入口对应设置；环境箱内设置有与入口对应设置的涂层试件安装装置，环境箱顶部连接有用来平衡环境箱内部压力的压力平衡窗，环境调节箱用来实现高温环境或低温环境的调节，高速射流发生器、射流切割机构以及环境调节箱电性连接有PLC控制器。本发明可以在不同环境下完成涂层试件抗冲击性能的检测，结构简单，成本低廉，适用范围广。

Description

一种考虑环境温度的涂层材料抗冲击试验装置

技术领域

本发明属于性能检测实验装置技术领域，尤其涉及一种考虑环境温度的涂层材料抗冲击试验装置。

背景技术

军用飞机为了保证其隐身性能，在其机身机翼表面常会覆盖有隐身涂层，但是飞机的隐身涂层在服役过程中，难免会受到极端天气的影响，例如雨滴的冲击侵蚀，同时，由于飞机表面受冲击过程中会使得局部出现温度变化，实际的冲击工况需考虑冲击涂层的温度变化。涂层性能的损失会严重影响飞机的服役状态，因此涂层的抗冲击性能是检验涂层性能中的一项重要指标。而传统的检测装置大部分仅考虑了液滴冲击常温试件，无法检测出涂层在受冲击之后表面温度变化和雨滴冲击的耦合效应，无法反应出真实服役状态下的情况。因此，亟需一种考虑环境温度的涂层材料抗冲击试验装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种考虑环境温度的涂层材料抗冲击试验装置，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种考虑环境温度的涂层材料抗冲击试验装置，包括射流箱体，所述射流箱体的输出端对应设置有环境箱，所述环境箱的一侧连通有环境调节箱；所述射流箱体内设置有高速射流发生器与控制射流频率的射流切割机构，所述环境箱的侧壁上开设有入口，所述高速射流发生器与所述入口对应设置，所述射流切割机构分别与所述高速射流发生器的出口、所述入口对应设置；所述环境箱内设置有与所述入口对应设置的涂层试件安装装置，所述环境箱顶部连接有用来平衡所述环境箱内部压力的压力平衡窗，所述环境调节箱用来实现所述环境箱内高温环境或低温环境的调节，所述高速射流发生器、射流切割机构以及所述环境调节箱电性连接有PLC控制器。

优选的，所述高速射流发生器包括位于所述射流箱体内侧一端的高压数控气泵，所述高压数控气泵的输出端连通有液箱，所述高压数控气泵的输出端穿过所述液箱并通过射流管伸出所述射流箱体内侧的另一端，所述射流管与所述入口对应设置，所述射流箱体的一端侧壁上开设有液体注入口且与所述液箱的进口连通，所述高压数控气泵与所述PLC控制器电性连接。

优选的，所述射流切割机构包括设置在所述射流箱体内的同步电机，所述同步电机的旋转轴轴接有传动轴的一端，所述传动轴的另一端垂直穿设有圆盘且与所述圆盘的圆心固定连接，所述传动轴的另一端固定连接有延伸轴的一端，所述延伸轴的另一端轴接有圆形的同步快门，所述同步快门远离所述延伸轴的一端与所述环境箱的外侧壁转动连接，所述同步快门的边缘开设有若干入射孔，所述圆盘的边缘开设有若干切割孔，所述射流管的出口、顶部的所述切割孔、顶部的所述入射孔以及所述入口对应设置。

优选的，所述入射孔与所述入口的内径尺寸相同，所述切割孔的内径尺寸不大于所述射流管的出口、所述入口的内径尺寸。

优选的，所述涂层试件安装装置包括固定连接在所述环境箱内侧底部的试件底座、铰接在所述试件底座顶面的涂层板与支撑板，所述支撑板的顶端与所述涂层板远离所述入口的一侧面可拆卸连接。

优选的，所述涂层板靠近所述支撑板的一侧面上固定连接有若干等间距设置的卡板，所述卡板与所述涂层板之间设置有夹角，所述支撑板的顶端位于所述夹角内，所述卡板与所述支撑板通过固定螺栓可拆卸连接，所述涂层板靠近所述入口的一侧面上固定连接有涂层试件，所述涂层试件与所述入口的高度相适配。

优选的，所述环境调节箱通过进风风管、回风风管与所述环境箱连通，所述环境调节箱顶部连接有循环风机，所述环境调节箱的侧壁开设有外源接口，所述外源接口连通有热源或氮源。

优选的，所述环境箱远离所述环境调节箱的侧壁上设置有观察窗。

优选的，所述压力平衡窗包括固定连接在所述环境箱顶面的平衡窗壳体，所述平衡窗壳体底部开设有与所述环境箱的内腔连通的通气孔，所述平衡窗壳体内侧壁滑动连接有滑动板，所述滑动板的顶面与所述平衡窗壳体内侧顶面之间设置有弹簧，所述平衡窗壳体侧壁上开设有若干泄气孔，若干所述泄气孔位于所述滑动板与所述平衡窗壳体内侧顶面之间。

本发明具有如下技术效果：1、手动操作向PLC控制器发出控制指令，通过启动高速射流发生器向入口内射入液滴，液滴冲击在涂层试件安装装置上，对涂层试件进行冲击测试；在射入液滴的同时，启动射流切割机构，可以有效控制液滴进入入口内的频率；通过环境调节箱可以调节环境箱内涂层试件的冲击测试温度，通过接通氮源，可以控制涂层试件的环境温度最低至-200℃；通过接通热源完成0-500℃高温环境加载，相比于常规电磁辐射加热环境加载，气体环境加热更加均匀，也更加符合实际飞机飞行工况，且无需电磁加热辅助设备，装置更加简单；在调节环境箱内部温度的同时，内部的压力也在改变，压力平衡窗可以有效平衡内外界压力，保证测试过程的真实性。

2、本发明由于采用了上述的技术方案，具有在不同冲击速度、不同冲击角度、不同冲击频率，不同试件温度下获得涂层抗冲击性能的检测能力。在实验过程中，仅需控制高压数控气泵压力、步进电机转速、环境箱压力，调节涂层板角度，即可完成各种工况下的试验。结构简单，成本低廉，适用范围广。

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为本发明试验装置的示意图；

图2为本发明涂层试件安装装置示意图；

图3为本发明切割孔、入射孔与入口位置示意图；

图4为本发明压力平衡窗主视方向剖视图；

图5为本发明实施例二圆盘示意图；

其中，1、液体注入口；2、高压数控气泵；3、液箱；4、射流管；5、同步电机；6、切割孔；7、压力平衡窗；701、平衡窗壳体；702、弹簧；703、滑动板；704、通气孔；705、泄气孔；8、循环风机；9、外源接口；10、传动轴；11、圆盘；12、定位孔；13、入口；14、试件底座；15、涂层板；16、支撑板；17、观察窗；18、进风风管；19、回风风管；20、延伸轴；21、入射孔；22、固定螺栓；23、同步快门；24、卡板。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例一：

参照图1-5所示，本发明提供了一种考虑环境温度的涂层材料抗冲击试验装置，包括射流箱体，射流箱体的输出端对应设置有环境箱，环境箱的一侧连通有环境调节箱；射流箱体内设置有高速射流发生器与控制射流频率的射流切割机构，环境箱的侧壁上开设有入口13，高速射流发生器与入口13对应设置，射流切割机构分别与高速射流发生器的出口、入口13对应设置；环境箱内设置有与入口13对应设置的涂层试件安装装置，环境箱顶部连接有用来平衡环境箱内部压力的压力平衡窗7，环境调节箱用来实现所述环境箱内高温环境或低温环境的调节，高速射流发生器、射流切割机构以及环境调节箱电性连接有PLC控制器。

手动操作向PLC控制器发出控制指令，通过启动高速射流发生器向入口13内射入液滴，液滴冲击在涂层试件安装装置上，对涂层试件进行冲击测试；在射入液滴的同时，启动射流切割机构，可以有效控制液滴进入入口13内的频率；通过环境调节箱可以调节环境箱内涂层试件的冲击测试温度，通过接通氮源，可以控制涂层试件的环境温度最低至-200℃；通过接通热源完成0-500℃高温环境加载，相比于常规电磁辐射加热环境加载，气体环境加热更加均匀，也更加符合实际飞机飞行工况，且无需电磁加热辅助设备，装置更加简单；在调节环境箱内部温度的同时，内部的压力也在改变，压力平衡窗7可以有效平衡内外界压力，保证测试过程的真实性。

进一步优化方案，高速射流发生器包括位于射流箱体内侧一端的高压数控气泵2，高压数控气泵2的输出端连通有液箱3，高压数控气泵2的输出端穿过液箱3并通过射流管4伸出射流箱体内侧的另一端，射流管4与入口13对应设置，射流箱体的一端侧壁上开设有液体注入口1且与液箱3的进口连通，高压数控气泵2与PLC控制器电性连接。

启动高压数控气泵2，产生压力，将液箱3内的液滴射入入口13内并冲击涂层试件，通过手动操作设定高压数控气泵2的输出功率，向PLC控制器发送指令，可以调节液滴的冲击速度。

进一步优化方案，射流切割机构包括设置在射流箱体内的同步电机5，同步电机5的旋转轴轴接有传动轴10的一端，传动轴10的另一端垂直穿设有圆盘11且与圆盘11的圆心固定连接，传动轴10的另一端固定连接有延伸轴20的一端，延伸轴20的另一端轴接有圆形的同步快门23，同步快门23远离延伸轴20的一端与环境箱的外侧壁转动连接，同步快门23的边缘开设有入射孔21，圆盘11的边缘开设有切割孔6，射流管4的出口、切割孔6、入射孔21以及入口13对应设置。

启动高压数控气泵2的同时，启动同步电机5，从而带动圆盘11与同步快门23，切割孔6所在圆上的半径与入射孔21所在圆上的半径相同；当圆盘11转动到使切割孔6正好通过液滴的位置时液滴也可以穿过同步快门23，从而进入入口13内，最终冲击在涂层试件上。

进一步优化方案，入射孔21与入口13的内径尺寸相同，切割孔6的内径尺寸不大于射流管4的出口、入口13的内径尺寸。

这样设置，可以使切割孔6有效控制液滴的射出状态，保证有效冲击的部分。

进一步优化方案，涂层试件安装装置包括固定连接在环境箱内侧底部的试件底座14、铰接在试件底座14顶面的涂层板15与支撑板16，支撑板16的顶端与涂层板15远离入口13的一侧面可拆卸连接。

通过调节支撑板16与涂层板15的连接角度，可以改变涂层试件的被冲击角度，进而改变涂层试件的测试条件。

进一步优化方案，涂层板15靠近支撑板16的一侧面上固定连接有若干等间距设置的卡板24，卡板24与涂层板15之间设置有夹角，支撑板16的顶端位于夹角内，卡板24与支撑板16通过固定螺栓22可拆卸连接，涂层板15靠近入口13的一侧面上固定连接有涂层试件，涂层试件与入口13的高度相适配。

当需要调整涂层试件的冲击角度时，松开固定螺栓22，使支撑板16的顶部与合适位置的卡板24接触，并通过固定螺栓22，将支撑板16的顶部固定连接在涂层板15的侧面上，从而完成调节涂层板15的角度调节，即完成调节涂层试件的冲击角度。

进一步优化方案，环境调节箱通过进风风管18、回风风管19与环境箱连通，环境调节箱顶部连接有循环风机8，环境调节箱的侧壁开设有外源接口9，外源接口9连通有热源或氮源。

进一步优化方案，环境箱远离环境调节箱的侧壁上设置有观察窗17。

进一步优化方案，压力平衡窗7包括固定连接在环境箱顶面的平衡窗壳体701，平衡窗壳体701底部开设有与环境箱的内腔连通的通气孔704，平衡窗壳体701内侧壁滑动连接有滑动板703，滑动板703的顶面与平衡窗壳体701内侧顶面之间设置有弹簧702，平衡窗壳体701侧壁上开设有若干泄气孔705，若干泄气孔705位于滑动板703与平衡窗壳体701内侧顶面之间。

当环境箱内的相对正压压力大于弹簧702的弹力，弹簧702被压缩，滑动板703向上滑动，高温或低温空气经过通气孔704从泄气孔705中泄出，当环境箱内的相对负压压力大于弹簧702的弹力，弹簧702被拉伸，滑动板703向下滑动，外界空气进入平衡窗壳体701内侧顶面与滑动板703之间；这样设置来调整环境箱内的压力。

本实施例的工作过程如下：

完成试件的环境温度加载后，从液体注入口1朝液箱3注入液体，随后通过高压数控气泵2对液箱3进行加压，液箱3的液体即从射流管高速射出。

打开同步电机5使圆盘11旋转至一定转速，即可通过切割孔6切割射流，得到间断不连续的液体射流。

当不连续的液体射流靠近入口13时，入口13打开，液体进入环境箱，冲击涂层板。此时便获得了低温环境下的冲击加载，空气交换降温的方式与常规的接触式降温相比，也使试件的降温为均匀且符合实际工况的，获得更有效的实验结果。此时若仅改变数控高压气泵2的压力，即可获得相同温度加载下0-400m/s冲击速度的实验结果；在此基础上，改变同步电机的转速，即可获得相同冲击速度、温度加载下0-100hz冲击频率的实验结果，若在此基础上，调节涂层板的角度，即可获得当下环境加载温度的材料在特定冲击速度和冲击频率下的抗0-90°下的冲击结果。

本发明的数控气泵压力、电机转速、环境箱温度、夹板与底座的夹角均可调节，即可实现不同冲击速度、不同冲击角度、不同冲击频率、不同试样环境温度下的涂层抗冲击试验。

实施例二

本实施例的射流切割机构与实施例一的区别仅在于，所述圆盘11的边缘开设有若干切割孔6，同步快门23的边缘开设有若干入射孔21，射流管4的出口、顶部的切割孔6、顶部的入射孔21以及入口13对应设置。

若干切割孔6到与圆盘11中心的距离均相等，且每相邻两组切割孔6之间的夹角相等；在试验时，便于利用具有不同数量的切割孔6，具有多个切割孔6的圆盘11，便于提高液滴通过效率；在同步电机5达到最大的转速时，便到达装置冲击频率的上限，更换具有多个切割孔6的装置能够进一步增加冲击频率，且可成倍的增加冲击频率，倍数与切割孔6组数成正比，此时对极端冲击环境更加贴合，增强试验冲击效果。

本发明的核心组件圆盘11，其切割孔6的尺寸比例已经过计算设计，能保证宽幅射流速度下的适应性。

本发明针对涂层板的高低温的环境加载，考虑的是涂层板的环境效应，当被涂层板在高温或者低温下会发生各种化学反应或者强度上的变化，本发明就可以对这方面进行验证。本发明重点验证的是涂层板在不同的高低温环境中，在液滴冲击下的反应。

本装置所有配件加工没有特殊的工艺要求，此外圆盘11通过螺栓与传动轴10固定连接，方便维护，更换。综合以上因素，本装置的加工成本较低，结构简单，测试效果好。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种考虑环境温度的涂层材料抗冲击试验装置，其特征在于：包括射流箱体，所述射流箱体的输出端对应设置有环境箱，所述环境箱的一侧连通有环境调节箱；所述射流箱体内设置有高速射流发生器与控制射流频率的射流切割机构，所述环境箱的侧壁上开设有入口（13），所述高速射流发生器与所述入口（13）对应设置，所述射流切割机构分别与所述高速射流发生器的出口、所述入口（13）对应设置；所述环境箱内设置有与所述入口（13）对应设置的涂层试件安装装置，所述环境箱顶部连接有用来平衡所述环境箱内部压力的压力平衡窗（7），所述环境调节箱用来实现所述环境箱内高温环境或低温环境的调节，所述高速射流发生器、射流切割机构以及所述环境调节箱电性连接有PLC控制器；

所述射流切割机构包括设置在所述射流箱体内的同步电机（5），所述同步电机（5）的旋转轴轴接有传动轴（10）的一端，所述传动轴（10）的另一端垂直穿设有圆盘（11）且与所述圆盘（11）的圆心固定连接，所述传动轴（10）的另一端固定连接有延伸轴（20）的一端，所述延伸轴（20）的另一端轴接有圆形的同步快门（23），所述同步快门（23）远离所述延伸轴（20）的一端与所述环境箱的外侧壁转动连接，所述同步快门（23）的边缘开设有若干入射孔（21），所述圆盘（11）的边缘开设有若干切割孔（6），所述高速射流发生器、顶部的所述切割孔（6）、顶部的所述入射孔（21）以及所述入口（13）对应设置；

所述压力平衡窗（7）包括固定连接在所述环境箱顶面的平衡窗壳体（701），所述平衡窗壳体（701）底部开设有与所述环境箱的内腔连通的通气孔（704），所述平衡窗壳体（701）内侧壁滑动连接有滑动板（703），所述滑动板（703）的顶面与所述平衡窗壳体（701）内侧顶面之间设置有弹簧（702），所述平衡窗壳体（701）侧壁上开设有若干泄气孔（705），若干所述泄气孔（705）位于所述滑动板（703）与所述平衡窗壳体（701）内侧顶面之间。

2.根据权利要求1所述的一种考虑环境温度的涂层材料抗冲击试验装置，其特征在于：所述高速射流发生器包括位于所述射流箱体内侧一端的高压数控气泵（2），所述高压数控气泵（2）的输出端连通有液箱（3），所述高压数控气泵（2）的输出端穿过所述液箱（3）并通过射流管（4）伸出所述射流箱体内侧的另一端，所述射流管（4）与所述入口（13）对应设置，所述射流箱体的一端侧壁上开设有液体注入口（1）且与所述液箱（3）的进口连通，所述高压数控气泵（2）与所述PLC控制器电性连接，所述射流管（4）的出口、顶部的所述切割孔（6）、顶部的所述入射孔（21）以及所述入口（13）对应设置。

3.根据权利要求2所述的一种考虑环境温度的涂层材料抗冲击试验装置，其特征在于：所述入射孔（21）与所述入口（13）的内径尺寸相同，所述切割孔（6）的内径尺寸不大于所述射流管（4）的出口、所述入口（13）的内径尺寸。

4.根据权利要求1所述的一种考虑环境温度的涂层材料抗冲击试验装置，其特征在于：所述涂层试件安装装置包括固定连接在所述环境箱内侧底部的试件底座（14）、铰接在所述试件底座（14）顶面的涂层板（15）与支撑板（16），所述支撑板（16）的顶端与所述涂层板（15）远离所述入口（13）的一侧面可拆卸连接。

5.根据权利要求4所述的一种考虑环境温度的涂层材料抗冲击试验装置，其特征在于：所述涂层板（15）靠近所述支撑板（16）的一侧面上固定连接有若干等间距设置的卡板（24），所述卡板（24）与所述涂层板（15）之间设置有夹角，所述支撑板（16）的顶端位于所述夹角内，所述卡板（24）与所述支撑板（16）通过固定螺栓（22）可拆卸连接，所述涂层板（15）靠近所述入口（13）的一侧面上固定连接有涂层试件，所述涂层试件与所述入口（13）的高度相适配。

6.根据权利要求1所述的一种考虑环境温度的涂层材料抗冲击试验装置，其特征在于：所述环境调节箱通过进风风管（18）、回风风管（19）与所述环境箱连通，所述环境调节箱顶部连接有循环风机（8），所述环境调节箱的侧壁开设有外源接口（9），所述外源接口（9）连通有热源或氮源。

7.根据权利要求1所述的一种考虑环境温度的涂层材料抗冲击试验装置，其特征在于：所述环境箱远离所述环境调节箱的侧壁上设置有观察窗（17）。