CN114216762A - 用于固体推进剂长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置 - Google Patents

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CN114216762A CN202111210829.0A CN202111210829A CN114216762A CN 114216762 A CN114216762 A CN 114216762A CN 202111210829 A CN202111210829 A CN 202111210829A CN 114216762 A CN114216762 A CN 114216762A
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Abstract

本发明公开了一种用于固体推进剂长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置，包括相机、支撑座与单轴加载单元；单轴加载单元包括连接组件、压力测量组件、伸缩组件、第一压头与第二压头，连接组件固定设在支撑座上，且压力测量组件的顶端与连接组件的底端固定相连；伸缩组件的顶端抵接在压力测量组件的底端，第一压头固定连接在伸缩组件的底端，第二压头固定设在支撑座上，第一压头与第二压头之间围成夹持腔，伸缩组件具有伸缩的自由度，相机的镜头朝向夹持腔。通过改变伸缩组件长度控制对试样施加的载荷大小，且能在试验过程中实时调整施加载荷的大小，再通过图像处理的方式实现性能测试，对试样无任何损坏，具有试验成本低和测试效率高等优点。

Description

用于固体推进剂长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置
技术领域
本发明涉及压缩蠕变试验技术领域，具体是一种用于固体推进剂长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置。
背景技术
固体推进剂由于其独特的粘弹效应，在长期重力载荷作用下，会发生较大的蠕变变形，进而影响后期固体火箭点火发射过程。固体推进剂蠕变特性可以为固体推进剂药柱结构设计及其结构完整性分析提供依据。目前，国内外开展的固体推进剂蠕变性能试验主要为拉伸蠕变试验，压缩蠕变性能试验的研究很少，且大多局限于短期压缩蠕变研究。
对于长期压缩蠕变性能的研究，至今没有统一的标准。采用一般万能试验机测试固体推进剂在长期载荷下的响应，实验所需时间较长、实验成本较大；采用机械式砝码的方式加载，则无法保证其在蠕变过程中恒定的应力状态；采用改进后的机械式蠕变实验机虽然可以保证试件受力的恒定，但对于不同材料和试样尺寸，需要设计和计算加载臂的尺寸，且加工精度要求高，加工困难。
发明内容
针对上述现有技术中的不足，本发明提供一种用于固体推进剂长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置，具有结构简单、易于制作、操作方便、适用范围广、制作成本相对低廉等多方面的优先。
为实现上述目的，本发明提供一种用于固体推进剂长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置，包括相机、支撑座以及设在所述支撑座上的单轴加载单元；
所述单轴加载单元包括连接组件、压力测量组件、伸缩组件、第一压头与第二压头，所述连接组件固定设在所述支撑座上，且所述压力测量组件的顶端与所述连接组件的底端固定相连；
所述伸缩组件的顶端抵接在所述压力测量组件的底端，所述第一压头固定连接在所述伸缩组件的底端，所述第二压头固定设在所述支撑座上，且所述第一压头与所述第二压头之间围成能够夹持固体推进剂的夹持腔；
所述伸缩组件具有伸缩的自由度，以调节所述夹持腔内固体推进剂所受的压缩应力，所述相机的镜头朝向所述夹持腔。
在其中一个实施例中，所述支撑座包括主体、第一平台、第二平台与第三平台；
所述第一平台、所述第二平台、所述第三平台从上至下依次间隔设在所述主体的侧部，所述第二压头固定设在所述第三平台上，所述第一平台上设有第一通孔，所述第二平台上设有第二通孔；
所述连接组件的底端穿过所述第一通孔后与所述第一平台固定相连，所述压力测量组件位于所述第一平台与所述第二平台之间，所述伸缩组件的底端穿过所述第二通孔后与所述第一压头固定相连，且所述伸缩组件与所述第二通孔之间为间隙配合。
在其中一个实施例中，所述连接组件包括固定螺杆与固定螺母，所述固定螺杆的底端穿过所述第一通孔后与所述压力测量组件相连；
所述固定螺母的数量为两个且均与所述固定螺杆螺纹相连，其中一个所述固定螺母抵接在所述第一平台的顶部，另一个所述固定螺母抵接在所述第一平台的底部。
在其中一个实施例中，所述压力测量组件包括力传感器与转换接头，所述力传感器的两端设有同轴的第一连接螺杆与第二连接螺杆；
所述固定螺杆的底端设有与所述固定螺杆同轴的第一螺纹孔，所述转换接头为回转体结构，且所述转换接头的顶端设有与所述转换接头同轴的第二螺纹孔；
所述第一连接螺杆与所述第一螺纹孔螺纹相连，所述第二连接螺杆与所述第二螺纹孔螺纹相连；
所述转换接头的底端设有第一沉孔，所述伸缩组件的顶端嵌入所述第一沉孔后与所述转换接头抵接相连。
在其中一个实施例中，所述伸缩组件包括调节丝杆、调节母杆与导向压杆；
所述导向压杆的顶端位于所述第一平台与所述第二平台之间，所述导向压杆的底端穿过所述第二通孔后与所述第一压头固定相连，且所述导向压杆与所述第二通孔之间为间隙配合；
所述导向压杆的顶端设有与所述导向压杆同轴的第二沉孔，所述调节母杆的底端同轴嵌入所述第二沉孔，且所述调节母杆的外侧壁与所述导向压杆的内侧壁之间为间隙配合；
所述调节母杆的顶端设有与所述调节母杆同轴的第三螺纹孔，所述调节丝杆的底端与所述第三螺纹孔螺纹相连，所述调节丝杆的顶端与所述压力测量组件抵接相连。
在其中一个实施例中，所述调节丝杆和/或所述调节母杆上设有同轴套设的驱动环，所述驱动环的侧壁沿轴线间隔设有多个驱动孔。
在其中一个实施例中，所述调节母杆的底端设有同轴的第一锥形槽，所述第二沉孔的孔底设有同轴的第二锥形槽；
所述伸缩组件还包括定位球，当所述调节母杆的底端同轴嵌入所述第二沉孔后，所述定位球的一端嵌入所述第一锥形槽，另一端嵌入所述第二锥形槽。
在其中一个实施例中，所述导向压杆的底端设有与所述导向压杆同轴的第四螺纹孔，所述第一压头的顶部设有第三连接螺杆，所述第三连接螺杆与所述第四螺纹孔螺纹相连。
在其中一个实施例中，还包括三脚架与计算机及图像处理软件，所述相机设在所述三脚架上，且与所述计算机电性相连。
在其中一个实施例中，所述第一压头的下表面粗糙度与所述第一压头的上表面粗糙度均为0.8-1。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明提供的长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置，通过控制单轴加载单元长度，有效控制对试样施加的载荷大小(即通过轴力大小与试样形状相匹配而实现)，且该载荷大小可被压力测量组件实时监控，可实现在试验过程中实时调整施加载荷的大小。
2、本发明提供的长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置，性能测试通过采集数字图像、后期图像处理的方式实现，对试样无任何损坏，具有试验成本低和测试效率高(测试区域可以为多个样本)等优点。
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描述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示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例中试验装置的整体结构示意图；
图2为本发明实施例中试验装置的局部连接结构示意图；
图3为本发明实施例中支撑座的结构剖视图；
图4为本发明实施例中固定螺杆的结构剖视图；
图5为本发明实施例中力传感器的结构剖视图；
图6为本发明实施例中转换接头的结构剖视图；
图7为本发明实施例中调节丝杆的结构剖视图；
图8为本发明实施例中调节母杆的结构剖视图；
图9为本发明实施例中导向压杆的结构剖视图；
图10为本发明实施例中第一压头的结构剖视图。
附图标号：主体1、第一平台101、第二平台102与第三平台103、第一通孔104、第二通孔105；固定螺杆2、固定螺母201、第一螺纹孔202；力传感器3、第一连接螺杆301、第二连接螺杆302；转换接头4、第二螺纹孔401、第一沉孔402；调节丝杆5、光轴段501；调节母杆6、第三螺纹孔601、第一锥形槽602；导向压杆7、第二沉孔701、第二锥形槽702、第四螺纹孔703；第一压头8、第三连接螺杆801；驱动环9、驱动孔901；第二压头10、定位球11、相机12、三脚架13、计算机14、夹持腔15。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
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的一部分实施例，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作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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接，还可以是物理连接或无线通信连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1-10所示为本实施例公开的一种用于固体推进剂长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置(以下简称“试验装置”)，其主要包括相机12、支撑座以及设在支撑座上的单轴加载单元。具体地，单轴加载单元包括连接组件、压力测量组件、伸缩组件、第一压头8与第二压头10，连接组件固定设在支撑座上，且压力测量组件的顶端与连接组件的底端固定相连，伸缩组件的顶端抵接在压力测量组件的底端，第一压头8固定连接在伸缩组件的底端，第二压头10固定设在支撑座上，且第一压头8与第二压头10之间围成能够夹持固体推进剂的夹持腔15，连接组件、压力测量组件、伸缩组件均为回转体结构且同轴，进而有效保障对夹持腔15内的固体推进剂施加轴向加载。伸缩组件具有伸缩的自由度，通过控制伸缩组件的伸缩有效控制对固体推进剂试样施加的载荷大小，进而调节夹持腔15内固体推进剂所受的压缩应力。相机12的镜头朝向夹持腔15，用于获取试验中固体推进剂试样的图像，通过图像采集得到固体推进剂试样的表面光学特征，进而分析得到其变形、位移等力学性能参数。
本实施例中，支撑座包括主体1、第一平台101、第二平台102与第三平台103，第一平台101、第二平台102、第三平台103从上至下依次间隔设在主体1的侧部，第二压头10固定设在第三平台103的上表面。第一平台101上设有第一通孔104，第二平台102上设有第二通孔105，其中，第一通孔104的孔径为10mm，第二通孔105的孔径为16mm。连接组件的底端穿过第一通孔104后与第一平台101固定相连，压力测量组件位于第一平台101与第二平台102之间，伸缩组件的底端穿过第二通孔105后与第一压头8固定相连，且伸缩组件与第二通孔105之间为间隙配合。
在具体实施过程中，连接组件包括不锈钢材质的固定螺杆2与固定螺母201，固定螺杆2的底端穿过第一通孔104后与压力测量组件相连。具体地，固定螺母201的数量为两个且均与固定螺杆2螺纹相连，其中一个固定螺母201通过垫片抵接在第一平台101的顶部，另一个固定螺母201通过垫片抵接在第一平台101的底部，进而将固定螺杆2锁定在第一平台101上，同时还可以改变固定螺杆2与第一平台101的锁定位置，进而调节固定螺杆2的高度。
在具体实施过程中，压力测量组件包括力传感器3与转换接头4，力传感器3的两端设有同轴的第一连接螺杆301与第二连接螺杆302。固定螺杆2的底端设有与固定螺杆2同轴的第一螺纹孔202，转换接头4为回转体结构，且转换接头4的顶端设有与转换接头4同轴的第二螺纹孔401，第一连接螺杆301与第一螺纹孔202螺纹相连，第二连接螺杆302与第二螺纹孔401螺纹相连，转换接头4的底端设有第一沉孔402，伸缩组件的顶端嵌入第一沉孔402后与转换接头4抵接相连。在应用过程中，可通过调节接头型号提升试验装置适用性。
作为优选地实施方式，力传感器3采用小体积的微型荷重传感器，以便于空间有限装置的测试。具体地，力传感器3量程为200N、精度为0.3％，且力传感器3上具有配套的显示仪表，用于实时监测所施加载荷大小的变化。
在具体实施过程中，伸缩组件包括回转体结构的调节丝杆5、调节母杆6与导向压杆7。导向压杆7的顶端位于第一平台101与第二平台102之间，导向压杆7的底端穿过第二通孔105后与第一压头8固定相连，且导向压杆7与第二通孔105之间为间隙配合。导向压杆7的顶端设有与导向压杆7同轴的第二沉孔701，该第二沉孔701的直径为13mm、深度为45mm。调节母杆6的底端同轴嵌入第二沉孔701，且调节母杆6的外侧壁与导向压杆7的内侧壁之间为间隙配合，即导向压杆7上第二沉孔701的孔径稍大于调节母杆6的外径，用于实现调节母杆6在未加载状态下能相对导向压杆7移动。调节母杆6的顶端设有与调节母杆6同轴的第三螺纹孔601，调节丝杆5的底端与第三螺纹孔601同轴螺纹相连，调节丝杆5的顶端设有光轴段501，该光轴段501嵌入第一沉孔402与转换接头4抵接相连，且调节丝杆5的顶端侧壁与第一沉孔402的内壁之间为间隙配合。其中，调节丝杆5与第三螺纹孔601采用细牙螺纹，具体为M6*0.75细牙螺纹，以用于提升伸缩组件高度调节精度。
作为优选地实施方式，调节丝杆5和/或调节母杆6上设有同轴套设的驱动环9，驱动环9与调节丝杆5和/或调节母杆6一体成型，驱动环9的侧壁沿轴线间隔设有多个驱动孔901，驱动环9上驱动孔901的数量具体为四个，且呈十字对称结构分布。本实施例中驱动孔901的直径为3mm、深度为4mm，用于通过驱动孔901旋转调节丝杆5和/或调节母杆6，进而调节伸缩组件的整体长度。
进一步优选地，调节母杆6的底端设有同轴的第一锥形槽602，第二沉孔701的孔底设有同轴的第二锥形槽702，第一锥形槽602与第二锥形槽702的直径均为4mm、深度均为1.8mm。伸缩组件还包括定位球11，当调节母杆6的底端同轴嵌入第二沉孔701后，定位球11的一端嵌入第一锥形槽602，另一端嵌入第二锥形槽702，定位球11有效地避免了导向压杆7与调节母杆6直接接触，有益于传递竖向荷载，避免了偏心加载。
作为优选地实施方式，导向压杆7的底端设有与导向压杆7同轴的第四螺纹孔703，该第四螺纹孔703内具有M5内螺纹，第一压头8的顶部设有第三连接螺杆801，该第三连接螺杆801上具有M5外螺纹，第三连接螺杆801与第四螺纹孔703螺纹相连，进而实现第一压头8与伸缩组件的固定连接。
本实施例中，导向压杆7的外表面粗糙度、第一压头8的下表面粗糙度、第一压头8的上表面粗糙度均为0.8-1，具体地，导向压杆7的外表面粗糙度、第一压头8的下表面粗糙度、第一压头8的上表面粗糙度均为0.8。且第一压头8、第一压头8由金属或合金制备而成，使其表面粗糙度低，便于提升工作期间固体推进剂试件的稳定性。
本实施例中，试验装置还包括三脚架13与计算机14及图像处理软件，相机12设在三脚架13上，且与计算机14电性相连。其中，相机12为高精度相机，用于拍摄到清晰的固体推进剂试样，图像处理软件安装在计算机14内。在具体实施过程中，图像处理软件可以选用DIC(digital image correlation，数字图像相关法)数据处理软件，即通过DIC采集固体推进剂试样表面光学特征，分析得到固体推进剂的变形、位移等力学性能参数。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于固体推进剂长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置，其特征在于，包括相机、支撑座以及设在所述支撑座上的单轴加载单元；
所述单轴加载单元包括连接组件、压力测量组件、伸缩组件、第一压头与第二压头，所述连接组件固定设在所述支撑座上，且所述压力测量组件的顶端与所述连接组件的底端固定相连；
所述伸缩组件的顶端抵接在所述压力测量组件的底端，所述第一压头固定连接在所述伸缩组件的底端，所述第二压头固定设在所述支撑座上，且所述第一压头与所述第二压头之间围成能够夹持固体推进剂的夹持腔；
所述伸缩组件具有伸缩的自由度，以调节所述夹持腔内固体推进剂所受的压缩应力，所述相机的镜头朝向所述夹持腔。
2.根据权利要求1所述用于固体推进剂长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置，其特征在于，所述支撑座包括主体、第一平台、第二平台与第三平台；
所述第一平台、所述第二平台、所述第三平台从上至下依次间隔设在所述主体的侧部，所述第二压头固定设在所述第三平台上，所述第一平台上设有第一通孔，所述第二平台上设有第二通孔；
所述连接组件的底端穿过所述第一通孔后与所述第一平台固定相连，所述压力测量组件位于所述第一平台与所述第二平台之间，所述伸缩组件的底端穿过所述第二通孔后与所述第一压头固定相连，且所述伸缩组件与所述第二通孔之间为间隙配合。
3.根据权利要求2所述用于固体推进剂长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置，其特征在于，所述连接组件包括固定螺杆与固定螺母，所述固定螺杆的底端穿过所述第一通孔后与所述压力测量组件相连；
所述固定螺母的数量为两个且均与所述固定螺杆螺纹相连，其中一个所述固定螺母抵接在所述第一平台的顶部，另一个所述固定螺母抵接在所述第一平台的底部。
4.根据权利要求3所述用于固体推进剂长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置，其特征在于，所述压力测量组件包括力传感器与转换接头，所述力传感器的两端设有同轴的第一连接螺杆与第二连接螺杆；
所述固定螺杆的底端设有与所述固定螺杆同轴的第一螺纹孔，所述转换接头为回转体结构，且所述转换接头的顶端设有与所述转换接头同轴的第二螺纹孔；
所述第一连接螺杆与所述第一螺纹孔螺纹相连，所述第二连接螺杆与所述第二螺纹孔螺纹相连；
所述转换接头的底端设有第一沉孔，所述伸缩组件的顶端嵌入所述第一沉孔后与所述转换接头抵接相连。
5.根据权利要求2或3或4所述用于固体推进剂长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置，其特征在于，所述伸缩组件包括调节丝杆、调节母杆与导向压杆；
所述导向压杆的顶端位于所述第一平台与所述第二平台之间，所述导向压杆的底端穿过所述第二通孔后与所述第一压头固定相连，且所述导向压杆与所述第二通孔之间为间隙配合；
所述导向压杆的顶端设有与所述导向压杆同轴的第二沉孔，所述调节母杆的底端同轴嵌入所述第二沉孔，且所述调节母杆的外侧壁与所述导向压杆的内侧壁之间为间隙配合；
所述调节母杆的顶端设有与所述调节母杆同轴的第三螺纹孔，所述调节丝杆的底端与所述第三螺纹孔螺纹相连，所述调节丝杆的顶端与所述压力测量组件抵接相连。
6.根据权利要求5所述用于固体推进剂长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置，其特征在于，所述调节丝杆和/或所述调节母杆上设有同轴套设的驱动环，所述驱动环的侧壁沿轴线间隔设有多个驱动孔。
7.根据权利要求5所述用于固体推进剂长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置，其特征在于，所述调节母杆的底端设有同轴的第一锥形槽，所述第二沉孔的孔底设有同轴的第二锥形槽；
所述伸缩组件还包括定位球，当所述调节母杆的底端同轴嵌入所述第二沉孔后，所述定位球的一端嵌入所述第一锥形槽，另一端嵌入所述第二锥形槽。
8.根据权利要求5所述用于固体推进剂长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置，其特征在于，所述导向压杆的底端设有与所述导向压杆同轴的第四螺纹孔，所述第一压头的顶部设有第三连接螺杆，所述第三连接螺杆与所述第四螺纹孔螺纹相连。
9.根据权利要求1或2或3或4所述用于固体推进剂长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置，其特征在于，还包括三脚架与计算机及图像处理软件，所述相机设在所述三脚架上，且与所述计算机电性相连。
10.根据权利要求1或2或3或4所述用于固体推进剂长期低应力压缩蠕变性能测试的试验装置，其特征在于，所述第一压头的下表面粗糙度与所述第一压头的上表面粗糙度均为0.8-1。
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