CN114593634A - 一种可调整发射初速度电磁直线推进实验平台和实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可调整发射初速度电磁直线推进实验平台和实验方法，所述可调整发射初速度直线推进实验平台包括电容器组、电磁直线推进装置、控制系统和初速度调整装置组成；所述电容器组是多个电容并联组成，连接由长方体形导轨、电枢、电木底板组成的电磁直线推进装置；所述控制系统包括回路一、回路二和开关二；所述初速度调整装置包括依次连接的回路三、齿轮、空心管、矩形板和绝缘矩形板，还包括推进轨道和导电块；本发明提供一种可调整发射初速度电磁直线推进实验平台和实验方法，可以有效调节电磁发射时电枢的发射初速度。
Description
技术领域
本发明涉及电磁发射技术领域，提供一种可调整发射初速度电磁直线推进实验平台和实验方法。
背景技术
直线推进机构的工作原理是根据物理学中的电磁感应定律制成。两轨道相互平行，发射组件沿着轨道轴线方向滑动，电枢一词来源于直流电动机，它的作用是传递两轨道间电流，并接受洛伦兹力的作用，推动弹丸向炮口做加速运动，将电磁能转换成动能。
轨道和电枢是电磁发射中的核心组成部分，在电磁轨道炮发射过程中，轨道起到传导电流和导向电枢和弹丸的作用。为了保证电路的良好接触，轨道与电枢紧密接触，发射时表现为高速滑动电接触过程，轨道中流过的电流幅值很大，兆安级的电流使轨道表面温度很高，因此轨道采用的是耐磨损和抗烧蚀的金属材料。发射过程中，通电的轨道处于高强磁场中，受到向外的斥力，为了防止轨道变形，采用防护装置对轨道进行固定和支撑。
电流流过电枢和导轨之后，在电枢和导轨之间产生排斥力。当电枢和导轨之间产生排斥力超过施加的接触力，会发生过渡。通过在电枢和钢轨之间提供足够的接触压力，可以有效地抑制烧蚀。研究表明，表示在多次发射后，轨道起始位置的损伤是影响轨道寿命的最重要因素。在轨道起始位置附近存在一个临界热应力区。这是因为在导轨起始位置电枢速度低，相对于高速段电阻热积累在轨道上的时间较长，大量的热量使铝气化。
针对目前电磁发射轨道起始位置的损伤问题的研究，搭建一种可调整发射初速度直线推进实验平台，为后续探索发射初速度对电枢—轨道烧蚀的影响提供实验条件。
发明内容
本发明的目的在于直线推进实验平台，提供一种可调节电枢的发射初速度的装置和实验方法，为后续探索发射初速度对电枢—轨道烧蚀的影响提供实验条件。
本发明的技术方案是：一种可调整发射初速度电磁直线推进实验平台和实验方法，所述可调整发射初速度直线推进实验平台包括电容器组、电磁直线推进装置、控制系统、初速度调整装置和触发电路；所述电容器组是多个电容并联组成；每个电容容量为0.8mF，总共3.2mF，可充电到10kV；连接电磁直线推进装置；
所述电磁直线推进装置由长方体形导轨、电枢、电木底板；长方体形导轨的主材料是铜，电枢材料为铝合金，电木底板要具有一定的厚度，保证与地面的绝缘距离，一般绝缘距离大于2cm；要保证两根长方体形导轨平行，其间距为2cm，并与电木底板固定在一起；所述电枢其形状为U字形，且其尾部要有盈余，为长方体形导轨和电枢提供初始接触压力；
所述控制系统由回路一、回路二和开关二组成；用于负责控制电容器组放电和初速度调整装置的运行；所述回路一由开关三、电源三、时间继电器电磁和延时部分、常闭开关电磁和延时部分、矩形板和导电块串联组成；
所述回路二由时序放电开关、开关一、电源一和时间继电器触头部分串联组成；
所述时序放电开关与电容器组、长方体形导轨和电枢连接形成一个回路，时序放电开关包括多组时间继电器，通过设置动作时间完成电容器组向电磁直线推进装置时序放电；所述矩形板其宽度要与长方体形导轨间距相等；
所述初速度调整装置由回路三、齿轮、空心管、矩形板、绝缘矩形板、推进轨道和导电块组成；初速度调整装置放在电磁直线推进装置初始位置，用于在电容器组向电磁直线推进装置放电之前，为电磁直线推进装置的电枢提供运动初速度。
所述回路三包括串联的电机、开关二、电源二、滑动电阻、常闭开关触头；
所述推进轨道其数量为两根，由绝缘材料构成，例如玻璃、电木等，且两根推进轨道平行，其间距与长方体形导轨的间距一致，并与电木底板固定在一起，其一端分别与电磁直线推进装置的两根长方体形导轨相衔接，其横截面与长方体形导轨的横截面相同，所述导电块设置在靠近衔接部位置，其厚度跟推进轨道的厚度一致，用于矩形板移动过来时使回路一导通；
所述电源二用于为电机提供可控的动力，使电机带动齿轮转动，向前推动与齿轮连接的空心管；空心管连接矩形板，绝缘矩形板安装在矩形板前头。
电枢需要不同初速度推进时，电机以不同转速带动齿轮旋转；齿轮旋转时带动空心管前进；矩形板安装在空心管的前方；所述触发电路由时间继电器和电源三组成；
所述矩形板，优先采用金属材料，例如铜、铁、铝等，其宽度要与长方体形导轨间距相等；
所述绝缘矩形板，优先采用绝缘材料，例如陶瓷、玻璃等，其宽度要大于或等于导电块宽度与导电块和长方体形导轨之间的绝缘距离之和，确保电容放电时电枢已经进入了两个长方体形导轨中间；
所述导电块，优先采用金属材料，例如铜、铁、铝等，其尾部嵌入在推进轨道尾端，与长方体形导轨留有一定的绝缘距离，与时间继电器、电源三和矩形板组成通电回路，当矩形板移动到导电块时回路通电，且其厚度跟推进轨道的厚度一致；
所述电机，优先采用220V大功率直流电机，作为初速度调整装置的能量来源；
所述齿轮，优先采用与电机匹配的型号，且其齿条与空心管上的齿条匹配；
所述空心管，优先采用绝缘材料，例如玻璃，塑料或尼龙材料等，且其外表面刻有与齿轮齿条相匹配的齿条；
所述实验方法，其步骤为：
1)检查实验回路，正常则继续实验；把时间继电器电磁和延时部分的延时时间设置成零、常闭开关电磁和延时部分延时时间设置成零，时序放电开关的多个时间继电器分别设置成t1,t2…,tn。
2)把电枢放在推进轨道起始位置，其尾部紧靠绝缘矩形板；
3)把初速度调整装置放在电磁直线推进装置发射位置，并固定在地面上；
4)闭合开关一、开关二和开关三，使电源一、电源二和电源三接入回路；
5)电源二给电机供电带动齿轮旋转；齿轮旋转时带动空心管和矩形板向前移动；
6)调节滑动电阻改变电机转速w0，此时电枢向前移动速度为v0；
7)当矩形板移动到导电块时回路一通电，此时电枢进入电磁直线推进装置发射位置，时间继电器触头部分合上，常闭开关触头断开，初速度调整装置退出回路，此时电枢以初速度v0进入到进入电磁直线推进装置；
8)时间继电器触头部分合上，使回路二导通，电源一向时序放电开关供电，时序放电开关动作，电容器组向电磁直线推进装置放电；
9)断开开关一、开关二和开关三；
10)调节滑动电阻，重复实验步骤1)～9)，可实现不同发射初速度的电磁直线推进实验；
本发明的有益效果：电磁直线推进实验平台用来研究电弧烧蚀对金属材料损伤机制和防护技术，但是电弧烧蚀对金属材料损伤有很多的影响因素。其中发射初速度是一个重要的影响因素，但是很少有人搭建改变初速度的电磁直线推进实验平台来研究发射初速度对滑动电弧烧蚀的影响。本发明上述问题提供一种解决方案，提供一种可调整发射初速度电磁直线推进实验平台和实验方法，通过调整发射初速度，观察不同发射初速度下的烧蚀情况。
附图说明
图1为本发明一种可调整发射初速度电磁直线推进实验平台的结构图。
图2为本发明一种可调整发射初速度电磁直线推进实验平台的电力线路连接图。
图3为本发明一种可调整发射初速度电磁直线推进实验平台的导轨与电木底板固定结构图。
图4为本发明一种可调整发射初速度电磁直线推进实验平台的电枢形状图。
图5为本发明一种可调整发射初速度电磁直线推进实验平台的推进轨道图。
图6为本发明一种可调整发射初速度电磁直线推进实验平台的空心管截面图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
一种可调整发射初速度电磁直线推进实验平台和实验方法，如图1所示，可调整发射初速度直线推进实验平台包括电容器组1、电磁直线推进装置2、控制系统3和初速度调整装置4组成；
图2为本发明电力线路连接图，从图中可以看到所述电容器组1是多个电容并联组成；且每一个电容，都与时间继电器3011串联，并且按实验要求设置其动作时间；每个电容容量为0.8mF，总共3.2mF，可充电到10kV；电容器组1两端通过时序放电开关3021连接电磁直线推进装置2的两端；所述电磁直线推进装置2由长方体形导轨201、电枢202和电木底板203组成；长方体形导轨201的主材料是铜，电枢202材料为铝合金，电木底板203要具有一定的厚度，保证与地面的绝缘距离，一般绝缘距离大于2cm，并且与长方体形导轨201固定在一起；其固定方式如图3所示，利用圆柱形铁块204和长螺丝205平行的固定在电木底板203上；所述电枢202，如图4所示，其形状为U字形，所述U字形口部呈外扩设计，即U字形口端外缘的切线与U字形外壁呈夹角设计，为长方体形导轨201和电枢202提供初始接触压力，所述夹角的范围为0.5°-5°，所述U字形底部为移动方向前端；实验开始之前放在推进轨道406起始位置；
所述控制系统3由回路一301、回路二302和开关二4012组成；用于负责控制电容器组1放电和初速度调整装置4的运行；
所述回路一301由开关三3011、电源三3012、时间继电器304电磁和延时部分3013、常闭开关305电磁和延时部分3014、矩形板404和导电块4061串联组成；
所述回路二302由时序放电开关3021、开关一3022、电源一3023和时间继电器304触头部分3024串联组成；
所述时序放电开关3021与电容器组1、长方体形导轨201和电枢202连接形成一个回路，时序放电开关3021包括多组时间继电器30211，通过设置动作时间完成电容器组1向电磁直线推进装置2时序放电；所述矩形板404其宽度要与长方体形导轨201间距相等；
所述初速度调整装置4由回路三401、齿轮402、空心管403、矩形板404、绝缘矩形板405、推进轨道406和导电块4061组成；初速度调整装置4放在电磁直线推进装置2初始位置，用于在电容器组1向电磁直线推进装置2放电之前，为电磁直线推进装置2的电枢202提供运动初速度。
所述回路三401包括串联的电机4011、开关二4012、电源二4013、滑动电阻4014、常闭开关305触头4015；图5是推进轨道图，所述推进轨道406其数量为两根，由绝缘材料构成，且两根推进轨道406平行，其间距与长方体形导轨201的间距一致，并与电木底板固定在一起，其一端分别与电磁直线推进装置的两根长方体形导轨201相衔接，其横截面与长方体形导轨201的横截面相同，所述导电块4061设置在靠近衔接部位置，其厚度跟推进轨道406的厚度一致，用于矩形板404移动过来时使回路一301导通；
所述电源二4013用于为电机4011提供可控的动力，使电机4011带动齿轮402转动，向前推动与齿轮402连接的空心管403；空心管403连接矩形板404，绝缘矩形板405安装在矩形板404前头隔离电枢202和矩形板404；
图6空心管截面图。由图可以看出，内部空心且其外表面刻有与齿轮齿条相匹配的齿条；实验开始之前滑动电阻4014调到最大，此时闭合开关二4012，电源二4013接入回路中，电机转动，此时转速最小，设为为w0；若半径为R，此时线速度为v0＝w0*R；此时空心管403推动矩形板404、绝缘矩形板405和电枢202向前以速度v0推进；当电枢202需要不同初速度推进时，调节滑动电阻4014，电机4011以不同转速带动齿轮402旋转；当矩形板404向前移动，与导电块4061接触时，时间继电器304、电源三3012和矩形板404组成通电回路，此时常闭开关305和时间继电器304动作，把时间继电器304动作时间调整为零；常闭开关305动作后，电机4011、电源二4013、开关二4012、调整滑动电阻4014和常闭开关305组成的回路三401断电，电机停止转动；电机停止转动的同时，由于时间继电器304电磁和延时部分3013动作，所以回路二302开始运行，电容器组1放电；
所述实验方法，其步骤为：
1)检查实验回路，正常则继续实验；把时间继电器304电磁和延时部分3013的延时时间设置成零、常闭开关305电磁和延时部分3014延时时间设置成零，时序放电开关3021的多个时间继电器30211分别设置成t1,t2…,tn。
2)把电枢202放在推进轨道406起始位置，其尾部紧靠绝缘矩形板405；
3)把初速度调整装置4放在电磁直线推进装置2发射位置，并固定在地面上；
4)闭合开关一3022、开关二4012和开关三3011，电源一3023、电源二4013和电源三3012接入回路；
5)电源二4013给电机4011供电带动齿轮402旋转；齿轮402旋转时带动空心管403和矩形板404向前移动；
6)调节滑动电阻4014改变电机转速w0，此时电枢向前移动速度为v0；
7)当矩形板404移动到导电块4061时回路一301通电，此时电枢202进入电磁直线推进装置2发射位置，时间继电器304触头部分3024合上，常闭开关305触头4015断开，初速度调整装置4退出回路，此时电枢202以初速度v0进入到进入电磁直线推进装置；
8)时间继电器304触头部分3024合上，使回路二302导通，电源一3023向时序放电开关3021供电，时序放电开关3021动作，电容器组1向电磁直线推进装置2放电；
9)断开开关一3022、开关二4012和开关三3011；
10)调节滑动电阻4014，重复实验步骤1～9，可实现不同发射初速度的电磁直线推进实验。
Claims (8)
1.一种可调整发射初速度电磁直线推进实验平台，其特征在于，包括电容器组(1)、电磁直线推进装置(2)、控制系统(3)和初速度调整装置(4)；
所述电容器组(1)连接电磁直线推进装置(2)；
所述电磁直线推进装置(2)包括长方体形导轨(201)和电枢(202)，所述电枢(202)在两根平行设置的导电材质长方体形导轨(201)之间移动；
所述控制系统(3)用于控制电容器组(1)放电和初速度调整装置(4)的运行；
所述初速度调整装置(4)包括依次连接的回路三(401)、齿轮(402)、空心管(403)、矩形板(404)和绝缘矩形板(405)，还包括推进轨道(406)和导电块(4061)：所述推进轨道(406)为绝缘材料制作的两根，分别与电磁直线推进装置的两根长方体形导轨(201)在长度方向相衔接；所述矩形板(404)为导电材质，矩形板(404)和绝缘矩形板(405)在两根推进轨道(406)之间且矩形板(404)的宽度等于两根推进轨道(406)之间的距离，所述绝缘矩形板(405)用于隔离矩形板(404)和电枢(202)；所述导电块(4061)设置在推进轨道(406)上的凹槽内且距离推进轨道(406)与长方体形导轨(201)的连接部有距离间隙；所述空心管(403)设置在两根推进轨道(406)之间的中心线延长线上；所述回路三(401)用于提供齿轮(402)旋转的动力，从而带动空心管(403)、矩形板(404)、绝缘矩形板(405)运动，最终实现推动电枢(202)并给予电枢(202)运动初速度；初速度调整装置(4)用于在电容器组(1)向电磁直线推进装置(2)放电之前，为电磁直线推进装置(2)的电枢(202)提供运动初速度。
2.如权利要求1所述的可调整发射初速度电磁直线推进实验平台，其特征在于，
所述控制系统(3)包括回路一(301)、回路二(302)和开关二(4012)；
所述回路一(301)包括串联的开关三(3011)、电源三(3012)、时间继电器(304)电磁和延时部分(3013)、常闭开关(305)电磁和延时部分(3014)、导电块(4061)和矩形板(404)；
所述回路二(302)包括串联的时序放电开关(3021)、开关一(3022)、电源一(3023)和时间继电器(304)触头部分(3024)；
同时，所述时序放电开关(3021)与电容器组(1)、长方体形导轨(201)和电枢(202)连接形成一个回路；
所述时序放电开关(3021)包括多组时间继电器(30211)，通过设置动作时间完成电容器组(1)向电磁直线推进装置(2)时序放电。
3.如权利要求2所述的可调整发射初速度电磁直线推进实验平台，其特征在于，
所述回路三(401)包括串联的电机(4011)、开关二(4012)、电源二(4013)、滑动电阻(4014)、常闭开关(305)触头(4015)；
所述电机(4011)与齿轮(402)和常闭开关(305)触头(4015)同时连接；
所述电磁直线推进装置(2)还包括电木底板(203)，所述电木底板(203)要的厚度大于2cm，以保证与地面的绝缘距离；
所述推进轨道(406)和长方体形导轨(201)均通过圆柱形铁块(204)和长螺丝(205)固定在电木底板(203)上；
所述推进轨道(406)的横截面与长方体形导轨(201)的横截面相同；
所述推进轨道(406)上凹槽为贯穿推进轨道(406)底部的孔，以使矩形板(404)移动至与凹槽中的导电块(4061)接触时导通回路一(301)。
4.如权利要求3所述的可调整发射初速度电磁直线推进实验平台，其特征在于，
所述电枢(202)的形状为U字形，所述U字形口部呈外扩设计，即U字形口端外缘的切线与U字形外壁呈夹角设计，为长方体形导轨(201)和电枢(202)提供初始接触压力，所述夹角的范围为0.5°-5°，所述U字形底部为移动方向前端。
5.根据权利要求3所述的可调整发射初速度电磁直线推进实验平台，其特征在于，所述空心管(403)由绝缘材料构成，内部空心且其外表面刻有与齿轮齿条相匹配的齿条，空心管(403)内部有所述回路一(301)的连接线穿过，以将开关三(3011)和矩形板(404)连接。
6.根据权利要求1所述的可调整发射初速度电磁直线推进实验平台，其特征在于，所述绝缘矩形板(405)的宽度不小于导电块(4061)距离推进轨道(406)与长方体形导轨(201)连接部的距离，以保证回路一(301)连通时，所述电枢(202)被推动至长方体形导轨(201)上。
7.一种调整电磁直线推进实验平台发射初速度的方法，其特征在于，它使用权利要求1-6中任一权利要求所述的调整发射初速度电磁直线推进实验平台，先将电枢(202)放在两根推进轨道间，通过回路三(401)使齿轮(402)旋转，旋转的齿轮(402)带动空心管(403)移动，推动与之连接的矩形板(404)和绝缘矩形板(405)随之移动，进而推动电枢(202)向长方体形导轨(201)运动：当矩形板(404)与导电块(4061)接触时，所述控制系统控制初速度调整装置(4)停止工作，同时控制电容器组(1)向电磁直线推进装置(2)放电，使电枢(202)在之前的初速度基础上继续运行。
8.根据权利要求7所述的调整电磁直线推进实验平台发射初速度的方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
1)检查实验回路，正常则继续实验；把时间继电器(304)电磁和延时部分(3013)的延时时间设置成零、常闭开关(305)电磁和延时部分(3014)延时时间设置成零，时序放电开关(3021)的多个时间继电器(30211)分别设置成t1,t2…,tn。
2)把电枢(202)放在推进轨道(406)起始位置，其尾部紧靠绝缘矩形板(405)；
3)把初速度调整装置(4)放在电磁直线推进装置(2)发射位置，并固定在地面上；
4)闭合开关一(3022)、开关二(4012)和开关三(3011)，使电源一(3023)、电源二(4013)和电源三(3012)接入回路；
5)电源二(4013)给电机(4011)供电带动齿轮(402)旋转；齿轮(402)旋转时带动空心管(403)和矩形板(404)向前移动；
6)调节滑动电阻(4014)改变电机转速w0，此时电枢向前移动速度为v0；
7)当矩形板(404)移动到导电块(4061)时回路一(301)通电，此时电枢(202)进入电磁直线推进装置(2)发射位置，时间继电器(304)触头部分(3024)合上，常闭开关(305)触头(4015)断开，初速度调整装置(4)退出回路，此时电枢(202)以初速度v0进入到进入电磁直线推进装置；
8)时间继电器(304)触头部分(3024)合上，使回路二(302)导通，电源一(3023)向时序放电开关(3021)供电，时序放电开关(3021)动作，电容器组(1)向电磁直线推进装置(2)放电；
9)断开开关一(3022)、开关二(4012)和开关三(3011)；
10)调节滑动电阻(4014)，重复实验步骤1)～9)，可实现不同发射初速度的电磁直线推进实验。
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