CN117705627A - 一种空天飞行器热防护材料流水线式热冲击加载试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种空天飞行器热防护材料流水线式热冲击加载试验装置，包括三温式加热仓，三温式加热仓内部由下往上依次设置有第一加热段、第二加热段和第三加热段，第一加热段、第二加热段和第三加热段形成连通的竖向加热通道；三温式加热仓的底部设置有轴向送料机构，轴向送料机构带动轴向送料机构上下移动；第一加热段的下方设置有下进料机构；第三加热段的上方设置上出料机构。本发明的第一加热段、第二加热段和第三加热段可以将该加热段加热至设定的不同温度梯度，试件进入该加热段，就能将试件快速加热至预设温度，加热效率更高，配合试件的流水式输送作业，热冲击加载试验的效率大大提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种材料抗热冲击性能试验装置，具体涉及一种空天飞行器热防护材料流水线式热冲击加载试验装置。
背景技术
陶瓷材料因其熔点高，且在高温下具有很好的化学及物理稳定性等优异性能而被广泛应用于高温结构领域，如高超音速飞行器的热防护材料及发动机的热端等。但是，陶瓷材料因为本身的脆性，其抗热冲击性能较差。对于应用于高温结构的陶瓷材料，尤其是在航空航天领域，其在使用环境中往往因遭受剧烈的热冲击而发生破坏。因此，研究陶瓷材料的抗热冲击性能就显得十分必要和重要。
在专利文件201510018489.X公开了一种用于陶瓷材料升温热冲击的试验箱，该试验箱包括密封炉和电感加热炉，电感加热炉由电感加热炉底座支撑在密封炉内底面上，密封炉顶部装有气缸，与气缸活塞连接的气缸活动杆伸入密封炉顶部中心孔内连接试件夹持机构，密封炉内顶面装有竖直向下的导向丝，导向丝下端穿过电感加热炉顶孔系在电感加热炉内的支架上，支架上面安放有缓冲垫，电感加热炉顶孔中塞有隔热的碳毯片。该试验箱在陶瓷材料的抗热冲击性能的测试中，试件的表面加热均匀，能精确地控制热冲击的目标温度，测试数据能够准确表征陶瓷材料的抗热冲击性能。但是，该试验箱进行陶瓷材料的升温热冲击时会存在如下问题：
1、该装置将试件安装到夹持机构和导向丝上所占的时间比较多，而且一次实验只能夹持一个试件，试验效率比较低；
2、试件进入电感加热炉内是采用自由落体的方式直接掉到缓冲垫上，不能避免微小的机械冲击，会影响试验数据的准确性；
在前述问题中，会使试验过程中会出现较大误差，导致实验结果不能很好表征陶瓷材料的抗热冲击性能，而且冲击试验的效率较低。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种试验效率更高、对试件保护性更好、试验数据更加准确的空天飞行器热防护材料流水线式热冲击加载试验装置。
为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：包括密封的三温式加热仓，三温式加热仓内部由下往上依次设置有第一加热段、第二加热段和第三加热段，第一加热段、第二加热段和第三加热段内均设置有轴向隔热套，若干轴向隔热套连接形成竖向加热通道；三温式加热仓的底部设置有下管道，下管道上设置有轴向送料机构；第一加热段的下方设置有进料口，进料口上设置有下进料机构；第三加热段的上方设置有出料口，出料口的对侧设置有上出料机构。
进一步地，第一加热段、第二加热段和第三加热段的结构相同，第一加热段包括电感加热线圈和电感加热炉。
进一步地，轴向送料机构包括轴向推杆、轴向推块、轴向滑轨、轴向丝杆和轴向电机，轴向推杆位于下管道内，轴向推杆底部与轴向推块固定连接，轴向推块与轴向滑轨滑动连接，轴向推块与轴向丝杆螺纹连接，轴向丝杆的底部与轴向电机的输出轴固定连接。
进一步地，轴向推杆的顶部还设置有托载工装，托载工装包括有托载柱和两处托载盘，两处托载盘通过托载柱固定连接，下侧的托载盘还设置有下螺纹柱。
进一步地，上出料机构包括U字形的推料插板、出料推杆、出料推块、出料丝杆、出料电机和出料导板，推料插板、出料推杆和出料推块依次固定连接，出料推块与出料丝杆螺纹连接，出料导板用于连接出料口和竖向加热通道。
进一步地，第一加热段、第二加热段、第三加热段上均设置有热电偶测温机构和红外测温机构；热电偶测温机构包括有热电偶传感器、热电偶滑块、热电偶丝杆和热电偶电机，热电偶传感器贯穿设置在三温式加热仓上，热电偶传感器的检测端位于竖向加热通道的边侧，热电偶传感器的伸出端与热电偶滑块连接，热电偶滑块与电偶丝杆螺纹连接，电偶丝杆与热电偶电机的输出轴连接；红外测温机构包括测温管、红外测温传感器和测温支架，测温管贯穿设置在三温式加热仓上，测温管的检测末端位于竖向加热通道的边侧，红外测温传感器通过测温支架安装在三温式加热仓上。
进一步地，下进料机构包括主进料管和次进料管；主进料管沿三温式加热仓的半径方向设置，次进料管与主进料管垂直连通，主进料管内设置有主推杆，次进料管内设置有次推杆，主进料管和次进料管内还设置有连通的进料导板，进料导板的出料末端与竖向加热通道连通；次进料管的顶部设置有试件进口法兰。
进一步地，还包括有加热工装，加热工装包括下马蹄座和上马蹄座，下马蹄座和上马蹄座通过若干连接柱连接，下马蹄座和上马蹄座上设置有对应的若干组工件安装孔；下马蹄座的两处边侧还设置有边侧平推部，下马蹄座的封闭端还设置有开口推出部。
进一步地，三温式加热仓的顶部设置有密封的上管道；三温式加热仓上还设置有内陷观察窗，三温式加热仓的顶部设置有上进气管，三温式加热仓的底部设置有下出气管，下出气管与下管道连接。
本发明的有益效果为：
本发明的三温式加热仓内设置有第一加热段、第二加热段和第三加热段，第一加热段、第二加热段和第三加热段可以分别进行预先加热，从而实现试件在不同温度下的热冲击加载试验，第一加热段、第二加热段和第三加热段可以将该加热段加热至设定的不同温度，使试件瞬时进入该加热段，就能将试件快速加热至预设温度，试件的加热效率高，配合三温式加热仓内通入不同压强的实验介质气体，实现试件的热冲击加载试验。
本发明的下进料机构包括主进料管和次进料管，通过试件进口法兰可以将加热工装和试件一起放入到次进料管内，然后通过次推杆和主推杆的配合将待加热工装送到第一加热段下方的竖向加热通道内，并将加热工装推至托载工装上，最后通过轴向送料机构的轴向推杆，可以实现将加热工装和试件一同送至所设定温度的第一加热段、第二加热段和第三加热段，进行对应温度的热冲击加载试验。加热工装和试件经过第三加热段的热冲击加载试验后，通过上出料机构的出料推杆，将待加热工装和试件沿推料插板推至出料口，方便将待加热工装和试件取出，或者输送至下一实验环节；从而实现对批量试件的流水式热冲击作业，使得试件的热冲击效率更高。
本发明通过下进料机构可以将加热工装和试件送入到竖向加热通道的底部，配合轴向送料机构可以将加热工装和试件送入到第一加热段、第二加热段和第三加热段的不同位置，通过上出料机构可以将加热工装和试件从出料口送出。
本发明的第一加热段、第二加热段和第三加热段可以预先升温至热冲击的目标温度，并通过轴向送料机构将试件瞬间送入至达到预设温度的高温环境中，能保持试件各表面加热均匀，且各加热段的温度为预先设定，能够精确控制试件的热冲击温度，测试数据能够准确表征试件材料的抗热冲击性能。
本发明的加热工装上设置有多个工件安装孔，可以实现多个试件的进行热冲击加载试验，加热工装上设置有U形的开口，可以配合托载工装进行限位夹持，从而方便加热工装移动，方便实现加热工装搭载若干试件实现流水式的热冲击加载试验。
本发明的第一加热段、第二加热段和第三加热段均设置有热电偶测温机构和红外测温机构，热电偶测温机构用于较低温度的检测，当需要检测的加热段温度较高时，可以将热电偶传感器推出该加热段，使热电偶传感器得到保护；同时通过红外测温机构的红外测温传感器可以实现对该加热段较高温度的监测。
附图说明
图1为本发明的整体机构示意图一；
图2为本发明的整体机构示意图二；
图3为图2中的局部放大图A；
图4为本发明的俯视图；
图5为本发明的左视图；
图6为本发明的正视图；
图7为图6中的D-D剖视图；
图8为图5中的B-B剖视图；
图9为图8中的局部放大图F；
图10为图8中的局部放大图E；
图11为图6中的C-C剖视图；
图12为图11中的局部放大图G；
图13为图11中的局部放大图H；
图14为轴向推杆的结构示意图；
图15为托载工装的结构示意图；
图16为加热工装的结构示意图。
图中主要部件符号说明如下：
1、三温式加热仓；11、第一加热段；111、电感加热线圈；112、电感加热炉；113、轴向隔热套；
12、第二加热段；13、第三加热段；14、上管道；15、出料口；16、进料口；17、轴向送料机构；171、轴向推杆；172、轴向推块；173、轴向滑轨；174、轴向丝杆；175、轴向电机；20、下管道；
18、上出料机构；181、推料插板；182、出料推杆；183、出料推块；184、出料丝杆；185、出料电机；186、出料导板；
19、下进料机构；191、主进料管；192、次进料管；193、主推杆；194、次推杆；195、进料导板；196、试件进口法兰；
2、内陷观察窗；3、热电偶测温机构；31、热电偶传感器；32、热电偶滑块；33、热电偶丝杆；34、热电偶电机；
4、红外测温机构；41、测温管；42、红外测温传感器；43、测温支架；
6、上进气管；7、下出气管；8、加热工装；81、下马蹄座；811、边侧平推部；812、开口推出部；82、上马蹄座；83、连接柱；84、工件安装孔；9、试件；10、托载工装；101、托载盘；102、托载柱；103、下螺纹柱。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1、2和4所示，空天飞行器热防护材料流水线式热冲击加载试验装置包括密封的三温式加热仓1，三温式加热仓1采用双层保温结构，三温式加热仓1内部由下往上依次设置有第一加热段11、第二加热段12和第三加热段13，第一加热段11、第二加热段12和第三加热段13内均设置有轴向隔热套113，若干轴向隔热套113连接形成竖向加热通道，轴向隔热套113可以采用为石墨隔热套。竖向加热通道用于连接第一加热段11、第二加热段12和第三加热段13，轴向送料机构17带动加热工装8上下移动，使加热工装8通过竖向加热通道运动到第一加热段11、第二加热段12、第三加热段13内，对加热工装8上的试件9进行瞬时加热。还可以在第一加热段11、第二加热段12对应的三温式加热仓1上设置有真空法兰盘，用于连接真空管道对三温式加热仓1内部进行抽真空，如图1的中部位置设置有两处真空法兰盘。
三温式加热仓1的顶部设置有密封的上管道14。三温式加热仓1上还设置有内陷观察窗2，内陷观察窗2对应于第二加热段12，通过内陷观察窗2可以观测第二加热段12中的实验情况，三温式加热仓1的顶部设置有上进气管6，三温式加热仓1的底部设置有下出气管7，下出气管7与下管道20连接，通过上进气管6和下出气管7的配合，可以实现对三温式加热仓1内实验气体介质的压强控制，从而方便进行热冲击试验，同时在三温式加热仓1上还设置有若干气压检测装置，用于实验气体介质压强的实时监测。
如图5、8和11所示，第一加热段11、第二加热段12和第三加热段13的结构相同，第一加热段11包括电感加热线圈11和电感加热炉12，电感加热炉12优选为圆筒形石墨或硼化锆陶瓷。第一加热段11、第二加热段12和第三加热段13均采用电加热进行加热，可以将第一加热段11、第二加热段12和第三加热段13按温度递增或者递减将其加热至不同的温度，当加热工装8和试件9在某一实验段完成热冲击加载实验后，可以马上移动至下一处已加热的加热段，使得加热工装8和试件9可以得到更快的加热，从而进行下一次的热冲击加载实验，使得实验效率得到大幅度的提升。
如图3所示，三温式加热仓1的底部设置有下管道20，下管道20上设置有轴向送料机构17，轴向送料机构17带动加热工装8上下移动。轴向送料机构17包括轴向推杆171、轴向推块172、轴向滑轨173、轴向丝杆174和轴向电机175，轴向推杆171位于下管道20内，轴向推杆171底部与轴向推块172固定连接，轴向推块172与轴向滑轨173滑动连接，轴向推块172上设置有燕尾槽，轴向滑轨173的截面呈燕尾状，轴向推块172与轴向丝杆174螺纹连接，轴向丝杆174的底部与轴向电机175的输出轴固定连接。轴向送料机构17通过轴向电机175驱动轴向丝杆174，通过轴向丝杆174带动轴向推块172和轴向推杆171实现竖向移动，从而通过轴向送料机构17带动加热工装8和试件9在竖向通道内移动。
如图11和12，第三加热段13的上方设置有出料口15，出料口15的对侧设置有上出料机构18。上出料机构18包括U字形的推料插板181、出料推杆182、出料推块183、出料丝杆184、出料电机185和出料导板186，推料插板181、出料推杆182和出料推块183依次固定连接，出料推块183与出料丝杆184螺纹连接，出料导板186用于连接出料口15和竖向加热通道。当加热工装8和试件9在第三加热段13完成热冲击加载试验后，通过上出料机构18上的推料插板181，可以将加热工装8推至出料导板186上，从而将加热工装8推至出料口15，便于加热工装8和试件9的取出，出料口15上设置有舱门。
如图9所示，第一加热段11、第二加热段12、第三加热段13上均设置有热电偶测温机构3和红外测温机构4。红外测温机构4包括测温管41、红外测温传感器42和测温支架43，测温管41贯穿设置在三温式加热仓1上，测温管41的检测末端位于竖向加热通道的边侧，红外测温传感器42通过测温支架43安装在三温式加热仓1上。红外测温机构4用于较高温度的加热段测量，例如1200℃以上；当该加热段的温度小于1200℃时，采用热电偶测温机构3进行测量。
如图13所示，热电偶测温机构3包括有热电偶传感器31、热电偶滑块32、热电偶丝杆33和热电偶电机34，热电偶传感器31贯穿设置在三温式加热仓1上，热电偶传感器31的检测端位于竖向加热通道的边侧，热电偶传感器31的伸出端与热电偶滑块32连接，热电偶滑块32与电偶丝杆33螺纹连接，电偶丝杆33与热电偶电机34的输出轴连接。当该加热段的温度大于1200℃时，通过热电偶电机34带动热电偶丝杆33转动，从而将热电偶丝杆33和热电偶传感器31一同拔出该加热段，防止热电偶传感器31温度较高而损坏。
如图4、6和7所示，第一加热段11的下方设置有进料口16，进料口16上设置有下进料机构19。下进料机构19包括主进料管191和次进料管192，主进料管191沿三温式加热仓1的半径方向设置，次进料管192与主进料管191垂直连通，主进料管191内设置有主推杆193，次进料管192内设置有次推杆194，主进料管191和次进料管192内还设置有连通的进料导板195，进料导板195的出料末端与竖向加热通道连通，次进料管192的顶部设置有试件进口法兰196，试件进口法兰196用于放入加热工装8和试件9，并用法兰盘对件进口法兰196进行密封。
如图8、11、14和15所示，轴向推杆171的顶部还设置有托载工装10，托载工装10包括有托载柱102和两处托载盘101，两处托载盘101通过托载柱102固定连接，下侧的托载盘101还设置有下螺纹柱103。托载工装10通过下螺纹柱103与轴向推杆171。托载工装10的托载柱102与加热工装8的U形开口配合，对加热工装8进行限位，利用下侧的托载盘101对加热工装8进行托载，从而通过托载工装10带动加热工装8和试件9移动。
如图16所示，加热工装8包括下马蹄座81和上马蹄座82，下马蹄座81和上马蹄座82通过若干连接柱83连接，下马蹄座81和上马蹄座82上设置有对应的若干组工件安装孔84。下马蹄座82的两处边侧还设置有边侧平推部811，下马蹄座82的封闭端还设置有开口推出部812。加热工装8的镂空设计使若干试件9的受热更加均匀。
工装过程及其原理：进行热冲击加载试验时，将试件9安装在加热工装8上，先将加热工装8通过次进料管192上的试件进口法兰196放入，将加热工装8放在进料导板195上，然后密封关闭试件进口法兰196，通过主推杆193和次推杆194将加热工装8送至第一加热段1底部的竖向加热通道内，使加热工装8的U形口卡接限位在托载工装10的托载柱102，然后通过控制轴向送料机构17的轴向推杆171带动加热工装8升降，加热工装8和试件9分别位于第一加热段11、第二加热段12和第三加热段13中进行试件9，途中调节上进气管6和下出气管7冲入实验介质气体的压强，用于热冲击加载试验。通过内陷观察窗2，并配合摄影机可以实时的观测三温式加热仓1的内部情况。最后经过第三加热段13的热冲击加载试验后，通过上出料机构18将加热工装8沿进料导板195推至出料口15，从而将加热工装8和试件9取出。
Claims (9)
1.一种空天飞行器热防护材料流水线式热冲击加载试验装置，其特征在于，包括密封的三温式加热仓(1)，所述三温式加热仓(1)内部由下往上依次设置有第一加热段(11)、第二加热段(12)和第三加热段(13)，所述第一加热段(11)、第二加热段(12)和第三加热段(13)内均设置有轴向隔热套(113)，若干所述轴向隔热套(113)连接形成竖向加热通道；
所述三温式加热仓(1)的底部设置有下管道(20)，所述下管道(20)上设置有轴向送料机构(17)；
所述第一加热段(11)的下方设置有进料口(16)，所述进料口(16)上设置有下进料机构(19)；所述第三加热段(13)的上方设置有出料口(15)，所述出料口(15)的对侧设置有上出料机构(18)。
2.根据权利要求1所述的空天飞行器热防护材料流水线式热冲击加载试验装置，其特征在于，所述第一加热段(11)、第二加热段(12)和第三加热段(13)的结构相同，所述第一加热段(11)包括电感加热线圈(11)和电感加热炉(12)。
3.根据权利要求1所述的空天飞行器热防护材料流水线式热冲击加载试验装置，其特征在于，所述轴向送料机构(17)包括轴向推杆(171)、轴向推块(172)、轴向滑轨(173)、轴向丝杆(174)和轴向电机(175)，所述轴向推杆(171)位于下管道(20)内，所述轴向推杆(171)底部与轴向推块(172)固定连接，所述轴向推块(172)与轴向滑轨(173)滑动连接，所述轴向推块(172)与轴向丝杆(174)螺纹连接，所述轴向丝杆(174)的底部与轴向电机(175)的输出轴固定连接。
4.根据权利要求3所述的空天飞行器热防护材料流水线式热冲击加载试验装置，其特征在于，所述轴向推杆(171)的顶部还设置有托载工装(10)，所述托载工装(10)包括有托载柱(102)和两处托载盘(101)，两处所述托载盘(101)通过托载柱(102)固定连接，下侧的所述托载盘(101)还设置有下螺纹柱(103)。
5.根据权利要求1所述的空天飞行器热防护材料流水线式热冲击加载试验装置，其特征在于，所述上出料机构(18)包括U字形的推料插板(181)、出料推杆(182)、出料推块(183)、出料丝杆(184)、出料电机(185)和出料导板(186)，所述推料插板(181)、出料推杆(182)和出料推块(183)依次固定连接，所述出料推块(183)与出料丝杆(184)螺纹连接，所述出料导板(186)用于连接出料口(15)和竖向加热通道。
6.根据权利要求1所述的空天飞行器热防护材料流水线式热冲击加载试验装置，其特征在于，所述第一加热段(11)、第二加热段(12)、第三加热段(13)上均设置有热电偶测温机构(3)和红外测温机构(4)；所述热电偶测温机构(3)包括有热电偶传感器(31)、热电偶滑块(32)、热电偶丝杆(33)和热电偶电机(34)，所述热电偶传感器(31)贯穿设置在三温式加热仓(1)上，所述热电偶传感器(31)的检测端位于竖向加热通道的边侧，所述热电偶传感器(31)的伸出端与热电偶滑块(32)连接，所述热电偶滑块(32)与电偶丝杆(33)螺纹连接，所述电偶丝杆(33)与热电偶电机(34)的输出轴连接；所述红外测温机构(4)包括测温管(41)、红外测温传感器(42)和测温支架(43)，所述测温管(41)贯穿设置在三温式加热仓(1)上，所述测温管(41)的检测末端位于竖向加热通道的边侧，所述红外测温传感器(42)通过测温支架(43)安装在三温式加热仓(1)上。
7.根据权利要求1所述的空天飞行器热防护材料流水线式热冲击加载试验装置，其特征在于，所述下进料机构(19)包括主进料管(191)和次进料管(192)；所述主进料管(191)沿三温式加热仓(1)的半径方向设置，所述次进料管(192)与主进料管(191)垂直连通，所述主进料管(191)内设置有主推杆(193)，所述次进料管(192)内设置有次推杆(194)，所述主进料管(191)和次进料管(192)内还设置有连通的进料导板(195)，所述进料导板(195)的出料末端与竖向加热通道连通；所述次进料管(192)的顶部设置有试件进口法兰(196)。
8.根据权利要求1所述的空天飞行器热防护材料流水线式热冲击加载试验装置，其特征在于，还包括有加热工装(8)，所述加热工装(8)包括下马蹄座(81)和上马蹄座(82)，所述下马蹄座(81)和上马蹄座(82)通过若干连接柱(83)连接，所述下马蹄座(81)和上马蹄座(82)上设置有对应的若干组工件安装孔(84)；所述下马蹄座(82)的两处边侧还设置有边侧平推部(811)，所述下马蹄座(82)的封闭端还设置有开口推出部(812)。
9.根据权利要求1所述的空天飞行器热防护材料流水线式热冲击加载试验装置，其特征在于，所述三温式加热仓(1)的顶部设置有密封的上管道(14)；所述三温式加热仓(1)上还设置有内陷观察窗(2)，所述三温式加热仓(1)的顶部设置有上进气管(6)，所述三温式加热仓(1)的底部设置有下出气管(7)。
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