CN209305870U

CN209305870U - 一种适用于热离心综合试验的集成式控制装置

Info

Publication number: CN209305870U
Application number: CN201822216152.1U
Authority: CN
Inventors: 李翀; 鲁亮; 欧峰
Original assignee: General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Current assignee: General Engineering Research Institute China Academy of Engineering Physics
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2019-08-27
Anticipated expiration: 2028-12-27

Abstract

本实用新型公开了一种适用于热离心综合试验的集成式控制装置，包括离心机、温度控制系统、热离心综合监控系统；所述离心机设置有集流环；所述温度控制系统包括温度传感器、温度控制器与加热模块；所述加热模块设置于离心机臂端，所述加热模块外侧设置有保温罩，用于对试验件温度进行调节；所述温度传感器、加热模块均与温度控制器连接；所述温度控制器与离心机均通过集流环与热离心综合监控系统相连。本实用新型在热‑离心试验设备中，实现基于离心场环境下的，基于产品温度响应的多温区控制，实现更为准确的温度控制；温度控制系统与离心控制系统的协同工作，实现数据交互，对试验载荷进行加载。

Description

一种适用于热离心综合试验的集成式控制装置

技术领域

本实用新型涉及模拟试验技术领域，尤其涉及一种适用于热离心综合试验的集成式控制装置。

背景技术

飞行器如导弹、宇宙飞船、航天飞机及携带的战斗部在发射和再入阶段，受到离心、温度等多种环境因素共同作用。一方面，离心环境将会导致飞行质量产生惯性力，使飞机、航天器和搭载产品出现超重现象。另一方面，不同温度环境下，不同材料的物理性能参数，如弹性模量、泊松比、热传导系数、比热容系数、热膨胀参数也将随之发生变化，进而导致结构内部应力和动态特性发生变化。两种因素叠加，对产品产生一系列不利影响，如上世纪90年代，美国“挑战号”航天飞机升空后74秒突然爆炸，调查得知，聚硫橡胶密封垫在热-离心综合环境下失效是导致这次爆炸的主要原因。另外，美国Sandi国家试验室在建立的综合试验设备上进行了相关试验，发现了单项试验未曾暴露的问题。由此可见，热-离心环境是飞行器、导弹等武器装备环境适应性考核的重要环节。

热-离心环境试验可以暴露单一试验不能发现的问题，常见的问题包括微电子器件的封装失效、引线结构、管芯或印刷电路板的粘着及其他元件的机械状态到达承载临界值等。这是因为：

1)密封容器中的液体，会因较大离心作用使离心场相反方向的压力增加，其增加的压力值等于质量乘以恒加速度的数值。这个压力对压缩机、电器中低压的供油、冷却等系统影响较大。如果不采取特殊措施，会严重影响影响压缩机制冷，产品内部散热困难等现象；

2)离心环境使得惯性力增加，会带来产品内部应力增加。某些结构在恒加速度作用下是靠应变力来平衡外力的，若应力大到超过结构材料的弹性极限，则要发生塑性变形。其应力大到超过材料的断裂强度极限，可能使产品结构发生断裂。剧烈的离心场环境会带来大的位移，大的位移可能引起产品工作状态的变化，如继电器的触点之间的相对位移大了就会改变通断状态，造成误动作、失灵；也可能使得其他产品的电气、机械性能超差；

3)弹(箭)仪器舱内仪器设备正常的工作环境温度一般不应超过50℃，当舱体外表面受到气动加热时，舱壁温度急剧升高，将会使舱内温度越限，造成元器件性能恶化甚至失效，产生危险的后果。

4)在高温、热应力和机械应力的共同作用下，结构会产生较大变形，破坏其气动外形，高温又使结构刚度下降，影响其振动传递特性，在几种因素的共同作用下，会降低结构的固有频率，严重时会产生颤振，甚至更加危险的共振现象产生，及所谓的气动热弹性问题。

不言而喻，正确的研究并解决上述问题是武器产品设计、试验中不可忽视的重要任务，热-离心试验作为暴露武器、飞行器在使用条件下薄弱环节的有效方法，是考核、评估、检验武器和飞行器环境适应性、可靠性的重要手段。

热-离心试验环境模拟设备是一种气候环境与力学环境综合的模拟设备。二战后，美国就十分重视武器装备的环境试验。随着航空航天技术的发展，美国意识到并注重研究飞行器热、离心等综合环境因素复合作用下对其性能的影响。为此制造了以离心机为主体的复合环境试验设备，对产品进行了相关复合试验的考核。

这种设备的一般做法是在离心机臂的一端安装可模拟温度环境条件的设备。美国在这一方面做了大量的研究，并积累的数据及资料。美国的休斯顿载人宇宙飞船中心、圣地亚核武器所、埃德瓦茨空军基地、赖特—帕特森空军基地的空军实验室都拥有过载温度复合环境试验设备。大规模集成电子技术将在未来航空航天飞行器中得到广泛应用，为对电子器件在高温-加速度复合环境下的可靠性进行考核，赖特—帕特森空军基地空军实验室研制了专用过载温度复合环境试验设备。该设备由一台直径8英尺的离心台面和环形加热装置组成，最大过载加速12g，加热功率500～5000W，热流密度3～30W/cm2。

我国在热-离心环境试验研究方面起步较晚，与世界先进水平有一定差距。由于技术条件限制，长期以来在航天领域基本采用单向环境试验或顺序组合试验来代替复合环境试验，即分别不同时地对受试产品温度箱提供单一温度环境，用离心机提供线加速度环境。进入80年代，国内对复合环境试验的研究日益增多，取得了很多进步，如八十年代末，西南结构力学研究所王保乾等，对线加速度下复合环境试验进行了深入的研究，在文献中介绍了利用离心机为主题的热-离心试验综合实验技术，着重说明在这两项复合试验中遇到的主要问题，对关键技术问题提出了较好的建议，认为“固定在离心机臂上构成复合试验整套设备，是在实验室内对受试部件进行复合环境试验的唯一手段。”然而最终由于技术难度较大，难以进行较大试验件的复合试验，被列为后期工程。随后的几年，国内暂未看到温度-加速度复合环境试验技术、设备研制的相关报道。1997年，西安交通大学重新开始了高线加速度复合环境试验设备的研制，但也是仅仅局限在初步方案讨论上，且研究方向主要是在振动-加速度复合环境试验设备的研制领域。2004年，浙江大学何闻等人开展了加速度复合环境试验设备研制技术研究工作，实现负载质量1kg，加速度0g～10g，温度-5℃～100℃，波动度不大于2度的温度-加速度复合环境试验设备能力。然而其产品试验件尺寸较小，加热功率不大，加速度较小，因此该设备仅可为试验技术的研究提供支持，对于实际的武器装备产品而言，并无法使用相关设备。

传统热-离心试验系统，有两个特征：

1、简单的将温度试验箱放置在离心机上；

2、温度试验系统与离心机试验系统分别控制，相互无数据交互。

在进行热离心环境试验技术研究时，将温度试验箱放置在离心机上，存在以下问题：

1)温度试验箱体积庞大。以某国产温度箱为例，设备尺寸为W2500mm×H2500mm×D1600mm，而一般意义上的离心机机臂上显然不能固定住如此大尺寸的温度试验箱；

2)温度箱正常工作时，需大功率电源供电。而国内离心机在设计时供电功率远远不能满足温度箱的正常需求；

3)温度箱正常工作时，需平稳放置在地面上，在离心力作用下工作时，各部组件在离心环境下可能无法正常工作；

4)采用离心机+温度箱模式，温度的控制通常为环境温度，无法关注产品响应温度，产品在飞行过程中，真实情况是不同区域，温度响应可能存在较大差异，因此，温度箱无法准确控制这种响应温度的模拟；

5)热-离心试验系统，热试验的控制机离心试验的控制装置应实现数据的智能化交互，同步交互信息，对试验载荷进行加载。

实用新型内容

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种适用于热离心综合试验的集成式控制装置，包括离心机、温度控制系统、热离心综合监控系统；所述离心机设置有集流环；所述温度控制系统包括温度传感器、温度控制器与加热模块；所述加热模块设置于离心机臂端，所述加热模块外侧设置有保温罩；所述温度传感器、加热模块均与温度控制器连接；所述温度控制器与离心机均通过集流环与热离心综合监控系统相连。

优选的，所述加热模块为一条或多条柔性加热带。

本实用新型的有益效果在于：

(1)体积小，质量小，固定简单，便于生产；

(2)加热功率直接接触产品，不需要对温度箱内空气等进行加热，热效率更高，温区控制更直接，实现功能更加全面。

(3)避免在离心力作用下工作时，各部组件在离心环境下可能无法正常工作；

(4)在热-离心试验设备中，实现基于离心场环境下的，基于产品温度响应的多温区控制，实现更为准确的温度控制；

(5)温度控制系统与离心控制系统的协同工作，实现数据交互，对试验载荷进行加载。

附图说明

图1是一种适用于热离心综合试验的集成式控制装置的示意图；

图2是热-离心综合试验系统数据流的流程图。

图中：1-保温罩；2-试验件；3-加热模块；4-电源线、信号线；5-温度控制器；6-离心机臂；7-离心机转轴；8-集流环；9-热离心综合控制系统。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1所示，本实施例一种适用于热离心综合试验的集成式控制装置，包括离心机、温度控制系统、热离心综合监控系统；所述离心机设置有集流环；所述温度控制系统包括温度传感器、温度控制器与加热模块；所述加热模块设置于离心机臂端，所述加热模块外侧设置有保温罩；所述温度传感器、加热模块均与温度控制器连接；所述温度控制器与离心机均通过集流环与热离心综合监控系统相连。

所述加热模块为柔性加热带，柔性加热带缠绕于试验件上。试验件上缠绕多条柔性加热带，加热时，不需要对温度箱加热，加热效率大大提升，温度调节更为准确灵敏，极大地减轻了离心机供电系统的功率负担，且系统的质量也大大减小。

温度控制器固定在离心机臂或转轴，温度传感器的信号线与温度控制器连接，温度数据通过温度控制器485通讯口，占用了离心机集流环中两路信号环，将数据传递至热离心及综合控制系统。

离心机试验系统利用基于UDP协议，Delphi编程软件开发的控制系统软件控制变频器，进而控制离心机加速度载荷。温度控制系统监控软件采用的是组态软件编写，其驱动程序直接从库中调取。

在传统设计中，离心机与温度控制器的设备信息，通过离心机上的集流环传给上位机温度监控系统以及离心机监控系统；本实用新型中，进行优化设计，离心机与温度控制器的设备信息，均通过离心机上的集流环传给热离心综合控制装置。

本实用新型中温度控制系统与离心机控制系统不再独立分开，有了相互的数据交互，可以实现：如到达某一个离心值后，开启加热，或达到某一温度后，开启离心机协同控制逻辑。两套系统之间的数据交互更为便捷。实现温度控制与离心控制在同一软件平台下的实现。

本技术方案利用编程语言，设计了数据中转器，其可以与Delphi语言编写的离心机监控软件进行数据交互。而数据中转器与组态软件之间的数据交互，则依靠DDE技术实现。DDE(Dynamic Data Exchange，动态数据交换)技术是建立在Windows内部消息系统的，与语言无关的数据交换协议，可实现应用程序之间的数据动态交换。热-离心综合试验系统数据流的流程图如附图2所示。

因此，本实用新型提出新的温度加载，采用加热带直接缠绕在试验件表面位置，通过温度控制其控制相应温区温度，可以实现基于产品响应温度的，多温区条件的，热-离心综合环境试验。由于加热带体积、重量极小，且加热功率直接接触产品，不需要对温度箱内空气等进行加热，热效率更高，温区控制更直接，实现功能更加全面。

本实用新型技术方案基础上还对热试验系统与离心试验系统进行了控制软件的集成化设计，提出了一种具有普适性的，便捷的数据中转设计，可以完成温度控制与离心控制在同一软件平台下的实现。

本实用新型的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本实用新型的技术方案做出的技术变形，均落入本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种适用于热离心综合试验的集成式控制装置，其特征在于，包括离心机、温度控制系统、热离心综合监控系统；所述离心机设置有集流环；所述温度控制系统包括温度传感器、温度控制器与加热模块；所述加热模块设置于离心机臂端，所述加热模块外侧设置有保温罩；所述温度传感器、加热模块均与温度控制器连接；所述温度控制器与离心机均通过集流环与热离心综合监控系统相连。

2.根据权利要求1所述一种适用于热离心综合试验的集成式控制装置，其特征在于，所述加热模块为一条或多条柔性加热带。