CN211856417U - 一种含能材料产品用多温区热烤试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种含能材料产品用多温区热烤试验装置，包括防爆房、热功率输出单元、温度控制器、多路温度传感器、检测数据传输器、数据服务器、远控操作间、产品支架、称重传感器、高频动态高压传感器。通过本申请，实现了不同热烤试验设备的集成化设计；取不同的加热元件，针对不同热烤试验类型进行加热的匹配设计；不同的试验，只需更换加热带、加热膜、石英灯等加热元件，可满足标准中对于热烤不同试验类型的加载要求。通过本申请多温区的加热思路，对产品不同部位的特征点温度进行模拟，实现了产品的温度分布响应特征模拟，可以更加真实的模拟试验产品在经历热烤试验时的产品状态。

Description

一种含能材料产品用多温区热烤试验装置

技术领域

本实用新型属于含能材料产品试验技术领域，具体涉及一种含能材料产品用多温区热烤试验装置。

背景技术

含能材料，包括炸药、推进剂等，广泛应用于航天、军事等领域。相关产品在生产、运输、使用过程中，存在各种各样的意外因素，如公路、铁路运输意外导致的火灾事故，航天发射过程引发的燃料燃烧事故等，导致含能材料面临热安全风险，严重时可能出现燃烧甚至爆炸情况。因此，通过开展相关试验，对含能材料进行热烤环境下的安全性评估，是十分必要的。

国内外相关单位很早就认识到开展含能材料热安全性评估试验的重要性，经过多年发展，甚至已经形成了相关试验标准。国外标准包括：美军标MIL-STD-2105C、英标MHSMP-84-22UC-45June1984。国内标准包括：WJ2243-94《兵器工业总公司部标准--炸药试验方法，快速烤燃试验》、GJB5309.29-2004《火工品试验方法第29部分：烤爆试验》等。

同时，北京理工大学、陕西应用物理化学研究所、中国工程物理研究院等多家单位，为了研究含能材料在热烤环境下的反应机理等，依据上述各类试验标准，自主研发了多种试验装置，并进行了针对性改进，指标、功能上也很先进，借助试验装置，开展了各类型的试验，研究了不同材料、升温速率、不同结构下含能材料在热烤环境下反应机理等方面的研究。

热烤试验可以分为快烤试验及慢烤试验。一般升温速率小于0.05℃/s的试验称为慢烤试验。而升温速率大于1℃/s的试验称为快烤试验。实现升温速率指标的试验设备大体可分为如下几种方式：

一种装置是利用换热性能良好的烤燃炉。将产品放入具有控温功能的试验炉中，控制炉温的升温速率，进而完成的热烤试验。这种试验装置一般可以完成小尺寸、小药量、升温速率慢的慢烤试验。

对于大尺寸级产品，慢烤试验可采用大尺寸的温度箱，其原理与烤燃炉类似。对于快烤试验，一般搭建专用的火烧池，将池内注入煤油等燃烧介质，将产品及托架放置在火烧池中间，完成燃烧状态下的快烤试验。

上述技术手段，能够实现产品的热烤试验。通过上述技术手段，对含能材料在热烤环境下的反应机理、产品在热环境下的适应性考核等均实现了十分有意义的探索，但是也存在一些可以改进的方面。

热烤环境模拟的等效程度有待提高；

不论是烤燃炉还是温度箱，均是利用封闭空间内的温度，与产品进行热交换，进而得到产品的温升响应速率。现有阶段的烤燃炉以及温度箱，均是单一控温环境，即产品无论如何摆放，姿态如何调整，周围的温度场环境是一样的。这种实验室环境，对于单一材料，如某种特性的炸药进行特性分析是有必要的。但是真实产品，不同结构的全尺寸级别的武器弹药在经历火灾环境以及气动热环境时，产品的不同部位、同一位置的不同舵面，响应温升情况均不相同。而炸药的反应关心的是局部热点的形成。对炸药类产品，温度分布中最先达到爆炸、爆燃等反应温度条件的部位才是产品考核最关心的部位。因此，对含能材料产品热烤环境下不同部位温度响应的温场模拟技术，是现有技术有待提高的一个重要方面。

准确、全面的模拟，提供机理性分析的手段不足；

火烧试验可以真实模拟含能材料在火灾环境下的受热温场情况，是热事故场景的一种真实模拟，可实现含能材料快烤试验的有效手段。但是：1、火烧试验装置仅仅能够模拟火焰场环境，其他环境模拟不足，如含能材料类产品存放区域周边着火，对含能材料的慢烤作用；2、火烧试验，出于安全性考虑，一般是指野外火烧试验，其实施过程中容易受到天气环境的影响；3、火烧环境下，产品的升温范围、速率均呈现了快烤试验的特征，对于升温范围及升温速率不易控制，无法完成慢烤试验。通过调研文献发现，国内外现阶段尚未见到针对大剂量的含能材料类产品的慢烤试验。对于整体级产品，含能材料的反应环境还受到产品结构特征，使用环境等因素影响，现有技术手段有待提高另一个方面。

过程检测技术有待提高；

由于技术手段的局限性，现阶段针对整体级含能材料产品的热烤环境下反应机理研究尚不充分。如热烤试验全过程中的含能材料响应温度与材料状态之间的关系，反应在那些特征参数上，参数随温度、时间的变化历程曲线、爆炸燃烧临界区间等尚待进一步研究。

因此急需研发出一种含能材料产品用多温区热烤试验装置来解决以上问题。

发明内容

为解决上述背景技术中提出的问题。本实用新型提供了一种含能材料产品用多温区热烤试验装置。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种含能材料产品用多温区热烤试验装置，包括：

用于含能材料状态监控的监控及现场检测设备；

多温区热加载终端；通过多温区热加载终端对含能材料不同部位的特征点进行分温区加热；

热功率输出单元；

温度控制器；温度控制器的控制信号输出端与热功率输出单元的控制信号输入端连接，热功率输出单元与多温区热加载终端电性连接；

多路温度传感器；多路温度传感器用于检测多温区的温度；多路温度传感器的信号输出端与温度控制器的信号输入端连接；

检测数据传输器；监控及现场检测设备的信号输出端与检测数据传输器的信号输入端连接；

数据服务器；数据服务器的信号输入端分别与温度控制器的信号输出端和检测数据传输器的信号输出端连接；

远控操作间；远控操作间与数据服务器通信连接。

具体地，多温区热烤试验装置还包括：

产品支架；

称重传感器；称重传感器安装在产品支架上；

高频动态高压传感器；称重传感器的信号输出端与高频动态高压传感器的信号输入端连接；高频动态高压传感器的信号输出端与数据服务器的信号输入端连接；

线缆长度调节器；线缆长度调节器与称重传感器的称重端连接；含能材料与线缆长度调节器连接。

具体地，多温区热烤试验装置还包括防爆房；含能材料、监控及现场检测设备和多温区热加载终端均设置在防爆房内。

优选地，线缆长度调节器的多根线缆穿过防爆房设置，多根线缆的端部分别与含能材料的多个部分连接，用于改变含能材料的位姿。

作为一种优选，多温区热加载终端为加热膜或加热带。

作为另一种优选，多温区热加载终端为石英灯。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、通过本申请，实现了不同热烤试验设备的集成化设计；取不同的加热元件，针对不同热烤试验类型进行加热的匹配设计；不同的试验，只需更换加热带、加热膜、石英灯等加热元件，可满足标准中对于热烤不同试验类型的加载要求。

2、通过本申请，可以更加真实的模拟试验产品在经历热烤试验时的产品状态；摒弃了传统的支架安装方式，采用吊装的方式，可以模拟产品在使用过程中的姿态特征，对于温度的传导状态模拟更加真实。同时，本专利考虑到了产品不同部位，不同位置在热烤环境下的响应温度差异情况，设计了多温区的加热思路，对产品不同部位的特征点温度进行模拟，实现了产品的温度分布响应特征模拟，可以更加真实的模拟试验产品在经历热烤试验时的产品状态。

3、通过本申请，可以更加全面的掌握试验产品在经历热烤环境下的产品反应状态；本申请增上加了质量、应力、应变、尺寸、外观等多物理参数的测试系统，形成了完备的多物理量测量方法，通过准确获取各项物理参数，获取与温度的实时对应关系，结合产品状态检测，可以为产品状态检测、评估提供完备的物理量测试手段。

附图说明

图1为本申请的结构示意图；

图中：1-远控操作间；2-产品支架；3-高频动态高压传感器；4-称重传感器；5-线缆长度调节器；6-防爆房；7-多温区热加载终端；8-含能材料；81-第一温区；82-第二温区；83-第三温区；9-多路温度传感器；10-热功率输出单元；11-温度控制器；12-检测数据传输器；13-监控及现场检测设备；14-数据服务器；15-试验区现场。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型提供以下技术方案：

如图1所示，一种含能材料8产品用多温区热烤试验装置，包括：

用于含能材料8状态监控的监控及现场检测设备13；

多温区热加载终端7；通过多温区热加载终端7对含能材料8不同部位的特征点进行分温区加热；通过多温区热加载终端模拟含能材料在火灾等热烤事故场景下的温度分布及反应情况；

热功率输出单元10；

温度控制器11；温度控制器11的控制信号输出端与热功率输出单元10的控制信号输入端连接，热功率输出单元10与多温区热加载终端7电性连接；

多路温度传感器9；多路温度传感器9用于检测多温区的温度；多路温度传感器9的信号输出端与温度控制器11的信号输入端连接；

检测数据传输器12；监控及现场检测设备13的信号输出端与检测数据传输器12的信号输入端连接；

数据服务器14；数据服务器14的信号输入端分别与温度控制器11的信号输出端和检测数据传输器12的信号输出端连接；

远控操作间1；远控操作间1与数据服务器14通信连接。

本实施例中，产品支架2、高频动态高压传感器3、称重传感器4、线缆长度调节器5、防爆房6、多温区热加载终端7、含能材料8、多路温度传感器9、热功率输出单元10、温度控制器11、检测数据传输器12、监控及现场检测设备13和数据服务器14均置于试验区现场15；试验区现场15应选在野外，远离人员活动的区域，具有安全保障能力的特定试验场所。装置之间的通讯通过光纤电缆等通讯线路完成；监控操作区要求远离试验现场区，具有复合安全等级的防护设备。

在本实施例中，多路温度传感器优选为K型热电偶；热功率输出单元优选为调功器,选上海斯通ST35B型；温度控制器优选为安东电子的LU-962U型温度控制器；检测数据传输器优选为PC及网关类产品，收集数据传输至远控操作间；监控及现场检测设备为包括摄影仪、破片收集装置、动态高压测量、质量在线测量装置等的设备。

在一些实施例中，多温区热烤试验装置还包括：

产品支架2；

称重传感器4；称重传感器4安装在产品支架2上；

高频动态高压传感器3；称重传感器4的信号输出端与高频动态高压传感器3的信号输入端连接；高频动态高压传感器3的信号输出端与数据服务器14的信号输入端连接；高频动态高压传感器用于测量含能材料反应时的压力等参数信息；

线缆长度调节器5；线缆长度调节器5与称重传感器4的称重端连接；含能材料8与线缆长度调节器5连接。

在一些实施例中，多温区热烤试验装置还包括防爆房6；含能材料8、监控及现场检测设备13和多温区热加载终端7均设置在防爆房6内。

在一些实施例中，线缆长度调节器5的多根线缆穿过防爆房6设置，多根线缆的端部分别与含能材料8的多个部分连接，用于改变含能材料8的位姿。如图1所示，含能材料8为倾斜设置，更加真实的模拟了其在实际使用情况下的位姿情况。通过调节产品的姿态，模拟了热烤事故场景下产品内部的高温气流分布情况。

本实施例中优选采用两根线缆穿过防爆房6对含能材料8的首尾部进行吊装，且两根线缆一长一短，使含能材料8呈倾斜状设置。

在一些实施例中，多温区热加载终端7为加热膜或加热带；加热膜或加热带为接触式加热器。一般的热流密度0.3-0.6w/cm²。

在一些实施例中，多温区热加载终端7为石英灯，石英灯为辐射式加热器，热流密度12w/cm²。

试验原理：以试验产品外表面响应温度作为试验的模拟条件，通过模拟与试验件在真实热烤环境中的外表面温度，施加热烤环境载荷。如图1所示，本申请分为了第一温区81、第二温区82、第三温区83；在每一个温区，用独立的多路温度传感器9及温度控制器11、热功率输出单元10进行控制，在热烤试验过程中的任一时刻，每个温区的温度控制器11读取提前设置的温度目标值，进行每个温区独立的温度控制，调节各个温区的加热输出功率，进而实现模拟产品表面不同部位的温度场分布情况。

本申请具备：

1、多温区快/慢烤试验设备的集成设计

本专利方案通过集成化设计，可实现不同指标下的快、慢烤试验。根据不同的热烤试验类型，可以选择不同规格型号的多温区热加载终端7。当各个温区升温范围在室温-200℃、升温速率在0-0.05℃/s范围内，符合慢烤试验载荷加载定义时，采用加热膜、加热带等形式的多温区热加载终端7；当各个温区升温范围在200℃-1000℃范围内，升温速率大于1℃/s时，符合快烤试验载荷加载要求，采用石英灯等形式的多温区热加载终端7。针对不同类型的热烤试验，多路温度传感器9、热功率输出单元10、温度控制器11可通用，提高了不同试验类型的硬件通用性。当需要开展不同类型的热烤试验时，只需更换多温区热加载终端7，可以方便快捷的实现功能切换。

2、载荷分布的精确模拟

实际使用过程中，由于含能材料8试验件结构特征，位置分布，姿态的差异，产品外表面温度分布是不同的。不同的温度分布会导致不同的热聚集效应，造成的热烤试验结果等亦不相同。为了模拟产品温度分布，本申请通过温度输入条件，确定试验件产品不同位置的温度控制点数量以及每个控制点的温度输入条件。在试验时，每一个控制点形成单独的控制输入输出通道，同时工作，相互不影响。最终形成多温区加热的温场。

3、质量-温度变化曲线实时检测功能实现

试验过程中，含能材料8的反应过程中，除了内部材料温度的变化，整体质量也会随之改变，对于判断反应状态是一个非常重要的物理量。本申请实现了质量-温度变化曲线的实时检测功能。试验产品(含能材料8)放置在防爆房6内，通过吊具，安装固定在产品支架2上，吊具上配备了称重传感器4，可以在慢烤试验过程中实时测量产品质量，通过高频动态高压传感器3将测得的数据实时传送出去，以记录含能材料8在慢烤过程中的质量-温度变化曲线。

4完备的监控、测试系统

热烤试验开展过程中，还需对实验现场画面、产品应力、结构变形等参数进行实时监控，因此摄像头及各种现场检测设备也需放置在试验现场。通过数据服务器14将数据实时传输给远控操作间1设备。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种含能材料产品用多温区热烤试验装置，其特征在于，包括：

用于含能材料状态监控的监控及现场检测设备；

多温区热加载终端；通过多温区热加载终端对含能材料不同部位的特征点进行分温区加热；

热功率输出单元；

温度控制器；温度控制器的控制信号输出端与热功率输出单元的控制信号输入端连接，热功率输出单元与多温区热加载终端电性连接；

双路温度传感器；双路温度传感器用于检测多温区的温度；双路温度传感器的信号输出端与温度控制器的信号输入端连接；

检测数据传输器；监控及现场检测设备的信号输出端与检测数据传输器的信号输入端连接；

数据服务器；数据服务器的信号输入端分别与温度控制器的信号输出端和检测数据传输器的信号输出端连接；

远控操作间；远控操作间与数据服务器通信连接。

2.根据权利要求1所述的一种含能材料产品用多温区热烤试验装置，其特征在于，多温区热烤试验装置还包括：

产品支架；

称重传感器；称重传感器安装在产品支架上；

高频动态高压传感器；称重传感器的信号输出端与高频动态高压传感器的信号输入端连接；高频动态高压传感器的信号输出端与数据服务器的信号输入端连接；

线缆长度调节器；线缆长度调节器与称重传感器的称重端连接；含能材料与线缆长度调节器连接。

3.根据权利要求2所述的一种含能材料产品用多温区热烤试验装置，其特征在于，多温区热烤试验装置还包括防爆房；含能材料、监控及现场检测设备和多温区热加载终端均设置在防爆房内。

4.根据权利要求3所述的一种含能材料产品用多温区热烤试验装置，其特征在于，线缆长度调节器的多根线缆穿过防爆房设置，多根线缆的端部分别与含能材料的多个部分连接，用于改变含能材料的位姿。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种含能材料产品用多温区热烤试验装置，其特征在于，模拟整体级含能材料产品在慢烤事故场景下的受热反应情况时，多温区热加载终端为加热膜或加热带。

6.根据权利要求1-4任一项所述的一种含能材料产品用多温区热烤试验装置，其特征在于，模拟整体级含能材料产品在快烤事故场景下的受热反应情况时，多温区热加载终端为石英灯。

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