專利名稱：小型化強脈沖單軌放電燒蝕裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種強電磁場燒蝕機理研究技術領域，特別是涉及ー種小型化強脈沖單軌放電燒蝕裝置。
背景技術：
強脈沖放電是當前電磁彈射研究領域的ー個重要方向。利用強脈沖放電，可以提供兆級的電流，產生強大的瞬時推動力，帶動物體在很短時間內達到很高速度。但是，由于發射載體與導軌材料的物理性能的差異，特別是導電率、導熱系數的差異，以及材料接觸界面粗糙度、潔凈度、氧化與否等因素的影響，使得瞬時出現的強脈沖電流在接觸表面產生巨大的焦耳熱，形成燒蝕。燒蝕的產生會導致接觸材料的變形、表面結構改變，惡化了重復放電性能，影響電磁轉換裝置的使用壽命。由于燒蝕的產生原因與強脈沖電流大小、放電形式、接觸壓カ大小等有夫，因此對燒蝕的研究應該從多角度、多因素進行。溫度、應變和加載 力的大小是直接關系強脈沖放電轉換性能的重要表象，必須加以研究。目前，許多電磁轉換裝置困于設備體積超大、結構設計復雜、難以實現及時拆卸和實時觀測，而對強脈沖放電產生的燒蝕現象和機理研究不準確。大量數值模擬結果與實際觀察結果匹配性較差，無法給出確定的技術數據，瞬時產生的燒蝕溫度更是無法測量。針對于此，研制ー種小型、簡約、可拆卸、多因素測定的強脈沖放電燒蝕裝置是十分必要的。

發明內容
為了克服利用現有大型脈沖放電裝置進行燒蝕機理研究技術的不足，本發明提供ー種小型化強脈沖單軌放電燒蝕裝置。該裝置可進行裝配預緊カ調節、實時燒蝕溫度非接觸測量、材料微米至毫米級變形尺寸可測、脈沖放電電極易于更換等特點?？朔艘话阊芯坎荒軐崟r測溫、無法精細調節裝配力、設備拆裝困難、耗時耗カ的缺點。本發明解決其技術問題所采用的技術方案是ー種小型化強脈沖單軌放電燒蝕裝置，所述裝置為長方體結構，采用模塊式設計，可靈活拆卸、安裝，其長度為300mnT500mm，寬度為100mnT300mm，高度為20(T400mm。強脈沖電流為0 5 15 400KA ;強脈沖耐受最大電壓為12000V ;鏜ロ尺寸調節范圍為8-15mm ;利用非接觸線性CCD測量系統進行膛ロ擴張尺寸測試，精度達到O. 5 μ m ;脈沖放電燒蝕溫度測量精度達到O. 50C ;裝有靜態電阻應變儀進行精確裝配應カ調節，應變測試精度達O. I μ ε。所述裝置的壓板I由四個不銹鋼螺栓和不銹鋼螺母安裝固定，壓板I的凹槽內裝有絕緣板I，導軌I、摩擦板I依次裝在絕緣板I上；用銷釘將裝有支撐件I的側板I和裝有支撐件II的側板II固定在壓板I上。所述支撐件I和支撐件II的上部依次安裝摩擦板
II、導軌II和壓板II，所述絕緣板II裝入壓板II的凹槽內，壓板II與兩側的側板I和側板II留有間隙，壓板III由不銹鋼螺母固定在壓板II的上部，壓板III的中心線上等距離加工Γ7個螺孔，螺孔中裝有端面具有球面的不銹鋼螺栓。所述靜態電阻應變儀的傳感器安裝在不銹鋼螺栓上；光纖溫度傳感器布置在距離摩擦板I 7或摩擦板II 9側面8 IOmm處、布置高度為與摩擦板I 7或摩擦板II 9的側面中心線同一平面高度、移動距離2(T200mm范圍內，可測量燒蝕引起的溫度變化；所述非接觸線性CCD光學測量系統測量布置在放電裝置后方，進行放電軌道的尺寸形變測定。所述壓板I、壓板II和壓板III采用A3鋼制造，其表面加工精度為IT8級。所述不銹鋼螺栓的加工精度為IT9。所述絕緣板I、絕緣板II、支撐件I、支撐件II、側板I和側板II采用玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料制造，其密度為2. 08g/cm3,拉伸強度大于500MPa，拉伸模量大于25GPa，彎曲強度大于650MPa，伸長率為1.5%，玻璃纖維含量き70%，介電強度為10X106V/m0導軌I和導軌II的材質為T2純銅材料，導電率IACS 100%O強脈沖放電的匯流裝置采用15 25層T2級軟銅片接入，軟銅片具有良好的塑性可極大緩解吸收強脈沖放電產生的電磁力，易于更換。 所述靜態應變儀采用全橋接線方式，應變片電阻300歐姆；接線方法是相鄰應變片相反，且全橋相對相同。所述光纖溫度傳感器測溫范圍400-1300°C，H-G非接觸式光纖溫度傳感器，響應時間10毫秒，光纖探頭直徑3mm,長度15mm。所述非接觸線性CCD光學測量系統為單向直徑測量儀，測量的精度±0.5μπι，測量范圍 O. 02mnT2mm。本發明的有益效果是采用模塊化設計，可靈活拆卸、安裝。該發明可以實時、準確進行強脈沖放電燒蝕溫度，精度±0.5°c、裝配預緊力，應變精度可達O. 1μ ε、膛ロ尺寸形變的測量，變形精度達±0. 5 μ m。該裝置可進行多品種導電材料的燒蝕試驗，強脈沖放電軌道間距離可調節，可以滿足不同厚度試樣的測試要求。匯流裝置采用軟銅片，可極大緩解硬接入導致的電磁力損傷。該發明克服了一般研究不能實時測溫、無法精細調節裝配力、設備拆裝困難和耗時耗カ的缺點。具有可進行裝配預緊カ調節、實時燒蝕溫度非接觸測量、材料微米至毫米級變形尺寸可測、脈沖放電電極易于更換等優點。


圖I是小型化強脈沖單軌放電燒蝕裝置的結構示意 圖2是小型化強脈沖單軌放電燒蝕裝置的立體示意 圖3為純銅材料表面燒蝕照片；
圖4強脈沖放電電壓為10000V時的擊穿試樣；
圖5強脈沖放電電壓為4000V時的擊穿試樣。在上述附圖中，I.不銹鋼螺栓，2.不銹鋼螺母，3.壓板I，4.絕緣板I，5.導軌I，6.側板I，7.摩擦板I，8.支撐件I，9.摩擦板II，10.導軌II，11.絕緣板II，12.壓板II，13.壓板III，14.不銹鋼球頭螺栓，15.側板II，16.支撐件II，17.銷釘。
具體實施例方式實施例I
圖I、圖2是本發明公開的小型化強脈沖單軌放電燒蝕裝置，該裝置長方體結構，采用模塊式設計，長度為300mm，寬度為156mm，高度為256mm。其中，壓板I 3、壓板II 12、壓板
III13采用A3鋼制造。壓板III13的中心線上等距離加工5個螺孔。導軌I 5、導軌II 10的材質為T2純銅材料，導電率IACS 100%。絕緣板I 4、絕緣板II 11、支撐件I 8、支撐件II 16、側板I 6和側板II 15采用玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料制造，其密度為2. 08g/cm3，拉伸強度大于500MPa，拉伸模量大于25GPa，彎曲強度大于650MPa，伸長率為I. 5%，玻璃纖維含量き70%，介電強度為10X106V/m。 裝置的裝配エ序如下
(I)固定好壓板I 3，使得壓板I 3與平臺表面留有35_左右的間隙。(2)將不銹鋼螺栓I安裝在壓板I的四個孔上，用不銹鋼螺母2固定。(3)將絕緣板I 4放入壓板I 3的凹槽內，兩端與壓板I 3兩端對齊。然后將導軌
I5和摩擦板I 7按照如圖I所示的次序依次安放。(4)利用銷釘17將側板I 6和側板II 15固定在壓板I 3上(支撐件I 8和支撐件
II16在組裝前利用螺釘分別與側板I 6和側板II 15裝好)。(5)將摩擦板II 9、導軌II 10和絕緣板II 11按照圖I所示放置在支撐件I 8和支撐件II 16上。所述摩擦板I 7和摩擦板II 9即為電磁燒蝕裝置燒蝕樣件。通過對摩擦板表面燒蝕現象的研究，可以進行強脈沖放電產生的各種燒蝕現象和機理的科學研究。(6)把絕緣板II 11壓在導軌II 10上，然后將絕緣板II 11壓在壓板II 12的凹槽內。(7)將壓板III 13裝在不銹鋼螺栓I上，并用不銹鋼螺母2固定好。保證壓板III 13與壓板I 3平行。(8)將導軌I 5和導軌II 10與供電裝置的強脈沖放電的匯流裝置連接，所述強脈沖放電的匯流裝置采用20層T2級軟銅片接入，軟銅片具有良好的塑性可極大緩解吸收強脈沖放電產生的電磁力，易于更換。(9)旋緊不銹鋼球頭螺栓14，應變儀上不銹球頭鋼螺栓14的總應變換算成カ后即為施加的預緊力。靜態電阻應變儀的傳感器安裝在不銹鋼螺栓I上，所述靜態應變儀采用全橋接線方式，應變片電阻300歐姆；接線方法是相鄰應變片相反，且全橋相對相同。(10)將H-G系列非接觸式光纖溫度傳感器的光纖探頭布置在距離摩擦板I (7)或摩擦板II 9側面8 IOmm處，布置高度為與摩擦板I 7或摩擦板II 9的側面中心線同一平面高度、移動距離2(T200mm范圍內。井根據測溫需要進行長度方向的調節。所述光纖溫度傳感器測溫范圍400-1300°C，H-G非接觸式光纖溫度傳感器，響應時間10毫秒，光纖探頭直徑3mm,長度 15mm。(11)將CXD線性測量探頭布置在裝置尾端，鏡頭對準裝置中心線，隨時記錄電磁轉換過程的膛尾尺寸材料的形變。所述非接觸線性CCD光學測量系統為單向直徑測量儀，測量的精度±0. 5 μ m，測量范圍O. 02mnT2mm。銅-鈹和無氧銅材料的燒蝕研究。驗件尺寸367 X 40 X 10mm。強脈沖放電條件膛ロ 口徑14. 5mm ;脈沖電壓600(T8000V，脈沖電流7(Tl20KA。裝配預緊カ統ー為2ΚΝ。利用該裝置進行的燒蝕表明鈹-銅抗燒蝕性能明顯好于無氧銅材料。雖然從導熱導電性能上說，無氧銅材料具有較優異的性能，但同鈹-銅復合材料相比，其燒蝕坑面積較大，表面組織結構損傷嚴重，可觀察到明顯的裂紋、熔滴等燒蝕現象。膛尾溫度測試表明其膛尾的瞬時溫度最高1100°c，但由于被-銅復合材料的抗燒蝕性能增強，被-銅復合材料膛尾部分的表面破壞程度遠小于無氧銅材料。實施例2
純銅材料的燒蝕研究。試驗裝置尺寸長300mm,寬150mm，高度270mm，裝置的其它部分結構同實施例I相同。試驗件尺寸367X40X 10mm。強脈沖放電條件膛ロ 口徑15mm ;脈沖電壓400(T6000V，脈沖電流6(Tl00KA。裝配預緊カ統ー為2ΚΝ。圖3為上述條件下純銅表面燒蝕試樣。 利用該裝置進行的燒蝕表明純銅抗燒蝕性能隨脈沖放電電壓、電流的改變影響很大。當放電電壓達到6000V，電流増大80ΚΑ以上時，純銅的表面組織結構嚴重損傷，可觀察到明顯熔坑等燒蝕現象。膛尾瞬時溫度測試表明放電時溫度接近1200°C。實施例3
氧化鋁涂層絕緣材料的絕緣性能研究。試驗裝置尺寸長300mm,寬156mm，高度245mm，裝置的其它部分結構同實施例I相同。試驗件尺寸300 X 38 X 5mm。強脈沖放電條件膛ロ口徑14mm ;脈沖電壓400(T8000V，脈沖電流6(Tl00KA。裝配預緊カ統ー為2· 5ΚΝ。圖4為強脈沖放電電壓為10000V時的擊穿試樣。利用該裝置進行的絕緣材料燒蝕表明氧化鋁涂層絕緣材料的抗高壓性能隨著涂層材料厚度不同而不同。當氧化鋁厚度達到500 μ m以上后，即使放電電壓達到8000V，電流增大70KA以上時，涂層仍然沒有被擊穿。當電壓達到10000V吋，才出現擊穿現象。實施例4
雜質對氧化鋁復合涂層絕緣性能研究。試驗裝置尺寸長300mm，寬156mm，高度325mm，裝置的其它部分結構同實施例I相同。試驗件尺寸300X38X5mm。強脈沖放電條件脈沖電壓400(T6000V，脈沖電流5(Γ80ΚΑ。裝配預緊カ統ー為2. 5ΚΝ。Ag和Ni雜質含量為O. OImass%ο圖5為強脈沖放電電壓4000V時，絕緣材料失效照片。微量元素對絕緣性能的研究表明即使微量的導電金屬存在，都會導致絕緣性能的破壞。
權利要求
1.ー種小型化強脈沖單軌放電燒蝕裝置，包括不銹鋼螺栓(I)、不銹鋼螺母(2)、壓板I (3)、壓板II (12)和壓板111(13)，其特征是所述裝置為長方體結構采用模塊式設計，長度為300mnT500mm,寬度為100mnT300mm,高度為200 400_ ;所述壓板I (3)和壓板IIK 13)由四個不銹鋼螺栓(I)和不銹鋼螺母(2)固定，壓板I (3)的凹槽內裝有絕緣板I (4)，導軌I (5)、摩擦層I (7)依次裝在絕緣板I (4)上；用銷釘(17)將裝有支撐件I (8)的側板I (6)和裝有支撐件II (16)的側板II (15)固定在壓板I (3)上，所述支撐件I (8)和支撐件II (16)的上部依次安裝摩擦層II (9)、導軌II (10)和壓板II (12)，所述絕緣板II (11)裝入壓板II (12)的凹槽內，壓板II (12)與兩側的側板I (6)和側板II (15)留有間隙，壓板III(13)由不銹鋼螺母(2)固定在壓板II (12)的上部，壓板111(13)的中心線上等距離加工Γ7個螺孔，螺孔中裝有不銹鋼球頭螺栓(14);所述裝置的強脈沖電流為Og I g 400KA;強脈沖耐受最大電壓為12000V ;鏜ロ尺寸調節范圍為8-15mm，利用非接觸線性CCD測量系統進行膛ロ擴張尺寸測試，精度達到O. 5 μ m ;脈沖放電燒蝕溫度測量精度達到O. 5°C ;裝有靜態電阻應變儀進行精確裝配應カ調節，應變測試精度達O. I μ ε。
2.根據權利要求I所述的小型化強脈沖單軌放電燒蝕裝置，其特征是所述靜態電阻應變儀的傳感器安裝在不銹鋼螺栓(I)上；光纖溫度傳感器布置在距離摩擦板I (7)或摩擦板II (9)側面8 IOmm處、布置高度為與摩擦板I (7)或摩擦板II (9)的側面中心線同一平面高度、移動距離2(T200mm范圍內，可測量燒蝕引起的溫度變化；所述非接觸線性CCD光學測量系統測量布置在放電裝置后方2(T40mm距離處，進行放電軌道的尺寸形變測定。
3.根據權利要求I所述的小型化強脈沖單軌放電燒蝕裝置，其特征是所述壓板I(3)、壓板II(12)和壓板III(13)采用A3鋼制造。
4.根據權利要求I所述的小型化強脈沖單軌放電燒蝕裝置，其特征是所述絕緣板I(4)、絕緣板II(11)、支撐件I (8)、支撐件II (16)、側板I (6)和側板II (15)采用玻璃纖維增強環氧樹脂復合材料制造，其密度為2. 08g/cm3，拉伸強度大于500MPa，拉伸模量大于25GPa，彎曲強度大于650MPa，伸長率為1.5%，玻璃纖維含量き70%，介電強度為10X106V/m0
5.根據權利要求I所述的小型化強脈沖單軌放電燒蝕裝置，其特征是導軌I(5)和導軌II (10)的材質為T2純銅材料，導電率IACS 100%O
6.根據權利要求I所述的小型化強脈沖單軌放電燒蝕裝置，其特征是強脈沖放電的匯流裝置采用15 25層T2級軟銅片接入，軟銅片具有良好的塑性可極大緩解吸收強脈沖放電產生的電磁力，易于更換。
7.根據權利要求I所述的小型化強脈沖單軌放電燒蝕裝置，其特征是靜態應變儀采用全橋接線方式，應變片電阻300歐姆；接線方法是相鄰應變片相反，且全橋相對相同。
8.根據權利要求I所述的小型化強脈沖單軌放電燒蝕裝置，其特征是光纖溫度傳感器測溫范圍400-1300°C，H-G非接觸式光纖溫度傳感器，響應時間10毫秒，光纖探頭直徑3mm,長度 15mm。
9.根據權利要求I所述的小型化強脈沖單軌放電燒蝕裝置，其特征是非接觸線性CCD光學測量系統為單向直徑測量儀，測量的精度±0. 5 μ m，測量范圍O. 02mnT2mm。
全文摘要
本發明公開一種小型化的強脈沖單軌放電燒蝕裝置。所述裝置為長方體結構，采用模塊式設計可靈活拆卸、安裝。所述裝置的強脈沖電流為0≦I≦400KA；強脈沖耐受最大電壓為12000V；鏜口尺寸調節范圍為8-15mm；利用非接觸線性CCD測量系統進行膛口擴張尺寸測試，精度達到0.5μm；脈沖放電燒蝕溫度測量精度達到0.5℃；裝有靜態電阻應變儀進行精確裝配應力調節，應變測試精度達0.1με。本發明適應多種脈沖放電條件的需要，裝配應力可調節，燒蝕溫度的測試精度高，可以經過非接觸式光纖測溫表征，提供準確的燒蝕溫度。能夠進行精密的材料形變測定，從而為材料的選型提供技術數據。
文檔編號G01B11/16GK102692447SQ20121019014
公開日2012年9月26日 申請日期2012年6月11日 優先權日2012年6月11日
發明者李志鑫, 梁波, 溫銀堂, 王振春, 王文魁 申請人:燕山大學