同位素?zé)嵩锤邷亘C沖擊復(fù)合環(huán)境試驗

魯亮，胡宇鵬，歐陽智江，向延華，黃含軍，李思忠

（中國工程物理研究院 總體工程研究所，綿陽 621999）

0 引 言

同位素?zé)嵩丛诘孛孢\輸、發(fā)射等狀態(tài)下常處于強度較高、次數(shù)較多的沖擊環(huán)境中，從而給產(chǎn)品帶來不同程度的損傷，如結(jié)構(gòu)損傷、功能失效等[1-2]。因此，為了考察熱源的環(huán)境可靠性，需開展沖擊環(huán)境試驗。熱源鑒定級試驗中，通常采用模擬樣品代替真實熱源。因此，在試驗中需給模擬樣品加熱以使其具有與真實產(chǎn)品相同的熱邊界條件，即需要對試驗件進行500℃的高溫加載和相應(yīng)的沖擊載荷加載。

目前，沖擊環(huán)境試驗技術(shù)已較為成熟[3-4]。例如，柳征勇等[5]研究了爆炸或沖擊作用對艦船及航天器的損傷效應(yīng)。郭淵等[6]利用準靜態(tài)壓痕試驗來模擬低速大質(zhì)量沖擊環(huán)境，對不同材料體系和不同鋪層數(shù)的復(fù)合材料層合板進行了準靜態(tài)壓痕試驗和落錘沖擊試驗。然而，對于高溫環(huán)境下的沖擊環(huán)境試驗技術(shù)還未見報道。

綜上所述，關(guān)于高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)的相關(guān)研究還十分缺乏。相比單一沖擊環(huán)境試驗，高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗更加復(fù)雜。尤其是高溫與沖擊載荷的協(xié)同加載方式、控制方法、高溫的防護手段、試驗流程的制定等，還需要進一步研究。本文以某同位素?zé)嵩锤邷亘C沖擊復(fù)合環(huán)境試驗任務(wù)為背景，對高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)進行了系統(tǒng)研究，研制了高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗裝置，制定了高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗方法，利用該試驗系統(tǒng)對熱源模擬樣品進行了500 ℃、5 000次的高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗考核，提出了后續(xù)改進方法，為以后相關(guān)任務(wù)提供技術(shù)支撐。

1 試驗系統(tǒng)設(shè)計

高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗裝置如圖1所示，該裝置由熱加載系統(tǒng)、沖擊試驗系統(tǒng)、帶有熱防護功能的夾具、控制系統(tǒng)等構(gòu)成。沖擊試驗系統(tǒng)水平放置于地面上，熱加載系統(tǒng)通過吊具懸掛于沖擊試驗系統(tǒng)正上方，產(chǎn)品由帶有熱防護功能的夾具安置于沖擊試驗系統(tǒng)和熱加載系統(tǒng)之間，控制系統(tǒng)對相關(guān)載荷進行加載控制。各系統(tǒng)具體設(shè)計方法如下。

圖1 高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Structure of high temperature-impact composite environmental test system

通過調(diào)研加熱貼片、溫度箱、輻射燈陣、加熱爐等工程上常見的加熱裝置相關(guān)技術(shù)指標(biāo)可知，加熱貼片工作時需貼合在產(chǎn)品表面，但易改變表面狀態(tài)，影響試驗件固定；溫度箱通常溫控范圍在200℃以內(nèi)，它的質(zhì)量、體積均較大，且無法進行開口設(shè)計；輻射燈陣加熱能力雖強，但其布置方法較復(fù)雜，對不同外形的試驗件，為了保證加熱均勻性，需要每次重新布置。綜合考慮，加熱爐較為適合高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗，但需要對其進行優(yōu)化設(shè)計。

常規(guī)的加熱爐是封口設(shè)計，而本項目中高溫與沖擊載荷需同步協(xié)同加載，如圖1所示，試驗件由夾具插入爐膛內(nèi)部，加熱爐底部應(yīng)為開口設(shè)計。但當(dāng)加熱爐開口設(shè)計時，會產(chǎn)生大量漏熱，爐內(nèi)的溫度升至500℃高溫較為困難，且爐膛內(nèi)部溫度場也極度不平衡。針對爐膛漏熱的問題，利用試驗夾具對爐膛進行了封口優(yōu)化設(shè)計：①爐膛內(nèi)部直徑為300mm，設(shè)計伸入爐膛部分試驗夾具寬度270mm，從而對開口進行封堵；②爐膛外部試驗夾具的水箱寬度設(shè)計直徑為600mm，對開口再次進行封堵。因此，夾具封口的優(yōu)化設(shè)計減弱了爐膛向外部環(huán)境的輻射散熱。針對爐膛內(nèi)部溫度場不均勻的問題，加熱爐內(nèi)襯包裹電熱絲，上方設(shè)計電機，電機帶動風(fēng)扇進行內(nèi)部的強制對流換熱，增強爐膛內(nèi)部溫度均勻性，并保護電阻絲不至于局部過熱。加熱爐上方有吊環(huán)設(shè)計，可以利用吊環(huán)進行安裝、固定。

溫度控制系統(tǒng)原理圖如圖2所示，系統(tǒng)由溫度控制儀、調(diào)壓器、溫度傳感器、電爐等部件構(gòu)成。系統(tǒng)工作時，溫度控制儀根據(jù)溫度目標(biāo)值以及電爐實際值的溫度偏差值e，以及溫度偏差變化率de/dt，進行自校正邏輯推理，實時調(diào)節(jié)PID控制器的控制參數(shù)，然后進行控制模擬量輸出，該輸出量為0～10V的控制信號，控制信號傳遞給調(diào)壓器后，調(diào)壓器在0～220V范圍內(nèi)調(diào)節(jié)輸出電壓，控制電加熱爐加熱輸出功率，改變電爐溫度。在電爐工作時，為了保證電爐內(nèi)部溫度，控制系統(tǒng)將增大功率的輸出以彌補由于加熱爐開口而帶來的漏熱。這一動作將導(dǎo)致加熱爐外壁溫度升高。根據(jù)GB/T10067.44-2014《電熱裝置基本技術(shù)條件第44部分：箱式電阻爐》中5.3.7節(jié)關(guān)于表面溫度的規(guī)定，要求加熱爐外表面溫升不能超過40℃。因此，對加熱爐外壁進行了防隔熱加厚處理，選用了低熱導(dǎo)率材料，通過熱計算，確定外壁厚度為200mm。該設(shè)計下，加熱爐在內(nèi)壁500℃時工作2h，外壁溫度為47℃。

圖2 溫度控制系統(tǒng)原理Fig. 2 Principle of temperature control system

沖擊試驗系統(tǒng)主體選用西安兵器研究所產(chǎn)的Y521000-1/ZF型沖擊碰撞試驗機，并由配置的電氣裝置進行驅(qū)動。沖擊碰撞試驗機工作時，電機驅(qū)動凸輪旋轉(zhuǎn)，推動裝在支塊上的滾輪向上運動，帶動裝有試驗件的工作臺上升，當(dāng)凸輪運動至最高位置時，工作臺便自由落在基座緩沖墊層上，從而產(chǎn)生方向朝上的加速度。其中，碰撞機峰值加速度以及脈沖的持續(xù)時間是通過調(diào)節(jié)碰撞機的上升高度及緩沖墊的厚度、材料實現(xiàn)的。當(dāng)工作臺面上升到一定高度后，下落撞擊到緩沖墊上時，會產(chǎn)生一個半正弦形的沖擊脈沖，通過調(diào)整臺面的跌落高度，可以改變沖擊脈沖的加速度值；而不同的緩沖墊厚度和材料就能改變脈沖的持續(xù)時間。

在高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗中，由于高溫加熱爐安裝在沖擊碰撞試驗機正上方，加熱爐又為開口設(shè)計，試驗產(chǎn)品由夾具安置在加熱爐內(nèi)，熱量極易通過高溫試驗件和夾具的導(dǎo)熱傳至沖擊碰撞試驗機的工作平臺上，從而影響沖擊碰撞試驗機的正常工作，甚至?xí)?dǎo)致試驗機的發(fā)生故障。因此，為了避免試驗機因施加高溫載荷造成的異常升溫，夾具采用導(dǎo)熱系數(shù)較低的鈦合金進行加工。另外特別對夾具進行了主動式熱控的優(yōu)化設(shè)計。如圖3所示，在試驗夾具中段設(shè)計了水箱，水箱上端和下端分別設(shè)計一個進水口和兩個出水口。當(dāng)試驗產(chǎn)品溫度處于400℃以下時，封閉進出水口，僅通過封閉水箱內(nèi)的自然對流傳熱就可達到熱控效果；當(dāng)產(chǎn)品溫度在400℃以上時，進出水口加裝水管及水槽，水箱的水不斷的帶走熱量，即通過強制對流傳熱達到熱控效果。同時，為了滿足試驗件插入深度，防止漏熱等要求，對夾具高度、形狀等進行了優(yōu)化設(shè)計，并在臺體表面鋪設(shè)熱防護墊層。

圖3 防隔熱夾具優(yōu)化設(shè)計Fig. 3 Optimum design of anti heat insulation fixture

2 試驗方法制定

依托同位素?zé)嵩锤邷亘C沖擊復(fù)合環(huán)境試驗任務(wù)，對高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境的試驗方法進行了研究。包括制定試驗流程及試驗評價標(biāo)準等。該試驗件為Φ25mm×h40mm的圓柱結(jié)構(gòu)。需要將該產(chǎn)品在500℃的高溫環(huán)境中進行徑向加速度為15g，沖擊脈沖時間為5～50ms，連續(xù)沖擊次數(shù)5000次的沖擊試驗。由于現(xiàn)階段，國內(nèi)外標(biāo)準均未對高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗作出規(guī)范，筆者依據(jù)GJB150中溫度及沖擊單項試驗的規(guī)定，擬定了試驗合格判據(jù)，以期對試驗進行評價。溫度允差：100℃以內(nèi)溫度范圍，溫度允差不超過±2℃，100℃以上溫度范圍，溫度允差不超過5%。加速度允許偏差：小于15%。

由于首次進行該高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗，也無業(yè)內(nèi)相關(guān)經(jīng)驗可參照，因此初步擬定試驗方法如表1左列所示，并進行了預(yù)試驗。

在預(yù)試驗過程中，發(fā)現(xiàn)固定試驗件的包帶均脫離了原來的位置，如圖4所示。對此進行分析可知，試驗件與包帶熱膨脹系數(shù)不一致，在高溫和連續(xù)沖擊共同作用下，出現(xiàn)了松動甚至脫落的現(xiàn)象。如果試驗件加固不成功，必然導(dǎo)致沖擊載荷無法準確傳遞至試驗件，造成試驗欠考核甚至直接失敗。

為解決這一問題，可以利用與試驗件熱膨脹系數(shù)相同的材料，進行固定用包帶的設(shè)計，從而消除熱變形帶來的尺寸差異。然而，對于不同的試驗件，需要選取相同或相近的熱膨脹系數(shù)的材料；同時，還要保證該材料在高溫情況下具有良好的剛度、強度特征。經(jīng)濟、時間等成本較高，不具有實際操作性。因此，在本項試驗中，對試驗流程進行了改進設(shè)計，以解決這一問題。

3 試驗結(jié)果

在預(yù)試驗后，對試驗件進行正式的高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗，載荷加載情況見表1，試驗相關(guān)結(jié)果如圖5所示。由圖5(a)可知，加熱初期，為了設(shè)備運行安全，加熱爐以較小加熱功率對爐內(nèi)試驗件進行加熱，平均溫升速率約為5℃/min。當(dāng)試驗件溫度達到100℃時，增大加熱爐加熱功率，即平均溫升速率增大至20℃/min。當(dāng)試驗件溫度達到400℃時，為了防止溫度過沖，適當(dāng)降低加熱爐加熱功率，此時平均溫升速率降至4℃/min。當(dāng)試驗件溫升至目標(biāo)溫度附近時，垂直抬起加熱爐，對試驗件包帶進行緊固作業(yè)，在加熱爐升起后，處于高溫狀態(tài)的試驗件向外輻射傳熱以及受空氣對流冷卻影響，溫度在20min時有明顯下降的趨勢。當(dāng)緊固作業(yè)完成后，放下加熱爐，并繼續(xù)加熱，試驗件溫度繼續(xù)上升并逐漸達到目標(biāo)溫度。當(dāng)溫度達到目標(biāo)值后，保持試驗件一直處于該溫度下。由圖可知，后期整個過程試驗件溫度與目標(biāo)溫度誤差不超過5%，即表明熱加載滿足試驗要求。

表1 試驗流程及其改進Table 1 Test procedure and improvement

圖4 預(yù)試驗后緊固包帶松脫現(xiàn)象Fig. 4 Fastening strap loose phenomenon after pre test

試驗件溫度達到500 ℃后，開啟沖擊碰撞試驗機，對試驗件進行力載荷加載。表2給出了從第1次到5 000次的力載荷加載情況，可以看出，每次沖擊的峰值加速度都在15 g左右，持續(xù)時間也都在19 ms左右，即每次試驗條件一致性較好。從圖5(b)給出的第3 000次沖擊波形圖可知，實測沖擊譜基本與標(biāo)準曲線一致，即可以證明高溫狀態(tài)下的力載荷加載滿足試驗要求。

圖5 試驗結(jié)果曲線Fig. 5 Test result curve

表2 試驗加載結(jié)果Table 2 Test loading results

綜上，本文中高溫–沖擊環(huán)境試驗結(jié)果滿足GJB150A中高溫、沖擊試驗的允差要求，試驗系統(tǒng)及試驗方法的設(shè)計能夠保證相關(guān)產(chǎn)品的高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗順利完成。

4 結(jié) 論

本文以某同位素?zé)嵩锤邷亘C沖擊復(fù)合環(huán)境試驗任務(wù)為背景，對高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗技術(shù)進行了系統(tǒng)研究，研制了高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗系統(tǒng)，制定了高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗方法，利用該試驗系統(tǒng)對同位素?zé)嵩茨M樣品進行了500 ℃，5 000次的高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗考核。試驗結(jié)果證明：高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗系統(tǒng)采用開口加熱爐豎直加熱式方法，并結(jié)合防隔熱夾具設(shè)計等優(yōu)化設(shè)計，能夠?qū)Ω邷丶斑B續(xù)沖擊載荷的復(fù)合環(huán)境進行準確模擬，試驗系統(tǒng)具備高溫–沖擊復(fù)合環(huán)境試驗?zāi)芰Α?/p>

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