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

同位素熱源在地面運輸、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，從而給產品帶來不同程度的損傷，如結構損傷、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℃的高溫加載和相應的沖擊載荷加載。

目前，沖擊環(huán)境試驗技術已較為成熟[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。郭淵等[6]利用準靜態(tài)壓痕試驗來模擬低速大質量沖擊環(huán)境，對不同材料體系和不同鋪層數(shù)的復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)境試驗技術還未見報道。

綜上所述，關于高溫–沖擊復合環(huán)境試驗技術的相關研究還十分缺乏。相比單一沖擊環(huán)境試驗，高溫–沖擊復合環(huán)境試驗更加復雜。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。本文以某同位素熱源高溫–沖擊復合環(huán)境試驗任務為背景，對高溫–沖擊復合環(huán)境試驗技術進行了系統(tǒng)研究，研制了高溫–沖擊復合環(huán)境試驗裝置，制定了高溫–沖擊復合環(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–沖擊復合環(huán)境試驗考核，提出了后續(xù)改進方法，為以后相關任務提供技術支撐。

1 試驗系統(tǒng)設計

高溫–沖擊復合環(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)對相關載荷進行加載控制。各系統(tǒng)具體設計方法如下。

圖1 高溫–沖擊復合環(huán)境試驗系統(tǒng)結構示意圖Fig. 1 Structure of high temperature-impact composite environmental test system

通過調研加熱貼片、溫度箱、輻射燈陣、加熱爐等工程上常見的加熱裝置相關技術指標可知，加熱貼片工作時需貼合在產品表面，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，它的質量、體積均較大，且無法進行開口設計；輻射燈陣加熱能力雖強，但其布置方法較復雜，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–沖擊復合環(huán)境試驗，但需要對其進行優(yōu)化設計。

常規(guī)的加熱爐是封口設計，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部，加熱爐底部應為開口設計。但當加熱爐開口設計時，會產生大量漏熱，爐內的溫度升至500℃高溫較為困難，且爐膛內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)化設計：①爐膛內部直徑為300mm，設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)化設計減弱了爐膛向外部環(huán)境的輻射散熱。針對爐膛內部溫度場不均勻的問題，加熱爐內襯包裹電熱絲，上方設計電機，電機帶動風扇進行內部的強制對流換熱，增強爐膛內部溫度均勻性，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、調壓器、溫度傳感器、電爐等部件構成。系統(tǒng)工作時，溫度控制儀根據(jù)溫度目標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，控制信號傳遞給調壓器后，調壓器在0～220V范圍內調節(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《電熱裝置基本技術條件第44部分：箱式電阻爐》中5.3.7節(jié)關于表面溫度的規(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，選用了低熱導率材料，通過熱計算，確定外壁厚度為200mm。該設計下，加熱爐在內壁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的Y521000-1/ZF型沖擊碰撞試驗機，并由配置的電氣裝置進行驅動。沖擊碰撞試驗機工作時，電機驅動凸輪旋轉，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)時間是通過調節(jié)碰撞機的上升高度及緩沖墊的厚度、材料實現(xiàn)的。當工作臺面上升到一定高度后，下落撞擊到緩沖墊上時，會產生一個半正弦形的沖擊脈沖，通過調整臺面的跌落高度，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，加熱爐又為開口設計，試驗產品由夾具安置在加熱爐內，熱量極易通過高溫試驗件和夾具的導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，甚至會導致試驗機的發(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)化設計。如圖3所示，在試驗夾具中段設計了水箱，水箱上端和下端分別設計一個進水口和兩個出水口。當試驗產品溫度處于400℃以下時，封閉進出水口，僅通過封閉水箱內的自然對流傳熱就可達到熱控效果；當產品溫度在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)化設計，并在臺體表面鋪設熱防護墊層。

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

2 試驗方法制定

依托同位素熱源高溫–沖擊復合環(huán)境試驗任務，對高溫–沖擊復合環(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準等。該試驗件為Φ25mm×h40mm的圓柱結構。需要將該產品在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，國內外標準均未對高溫–沖擊復合環(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–沖擊復合環(huán)境試驗，也無業(yè)內相關經(jīng)驗可參照，因此初步擬定試驗方法如表1左列所示，并進行了預試驗。

在預試驗過程中，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計，以解決這一問題。

3 試驗結果

在預試驗后，對試驗件進行正式的高溫–沖擊復合環(huán)境試驗，載荷加載情況見表1，試驗相關結果如圖5所示。由圖5(a)可知，加熱初期，為了設備運行安全，加熱爐以較小加熱功率對爐內試驗件進行加熱，平均溫升速率約為5℃/min。當試驗件溫度達到100℃時，增大加熱爐加熱功率，即平均溫升速率增大至20℃/min。當試驗件溫度達到400℃時，為了防止溫度過沖，適當降低加熱爐加熱功率，此時平均溫升速率降至4℃/min。當試驗件溫升至目標溫度附近時，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溫度。當溫度達到目標值后，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 試驗結果曲線Fig. 5 Test result curve

表2 試驗加載結果Table 2 Test loading results

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

4 結 論

本文以某同位素熱源高溫–沖擊復合環(huán)境試驗任務為背景，對高溫–沖擊復合環(huán)境試驗技術進行了系統(tǒng)研究，研制了高溫–沖擊復合環(huán)境試驗系統(tǒng)，制定了高溫–沖擊復合環(huán)境試驗方法，利用該試驗系統(tǒng)對同位素熱源模擬樣品進行了500 ℃，5 000次的高溫–沖擊復合環(huán)境試驗考核。試驗結果證明：高溫–沖擊復合環(huán)境試驗系統(tǒng)采用開口加熱爐豎直加熱式方法，并結合防隔熱夾具設計等優(yōu)化設計，能夠對高溫及連續(xù)沖擊載荷的復合環(huán)境進行準確模擬，試驗系統(tǒng)具備高溫–沖擊復合環(huán)境試驗能力。

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