一种可调节初始接触压力的电磁发射模拟实验平台及其测量方法

技术领域

本发明涉及电磁发射技术领域，提供一种可调节初始接触压力的电磁发射模拟实验平台及其测量方法。

背景技术

随着科技的不断革新，军事武器的换代越来越快。以火药为代表的传统化学发射技术难以满足现代军事技术对更高速度、更高效率的追求，而电磁发射技术利用电磁力代替火药发射物体，以超高的动能对目标进行杀伤摧毁，是当今世界各军事大国都在竞相发展的一类新概念武器技术。电磁发射(Electromagnetic Launch，EML)技术是一种将物体加速至超高速度的新型发射技术，它利用电磁力驱动有效载荷，能将电磁能转换成机械动能，可加速包括弹丸、炮弹、导弹、火箭、卫星、飞机等多种物体。电磁发射装置作为电磁能到机械能转化的主体，在实际工作中会面临诸多问题，一直是研究关注的重点。电磁轨道炮发射时输入 MJ级别的电能，出口速度达几千米每秒，其工作条件极为恶劣，材料要经受极大的瞬时电流冲击，易造成轨道的严重烧蚀。研究表明，在弹丸经过的轨道电极表面的烧蚀较为严重。烧蚀后轨道电极表面的形貌主要为弧痕、弧坑以及悬挂在上轨道电极上的滴状颗粒。烧蚀不但严重影响射管寿命，且弹丸前存在附着的金属碎块，可能造成发射的失败。

许多学者对轨道的滑动电弧烧蚀问题进行了深入的研究并取得了突破。在影响机制方面，由于EML过程中电枢与钢轨之间的高速电滑动接触过程中存在磁、温度和应力的多物理场耦合，因此钢轨寿命与复杂耦合系统中各场的相互作用和耦合密切相关。通过实验研究，现有的滑动电弧烧蚀的过渡机制主要有“熔化波”机制、表面高速摩擦磨损机制和“分离电磁力”制等。1990年Parks首次提出了基于速度趋肤效应的“熔化波”机制，但是Parks提出的过渡模型一直有待改进。许多学者为了改进这个模型提出了非理想接触模型、“磁锯效应”模型等。表面高速磨损是过渡到滑动电弧的影响因素之一，在大电流高速度的极限滑动的条件下，界面的摩擦热会急剧加大。当温度超过电枢轨道接触界面承受的极限时，电枢的接触界面产生熔化，使原本的固固接触状态变为固液固接触状态。由于枢轨接触界面金属液化层动态特性的影响，枢轨界面可能因液化层的不稳定而失接触，导致转捩的发生。电磁力的影响主要发生在发射过程后半段，即电流下降时出现。此时由于涡流电流会出现相对导轨向里的电磁力导致电枢与导轨出现间隙，从而形成转捩。

针对目前电磁发射装置中电弧烧蚀对金属材料损伤机制和防护技术的不足，很多学者搭建电磁发射模拟实验平台来研究电弧烧蚀对金属材料损伤机制和防护技术，但是他们给导轨施加初始接触压力时，很多采用电枢尾部留出盈余部分的方法，此方法很大的缺点是不能很好的控制初始接触压力的大小，且寻找最优初始接触压力时很麻烦。

发明内容

本发明的目的在于针对目前的电磁发射模拟实验平台，提供一种可调节电枢-导轨间初始接触压力的装置和实验方法，寻找电磁发射时的最优的电枢-导轨间起初始接触压力，并且测量电枢移动过程中的接触压力变化情况。

本发明的技术方案是：提出一种可调节初始接触压力的电磁发射模拟实验平台及其测量方法，所述电磁发射模拟实验平台包括充电回路、电容器组、电磁发射装置、控制系统和接触压力调节装置组成。

充电回路由交流电源、变压器和整流器组成；交流电源是220V的交流电，交流电源与变压器连接，变压器升压后，经过整流器把交流电变成直流电后经过开关给电容器组充电。

电容器组是多个电容并联组成，每个电容容量为0.8mF，总共3.2mF，可充电到10kV；一端连接充电回路，另一端连接电磁发射装置。

电磁发射装置由长方体形导轨(主材料是铜)，电枢(其材料为铝合金)、电木底板和固定板组成；电木底板要具有一定的厚度，保证与地面的绝缘距离，一般绝缘距离大于2cm，并且其上表面开凹槽；凹槽其长度与长方体形导轨长度一致，宽度与长方体形导轨宽度和压力测量探头宽度之和相等；固定板由电木制成，固定在电木底板上，其位置与凹槽相邻，上面开孔，用于柔性压力传感器导线接入，其数量与压力测量探头的数量一致；

所述固定板，优先采用绝缘材料，例如玻璃或电木等，固定板上部有向前凸出的L型卡钩，防止长方体形导轨在电枢移动过程中变得倾斜；两个长方体形导轨底部平行放置在凹槽里，其上部与固定板的凹槽正好相切；电枢夹在两个长方体形导轨中间，尾部有盈余部分，保证电枢移动时，带接触压力调节装置移动，防止运动过程中脱落。

控制系统由开关a，开关b，时序控制开关和控制台组成；开关a控制充电回路给电容器组充电，开关b和时序控制开关用于电容器组给电磁发射装置放电；时序控制开关可以让电容器组按一定的顺序放电，并且其放电时间间隔可控；控制台由交直流控制台和时序开关控制台组成，分别控制充电回路，开关a，开关b 和时序控制开关。

所述接触压力调节装置，优先采用质量轻，硬度高，绝缘性能好的材料，例如玻璃或电木，接触压力调节装置由放置在电枢尾部中间，且由右调节板，左调节板和调节棒组成；调节棒是形状为台锥体，上面有螺纹，要求螺纹的每一点切线斜率相同。右调节板和左调节板上开一个孔，要求右调节板和左调节板合在一起时孔形状为四棱锥体的；要求台锥体和四棱锥体的母线斜率相同；

接触压力测量模块测量电枢和长方体形导轨之间的接触压力，放在长方体形导轨和固定板之间，由压力测量探头和检测模组组成；压力测量探头由绝缘块和柔性压力传感器组成；

所述绝缘块，优先采用质量轻，硬度高，绝缘性能好的材料，例如玻璃或电木，其作用是，在高压环境下保护压力传感器贴片，并保证柔性压力传感器受力均匀；

本发明还提供测量方法，其步骤为：

1)确认变压器，电容器组可靠接地；检查好充电回路，电容器组、电磁发射装置、控制系统、初始接触压力调节装置和接触压力测量模块；

2)把电枢放在两个长方体形导轨中间；

3)把接触压力调节装置放在电枢尾部中间，并旋转调节棒给电枢-导轨接触面一定的初始压力，并记录此接触压力的值，作为参考接触压力；

4)闭合充电回路开关，用控制台进行加压给电容器组充电，加至所需要的电压；

5)将控制电源降压关闭，并且闭合时序开关，让电容器组对长方体形导轨放电；

6)记录电枢移动过程中接触压力测量模块测得的压力变化和电枢飞出长方体形导轨时的速度；

7)旋转调节棒一定角度，在步骤4的电压下，再进行一次实验，进行4，5，6步骤，把测到的速度与上一次测到的速度进行比较；

8)重复进行实验，直到获得最大速度，此时为最优接触压力；

本发明的有益效果：电磁发射模拟实验平台用来研究电弧烧蚀对金属材料损伤机制和防护技术，但是给电枢和导轨施加初始接触压力时，很多采用电枢尾部留出盈余部分的方法，此方法很大的缺点是不能很好的控制初始接触压力的大小，且寻找最优初始接触压力时比较困难。本发明克服上述困难，提供一种可调节电枢-导轨间接触压力的装置和实验方法，寻找电磁发射时的最优的电枢-导轨间起初始接触压力，并且测量电枢移动过程中的接触压力变化情况。

附图说明

图1为本发明一种可调节初始接触压力的电磁发射模拟实验平台的结构连接关系示意图。

图2为本发明一种可调节初始接触压力的电磁发射模拟实验平台的电力线路连接示意图。

图3为本发明一种可调节初始接触压力的电磁发射模拟实验平台中电磁发射装置结构组成示意图，其中(a)为长方体形导轨、电木底板和固定板(304)的位置、连接关系及结构示意图；(b)为电枢的结构示意图；(c)为电木板上部件位置关系及电木板上的凹槽、固定板上的开孔的结构示意图。

图4为本发明一种可调节初始接触压力的电磁发射模拟实验平台中接触压力调节装置的结构示意图。

图5为初始接触压力调节装置结构示意图，其中(a)为左调节板三视图； (b)为右调节板三视图；(c)为调节棒结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

一种可调节初始接触压力的电磁发射模拟实验平台及其测量方法，电磁发射模拟实验平台其结构图如图1所示，包括充电回路1、电容器组2、电磁发射装置3、控制系统4，接触压力调节装置5和接触压力测量模块6组成；

图2为本发明电力线路连接图，从图中可以看到，充电回路1由交流电源 101、变压器102和整流器103组成；交流电源101是220V的交流电，交流电源110与变压器102连接，经控制系统4控制，经变压器102升压后，经过整流器103把交流电变成直流电后经过开关给电容器组2充电；所述电容器组2是多个电容201并联组成，每个电容201容量为0.8mF，总共3.2mF，可使电压提高到10kV；一端连接充电回路1，另一端连接电磁发射装置3；

电磁发射装置3由长方体形导轨301(主材料铜)，电枢302(其材料为铝合金)，电木底板303和固定板304组成，如图3所示；电木底板303要具有一定的厚度，保证与地面的绝缘距离，并且其上表面开凹槽306；凹槽306其长度与长方体形导轨301长度一致，宽度与长方体形导轨301宽度和压力测量探头 601宽度之和相等；所述固定板304由电木制成，固定在电木底板303上，其位置与凹槽306相邻，上面开孔305，用于柔性压力传感器6012导线接入，其数量与压力测量探头601的数量一致；固定板上部有向前凸出的L型卡钩3041，其作用是防止长方体形导轨301在电枢302移动过程中变得倾斜；两个长方体形导轨301平行放置在凹槽306里，其上部与固定板的L型卡钩3041内侧正好相切；所述电枢302夹在两个长方体形导轨301中间，尾部有盈余部分3021，保证电枢302移动时，带接触压力调节装置5移动；

所述控制系统4由开关a401、开关b402、时序控制开关403和控制台404 组成；开关a401控制充电回路1给电容器组2充电，开关b402和时序控制开关 403用于电容器组2给电磁发射装置3放电；时序控制开关403可以让电容器组 2按一定的顺序放电，并且其放电时间间隔可控；控制台404由交直流控制台和时序开关控制台组成，控制系统控制充电回路1的变压器102和整流器103，时序开关控制台控制开关a401、开关b402和时序控制开关403；

图4为接触压力调节装置图。接触压力调节装置5放在电枢302尾部；由右调节板501，左调节板502和调节棒503组成；调节棒503是形状为台锥体，上面有螺纹，要求螺纹的每一点切线斜率相同；右调节板501和左调节板502上开一个凹槽，要求右调节板501和左调节板502合在一起时形状为四棱锥体的孔，孔壁刻有与调节棒503螺纹切线斜率相同的刻痕，其轮廓与螺纹轮廓相同，且要求台锥体和四棱锥体的母线斜率相同；要求调节棒503面积小的底面的直径大小在四棱锥体两个底面的长度之间，且右调节板501，左调节板502和调节棒503的材料为质量轻，硬度高，绝缘性能好；调节棒503的直径大的那一面上开一个孔，方便用工具把调节棒503拧进右调节板501和左调节板502中间，进行压力调节工作；

接触压力测量模块6测量电枢302和长方体形导轨301之间的接触压力，放在长方体形导轨301和固定板304之间，由压力测量探头601和检测模组602组成；图5为压力测量探头结构图。压力测量探头601由绝缘块6011和柔性压力传感器 6012。

所述测量方法，其实验步骤为：

1)确认充电回路1和电容器组2可靠接地；检查好充电回路1，电容器组 2、电磁发射装置3、控制系统4、初始接触压力调节装置5和接触压力测量模块6；

2)将电磁发射装置3中的电枢302放在长方体形导轨301中间；

3)将接触压力调节装置5放在电枢302中间，使其给电枢与长方体形导轨301 的接触面一定的初始压力，并记录此接触压力的值，作为参考接触压力；

4)闭合充电回路1开关，用控制台404进行加压给电容器组2充电，加至所需要的电压；

5)将充电回路1降压关闭，并且闭合时序开关，让电容器组2对长方体形导轨301放电；

6)记录电枢302移动过程中检测模组602上的压力变化和电枢302飞出长方体形导轨301时的速度；

7)旋转调节棒503一定角度，在步骤4的电压下，再进行一次实验，进行 4，5，6步骤，把测到的速度与上一次测到的速度进行比较；

8)重复进行实验，直到获得最大移动速度，此时为最优接触压力；这样，就可测出电枢移动过程中的接触压力变化情况和，获得最大移动速度时的接触压力。