冲击电压发生器论文（共5篇）
冲击电压发生器论文 篇1
在电力系统中,许多高压电器都受到冲击电压的影响,如电缆附件中用于改善接头和终端电场分布的非线性电介质[1,2]。冲击电压发生器用于模拟高压设备需承受的雷电过电压和操作过电压[3,4]。在进行冲击击穿测试时,被测试样处于冲击发生器与测量电流的电子测量设备之间,隔离了试验区的高压侧与低压侧,以防止设备损坏。冲击电压试验系统是研究纳米复合材料脉冲击穿性能的前提[5,6,7,8,9,10]。但是,多级超高压冲击电压发生器的放电电压在 1 000 kV以上,而纳米复合材料击穿电压只有几十千伏。同时,进行局部放电的小型脉冲电压发生器的放电电压最高只有几千伏,达不到试样击穿电压等级。为满足复合材料薄膜试样冲击电压击穿试验的要求,本文研制了100 kV低储能单级标准雷电波冲击电压发生器。
1基本原理
标准单级冲击电压发生器的电路如图1所示[11]。高压直流电源向储能电容C1充电。待充电结束后,触发火花开关G。电阻与电容之间的参数决定了输出端的波形。为保证输出波形不受到试样电容的影响,通常选用电容值较大的负载。纳米复合材料试样的电容值约为10～20 pF,本文选用容量为 1 000 pF电容分压器作为负载C2,保证了试样对输出波形的影响可忽略不计[12,13,14]。
2主回路参数计算及仿真
经计算,波前电阻为520 Ω,波尾电阻为715 Ω。确定了元件参数后,采用Tina Pro软件对放电回路进行仿真,仿真原理如图2所示,其中C1是带电电容,两端电压100 kV,C2两端输出仿真波形如图3所示。
从图3可以看到,当t=2 μs时,波形达到峰值Um=97.5 kV;当电压上升至0.9Um=87.75 kV时,所对应的时间恰好为1.2 μs。在电压下降至0.5Um=48.75 kV时,对应时间为51.54 μs。
3系统构成与元件选取
冲击电压发生装置系统构成如图4所示。
T-试验变压器,R-保护电阻,R1—波前电阻,R2—波尾电阻,C1—储能电容,C2—负载电容(分压器)
1) 保护电阻。考虑到,充电时间T充=15RC,其中R是充电保护电阻,C1是主电容。现要求15 s主电容充电完毕,由C1=10 000 pF,可知R=10 MΩ。在确定充电保护电阻阻值后,还需计算出所选电阻的功率,计算方法如下:
设变压器输出电压为
其中,ω为交流电压角频率。设电压有效值为100 kV。高压硅堆视为二极管半波整流, 则整流后电压有效值U约为45 kV。
对于RC充电回路而言,取R=107 Ω,C1=0.1 μF,ω=2πf=314 rad/s,可求得流过保护电阻电流的有效值为
从而可求得电阻功率为
故可选择电压等级100 kV,阻值为10 MΩ,功率350 W的大功率高压电阻。
2) 高压硅堆。考虑到缩短充电时间,充电变压器经常提高10%的电压,因此硅堆的反峰值电压
Ur=100 kV×1.1+100 kV=210 kV。
由于充电保护电阻阻值较大,故通过高压硅堆的电流相当小,因此当整流高压硅堆由两只型号为2CL 120 kV-0.1 A的高压硅堆串联组成,两端可承受120 kV交流电压,可通过最大电流为0.1 A,完全可以满足试验要求。
3) 波前电阻和波尾电阻。波前/波尾电阻按无感绕法绕制而成,按照W=0.5CU2计算,当冲击发生器放电电压达到100 kV时,电容C1存储能量仅为500 J,这部分能量不会引起电阻丝过热,所以选用普通规格康铜丝绕制即可达到本设计要求。此外,为调节波前时间,考虑到杂散电容和回路电感对波形产生的影响,将波前电阻设计为在370～520 Ω之间可调。
4) 主电容与负载电容-分压器的选取。选取MMJ 100-0.1的脉冲电容器作为储能电容C1,电容器耐压100 kV,电容量为0.1 μF。我们选用PDC-100弱阻尼电容分压器负载电容C2,该分压器电容值为 1 000 pF,耐压100 kV,经由标准电阻分压器校对后,确定该电容分压器的分压比为505.2∶1。该分压器不仅作为冲击发生器的负载部分,而且还将冲击电压信号衰减通过同轴电缆传递给示波器,起到充当负载和分压器的双重作用。
4点火装置
高压放电试验电路中,一般使用的触发装置是球隙开关[15]。球隙开关的结构如图5所示。当给点火电极施加与对面球电极极性相反的点火脉冲时,点火电极和接地球之间先引起沿绝缘管表面的沿面放电,然后引起与对面球电极之间的电场分布的畸变,从而使球间隙击穿。
本文设计的单脉冲点火装置,如图6所示。利用升压电路将12 V直流电压提升到140 V左右的直流电压,以使点火变压器得到合适的电压,输出脉冲电压峰值可达15 kV。利用一款单片机组成的简单电路来控制点火脉冲的触发信号,在程序中不停地检测按钮状态,一旦检测到可靠的按钮按下,在按钮抬起时提供一个触发脉冲以产生一个点火火花,同时发光二极管闪亮一次以指示。
5结束语
综上所述,本文设计完成了100 kV低储能冲击电压发生器,通过理论计算与仿真相结合确定了冲击低压发生器的主要参数。经实测后,所搭建的冲击电压发生器的波头及波尾时间复合标准雷电波的要求,满足了薄膜试样冲击击穿试验的需要。
摘要：冲击电压试验系统是研究纳米复合材料电击穿性能的前提,冲击电压发生器是试验系统的核心装置。一般来说,多级超高压冲击电压发生器的放电电压高于1 000 kV,进行局部放电的小型脉冲发生器的放电电压低于10 kV,而纳米复合材料击穿电压大约在100 kV。因此,为适应高压设备投运前试验需求,研制了100 kV低储能单级冲击发生器,介绍了其工作原理。通过仿真计算,确定了冲击低压发生器主回路元件参数。经实测,该单级冲击发生器能够满足标准雷电波要求。
关键词：发生器,三电极场畸变点火球隙开关,纳米复合材料,击穿性能
冲击电压发生器论文 篇2
上个世纪60年代, 俄罗斯已经开始致力于电气破岩技术的研究。70年代, 俄罗斯托姆斯克理工大学高电压技术研究所首先发现在固体脆性材料 (混凝土、岩石、陶瓷等) 内部高压放电击穿产生冲击波造成材料破坏的物理现象。该发现受到了莫斯科科学院和美国NASA (美国航天宇航局) 的重视, 先后开展了多项研究。高压脉冲放电破坏的原理实质是利用高压放电在材料内部发生电击穿产生导电通道, 随着能量的集聚导电通道的温度快速上升又会产生等离子体孔道, 高温高压的等离子会在孔道周围产生强大的压力波, 这个压力波最终导致材料的破坏。通过对混凝土材料的物理性质分析可知, 混凝土材料导热性较差并且其内部会有不规则的缺陷 (气隙、裂痕、杂质) , 而等离子体具有很大的内能。如果在脆性材料内部产生等离子体就会使其发生破坏[1]。而试品发生内部击穿的条件是自身击穿电压小于外部施加电压, 这就意味着试品内部的电场强度已经高于其击穿电压, 而在试品外部环境中电场强度还没有达到击穿电压的最大值。例如将试品至于空气中冲击电压发生器的两个电极连接到试品, 当放电脉冲到来时由于空气的击穿场强远远要低于试品的击穿场强, 这样就会在空气中放电击穿能量全部被损耗。这一点可以通过将物体放置于击穿场强较高的液体里来实现。另一个办法是将试品至于去离子水中进行放电试验, 这是由于液体和固体介质的击穿场强不同所导致, 液体的耐压强度随着电压脉冲的上升时间缩短而迅速提高, 当电压的上升时间很短时, 水的击穿场强高于固体的击穿场强[2]。
1 实验系统
实验使用的冲击电压发生器为6级MARX结构如图1。
发生器每级使用2个耐压25kV容量为1uF的聚乙烯薄膜电容并联作为储能元件, 为了使延长电容的使用寿命冲击电压发生器的输出电压不得高于120kV。通过调节波前电阻和波尾电阻能调节输出电压的上升速率, 通过储能电容和输出电压可以计算出发生器的能量[3,4]。
式中电容为2uF, 电压为120kV计算功率为2.4kJ。通过调节波前电阻波尾电阻使发生器的上升时间小于214ns, 这时电压上升速率为560v/ns在这个速率下液体的击穿场强高于固体的击穿场强, 发生器输出的电压脉冲能先在混凝土中产生击穿[5]。
实验中采用的放电装置如图2所示, 系统包括隔离变压器、直流充电电源、脉冲电压发生器、高压测试表、罗果夫斯基线圈、高压分压器及示波器等。
2 混凝土厚度与击穿场强的关系
将混凝土试验试品置于放电测试载物台上调节发生器输出的电压, 使用示波器记录放电击穿波形。从记录的波形可以看出, 当混凝土试品发生击穿与未发生击穿时所产生的放电波形不同如图3所示。
图中3 (a) 所示波形为发生击穿时产生的放电波形, 当试品发生击穿时高陡峭的电压上升时间内, 首先会有一个短时间的电压回落过程, 这个过程即为试品击穿并产生导电通道的过程, 导电通道形成后大量的能量积聚在导电通道中, 这在放电波形中体现为电流的快速上升。图3 (b) 为未发生击穿时产生的电压波形较平缓, 电流波形也没有快速上升的过程。
通过对不同厚度的试品进行击穿测试发现击穿是一个随机的过程, 这个随机性取决于很多因素如试品的几何形状、发生器输出电压及液体的电导率等。相同厚度的试品在同电压下并不是每次都会发生击穿, 为了研究混凝土试品的击穿电场强度与厚度的关系, 需要使用形状大小相同厚度分别为5mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm的混凝土试品各6块分成7组进行。将试品放于放电测试台上, 调节放电电极将试品夹紧后浸入去离子水中。通过调节冲击电压发生器的级数及火花开关的距离来调节发生器的输出电压, 首先输出较小的电压, 这时混凝土一般不会击穿, 继续调输出电压直到混凝土能发生击穿后, 记录此时的输出电压。每组实验产生5个数据, 通过对7组试品进行放电试验得到如下数据见表1。
通过表1中数据计算不同厚度混凝土的平均击穿电场强度。通过图4可以看出混凝土击穿电场强度随厚度变化的关系曲线。
通过分析试验数据发现击穿平均场强随着试品厚度的增大而逐渐降低, 这是由于随着厚度的增加材料内部存在的微观和宏观缺陷的概率将增加这导致材料的耐压强度降低。
3 使用不同电极产生的破坏效果分析
利用脉冲放电对固相脆性材料进行破碎时通常由于破碎的目的不同而采取不同的破碎方法, 这时就要使用不同的电极。试验发现以混凝土块为例, 在相同的放电电压下尖形电极比板电极更容易发生击穿现象, 随着板电极面积的增大击穿概率逐渐降低而破坏的程度有增大的趋势。通过对混凝土块的物理状态和组成成分进行分析, 混凝土块组成成分性质最不均匀, 其内部具有颗粒状的杂质并伴随着细微裂痕。由于不同材质具有不同的介电常数, 这使材料的内部的电场不均匀, 放电过程中放电通道通常会选择在电场不均匀处。当使用尖状电极放电发生击穿时放电相对电极面积较小, 放电电极间形成的场强较高因而击穿概率较大。但由于混凝土块的内部杂质和裂痕并不是均匀的所以放电时放电通道不能选择最优路径, 因而破坏程度具有一定的离散性。而当使用板电极时由于电极面积较大发生击穿时放电通道周围的裂痕和杂质较多, 这些细微裂痕由于压力差的作用, 使放电通道内的压力会进入裂痕使其内壁上产生较大的压强, 这就造成了裂痕的扩张进而形成较大面积破坏。
可见使用冲击电压发生器产生电压脉冲进行对脆性材料的破坏过程中, 放电电极的形状对破坏效果有着很大的影响, 在不同破坏要求下应选择合适的电极类型。使用图5中两侧放置的电极放电后将会在背侧试品中产生孔状的击穿现象, 这种电极结构可以进行对绝缘材料的耐压评估。通过使用图6所示的嵌入板电极放电后含有金属部件的混凝土试品中, 金属结构与混凝土发生分离, 放电试验中使用的金属骨架明显的裸露出来。这种电极结构可用于带有钢筋的混凝土建筑物的拆除, 拆除过程可以将发生器的接地电极连接在混凝土中的钢筋骨架上, 通过使用发生器的高压电极在混凝土建筑将要拆除的位置进行放电破坏。
4 结语
通过利用冲击电压发生器产生的高压放电脉冲对混凝土试品进行放电研究得出以下结论:
(1) 通过放电击穿试验, 导电通道的形成过程伴随着电流的快速上升。
(2) 在对混凝土试品进行放电击穿试验时发现混凝土的击穿场强随着混凝土的厚度增加而降低。
(3) 在使用不同的放电电极对混凝土进行放电破坏获得了不同的破坏效果。
参考文献
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[3]刘锡三.高功率脉冲技术[M].北京:国防工业出版社, 2007, 5:5-9
[4]陈世和, 麻胜荣, 邹文洁.等离子技术在矿山中的应用[J].铀矿冶, 2006 (11) :173-175
冲击电压发生器论文 篇3
1 冲击过电压引起的护层感应电压分析
当电缆的线路受到操作过电压或者雷击电压的冲击后, 感应电压会在护套上形成, 护层绝缘容易被击穿, 因此就要分析造成护层过电压的元婴, 以便采取相应的防护措施。
1) 多根导线上的行波分析
电缆可以分为金属护套, 线芯和大地三导线系统, 为此就要分析探讨多根导线上的行波, 单根导线的原理对于任意n根平行导线的线路同样有效, 这时就要考虑n根导线上的互波阻抗。0、1、2三个数字代表电缆的护套, 线芯和大地, 线芯和护套可以作为同轴导线, 金属护套和大地为另一个同轴导线, 金属护套可以作为参考零电位, 因为在一般情况下可以忽视金属护套的电阻, 电压是高频波, 与此同时, 金属护套抱住电缆的线芯, 所以金属护套可以屏蔽线芯, 这里应该注意的是, 护套对地电压大体上相等, 但是在不接地的护套断连接点上, 护套之间的电压几乎是对地电压的一倍左右, 在处理除了护套交叉互联的电缆线路外, 是不可以使用护套断连又不接地的方式。
2) 参数的计算
Z1/Z2比:Z1代表电缆线芯对金属护套的波阻, 它主要受到电缆结构的尺寸, 所以他的计算值是相对较为可靠。Z2代表金属护套对大地的波阻, 它主要与大点电阻率相关, 它的计算只有大地电阻率较小时才能依据电缆的结构尺寸计算Z2。如果电缆周围煤质是不良导体比如在空气中铺设, 只能用金属导体作为回路, 这时应该计算平行导线Zm代替Z2, Zm的值是40Ω, 在计算护套电压的准确度主要由Z2, 的值决定。
v1/v2比:当过电压波在线芯和金属护套之间通过, 它的波速v 1与线芯绝缘体的介电常数ε的平方根成正比, 油纸绝缘的ε是3.5, 由此还可以算出煤气波速v2受到大地电阻率的影响, 并且当过电压波在线芯和金属护套之间进行时, 当大地电阻率等于零时, 行波才在金属护套的绝缘外户层内传导, 也可用金属护套的护层介电常数ε'进行计算, ε'在2~6之间, 如果大地是半导体和非导体时, 有一些行波是在金属护套的绝缘外护层没传播的, 剩余的一部分在大地中传播, 大地的接地常数是4~80之间, 所以v1/v2的比应在0.75~4.8之内, 它可以影响护套过电压的准确度。
衰减系数:行波在线芯和金属护套中传播的衰减会相对比较小, 可以不计在内, 但是如果在护套和大地之间传播的话它的衰减就会比较大, 当计算时, 设定波幅油衰减, 但是波形不畸变, 与实际状况不同, 过电压的准确性会受到影响。从上面可以看到, 我们只有在实际测试后, 以得到更准确Z 2, V2和衰减系数, 这些实测值并不具备通用性只是限制于实测值。
2 电缆线路的改造
可以采用110k V电缆作为列子, 以便说明电缆金属护层感应电压, 在实际的应用中的影响。在目前的电网运行中, 一般城市都采用单台主变容量是5万k VA得110k V的变压器, 变电站一般有两个或更多的变压器。因此, 本文采用了YJLW03-1x630mm2-64/110k V电压等级的单回路电力电缆作为研究列子, 这主要是考虑到了线路故障发生时, 一线带两变实施线路输电的情况, 在此条件下, 电缆的每相负载电流时I=500A, 电缆中心轴间距离是S=250mm, 电缆护层平均直径是D S=77.8mm, 三相回路由三根单芯电缆, 线路可以用等边三角形铺设, 同时也可以用直线铺设, 这些计算可以在平衡负载条件下实施。如果电缆长那么护层感应电压就会很高, 如果发生短路事故, 感应电压的数值就会有103数量级, 因此, 可以采用金属护层交叉换位的方法, 来铺设长线路电缆, 进而消除电缆金属护层对线路安全和人身安全的影响, 保证电网安全的运行。110k V电缆敷设, 长度各不相同, 即使是正三角形铺设的状态下, 在金属护层的两端也会形成一定的电势差。这将在金属护层中形成感应电压造成的环流损耗, 直线或者其他形式的铺设都会形成更大的损耗。因此, 高压单芯电缆在实施电气设计时, 一定要考虑金属护层感应电压的影响, 确保线路可靠安全的运行, 在改接电缆线路后, 此时可以使用连接电感达到增加电缆金属护层感应电压, 考虑到上述条件, 在改造开发电缆线路后, 如果原长度大于第三段长度时可以通过第三段电缆护层上连接电感实施补偿, 这样三段电缆的电感几乎相同, 三相电压也可以达到平衡, 由此可以减小电缆护层中的环流。电缆的造价比电感的造价便宜很多, 同时还可以不受到铺设条件的影响。
3 结论
由于电力工业的不断发展, 电缆线路的改造也是越来越多, 电缆护层过电压的影响得到了业内不少人士的关注, 当前要解决的问题是研究过电压, 以及怎样减少和降低护层电压的影响。本文分析了电缆金属护层感应电压, 提出了在电缆金属护层的末端连接电感进行电压补偿的方法, 可有效地减小由于金属护层感应电压不平衡所造成的影响。
参考文献
[1]王亚兵.变电所进线单芯35kV交联聚乙烯绝缘电缆护层过电压的计算和保护[J].电线电缆, 2004, 4.
[2]郑晓泉, 阎春雨, 孙希斌, 等.高压XLPE电缆护层绝缘故障及检测技术[J].电线电缆, 2004, 8.
冲击电压发生器论文 篇4
随着电力事业的发展,电力设备的局部放电检测技术已经日益成熟[1,2,3,4,5],工频耐压下局部放电诊断技术已经进行了大量研究[6,7,8]。然而,随着电压等级的提高,冲击电压试验更能够反映电气设备绝缘状态的好坏,局部放电检测灵敏度高,因此,在冲击电压下进行局部放电检测更能够准确反映电力设备的绝缘故障。
冲击电压下电压本身上升时间非常短,一般为微秒级,使局部放电测量变得异常复杂,国内外很多学者对冲击下局部放电进行了研究[9,10,11,12,13],也取得了一定成果,然而,冲击电压下局部放电检测应用于实际现场还存在很多问题亟待解决,需要进一步研究冲击电压下局部放电机理和特征。为此,搭建了冲击电压下局部放电试验平台,并通过超声波(AE)、高频电流(HFCT) 和超高频(UHF) 对冲击电压下局部放电进行检测,列出特征波形,对其有效性进行研究。
1 冲击电压下局部放电检测装置
1.1 工作原理
冲击电压下局部放电检测装置采用集中式测控设计方案,由冲击电压发生装置、典型缺陷模型、局部放电检测系统和测控系统四部分组成,工作原理如图1 所示,测控系统控制冲击电压发生器产生标准冲击电压,并作用于缺陷试品,局部放电检测系统对缺陷模型产生的放电信号检测分析。
1.2 冲击电压发生器
冲击电压发生器采用马克思(Marx) 回路实现,是产生冲击电压的装置,结构如图2 所示。
冲击电压发生器由恒流源、充电装置、冲击本体和电容分压器四部分组成,冲击电压发生器在国内技术已经成熟。根据试验要求,搭建了标称电压为300 k V的冲击电压发生装置,元件参数见表1。
1.3 局放测量工作原理
局部放电检测是研究冲击电压下试品绝缘缺陷的重要手段。常规局部放电检测由传感器、信号处理模块和局放检测仪三部分组成。工作原理如图3所示,传感器采集绝缘缺陷模型在冲击电压下产生的放电信号,并通过信号处理模块进行放大滤波,然后交由局放检测仪进行数字化分析和处理。
1.4 局放检测方法
冲击电压下局部放电检测方法的选择主要考虑两点:(1) 抗干扰能力;(2) 适用于现场应用。
冲击电压下电压本身上升时间非常短,一般为微秒级,而基于马克思(Marx) 回路的冲击电压发生器,通过球隙放电击穿产生冲击电压波形,会引入球隙放电干扰信号,为此局部放电检测方法需要根据实际情况考虑:(1) 常规脉冲电流检测法测量频率较低,带宽窄,现场抗干扰能力差,而且如果试验时发生放电击穿,反击电压大,难以应用于实际现场;(2) 光学法检测能够有效克服源引入的干扰,但光学仪器昂贵、灵敏度低且需要被测设备对光透明;(3) 超声波(AE)、高频电流(HFCT) 和超高频(UHF) 检测法,传感器布置方便,已用于工频耐压试验现场。
综上所述,对超声波(AE)、高频电流(HFCT)和超高频(UHF) 检测方法在冲击电压下的局部放电信号提取有效性进行研究。
2 试品及测量系统
2.1 试验试品
油纸气隙绝缘模型如图4 所示,模型由3 层绝缘纸板搭接而成,上下两层平面尺寸均为边长100 mm的正方形,绝缘纸板厚度为3 mm,中间层平面尺寸边长20 mm×100 mm的长方形2 块,绝缘纸板厚度为2 mm,上下绝缘纸板通过中间绝缘纸板搭接在一起。
2.2 测量系统
油纸气隙绝缘模型在不同冲击电压下进行局部放电检测试验,不同冲击波形对应装置参数设置如表2 所示,表中Rf为波头电阻;Rt为波尾电阻;Rf1为外波头电阻;L为振荡电感。
PD测量系统中示波器采用DPO-7254,示波器各连接通道连接情况如图5 所示:CH1 为HFCT原始信号;CH2 为AE放大滤波后信号;CH3 为UHF检波后信号;CH4 为分压器输出冲击电压波形。
3 局部放电测量
3.1 试验方法
为了验证冲击电压下三种检测方法的有效性,试验采用负极性雷电冲击电压波形作用于同一缺陷模型。为了避免偶然性和分散性,试验在同一天完成,冲击试验间隔不少于3 min,截取典型波形。
为了验证干扰信号对测量方法的影响,调整冲击电压幅值,获取同一冲击波形的无局部放电波形图和有局部放电信号波形图,分析三种检测方法对源干扰和局放信号的分辨能力。
3.2 试验结果分析
图6 分别为雷电冲击电压下局部放电检测典型波形图,图6 a) 为未发生局部放电典型波形,雷电冲击电压幅值为-39.83 k V ;图6 b) 为发生局部放电典型电波,雷电冲击电压幅值为-50.83 k V,以放电时刻为零时刻。图6 a) 检测信号集中在0 ~10μs,且10μs后无重复出现,图6 b) 检测信号扩展到0 ~ 40μs,有很明显的局放信号。
通过对雷电冲击电压下局部放电检测波形的分析可得:(1) 雷电冲击电压下,冲击电压作用时间非常短,以至于触发信号和局部放电信号几乎同时发生,UHF检波信号和AE信号无法区分触发信号和局部放电信号。HFCT也受干扰,但还是能捕捉到局部放电信号。(2) 脉冲触发信号对HFCT、AE和UHF的局部放电检测都会产生较大干扰。脉冲触发瞬间三种检测方法都接收到较强的球隙触发信号。(3) 雷电冲击波形下,HFCT能够检测出局部放电信号,但干扰影响较大。(4) 雷电冲击波形下,AE无法明显分辨脉冲触发信号和缺陷模型局部放电信号,UHF检波信号不能检测局放信号。
4 结语
冲击电压发生器论文 篇5
在机械、航空等领域中存在着各种冲击,产品的抗冲击性能是反映其质量和可靠性的重要指标。随着人们对产品精度可靠性要求的提高,以及航空航天等行业发展的需要,产品的抗冲击性能越来越受到重视,与之相应的冲击机也在不断发展。力脉冲发生器是冲击机的关键部件,力脉冲发生器以冲击脉冲力的形式向被冲击体施加载荷,冲击脉冲力的关键参数是冲击脉冲峰值和冲击脉宽。然而目前广泛使用的力脉冲发生器所能提供的冲击脉冲主要受其冲头内的填充材料决定。一般情况下,冲头采用单一材料填充,如橡胶、毡垫、铅等。由于冲头材料的单一性,从而使冲击脉冲峰值和脉宽调节范围具有局限性。而在对冲击脉冲峰值和脉宽调节范围较大的情况,使用单一材料填充作为冲头的力脉冲发生器很难满足加载条件。本文以组合材料组成的冲头为研究对象,通过实验法确定组合材料冲头对冲击脉冲的调节能力,提出一种增大力脉冲发生器冲击脉冲调节范围的有效方法。
1 冲击实验
在冲头材料和形状及其他加载参数不变的情况下,为实现减小冲击脉冲峰值增大脉宽的要求,将由单一材料制成的冲头更换为由金属材料和高分子材料组成的组合式冲头。为确定该方法的可行性和实现方法,以组合冲头为试件进行了冲击实验。
1.1 实验装置和测量方法
实验目的在于研究两种不同材料组合而成的组合冲头试件所形成的冲击脉冲,以脉冲力峰值、脉宽和冲量3个参数为目标分析冲击脉冲变化情况。冲击实验中,改变高分子材料力学性能及其轴向尺寸,分析这2个因素对冲击脉冲的影响。
实验设备、测量仪器包括SSH-5冲击实验机、9683A力传感器、GX-1高速摄像机、PXI4472B数据卡。实验中,组合冲头与力传感器的安装如图1所示。金属材料与紧固螺钉通过螺纹联接,而高分子材料中间为通孔,其被金属材料压紧在力传感器上。实验时,金属材料受冲击锤作用向下压迫高分子材料,冲击过程中金属材料的变形量极小,且远远小于高分子材料。实验中忽略金属材料的变形量,认为冲击过程中的变形均发生在高分子材料上。
本实验中,金属材料为45钢,其形状为头部球状底部圆柱形。高分子材料分别为3种聚氨酯橡胶,聚氨酯橡胶材料在工程上以标准尺寸条件下的HA硬度表示材料力学特性,文中也以HA硬度表示其材料特性。实验中的聚氨酯橡胶材料HA硬度分别为60、80、90。其形状为圆环状,高度分别为5和10mm。图2所示为聚氨酯橡胶试件,图中从左至右,聚氨酯HA硬度分别为60、80、90。
1.2 实验
对组合冲头试件进行了不同冲击速度条件下的冲击实验,得到冲击脉冲曲线如图3所示。由图可知,脉冲曲线为半正弦波,冲击脉冲峰值与冲击速度成正比。HA60组合试件冲击脉宽与冲击速度成反比。当冲击速度大于1m/s时,厚度10mm硬度HA80的组合试件上的冲击脉宽基本相同,冲击速度对脉宽的影响较小。对HA90组合试件,冲击脉宽与冲击速度成反比。高分子材料硬度增大,脉冲曲线的波动性增大,随高分子材料厚度增大曲线波动性也增大。将组合试件视为一个由高分子材料和金属材料组成的二自由度振动系统,高分子材料与金属材料弹性模量相差越大,该系统的振动幅度越小,表现为脉冲曲线的波动性越小。随着高分子材料硬度的增大其弹性模量增大,组合试件中两元件的弹性模量愈加接近,系统振动幅度增大。由于振幅较大,在冲击过程的恢复阶段,冲击力峰值越小则脉宽也越小。此时,冲击脉宽与冲击脉冲力一样随冲击速度增大而增大,如图3(e)和3(f)。随高分子材料硬度的增大,冲击脉冲峰值增大,冲击脉宽减小。同时,随高分子材料厚度增大,冲击过程中其变形量增加,脉冲峰值减小脉宽增大。
图4给出了冲击速度与冲击冲量的关系,两者间基本呈线性关系变化,冲击冲量与冲击速度成正比。该直线的斜率与高分子元件的材料、厚度有关。随高分子元件厚度增大,其变形量增大冲击作用时间延长,冲击冲量增大。高分子材料硬度从HA60增加到HA80,冲击冲量-冲击速度曲线斜率增长幅度较大,两种曲线较为离散。高分子材料硬度从HA80增大到HA90时,曲线斜率略为减小,HA90的曲线位于HA80曲线下方。其中,10mm的HA90高分子元件对应的冲量-冲击速度曲线与5mm的HA80曲线基本重合。冲击冲量先随高分子材料硬度增大而增大,随后又随其增大而略为减小。通过实验所得的冲量-冲击速度直线,可方便地估算不同冲击速度对应的冲击冲量。
2 冲击脉冲的调节
如图5所示,冲击脉冲峰值-冲击速度曲线近似于直线,脉冲峰值与冲击速度成正比,随高分子材料硬度增大该直线斜率增大。由图6可知,冲击脉宽-冲击速度曲线也近似于直线,随高分子材料硬度的增大脉宽减小,但曲线的变化规律有所不同。材料HA60和5mm的HA80对应的脉宽-冲击速度直线斜率小于零,按单调递减规律变化。而当材料硬度增大时,10mm的HA80和HA90对应的脉宽-冲击速度直线斜率变为略大于零。这与组合冲头试件所形成的二自由度振动系统中材料的特性和尺寸、结构等因素有关。冲击冲量随材料硬度增大而略有减小。
相同冲击速度变化条件下,随着高分子材料硬度的增大,冲击脉冲峰值变化幅度增大。总体上,冲击脉宽随高分子材料硬度增大而减小,其随冲击速度变化的变化幅度相应减小。随高分子材料硬度的增大,由于冲量-速度曲线斜率减小,冲量随速度的变化幅度略为减小。
高分子元件的厚度对冲击脉冲也具有调节作用。随着高分子元件厚度的增加,其在冲击过程中的允许变形量增大,脉冲峰值-冲击速度直线的斜率减小,峰值随厚度的增加而减小。随高分子元件厚度的增加冲击脉宽减小,同时高分子材料硬度越低脉宽对厚度的变化越敏感,在图6中表现为高分子材料相同的5mm和10mm两条脉宽-冲击速度直线相距越远。由图5和图6中脉冲峰值和脉宽的变化规律可认为,相同材料的高分子元件随其厚度的增加硬度减小,即材料相同的10mm高分子元件硬度小于5mm胶垫。随高分子元件厚度增加,相同冲击速度条件下产生的冲击冲量增大。
高分子元件厚度增加,脉冲峰值减小的同时引起冲击速度对冲击脉冲峰值调节范围减小。冲击脉宽随高分子元件厚度增加而增大,冲击速度对其调节范围也相应增大。由冲击冲量-速度曲线可知,高分子元件厚度增加直线斜率基本相等,则冲击速度对冲击冲量的调节范围保持不变。
由以上分析可知,在冲头材料、冲击速度和冲击质量确定的情况下,可通过在冲头底部添加不同硬度和尺寸材料的方法实现冲击脉冲峰值、脉宽和冲量的调节。作者通过其它实验数据已知,在冲击速度为从1m/s增加到2m/s范围时:使用本冲击实验中的钢制试件单独进行冲击实验时,其所得冲击脉冲峰值50-140kN,脉宽0.8-0.7ms;使用与本实验中的钢制试件尺寸形状完全相同的聚氨酯材料进行冲击实验时,其所得冲击脉冲峰值约为3-9kN,脉宽约21-19ms。在使用单一材料作为冲头时,冲击脉冲峰值和脉宽的调节范围较小,而通过使用组合式冲头,可实现冲击脉冲的调节范围3-140 kN,脉宽21-0.7ms,调节范围明显增大。
3 组合冲头式力脉冲发生器
在冲击速度和质量确定的情况下,冲击脉冲力主要靠力脉冲发生器进行调节。根据组合冲头试件的冲击实验结果,在冲头材料和冲击速度和冲击质量等条件确定的情况下,为增大冲击脉冲的调节范围,可将力脉冲发生器中单一材料的冲头更改为组合式冲头。
在冲击速度确定且较大的条件下,如要求冲击脉冲峰值较小,脉宽较大时,可令组合式冲头中的高分子材料硬度较小。相同条件下,如需脉冲峰值进一步减小、脉宽继续增大时,可使用厚度较大的相同高分子材料。当要求脉冲峰值减小幅度较小,脉宽增长幅度较小时,可使高分子材料硬度、厚度均取较小值。反之,当冲击速度较低,却要求脉冲峰值较大、脉宽较小时,取高分子材料硬度大、厚度小,甚至可不使用高分子材料,直接使用金属冲头。
4 结论
本文进行了组合式冲头的冲击实验,组合冲头由金属材料和高分子材料组成。由实验结果可知,通过在力脉冲发生器中使用由金属和高分子材料构成的组合式冲头,可大幅度增大力脉冲发生器对冲击脉冲力的调节范围,为提高力脉冲发生器对冲击脉冲的调节能力提出了一种切实可行的方法。实验发现:
1)高分子材料对冲击脉冲的影响:高分子材料硬度(聚氨酯材料工程上一般以标准尺寸材料的硬度表征其力学特性)正比于冲击脉冲力峰值,反比于冲击脉冲宽度;冲击脉冲力峰值-冲击速度曲线近似于直线,其斜率正比于高分子材料硬度;冲击冲量随高分子材料硬度增大略为减小。
2)高分子元件厚度对冲击脉冲的影响:高分子元件厚度增加,引起冲击脉冲力峰值减小,冲击脉宽和冲击冲量增大。
3)金属材料形状对冲击脉冲的影响:金属材料形状从球状变为圆柱状,冲击脉冲力峰值力增大,冲击脉宽略为减小,冲击冲量小幅增大。
参考文献
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