一种测试镁合金燃烧风险性的试验系统与方法技术方案

本发明专利技术属于镁合金应用技术领域，涉及一种测试镁合金燃烧风险性的试验系统与方法。试验系统包括火焰燃烧测试单元、气流调节装置和图像和数据采集单元。火焰燃烧测试单元以可燃气体为燃料，燃烧器喷嘴端口安装的热流密度计可检测火焰热流密度，提供气流冲刷和火焰加热环境条件；图像和数据采集单元实现对燃烧行为全过程的图像采集；通过气流调节装置提供模拟环境的气流；热电偶、温度数据记录仪和称重传感器组成的数据采集装置能够完成对样品温度和质量的实时测量。本发明专利技术可以模拟真实工况下镁合金燃烧发生、扩展和熄灭的全过程，实现对镁合金及带涂层样件燃烧风险性的快速评估，有助于揭示镁合金燃烧行为及制定防火措施。

【技术实现步骤摘要】
一种测试镁合金燃烧风险性的试验系统与方法
本专利技术属于镁合金应用
，涉及一种测试镁合金燃烧风险性的试验系统与方法。
技术介绍
镁合金具有密度小、比强度和比刚度高以及电磁屏蔽性能好等优点，在航空航天、轨道交通、汽车等领域有广阔的应用前景，尤其是在航空飞行器中采用镁合金制造的零部件能够极大减轻飞行器重量，提升机动性能，降低油耗。然而，由于镁与氧气的亲和力较强，氧化生成热和燃烧生成热较高的特性，在受到高温燃气冲刷或以镁屑形式存在等特殊条件下有起火燃烧的风险，并且，一旦镁合金发生燃烧，即使热源被清除，镁合金火灾仍然难以自行熄灭，尤其是用于航空领域的灭火剂中，当前还没有能够有效扑灭镁合金火灾的灭火剂，此外，镁合金在轨道交通、汽车等工业领域上也面临着类似的问题，从而在一定程度上限制了镁合金的应用。目前用于评估镁合金燃烧风险性的方法一般是将块状或者圆棒状的镁合金放入电炉或者电阻炉内加热，用肉眼观察并记录镁合金试样表面形貌和温度变化情况，将观察到镁合金出现燃烧时的温度作为点燃温度，用点燃温度来衡量燃烧风险性。但此类方法测量效率和重复度都很低，实用性不强，且更为重要的是，此类装置的实验环境条件与镁合金实际应用中发生燃烧的环境条件尚有一定差异，因此，难以保证镁合金应用的安全有效性。其它试验装置，例如热重分析仪、差热扫描量热仪等仪器生产成本高、维护保养困难，且只适用于粉末状或者极小尺寸试样，而全尺寸火焰模拟虽然能够真实模拟环境条件，但存在实验成本高，试样周期长等局限性。因此，专利技术一种更加简单、准确、高效且较为安全的试验系统与方法来测试镁合金燃烧风险性是非常必要的。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术的不足提供一种测试镁合金燃烧风险性的试验系统与方法，并对燃烧产物进行采集分析，以及对燃烧过程中镁合金的温度和质量进行测试，提高了材料燃烧风险性测试的效率和准确性，为研究镁合金燃烧行为提供数据依据。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种测试镁合金燃烧风险性的试验系统，所述试验系统包括：火焰燃烧测试单元，用于对试样燃烧行为提供实验腔室，加热热源，并可控制加热温度和火焰热流密度；气流调节装置，用于对试样燃烧行为全过程进行供气，并控制熄灭火焰；图像和数据采集单元，用于对试样燃烧行为全过程的图像和全过程的实验数据，图像数据进行采集，通过计算得到评估结果。进一步，所述火焰燃烧测试单元包括火焰燃烧装置、滑动导轨和测试仓；所述火焰燃烧装置通过滑动导轨安在所述测试仓上，所述测试仓上设有用于放置试样和采集图像数据的观察窗，所述气流调节装置设置在所述测试仓的两侧，并与所述测试仓内部联通，所述数据采集装置设置在所述测试仓的外部，通过数据线与所述测试仓内部连接。进一步，所述火焰燃烧装置包括燃烧控制器、燃烧器喷嘴和热流密度计；其中，所述燃烧控制器设置通过滑块活动设置在所述滑动导上，所述燃烧控制器通过连接管与设置在所述测试仓内的所述燃烧器喷嘴连接，所述热流密度计设置在所述燃烧器喷嘴上，所述燃烧控制器能够带动所述燃烧器喷嘴在所述测试仓的仓体内上下滑动。进一步，所述数据采集装置包括温度数据记录仪、热电偶、升降台、称重传感器、试样夹具、图像采集单元和上位机；其中，所述称重传感器设置在位于所述测试仓内部的基座的中心位置上，所述升降台设置在所述称重传感器上，所述夹具设置在所述升降台的顶部，所述热电偶设置在所述夹具内部，所述热电偶与设置在所述测试仓外部的所述温度数据记录仪连接，所述图像采集单元设置在所述测试仓外部，位于所述观察窗的前端，所述上位机与所述温度数据记录仪、图像采集单元和称重传感器控制连接。进一步，所述气流调节装置包括进气管、进气阀、排气管和气体流速测试仪；其中，所述进气管与所述进气口连接，且所述进气管上设有进气阀，所述排气管与所述排气口连接，所述气体流速测试仪设置在所述排气管上。进一步，所述夹具包括主体、试样固定槽、防火层、热电偶安装孔和固定销；其中，所述热电偶安装孔设置在所述主体内部，所述试样固定槽设置在所述主体一端，所述防火层设置在所述固定槽的表面，所述热电偶安装孔贯穿所述试样固定槽和防火层，所述固定销设置在所述主体的另一端，用于升降台固接。本专利技术的另一目的提供一种基于上述的镁合金燃烧风险性试验系统的试验方法，包含以下步骤：S1)制作试样，设定实验参数，并校准系统；S2)安装试样，开启系统进行试样，并记录过程和采集数据；S3)对采集的实验数据进行计算，获取样品燃烧所需临界热流密度和反应活化能，实现对镁合金及带涂层样件燃烧风险性的快速评估。进一步，所述S1)的具体步骤为：S1.1)根据镁合金零件几何参数确定样品的尺寸，试样厚度≤30mm、横向尺寸≤150mm；S1.2)根据实际应用环境制定气体流速的阈值，根据火灾环境设定加热温度和热流密度的阈值；S1.3)打开观察窗，安装试样夹具，利用升降台和滑动导轨调整试样夹具与燃烧器喷嘴的距离，将热电偶一端插入试样夹具中心，另一端连接到温度数据记录仪上；S1.4)校准系统，开启燃烧控制器调节火焰大小，检测夹具上的热电偶温度和热流密度，调节燃烧器的流量以达到设定温度和热流密度阈值，关闭燃烧器。进一步，所述S2)的具体步骤为：S2.1)打开观察窗，将底端插有热电偶的试样安装到试样夹具上，并放到校准后的位置，安装试样，利用称重传感器记录试样重量；S2.2)利用进气阀调节进气流量，使气体流速达到设定阈值；S2.3)开启燃烧控制器，使燃烧器的流量达到预先设定温度和热流密度值；S2.4)启动数据采集装置，记录整个燃烧过程，并记录试样温度变化和质量变化，重复多次试验,得到点燃温度、点燃所需时间和燃烧时间取平均值。进一步，所述S3)的具体步骤为：S3.1)根据采集热流密度q、样品受热面积S和加热时间t,代入公式(1)即可求出试样燃烧所需临界热量Q临界，公式如下：Q临界＝Sqt(1)式中，Q临界是试样燃烧所需临界热量,kJ；S是样品受热面积，m2；q为热流密度，kW/m2；t是加热时间，s；S3.2)根据采集的试样温度数据和质量数据，代入以下公式(2)-(4)，求出不同温度区间的反应活化能E，公式如下：式中，Δm为t时刻样品增重，g；A为指前因子；E为反应活化能，kJ/mol；R为气体常数，J/(mol·K)；β为升温速率；t为加热时间，s；T为环境温度，K。S3.3)根据S3.1)得到临界热量Q临界和S3.2)得到不同温度区间的反应活化能E；用临界热量Q临界表示点燃材料所需能量，数值越大表明试样越难被点燃，用不同温度区间的反应活化能E表示反应发生的难易程度随温度的变化情况，实现对镁合金及带涂层样件燃烧风险性的快速评估。进一步，所述气流速度的阈值为不大于10m/s，加热温度的阈值为800～200本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种测试镁合金燃烧风险性的试验系统，其特征在于：所述试验系统包括：/n火焰燃烧测试单元，用于对试样燃烧行为提供实验腔室，加热热源，并可控制加热温度和火焰热流密度；/n气流调节装置，用于对试样燃烧行为全过程进行供气，并控制熄灭火焰；/n图像和数据采集单元，用于对试样燃烧行为全过程的图像和全过程的实验数据，图像数据进行采集，通过计算得到评估结果。/n

【技术特征摘要】
1.一种测试镁合金燃烧风险性的试验系统，其特征在于：所述试验系统包括：
火焰燃烧测试单元，用于对试样燃烧行为提供实验腔室，加热热源，并可控制加热温度和火焰热流密度；
气流调节装置，用于对试样燃烧行为全过程进行供气，并控制熄灭火焰；
图像和数据采集单元，用于对试样燃烧行为全过程的图像和全过程的实验数据，图像数据进行采集，通过计算得到评估结果。


2.根据权利要求1所述的试验系统，其特征在于，所述火焰燃烧测试单元包括火焰燃烧装置、滑动导轨和测试仓；
所述火焰燃烧装置通过滑动导轨安在所述测试仓上，所述测试仓上设有用于放置试样和采集图像数据的观察窗，所述气流调节装置设置在所述测试仓的两侧，并与所述测试仓内部联通，所述数据采集装置设置在所述测试仓的外部，通过数据线与所述测试仓内部连接。


3.根据权利要求2所述的试验系统，其特征在于，所述火焰燃烧装置包括燃烧控制器、燃烧器喷嘴和热流密度计；
其中，所述燃烧控制器设置通过滑块活动设置在所述滑动导上，所述燃烧控制器通过连接管与设置在所述测试仓内的所述燃烧器喷嘴连接，所述热流密度计设置在所述燃烧器喷嘴上，所述燃烧控制器能够带动所述燃烧器喷嘴在所述测试仓的仓体内上下滑动。


4.根据权利要求3所述的试验系统，其特征在于，所述数据采集装置包括温度数据记录仪、热电偶、升降台、称重传感器、试样夹具、图像采集单元和上位机；
其中，所述称重传感器设置在位于所述测试仓内部的基座的中心位置上，所述升降台设置在所述称重传感器上，所述夹具设置在所述升降台的顶部，所述热电偶设置在所述夹具内部，所述热电偶与设置在所述测试仓外部的所述温度数据记录仪连接，
所述图像采集单元设置在所述测试仓外部，位于所述观察窗的前端，
所述上位机与所述温度数据记录仪、图像采集单元和称重传感器控制连接。


5.根据权利要求4所述的试验系统，其特征在于，所述气流调节装置包括进气管、进气阀、排气管和气体流速测试仪；
其中，所述进气管与所述测试仓的进气口连接，且所述进气管上设有进气阀，所述排气管与所述测试仓的排气口连接，所述气体流速测试仪设置在所述排气管上。


6.根据权利要求5所述的试验系统，其特征在于，所述夹具包括主体、试样固定槽、防火层、热电偶安装孔和固定销；
其中，所述热电偶安装孔设置在所述主体内部，所述试样固定槽设置在所述主体一端，所述防火层设置在所述固定槽的表面，所述热电偶安装孔贯穿所述试样固定槽和防火层，所述固定销设置在所述主体的另一端，用于升降台固接。


7.一种采用如权利要求1～6中任一项所述的测试镁合金燃烧风险性的试验系统的测试方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1)制作...

【专利技术属性】
技术研发人员：张津，韩东，连勇，黄进峰，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11