本发明属于机械检测设备技术领域，具体涉及一种机械碰撞火花引燃可燃气体或蒸气的实验装置及测试方法。
背景技术：
工业生产中容易因机械碰撞产生碰撞火花，炽热的火花颗粒在很短时间内放出一定的热量，当碰撞火花的能量大于气体的最小点火能时，便可能引燃周围环境中的可燃气体。机械碰撞火花作为工业生产中常见的引火源之一，其危险性不言而喻，所以研究机械撞击火花引燃可燃气体的特性规律十分重要。目前模拟机械撞击火花的实验设备主要类型有落重撞击装置、弹道撞击装置以及擦边撞击装置，相对而言，擦边撞击装置更容易引燃可燃气体。模拟擦边撞击火花引燃可燃气体的试验撞击很少，且基本属于演示性实验装置，现有的实验装置自动化程度较低，且不能衡量机械撞击火花的能量大小，对于研究机械火花火灾危险性的价值有限。
技术实现要素：
本发明是为研究机械碰撞火花引燃可燃性气体或蒸气的燃烧特性和规律，提出了一种模拟机械擦边撞击产生的火花装置，用于测试一定能量的机械火花能否引燃爆炸腔体内的可燃气体或蒸气，并与该气体的最小点火能进行对比，能够得出引燃爆炸腔体内可燃气体所需机械撞击火花的最小能量及其引燃概率。
本发明的机械碰撞火花引燃可燃气体或蒸气的实验装置，包括爆炸球主体，所述爆炸球主体为中空结构；所述爆炸球主体上方外部设有连杆控制器，所述连杆控制器的杆端深入所述爆炸球主体的中空腔体、并与扭力计的一端连接，所述扭力计的另一端依次铰接连接有铰接连杆和摆动连杆；所述爆炸球主体中部设有连接盘，所述连接盘能够绕自身中轴转动，所述连接盘与所述摆动连杆铰接连接，铰接连接位置位于所述连接盘的非中心位置；所述摆动连杆底部可拆卸连接有碰撞棒，所述碰撞棒下方设有底板，所述碰撞棒能够在摆动连杆的带动下与所述底板发生碰撞。
其中，所述爆炸球主体采用国际上爆炸研究中通用的20L爆炸腔体，材质为双层不锈钢结构。所述爆炸球主体上配置一个直径为110mm的石英玻璃视窗。
其中，所述爆炸球主体上方设有密封盖，所述连杆控制器通过所述密封盖进入所述爆炸球主体的中空腔体，所述连杆控制器与所述密封盖的连接处高压密封连接。
其中，所述连接盘与所述摆动连杆的铰接连接位置位于所述摆动连杆与所述铰接连杆的铰接连接位置的下方。更优选的，所述连接盘与所述摆动连杆的铰接连接位置和所述摆动连杆与所述铰接连杆的铰接连接位置的距离相互靠近，约为所述摆动连杆长度的1/20～1/3。
其中，所述底板底部设有升降装置。
其中，所述底板上还设有连接检测装置，例如震动感应器、接触式压力传感器等。
其中，所述爆炸球主体连接有抽真空系统，所述抽真空系统包括真空泵和电磁阀，所述爆炸球主体上设有与中空腔体连通的抽真空接口，所述抽真空接口通过管路与真空泵连接，电磁阀设置于管路上控制管路的开启和闭合。所述真空泵采用旋片式真空泵，并配置过滤器。
其中，所述爆炸球主体连接有配气系统，所述配气系统包括可燃气体气瓶组，所述爆炸球主体上设有与中空腔体连通的配气接口，所述配气接口通过管路与可燃气体气瓶组连接。所述可燃气体气瓶组由若干盛放不同可燃气体的高压气瓶组成，每一高压气瓶单独配置电磁调节阀。
其中，所述爆炸球主体连接有气体循环系统，所述气体循环系统包括气泵，所述爆炸球主体上设有与中空腔体连通的循环气接口，所述循环气接口通过管路与气泵连接。
进一步，所述爆炸球主体的抽真空接口、配气接口和循环气接口中的任意两个或三个可以共用。
其中，所述爆炸球主体内还设置温度传感器和/或压力传感器。
本发明还提供了采用上述装置进行机械碰撞火花引燃可燃气体或蒸气的测试方法，包括下述步骤：
第一步，确定碰撞金属的种类，并将该材质的碰撞棒安装在摆动连杆底端；
第二步，通过升降装置调节底板的位置，确保碰撞棒能够与底板发生有效碰撞；
第三步，向爆炸球主体内填充测试所需气体；
第四步，在一次碰撞过程中，设定扭力力矩并操作连杆控制器，使碰撞棒与底板发生有效碰撞；当爆炸现象产生时进行观察；
第五步，若一次碰撞不能引燃爆炸腔内的气体，则重复第四步再次进行碰撞试验，若碰撞次数达到次仍不能引燃可燃气体，则重复第四步并增加扭矩进行下一能量级别的碰撞试验；
第六步，试验结束后，将爆炸球主体内气体恢复至常规状态。
与现有技术相比，本发明具有以下优势：
1、模拟工业中常见的机械碰撞火花作为引火源，研究机械碰撞火花引燃可燃气体的特征规律。
2、本发明装置的爆炸球主体爆炸安全性高，并设置有便于观察的视窗，便于实验者观察现象。
3、本发明装置采用扭力计测量摆动连杆的扭力大小，测试该能量下是否能够引燃爆炸腔体内的可燃气体，并与可燃气体的最小点火能比较，得出引燃可燃气体所需机械撞击火花的最小能量及其引燃概率，结果精确可靠。
4、本发明装置的碰撞棒和底板均可以更改，能够测量不同金属撞击对不同可燃气体引燃情况的影响。
5、本装置设置了连接检测装置，用于检测底板与碰撞棒是否接触，若未接触良好，则提示实验者，保证每次实验的有效性。
6、本装置除采用肉眼观察现象外，加入温度和压力传感器，实时记录机械碰撞火花引燃可燃气体的温度和压力变化。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是爆炸球主体内部的示意图；
图2是整体结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合具体附图对本发明进行进一步的描述。
本发明的机械碰撞火花引燃可燃气体或蒸气的实验装置，包括爆炸球主体100(图1)，所述爆炸球主体100为中空结构；所述爆炸球主体100上方外部设有连杆控制器101，所述连杆控制器101的杆端深入所述爆炸球主体100的中空腔体、并与扭力计108的一端连接，所述扭力计108的另一端依次铰接连接有铰接连杆109和摆动连杆111；所述爆炸球主体100中部设有连接盘110，所述连接盘110能够绕自身中轴转动，所述连接盘110与所述摆动连杆111铰接连接，铰接连接位置位于所述连接盘110的非中心位置；所述摆动连杆111底部可拆卸连接有碰撞棒104，所述碰撞棒104下方设有底板106，所述碰撞棒104能够在摆动连杆111的带动下与所述底板106发生碰撞。
其中，所述爆炸球主体100优先采用国际上爆炸研究中较为通用的20L爆炸腔体，材质为双层不锈钢结构(304不锈钢)，可承受2.0MPa的爆炸冲击压力。所述爆炸球主体100上还可配置一个直径为110mm的石英玻璃视窗，便于对实验过程进行观察。
其中，所述爆炸球主体100上方设有密封盖102，所述连杆控制器101通过所述密封盖102进入所述爆炸球主体100的中空腔体，所述连杆控制器101与所述密封盖102的连接处高压密封连接，以能够承受爆炸超压为标准。
其中，优选的，所述连接盘110与所述摆动连杆111的铰接连接位置位于所述摆动连杆111与所述铰接连杆109的铰接连接位置的下方。更优选的，所述连接盘110与所述摆动连杆111的铰接连接位置和所述摆动连杆111与所述铰接连杆109的铰接连接位置的距离相互靠近，约为所述摆动连杆111长度的1/20～1/3，使得摆动连杆111的摆动幅度和扭矩便于放大和控制。
其中，所述底板106底部设有升降装置105，能够根据需要调整底板106的位置，实现有效碰撞。
其中，所述底板106上还设有连接检测装置，例如震动感应器、接触式压力传感器等，用于精确感应碰撞棒104是否能够与底板106发生碰撞接触，并提示实验者，相较于通过石英玻璃视窗的肉眼观测更为准确。
其中，所述爆炸球主体100连接有抽真空系统200(图2)，所述抽真空系统200包括真空泵201和电磁阀202，所述爆炸球主体100上设有与中空腔体连通的抽真空接口103，所述抽真空接口103通过管路与真空泵201连接，电磁阀202设置于管路上控制管路的开启和闭合。所述真空泵201可以采用旋片式真空泵，并配置过滤器。
其中，所述爆炸球主体100连接有配气系统300(图2)，所述配气系统300包括可燃气体气瓶组301，所述爆炸球主体100上设有与中空腔体连通的配气接口107，所述配气接口107通过管路与可燃气体气瓶组301连接。所述可燃气体气瓶组301由若干盛放不同可燃气体的高压气瓶组成，每一高压气瓶单独配置电磁调节阀，用于向爆炸球主体100内输入不同的可燃气。
其中，所述爆炸球主体100连接有气体循环系统400(图2)，所述气体循环系统400包括气泵401，所述爆炸球主体100上设有与中空腔体连通的循环气接口，所述循环气接口通过管路与气泵401连接。气体循环系统400用于对爆炸球主体100内的气体实现搅拌目的，当配气系统300对爆炸球主体100内配气完成后，通过气泵401不断抽出和泵入气体，从而达到搅拌效果。
进一步，所述爆炸球主体100的抽真空接口103、配气接口107和循环气接口中的任意两个或三个可以共用，共用时可以通过配置三通阀或四通阀等进行气路的切换。图2中所示循环气接口即与配气接口107为共用接口。
其中，所述爆炸球主体100内还可以设置温度传感器和/或压力传感器，实时检测中空腔体内温度和压力的变化。优选的，温度传感器位于爆炸球主体100的中空腔体的底板上方靠近外壁处，数量1个，测温范围为-70～400℃，精度为0.1℃；压力传感器位于爆炸球主体100的中空腔体的中间位置靠近外壁处，数量1个，压力测试范围为-0.1～2MPa，精度为0.001MPa。
采用本发明的装置进行实验操作的方法步骤如下：
第一步，确定碰撞金属的种类，并将该材质的碰撞棒104安装在摆动连杆111底端；
第二步，通过升降装置105调节底板106的位置，肉眼观察或者通过连接检测装置确保碰撞棒104能够与底板106发生有效碰撞；
第三步，通过抽真空系统200将爆炸球主体100内的空气抽至真空，以约为0kPa为优；通过配气系统300向爆炸球主体100内加入可燃性气体或蒸气，按照分压比计算，使加入的可燃性气体或蒸气的浓度为目标浓度；通过配气系统300向爆炸球主体100内加入空气，使爆炸球主体100的压力达到常压；开启气体循环系统400，使爆炸球主体100内的气体搅拌均匀；
第四步，在一次碰撞过程中，启动连杆控制器101，作用力依次通过扭力计108和铰接连杆109传递至摆动连杆111，使摆动连杆111通过摆动向上抬起，带动其底部的碰撞棒104向上抬起，离开底板106，同时扭力计108能够测得扭力力矩；然后操作连杆控制器101释放摆动连杆111，使碰撞棒104落下与底板106发生碰撞，碰撞能够产生碰撞火花，若火花的能量足够大，便可引燃中空腔体内的可燃气体，产生爆炸压力和火焰，爆炸现象能够通过视窗进行观察，也可以通过温度传感器和压力传感器进行反应；
第五步，若一次碰撞不能引燃爆炸腔内的气体，则重复第四步再次进行碰撞试验，若碰撞次数达到200次仍不能引燃可燃气体，则重复第四步并增加扭矩进行下一能量级别的碰撞试验；
第六步，试验结束后，通过抽真空系统200将爆炸球主体100内的气体抽出，再通过配气系统300加入空气至常压，重复该步骤3次。
本装置能够精确控制和计量可燃气体的浓度和碰撞扭矩，通过连杆控制器101、扭力计108、铰接连杆109、摆动连杆111等的联动设计使得摆动连杆111的摆动幅度低至微小而精确，精确模拟机械擦边撞击产生火花的过程，为研究机械碰撞火花引燃可燃气体的特征规律提供了保证。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。