密绕型超导线圈推出式层间剪切性能测试装置及其方法
阅读说明：本技术 密绕型超导线圈推出式层间剪切性能测试装置及其方法 (Close-wound superconducting coil push-out type interlayer shearing performance testing device and method ) 是由 信纪军 王维 方志春 王春栋 吴东 于 2021-09-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种密绕型超导线圈推出式层间剪切性能测试装置及其方法。测试装置包括压头、顶杆、底座槽、推块和直线驱动装置,顶杆设置在压头的下端,底座槽上设有测试腔,两个推块活动设置在测试腔内,直线驱动装置设置在底座槽上,并能驱动两个推块于测试腔内相对作合拢或分开动作。通过两推块将从密绕型超导线圈中切割出的块状测试样品进行夹持固定,然后由力学测试设备驱动顶杆下行顶压在超导线上,并逐渐推出掉入漏线位,通过对采集的测试数据进行分析,实现了密绕型超导线圈的层间剪切性能的测试,进而精确获得超导线圈层间剪切强度,为指导超导线圈的生产制造具有重要意义；另外整体结构简单,易于实现,操作简易,利于推广应用。(The invention discloses a push-out type interlayer shearing performance testing device and method for a close-wound superconducting coil. The testing device comprises a pressure head, a push rod, a base groove, push blocks and a linear driving device, wherein the push rod is arranged at the lower end of the pressure head, a testing cavity is arranged on the base groove, the two push blocks are movably arranged in the testing cavity, and the linear driving device is arranged on the base groove and can drive the two push blocks to be relatively closed or opened in the testing cavity. The method comprises the following steps that a blocky test sample cut from a close-wound superconducting coil is clamped and fixed through two push blocks, then a push rod is driven by a mechanical test device to downwards press a superconducting wire, and gradually push out a position falling into a leakage wire, and the test of the interlayer shearing performance of the close-wound superconducting coil is realized through analyzing collected test data, so that the interlayer shearing strength of the superconducting coil is accurately obtained, and the method has important significance for guiding the production and the manufacture of the superconducting coil; in addition, the whole structure is simple, the realization is easy, the operation is simple, and the popularization and the application are facilitated.)
技术领域
本发明涉及线圈测试技术领域，具体涉及一种密绕型超导线圈推出式层间剪切性能测试装置及其方法。
背景技术
超导磁体目前广泛应用于磁约束热核聚变、高能粒子加速器等大科学装置以及磁共振成像等医用设备，尤其对于核磁共振成像(MRI)、核磁共振波谱法(NMR)以及综合物性测量系统(PPMS)等密绕型超导磁体应用领域前景更加广泛。目前，这些高端设备主要采用NbTi以及Nb3Sn等低温超导材料来制造磁体。为了抵抗运行过程中的电磁力作用，避免超导线材由于发生机械扰动造成磁体失超以及提高匝间绝缘性能，在超导磁体线圈制造过程中采用真空压力浸渍环氧树脂，使超导磁体形成坚固的整体结构进而抑制超导线的移动。
随着更高磁场强度超导磁体的需求日益增加，超导线与绝缘结构之间的结合力能否抵抗巨大电磁力的作用，将会直接影响超导磁体的安全稳定运行。针对超导线和绝缘结构之间的结合力的有效测试，对于超导磁体的设计制造具有重要的指导意义。
因此，如何评估超导线圈的层间剪切强度是决定其能否应用于相关行业的主要设计参数之一。目前针对超导线圈层间剪切强度测试大都采用短梁法，得到的测试结果是超导线材和绝缘结构的综合作用结果，并不代表超导线圈真实的剪切性能，一般用于超导线圈绝缘结构的快速筛选方法。因此，开展超导线圈中超导线和绝缘结构的剪切性能装置及方法的设计，对于指导超导磁体的工程化设计制造具有重要意义。
发明内容
针对上述不足，本发明目的在于，提供一种结构设计合理，能实现密绕型超导线圈的层间剪切性能的测试，且测试效果好的密绕型超导线圈推出式层间剪切性能测试装置。
本发明目的还在于，提供一种密绕型超导线圈推出式层间剪切性能测试方法。该测试方法操作简易，能实现密绕型超导线圈的层间剪切性能的测试，进而精确获得超导线圈层间剪切强度。
本发明为实现上述目的，所提供的技术方案是：
一种密绕型超导线圈推出式层间剪切性能测试装置，其包括压头、顶杆、底座槽、推块和直线驱动装置，所述压头设置在力学测试设备上，并与力学测试设备的传感器相连接，所述顶杆设置在压头的下端，所述底座槽上设有测试腔，两个推块活动设置在所述测试腔内，所述直线驱动装置设置在底座槽上，并能驱动两个推块于测试腔内相对作合拢或分开动作，所述测试腔的底面上设有漏线位。
作为本发明一种优选方案，所述测试腔的腔壁具有夹层空间，并在所述底座槽上设有与所述夹层空间相连通的真空法兰，通过真空法兰与抽真空设置相连接，实现在低温条件下测试时减少液氮的大量挥发。
作为本发明一种优选方案，所述底座槽的两侧壁对称向外凸起形成安装台。所述直线驱动装置包括螺杆和螺杆支撑座，所述螺杆支撑座设置在安装台上，所述螺杆设置在螺杆支撑座上，且该螺杆的一端伸入测试腔，并转动连接在所述推块背面。
作为本发明一种优选方案，其还包括波纹管，所述测试腔的腔壁上设有让所述螺杆穿过的通孔，所述波纹管的一端套接在所述通孔的外缘上，另一端连接在所述推块的背面，通过波纹管进行套接密封，从而防止低温测试下液氮的渗漏。所述螺杆一端轴向穿过所述通孔和波纹管，并转动连接在所述推块背面。如在所述推块背面设有凹腔，该凹腔内设置有套设在所述螺杆上的锥形轴承或者深沟球轴承和推力轴承组合，起到轴向和径向支撑作用。
作为本发明一种优选方案，所述安装台和螺杆支撑座之间设有隔热板，减小漏热。
一种上述的密绕型超导线圈推出式层间剪切性能测试装置的测试方法，其包括以下步骤：
S1：对需要测试的密绕型超导线圈进行切割，获得块状测试样品，该块状测试样品包括绝缘块及若干由上至下镶嵌贯穿该绝缘块的超导线；
S2：将块状测试样品放置在两个推块之间，并使所述超导线的一端朝向电子万能试验机的顶杆，通过直线驱动装驱动两个推块相向运动将所述块状测试样品夹持固定；
S3：调节力学测试设备的顶杆对准所述绝缘块上任意一条超导线，所述顶杆的外径尺寸优选小于所述超导线的线径5～10微米；
S4：对所述底座槽进行抽真空，然后往测试腔内加入液氮。通过抽真空实现减小漏热，降低液氮的挥发速率的效果，控制力学测试设备的顶杆下行推动与其相对正的超导线从绝缘块中逐渐推出掉入漏线位，并记录测试数据；所述力学测试设备的顶杆下行速度为0.5～2mm/min，优选为1mm/min。
作为本发明的一种优选方案，所述密绕型超导线圈采用以下步骤制成：
(1)预备绕线架和超导线，通过逐匝、逐层的密绕方式将超导线绕在绕线架，获得绕制线圈，该绕制线圈具有弧形部和直线形部；
(2)将绕制线圈浸入绝缘胶，然后进行固化，形成密绕型超导线圈；
(3)对应所述直线形部的位置对密绕型超导线圈进行横向切割，获得厚度为10～20毫米的块状测试样品。
本发明的有益效果为：本发明提供的密绕型超导线圈推出式层间剪切性能测试装置的结构设计合理，通过两推块将从密绕型超导线圈中切割出的块状测试样品进行夹持固定，然后由力学测试设备驱动顶杆下行顶压在超导线上，并逐渐推出掉入漏线位，通过对采集的测试数据进行分析，实现了密绕型超导线圈的层间剪切性能的测试，进而精确获得超导线圈层间剪切强度，为指导超导线圈的生产制造具有重要意义；另外整体结构简单，易于实现，操作简易，利于推广应用。
附图说明
图1为本发明的立体结构示意图。
图2为本发明的A-A剖视结构示意图。
图3为本发明的B-B剖视结构示意图。
图4为本发明中块状测试样品的结构示意图。
具体实施方式
实施例：参见图1至图4，本发明提供的一种密绕型超导线圈推出式层间剪切性能测试装置，其包括压头1、顶杆2、底座槽3、推块4、直线驱动装置5和波纹管6。
所述压头1设置在力学测试设备上，并与力学测试设备的传感器相连接。所述压头1可以采用常规不锈钢材料制成，易于加工。
所述顶杆2设置在压头1的下端，所述压头1的下端设有螺孔，所述顶杆2的上端设有与螺孔相适配的外螺纹。所述顶杆2的上端通过螺纹结构安装在螺孔上，给更换带来方便。所述顶杆2优选采用高强钢制成，如34CrNiMo6高强合金，强度大。同时根据所需测试的超导线的线径来选择相应直径的顶杆2，所述顶杆2的外径尺寸优选小于所述超导线的线径5～10微米。
所述底座槽3上设有测试腔31，所述测试腔31的底面中心位置设有漏线位32，使超导线无干涉推出。两个推块4活动设置在所述测试腔31内，所述测试腔31的底面为光滑面，所述推块4活动放置在测试腔31的底面。也可以在测试腔31的底面设有滑轨，而在推块4的底面设有与滑轨相适配的滑块或滑槽，同样实现活动设置在所述测试腔31内。
所述直线驱动装置5设置在底座槽3上，并能驱动两个推块4于测试腔31内相对作合拢或分开动作。所述底座槽3的两侧壁对称向外凸起形成安装台33。本实施例中，所述直线驱动装置5包括螺杆51和螺杆支撑座52，所述螺杆支撑座52设置在安装台33上，较佳的，在所述安装台33和螺杆支撑座52之间设有隔热板53，减小漏热。所述螺杆51设置在螺杆支撑座52上，且该螺杆51的一端伸入测试腔31，并转动连接在所述推块4背面。本实施例中，所述推块4的背面对应波纹管6的圆心位置设有凹腔，该凹腔内设置有锥形轴承，可以承受径向负荷和单一方向轴向负荷。所述螺杆51一端轴向穿过所述通孔和波纹管6，并与所述锥形轴承相适配。其他实施例中，也可以采用深沟球轴承和推力轴承相组合，同样能实现转动连接在所述推块4背面。
通过转动螺杆51实现调整推块4的位置，在实现夹紧块状测试样品7的目的，也方便快速移动块状测试样品7的位置，节约测试时间。
较佳的，在所述测试腔31的腔壁具有夹层空间，并在所述底座槽3上设有与所述夹层空间相连通的真空法兰34，通过真空法兰34与抽真空设置相连接，实现在低温条件下测试时减少液氮的大量挥发。所述测试腔31的腔壁上设有让所述螺杆51穿过的通孔，所述波纹管6的一端套接在所述通孔的外缘上并焊接在测试腔31的腔壁上，所述波纹管6的另一端焊接在所述推块4的背面，通过波纹管6进行套接密封，从而防止低温测试下液氮的渗漏。
在测试时，将本发明密绕型超导线圈推出式层间剪切性能测试装置安装在力学测试设备上，本实施例中，该力学测试设备优选为电子万能试验机；具体包括以下步骤：
S1：先要制备需要测试的密绕型超导线圈，预备绕线架和超导线，超导线可以为NbTi、Nb3Sn等超导线，对绕线架的进行包裹绝缘材料以及脱模布，并将绕线架固定于绕线机工装之上。固定超导线的进线端，通过逐匝、逐层的密绕方式将超导线绕在绕线架，待线圈绕制到设定尺寸后，固定超导线的出线头，并进行包裹绝缘材料以及脱模布，获得绕制线圈，为方便测试，该绕制线圈优选为跑道形，具有弧形部和直线形部；其他实施例中，该绕制线圈也可以为圆形或方形等。
S2：将绕制线圈放置于压力罐的模具中进行抽真空加热除气。选取环氧树脂GY282、稀释剂DY3601以及固化剂HY5200按照60：40：21的质量百分比配比作为浸渍填充材料，即绝缘胶；将环氧树脂GY282、稀释剂DY3601以及固化剂HY5200在40℃真空脱气处理后，注入混料罐中继续进行脱气混合，待脱气搅拌均匀后进行灌注，并在压力罐内进行加热至85℃保温30h，以及135℃保温28h进行固化，待固化后形成最终的形成密绕型超导线圈；
S3：从压力罐内中取出密绕型超导线圈并进行脱模，对应所述直线形部的位置对密绕型超导线圈进行横向水切割，获得厚度为10～20毫米的块状测试样品7，并对测试加工的块状测试样品7进行尺寸检查，并做好记录；所述块状测试样品7包括绝缘块71及若干由上至下镶嵌贯穿该绝缘块71的超导线72；
S4：将块状测试样品7放置在两个推块4之间，并使所述超导线72的一端朝向电子万能试验机的顶杆2；通过直线驱动装驱动两个推块4相向运动将所述块状测试样品7夹持固定，并调整块状测试样品7的垂直度，以保证实现90°的剪切力加载；
S5：调节电子万能试验机的顶杆2对准所述绝缘块71上任意一条超导线72；
S6：对所述底座槽3进行抽真空，然后往测试腔31内加入液氮，待液氮槽内液面相对平稳后，控制电子万能试验机的顶杆2按照1mm/min的加载速度下行推动与其相对正的超导线72从绝缘块71中完全推出并掉入漏线位32，并记录测试数据；
S7：每个块状测试样品7测试结束后对采集的测试数据进行分析；重复S4至S6，直至所有测试样品测试完毕，测试结束。通过对采集的测试数据进行分析，实现了密绕型超导线圈的层间剪切性能的测试，进而精确获得超导线圈层间剪切强度，可以用于指导核磁共振成像、核磁共振波谱法以及综合物性测量系统等密绕型超导磁体领域的设计制造。
根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。如本发明上述实施例所述，采用与其相同或相似的结构而得到的其它测试装置及测试方法，均在本发明保护范围内。
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