專利名稱：熱應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
熱應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)裝置本實(shí)用新型涉及普通材料性能試驗(yàn)裝置技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)是一種熱應(yīng)力循環(huán)試
驗(yàn)裝置。材料(或零件)各部分受熱不同，溫度不同，便產(chǎn)生了熱應(yīng)力。溫度的反復(fù)變化會(huì)引起材料熱應(yīng)力反復(fù)變化，在這種循環(huán)熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生的疲勞破壞被稱為熱疲勞。例如，柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，周期變化的高溫燃?xì)庾饔靡饸飧咨w底面(觸火面)溫度高達(dá)400 500°C，而冷卻溫度為60 80°C。氣缸蓋受熱膨脹受冷收縮，由于受到外部約束產(chǎn)生循環(huán)壓拉應(yīng)力，最終導(dǎo)致氣缸的熱疲勞破壞。再者，火車機(jī)車車輪在間瓦踏面頻繁制動(dòng)情況下，摩擦產(chǎn)生大量的熱量，使得車輪溫度升高。停車后其溫度又降低，由此車輪溫度不斷的升高和降低，必然使得車輪產(chǎn)生熱疲勞損傷，所以車輪要定期檢測(cè)更換等。以上事例說(shuō)明，對(duì)應(yīng)用材料的熱疲勞損傷研究有廣泛的實(shí)用價(jià)值和理論意義。但是如何在實(shí)驗(yàn)室中最大程度地模擬現(xiàn)實(shí)中材料的受熱受力狀態(tài)，一直是圍繞學(xué)術(shù)界的難題?，F(xiàn)實(shí)工程中，由于熱疲勞損傷常常是熱與力的耦合作用，單純的溫度改變已不能滿足目前的科研要求。同時(shí)現(xiàn)有裝置能實(shí)現(xiàn)高低溫切換的頻率、速度都很低，這既影響科研進(jìn)度又耗費(fèi)能源從而增加成本。中國(guó)專利公開號(hào)CN1796970，名稱一種熱疲勞試驗(yàn)機(jī)。此種熱疲勞試驗(yàn)裝置雖然涉及到對(duì)材料實(shí)驗(yàn)溫度條件的循環(huán)變化，但溫度變化的范圍有缺陷，可實(shí)現(xiàn)的最低溫度僅為冷水溫度，同時(shí)冷卻過(guò)程中會(huì)伴有氧化腐蝕發(fā)生，既費(fèi)時(shí)又耗能。而且該裝置只能實(shí)現(xiàn)單一的溫度荷載，無(wú)法充分滿足力與溫度耦合的試驗(yàn)要求。本實(shí)用新型的目的就是要解決上述的不足而提供一種熱應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)裝置，能最大限度地滿足目前科研領(lǐng)域?qū)崞趯?shí)驗(yàn)條件的要求，同時(shí)節(jié)約能源，數(shù)字程度化高。為實(shí)現(xiàn)上述目的設(shè)計(jì)一種熱應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)裝置，包括加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述加熱系統(tǒng)置于冷卻系統(tǒng)內(nèi)，所述冷卻系統(tǒng)采用氟利昂或液氮制冷幻境箱，所述加熱系統(tǒng)包括保溫箱體、保溫箱體底座、載物臺(tái)、加熱裝置、升降機(jī)構(gòu)及熱電偶，所述保溫箱體通過(guò)升降機(jī)構(gòu)配合連接保溫箱體底座，所述保溫箱體內(nèi)的保溫箱體底座上設(shè)有一空腔結(jié)構(gòu)，所述空腔底部裝有載物臺(tái)，所述載物臺(tái)外圍設(shè)有加熱裝置、熱電偶，所述加熱裝置安裝在腔體內(nèi)壁上，所述加熱裝置、熱電偶由電路連接控制系統(tǒng)。所述升降機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、動(dòng)觸開關(guān)、支架及齒條，所述電機(jī)固定連接保溫箱體下端，所述電機(jī)主軸裝有齒輪，所述齒輪嚙合連接齒條，所述齒條安裝在支架上，所述支架安裝在保溫箱體底座上，所述支架上、下端分別設(shè)有動(dòng)觸開關(guān)，所述動(dòng)觸開關(guān)、電機(jī)由電路連接控制系統(tǒng)。所述支架兩側(cè)裝有防滑片，所述防滑片另一端固定在保溫箱體的側(cè)面。所述加熱裝置為加熱電阻絲，所述加熱電阻絲通過(guò)耐高溫金屬卡片固定在保溫箱體底座的腔體內(nèi)壁上。所述保溫箱體頂端、保溫箱體底座底端均設(shè)有預(yù)留加載孔，所述預(yù)留加載孔內(nèi)裝有預(yù)留加載孔塞；所述氟利昂或液氮制冷幻境箱的頂端、底端均設(shè)有預(yù)留加載孔，所述預(yù)留加載孔內(nèi)裝有預(yù)留加載孔塞。所述控制系統(tǒng)包括時(shí)間控制電路、加熱PID(閉環(huán)反饋式)控制電路、電源變壓穩(wěn)壓器和數(shù)字調(diào)節(jié)顯示界面。本實(shí)用新型有益效果結(jié)構(gòu)新穎、簡(jiǎn)單，為試驗(yàn)研究提供了極大的方便，能最大限度地滿足目前科研領(lǐng)域?qū)崞趯?shí)驗(yàn)條件的要求，同時(shí)節(jié)約能源，數(shù)字程度化高，溫度最大變化范圍為-110°C +500°C (上限溫度可通過(guò)更換加熱絲型號(hào)和匝數(shù)改變)。操作自動(dòng)化，可以滿足在溫度循環(huán)變化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)件施加機(jī)械力荷載的要求。

圖1是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型的加熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1為預(yù)留加載孔塞、2為支架、3為保溫箱體、4為加熱電阻絲、5為保溫箱體底座、6為載物臺(tái)、7為熱電偶、8為電機(jī)、9為腔體、10為防滑片、11為電線引出孔、13為預(yù)留加載孔、14為冷卻系統(tǒng)、15為冷卻系統(tǒng)控制部分、16為加熱系統(tǒng)、17為動(dòng)觸開關(guān)、18為預(yù)留加載孔塞。
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作以下進(jìn)一步說(shuō)明如圖所示，本實(shí)用新型包括加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)采用氟利昂或液氮制冷幻境箱(實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有常用低溫環(huán)境箱)，內(nèi)部至少提供長(zhǎng)X寬X高為 35X35X75cm的空間，氟利昂或液氮制冷可達(dá)到-110°C。加熱系統(tǒng)置于氟利昂或液氮制冷幻境箱內(nèi)，加熱系統(tǒng)包括保溫箱體1、保溫箱體底座5、載物臺(tái)6、加熱裝置、升降機(jī)構(gòu)及熱電偶7，所述保溫箱體通過(guò)升降機(jī)構(gòu)配合連接保溫箱體底座，所述保溫箱體內(nèi)的保溫箱體底座上設(shè)有一空腔結(jié)構(gòu)，所述空腔底部裝有載物臺(tái)，所述載物臺(tái)外圍設(shè)有加熱裝置、熱電偶， 所述加熱裝置為加熱電阻絲4，所述加熱電阻絲通過(guò)耐高溫金屬卡片固定在保溫箱體底座的腔體9內(nèi)壁上，所述加熱裝置、熱電偶由電路連接控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)包括時(shí)間控制電路、加熱PID控制電路、電源變壓穩(wěn)壓器和數(shù)字調(diào)節(jié)顯示界面。可滑動(dòng)(上下方向)保溫箱體3可通過(guò)升降機(jī)構(gòu)的齒輪齒條嚙合實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)， 保溫箱體的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為25 X 25 X 25cm,外部蒙皮為鋁合金，厚度3mm ；內(nèi)部為鑲嵌式保溫隔熱棉，采用氧化鋁多晶纖維棉制作而成，厚度為30mm。保溫箱體3的可滑動(dòng)性質(zhì)可以保證試驗(yàn)樣品的取放和溫度升降的調(diào)控，其升降速度由電機(jī)8的轉(zhuǎn)數(shù)控制，電機(jī)通過(guò)固定片固結(jié)于保溫箱體下端，升降時(shí)間由控制系統(tǒng)決定。預(yù)留加載孔塞1與預(yù)留孔配合使用，其材質(zhì)為 ZLlOl鋁合金，在單純的溫度疲勞試驗(yàn)中其處于塞緊狀態(tài)，如需熱應(yīng)力與載荷應(yīng)力同時(shí)作用時(shí)，打開預(yù)留加載孔塞1，將力學(xué)試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)棒插入，完成外部載荷的加載，實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力耦合作用的試驗(yàn)要求。加熱電阻絲4通過(guò)多個(gè)耐高溫金屬卡片固定在保溫箱體底座的腔體內(nèi)壁上(共四組)，為直徑0. 5mm的鎳鉻電阻絲，長(zhǎng)度為6mm，纏繞半徑為5mm，工作功率3KW，可以通過(guò)調(diào)整電阻絲的匝數(shù)來(lái)滿足不同試驗(yàn)所需求的目標(biāo)溫度，其加熱時(shí)間由熱電偶反饋信號(hào)后由控制系統(tǒng)調(diào)控。溫度箱體底座5為耐高溫處理過(guò)的16Mn鋼，尺寸為30 X 30 X 1cm，其與保溫箱體3形成配合，為熱疲勞試驗(yàn)件提供試驗(yàn)空間條件。載物臺(tái)6為氧化鋁多晶纖維棉，尺寸為 20X20X2cm，充滿加熱腔底部。熱電偶7采用鎳鉻-鎳硅標(biāo)準(zhǔn)熱電偶(日本林電生產(chǎn))，位于載物臺(tái)6兩端各一支，用于感受溫度箱內(nèi)部反應(yīng)溫度，并通過(guò)引線將信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)。電線引出孔11用于加熱電阻絲4、熱電偶7、電機(jī)8引線的引出。所述升降機(jī)構(gòu)包括電機(jī)8、動(dòng)觸開關(guān)17、支架2及齒條，所述電機(jī)固定連接保溫箱體3下端，所述電機(jī)主軸裝有齒輪，所述齒輪嚙合連接齒條，所述齒條安裝在支架上，所述支架安裝在保溫箱體底座上，所述支架上、下端分別設(shè)有動(dòng)觸開關(guān)，所述動(dòng)觸開關(guān)、電機(jī)由電路連接控制系統(tǒng)。啟動(dòng)電機(jī)8帶動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，通過(guò)與支架2表面齒條嚙合，使保溫箱體 3實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，支架2上下兩端各安裝一觸動(dòng)開關(guān)17，當(dāng)電機(jī)上升到極限位置時(shí)觸動(dòng)開關(guān)，控制系統(tǒng)停止供電，電機(jī)8固定不動(dòng)。其中防滑片10與保溫箱體側(cè)面固定連接，夾緊在支架2兩側(cè)，以防止上升過(guò)程中機(jī)箱產(chǎn)生側(cè)滑。以上是整個(gè)裝置的機(jī)械構(gòu)造，下面對(duì)裝置工作進(jìn)程進(jìn)行說(shuō)明試驗(yàn)前在操作面板中設(shè)置好溫度循環(huán)次數(shù)A，電機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)B，加熱目標(biāo)溫度C，冷卻目標(biāo)溫度D，保溫箱體閉合保溫時(shí)間E，保溫箱體開啟冷卻時(shí)間F，控制系統(tǒng)將此信息集成與電路板中對(duì)機(jī)械裝置進(jìn)行控制。初始狀態(tài)為保溫箱體開啟，即保溫箱體位于最高處，試驗(yàn)件位于腔體內(nèi)部載物臺(tái)6中央。試驗(yàn)開始電機(jī)8轉(zhuǎn)動(dòng)，保溫箱體向下運(yùn)動(dòng)，防滑片10保證保溫箱體3豎直方向移動(dòng)而不發(fā)生側(cè)滑。到達(dá)底部時(shí)保溫箱體3觸碰觸動(dòng)開關(guān)，電機(jī)停轉(zhuǎn)，加熱電阻絲4通電升溫，熱電偶7實(shí)時(shí)反饋腔體內(nèi)溫度，最終到達(dá)目標(biāo)加熱溫度C。進(jìn)入保溫狀態(tài)達(dá)到保溫時(shí)間后電機(jī)反轉(zhuǎn)，保溫箱體3向上運(yùn)動(dòng)，升至頂端時(shí)觸碰觸動(dòng)開關(guān)，電機(jī)停止，外界冷空氣進(jìn)入達(dá)到低溫溫度，達(dá)到保溫時(shí)間，最后電機(jī)再次轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。
權(quán)利要求1.一種熱應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)裝置，包括加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，其特征在于所述加熱系統(tǒng)置于冷卻系統(tǒng)內(nèi)，所述冷卻系統(tǒng)采用氟利昂或液氮制冷幻境箱，所述加熱系統(tǒng)包括保溫箱體、保溫箱體底座、載物臺(tái)、加熱裝置、升降機(jī)構(gòu)及熱電偶，所述保溫箱體通過(guò)升降機(jī)構(gòu)配合連接保溫箱體底座，所述保溫箱體內(nèi)的保溫箱體底座上設(shè)有一空腔結(jié)構(gòu)，所述空腔底部裝有載物臺(tái)，所述載物臺(tái)外圍設(shè)有加熱裝置、熱電偶，所述加熱裝置安裝在腔體內(nèi)壁上，所述加熱裝置、熱電偶由電路連接控制系統(tǒng)。
2.如權(quán)利要求1所述的熱應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)裝置，其特征在于所述升降機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、動(dòng)觸開關(guān)、支架及齒條，所述電機(jī)固定連接保溫箱體下端，所述電機(jī)主軸裝有齒輪，所述齒輪嚙合連接齒條，所述齒條安裝在支架上，所述支架安裝在保溫箱體底座上，所述支架上、下端分別設(shè)有動(dòng)觸開關(guān)，所述動(dòng)觸開關(guān)、電機(jī)由電路連接控制系統(tǒng)。
3.如權(quán)利要求2所述的熱應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)裝置，其特征在于所述支架兩側(cè)裝有防滑片， 所述防滑片另一端固定在保溫箱體的側(cè)面。
4.如權(quán)利要求1、2或3所述的熱應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)裝置，其特征在于所述加熱裝置為加熱電阻絲，所述加熱電阻絲通過(guò)耐高溫金屬卡片固定在保溫箱體底座的腔體內(nèi)壁上。
5.如權(quán)利要求1、2或3所述的熱應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)裝置，其特征在于所述保溫箱體頂端、 保溫箱體底座底端均設(shè)有預(yù)留加載孔，所述預(yù)留加載孔內(nèi)裝有預(yù)留加載孔塞；所述氟利昂或液氮制冷幻境箱的頂端、底端均設(shè)有預(yù)留加載孔，所述預(yù)留加載孔內(nèi)裝有預(yù)留加載孔塞。
6.如權(quán)利要求5所述的熱應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)裝置，其特征在于所述控制系統(tǒng)包括時(shí)間控制電路、閉環(huán)反饋式加熱控制電路、電源變壓穩(wěn)壓器和數(shù)字調(diào)節(jié)顯示界面。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種熱應(yīng)力循環(huán)試驗(yàn)裝置，包括加熱系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和控制系統(tǒng)，所述加熱系統(tǒng)包括保溫箱體、保溫箱體底座、載物臺(tái)、加熱裝置、升降機(jī)構(gòu)及熱電偶，所述保溫箱體通過(guò)升降機(jī)構(gòu)配合連接保溫箱體底座，保溫箱體底座上設(shè)有一空腔結(jié)構(gòu)，所述空腔底部裝有載物臺(tái)，所述載物臺(tái)外圍設(shè)有加熱裝置、熱電偶，所述加熱裝置安裝在腔體內(nèi)壁上，所述加熱裝置、熱電偶由電路連接控制系統(tǒng)；本實(shí)用新型有益效果結(jié)構(gòu)新穎、簡(jiǎn)單，為試驗(yàn)研究提供了極大的方便，能最大限度地滿足目前科研領(lǐng)域?qū)崞趯?shí)驗(yàn)條件的要求，同時(shí)節(jié)約能源，數(shù)字程度化高，操作自動(dòng)化，可以滿足在溫度循環(huán)變化的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)件施加機(jī)械力荷載的要求。
文檔編號(hào)G01N3/60GK202041431SQ201120110980
公開日2011年11月16日 申請(qǐng)日期2011年4月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月15日
發(fā)明者馮淼林, 劉暢, 孟祥琦, 李晨, 許金泉 申請(qǐng)人:孟祥琦, 許金泉