無動密封的快開式高壓氫環(huán)境材料疲勞性能試驗(yàn)裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了無動密封的快開式高壓氫環(huán)境材料疲勞性能試驗(yàn)裝置，主要包括環(huán)境箱模塊、氣源模塊、增壓器、真空泵、換熱模塊和工控機(jī)，無需設(shè)置動密封結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)高壓氫環(huán)境下材料疲勞性能的試驗(yàn)裝置，尤其是實(shí)現(xiàn)高壓氫環(huán)境下的高周或高頻疲勞試驗(yàn)，且能實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)裝置的快速啟閉和設(shè)備健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以及具備更高效率和安全性的高低溫試驗(yàn)功能。
【專利說明】
無動密封的快開式高壓氫環(huán)境材料疲勞性能試驗(yàn)裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于材料力學(xué)性能測試設(shè)備開發(fā)領(lǐng)域，特別涉及一種無動密封的快開式高壓氫環(huán)境材料疲勞性能試驗(yàn)裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]氫能是新世紀(jì)重要的二次能源，而高壓儲氫是目前占主導(dǎo)地位的氫能儲存方式。然而，材料長期工作在高壓氫氣環(huán)境下，其力學(xué)性能會因氫脆而發(fā)生損傷，尤其在疲勞載荷作用下，材料在高壓氫氣下的抗疲勞性能會嚴(yán)重下降。為確保高壓氫系統(tǒng)的長久、可靠運(yùn)行，必須對材料在高壓氫氣環(huán)境下的力學(xué)性能(尤其是抗疲勞性能)進(jìn)行測試和評估。
[0003]目前，高壓氫氣環(huán)境下材料力學(xué)性能測試設(shè)備主要有兩類。一類采用非標(biāo)試樣，如專利[201510349246.4]所采用的圓盤試樣，這類設(shè)備對試樣加工精度等因素的依賴性較強(qiáng)，難以形成標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的測試方法和材料性能評價(jià)指標(biāo)。另一類采用在傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)主機(jī)上對接高壓氫環(huán)境箱的形式(見圖1所示):把試樣安裝在高壓氫環(huán)境箱里面;加載桿一端與傳統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)主機(jī)上的作動器連接，另一端則伸入環(huán)境箱內(nèi)部與試樣相連接，從而將作動器施加的載荷傳遞到試樣上進(jìn)行加載;該類設(shè)備可借鑒現(xiàn)有的材料力學(xué)性能測試與評價(jià)方法，是目前更為廣泛應(yīng)用的結(jié)構(gòu)。但此類設(shè)備的設(shè)計(jì)開發(fā)面臨以下關(guān)鍵難題:
(I)難以實(shí)現(xiàn)高頻或高周疲勞試驗(yàn)
由于加載過程中(尤其是疲勞載荷下)，加載桿與環(huán)境箱之間存在相對運(yùn)動，因此需要設(shè)置動密封結(jié)構(gòu)來避免氫氣泄漏以及穩(wěn)定環(huán)境箱內(nèi)部氫壓。而實(shí)踐表明，現(xiàn)有的動密封結(jié)構(gòu)壽命非常短，經(jīng)常在使用較短時(shí)間后，因?yàn)槟p和吸氫膨脹等原因而突然發(fā)生失效。尤其在疲勞試驗(yàn)過程中，加載桿來回往復(fù)運(yùn)動，更容易加劇動密封件的磨損，而且疲勞載荷頻率越高，磨損越嚴(yán)重，進(jìn)而極易導(dǎo)致密封件磨損失效引起氫氣泄漏而被迫中止試驗(yàn)。這也是現(xiàn)有技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)材料在高壓氫環(huán)境下高頻(頻率大于1Hz)或高周(循環(huán)次數(shù)大于15)疲勞試驗(yàn)的癥結(jié)所在。
[0004](2)摩擦功耗嚴(yán)重
加載過程中，加載桿在動密封處往往產(chǎn)生較大的摩擦力，試驗(yàn)介質(zhì)的壓力越高，該摩擦力越大，可高達(dá)10kN。因此，此類設(shè)備往往摩擦功耗嚴(yán)重，也進(jìn)一步加劇了密封件的磨損。
[0005](3)需設(shè)置復(fù)雜的軸向力平衡結(jié)構(gòu)
高壓氫環(huán)境箱里的高壓氣體在加載桿軸向可產(chǎn)生高達(dá)數(shù)噸的外推力，該軸向力在待測試樣斷裂時(shí)會對作動器造成較大沖擊，嚴(yán)重降低試驗(yàn)裝置的精度和使用壽命。因此，必須設(shè)置相應(yīng)的軸向力平衡結(jié)構(gòu)來消除該軸向載荷。然而該軸向力平衡結(jié)構(gòu)往往需要增加一道動密封(如專利[201110259252.2]所提出的試驗(yàn)裝置)，這進(jìn)一步加大了氫氣泄漏的可能性，以及加大摩擦功耗。同時(shí)，動密封的增加，必然進(jìn)一步制約試驗(yàn)裝置的可靠性和耐久性。
[0006](4)缺乏設(shè)備健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測
此類設(shè)備工作壓力高(高達(dá)140MPa)，試驗(yàn)介質(zhì)為易燃易爆的氫氣，因此倘若設(shè)備出現(xiàn)裂紋造成氫氣泄漏而不能及時(shí)監(jiān)測的話，將會造成嚴(yán)重危害。然而，目前此類設(shè)備往往缺乏合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不能實(shí)時(shí)進(jìn)行設(shè)備健康狀況監(jiān)測，難以在設(shè)備出現(xiàn)氫氣泄漏瞬間及時(shí)激活緊急制動系統(tǒng)，保障試驗(yàn)人員的安全。
[0007](5)缺乏合理的控溫結(jié)構(gòu)
溫度是材料在高壓氫氣環(huán)境下疲勞性能的重要影響因素，因此需要此類設(shè)備具備高溫高壓氫氣或者低溫高壓氫氣試驗(yàn)功能。然而，目前此類設(shè)備缺乏合理的控溫結(jié)構(gòu)。如專利[201510316095.2]公開了一種高溫氫氣環(huán)境材料性能試驗(yàn)裝置，并不具備低溫試驗(yàn)功能，此外采用電阻絲直接對氫氣加熱的方式使強(qiáng)電與高壓氫氣直接接觸，存在較大安全隱患。再如，專利[201420753372.7]采用外部夾套換熱的方式來實(shí)現(xiàn)高低溫功能，但換熱介質(zhì)須先與筒體壁進(jìn)行換熱后才能與環(huán)境箱里的氣體進(jìn)行換熱，為能承受高壓氣體其筒體壁往往較厚，導(dǎo)致夾套里的換熱介質(zhì)不能有效地對筒體內(nèi)的氣體進(jìn)行換熱，該結(jié)構(gòu)總體換熱效率較低，且夾套還會沿外壁進(jìn)行散熱，造成熱量的嚴(yán)重浪費(fèi)。
[0008](6)缺乏合理的快開結(jié)構(gòu)
針對氫環(huán)境箱采用快速啟閉結(jié)構(gòu)可大大縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)效率。但目前此類設(shè)備缺乏合理的快開結(jié)構(gòu)。如專利[201110259252.2]采用的是柱銷式快開結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)需要在環(huán)境箱的箱體和密封座上開孔，開孔處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，往往是產(chǎn)生失效之處。此夕卜，該結(jié)構(gòu)中的柱銷在剪應(yīng)力作用下極易發(fā)生彎曲變形，經(jīng)常在使用較短時(shí)間后即出現(xiàn)柱銷彎曲變形過大難以插進(jìn)銷孔而無法工作，可靠性較低。再如，專利[201420753372.7]采用的是齒嚙式卡箍連接的快開結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)的齒根處是高度應(yīng)力集中之處，嚴(yán)重降低結(jié)構(gòu)使用壽命;同時(shí)，卡箍和齒嚙的尺寸往往較大以增加接觸面來承受載荷，使得此類快開結(jié)構(gòu)往往較為龐大。
[0009]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種無需設(shè)置動密封結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)高壓氫環(huán)境下材料疲勞性能的試驗(yàn)裝置，尤其是實(shí)現(xiàn)高壓氫環(huán)境下的高周或高頻疲勞試驗(yàn)，且能實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)裝置的快速開啟和設(shè)備健康狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，以及具備更高效率和安全性的高低溫試驗(yàn)功能。
[0011 ]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的解決方案如下。
[0012]無動密封的快開式高壓氫環(huán)境材料疲勞性能試驗(yàn)裝置，包括環(huán)境箱模塊、氣源模塊、增壓器、真空栗、換熱模塊和工控機(jī)；
所述環(huán)境箱模塊由環(huán)境箱頂蓋、環(huán)境箱底蓋、左矩形壓框、右矩形壓框、換熱彎管、加速度傳感器、砝碼、載荷傳感器、基座和激振器組成;所述環(huán)境箱頂蓋包括筒體、夾套和隔熱陶瓷板，所述夾套的頂端設(shè)有開孔用于連接氫氣傳感器，氫氣傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備健康狀況，夾套的下端則設(shè)有用于抽真空的開孔;所述筒體位于夾套內(nèi)腔;夾套內(nèi)徑大于筒體外徑從而二者形成腔體，夾套與筒體之間沿軸向夾有隔熱陶瓷板，夾套與筒體之間還設(shè)有靜密封結(jié)構(gòu)并通過螺釘實(shí)現(xiàn)連接;所述環(huán)境箱底蓋的上端設(shè)有橡膠O形圈徑向靜密封部件與筒體構(gòu)成密閉空間，環(huán)境箱底蓋的中間設(shè)置階梯用于左右矩形壓框的定位，環(huán)境箱底蓋的底端設(shè)置凸形導(dǎo)柱并與所述基座上的凹形導(dǎo)軌相配合用于提供簡諧振動空間；該環(huán)境箱底蓋沿凸形導(dǎo)柱軸向與激振器相連以產(chǎn)生簡諧振動，且設(shè)有用于與置于筒體內(nèi)腔的換熱彎管相連接的進(jìn)口通道和出口通道以及相應(yīng)的進(jìn)氣孔和出氣孔;所述環(huán)境箱底蓋還在中心開有通孔用于信號線的引出，中心通孔的最上端連接載荷傳感器;所述載荷傳感器的下端中心部與加速度傳感器連接，載荷傳感器的上端設(shè)有螺紋柱用于連接試樣，試樣的另一端與所述砝碼上的螺紋柱相連接，砝碼的上端則設(shè)有加速度傳感器;所述環(huán)境箱頂蓋與環(huán)境箱底蓋之間通過左矩形壓框和右矩形壓框?qū)崿F(xiàn)連接從而承擔(dān)筒體內(nèi)部氣體產(chǎn)生的軸向載荷；所述氣源模塊由氫氣瓶、氬氣瓶及對應(yīng)的閥門組成;氫氣瓶的排氣口、氬氣瓶的排氣口分別經(jīng)過氫氣源閥門、氬氣源閥門，然后匯總接入氣源總閥門后與所述增壓器的進(jìn)氣口相連;增壓器的出氣口依次與出氣口閥門、增壓段軟管、環(huán)境箱閥門、壓力傳感器、環(huán)境箱底蓋進(jìn)出氣孔相連;所述真空栗依次與真空度傳感器、、真空管路閥相連，真空管路閥分別接入真空段軟管和增壓段軟管，用于對環(huán)境箱內(nèi)部以及夾套與筒體之間構(gòu)成的空腔抽真空;真空段軟管的另一端經(jīng)抽氣閥與夾套上所設(shè)的用于抽真空的開孔相連;所述放空閥分別接入上述真空段軟管和增壓段軟管，用于控制試驗(yàn)系統(tǒng)的放空泄壓;前述所有軟管主要用于設(shè)備在作簡諧振動時(shí)整個(gè)裝置的連接管路的緩沖減振；
所述換熱模塊包括通過工藝管路依次連接的制冷加熱機(jī)、進(jìn)液段軟管、所述環(huán)境箱底蓋上的進(jìn)口通道、所述換熱彎管、所述環(huán)境箱底蓋上的出口通道和出液段軟管，用于將制冷加熱機(jī)產(chǎn)生的換熱介質(zhì)傳輸?shù)江h(huán)境箱內(nèi)部進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)所需的高溫/低溫試驗(yàn)環(huán)境；
所述工控機(jī)用于控制增壓器、真空栗、激振器和制冷加熱機(jī)等設(shè)備的運(yùn)行以及所有閥門的開啟；工控機(jī)與壓力傳感器、加速度傳感器、真空度傳感器、溫度傳感器、載荷傳感器均通過信號連接，進(jìn)行信號采集。
[0013]本發(fā)明中，所述夾套的頂端設(shè)有凸臺用于左矩形壓框和右矩形壓框的定位。
[0014]本發(fā)明中，所述隔熱陶瓷板由具有良好隔熱性能和良好抗壓性能的陶瓷材料制成，避免筒體頂部與外周環(huán)境發(fā)生熱交換，同時(shí)可將高壓氣體對筒體產(chǎn)生的軸向載荷傳遞給左矩形壓框和右矩形壓框。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:
1.本發(fā)明解決了在高壓氫氣環(huán)境下難以進(jìn)行材料高頻或高周疲勞試驗(yàn)的難題;并且無需設(shè)置動密封結(jié)構(gòu)，消除了因動密封引起的氫氣泄漏和摩擦功耗。
[0016]2.本發(fā)明可有效提高試驗(yàn)加載頻率，因而大幅減少高壓氫氣環(huán)境下材料疲勞試驗(yàn)所需時(shí)間，顯著提高試驗(yàn)效率。
[0017]3.本發(fā)明既可實(shí)現(xiàn)高溫高壓氫環(huán)境又可實(shí)現(xiàn)低溫高壓氫環(huán)境，換熱介質(zhì)直接在環(huán)境箱內(nèi)部循環(huán)，減少了換熱環(huán)節(jié)，提高了換熱效率;環(huán)境箱外周設(shè)置真空夾套，避免環(huán)境箱外周環(huán)境與環(huán)境箱內(nèi)部發(fā)生熱交換，起到良好的保溫功能。
[0018]4.本發(fā)明設(shè)計(jì)了受力情況更好、可靠性更高的壓框式快開結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高壓氫環(huán)境箱的快速啟閉，有效縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)效率。
[0019]5.本發(fā)明可在線實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備的健康狀況，倘若筒體在服役過程中出現(xiàn)裂紋，氫氣將會泄漏到夾套與筒體之間構(gòu)成的真空腔內(nèi)，真空腔上設(shè)置的氫氣傳感器將會及時(shí)響應(yīng)并發(fā)出聲光報(bào)警，以及觸發(fā)緊急制動系統(tǒng)，有效保障人員和設(shè)備安全。
【附圖說明】
[0020]圖1為常見的高壓氫環(huán)境材料力學(xué)性能測試設(shè)備示意圖； 圖2為本發(fā)明的總體裝置示意圖；
圖3為本發(fā)明中的環(huán)境箱模塊的剖視圖；
圖4為圖3的左視圖。
[0021 ]圖1各部分說明如下:作動器01、加載桿02、動密封03、高壓氫環(huán)境箱04、試樣05。
[0022]圖2—4各部分說明如下:氫氣源閥門1、氫氣瓶2、氬氣源閥門3、氣源總閥門4、氬氣瓶5、增壓器6、真空栗7、真空度傳感器8、真空管路閥9、放空閥10、氫氣傳感器11、真空段軟管12、抽氣閥13、壓力傳感器14、出氣口閥門15、增壓段軟管16、加速度傳感器17、砝碼18、溫度傳感器19、載荷傳感器20、進(jìn)液段軟管21、出液段軟管22、激振器23、制冷加熱機(jī)24、工控機(jī)25、左矩形壓框26、右矩形壓框27、試樣28、開孔接口 29、進(jìn)口通道30、基座31、出口通道32、環(huán)境箱底蓋33、靜密封部件34、螺釘35、靜密封部件36、換熱彎管37、夾套38、筒體39、隔熱陶瓷板40、環(huán)境箱底蓋進(jìn)出氣孔41、環(huán)境箱閥門42、加速度傳感器43。
【具體實(shí)施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】加以闡述，但本發(fā)明的實(shí)施和保護(hù)不限于此。
[0024]如圖2所示，無動密封的快開式高壓氫環(huán)境材料疲勞性能試驗(yàn)裝置，包括環(huán)境箱模塊、氣源模塊、增壓器6、真空栗7、換熱模塊和工控機(jī)25。
[0025]如圖3和圖4所示，所述環(huán)境箱模塊由環(huán)境箱頂蓋、環(huán)境箱底蓋33、左矩形壓框26、右矩形壓框27、換熱彎管37、加速度傳感器17、加速度傳感器43、砝碼18、載荷傳感器20、基座31和激振器23組成;所述環(huán)境箱頂蓋包括筒體39、夾套38和隔熱陶瓷板40，夾套38頂端設(shè)有開孔用于連接氫氣傳感器11、夾套38下端則設(shè)有用于抽真空的開孔29，筒體39位于夾套38內(nèi)腔;夾套38內(nèi)徑大于筒體39外徑從而二者形成腔體，筒體39與夾套38之間沿軸向夾有隔熱陶瓷板40筒體39與夾套38之間還設(shè)有靜密封結(jié)構(gòu)36并通過螺釘35實(shí)現(xiàn)連接;環(huán)境箱底蓋33上端設(shè)有橡膠O形圈徑向靜密封部件34與筒體39構(gòu)成密閉空間，環(huán)境箱底蓋33的中間設(shè)置階梯用于左右矩形壓框的定位、環(huán)境箱底蓋33的底端設(shè)置凸形導(dǎo)柱與基座31上的凹形導(dǎo)軌相配合、該環(huán)境箱底蓋33沿凸形導(dǎo)柱軸向與激振器23相連以產(chǎn)生水平方向的往復(fù)運(yùn)動、且設(shè)有用于與置于筒體39內(nèi)腔的換熱彎管37相連接的進(jìn)口通道30和出口通道32以及相應(yīng)的進(jìn)出氣孔41;環(huán)境箱底蓋33中心開有通孔用于信號線的引出，中心通孔的最上端連接載荷傳感器20;載荷傳感器20下端中心部與加速度傳感器43連接，載荷傳感器20的上端設(shè)有螺紋柱用于連接試樣28，試樣28的另一端與砝碼18上的螺紋柱相連接，砝碼18的上端設(shè)有加速度傳感器17;所述環(huán)境箱頂蓋與環(huán)境箱底蓋33之間通過左矩形壓框26和右矩形壓框27實(shí)現(xiàn)連接來承受軸向載荷;所述夾套38頂端設(shè)有凸臺用于左矩形壓框26和右矩形壓框27的定位;所述隔熱陶瓷板40由具有良好隔熱性能和良好抗壓性能的陶瓷材料制成，有效地避免筒體39頂部與外周環(huán)境發(fā)生熱交換，同時(shí)可承受高壓氣體對筒體39產(chǎn)生的軸向載荷并將其傳遞給左矩形壓框26和右矩形壓框27。
[0026]如圖2和圖3所示，所述氣源模塊由氫氣瓶2、氬氣瓶5及對應(yīng)的閥門組成;氫氣瓶2的排氣口、氬氣瓶5的排氣口分別經(jīng)過氫氣源閥門1、氬氣源閥門3，然后匯總接入氣源總閥門4后與增壓器6進(jìn)氣口相連;增壓器6出氣口依次與出氣口閥門15、增壓段軟管16、環(huán)境箱閥門42、壓力傳感器14、環(huán)境箱底蓋進(jìn)出氣孔41相連;真空栗7依次與真空度傳感器8、真空管路閥9相連，真空管路閥9分別接入真空段軟管12和增壓段軟管16，用于對環(huán)境箱內(nèi)部以及夾套38與筒體39之間構(gòu)成的空腔抽真空;真空段軟管12另一端經(jīng)抽氣閥13與夾套38上所設(shè)的用于抽真空的開孔相連;放空閥10分別接入上述真空段軟管12和增壓段軟管16，用于控制試驗(yàn)系統(tǒng)的放空泄壓。
[0027]所述換熱模塊包括通過工藝管路依次連接的制冷加熱機(jī)24、進(jìn)液段軟管21、環(huán)境箱底蓋33上的進(jìn)口通道30、換熱彎管37、環(huán)境箱底蓋33上的出口通道32、出液段軟管22，用于將制冷加熱機(jī)24產(chǎn)生的換熱介質(zhì)傳輸?shù)江h(huán)境箱內(nèi)部進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)所需的高溫/低溫試驗(yàn)環(huán)境。
[0028]所述工控機(jī)25用于控制增壓器6、真空栗7、激振器23和制冷加熱機(jī)24等設(shè)備的運(yùn)行以及所有閥門的開啟；工控機(jī)25與壓力傳感器14、加速度傳感器17、真空度傳感器8、溫度傳感器19、載荷傳感器20均通過信號連接，進(jìn)行信號采集。
[0029]本發(fā)明的具體應(yīng)用步驟如下:
步驟A:安裝試樣。首先移除左矩形壓框26和右矩形壓框27，然后移除環(huán)境箱頂蓋(由筒體39、夾套38和隔熱陶瓷板40構(gòu)成)，分離環(huán)境箱頂蓋與環(huán)境箱底蓋33，使環(huán)境箱底蓋上的試樣安裝部位完全暴露在外;安裝好試樣28，然后將與加速度傳感器17連接的砝碼18連接到試樣28上。
[0030]步驟B:掃頻。在開始正式疲勞試驗(yàn)前還需進(jìn)行正弦振動掃頻，以確定由砝碼18與試樣28構(gòu)成的共振部件的固有頻率。通過激振器23對環(huán)境箱底蓋33施加沿水平方向的激振載荷，使環(huán)境箱底蓋33以恒定加速度(由加速度傳感器43監(jiān)測)、遞增頻率發(fā)生簡諧運(yùn)動(沿水平方向的正弦振動)，采用的是對數(shù)掃頻，掃頻速率為0.5 oct/min，通過加速度傳感器17的反饋信號中的波峰值來確定共振部件的前三階固有頻率。
[0031]步驟C:填充低壓高純氣體。閉合環(huán)境箱頂蓋到環(huán)境箱底蓋33上。然后把左矩形壓框26和右矩形壓框27分別扣入環(huán)境箱，使得環(huán)境箱頂蓋與環(huán)境箱底蓋33連接成一體。啟動真空栗7對夾套38內(nèi)腔進(jìn)行抽真空，抽真空結(jié)束后，關(guān)閉閥門13，后續(xù)再次試驗(yàn)時(shí)無須再次抽真空。繼而，啟動真空栗7對筒體39內(nèi)腔和系統(tǒng)管路進(jìn)行抽真空。接著連通氫氣瓶2，利用氫氣瓶2里的低壓氫氣對筒體39內(nèi)腔進(jìn)行若干次置換，直至筒體39內(nèi)腔的氫氣純度達(dá)到試驗(yàn)要求。此時(shí)，筒體39內(nèi)填充滿低壓高純氫氣。
[0032]步驟D:調(diào)溫。啟動制冷加熱機(jī)24對筒體39內(nèi)腔氣體進(jìn)行調(diào)溫，直到溫度傳感器19達(dá)到設(shè)定的試驗(yàn)溫度。
[0033]步驟E:增壓。啟動增壓器6對筒體39內(nèi)的氣體進(jìn)行緩慢增壓，直至壓力傳感器14達(dá)到設(shè)定的試驗(yàn)壓力。增壓及后續(xù)試驗(yàn)過程中，制冷加熱機(jī)仍處于工作狀態(tài)，以對筒體39內(nèi)的高壓氣體溫度進(jìn)行微調(diào)，確保試樣28處于設(shè)定溫度下的高壓高純氫氣環(huán)境中。
[0034]步驟F:疲勞測試。啟動激振器23驅(qū)動環(huán)境箱底蓋33沿水平方向作簡諧運(yùn)動，加載頻率取為步驟B中所獲得的第一階固有頻率，從而迫使砝碼18產(chǎn)生沿水平方向的共振;試樣28上端則在砝碼18的交變慣性力作用下承受循環(huán)疲勞載荷并作往復(fù)來回運(yùn)動，該疲勞載荷的大小可通過加速度傳感器17測得的加速度(記為a)及砝碼18的質(zhì)量(記為m)結(jié)合牛頓第二定律(F=ma)經(jīng)工控機(jī)25自動處理并顯示和記錄。試驗(yàn)過程中，工控機(jī)25還實(shí)時(shí)記錄所有傳感器采集的數(shù)據(jù)以及疲勞載荷的循環(huán)次數(shù)，同時(shí)實(shí)時(shí)分析加速度傳感器信號，使激勵頻率跟蹤共振部件固有頻率，保持共振狀態(tài)。當(dāng)加速度傳感器17響應(yīng)的第一階固有頻率相對于初始值降低5%時(shí)，說明試樣開始出現(xiàn)裂紋發(fā)生失效，此時(shí)結(jié)束疲勞試驗(yàn)?；蛘弋?dāng)試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，也可結(jié)束疲勞試驗(yàn)。
[0035]此外，可通過改變砝碼18的質(zhì)量來改變共振部件的初始第一階固有頻率，從而可改變材料疲勞試驗(yàn)的加載頻率。
[0036]步驟G:泄壓、回溫。開啟放空閥10對系統(tǒng)泄壓，并使用低壓氬氣對系統(tǒng)進(jìn)行吹掃以除去系統(tǒng)殘留的氫氣。然后通過制冷加熱機(jī)24將系統(tǒng)溫度恢復(fù)為室溫。
[0037]步驟H:取出試樣。移除左矩形壓框26和右矩形壓框27，分離環(huán)境箱頂蓋與環(huán)境箱底蓋33，取出試樣28。
[0038]上述應(yīng)用步驟中，只需將步驟C中的氫氣換成氬氣，即可實(shí)現(xiàn)高/低溫高壓氬氣環(huán)境下材料的尚周(或尚頻)疲勞試驗(yàn)。
[0039]在本發(fā)明中，利用激振器23推動環(huán)境箱底蓋33作簡諧運(yùn)動，進(jìn)而激勵砝碼18與試樣28—起發(fā)生共振，實(shí)現(xiàn)試樣28的高頻或高周疲勞測試;與環(huán)境箱模塊直接連接的管路均設(shè)置了緩沖環(huán)節(jié)(如真空段軟管12、增壓段軟管16、進(jìn)液段軟管21和出液段軟管22)，確保簡諧運(yùn)動過程中整個(gè)裝置的連接管路的安全性和可靠性。相對于傳統(tǒng)的采用加載桿伸入環(huán)境箱內(nèi)對試樣進(jìn)行疲勞加載的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明避免了使用動密封部件，解決了因動密封磨損、泄漏導(dǎo)致的高/低溫高壓氫氣環(huán)境下材料高頻(或高周)疲勞試驗(yàn)難以實(shí)現(xiàn)的技術(shù)瓶頸，消除了動密封引起的氫氣泄漏、摩擦功耗;本發(fā)明可通過調(diào)整砝碼18的質(zhì)量來提高試驗(yàn)的加載頻率，進(jìn)而大幅減少高壓氫氣環(huán)境下材料疲勞試驗(yàn)所需時(shí)間，顯著提高試驗(yàn)效率。例如，傳統(tǒng)的試驗(yàn)機(jī)采用IHz頻率進(jìn)行加載，則需115天才能完成17次循環(huán)加載;本發(fā)明加載頻率可提升到50Hz，則僅需2.3天即可完成17次循環(huán)加載。
[0040]本發(fā)明中，通過內(nèi)置在筒體39內(nèi)腔的換熱彎管37來調(diào)節(jié)環(huán)境箱里的高壓氣體溫度，同時(shí)具備高溫高壓氫氣和低溫高壓氫氣試驗(yàn)功能;并在筒體39外圍設(shè)置了真空腔體，避免試驗(yàn)氣體向筒體39外圍大氣環(huán)境傳熱導(dǎo)致熱量的耗散，提高換熱效率和調(diào)溫速度;也避免了因強(qiáng)電元件直接與高壓氫氣接觸帶來的安全隱患，具有顯著優(yōu)點(diǎn)。
[0041]本發(fā)明中，通過設(shè)置受力情況更好、可靠性更高的壓框式快開結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高壓氫環(huán)境箱的快速啟閉，有效縮短試驗(yàn)時(shí)間，提高試驗(yàn)效率，在具備快速啟閉功能的同時(shí)，還提升了設(shè)備的可靠性和耐久性，具有顯著優(yōu)點(diǎn)。
[0042]本發(fā)明中夾套38與筒體39之間所構(gòu)成的真空腔體，不但能通過避免因筒體39內(nèi)部試驗(yàn)氣體向外圍大氣環(huán)境傳熱實(shí)現(xiàn)良好的保溫功能，還具備在線實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備健康狀況的功能。倘若筒體39在服役過程中出現(xiàn)裂紋，氫氣將會泄漏到真空腔體內(nèi)，真空腔體上設(shè)置的氫氣傳感器11將會及時(shí)響應(yīng)并發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)觸發(fā)緊急制動系統(tǒng)，有效保障設(shè)備和人員安全。
[0043]以上所述，僅是本發(fā)明的具體實(shí)施案例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制，雖然本發(fā)明已以較佳實(shí)施案例揭示如上，然而并非用以限定本發(fā)明，任何熟悉本專業(yè)的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)，當(dāng)可利用上述揭示的結(jié)構(gòu)及技術(shù)內(nèi)容做出某些更動或修改而成為等同變化的等效實(shí)施案例。例如，本發(fā)明并不限定只用于以氫氣為試驗(yàn)介質(zhì)，同樣適用于硫化氫氣體、天然氣與氫氣混合氣體等試驗(yàn)介質(zhì)。但凡未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對以上實(shí)施案例所作的任何簡單修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案范圍內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.無動密封的快開式高壓氫環(huán)境材料疲勞性能試驗(yàn)裝置，無需設(shè)置動密封結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)高/低溫高壓氫環(huán)境下材料的高周或高頻疲勞試驗(yàn);其特征在于，所述試驗(yàn)裝置包括環(huán)境箱模塊、氣源模塊、增壓器、真空栗、換熱模塊和工控機(jī)； 所述環(huán)境箱模塊由環(huán)境箱頂蓋、環(huán)境箱底蓋、左矩形壓框、右矩形壓框、換熱彎管、加速度傳感器、砝碼、載荷傳感器、基座和激振器組成;所述環(huán)境箱頂蓋包括筒體、夾套和隔熱陶瓷板，所述夾套的頂端設(shè)有開孔用于連接氫氣傳感器，氫氣傳感器用于實(shí)時(shí)監(jiān)測設(shè)備健康狀況，夾套的下端則設(shè)有用于抽真空的開孔;所述筒體位于夾套內(nèi)腔;夾套內(nèi)徑大于筒體外徑從而二者形成腔體，夾套與筒體之間沿軸向夾有所述隔熱陶瓷板，夾套與筒體之間還設(shè)有靜密封結(jié)構(gòu)并通過螺釘實(shí)現(xiàn)連接;所述環(huán)境箱底蓋的上端設(shè)有橡膠O形圈徑向靜密封部件與筒體構(gòu)成密閉空間，環(huán)境箱底蓋的中間設(shè)置階梯用于左右矩形壓框的定位，環(huán)境箱底蓋的底端設(shè)置凸形導(dǎo)柱并與所述基座上的凹形導(dǎo)軌相配合用于提供簡諧振動空間；該環(huán)境箱底蓋沿凸形導(dǎo)柱軸向與激振器相連以產(chǎn)生簡諧振動，且設(shè)有用于與置于筒體內(nèi)腔的換熱彎管相連接的進(jìn)口通道和出口通道以及相應(yīng)的進(jìn)氣孔和出氣孔;所述環(huán)境箱底蓋還在中心開有通孔用于信號線的引出，中心通孔的最上端連接載荷傳感器;所述載荷傳感器的下端中心部與加速度傳感器連接，載荷傳感器的上端設(shè)有螺紋柱用于連接試樣，試樣的另一端與所述砝碼上的螺紋柱相連接，砝碼的上端則設(shè)有加速度傳感器;所述環(huán)境箱頂蓋與環(huán)境箱底蓋之間通過左矩形壓框和右矩形壓框?qū)崿F(xiàn)連接從而承擔(dān)筒體內(nèi)部氣體產(chǎn)生的軸向載荷； 所述氣源模塊由氫氣瓶、氬氣瓶及對應(yīng)的閥門組成;氫氣瓶的排氣口、氬氣瓶的排氣口分別經(jīng)過氫氣源閥門、氬氣源閥門，然后匯總接入氣源總閥門后與所述增壓器的進(jìn)氣口相連;增壓器的出氣口依次與出氣口閥門、增壓段軟管、環(huán)境箱閥門、壓力傳感器、環(huán)境箱底蓋進(jìn)出氣孔相連;所述真空栗依次與真空度傳感器、真空管路閥相連，真空管路閥分別接入真空段軟管和增壓段軟管，用于對環(huán)境箱內(nèi)部以及夾套與筒體之間構(gòu)成的空腔抽真空;真空段軟管的另一端經(jīng)抽氣閥與夾套上所設(shè)的用于抽真空的開孔相連;所述放空閥分別接入上述真空段軟管和增壓段軟管，用于控制試驗(yàn)裝置的放空泄壓;前述所有軟管主要用于設(shè)備在作簡諧振動時(shí)整個(gè)裝置的連接管路的緩沖減振； 所述換熱模塊包括通過工藝管路依次連接的制冷加熱機(jī)、進(jìn)液段軟管、所述環(huán)境箱底蓋上的進(jìn)口通道、所述換熱彎管、所述環(huán)境箱底蓋上的出口通道和出液段軟管，用于將制冷加熱機(jī)產(chǎn)生的換熱介質(zhì)傳輸?shù)江h(huán)境箱內(nèi)部進(jìn)行換熱，實(shí)現(xiàn)所需的高溫/低溫試驗(yàn)環(huán)境； 所述工控機(jī)用于控制增壓器、真空栗、激振器和制冷加熱機(jī)的運(yùn)行以及所有閥門的開啟；工控機(jī)與壓力傳感器、加速度傳感器、真空度傳感器、溫度傳感器、載荷傳感器均通過信號連接，進(jìn)行信號采集。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述夾套的頂端設(shè)有凸臺用于左矩形壓框和右矩形壓框的定位。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的試驗(yàn)裝置，其特征在于，所述隔熱陶瓷板由具有隔熱性能和抗壓性能的陶瓷材料制成，避免所述筒體的頂部與外周環(huán)境發(fā)生熱交換，同時(shí)能承受高壓氣體對筒體產(chǎn)生的軸向載荷并將其傳遞給左矩形壓框和右矩形壓框。
【文檔編號】G01N3/32GK106018139SQ201610505681
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年6月28日
【發(fā)明人】周池樓, 陳國華
【申請人】華南理工大學(xué)