一种氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统的制作方法

文档序号:10611183阅读:498来源:国知局
一种氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统,其包括:一混合气充气子系统,其包括:预混合充气罐柜;以及氧气源和氩气源,该氧气源和氩气源分别通过一质量流量计与所述预混合充气罐柜连接,其中,所述质量流量计根据一计算机工控子系统提供的预设比例控制所述氧气源和氩气源向所述预混合充气罐柜提供预设比例的氧气和氩气;一力学加载主机;所述充气高温炉安装在所述主机机柜与主机横梁之间;以及一与所述充气高温炉连接的循坏水冷子系统。本发明对测试系统整体重新设计,增设混合气充气子系统,关键部件全部针对充氧环境应用场合进行改进,使得测试系统可满足氧分压可控的蠕变疲劳性能测试需求,氧分压多级可控,测试精度高,运行稳定安全。
【专利说明】
一种氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统
技术领域
[0001]本发明涉及一种材料性能测试系统,尤其涉及一种氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统。
【背景技术】
[0002]在能源动力、石油化工和航空航天等领域中,许多结构部件长期运行在复杂载荷条件下,对服役材料在环境-蠕变-疲劳交互作用下破坏行为的研究及性能测试是材料结构完整性研究中最为重要的环节之一,因此需进行大量的试验研究。
[0003]传统的力学试验机已广泛应用于材料力学性能测试领域。常见的如:测试材料高温蠕变性能的蠕变试验机,通过该试验机,材料通过高温炉加热至指定温度,通过机械式或电磁式加载长时单向载荷;测试材料疲劳性能的常温疲劳实验机,通过该实验机,通过电磁伺服电机或电液伺服系统加载正负向交变载荷,同时其可通过加挂高温炉或环境箱等设备达到高温试验温度要求,并控制加载波形,一定程度上也可完成前述蠕变试验机功能。
[0004]根据实际工况,高温材料常暴露在大气环境、富氧环境,或高原缺氧环境等不同情况下,材料性能测试需求也随工程应用复杂情况同步发展,然而一般通过加挂高温炉或环境箱的疲劳试验机或普通蠕变试验机,都无法实现充氧气氛要求,通常问题有:无法保压、无法控制氧分压、无防爆措施、炉内部件易氧化等技术缺陷。因此迫切需要可提供充氧气氛试验条件,满足模拟实际工况要求的氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统。

【发明内容】

[0005]为了解决上述现有技术存在的问题,本发明旨在提供一种氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统,以实现在充氧条件下进行氧分压可控的材料蠕变疲劳性能测试。
[0006]本发明所述的一种氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统,其包括:
[0007]—混合气充气子系统,其包括:
[0008]通过一电磁阀与一充气高温炉连接的预混合充气罐柜;以及
[0009]氧气源和氩气源,该氧气源和氩气源分别通过一质量流量计与所述预混合充气罐柜连接,其中,所述质量流量计根据一计算机工控子系统提供的预设比例控制所述氧气源和氩气源向所述预混合充气罐柜提供预设比例的氧气和氩气;
[00?0] —力学加载主机,其包括:
[0011]主机机柜;以及
[0012]架设在所述主机机柜上方的主机横梁;
[0013]所述充气高温炉安装在所述主机机柜与主机横梁之间,该充气高温炉包括:
[0014]卧式对开门充气室;
[0015]悬置在所述卧式对开门充气室中央的马弗管加热炉,其内部设置有待测试样,且该待测试样的上下两端分别连接有与所述主机横梁连接的上拉杆夹具和与所述主机机柜连接的下拉杆夹具;以及
[0016]套设在所述马弗管加热炉外的阻氧陶瓷热障;
[0017]与所述待测试样连接的变形测量引伸计,其安装在一设置于所述卧式对开门充气室一侧的引伸计室中;以及
[0018]—与所述充气高温炉连接的循坏水冷子系统。
[0019]在上述的氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统中,所述预混合充气罐柜包括:
[0020]柜体;
[0021]设置在所述柜体上并分别与所述氧气源和氩气源连接的氧气进口和氩气进口;
[0022]设置在所述柜体内并同时与所述氧气进口和氩气进口连接的预混合充气罐;以及[0023 ]设置在所述柜体底面的万向轮。
[0024]在上述的氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统中,所述力学加载主机还包括:
[0025]竖直安装在所述主机机柜顶面的移动立柱,所述主机横梁可移动地安装在所述移动立柱上;
[0026]设置在所述主机横梁顶面的力学传感器;以及
[0027]分别设置在所述主机横梁的底面以及所述主机机柜的顶面的主机上连接法兰和主机下连接法兰,其中,所述主机上连接法兰与所述上拉杆夹具连接,所述主机下连接法兰与所述下拉杆夹具连接。
[0028]在上述的氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统中,所述卧式对开门充气室包括中空的壳体以及分别封闭所述壳体的前、后两端的前门和后门;
[0029]所述马弗管加热炉包括前加热炉体和后加热炉体;
[0030]所述阻氧陶瓷热障包括分别设置在所述前加热炉体的前侧和所述后加热炉体后侧的前热障和后热障,该前热障和后热障分别与固定安装在所述前门和后门上的前门水冷托架和后门水冷托架连接。
[0031]在上述的氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统中,所述卧式对开门充气室通过充气室支架可前后移动地连接在安装于所述主机机柜顶面的移动导轨上。
[0032]在上述的氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统中,所述前门的内侧面上还设有前马弗管电极座和前观察孔,其外侧面上还设有与所述前马弗管电极座位置对应的前电极座防爆罩、与所述前观察孔位置对应的前观察孔视窗以及与所述前门水冷托架连接的前门水冷进出口;
[0033]所述后门的内侧面上还设有后马弗管电极座和后观察孔,其外侧面上还设有与所述后马弗管电极座位置对应的后电极座防爆罩以及与所述后观察孔位置对应的后观察孔视窗,且该后门上还设有与所述电磁阀连接的进气针阀以及与所述后门水冷托架连接的后门水冷进出口;
[0034]所述壳体的外壁上还设有放气针阀,其内壁上还设有裂纹扩展测量预留电极座。
[0035]在上述的氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统中,所述上拉杆夹具依次通过设置在所述壳体上侧外壁上的拉杆波纹管和上拉杆连接法兰与所述主机横梁连接;所述下拉杆夹具依次通过设置在所述壳体下侧外壁上的下拉杆波纹管和下拉杆连接法兰与所述主机机柜连接,其中,所述上拉杆连接法兰上还设有上拉杆水冷进出口,所述下拉杆连接法兰上还设有下拉杆水冷进出口。
[0036]在上述的氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统中,所述循环水冷子系统包括:
[0037]水冷压缩机外机;以及
[0038]与所述水冷压缩机外机连接的水冷压缩机内机,其通过软管分别与所述前门水冷进出口、后门水冷进出口、上拉杆水冷进出口和下拉杆水冷进出口连接。
[0039]在上述的氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统中,所述计算机工控子系统包括:
[0040]电气控制柜,其内部集成有用于监测所述测试系统运行参数的监测仪表以及电气开关;以及
[0041 ]计算机,其通过RJ45通信接口与所述电气控制柜交换数据,且该计算机配置为用于向所述质量流量计提供所述预设比例及控制测试过程,并记录存储测试数据。
[0042]由于采用了上述的技术解决方案,本发明对测试系统整体重新设计,增设混合气充气子系统,关键部件全部针对充氧环境应用场合进行改进,使得测试系统可满足氧分压可控的蠕变疲劳性能测试需求,氧分压多级可控,测试精度高,运行稳定安全。本发明主要可完成O?100 %范围内,精度I %氧分压下,疲劳、蠕变、疲劳蠕变交互等多种材料性能测试。
【附图说明】
[0043]图1是本发明一种氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统的结构俯视图;
[0044]图2是本发明中预混合充气罐柜的内部结构示意图;
[0045]图3是本发明中充气高温炉在打开状态下的结构正视图;
[0046]图4是本发明中带有充气高温炉的力学加载主机的结构正视图,其中,充气高温炉处于关闭状态;
[0047]图5是本发明中混合气充气子系统的控制流程框图。
【具体实施方式】
[0048]下面结合附图,给出本发明的较佳实施例,并予以详细描述。
[0049]如图1-4所示,本发明,即一种氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统,其包括:混合气充气子系统、力学加载主机U、充气高温炉12、变形测量引伸计31、循坏水冷子系统以及计算机工控子系统。
[0050]具体来说,混合气充气子系统包括:高真空机组3、氧气源5、氩气源6以及预混合充气罐柜10,其中,
[0051]高真空机组3通过高真空蝶阀4与充气高温炉12连接,以预抽真空排净充气高温炉12内的空气;
[0052]氧气源5和氩气源6分别依次通过减压阀7、质量流量计8与预混合充气罐柜10连接,以按由计算机工控子系统提供的预设比例向预混合充气罐柜10提供氧气和氩气,从而使混合气达到氧分压可控要求;
[0053 ]预混合充气罐柜1通过电磁阀9与充气高温炉12连接;
[0054]其中,预混合充气罐柜10具体包括:
[0055]柜体100;
[0056]设置在柜体100上并分别与氧气源5和氩气源6连接的氧气进口 17和氩气进口 16;
[0057]设置在柜体100内并同时与氧气进口17和氩气进口 16连接的预混合充气罐20;以及
[0058]设置在柜体100底面的万向轮21。
[0059]具体来说,力学加载主机11包括:
[0060]主机机柜60,其内部含有电磁伺服电机及丝杆等加载动力源;
[0061 ] 竖直安装在主机机柜60顶面的移动立柱55 ;
[0062]可移动地安装在移动立柱55上的主机横梁50;
[0063]设置在主机横梁50顶面的力学传感器54(其功能是检测负载力大小,与设定值对比从而控制测试过程,由于力学传感器54为所有力学主机都具有的仪器,故此处不再赘述);以及
[0064]分别设置在主机横梁50的底面以及主机机柜60的顶面的主机上连接法兰56和主机下连接法兰58。
[0065]在本实施例中,力学加载主机11为传统电磁伺服加载系统,主要选型要求为传动无间隙。
[0066]具体来说,充气高温炉12包括:
[0067]卧式对开门充气室,其包括中空的壳体22以及分别通过前门密封螺栓57和与之对称的后门密封螺栓(图中未示)封闭壳体22的前后两端的前门47和后门48,该卧式对开门充气室通过充气室支架35可前后移动地连接在安装于主机机柜60顶面的移动导轨59上,从而可通过与该卧式对开门充气室连接的炉体移动托架13,使该卧式对开门充气室前后移动,从而方便机器装卸及维修,整个充气高温炉12可以与力学加载主机11方便分离;
[0068]马弗管加热炉,其包括前加热炉体43和后加热炉体34;
[0069]套设在马弗管加热炉外的阻氧陶瓷热障,其包括分别设置在前加热炉体43的前侧和后加热炉体34后侧的前热障44和后热障33,该前热障44和后热障33分别与固定安装在前门47和后门48上的前门水冷托架46和后门水冷托架49连接,从而当前、后门47、48关闭时,马弗管加热炉通过前、后水冷托架46、49悬置在卧式对开门充气室中央,同时,由于采用了阻氧陶瓷热障替代常规多晶莫来石或矿渣棉填充物,因此,既保证了炉壁低温,又使得纯氧气氛损耗小、无脱落杂质,由此马弗管加热炉的热量不会热传导至壳体22;
[0070]其中,马弗管加热炉内设置有待测试样32,该待测试样32的上下两端分别连接有上拉杆夹具27和下拉杆夹具36,该上拉杆夹具27依次通过设置在壳体22上侧外壁的上拉杆波纹管25和上拉杆连接法兰23与主机上连接法兰56连接,该下拉杆夹具36依次通过设置在壳体22下侧外壁的下拉杆波纹管37和下拉杆连接法兰40与主机下连接法兰58连接,进而与主机机柜60内的加载动力源连接,其中,上拉杆连接法兰23上还设有上拉杆水冷进出口 24,下拉杆连接法兰40上还设有下拉杆水冷进出口 38;同时,该待测试样32还与变形测量引伸计31连接(变形测量引伸计31的作用是测量待测试样32的变形大小,原理是测量引伸杆张开角度;作为重要试验数据记录,也可作为测试控制反馈参数;此种类变形测量引伸计为疲劳试验机常见,故此处不再赘述),且该变形测量引伸计31通过其自带的支架安装在设置于壳体22外壁的引伸计室30中(在使用温度300°C-1000°C时,卧式对开门充气室内温度<100°C,引伸计室内温度<70°C);
[0071]另外,前门47的内侧面上还设有前马弗管电极座42(通过该前马弗管电极座42可为前加热炉体43供电)和前观察孔45,其外侧面上还设有与前马弗管电极座42位置对应的前电极座防爆罩51、与前观察孔45位置对应的前观察孔视窗52以及与前门水冷托架46连接的前门水冷进出口 53;后门48的内侧面上还设有后马弗管电极座28 (通过该后马弗管电极座28可为后加热炉体34供电)和后观察孔29,其外侧面上还设有与后马弗管电极座28位置对应的后电极座防爆罩(图中未示)(由于炉体内部是全密封的无可燃物无法着火,但外部外泄氧气可能同时有可燃物,炉体周围不能允许打电火花,所以防爆罩需设置在前后门外部)和与后观察孔29位置对应的后观察孔视窗(图中未示),后门48上还设有与电磁阀9连接的进气针阀39以及与后门水冷托架49连接的后门水冷进出口(图中未示);壳体22的外壁上还设有放气针阀26,其内壁上还设有裂纹扩展测量预留电极座41(其为一个特殊试验需求预留的12V电极座,不用时不通电,用时为另外仪器供电)。
[0072]在本实施例中,充气高温炉12的炉内总容积为20L;上拉杆波纹管25和下拉杆波纹管37通过选型保证压力由7.0X10-3Mpa-0.13Mpa下动密封性能,以保证整个充气过程无泄漏;上拉杆夹具27和下拉杆夹具36由K465合金制成,以保证高温强度和抗氧化性能;前、后观察孔45、29可供实验人员实时观察试验进程,且充气高温炉12内无可燃物质,满足了高温充氧试验安全要求。
[0073]具体来说,循环水冷子系统具体包括:
[0074]水冷压缩机外机I;以及
[0075]与水冷压缩机外机I连接的水冷压缩机内机2,其通过软管分别与前门水冷进出口53、后门水冷进出口、上拉杆水冷进出口 24和下拉杆水冷进出口 38连接,从而同时为前门水冷托架46、后门水冷托架49、前面47、后门48、上拉杆夹具27和下拉杆夹具36提供循环冷却水。
[0076]在本实施例中,水冷压缩外机I和水冷压缩机内机2作为为制冷源及动力源,可选型为高功率压缩机。
[0077]具体来说,计算机工控子系统包括:
[0078]电气控制柜14,其中集成有用于监测系统运行参数的监测仪表以及相应的电气开关,其中,各监测仪表分别通过各自的仪表接线与各监测点连接;以及
[0079]计算机15,其通过RJ45通信接口与电气控制柜交换数据,其主要功能为软件设定实验参数(不仅仅包括质量流量,还有力学实验常规参数的设定)、控制测试过程及记录存储测试数据。
[0080]例如,除了常见疲劳试验机监测的载荷、位移、变形外,还可以通过一对气压表监测充气高温炉12内的压力以及预混合充气罐20内的压力;通过一对温控表监测及控制马弗管加热炉内上下段的温度;通过一对温度巡检表监测卧式对开门充气室内的温度以及引伸计室30内的温度;通过一对电流表监测马弗管加热炉上下段炉丝的加热电流;通过一个电阻真空计监测预抽真空阶段中充气高温炉12内的真空度;通过水冷压缩机自带仪表监测循环冷却水压力及水温。通过如上监测仪表完成监测,并通过计算机15内的软件完成监测数据的实时显示、相应参数修改控制及超限报警。
[0081 ]如图5所示,本发明中混合气充气子系统的工作过程如下:
[0082]首先,由计算机15的软件写入目标氧分压后,高真空机组3启动,高真空蝶阀4开启,将充气高温炉12内抽至真空度7.0xl0-3pa。达到此目标值后,高真空蝶阀4关闭,高真空机组3关闭。
[0083]然后,质量流量计8根据目标氧分压进行如下换算设定值:氧气流量设定值=20L/minX氧分压目标值,氩气流量设定值= 20L/minX(l-氧分压目标值);氧气源5与氩气源6分别经各自的减压阀7减压至0.4MPa后供气,并按各自的质量流量计8的设定值,对预混合充气罐20内进行充气,充气达0.4Mpa后质量流量计8关闭,停止充气。
[0084]接着,预混合充气罐20再经电磁阀9、进气针阀39对充气高温炉12内进行充气;由压力表监测充气高温炉12内气压小于0.12MPa时电磁阀9始终保持开启,大于0.12Mpa时电磁阀9关闭,停止对炉内充气。预混合充气罐20的容积为1L,罐内最高气压为0.4Mpa,高于减压阀7出口压力后两种气源流量都为0,计算机15通过每隔20s向质量流量计8发送设定值,若预混合充气罐20内气压低于0.4MPa,则按设定值对预混合充气罐20内进行补气。放气针阀26为机械式气门,设计放气压为0.13Mpa,当充气高温炉12内气压高于0.13Mpa时将安全泄压。完成第一次充气后,后续加热等试验步骤再启动。整个试验过程中,混合充气装置始终保持运行,高真空机组3不再开启。通过前级预混合及两个独立闭环控制流程,保证充气高温炉12内气压稳定在0.12Mpa-0.13Mpa之间,同时保证0%?100%氧分压范围内,1%氧分压控制精度。
[0085]实验表明,本发明能测试Φ6、Φ8总长10mm圆形拉压疲劳试样蠕变疲劳性能,并完成紧凑拉伸等试样的裂纹扩展试验。本发明系统的合适工作温度区间为300°C?100tC,温度波动< ±3°C。本发明系统的最大试验力为:静态100KN;动态土50KN;力控制波动度为±0.5%。本发明系统的变形测量量程为土 3mm ;变形测量误差为±0.5% FS。由此可见,本发明可完成O?100 %范围内,精度I %氧分压下,疲劳、蠕变、疲劳蠕变交互等多种材料性能测试。
[0086]以上所述的,仅为本发明的较佳实施例,并非用以限定本发明的范围,本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰,皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。
【主权项】
1.一种氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统,其特征在于,所述测试系统包括: 一混合气充气子系统,其包括: 通过一电磁阀与一充气高温炉连接的预混合充气罐柜;以及 氧气源和氩气源,该氧气源和氩气源分别通过一质量流量计与所述预混合充气罐柜连接,其中,所述质量流量计根据一计算机工控子系统提供的预设比例控制所述氧气源和氩气源向所述预混合充气罐柜提供预设比例的氧气和氩气; 一力学加载主机,其包括: 主机机柜;以及 架设在所述主机机柜上方的主机横梁; 所述充气高温炉安装在所述主机机柜与主机横梁之间,该充气高温炉包括: 卧式对开门充气室; 悬置在所述卧式对开门充气室中央的马弗管加热炉,其内部设置有待测试样,且该待测试样的上下两端分别连接有与所述主机横梁连接的上拉杆夹具和与所述主机机柜连接的下拉杆夹具;以及 套设在所述马弗管加热炉外的阻氧陶瓷热障; 与所述待测试样连接的变形测量引伸计,其安装在一设置于所述卧式对开门充气室一侧的引伸计室中;以及 一与所述充气高温炉连接的循坏水冷子系统。2.根据权利要求1所述的氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统,其特征在于,所述预混合充气罐柜包括: 柜体; 设置在所述柜体上并分别与所述氧气源和氩气源连接的氧气进口和氩气进口 ; 设置在所述柜体内并同时与所述氧气进口和氩气进口连接的预混合充气罐;以及 设置在所述柜体底面的万向轮。3.根据权利要求1所述的氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统,其特征在于,所述力学加载主机还包括: 竖直安装在所述主机机柜顶面的移动立柱,所述主机横梁可移动地安装在所述移动立柱上; 设置在所述主机横梁顶面的力学传感器;以及 分别设置在所述主机横梁的底面以及所述主机机柜的顶面的主机上连接法兰和主机下连接法兰,其中,所述主机上连接法兰与所述上拉杆夹具连接,所述主机下连接法兰与所述下拉杆夹具连接。4.根据权利要求1所述的氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统,其特征在于,所述卧式对开门充气室包括中空的壳体以及分别封闭所述壳体的前、后两端的前门和后门; 所述马弗管加热炉包括前加热炉体和后加热炉体; 所述阻氧陶瓷热障包括分别设置在所述前加热炉体的前侧和所述后加热炉体后侧的前热障和后热障,该前热障和后热障分别与固定安装在所述前门和后门上的前门水冷托架和后门水冷托架连接。5.根据权利要求1所述的氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统,其特征在于,所述卧式对开门充气室通过充气室支架可前后移动地连接在安装于所述主机机柜顶面的移动导轨上。6.根据权利要求4或5所述的氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统,其特征在于,所述前门的内侧面上还设有前马弗管电极座和前观察孔,其外侧面上还设有与所述前马弗管电极座位置对应的前电极座防爆罩、与所述前观察孔位置对应的前观察孔视窗以及与所述前门水冷托架连接的前门水冷进出口 ; 所述后门的内侧面上还设有后马弗管电极座和后观察孔,其外侧面上还设有与所述后马弗管电极座位置对应的后电极座防爆罩以及与所述后观察孔位置对应的后观察孔视窗,且该后门上还设有与所述电磁阀连接的进气针阀以及与所述后门水冷托架连接的后门水冷进出口; 所述壳体的外壁上还设有放气针阀,其内壁上还设有裂纹扩展测量预留电极座。7.根据权利要求6所述的氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统,其特征在于,所述上拉杆夹具依次通过设置在所述壳体上侧外壁上的拉杆波纹管和上拉杆连接法兰与所述主机横梁连接;所述下拉杆夹具依次通过设置在所述壳体下侧外壁上的下拉杆波纹管和下拉杆连接法兰与所述主机机柜连接,其中,所述上拉杆连接法兰上还设有上拉杆水冷进出口,所述下拉杆连接法兰上还设有下拉杆水冷进出口。8.根据权利要求7所述的氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统,其特征在于,所述循环水冷子系统包括: 水冷压缩机外机;以及 与所述水冷压缩机外机连接的水冷压缩机内机,其通过软管分别与所述前门水冷进出口、后门水冷进出口、上拉杆水冷进出口和下拉杆水冷进出口连接。9.根据权利要求1所述的氧分压可控的蠕变疲劳性能测试系统,其特征在于,所述计算机工控子系统包括: 电气控制柜,其内部集成有用于监测所述测试系统运行参数的监测仪表以及电气开关;以及 计算机,其通过RJ45通信接口与所述电气控制柜交换数据,且该计算机配置为用于向所述质量流量计提供所述预设比例及控制测试过程,并记录存储测试数据。
【文档编号】G01N3/38GK105973693SQ201610531614
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】张显程, 朱旭旻, 谈建平, 涂善东, 张成成, 轩福贞, 马双伟, 王慧, 刘利强, 聂潇乾
【申请人】华东理工大学, 中航商用航空发动机有限责任公司, 长春机械科学研究院有限公司
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