专利名称：热应力循环试验装置的制作方法
技术领域：
热应力循环试验装置本实用新型涉及普通材料性能试验装置技术领域，具体地说是一种热应力循环试
验装置。材料(或零件)各部分受热不同，温度不同，便产生了热应力。温度的反复变化会引起材料热应力反复变化，在这种循环热应力作用下产生的疲劳破坏被称为热疲劳。例如，柴油机运转时，周期变化的高温燃气作用引起气缸盖底面(触火面)温度高达400 500°C，而冷却温度为60 80°C。气缸盖受热膨胀受冷收缩，由于受到外部约束产生循环压拉应力，最终导致气缸的热疲劳破坏。再者，火车机车车轮在间瓦踏面频繁制动情况下，摩擦产生大量的热量，使得车轮温度升高。停车后其温度又降低，由此车轮温度不断的升高和降低，必然使得车轮产生热疲劳损伤，所以车轮要定期检测更换等。以上事例说明，对应用材料的热疲劳损伤研究有广泛的实用价值和理论意义。但是如何在实验室中最大程度地模拟现实中材料的受热受力状态，一直是围绕学术界的难题。现实工程中，由于热疲劳损伤常常是热与力的耦合作用，单纯的温度改变已不能满足目前的科研要求。同时现有装置能实现高低温切换的频率、速度都很低，这既影响科研进度又耗费能源从而增加成本。中国专利公开号CN1796970，名称一种热疲劳试验机。此种热疲劳试验装置虽然涉及到对材料实验温度条件的循环变化，但温度变化的范围有缺陷，可实现的最低温度仅为冷水温度，同时冷却过程中会伴有氧化腐蚀发生，既费时又耗能。而且该装置只能实现单一的温度荷载，无法充分满足力与温度耦合的试验要求。本实用新型的目的就是要解决上述的不足而提供一种热应力循环试验装置，能最大限度地满足目前科研领域对热疲劳实验条件的要求，同时节约能源，数字程度化高。为实现上述目的设计一种热应力循环试验装置，包括加热系统、冷却系统和控制系统，所述加热系统置于冷却系统内，所述冷却系统采用氟利昂或液氮制冷幻境箱，所述加热系统包括保温箱体、保温箱体底座、载物台、加热装置、升降机构及热电偶，所述保温箱体通过升降机构配合连接保温箱体底座，所述保温箱体内的保温箱体底座上设有一空腔结构，所述空腔底部装有载物台，所述载物台外围设有加热装置、热电偶，所述加热装置安装在腔体内壁上，所述加热装置、热电偶由电路连接控制系统。所述升降机构包括电机、动触开关、支架及齿条，所述电机固定连接保温箱体下端，所述电机主轴装有齿轮，所述齿轮啮合连接齿条，所述齿条安装在支架上，所述支架安装在保温箱体底座上，所述支架上、下端分别设有动触开关，所述动触开关、电机由电路连接控制系统。所述支架两侧装有防滑片，所述防滑片另一端固定在保温箱体的侧面。所述加热装置为加热电阻丝，所述加热电阻丝通过耐高温金属卡片固定在保温箱体底座的腔体内壁上。所述保温箱体顶端、保温箱体底座底端均设有预留加载孔，所述预留加载孔内装有预留加载孔塞；所述氟利昂或液氮制冷幻境箱的顶端、底端均设有预留加载孔，所述预留加载孔内装有预留加载孔塞。所述控制系统包括时间控制电路、加热PID(闭环反馈式)控制电路、电源变压稳压器和数字调节显示界面。本实用新型有益效果结构新颖、简单，为试验研究提供了极大的方便，能最大限度地满足目前科研领域对热疲劳实验条件的要求，同时节约能源，数字程度化高，温度最大变化范围为-110°C +500°C (上限温度可通过更换加热丝型号和匝数改变)。操作自动化，可以满足在温度循环变化的同时实现对试验件施加机械力荷载的要求。
图1是本实用新型的结构示意图；图2是本实用新型的加热系统的结构示意图；图中1为预留加载孔塞、2为支架、3为保温箱体、4为加热电阻丝、5为保温箱体底座、6为载物台、7为热电偶、8为电机、9为腔体、10为防滑片、11为电线引出孔、13为预留加载孔、14为冷却系统、15为冷却系统控制部分、16为加热系统、17为动触开关、18为预留加载孔塞。
以下结合附图对本实用新型作以下进一步说明如图所示，本实用新型包括加热系统、冷却系统和控制系统。冷却系统采用氟利昂或液氮制冷幻境箱(实验室现有常用低温环境箱)，内部至少提供长X宽X高为 35X35X75cm的空间，氟利昂或液氮制冷可达到-110°C。加热系统置于氟利昂或液氮制冷幻境箱内，加热系统包括保温箱体1、保温箱体底座5、载物台6、加热装置、升降机构及热电偶7，所述保温箱体通过升降机构配合连接保温箱体底座，所述保温箱体内的保温箱体底座上设有一空腔结构，所述空腔底部装有载物台，所述载物台外围设有加热装置、热电偶， 所述加热装置为加热电阻丝4，所述加热电阻丝通过耐高温金属卡片固定在保温箱体底座的腔体9内壁上，所述加热装置、热电偶由电路连接控制系统。控制系统包括时间控制电路、加热PID控制电路、电源变压稳压器和数字调节显示界面。可滑动(上下方向)保温箱体3可通过升降机构的齿轮齿条啮合实现上下移动， 保温箱体的标准尺寸为25 X 25 X 25cm,外部蒙皮为铝合金，厚度3mm ；内部为镶嵌式保温隔热棉，采用氧化铝多晶纤维棉制作而成，厚度为30mm。保温箱体3的可滑动性质可以保证试验样品的取放和温度升降的调控，其升降速度由电机8的转数控制，电机通过固定片固结于保温箱体下端，升降时间由控制系统决定。预留加载孔塞1与预留孔配合使用，其材质为 ZLlOl铝合金，在单纯的温度疲劳试验中其处于塞紧状态，如需热应力与载荷应力同时作用时，打开预留加载孔塞1，将力学试验机试验棒插入，完成外部载荷的加载，实现热应力与机械应力耦合作用的试验要求。加热电阻丝4通过多个耐高温金属卡片固定在保温箱体底座的腔体内壁上(共四组)，为直径0. 5mm的镍铬电阻丝，长度为6mm，缠绕半径为5mm，工作功率3KW，可以通过调整电阻丝的匝数来满足不同试验所需求的目标温度，其加热时间由热电偶反馈信号后由控制系统调控。温度箱体底座5为耐高温处理过的16Mn钢，尺寸为30 X 30 X 1cm，其与保温箱体3形成配合，为热疲劳试验件提供试验空间条件。载物台6为氧化铝多晶纤维棉，尺寸为 20X20X2cm，充满加热腔底部。热电偶7采用镍铬-镍硅标准热电偶(日本林电生产)，位于载物台6两端各一支，用于感受温度箱内部反应温度，并通过引线将信号反馈给控制系统。电线引出孔11用于加热电阻丝4、热电偶7、电机8引线的引出。所述升降机构包括电机8、动触开关17、支架2及齿条，所述电机固定连接保温箱体3下端，所述电机主轴装有齿轮，所述齿轮啮合连接齿条，所述齿条安装在支架上，所述支架安装在保温箱体底座上，所述支架上、下端分别设有动触开关，所述动触开关、电机由电路连接控制系统。启动电机8带动齿轮旋转，通过与支架2表面齿条啮合，使保温箱体 3实现上下运动，支架2上下两端各安装一触动开关17，当电机上升到极限位置时触动开关，控制系统停止供电，电机8固定不动。其中防滑片10与保温箱体侧面固定连接，夹紧在支架2两侧，以防止上升过程中机箱产生侧滑。以上是整个装置的机械构造，下面对装置工作进程进行说明试验前在操作面板中设置好温度循环次数A，电机转数B，加热目标温度C，冷却目标温度D，保温箱体闭合保温时间E，保温箱体开启冷却时间F，控制系统将此信息集成与电路板中对机械装置进行控制。初始状态为保温箱体开启，即保温箱体位于最高处，试验件位于腔体内部载物台6中央。试验开始电机8转动，保温箱体向下运动，防滑片10保证保温箱体3竖直方向移动而不发生侧滑。到达底部时保温箱体3触碰触动开关，电机停转，加热电阻丝4通电升温，热电偶7实时反馈腔体内温度，最终到达目标加热温度C。进入保温状态达到保温时间后电机反转，保温箱体3向上运动，升至顶端时触碰触动开关，电机停止，外界冷空气进入达到低温温度，达到保温时间，最后电机再次转动，进入下一个循环。
权利要求1.一种热应力循环试验装置，包括加热系统、冷却系统和控制系统，其特征在于所述加热系统置于冷却系统内，所述冷却系统采用氟利昂或液氮制冷幻境箱，所述加热系统包括保温箱体、保温箱体底座、载物台、加热装置、升降机构及热电偶，所述保温箱体通过升降机构配合连接保温箱体底座，所述保温箱体内的保温箱体底座上设有一空腔结构，所述空腔底部装有载物台，所述载物台外围设有加热装置、热电偶，所述加热装置安装在腔体内壁上，所述加热装置、热电偶由电路连接控制系统。
2.如权利要求1所述的热应力循环试验装置，其特征在于所述升降机构包括电机、动触开关、支架及齿条，所述电机固定连接保温箱体下端，所述电机主轴装有齿轮，所述齿轮啮合连接齿条，所述齿条安装在支架上，所述支架安装在保温箱体底座上，所述支架上、下端分别设有动触开关，所述动触开关、电机由电路连接控制系统。
3.如权利要求2所述的热应力循环试验装置，其特征在于所述支架两侧装有防滑片， 所述防滑片另一端固定在保温箱体的侧面。
4.如权利要求1、2或3所述的热应力循环试验装置，其特征在于所述加热装置为加热电阻丝，所述加热电阻丝通过耐高温金属卡片固定在保温箱体底座的腔体内壁上。
5.如权利要求1、2或3所述的热应力循环试验装置，其特征在于所述保温箱体顶端、 保温箱体底座底端均设有预留加载孔，所述预留加载孔内装有预留加载孔塞；所述氟利昂或液氮制冷幻境箱的顶端、底端均设有预留加载孔，所述预留加载孔内装有预留加载孔塞。
6.如权利要求5所述的热应力循环试验装置，其特征在于所述控制系统包括时间控制电路、闭环反馈式加热控制电路、电源变压稳压器和数字调节显示界面。
专利摘要本实用新型涉及一种热应力循环试验装置，包括加热系统、冷却系统和控制系统，所述加热系统包括保温箱体、保温箱体底座、载物台、加热装置、升降机构及热电偶，所述保温箱体通过升降机构配合连接保温箱体底座，保温箱体底座上设有一空腔结构，所述空腔底部装有载物台，所述载物台外围设有加热装置、热电偶，所述加热装置安装在腔体内壁上，所述加热装置、热电偶由电路连接控制系统；本实用新型有益效果结构新颖、简单，为试验研究提供了极大的方便，能最大限度地满足目前科研领域对热疲劳实验条件的要求，同时节约能源，数字程度化高，操作自动化，可以满足在温度循环变化的同时实现对试验件施加机械力荷载的要求。
文档编号G01N3/60GK202041431SQ201120110980
公开日2011年11月16日 申请日期2011年4月15日 优先权日2011年4月15日
发明者冯淼林, 刘畅, 孟祥琦, 李晨, 许金泉 申请人:孟祥琦, 许金泉