一种可在线观测的高效冷热疲劳试验装置及方法
【专利摘要】一种可在线观测的高效冷热疲劳试验装置及方法，属于金属材料性能测试和分析领域。其特点是试样安装在辐条状支架上，通过无极变频电机以及传送带带动辐条状支架旋转，实现试样在一侧开口的分段式环型感应加热炉中的运动加热。环型感应加热炉下方为淬火剂容器，试样支架每旋转一周，试样进行一次冷-热疲劳。辐条状试样支架上可以同时安装多个试样以提高实验效率。试样每进行一次淬火处理，在进入环型感应加热炉之前对试样进行在线观测及拍照，记录热疲劳裂纹的形核和扩展过程，测量疲劳裂纹扩展速率。优点是满足了批量试样冷-热疲劳的实验需求，缩短了实验周期，提高了实验效率，并且可对制动盘以及车轮钢的材料真实服役条件进行可在线观察的模拟和测试。
【专利说明】一种可在线观测的高效冷热疲劳试验装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种冷热疲劳实验装置和方法，属于金属材料性能测试和分析领域。【背景技术】
[0002]随着我国列车运行速度的提高以及高速列车的迅速发展，列车运行的安全性受到广泛的重视，车轮及制动盘作为高速列车的重要结构部件，其服役性能是关系列车运行安全的一个重要指标。高速列车在制动尤其是紧急制动过程中经受制动盘与刹车片摩擦产生类似于感应加热和淬火过程的冷-热疲劳现象以及由于制动盘截面上的温度梯度导致的热应力作用。车轮与闸瓦之间也存在摩擦生热，它会导致车轮踏面的热疲劳裂纹。为了评价服役过程中制动盘、车轮材料的性能，需要对其进行热疲劳测试。传统条件下的冷-热疲劳性能测试效率低，实验时间较长，难以用统计方法对材料性能进行可靠性评估。并且传统设备不可在线观测，因此不能准确的表征材料疲劳开裂的条件以及疲劳裂纹的扩展行为。因此对于制动盘及车轮材料的性能评价和寿命预测带来很大的不确定性，同时对制动盘和车轮材料的性能提高指导性不强。针对上述出现的不足，本发明的主要目的是为了满足批量试样冷-热疲劳的实验需求，实现对制动盘以及车轮钢的材料真实服役条件进行高效率并且可在线观察的模拟和测试。
[0003]不仅车轮及制动盘材料，工程材料在冷热循环交替服役条件下的材料还有很多，如飞机发动机叶片、燃气发动机缸体材料等，对其热疲劳性能的评价和表征同样重要，该发明也可以对这些材料进行模拟和测试。
【发明内容】
[0004]本发明的技术方案是利用分段式环型感应加热炉装置对试样进行加热，提高试样加热效率，使得试样升到规定的温度的时间大大缩短。每一批次实验试样的个数最多可达几十个，可以根据实际需要进行任意调整，大大提高了实验效率，并且可以起到节能的效果。试样经过一次冷-热疲劳后，在进入加热炉入口处设有试样观察位置，可以对试样的表面进行在线观测，以便观察和测量热疲劳裂纹形成和扩展的情况，并进行拍照。
[0005]一种可在线观测的高效冷热疲劳试验装置，由可旋转轮毂、强风装置、位置成像观察记录仪、辐条、感应加热炉炉体、红外测温仪、试样、冷却剂容器、传送带、无极变频电动机组成。设备的结构如图1所示，分为加热装置、试样夹持装置、传动装置、冷却装置以及在线观测装置五部分。加热装置为分段式非完整圆环型环型感应加热炉，试样夹持装置包括旋转轮毂、辐条，传动装置包括传送带、无极变频电动机，在线观测装置包括位置成像观察记录仪、红外测温仪，冷却装置即冷却剂容器。冷热疲劳试验装置的最上方是加热装置，采用非完整圆分段式环型感应加热炉。环型感应加热炉炉体的入口端部，设置强风装置、位置成像观察记录仪。强风装置用来干燥试样，位置成像观察记录仪用来对试样表面进行在线观察，可对试样表面进行图像采集，观测试样表面形貌，尤其是对疲劳裂纹的形成及扩展的观测。环型感应加热炉炉体的出口端设置红外测温仪，用来测量试样在进入淬火介质前的温度，以保证达到规定的淬火加热温度。环型感应加热炉炉体的下方，设置淬火冷却介质容器，用来进行淬火试验过程。
[0006]环型感应加热炉炉体的回转圆心部位，设置可旋转轮毂，轮毂的前侧装载辐条，辐条对试样进行夹持，辐条的数量根据实验需要来确定。轮毂的后侧设置皮带或者飞轮，用来连接传动装置，传动装置的另一端连接无极变频电动机，通过电动机的转动，来实现轮毂带动辐条，进而带动试样在环型感应加热炉中的转动。
[0007]分段式非完整圆环型环型感应加热炉，根据加热炉炉体的尺寸大小可将其分为若干段。其温度控制区域可分为2-4段。圆环回转角度可根据加热炉炉体的尺寸具体选择，一般情况在180-270°之间。环型感应加热炉的试样入口侧炉段温度应适当高于目标温度30-50°C，以充分利用高温加热效果，提高加热速率。试样出口侧炉段温度设为目标温度，以保证实验温度的准确性。加热炉炉体截面如图2所示，加热炉炉体一侧开口，试样通过可旋转轮毂带动的辐条夹持通过开口侧进入加热炉。
[0008]试样夹持辐条为套管式可伸缩设计，辐条实际长度可根据试样类型及尺寸进行调节。辐条安装在轮毂上，轮毂由无极变频电机驱动，根据加热炉工况计算试样在加热炉中的运动速度，以此来调整轮毂旋转速度，运动速度一般为0.15-0.2° /S，以保证试样在加热炉中的加热效果。轮毂上辐条数量可根据实验要求增加，一般为8-30根，以达到最大的试验效率。
[0009]环型感应加热炉下侧放置淬火剂容器。容器尺寸及淬火剂深度根据试样形状及尺寸确定。淬火时，使得试样刚好没于淬火剂中为宜。淬火剂容器内部设有溶液冷却装置，以保障淬火过程中淬火剂温度基本不变，淬火剂一般选择水或者油作为淬火冷却介质。
[0010]试样每次淬火结束，在出淬火剂液面后设置强风装置，对试样进行吹干。试样吹干后在进入感应加热炉之前有一实验观察区，可进行试样的在线观测。利用位置成像记录仪进行观测拍照，记录热疲劳裂纹的形核和扩展过程，以及记录裂纹形貌及测量热疲劳裂纹扩展速率。
[0011]实验试样可以是棒状试样、板状试样、块状试样等，试样最小尺寸不受限制，最大尺寸根据感应加热炉炉体尺寸确定。试样可根据实验需要预制缺口或裂纹，缺口或裂纹的位置的确定要确保加热和淬火的效果。
[0012]本发明优点是满足了批量试样冷-热疲劳的实验需求，缩短了实验周期，提高了实验效率，并且可对制动盘以及车轮钢的材料真实服役条件进行可在线观察的模拟和测试。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为热疲劳实验装置示意图，其中I为可旋转轮毂，2为强风装置，3为位置成像观察记录仪，4为辐条,5为感应加热炉炉体,6为红外测温仪,7为试样,8为冷却剂容器,9为传送带，10为无极变频电动机。
[0014]图2为感应加热炉炉体横A-A截面结构示意图，其中11为高频感应加热电阻丝。【具体实施方式】
[0015]1.装置构成及组装[0016]I)加热装置
[0017]加热装置为分段式环型感应加热炉，回转环型感应加热炉内径及外径根据实验用试样的尺寸确定。环型感应加热炉回转角度一般取180-270°。放置时，回转对称轴沿水平方向。非完整环形缺口部分在下方。如附图1所示。环型感应加热炉一般分为2-4段，一方面便于制造，另一方面便于分温度区间控制。
[0018]2)试样夹持装置
[0019]试样通过辐条来夹持上，辐条固定在可旋转轮毂上。安装时，轮毂旋转中心与环型感应加热炉回转中心重合，以便试样运动轨迹与加热炉的环形炉膛一致。辐条为套管式可伸缩设计，辐条实际长度可根据试样类型及尺寸进行调节。轮毂上辐条数可根据实验要求增加，以达到最大的试验效率。
[0020]3)传动装置
[0021 ] 轮毂通过皮带或链条由变频电机驱动，通过调节无级变频电机转速来调整轮毂旋转速度
[0022]4)淬火装置
[0023]试样淬火在淬火槽中进行，淬火池置于环型感应加热炉下方，如附图1所示。当试样运动出环型感应加热炉时,进入淬火槽,淬火槽深度及淬火介质液面高度根据试样长度确定。为确保淬火槽中淬火介质温度基本恒定，保证淬火效果。可在淬火槽中放置冷却装置，根据淬火介质的温度调整冷却介质流量。
[0024]5)实验观测装置
[0025]在淬火槽上方及环型感应加热炉试样入口侧下方之间为实验观测位置处，如附图1所示。当试样淬火完毕，运动出淬火剂且进入环型感应加热炉之前，对试样表面进行观察，可对试样表面进行图像采集，观测试样表面形貌，尤其是疲劳裂纹的形成及扩展。
[0026]2.实验过程
[0027]5)试样安装与运动调试
[0028]将试样安装在辐条支架上，调整支架长度，使所有试样处于加热炉内部适当的位置。启动驱动电机，使试样运动，保证试样在加热炉中的位置尽可能处于炉膛中心。
[0029]6)淬火槽位置及液面调整
[0030]试样运动调整好后，根据试样运动轨迹，确定淬火槽位置及淬火剂液面高度，使试样能够完全没入淬火槽中，同时淬火槽壁不影响试样的运动。
[0031 ] 7 )环型感应加热炉温度设定
[0032]确定好试样及淬火槽位置后，使加热炉开始工作，根据试样大小，设置环形感应加热炉试样入口段温度，使其高于设定温度，以便提高加热效率。试样出口段温度设为目标温度，保证试样淬火时的温度。
[0033]8)试样运动速度调整
[0034]加热炉温度设定好后，进行预实验，利用红外温度计测量试样加热后进入淬火槽前的温度，在试样运动速度满足0.15-0.2° /s要求的情况下，使试样温度达到预定要求，既保证试样淬火效果，又保证实验效率。
【权利要求】
1.一种可在线观测的高效冷热疲劳试验装置，其特征在于冷热疲劳试验装置由可旋转轮毂(I)、强风装置(2)、位置成像观察记录仪(3)、辐条(4)、感应加热炉炉体(5)、红外测温仪(6)、试样(7)、冷却剂容器(8)、传送带(9)、无极变频电动机(10)组成，分为加热装置、试样夹持装置、传动装置、冷却装置以及在线观测装置五部分；加热装置为分段式非完整圆环型环型感应加热炉；试样夹持装置包括旋转轮毂、辐条；传动装置包括传送带、无极变频电动机；在线观测装置包括位置成像观察记录仪、红外测温仪；冷却装置即冷却剂容器；冷热疲劳试验装置的最上方是加热装置，采用非完整圆分段式环型感应加热炉；环型感应加热炉炉体的入口端部，设置强风装置、位置成像观察记录仪；强风装置用来干燥试样，位置成像观察记录仪用来对试样表面进行在线观察，可对试样表面进行图像采集，观测试样表面形貌，尤其是对疲劳裂纹的形成及扩展的观测；环型感应加热炉炉体的出口端设置红外测温仪，用来测量试样在进入淬火介质前的温度，以保证达到规定的淬火加热温度；环型感应加热炉炉体的下方，设置淬火冷却介质容器，用来进行淬火试验过程；分段式环型感应加热炉对试样加热，入口段温度可根据试样尺寸及形状进行调节，高于目标温度30-5(TC，以提闻试样加热效率。
2.根据权利要求1所述一种可在线观测的高效冷热疲劳试验装置，其特征在于环型感应加热炉炉体的回转圆心部位，设置可旋转轮毂，轮毂的前侧装载辐条，辐条对试样进行夹持，辐条的数量根据实验需要来确定；轮毂的后侧设置皮带或者飞轮，用来连接传动装置，传动装置的另一端连接无极变频电动机，通过电动机的转动，来实现轮毂带动辐条，进而带动试样在环型感应加热炉中的转动。
3.根据权利要求1所述一种可在线观测的高效冷热疲劳试验装置，其特征在于分段式非完整圆环型环型感应加热炉温度控制区域分为2-4段；圆环回转角度在180-270°之间；环型感应加热炉的试样出口侧炉段温度设为目标温度，试样入口侧炉段温度要求高于目标温度30-50°C，以充分利用高温加热效果，提高加热速率，以保证实验温度的准确性，加热炉炉体一侧开口，试样通过可旋转轮毂带动的辐条夹持通过开口侧进入加热炉。
4.根据权利要求1或2所述一种可在线观测的高效冷热疲劳试验装置，其特征在于试样夹持辐条为套管式可伸缩设计，辐条实际长度根据试样类型及尺寸进行调节；辐条安装在轮毂上，轮毂由无极变频电机驱动，根据加热炉工况计算试样在加热炉中的运动速度，以此来调整轮毂旋转速度，运动速度为0.15-0.2° /s，以保证试样在加热炉中的加热效果；轮毂上辐条数量为8-30根，以达到最大的试验效率。
5.根据权利要求1所述一种可在线观测的高效冷热疲劳试验装置，其特征在于淬火剂容器尺寸及淬火剂深度根据试样形状及尺寸确定，淬火时，要使得试样刚好没于淬火剂中；淬火剂容器内部设有溶液冷却装置，以保障淬火过程中淬火剂温度不变，淬火剂选择水或者油作为淬火冷却介质。
6.根据权利要求1所述一种可在线观测的高效冷热疲劳试验装置，其特征在于试样每次淬火结束，在出淬火剂液面后设置强风装置，对试样进行吹干；试样吹干后在进入感应加热炉之前设有一实验观察区，进行试样的在线观测；利用位置成像记录仪进行观测拍照，记录热疲劳裂纹的形核和扩展过程，以及记录裂纹形貌及测量热疲劳裂纹扩展速率。
7.如权利要求1所述一种可在线观测的高效冷热疲劳试验装置的测试方法，其特征在于实验过程为:1)试样安装与运动调试: 将试样安装在辐条支架上，调整支架长度，使所有试样处于加热炉内部适当的位置；启动驱动电机，使试样运动，保证试样在加热炉中的位置处于炉膛中心； 2)淬火槽位置及液面调整: 试样运动调整好后,根据试样运动轨迹,确定淬火槽位置及淬火剂液面高度,使试样能够完全没入淬火槽中，同时淬火槽壁不影响试样的运动； 3)环型感应加热炉温度设定: 确定好试样及淬火槽位置后，使加热炉开始工作，根据试样大小，设置环形感应加热炉试样出口段温度设为目标温度，试样入口段温度要求高于设定温度，保证试样淬火时的温度； 4)试样运动速度调整: 加热炉温度设定好后，进行预实验，利用红外温度计测量试样加热后进入淬火槽前的温度，在试样运动速度满足0.15-0.2° /s要求的情况下，使试样温度达到预定要求，既保证试样淬火效果，又保证实验效率。
【文档编号】G01N3/60GK103575608SQ201310529456
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2013年10月31日 优先权日:2013年10月31日
【发明者】任学冲, 齐冀, 殷艳君 申请人:北京科技大学