一种制动盘材料热疲劳试验机的制作方法

本实用新型涉及材料热疲劳试验技术，具体涉及一种制动盘材料热疲劳试验机。

背景技术：

制动盘是汽车及轨道列车制动过程中最关键部件之一，制动盘以其热耗散效率高、质量轻，结构简单以及方便拆装等特点，逐渐成为车辆制动的主流方式。制动盘固定在车辆的车轴上或车轮处，制动时通过与制动闸片的摩擦作用，实现车辆的减速与停车。制动过程中车辆运行的动能将转换为制动盘的热能，这将使制动盘的温度急剧升高。尤其在轨道列车高速重载的运行条件下，紧急制动过程中，摩擦面平均表面温度能在制动开始后的数秒就会达到750℃。剧烈的温度波动会引起制动盘内部产生巨大的热应力和塑性应变。同时，反复制动引起的热冲击会诱发疲劳裂纹从制动盘浅表层起裂，萌生的疲劳裂纹在后续制动过程中会沿制动盘径向方向继续扩展。热疲劳是制动盘的主要失效形式之一。因此热疲劳性能是制动盘材料最主要的考核性能之一。

制动盘热疲劳过程有其特殊性。首先，制动过程中热流在制动盘摩擦面产生并通过热传导传入制动盘内部，最终达到热平衡。其次，制动缓解后制动盘由空气对其进行整体冷却。再次，制动盘的热裂纹只存在于制动盘摩擦面，即热流产生和输入面。由于这些特性，目前，常规的热疲劳试验装置虽然能实现材料在高低温的热循环过程，但并不能较接近地模拟制动盘制动过程中单侧热输入，升温过程中材料内部存在温度梯度的特点。因此设计一款能模拟制动盘制动过程中热疲劳过程的试验仪器来考核制动盘材料的热疲劳性能是十分必要的。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的是提供一种制动盘材料热疲劳试验机。该试验机可以模拟制动盘材料在制动过程中单侧热输入，加热过程中材料内部存在温度差，热平衡后材料整体冷却的制动热循环特征，获得与制动盘制动实际工况中热循环过程一致的热疲劳试验结果。

本实用新型实现其发明目的所采取的技术方案是：一种制动盘材料热疲劳试验机，包括对制动盘材料的热疲劳试件进行加热的感应加热设备、对热疲劳试件进行冷却的冷却设备，支撑热疲劳试件的试件支撑平台和监测热疲劳试件温度的试件温度监测设备，其结构特点是：

所述感应加热设备包括位于热疲劳试件上方的感应加热线圈和与所述感应加热线圈电连接的感应加热电源；

所述冷却设备包括液体介质冷却装置、淹没深度控制装置和压缩空气冷却装置，所述液体介质冷却装置包括冷却介质循环槽，冷却介质循环槽内装有液体冷却介质；淹没深度控制装置可通过调节热疲劳试件高度或液体冷却介质液面高度控制液体冷却介质淹没热疲劳试件的深度；所述压缩空气冷却装置包括对准热疲劳试件的压缩空气喷嘴和与所述压缩空气喷嘴相连的空气压缩机；

所述试件温度监测设备包括监测热疲劳试件上部温度的上部温度传感器、监测热疲劳试件中部温度的中部温度传感器和监测热疲劳试件下部温度的下部温度传感器。

用上述制动盘材料热疲劳试验机进行热疲劳试验的方法以及有益效果是：

A、将热疲劳试件固定在试件支撑平台上。

B、在冷却介质循环槽加入液体冷却介质，通过淹没深度控制装置控制液体冷却介质刚好淹没热疲劳试件的下表面；开启的感应加热电源，通过感应加热线圈对热疲劳试件进行加热；在加热过程中，温度监测设备的上部温度传感器、中部温度传感器和下部温度传感器实时监测热疲劳试件的上部、中部和下部的温度；通过淹没深度控制装置控制液体冷却介质刚好淹没热疲劳试件的下表面，然后通过感应加热线圈对热疲劳试件进行加热，可模拟制动盘材料热疲劳过程中升温阶段前期上表面加热，下表面恒温，热疲劳试件内部存在温度差的加热特点。

C、当加热至上部温度传感器和下部温度传感器测得的温度差值达到制动盘实际制动工况下摩擦面和散热内表面最大温度差时，通过淹没深度控制装置降低冷却介质循环槽内液体冷却介质的液面或整体升高热疲劳试件和其上方感应加热线圈的位置，使热疲劳试件下表面露出液面；试件下表面不再受冷却介质的影响，试件通过热传导和电磁感应进行整体加热的特点，能够模拟制动盘材料在实际过程中的受热过程。当加热至上部温度传感器、中部温度传感器和下部温度传感器测得的温度值均达到预先设定的加热结束温度值(根据制动盘实际制动工况下摩擦面与散热内表面整体动态热平衡后的最高温度确定)时，关闭感应加热电源，停止加热。

D、通过压缩空气冷却装置的压缩空气喷嘴喷出压缩空气对热疲劳试件进行冷却，直至上部温度传感器、中部温度传感器和下部温度传感器测得的温度值均达到预先设定的冷却结束温度值(根据制动盘制动冷却后达到热平衡状态下的最低温度确定)，停止冷却，即完成一次热疲劳试验过程。通过压缩空气冷却装置模拟了制动缓解后制动盘由空气对其进行整体冷却的过程。

进一步，本实用新型所述感应加热线圈成同心圆多环饼形结构，位于热疲劳试件的上表面上方，通过线圈漏磁对热疲劳试件上表面进行加热。

感应加热线圈的同心圆多环饼形结构可以在线圈下部产生较为均匀的漏磁磁场，均匀的漏磁磁场使试件上表面内产生均匀的感应电流，达到上表面均匀加热的目的。

进一步，本实用新型所述试件支撑平台与热疲劳试件之间设置有镂空通风槽；所述压缩空气喷嘴为靠近热疲劳试件上表面和下表面的两组，位于热疲劳试件上表面的压缩空气喷嘴对着热疲劳试件上表面，位于热疲劳试件下表面的压缩空气喷嘴对着试件支撑平台与热疲劳试件之间的镂空通风槽。

镂空通风槽是为了能使下表面喷嘴喷出的压缩空气能抵达试件的下表面，而不会因为试件支撑平台的阻挡造成压缩空气无法到达试件下表面；压缩空气喷嘴对着热疲劳试件上下表面是为了喷出的压缩空气能直接到作用到试件的上下表面进行冷却，这样的方式更接近与制动盘制动时候的冷却过程。制动盘内外表面的冷却效率比其他部位冷却效率更快，因此，对热疲劳试件上下表面直接用压缩空气进行直接冷却可使上下表面获得较高的冷却效率。

进一步，本实用新型所述上部温度传感器为两组，分别布置在热疲劳试件上表面的几何中心处和边缘处，测得的热疲劳试件上部的温度为两组上部温度传感器测得的温度值中的最低温度值；所述中部温度传感器为一组，布置在热疲劳试件的芯部；所述下部温度传感器为两组，布置在热疲劳试件下表面的几何中心处和边缘处，测得的热疲劳试件下部的温度为两组下部温度传感器测得的温度值中的最低温度值。

在通过感应加热线圈对热疲劳试件进行加热过程中，同一平面上的温度中平面几何中心的温度最具有代表性，所以在热疲劳试件上表面和下表面的表面几何中心处布置温度传感器；由于感应加热特有的集肤效应，在上下表面边缘处，由于与试件上下表面与侧面相交，比表面积较大，加热相对较快，对边缘处的温度监测有助于了解和控制整个感应加热过程。表面几何中心处的温度低于边缘处的温度，表面几何中心处的温度最具有代表性，所以此处选取两组上部温度传感器测得的温度值中的最低温度值作为热疲劳试件上部的温度；两组下部温度传感器测得的温度值中的最低温度值作为热疲劳试件下部的温度。

进一步，本实用新型所述淹没深度控制装置包括设置在冷却介质循环槽侧壁的限液位装置和降液位排液口；所述限液位装置高于试件支撑平台的上支撑面，所述降液位排液口低于试件支撑平台的上支撑面。

限液位装置可保证在冷却介质循环槽中加入液体冷却介质时，液体冷却介质液面刚好淹没热疲劳试件的下表面；当加热至上部温度传感器和下部温度传感器测得的温度差值预先设定的温度差值时，通过控制降液位排液口打开，降低冷却介质循环槽内液体冷却介质的液面，使热疲劳试件下表面露出液面。限液位装置和降液位排液口的设置通过简单的方式实现了淹没深度控制装置的功能。

进一步，本实用新型所述热疲劳试验机还包括智能控制终端；液体介质冷却装置的控制端、压缩空气冷却装置的控制端、淹没深度控制装置的控制端和试件温度监测设备均与智能控制终端相连。

智能控制终端可预先设定升温过程中热疲劳试件上部和下部之间的温度差值、热疲劳试件的加热结束温度值和冷却结束温度值；智能控制终端根据试件温度监测设备传输来的热疲劳试件的实时温度值控制感应加热设备、液体介质冷却装置、压缩空气冷却装置和淹没深度控制装置的作业。这样，不需人工操作即可完成热疲劳试验，减轻了工作人员的劳动负荷，实现了试验机的自动化，大大提高了热疲劳试验的效率。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细描述。

附图说明

图1为本实用新型实施例一三维结构示意图。

图2为本实用新型实施例一感应加热线圈放大结构示意图。

图3为本实用新型实施例一冷却介质循环槽和试件支撑平台的俯视图。

图4为图3的A-A剖面图。

具体实施方式

实施例一

图1示出，本实用新型试验机的一种具体实施方式是：一种制动盘材料热疲劳试验机，包括对制动盘材料的热疲劳试件7.0进行加热的感应加热设备、对热疲劳试件7.0进行冷却的冷却设备，支撑热疲劳试件7.0的试件支撑平台6.0和监测热疲劳试件7.0温度的试件温度监测设备，其结构特点是：

所述感应加热设备包括位于热疲劳试件7.0上表面上方的感应加热线圈2.1和与所述感应加热线圈2.1电连接的感应加热电源2.2；所述感应加热线圈2.1成同心圆多环饼形结构，如图2所示，通过线圈漏磁对热疲劳试件7.0上表面进行加热；

所述冷却设备包括液体介质冷却装置、淹没深度控制装置和压缩空气冷却装置，所述液体介质冷却装置包括冷却介质循环槽3.1，冷却介质循环槽3.1内装有液体冷却介质；淹没深度控制装置可通过调节液体冷却介质液面高度控制液体冷却介质淹没热疲劳试件7.0的深度；所述压缩空气冷却装置包括对准热疲劳试件7.0的压缩空气喷嘴5.1和与所述压缩空气喷嘴5.1相连的空气压缩机5.2；

本例中所述淹没深度控制装置包括设置在冷却介质循环槽3.1侧壁的限液位装置4.1和降液位排液口4.2；所述限液位装置4.1高于试件支撑平台6.0的上支撑面，所述降液位排液口4.2低于试件支撑平台6.0的上支撑面，本例中有四个；本例中所述限液位装置4.1为限液位排液口。图3为本上述冷却介质循环槽和试件支撑平台的俯视图。图4为图3的A-A剖面图。

所述试件温度监测设备包括监测热疲劳试件7.0上部温度的上部温度传感器、监测热疲劳试件7.0中部温度的中部温度传感器和监测热疲劳试件7.0下部温度的下部温度传感器；图1中省略了温度监测设备。

本例中所述上部温度传感器为两组，分别布置在热疲劳试件7.0上表面的几何中心处和边缘处，测得的热疲劳试件7.0上部的温度为两组上部温度传感器测得的温度值中的最低温度值；所述中部温度传感器为一组，布置在热疲劳试件7.0的芯部；所述下部温度传感器为两组，布置在热疲劳试件7.0下表面的几何中心处和边缘处，测得的热疲劳试件7.0下部的温度为两组下部温度传感器测得的温度值中的最低温度值。

本例中所述热疲劳试验机还包括智能控制终端1.0；液体介质冷却装置的控制端均与智能控制终端1.0相连，当液面达到液体冷却介质淹没热疲劳试件7.0的下表面时，液体冷却介质开始从限液位排液口中流出，并将液面信号传输给智能控制终端1.0，智能控制装置1.0控制关闭向冷却介质循环槽3.1加入液体冷却介质的开关。本例中压缩空气冷却装置的控制端、淹没深度控制装置的控制端和试件温度监测设备也均与智能控制终端1.0相连。试件温度监测设备将采集的热疲劳试件7.0的上部、中部和下部的温度实时传输给智能控制终端1.0，智能控制终端1.0根据试件温度监测设备传输来的热疲劳试件7.0的实时温度值控制感应加热设备、液体介质冷却装置、压缩空气冷却装置和淹没深度控制装置的作业。

本例中所述试件支撑平台6.0与热疲劳试件7.0之间设置有镂空通风槽6.1；所述压缩空气喷嘴5.1为靠近热疲劳试件7.0上表面和下表面的两组，位于热疲劳试件7.0上表面的压缩空气喷嘴5.1对着热疲劳试件7.0上表面，位于热疲劳试件7.0下表面的压缩空气喷嘴5.1对着试件支撑平台6.0与热疲劳试件7.0之间的镂空通风槽6.1。

实施例二

一种制动盘材料热疲劳试验机，本实施例试验机与实施例一结构基本相同，区别仅仅在于：本例中所述限液位装置4.1不与智能控制装置1.0相连，限液位装置4.1为限液位排液口，当液面达到液体冷却介质淹没热疲劳试件7.0的下表面时，液体冷却介质开始从限液位排液口中流出，手动关闭向冷却介质循环槽3.1加入液体冷却介质的开关。

实施例三

一种制动盘材料热疲劳试验机，本实施例试验机与实施例一结构基本相同，区别仅仅在于：本例中所述限液位装置4.1为液面传感器，当液面达到液体冷却介质淹没热疲劳试件7.0的下表面时，液面传感器将液面信号传输给智能控制终端1.0，智能控制装置1.0控制关闭向冷却介质循环槽3.1加入液体冷却介质的开关。

实施例四

一种制动盘材料热疲劳试验机，包括对制动盘材料的热疲劳试件7.0进行加热的感应加热设备、对热疲劳试件7.0进行冷却的冷却设备，支撑热疲劳试件7.0的试件支撑平台6.0和监测热疲劳试件7.0温度的试件温度监测设备，其结构特点是：

所述感应加热设备包括位于热疲劳试件7.0上表面上方的感应加热线圈2.1和与所述感应加热线圈2.1电连接的感应加热电源2.2；

所述冷却设备包括液体介质冷却装置、淹没深度控制装置和压缩空气冷却装置，所述液体介质冷却装置包括冷却介质循环槽3.1，冷却介质循环槽3.1内装有液体冷却介质；淹没深度控制装置可通过调节热疲劳试件7.0高度控制液体冷却介质淹没热疲劳试件7.0的深度；所述压缩空气冷却装置包括对准热疲劳试件7.0的压缩空气喷嘴5.1和与所述压缩空气喷嘴5.1相连的空气压缩机5.2；

所述试件温度监测设备包括监测热疲劳试件7.0上部温度的上部温度传感器、监测热疲劳试件7.0中部温度的中部温度传感器和监测热疲劳试件7.0下部温度的下部温度传感器；

本例中所述试件支撑平台6.0与热疲劳试件7.0之间设置有镂空通风槽6.1；所述压缩空气喷嘴5.1为靠近热疲劳试件7.0上表面和下表面的两组，位于热疲劳试件7.0上表面的压缩空气喷嘴5.1对着热疲劳试件7.0上表面，位于热疲劳试件7.0下表面的压缩空气喷嘴5.1对着试件支撑平台6.0与热疲劳试件7.0之间的镂空通风槽6.1。