CN101571476A - 一种用于测试高温材料阻尼性能的测试系统 - Google Patents

Abstract

一种用于测试高温材料阻尼性能的测试系统，采用双层腔室结构，包括高温真空室和常温真空室。高温真空室用于加热测试件(7)，常温真空室位于高温真空室下方，二者之间通过环形水冷套(6)连通。激振机构位于常温真空室内部，发热体(8)和热电偶(9)分布在上保温层(13)内，并与电炉控制柜(29)连通。数据分析系统(24)和数据采集系统(25)分别与位移传感器(28)和加速度计(17)通过数据线连接。采用双耳片悬臂梁测试件(7)，避免了直接激励带来的接触阻尼影响和测试件中心刚性块转动造成的误差，改变了试件测试温度，消除空气阻尼的影响，有效实现了电磁激振器与高温环境的隔离，具有结构简单、使用方便、测试结果准确可靠的特点。

Description

一种用于测试高温材料阻尼性能的测试系统

一、技术领域

本发明属于材料力学性能测试领域，具体是一种用于测试高温材料阻尼性能的测试系统。

二、背景技术

材料阻尼是决定结构系统动力学特性的关键因素之一，结构的振动、噪声分析与减噪抑振都必须考虑材料阻尼。但材料阻尼的内在机理非常复杂，与多种因素有关，不仅与材料的内部组织结构有关，与应变幅、温度和振动频率也有密切关系。因此进行材料阻尼的精确测试要求测试系统能够同时满足环境温度可控、应变幅恒定、测试频率可调、系统附加阻尼(包括空气阻尼)影响小等条件。对于较低温度环境下(＜400℃)的材料阻尼测试，以上综合试验条件还较为容易实现，目前国内外已经有相应的标准测试方法发布。传统的材料阻尼测试装置如：扭摆仪、DMTA动态热机械分析仪等。扭摆仪主要工作部分由样品、夹头和惯性体(平衡杆加平衡锤)组成，按照自由衰减法和强迫次共振法进行测量，但是由于扭摆仪的工作部分增加了一个惯性体，所以关于扭摆仪的测试精度问题引发了诸多讨论。DMTA动态热机械分析仪试样两端经过夹具、连杆分别与驱动器、应力传感器和位移检测器相连接，是强迫次共振型动态力学性能测量仪器，但是由于影响动态力学试验结果的因素很多，很难从理论上对不同模式不同条件下的试验结果进行换算。对于高温高频环境下工作的材料，如航空发动机叶片等，工作温度大于1000℃甚至更高，传统的材料阻尼测试装置已不再适用。主要困难表现在以下几个方面：一、高温条件下常规的激振和测试方法无法直接应用，必须采用特殊的激励和测振方式；二、空气阻尼、接触阻尼以及测试系统阻尼等附加阻尼的影响难以消除；三、高温高频条件下难以稳定控制试件温度和维持恒定的较大振幅。

三、发明内容

为克服现有技术中存在的附加阻尼的影响难以消除，高温高频条件下难以稳定控制试件温度和无法维持恒定的较大振幅的不足，本发明提出了一种用于测试高温材料阻尼性能的测试系统。

本发明包括高温真空室，常温真空室和激振机构。高温真空室用于加热测试件。常温真空室位于高温真空室的下方，二者之间通过环形水冷套连通。激振机构位于常温真空室内部。波纹管分别与上炉体和下炉体连通。上炉体的壳体上分布有真空计、热电偶和发热体的端子的过孔；下炉体的壳体上分布有加速度计信号线的过孔与电磁激振器的密封接线柱。数据分析系统和数据采集系统与激光位移传感器和加速度计通过数据线连接。

高温真空室包括上炉盖、上炉体、发热体、保温盖、保温层、隔热罩和测试窗口。上炉体底板中心有水冷套的安装孔，在水冷套安装孔的两侧有测试窗口。上炉盖的中心安装有丝杠。上炉盖与上炉体相固定。

保温层包括上保温层和下保温层，均位于上炉体内；保温盖位于上保温层上方。上保温层的内腔里有发热体，通过发热体对位于上保温层内的测试件进行加热。下保温层位于上层保温层与上炉体底板之间；有中心块的双悬臂梁结构的测试件和水冷套均位于下保温层内，并且测试件中心块两侧的双悬臂梁穿过隔热罩位于高温炉膛之中，被发热体加热。

隔热罩位于双悬臂梁测试件中心块的上方，将对称双悬臂梁测试件的中心块与发热体隔开，以防止中心块的温度过高。隔热块上对称分布有四个连接孔，隔热块的中心有激振杆的固定孔。加速度计安装孔位于任意两个连接孔之间的对称线上，并且加速度计安装孔的圆心与各连接孔的圆心距隔热块的圆心等距。隔热块位于测试件的下方、水冷套内，并且隔热块的一端面与测试件一端面贴合；测试件的中心块通过位于隔热块上的连接孔被固定在隔热块的上表面。加速度计位于隔热块的另一端面上，拾取测试件中心块的加速度，拾取的加速度信号通过下炉体上的过孔传递给数据采集系统。测试窗口位于上炉体底部，激光位移传感器安装在测试窗口的下方，以采集测试件悬臂梁末端的振动信号。

常温真空室包括下炉体和下炉门，用于安装电磁激振器。，电磁激振器位于下炉体中心处，被固定在下炉体的底板上；激振杆的一端通过连接套与位于下炉体内的电磁激振器连接，另一端穿过水冷套，与位于上炉体内的隔热块连接。下炉体上端的端盖与水冷套下端的端盖通过螺栓连接。

本发明以真空泵为动力，通过波纹管将真空泵连接到高温真空室和常温真空室的抽气口上，并通过高温真空室上的真空计实时观测高温真空阻尼测试炉内部的压力。同时真空计、真空泵和电炉控制柜构成控制回路，自动控制高温真空室内的真空度。

本发明通过分布在上层保温层的矩形内腔中的电炉丝做为发热体，由分布在矩形内腔中的两支热电偶监控炉温；发热体和热电偶的信号通过密封接线柱连接到电炉控制柜上，组成控制回路控制炉膛温度。

本发明采用的双层腔室结构实现了试件测试温度的改变，同时消除空气阻尼的影响，有效实现了电磁激振器与高温环境的隔离，所采取的局部冷却和隔热设计可以保证加速度传感器的安全。本发明采用的双悬臂梁测试件，既有效避免由于直接激励带来的接触阻尼影响，也防止由于试件左右悬臂梁振动不对称所引起的中心刚性块转动带来的误差。本发明具有结构简单，使用方便，测试结果准确、可靠的特点。

四、附图说明

附图1是高温真空阻尼测试炉的主剖面视图

附图2是高温真空阻尼测试炉的上炉体剖面视图

附图3是高温真空阻尼测试系统

附图4是高温真空阻尼测试炉的A-A剖面视图

附图5是高温真空阻尼测试炉的下炉体剖面视图

附图6是高温真空阻尼测试炉的B-B剖面视图

附图7是连接套的剖面视图

附图8是连接套的紧固接头的剖面视图

附图9是连接套的紧固接头的侧视图

附图10是连接套的四瓣接头的剖面试图

附图11是连接套的四瓣接头的侧视图

附图12是连接套的激振器顶帽的剖面试图

附图13是连接套的激振器顶帽的侧视图

附图14是隔热块的俯视图

附图15是隔热块的A-A剖视图

1.上炉盖   2.上炉体   3.下炉门     4.电磁激振器  5.下炉体

6.水冷套   7.测试件   8.发热体     9.热电偶      10.密封垫圈

11.波纹管  12.保温盖  13.上保温层  14.测试窗口   15.密封窗口

16.隔热块   17.加速度计     18.真空计       19.隔热罩         20.进水管

21.真空泵   22.功率放大器   23.信号发生器   24.数据分析系统   25.数据采集系统

26.立柱     27.出水管       28.位移传感器   29.电炉控制柜     30.激振杆

31.紧固接头 32.四瓣接头     33.激振器顶帽   34.下保温层       35.连接套

五、具体实施方式：

本实施例是一个用于测试高温材料阻尼性能的测试系统，包括高温真空室，常温真空室和激振机构，如图1所示。高温真空室用于加热测试件。常温真空室位于高温真空室的下方，二者之间通过环形水冷套6连通。激振机构位于常温真空室内部，通过密封接线柱与功率放大器22连接，由功率放大器22将信号发生器23的信号放大后，驱动电磁激振器4，为测试件7提供基础激励。波纹管11分别与上炉体2和下炉体5连通。上炉体2的壳体上分布有真空计18、热电偶9和发热体8的端子的过孔；下炉体5的壳体上分布有加速度计信号线的过孔与电磁激振器4的密封接线柱。数据分析系统24和数据采集系统25与激光位移传感器28和加速度计17通过数据线连接。

本实施例中：

如图2～4所示，高温真空室包括上炉盖1、上炉体2、发热体8、保温盖12、保温层、隔热罩19和测试窗口14。上炉体2为圆形空腔结构，其底部有底板。上炉体2的底板中心有水冷套6的安装孔，在水冷套安装孔的两侧有测试窗口14。底板的裙板上有连接孔，通过该连接孔，将上炉体与支柱26相连，用于支撑上炉体；上炉体2顶部的外圆周上有裙板，该裙板上有连接孔。上炉盖1为球冠型结构，球冠底部的内径同上炉体2的内径。上炉盖1的中心安装有丝杠，通过丝杠的旋转，实现上炉盖1的打开和闭合。上炉盖1底部外圆周上有裙板，该裙板与上炉体2顶部裙板的连接孔对应的位置亦分布有连接孔，并用螺栓将上炉盖1与上炉体2相连。

保温层包括上保温层13和下保温层15，均位于上炉体内。上保温层13的内腔为矩形，并在上保温层13上方加盖保温盖12；在上保温层13的矩形内腔里环绕有用电炉丝制作的发热体8，通过发热体8对位于上保温层内的测试件7进行加热。下保温层15位于上层保温层13与上炉体底板之间；下保温层15与底板上的测试窗口14相对应的位置开有贯通下保温层15的观察孔。下保温层15中心的内孔为阶梯状；其中，在位于下保温层15与上保温层13配合端的小直径内孔中安放测试件7，水冷套6位于下保温层15内的大直径孔中。

测试件7为有中心块的双悬臂梁结构，测试件7的中心块位于隔热罩19内，中心块两侧的双悬臂梁穿过隔热罩19位于高温炉膛之中，被发热体8加热。

隔热罩19位于双悬臂梁测试件7中心块的上方，将对称双悬臂梁测试件7的中心块与发热体8隔开，以防止中心块的温度过高。

如图14和图15所示，陶瓷制成的隔热块16为圆柱形，高度满足隔热要求。隔热块16上对称分布有四个连接孔，该连接孔平行于隔热块16的轴线，并贯通隔热块。隔热块16的中心有用于固定激振杆30的台阶孔。加速度计安装孔位于任意两个连接孔之间的对称线上。加速度计安装孔的圆心与各连接孔的圆心距隔热块16的圆心等距。隔热块16通过连接孔被固定在测试件7的下方、水冷套6内，并且隔热块16的一端面与测试件7一端面贴合。测试件7的中心块通过位于隔热块16上的连接孔被固定在隔热块16的上表面。加速度计17被固定在隔热块16的另一端面上，拾取测试件中心块的加速度，拾取的加速度信号通过下炉体5上的过孔传递给数据采集系统25。

上炉体底部的测试窗口14由一块长方形的耐高温石英玻璃和长方形的金属垫块组成；垫块中部开有观察孔；在垫块的周边有连接孔，通过该连接孔将耐高温石英玻璃固定在垫块上。通过螺栓将测试窗口14固定在炉体底部。激光位移传感器28安装在测试窗口14的下方，以采集测试件7悬臂梁末端的振动信号。

水冷套6为圆筒状，其筒壁中形成了冷却水的循环通路；水冷套6下端有端盖。水冷套6的外径同下层保温层的内径，水冷套6的内径稍大于隔热块16的直径。水冷套6的高度满足激光位移传感器28的安装高度。水冷套6由水泵提供冷却水，从进水管20进，由出水管27出，冷却水循环流通，降低连通区域的温度。

如图5所示，常温真空室包括下炉体5和下炉门3，用于安装电磁激振器4。

下炉体5为壳体结构，其壳体一侧有炉门3。下炉体5的上端有端盖，该端盖的中心有通孔，激振杆30穿过通孔，一端与位于下炉体内的电磁激振器4连接，另一端穿过水冷套，与位于上炉体内的隔热块16连接。下炉体5上端的端盖与水冷套6下端的端盖通过螺栓连接。

激振机构包括电磁激振器4、激振杆30、连接套34、隔热块16，用于对测试件7进行直接激励。电磁激振器4位于下炉体5中心处，并通过螺栓固定到下炉体5的底板上。激振杆30为一端有内螺纹的杆件，其长度为隔热块至连接套的距离。激振杆30的内螺纹端与隔热块16相连；另一端通过连接套34与电磁激振器4相连。

连接套34由紧固接头31、四瓣接头32、激振器顶帽33构成。

如图10和图11所示，四瓣接头32为薄壁圆筒形。四瓣接头32的一端外壁为锥形；在四瓣接头32的外壁上均匀分布有四条贯通四瓣接头32薄壁的变形槽；该变形槽自四瓣接头32的锥形端始，沿四瓣接头32的轴线方向，延伸至四瓣接头32中部以上。四瓣接头32的内径同激振杆30的外径。

如图12和图13所示，激振器顶帽33为薄壁圆筒形，并且该薄壁圆筒对称的两个外圆表面为平面。激振器顶帽33一段外壁有外螺纹，内径同四瓣接头32的外径；激振器顶帽33另一段外壁为台阶状，在激振器顶帽33的外壁上形成了限位台阶；并且该段的内孔壁有与电磁激振器4的驱动头配合的内螺纹。激振器顶帽33内孔不同的孔径，使激振器顶帽33内孔呈台阶状，亦形成了限位台阶。

如图8和图9所示，紧固接头31亦为薄壁圆筒形。紧固接头31的一端为等径薄壁圆筒，并且该端有与激振器顶帽33外壁上的外螺纹配合的内螺纹；紧固接头31的另一端为内孔与外壁均为锥形的薄壁圆筒，并且紧固接头31的锥形的锥度同四瓣接头32外壁的锥形锥度。

如图7所示，装配连接套时，激振器顶帽33通过内螺纹旋紧于电磁激振器4的驱动头上；将四瓣接头32套入到紧固接头31中，并使四瓣接头32外壁上的锥形与紧固接头31内壁的锥形贴合；将激振杆30穿过四瓣接头32的内孔插入激振器顶帽33中，将紧固接头31的内螺纹与激振器顶帽33的外螺纹旋紧，即可将激振杆30抱死，从而使激振杆30连接到电磁激振器4上。

本实施例采用真空泵21作为动力，通过波纹管11将真空泵21连接到高温真空室和常温真空室的抽气口上，并通过高温真空室上的真空计18实时观测高温真空阻尼测试炉内部的压力。同时真空计18、真空泵21和电炉控制柜29构成控制回路，自动控制高温真空室内的真空度。

本实施例通过分布在上层保温层的矩形内腔中的电炉丝做为发热体8，由分布在矩形内腔中的两支热电偶9监控炉温；发热体8和热电偶9的信号通过密封接线柱连接到电炉控制柜29上，组成控制回路控制炉膛温度。

装配时，

1.各个可拆卸界面，必须进行密封处理。如上炉盖1与上炉体2的结合面设有橡胶密封垫圈10，同样，下炉体5和下炉门3的结合面，水冷套6与下炉体5的结合面都设有橡胶密封垫圈。其它炉体上的不可拆卸部件，均用焊接方式连接以保证密封。

2.将电磁激振器4由下炉门3移入，并固定在下炉体的底板上。依次将测试件7、陶瓷隔热块16、耐高温加速度计17、激振杆30在炉体外组装为一个组合件，然后由上炉盖1进入，将激振杆30通过连接套固定在电磁激振器4的驱动头上。再将隔热罩19扣在测试件7中心块的上方。

3.炉内所有的相关导线都通过专用的密封电极与炉体外的接头连接。

Claims (10)

1.一种用于测试高温材料阻尼性能的测试系统，其特征在于测试系统包括高温真空室、常温真空室、激振机构、波纹管(11)、数据分析系统(24)、数据采集系统(25)、加速度计(17)、真空计(18)、热电耦(9)和位移传感器(28)；其中：常温真空室位于高温真空室的下方，二者之间通过环形水冷套(6)连通；激振机构位于常温真空室内部；发热体(8)位于上保温层(13)的内腔里；有中心块的双悬臂梁结构的测试件(7)和水冷套(6)均位于下保温层(15)内，并且测试件(7)中心块两侧的双悬臂梁穿过隔热罩(19)位于高温真空室之中；隔热罩(19)位于双悬臂梁测试件(7)中心块的上方；隔热块(16)位于测试件(7)的下方、水冷套(6)内；测试件(7)的中心块被固定在隔热块(16)的上表面；加速度计(17)位于隔热块(16)的另一端面上；激振杆(30)穿过位于下炉体5端盖中心的通孔，被固定在下炉体(5)的底板上；激振杆(30)的一端通过连接套(34)与位于下炉体内的电磁激振器(4)连接，另一端穿过水冷套(6)，与位于上炉体内的隔热块连接；激光位移传感器(28)安装在测试窗口(14)的下方。

2.如权利要求1所述一种用于测试高温材料阻尼性能的测试系统，其特征在于高温真空室包括上炉盖(1)、上炉体(2)、发热体(8)、保温盖(12)、保温层、隔热罩(19)和测试窗口(14)；常温真空室包括下炉体(5)和下炉门(3)。

3.如权利要求1所述一种用于测试高温材料阻尼性能的测试系统，其特征在于所述的高温真空室的水冷套6位于上炉体(2)底板中心，在水冷套的两侧有测试窗口(14)；上保温层(13)、下保温层(15)和保温盖(12)均位于上炉体内；保温盖(12)位于上保温层(13)上方；下保温层(15)位于上层保温层(13)与上炉体底板之间；上炉盖1的中心安装有丝杠；上炉盖(1)与上炉体2相固定。

4.如权利要求1所述一种用于测试高温材料阻尼性能的测试系统，其特征在于所述的隔热块(16)的中心有激振杆(30)的固定孔；加速度计安装孔位于任意两个连接孔之间的对称线上，并且加速度计安装孔的圆心与各连接孔的圆心距隔热块(16)的圆心等距。

5.如权利要求1所述一种用于测试高温材料阻尼性能的测试系统，其特征在于所述的水冷套(6)的筒壁中有冷却水的循环通路；水冷套(6)下端有端盖；水冷套(6)的外径同下层保温层的内径，水冷套(6)的内径稍大于隔热块(16)的直径。

6.如权利要求1所述一种用于测试高温材料阻尼性能的测试系统，其特征在于所述的激振机构包括电磁激振器(4)、一端有内螺纹激振杆(30)、连接套(34)、隔热块(16)；电磁激振器(4)固定在下炉体(5)底板的中心处；连接套(34)由紧固接头(31)、四瓣接头(32)和激振器顶帽(33)组成，并且激振器顶帽(33)安装在电磁激振器(4)的驱动头上；四瓣接头(32)套入到紧固接头(31)中，并使四瓣接头(32)外壁上的锥形与紧固接头(31)内壁的锥形贴合；激振杆(30)穿过四瓣接头(32)的内孔插入激振器顶帽(33)中；紧固接头(31)与激振器顶帽(33)连接。

7.如权利要求1所述一种用于测试高温材料阻尼性能的测试系统，其特征在于所述的真空计(18)、真空泵(21)和电炉控制柜(29)构成真空度的控制回路；发热体(8)、电热偶(9)和电炉控制柜(29)构成温度控制回路。

8.如权利要求6所述一种用于测试高温材料阻尼性能的测试系统，其特征在于所述的四瓣接头(32)为薄壁圆筒形，一端外壁为锥形；在四瓣接头(32)的外壁上均匀分布有四条贯通四瓣接头(32)薄壁的变形槽；四瓣接头(32)的内径同激振杆(30)的外径。

9.如权利要求6所述一种用于测试高温材料阻尼性能的测试系统，其特征在于所述的激振器顶帽(33)为薄壁圆筒形，并且该薄壁圆筒对称的两个外圆表面为平面；激振器顶帽(33)一段外壁有外螺纹，内径同四瓣接头(32)的外径；激振器顶帽(33)另一段的外壁为台阶状，在激振器顶帽(33)的外壁上形成了限位台阶；并且该段的内孔壁有与电磁激振器(4)的驱动头配合的内螺纹；激振器顶帽(33)内孔有限位台阶。

10.如权利要求6所述一种用于测试高温材料阻尼性能的测试系统，其特征在于所述的紧固接头(31)的一端为等径薄壁圆筒，并且该端有与激振器顶帽(33)外壁上的外螺纹配合的内螺纹；紧固接头(31)的另一端为内孔与外壁均为锥形的薄壁圆筒，并且紧固接头(31)的锥形的锥度同四瓣接头(32)外壁锥形的锥度。

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