CN102297807A - 测试高压氢气环境下材料耐久性的试验机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料力学性能测试设备开发领域，旨在提供一种测试高压氢气环境下材料耐久性的试验机。该试验机包括主机及高压氢气环境箱；环境箱只在一侧设置开口，一个密封座通过柱销在箱体开口处实现与箱体的密闭接合；密封座中心通孔内置一个带活塞的加载杆；加载杆上设置至少两道接合于密封座的密封件，活塞位于两密封件之间；在靠近通孔内部开口一侧，活塞与密封件之间的空间与外部大气相通；活塞另一侧与密封件之间的通孔空间构成平衡腔，平衡腔与箱体内腔由密封座中开设的氢气通道连通。本发明利用高压试验腔内的气压实现加载杆气体推力的平衡；通过在加载杆内部设置载荷敏感元件，直接测量试样载荷，避免高压密封元件对载荷测量精度的干扰。

Description

测试高压氢气环境下材料耐久性的试验机

技术领域

本发明属于材料力学性能测试设备开发领域，特别涉及一种测试高压氢气环境下材料耐久性的试验机。

背景技术

氢能具有转化效率高、燃烧产物洁净及用途多样化等优点，是新世纪重要的二次能源。经济、高效、安全、可靠的储氢技术是氢能利用走向产业化的关键。高压储氢设备结构简单、压缩能耗低、充放速度快，是目前占绝对主导地位的氢能储存方式。为满足氢能汽车续驶里程的要求，高压氢气的储存压力多在35MPa以上。

然而，在高压氢气环境下长期工作，材料的耐久性会因氢脆而下降，可能导致高压氢系统零部件突然失效，甚至引发爆炸事故。且随着储氢压力的升高，这一问题更加突出。为确保高压氢系统长期、安全、稳定、可靠地运行，必须对材料在高压氢气环境下的使用耐久性进行测试和评估。

目前，高压氢气环境下材料力学性能测试设备主要有两类。一类采用非标试样，如圆盘试样、中空管状试样等，这类设备对试样加工精度等因素依赖性较强，难以形成标准统一的测试方法和材料性能评价指标。另一类采用在现有试验机主机上对接高压氢环境箱的方式，该类设备可借鉴现有的材料力学性能测试与评价方法。然而，这种测试设备的设计开发面临以下难题：

(1)高压试验腔内氢气在加载杆轴向可产生高达数吨的推力，这部分力在被测试样品断裂时，会对主机动力输出装置造成冲击，降低其控制精度和使用寿命；

(2)施加到试样上的真实载荷是材料力学性能测试的重要参数。根据载荷传感器与高压试验腔的位置关系，可以分为内置式和外置式两种。若采用内置式，载荷传感器置于高压试验腔内，氢气可渗入载荷测量元件，改变其阻值等性能，造成测量结果失真；若将载荷传感器外置，则需剔除高压氢气动密封处摩擦力的影响，而这一摩擦力是随加载次数变化的，难以准确测量。

目前，国内外尚未见述相关试验机对上述问题给出较好的解决方案。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提出一种测试高压氢气环境下材料耐久性的试验机。

为解决技术问题，本发明采取以下措施：

提供一种测试高压氢气环境下材料耐久性的试验机，包括装有动力输出杆的主机，以及内部设试样支架的高压氢气环境箱，高压氢气环境箱上设高压氢气接口；所述高压氢气环境箱只在其箱体的一侧设置开口，一个密封座通过柱销在箱体开口处实现与箱体的密闭接合；沿该密封座的中心线设有贯穿的通孔，通孔内置一个带活塞的加载杆；加载杆上设置至少两道接合于密封座的密封件，所述活塞位于两道密封件之间；在靠近通孔内部开口的一侧，活塞与密封件之间的空间与外部大气相通；活塞的另一侧与密封件之间的通孔空间构成平衡腔，平衡腔与箱体内腔由密封座中开设的氢气通道连通。

作为一种改进，所述加载杆为中空结构，在其伸入箱体内腔的端部设自紧式的密封堵头；在加载杆的内壁设载荷敏感元件，载荷敏感元件的引线由加载杆内部从另一端引出。

作为一种改进，所述高压氢气环境箱的外侧设升降装置，高压氢气环境箱与主机具有如下位置关系中的任意一种：高压氢气环境箱位于主机上方且主机相对于地面固定，升降装置连接至高压氢气环境箱；主机上固定设置导向立柱，高压氢气环境箱上设置导向环板，导向立柱位于导向环板上的通孔中；或，高压氢气环境箱位于主机下方且高压氢气环境箱相对于地面固定，升降装置连接至主机；高压氢气环境箱上固定设置导向立柱，主机上设置导向环板，导向立柱位于导向环板上的通孔中。

作为一种改进，所述高压氢气环境箱内置冷却管，密封座上设冷却管进出口及内部传感器引线出口。

作为一种改进，所述冷却管进出口及内部传感器引线出口在箱体内的一侧设可拆卸的锥面密封结构。

本发明的有益效果在于：

本发明通过在箱体密封座设置氢气通道，利用高压试验腔内的气压实现加载杆气体推力的平衡；通过在加载杆内部设置载荷敏感元件，直接测量试样载荷，避免高压密封元件对载荷测量精度的干扰。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为柱销结构所在截面的剖视图；

图3为箱体密封座局部放大图；

图4为试样真实载荷测量结构局部放大图。

图中的附图标记为：支架顶板1、导向立柱2、上导向环板3、试样4、密封座5、下导向环板6、箱体密封座基板7、平衡腔密封底盖8、主机基座9、主机底座10、作动器11、外置载荷传感器12、主机动力输出杆13、加载杆14、平衡腔15、柱销导向槽钢16、柱销17、柱销导向块18、试样夹具19、高压试验腔20、试样支架21、箱体22、箱体升降液压缸23、液压缸缸筒密封座24、氢气通道25、氢气接管26、绝热填料27、冷却管进口锥面密封结构28、加载杆密封堵头29、载荷敏感元件30、冷却管出口锥面密封结构31、加载杆载荷敏感元件引线32、环境箱内部传感器引线33、加载杆首道动密封34、密封树脂35、引线出口密封塞36。

具体实施方式

本实施例提供的是高压氢气环境下材料耐久性测试试验机。该试验机包括箱体22和密封座5构成的高压试验腔20、加载杆14和密封座5及平衡腔密封底盖8构成的平衡腔15、试样载荷测量装置、箱体升降装置。箱体22与密封座5配合后，将柱销17插入销孔，限制箱体22与密封座5的相对移动，实现两者的共同承载和密封。加载杆14一端经试样夹具19与被测试样4相连，另一端连接试验机动力输出端，可实现对试样的加载。拔出柱销17，启动箱体升降装置，箱体22上移，使试样4及支架和夹具等暴露在敞开空间，便于试样4拆装。

下面结合附图对本发明的具体实施方式加以阐述。

如图1所示，箱体22一端封闭，另一端开口。箱体内设有试样支架21，支架上设有与被测试样4相匹配的夹具19。箱体开口端与密封座5相配合。密封座5上端与试样支架21采用螺纹结构连接，下端固定在箱体密封座基板7上。密封座5远离箱体22一侧开有平衡腔15，腔内设带活塞的加载杆14。加载杆14贯穿密封座5，一端伸入箱体22与试样夹具19相连，另一端自平衡腔密封底盖8穿出与主机动力输出杆13相连。试样4形变动力由作动器11提供，外置载荷传感器12可实时测量作动器11输出载荷大小。环境箱设有升降装置，包括分别与箱体22封闭端相连的上导向环板3和与开口端相连的下导向环板6、分列于箱体22两侧的箱体升降液压缸23、均布在箱体22周围的导向立柱2。导向立柱2底端固定在装有作动器11的主机基座9上，并自下而上依次贯穿箱体密封座基板7、下导向环板6、上导向环板3和支架顶板1。环境箱还设有柱销结构，包括柱销17、设于下导向环板6上的一对柱销导向块18和一对导向槽钢16。导向块18上柱销孔与箱体22及密封座5上柱销孔同轴且孔径尺寸与柱销17直径相匹配。

高压氢气环境箱的启闭由升降装置和柱销结构共同实现。如图2所示，待箱体22和密封座5配合后，将柱销17推入柱销孔，即实现高压氢气环境箱的密封闭合。拔出柱销17，启动液压缸23，推动下导向环板6、箱体22、上导向环板3一起沿导向立柱2向上移动，使试样4、夹具19和试样支架21等暴露在敞开空间，即实现高压氢气环境箱的开启。

如图3所示，密封座5上开有氢气通道25，氢气通道25将高压试验腔20与平衡腔15连通，使两腔内的压力始终保持相同。此外，加载杆14伸入高压试验腔20一端截面圆面积与平衡腔15中活塞头与活塞杆形成的圆环面积相等。因此，高压试验腔20内高压氢气对加载杆14施加的向下的推力与平衡腔15内高压氢气对加载杆14产生的向上的推力始终相等，避免了试样4断裂时加载杆14对作动器11的冲击。

如图4所示，中空的加载杆14伸入高压试验腔20一端设有载荷敏感元件30。加载杆密封堵头29将载荷敏感元件30与高压氢气隔离，避免了高压氢气引起的测量结果失真。此外，载荷敏感元件30位于加载杆首道动密封34的上侧，避免了动摩擦力的影响，确保载荷敏感元件30测得载荷大小即为施加到试样4上载荷大小。载荷敏感元件30获得的电信号经引线32引出，并接于信号处理系统。

此外，如图3和图4所示，密封座5上还开有冷却管进出口，冷却管在伸入高压试验腔20一侧，设有可拆卸的冷却管进口锥面密封结构28和冷却管出口锥面密封结构31，以密封高压氢气，同时可拆卸结构允许高压试验腔20内冷却管根据试样和夹具形式进行匹配设计。冷却管与进出口开孔间填充绝热填料27，防止密封座5和平衡腔密封底盖8温度过低，影响O型圈密封效果。内部传感器引线出口在伸入高压试验腔一侧设可拆卸的引线出口密封塞36，塞上开有锥形孔，孔内有引线穿过，并用树脂灌注，密封树脂35在高压下具有自紧密封作用。

以上所述，仅是本发明的一个实施案例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的结构及技术内容做出某些更动或修改而成为等同变化的等效实施案例。

例如，本发明并不限定环境箱必须要置于作动器的上方，可以根据实际需要作成作动器上置，此时，箱体相对地面固定，密封座、试样支架和加载杆等可随作动器上下移动。

又例如，本发明中并不限定在密封座内开孔将高压试验腔与平衡腔连通，两腔可以分别外接进出气接管，并在外部连通。甚至平衡腔可以不开设在密封座内，而是单独作成一个密封单元，并用外接接管与高压试验腔连通，同样可以实现加载杆轴向推力的平衡。

又例如，本发明并不限定箱体内的介质为高压氢气，同样适用于高压天然气、高压氢气和天然气混合气体等环境下材料的耐久性试验。

但是凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施案例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案范围内。

Claims (5)

1.测试高压氢气环境下材料耐久性的试验机，包括装有动力输出杆的主机，以及内部设试样支架的高压氢气环境箱，高压氢气环境箱上设高压氢气接口；其特征在于，所述高压氢气环境箱只在其箱体的一侧设置开口，一个密封座通过柱销在箱体开口处实现与箱体的密闭接合；沿该密封座的中心线设有贯穿的通孔，通孔内置一个带活塞的加载杆；加载杆上设置至少两道接合于密封座的密封件，所述活塞位于两道密封件之间；在靠近通孔内部开口的一侧，活塞与密封件之间的空间与外部大气相通；活塞的另一侧与密封件之间的通孔空间构成平衡腔，平衡腔与箱体内腔由密封座中开设的氢气通道连通。

2.根据权利要求1所述的试验机，其特征在于，所述加载杆为中空结构，在其伸入箱体内腔的端部设自紧式的密封堵头；在加载杆的内壁设载荷敏感元件，载荷敏感元件的引线由加载杆内部从另一端引出。

3.根据权利要求1或2任意一项中所述的试验机，其特征在于，所述高压氢气环境箱的外侧设升降装置，高压氢气环境箱与主机具有如下位置关系中的任意一种：

高压氢气环境箱位于主机上方且主机相对于地面固定，升降装置连接至高压氢气环境箱；主机上固定设置导向立柱，高压氢气环境箱上设置导向环板，导向立柱位于导向环板上的通孔中；或，

高压氢气环境箱位于主机下方且高压氢气环境箱相对于地面固定，升降装置连接至主机；高压氢气环境箱上固定设置导向立柱，主机上设置导向环板，导向立柱位于导向环板上的通孔中。

4.根据权利要求1或2任意一项中所述的试验机，其特征在于，所述高压氢气环境箱内置冷却管，密封座上设冷却管进出口及内部传感器引线出口。

5.根据权利要求4中所述的试验机，其特征在于，所述冷却管进出口及内部传感器引线出口在箱体内的一侧设可拆卸的锥面密封结构。

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