CN102507306B

CN102507306B - 自平衡的高压气体环境材料试验机加载装置

Info

Publication number: CN102507306B
Application number: CN 201110323614
Authority: CN
Inventors: 郑津洋; 刘贤信; 孙国有; 储进科; 周池楼; 赵永志; 施建峰; 顾超华
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2013-04-03
Anticipated expiration: 2031-10-21
Also published as: CN102507306A

Abstract

本发明涉及材料力学性能测试设备，旨在提供一种自平衡的高压气体环境材料试验机加载装置。该装置包括环境箱密闭腔体，环境箱密封底座贯穿设置加载杆；密闭腔体内的圆盘与载荷传递框的一端固定连接；在与环境箱密封底座相对的箱体上贯穿设置平衡套筒，平衡套筒的一端固定连接至与圆盘相对的载荷传递框一端；平衡套筒套设于载荷测量杆的外部，载荷测量杆的一端连接至固定在箱体外侧，另一端与试样上夹具相连；加载杆贯穿且固定连接至圆盘，其端部与试样下夹具连接；设所述载荷测量杆直径为D₁、平衡套筒外径为D₂、加载杆直径为D₃，则D₂ ²-D₁ ²＝D₃ ²。本发明通过对加载杆、载荷测量杆和平衡套筒截面的合理设计，能够实现高压气体环境材料试验机加载装置的自平衡。

Description

自平衡的高压气体环境材料试验机加载装置

技术领域

本发明属于材料力学性能测试设备，特别涉及一种具有自平衡功能的高压气体环境材料试验机加载装置。

背景技术

在石油化工、天然气化工等传统能源工业领域及氢能、核能等新能源领域，均存在大量的高压设备，它们长期工作在含硫蒸汽、氢气、高温水蒸气等环境下，有可能因腐蚀、氢脆等引起材料失效，造成灾难性后果，因此，有必要对材料在这些极端环境下的使用耐久性进行测试和评价。开发高压气体环境材料试验机是开展相关实验研究的首要环节。

为借鉴现有的材料力学性能测试与评价方法，高压气体环境材料试验机多采用在现有试验机主机上对接高压气体环境箱的形式。然而，该类设备的开发面临一个共同的难题，即环境箱内高压气体在加载杆上可产生高达数吨的推力，必须采用合适的方法进行平衡。目前，加载杆轴向力的平衡方法主要有两种：一种是利用试验机液压推力进行抵消；另一种是通过设置一个与试验腔连通的平衡腔来平衡轴向推力。

液压平衡方法会消耗试验机主机的部分加载能力，且在被测试样断裂时，气体推力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；设置平衡腔的方法，需要设置多道高压动密封，加工精度要求高。

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，提出一种自平衡的高压气体环境材料试验机加载装置。

为解决技术问题，本发明采取以下措施：

提供一种自平衡的高压气体环境材料试验机加载装置，包括环境箱箱体、环境箱密封底座和环境箱密封组件构成的密闭腔体，环境箱密封底座贯穿设置加载杆；密闭腔体内设有载荷传递框、圆盘、试样上夹具和试样下夹具，圆盘与载荷传递框的一端固定连接；在与环境箱密封底座相对的箱体上贯穿设置平衡套筒，平衡套筒的一端固定连接至与圆盘相对的载荷传递框一端；平衡套筒套设于载荷测量杆的外部，载荷测量杆的一端连接至固定在箱体外侧的载荷测量杆支架，另一端与试样上夹具相连；加载杆贯穿且固定连接至圆盘，其端部与试样下夹具连接；设所述载荷测量杆直径为D₁、平衡套筒外径为D₂、加载杆直径为D₃，则三者之间应满足D₂ ²-D₁ ²＝D₃ ²。

作为一种改进，所述加载杆一端连接试验机动力输出端。

作为一种改进，所述载荷传递框通过螺纹结构与平衡套筒实现连接。

作为一种改进，所述平衡套筒与环境箱箱体和载荷测量杆之间各设置动密封。

作为一种改进，载荷测量杆靠近环境箱箱体一侧为与大气相通的中空结构，其内部设载荷敏感元件。

作为一种改进，所述载荷敏感元件布置于载荷测量杆动密封与载荷测量杆端头之间的光滑段的位置。

本发明的有益效果在于：

通过对加载杆、载荷测量杆和平衡套筒截面的合理设计，能够实现高压气体环境材料试验机加载装置的自平衡。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为加载装置受力示意图；

图3为试样真实载荷测量结构局部示意图。

图中的附图标记为：载荷测量杆支架1、平衡套筒2、环境箱箱体3、载荷传递框4、被测试样5、圆盘6、环境箱密封底座7、环境箱密封组件8、加载杆9、试样下夹具10、试样上夹具11、载荷测量杆12、载荷敏感元件13、载荷测量杆动密封14。

具体实施方式

本实施例中的高压气体环境材料试验机加载装置，如图1所示，包括平衡套筒2、载荷传递框4、圆盘6、加载杆9、试样下夹具10、试样上夹具11和载荷测量杆12等，它们位于环境箱箱体3、环境箱密封底座7和环境箱密封组件8构成的密闭高压腔体中。加载杆9一端接于试验机动力输出端，另一端通过圆盘6与载荷传递框4连接，载荷传递框4另一端通过螺纹结构与平衡套筒2连接，平衡套筒2内置有载荷测量杆12，载荷测量杆12一端与载荷测量杆支架1相连，并相对环境箱箱体3固定，另一端与试样上夹具11相连。当加载杆9上下运动时，平衡套筒2、载荷传递框4、圆盘6和试样下夹具10随其一起运动，此时，试样5上端固定，下端随试样下夹具10上下运动，即完成对试样5的加载。

如图2所示，载荷传递框4上下表面的外径为D₀、载荷测量杆直径为D₁、平衡套筒外径为D₂、加载杆直径为D₃。若高压试验腔内的气体压力为P，那么高压气体对载荷传递框4上端外表面产生的推力为：

F_{1} = \frac{P}{4} π ({D_{0}}^{2} - {D_{2}}^{2})

对载荷传递框4上端内表面产生的推力为：

F_{2} = \frac{P}{4} π ({D_{0}}^{2} - {D_{1}}^{2})

对载荷传递框4下端外表面产生的推力为：

F_{3} = \frac{P}{4} π ({D_{0}}^{2} - {D_{3}}^{2})

对载荷传递框4下端内表面产生的推力为：

F_{4} = \frac{P}{4} π {D_{0}}^{2}

若要实现加载装置的自平衡，则需满足：

F₂-F₁＝F₄-F₃

将F₁、F₂、F₃、F₄代入上式，有：

\frac{P}{4} π ({D_{0}}^{2} - {D_{1}}^{2}) - \frac{P}{4} π ({D_{0}}^{2} - {D_{2}}^{2}) = \frac{P}{4} π {D_{0}}^{2} - \frac{P}{4} π ({D_{0}}^{2} - {D_{3}}^{2})

整理后，得：D₂ ²-D₁ ²＝D₃ ²

故，载荷测量杆、平衡套筒、加载杆三者截面尺寸满足：D₂ ²-D₁ ²＝D₃ ²，即实现了试验机加载装置的自平衡。

如图3所示，载荷测量杆12靠近大气一侧为中空结构，在孔内载荷测量杆动密封下方光滑段布置载荷敏感元件13，避免了动摩擦力的影响，载荷敏感元件测得的载荷即为施加到试样上的真实载荷；同时，载荷敏感元件13与大气相通，且与高压气体介质隔绝，可有效避免高压气体引起的测量结果失真。

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。

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

1.一种自平衡的高压气体环境材料试验机加载装置，包括环境箱箱体、环境箱密封底座和环境箱密封组件构成的密闭腔体，环境箱密封底座贯穿设置加载杆；其特征在于，密闭腔体内设有载荷传递框、圆盘、试样上夹具和试样下夹具，圆盘与载荷传递框的一端固定连接；在与环境箱密封底座相对的箱体上贯穿设置平衡套筒，平衡套筒的一端固定连接至与圆盘相对的载荷传递框一端；平衡套筒套设于载荷测量杆的外部，载荷测量杆的一端连接至固定在箱体外侧的载荷测量杆支架，另一端与试样上夹具相连；加载杆贯穿且固定连接至圆盘，其一端与试样下夹具连接；设所述载荷测量杆直径为D₁、平衡套筒外径为D₂、加载杆直径为D₃，则三者之间应满足D₂ ²-D₁ ²=D₃ ²。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述加载杆另一端连接试验机动力输出端。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述载荷传递框通过螺纹结构与平衡套筒实现连接。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述平衡套筒与环境箱箱体和载荷测量杆之间各设置动密封。

5.根据权利要求1至4任意一项中所述的装置，其特征在于，载荷测量杆连接到固定在箱体外侧的载荷测量杆支架的一端为与大气相通的中空结构，其内部设载荷敏感元件。