CN103868357B - 一种板材试样疲劳试验加热炉 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空发动机材料性能测试技术，涉及一种针对小尺寸薄壁试样（长180mm×宽50mm×厚3mm）高温应力疲劳试验用的板材试样疲劳试验加热炉。加热炉采用了碳化硅发热体，三支热电偶技术，其中一支为试样测温热电偶，测出试样真正温度；二支控温热电偶，它们依靠测温热电偶测量值自动调节发热体功率，使加热炉中试样准确达到工作温度。加热炉配置了可编程序化的温度控制系统，精度为0.2级，保温性能好。加热炉结构设计成双向对开式，并安装于滑动导轨上，保证电炉精确定位，长期稳定不变。本发明采用新型温度控制系统，克服传统加热炉智能化程度低、操作不便等缺点，并以人机交互界面作为系统的输入和显示终端，改变了以往控温领域控温表的操控方式。

Description

一种板材试样疲劳试验加热炉

技术领域

本发明属于航空发动机材料性能测试技术，涉及一种针对小尺寸薄壁试样(长180mm×宽50mm×厚3mm)高温应力疲劳试验用的板材试样疲劳试验加热炉。

背景技术

随着航空发动机对材料性能要求的提高，材料在高温条件下，特别是1200℃以上性能数据的获得变得尤为重要。传统产品的智能化程度低、操作不方便、试验温度无法满足要求等缺点也很突出。新型小尺寸薄壁试样疲劳试验用加热炉整体结构设计合理，小巧轻便，操作方便，一些新材料、新技术的应用得以在此设备上体现。该新型产品加热速度快、温度精准，安全措施完备可靠。系统控制方面实现了智能化、模块化、程序化，并配置人机交互彩色触控界面，可动态实时显示温度和查看升温曲线，实时监控温度、输出及相关数据的变化；执行单元采用可控硅移相触发方式，输出平稳，全程调控，无须人员参与，升温、保温全部由系统自动完成。

发明内容

本发明的目的是提出一种适合于小尺寸薄壁试样疲劳试验，并且满足长期连续使用条件的新型加热炉。本发明的技术解决方案是：加热炉采用两个相同的方形电阻炉对开式结构，两个方形电阻炉安装在滑动直线导轨支架上，方形电阻炉由双层炉壳、耐火保温层及四支电加热元件构成，电加热元件为长条状碳化硅元件，四个电加热元件安装在双层炉壳内层的内腔左右两侧，电加热元件的电极伸出双层炉壳与新型温度控制系统连接，双层炉壳的内壳为真空成型轻质氧化铝板，真空成型轻质氧化铝板与双层炉壳的外壳间留有空气隔热层，双层炉壳的内壳与加热炉内腔之间为陶瓷纤维耐火保温层，方形电阻炉内配置有三支热电偶，其中一支为捆绑于试样上的测温热电偶，另外二支为控温热电偶，三支热电偶均与新型温度控制系统连接，两个方形电阻炉的中间位置，垂直于电阻炉开口方向开有安装板材试样的安装槽，加热炉工作时，板材试样的工作部分置于两个方形电阻炉之间，板材试样的夹持部分暴露在方形电阻炉外，两个方形电阻炉夹紧板材试样并固定。新型温度控制系统由彩色触摸界面、中央处理单元、高精度温度控制模块、定电流电力调整器等组成。

所述加热炉的内腔外形为长方体，尺寸为：高50mmX宽60mmX深60mm，加热炉外壳也为长方体，尺寸为：高90mmX宽150mmX深150mm，安装板材试样的安装槽尺寸为：宽60mmX深10mm。

所述加热体为长条状的碳化硅元件，尺寸为：宽12.5mmX长50mm，上下放置共两组，每组发热体最高提供600W以上的功率，在30分钟内将试样加热到工作温度1200℃。

所述双层炉壳内壳为真空成型轻质氧化铝板，外壳为不锈钢板，内壳外壳之间为8mm的空气隔层，在外壳前后、左右四面的周边开有多组散热孔，形成流动空气置换隔层，外壳温升低于70℃，防止灼伤操作人员。

所述新型温度控制系统，配备主频400MHz嵌入式低功耗ARM CPU处理器、64M内存、分辨率为800×480的7英寸高亮度TFT液晶显示屏、分辨率为1024×1024的四线电阻式触摸屏，工作和储存温度高达60℃，防护等级IP65，抗干扰性达到工业三级。该新型温度控制系统的精度为0.2级，显示灵敏度达到0.1℃。

所述加热炉内腔内有三支热电偶，二支用于二段控温，一支绑于试样表面测温，并作为试样温度基准。通过控制控温热电偶加热电流，调节内腔温度。

所述加热炉采用对开式结构，加热炉整体及加热炉的单个方形电阻炉在滑动直线导轨支架上进行前、后、左、右移动。

本发明具有的优点和有益效果，本发明采用了进口发热体和新型的保温隔热材料，加热升温速度快，保温性能优异。针对疲劳试验机高温夹具在高温条件下寿命降低的问题，本发明将高温夹具置于加热炉之外，试样两端可直接伸出炉外上下两端与主机夹具直接连接，有效减少高温夹具的使用。本发明采用了三支热电偶技术，其中一支为试样测温热电偶，测出试样真正温度；二支控温热电偶，它们依靠测温热电偶测量值自动调节发热体功率，使加热炉中试样准确达到工作温度。加热炉配置了可编程序化的温度控制系统，精度为0.2级。本发明整体小巧轻便，配置滑动轨道，操作十分方便。本发明采用新型温度控制系统，克服传统加热炉智能化程度低、操作不便等缺点，并以人机交互界面作为系统的输入和显示终端，改变了以往控温领域控温表的操控方式。操作人员无需记住复杂的指令，只需根据界面提示进行相关操作即可，这种方式使人机交互更加直截了当，大大方便那些不熟悉控温表指令的用户。触屏操作起来更加方便、实用，且故障率较低，而且触摸屏自身配有USB接口，对于日后系统的维护、更新、优化和升级提供很大方便。该新型温度控制系统采用高精度温度控制模块作为测温和控温的关键部件，并利用行业内成熟、稳定、可靠的电力调整器作为控制的执行部件，配合中央处理单元统一的管理，保证整个系统的可靠性和准确性。

附图说明

图1是本发明加热炉结构示意图；

图2是本发明加热炉结构在主机上定位安装图；

图3是本发明方形电阻炉结构剖视图；

图4是本发明加热炉选用的发热体；

图5是温度控制器与炉体连接结构图。

具体实施方式

结合附图1-5所示，对本发明做进一步的描述。加热炉1由两个相同的安装在导轨支架2上的方形电阻炉3构成，支架2固定在试验机立柱4上，方便在平行于立柱4的面上左右移动。方形电阻炉3从外向内包括有双层炉壳5、耐火保温层6及四支电加热元件7，其中双层炉壳5的内壳为真空成型轻质氧化铝板，真空成型轻质氧化铝板与双层炉壳5的外壳间留有空气隔热层，双层炉壳5的内壳与加热炉内腔8之间为陶瓷纤维耐火保温层6。电加热元件7为长条状碳化硅材料，四个电加热元件7安装在双层炉壳5内层的内腔8左右两侧，陶瓷基座9紧密的固定于轻质氧化铝板及炉外壳的金属板上，电加热元件7的电极10伸出双层炉壳5与新型温度控制系统11连接。方形电阻炉3内配置有三支热电偶，其中一支为捆绑于试样上的测温热电偶，另外二支为控温热电偶，三支热电偶均通过加热线12与新型温度控制系统11连接。在两个方形电阻炉3的中间位置，垂直于电阻炉开口方向开有安装板材试样13的安装槽14。加热炉工作时，板材试样13的工作部分置于两个方形电阻炉3之间，板材试样13的夹持部分暴露在方形电阻炉3之外，两个方形电阻炉3夹紧板材试样13并固定。加热炉试验环境由新型温度控制系统11来控制，该新型温度控制系统11以高精度温度控制模块为核心，主要由彩色触摸式人机界面、中央处理器单元、高精度温度控制模块、定电流电力调整器等几个部分组成。升温开始时，通过触摸屏来选择热电偶类型，并输入升温目标值和功率上限，目标值和功率值将通过系统通讯总线写入高精度温度控制模块中。中央处理单元根据加热指令，输出I/O控制信号至控制电路，高精度温度控制模块将实时读取温度的实际值，并与设定值进行比较，获得误差信号，再经PID算法计算出控制量，根据线性输出4～20mA的直流信号。直流信号作为电力调整器的输入。电流经由电力调整器内部的运算放大电路，输出稳定、可靠的电流信号给发热体，从而保证了两回路中控制电流不随温度升高，发热体阻值变化而改变(电力调整器定电流功能)，从而保证了升温时间和良好的控温效果。

实施例：

1.设计了一种针对薄壁板材试样高温疲劳试验的加热炉。外形尺寸为：高50mmX宽60mmX深60mm，加热炉外壳为长方体，尺寸为：高90mmX宽150mmX深150mm，安装板材试样的安装槽尺寸为：宽60mmX深10mm。

2.采用了长条状的碳化硅加热元件，尺寸为：宽12.5mmX长50mm，上下放置共两组，每组发热体最高提供600W以上的功率，在30分钟内将试样加热到工作温度1200℃。通过接通控温系统，两组发热体形成加热炉加热室内上下二段加热系统，以实现升温过程中自动调节温度梯度，形成在30mm试样高度上达到最优的温度偏差。

3.在加热炉内腔高50mm内的30mm处(以中心为对称)分别插入二支控温用热偶，偶头尽量接近发热体，在试样上绑一支热电偶(均采用S型热偶)，并用陶瓷绳捆扎上防止发热体对它直接辐射。

4.两个方形电阻炉通过导轨分别调整到试样中心位置，并合并成一体后即可开启温度控制系统进行工作，同时测温热偶温度设定成工作温度，控温热偶将自动调节二段加热的功率输出，使试样温度迅速达到设定值，上下二段的温度梯度亦将自动进入合格区。

5.按发热体所需电源接通，加热炉即会迅速升温并在30分钟以内达到工作温度，最高为1200℃，并长期稳定工作，采用新型轻质陶瓷绝热保温材料及炉外体双层空气隔层的设计，使加热炉外表面温升在长时间工作中会一直维持在温升低于70℃的水平。

6.温度控制系统配备分辨率为1024×1024的四线电阻式触摸屏，工作和储存温度达到60℃，防护等级为IP65，抗干扰性达到工业三级。该新型温度控制系统的精度为0.2级，显示灵敏度达到0.1℃，可实时监控温度，显示测温、控温曲线，具有对曲线的保存，调用功能，并可人为设置异常数据报警及保护功能。

Claims (7)

1.一种板材试样疲劳试验加热炉，其特征是，加热炉包括两个相同的方形电阻炉和一个温度控制系统，两个方形电阻炉为对开式结构，两个方形电阻炉安装在滑动直线导轨支架上，方形电阻炉由双层炉壳、耐火保温层及四支电加热元件构成，电加热元件为长条状碳化硅元件，四个电加热元件安装在双层炉壳内层的内腔左右两侧，电加热元件的电极伸出双层炉壳与温度控制系统中的定电流电力调整器连接，双层炉壳的内壳为真空成型轻质氧化铝板，真空成型轻质氧化铝板与双层炉壳的外壳间留有空气隔热层，双层炉壳的内壳与加热炉内腔之间为陶瓷纤维耐火保温层，方形电阻炉内配置有三支热电偶，其中一支为捆绑于试样上的测温热电偶，另外二支为控温热电偶，三支热电偶均与温度控制系统中的温度控制模块连接，两个方形电阻炉的中间位置，垂直于电阻炉开口方向开有安装板材试样的安装槽；温度控制系统由彩色触摸屏界面、中央处理单元、温度控制模块、定电流电力调整器组成，中央处理单元与彩色触摸屏界面和温度控制模块连接，温度控制模块连接定电流电力调整器；加热炉工作时，板材试样的工作部分置于两个方形电阻炉之间，板材试样的夹持部分暴露在方形电阻炉外，两个方形电阻炉夹紧板材试样并固定。

2.根据权利要求1所述的一种板材试样疲劳试验加热炉，其特征在于，所述电加热元件为长条状碳化硅元件，电加热元件的功率为500W，升温速度在20秒内升至最高工作温度1200℃。

3.根据权利要求1所述的一种板材试样疲劳试验加热炉，其特征在于，所述双层炉壳的内腔为长方体，尺寸为高50mm×宽60mm×深60mm，加热炉的外壳亦为长方体，其尺寸为高90mm×宽150mm×深150mm，安装薄壁试样的安装槽尺寸为宽60mm×深10mm。

4.根据权利要求1所述的一种板材试样疲劳试验加热炉，其特征在于，所述双层炉壳的内腔耐火保温材料为真空成型轻质氧化铝板，双层炉壳外壳的前后、左右表面开有散热通风孔。

5.根据权利要求1所述的一种板材试样疲劳试验加热炉，其特征在于，所述两个方形电阻炉双层炉壳内腔中，上下对称放置八支电加热元件，并在试样前后对称分布。

6.根据权利要求1所述的一种板材试样疲劳试验加热炉，其特征在于，所述温度控制系统，配备主频400MHz嵌入式低功耗ARM CPU处理器、64M内存、分辨率为800×480的7英寸高亮度TFT液晶显示屏、分辨率为1024×1024的四线电阻式触摸屏，工作和储存温度为60℃，防护等级IP65，抗干扰性为工业三级，精度为0.2级，温度显示灵敏度为0.1℃。

7.根据权利要求1所述的一种板材试样疲劳试验加热炉，其特征在于，所述加热炉采用对开式结构，加热炉整体及单个方形电阻炉在滑动直线导轨支架上进行前、后、左、右移动。