CN106226347B - 一种立式高温热膨胀仪的位移测量系统 - Google Patents

一种立式高温热膨胀仪的位移测量系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种立式高温热膨胀仪的位移测量系统，包括立式试验炉体、试验炉体设置在刚性支撑机构上，刚性支撑机构与试验炉体外壳之间设置有冷却水套，试验炉炉膛下部安放载样台，在载样台上放置一个或一个以上个试样，每个试样上部连接一套用于测量试样膨胀位移的位移测量机构以及用于位移测量机构平衡的位移重力平衡装置。本发明可以实现同一炉次的多试样测量，提高了测量效率；立式、竖直安放试样，完全避免了试样在高温下产生的轴向弯曲变形的影响；位移测量系统的重力平衡装置和示差管的重力平衡装置分别消除了各自系统的重力影响，测量更准确；可实现长度小的试样和加长试样的测试。

Description

一种立式高温热膨胀仪的位移测量系统
技术领域
本发明属测试仪器类，涉及测试耐火材料加热线膨胀率的高温热膨胀仪的位移测量系统，特别涉及一种立式高温膨胀仪的位移测量系统。
背景技术
热胀冷缩是自然界的普遍现象,也是工程材料的基本属性。工业窑炉通常是在常温下砌筑炉衬，随着炉温的升高，炉衬产生热膨胀。为了抵消膨胀产生的热应力对炉体造成的破坏，需预留膨胀缝隙。材料的热膨胀性能是窑炉设计和筑炉中预留膨胀缝大小和结构的关键参数。耐火材料热震稳定性的好坏，与材料本身的热膨胀性密切相关；复合材料和多相材料中各种组分物质的热膨胀性是否匹配，是复合材料能否达到设计性能的关键；材料的热膨胀性能同时也是材料特性、内部结构、相变、缺陷等的外在反映。
热膨胀的表征方法，以规定的升温速率将试样加热到预定的试验温度，测试试样随温度升高的长度变化值，该值与试样原始长度的比率，即为试样的线膨胀率，线膨胀率与其温度范围温度差值的比率，即为该温度范围的平均线膨胀系数。
材料的热膨胀一般是指，在自然水平状态下，不受外力作用，以规定的升温速率加热试样，试样的长度随温度升高而发生的变化情况。因而，常见的热膨胀仪均为卧式膨胀仪。
卧式膨胀仪，一般有顶杆法和望远镜法两种 ，望远镜法已很少被使用，因而，常见的卧式膨胀仪为顶杆法。
GB/T 7320－2008标准中示出了“顶杆法热膨胀仪”加热炉的结构及其位移测试系统为：在金属底座上装有卧式炉体，卧式炉体的中部为沿轴线横向炉膛，炉膛内放置装样管，装样管内装载试样，试样的一端紧贴装样管的固定端，另一端紧贴可以自由活动的顶杆的顶端，试样的热膨胀线变化通过顶杆传给位移传感器，位移传感器（以冷却水冷却）位于炉体外。
除了卧式膨胀仪外，还有立式热膨胀仪。国家标准《GB/T 7320－2008 耐火材料热膨胀试验方法 》中的“示差法热膨胀仪”，即为立式热膨胀仪，其位移测量结构（当安装在试验炉体的下部时）：压棒、上垫片、试样、下垫片、支撑棒及内示差管、外示差管，均安装在罩式加热炉内。内示差管以上垫片的下表面为基准、外示差管在试样的下面、以下垫片下表面为基准，试样为直径50mm、高50mm、中心孔直径12～13mm的圆柱体。即整个位移测量系统是在罩式试验炉的下方。由于要保持上压棒、上垫片、试样、下垫片、支撑棒以及通过支撑棒中心孔的外示差管、及通过外示差管中心孔和下垫片中心孔试样中心孔的内示差管等同轴，是一件比较困难的事；特别是以庞大的罩式试验炉体作为加载力。该结构只适宜于负荷下热膨胀的测试系统；而且每次只能测试一个中心带φ（12～13）mm通孔的Φ50mm×50mm的试样，测试效率低。
卧式热膨胀，由于是一个悬臂结构，试样设置在悬臂状态的载样管内，当炉温升至高温时，载样管就会和位移测量顶杆在其自重和试样、 托架自重的共同作用下产生弯曲变形，导致试样沿轴向直线线膨胀的测量失败。
即便是多个小试样的卧式热膨胀仪，受到多个试样和试样支架自重的作用，载样管依然容易弯曲变形，因而该类卧式热膨胀仪只能用于1500℃或更低的温度。
大试样的卧式热膨胀同样也只能用于1500℃或更低的温度。
对于位移测量机构安装于试验炉炉体上部的立式热膨胀仪，其测量机构中，由于位移测量杆、位移传感器等都会对试样施加其自身重量的载荷；安装了示差杆的机构，示差杆自身重量和机械结构的重量，会对示差杆施加载荷；这些载荷对不施加载荷的热膨胀（在不特别注明的情况下，测试材料的热膨胀，就是指不施加载荷的热膨胀）测试是不利的；而对于施加载荷的热膨胀，该值又不利于力值的计算和实际加载的准确性。
目前，尚没有立式热膨胀仪位移测量系统的报道，更没有测试多个试样的立式热膨胀仪位移测量系统的报道。 因而，研究测试耐火材料加热线膨胀率的高温热膨胀仪的位移测量系统，特别是一种立式高温膨胀仪的位移测量系统，具有重要价值。
发明内容
本发明的目的是，克服现有技术的不足，提供一种测量效率高、测量范围大以及测量准确的立式高温热膨胀仪的位移测量系统。
本发明的目的可以采用以下技术方案来实现：一种立式高温热膨胀仪的位移测量系统，包括立式试验炉体、试验炉体设置在刚性支撑机构上，刚性支撑机构与试验炉体外壳之间设置有冷却水套，试验炉炉膛下部安放载样台，在载样台上放置一个及以上试样，每个试样上部连接一套用于测量试样膨胀位移的位移测量机构以及用于位移测量机构平衡的位移重力平衡装置。
所述的位移测量机构，包括与试样上端相接的传输杆、夹紧块和位移测量元件；夹紧块的一侧与传输杆相固联，另一侧与滑动副A相配合；滑动副A通过滑座固定在机架A上；位移测量元件固定在锁紧套的一侧，锁紧套的另一侧设有螺孔，螺孔内穿有微调螺杆，螺孔与微调螺杆组成螺杆副，微调螺杆的上端穿过在锁紧套的螺孔后，固定在微调固定架的平面部分中部的孔；微调固定架为一直角形支架，其竖直杆的底部固定在上顶板上表面上，其平面部分的中部有一个孔，微调螺杆穿过该孔；微调螺杆下端伸至上顶板的上方，上端安装微调机构的微调旋钮；该微调旋钮与微调固定架、锁紧套、微调螺杆组成微调机构。
所述的用于位移测量机构平衡的位移重力平衡装置，包括钢丝绳、平衡砣A以及设设置在试验炉体上部的滑轮A，钢丝绳与是在试样位移测量系统内的夹紧块的上顶部连接，钢丝绳绕过滑轮A与平衡砣A相连。
所述的试验炉体上设置有的示差机构，所述的示差机构包括示差管、用于示差管移动导向的滑动副B以及示差重力的平衡装置，示差管竖直安放在载样台上表面，示差管顶端与上顶板相联，滑动副B通过其轴固定在机架B上；所述的；所述的示差重力的平衡装置包括钢丝绳、平衡砣B以及设置在试验炉体上部的滑轮B，钢丝绳与上顶板上两侧的对应位置连接，钢丝绳绕过滑轮B与平衡砣B相连
所述的载样台，由单层或多层载样板（管或棒）组成，增减载样板（管、棒）的数量，则可实现长度小的试样（如：25mm）和加长试样（如：250mm）的测试。
本发明的优点：⑴可以安放一个或多个试样，实现同一炉次的多试样测量，提高了测量效率。⑵立式、竖直安放试样，完全避免了试样在高温下产生的轴向弯曲变形的影响，可实现小截面（如：75mm2）到大截面（如：62500mm2）试样的测试。⑶位移测量系统的重力平衡装置和示差管的重力平衡装置分别消除了各自系统的重力影响，实现零负荷（或非零负荷）下热膨胀测试时负荷的准确加载或消除，测量更准确。⑷载样台由单层或多层载样板（管或棒）组成，减少载样板或调节固定机构的高度、调整传输杆和示差管，则可实现长度小的试样（如：25mm）和加长试样（如：250mm）的测试。
附图说明
附图1为本发明的单试样双鼎团聚结构正视剖面示意图。
附图2为本发明的单试样单鼎结构正视剖面示意图。
附图3为本发明的四试样五鼎团聚结构示意图。
图中：1、微调旋钮，2、位移测量元件，3、滑轮A，4、锁紧套，5、微调螺杆，6、平衡砣A，7、滑动副A，8、夹紧块，9、机架A，10、微调固定架，11、上顶板，12、滑动副B，13、传输杆，14、试样，15、示差管，16、发热元件，17、载样台，18、刚性支撑机构，19、炉体，20、平衡砣B，21、滑轮B，22、机架B，23、热电偶，24、炉衬，25、冷却水套。
具体实施方式
结合附图，说明本发明的具体实施例。
实施例1：一种单试样双鼎结构立式热膨胀仪。
如附图3所示，是一种单试样双鼎结构立式热膨胀仪，设置一个试样14和一根示差管15，形成双鼎结构。按国家标准《GB/T 7320－2008 耐火材料 热膨胀试验方法 示差法》检测。其包括炉体19，试验炉体设置在刚性支撑机构18上，刚性支撑机构18与炉体壳之间设置有冷却水套25，试验炉炉膛下安放载样台17，所述的载样台17，由单层或多层载样板（管或棒）组成，增减载样板（管、棒）的数量，则可实现长度小的试样（如：25mm）和加长试样（如：250mm）的测试。本实施例所述的载样台17由两块载样板叠加组成，载样台17上安放一个试样14，对应试样14都配以试样位移测量系统和测量系统的平衡装置，所述的试验炉体上设置有的示差机构，所述的示差机构包括示差管15、用于示差管移动导向的滑动副B12以及示差重力的平衡装置，示差管15竖直安放在载样台17上表面，在炉体19上方设置上顶板11，示差管15顶端与上顶11相联，滑动副B12固定在上顶板11两侧的机架B22上；所述的示差重力平衡装置，包括钢丝绳、平衡砣B 20以及设置在试验炉体上部的滑轮B 21，钢丝绳与上顶板11上两侧的对应位置连接，钢丝绳绕过滑轮B 21与平衡砣B 20相连。调节平衡砣B 20 的重量，使其与示差管15、上顶板11微调机构的重量相平衡。
所述的试样位移测量系统，包括与试样14上端相接的传输杆 13、夹紧块 8和位移测量元件2、机架A 9、锁紧套4，所述的夹紧块 8的一侧与传输杆 13相固联，另一侧连接有滑动副A 7；滑动副A 7固定在机架A 9上；位移测量元件 2固定在锁紧套 4的一侧，锁紧套4的另一侧设有螺孔，螺孔内穿有微调螺杆 5，螺孔与微调螺杆 5组成螺杆副，微调螺杆 5的上端穿过在锁紧套 4的螺孔后，固定在微调固定架 10的平面部分中部的孔；所述的微调固定架 10为一直角形支架，其竖直杆的底部固定在上顶板11上表面上，其平面部分的中部有一个孔，微调螺杆 5穿过、并固定在该孔；微调螺杆 5下端伸至上顶板 11的上方，上端安装微调旋钮 1；该微调旋钮 1与微调固定架 10、锁紧套4、微调螺杆5组成微调机构。
所述测量系统的位移重力平衡装置，包括钢丝绳、平衡砣A 6以及设设置在试验炉体上部的滑轮A 3，钢丝绳与是在试样位移测量系统内的夹紧块8的上顶部连接，钢丝绳绕过滑轮A 3与平衡砣A 6相连。
具体操作步骤如下：
（1）示差管15和传输杆13选用同一材质、相同工艺生产的Al2O3
含量不低于99.5%的刚玉管。
（2）在载样台17上安放有一个试样14，试样14上分别安放传输杆13、位移测量元件2，其中传输杆13与夹紧块8固联，位移测量元件2固定在锁紧套4的一侧，缩紧套4的另一侧固联微调机构，微调机构由微调旋钮1、微调固定架10、紧锁套4、微调螺杆5组成。
（3）在载样台17上表面的中心竖直安放示差管15，示差管15的顶端与上顶板11相联，上顶板11两侧设有滑动副B 12，在试验炉上方设置有机架B 25，滑动副B 12固定在机架B 25上；上顶板11与示差重力平衡装置相连，示差重力平衡装置是在上顶板11上两侧的对应位置上连接柔性钢丝绳、钢丝绳绕过滑轮B 21与平衡砣B 20相连。调节平衡砣B 20的重量，使其与示差管15、上顶板11及微调机构的重量相平衡。
（4）旋动微调旋钮1，使微调螺杆5转动，通过螺杆副带动紧锁套4上下移动，带动并调节相连的位移测量元件2呈上下细微移动，使位移测量元件2显示“初始”位置。
（5）开始试验，以（4～5）℃/min的升温速率加热，直至1700℃的试验温度。
（6）当升温时，试样14和传输管13膨胀，推动位移测量元件2的顶针收缩；同时，示差管15也膨胀，推动上顶板11、微调固定架10、微调螺杆5、锁紧套4上移，使位移测量元件2的上部上移，位移测量元件2的下部顶针就相对“伸出”，“示差”了传输杆13的膨胀量。
（7）按一定温度间隔记录位移测量元件2的读数并计算出试样14的膨胀或收缩。
实施例2:一种单试样单鼎结构立式热膨胀仪。
如附图2所示，是在实施例1的基础上，设置一个试样14，不再设立示差管15，形成单鼎结构。按非示差法检测。
实施例3：一种四试样五鼎团聚立式高温热膨胀仪。
如附图3所示，在实施例1的基础上，在载样台17的中心位置上安放一根示差管15，示差管15在四个试样 14的中心位置，四个试样14和一根示差管15形成五鼎团聚结构。

Claims (2)

1.一种立式高温热膨胀仪的位移测量系统，包括立式试验炉体（19）、试验炉体设置在刚性支撑机构（18）上，刚性支撑机构（18）与试验炉体外壳之间设置有冷却水套（26），试验炉炉膛下部安放载样台（17），其特征是：在载样台（17）上放置有试样（14），试样（14）上部连接有用于测量试样膨胀位移的位移测量机构以及用于位移测量机构平衡的位移重力平衡装置；所述的位移测量机构，包括与试样（14）上端相接的传输杆（13）、夹紧块（8）和位移测量元件（2）；夹紧块（8）的一侧与传输杆（13）相固联，另一侧与滑动副A（7）相配合；滑动副A（7）通过滑座固定在机架A（9）上；位移测量元件（2）固定在锁紧套（4）的一侧，锁紧套（4）的另一侧设有螺孔，螺孔内穿有微调螺杆（5），螺孔与微调螺杆（5）组成螺杆副，微调螺杆（5）的上端穿过在锁紧套（4）的螺孔后，固定在微调固定架（10）的平面部分中部的孔；微调固定架（10）为一直角形支架，其竖直杆的底部固定在上顶板（11）上表面上，其平面部分的中部有一个孔，微调螺杆（5）穿过该孔；微调螺杆（5）下端伸至上顶板（11）的上方，上端安装微调机构的微调旋钮（1）；该微调旋钮（1）与微调固定架（10）、锁紧套（4）、微调螺杆（5）组成微调机构；所述的用于位移测量机构平衡的位移重力平衡装置，包括钢丝绳、平衡砣A（6）以及设置在试验炉体上部的滑轮A（3），钢丝绳与是在试样位移测量系统内的夹紧块（8）的上顶部连接，钢丝绳绕过滑轮A（3）与平衡砣A（6）相连；所述的试验炉体上设置有的示差机构，所述的示差机构包括示差管（15）、用于示差管移动导向的滑动副B（12）以及示差重力的平衡装置，示差管（15）竖直安放在载样台（17）上表面，示差管（15）顶端与上顶板（11）相联，滑动副B（12）通过其轴固定在机架B（22）上；所述的示差重力的平衡装置包括钢丝绳、平衡砣B（20）以及设置在试验炉体上部的滑轮B（21），钢丝绳与上顶板（11）上两侧的对应位置连接，钢丝绳绕过滑轮B（21）与平衡砣B（20）相连。
2.根据权利要求1所述的立式高温热膨胀仪的位移测量系统，其特征是：所述的载样台（17），由一层或一层上的载样板组成。
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