CN107576559A - 一种用于高频疲劳试验中预防试样过热的冷却系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于力学性能测试技术领域，涉及一种用于高频疲劳试验中预防试样过热的冷却系统。冷却系统由空气压缩机、压缩空气储气罐、油水分离器、热交换器、扇型出风口组成，通过用液氮热交换器，将压缩空气冷却后直接作用于试样，而且出风口温度可调整，适用的材料广泛。还可在高频感应加热时，对保证试验设定温度的热平衡起到很好的效果。本发明提出的预防试样过热的冷却系统，液氮损耗小，冷却效率高。该系统能够省时高效地完成材料的超高频、高频感应加热的疲劳试验，系统简单实用，成本较低。

Description

一种用于高频疲劳试验中预防试样过热的冷却系统

技术领域

本发明属于力学性能测试技术领域，涉及一种用于高频疲劳试验中预防试样过热的冷却系统。

背景技术

疲劳失效是工程材料中常见的破坏形式。针对工程材料开展疲劳性能测试，对于工程结构件的设计和寿命预测具有非常重要的意义。试样过热是高频疲劳试验过程中常见的不利因素，因此，冷却系统成为高频疲劳试验过程中保持试样试验温度不可或缺的辅助系统。以往，在高频疲劳测试时，当加载频率达到135Hz以上，试样会产生发热现象，而采用高频感应加热时，试样温度波动较大，难以控制，这些因素都会大大影响试验数据的准确性。近年来，随着工业技术的发展，先进材料的抗疲劳能力得到极大提升，部分工业装备(飞机、航空发动机、燃气轮机、高铁等)对关键部位的抗疲劳性能也提出了更高的要求，要求部分关键部位的疲劳寿命达到10⁸，甚至是10¹⁰。超高频试验已得到广泛开展，试样过热成为制约超高频试验结果准确性的重要原因之一。因此，亟需用于疲劳试验中预防试样过热的冷却系统，用以保证试验数据的准确性。

传统的用于疲劳试验中预防试样过热的冷却装置包括：风冷、水冷和空气压缩机、液氮环境箱等。由于上述冷却装置的冷却方式不能随着超高频、超高温试验疲劳试验中试样温度的变化而变化，因此，传统冷却方式已不能完全满足使用需要。

发明内容

本发明的目的是提出一种简单实用、成本较低的用于疲劳试验中预防试样过热的冷却系统。可以预防材料在室温条件下超高频疲劳试验时发热，在高频感应加热条件下的高温疲劳测试时，使试验温度达到热平衡。

本发明的技术解决方案是，冷却系统由空气压缩机、压缩空气储气罐、油水分离器、热交换器、扇型出风口组成，其特征是，热交换器由液氮和紫铜盘管构成液氮热交换器，液氮热交换器安装在金属罐中，金属罐与热交换器之间填充隔热保温材料，红外温度测量仪和电磁流量调节球阀组成压缩空气流量调节系统，红外温度测量仪和电磁流量调节球阀电连接，电磁流量调节球阀的一端安装在液氮热交换器的出风口上，另一端与管路分配器连接，液氮热交换器出风口的出风通过管路分配器分别作用在被测试样的工作段周围，红外温度测量仪的测量点作用在工作段的中部。

所述的出风口温度控制在±20℃范围内。

所述的空气压缩机采用阀片式或螺杆式，用以生成压缩空气。

所述的红外温度测量仪为智能数字测温表，用以测量试样表面温度，以达到为试样降温和高频感应加热时的热平衡。

本发明具有的优点及有益效果，

本发明提出一种将液氮和常规风冷集成，用于疲劳试验中预防试样过热的冷却系统。可以预防材料在室温条件下超高频疲劳试验时发热；在高频感应加热条件下的高温疲劳测试时，使试验温度达到热平衡。本发明提出的冷却系统保证了超高频、高频感应加热条件下的高温疲劳性能测试数据的准确性，在疲劳性能测试领域具有重要的应用价值。

本发明通过用液氮热交换器，将压缩空气冷却后直接作用于试样，而且出风口温度可调整，适用的材料广泛。还可在高频感应加热时，对保证试验设定温度的热平衡起到很好的效果。本发明提出的预防试样过热的冷却系统，液氮损耗小，冷却效率高。该系统能够省时高效地完成材料的超高频、高频感应加热的疲劳试验，系统简单实用，成本较低。

附图说明

下面是该发明的附图说明：

图1是本发明所述的一种用于疲劳试验中预防试样过热的冷却系统结构示意图。

图1中各部分：1、试样(含感应加热试样)；2、扇型出风口；3、红外温度测量仪；4、管路分配器；5、电磁流量调节球阀；6、液氮热交换器；7、油水分离器；8、压缩空气储气罐；9、空气压缩机。

图2是试样示意图。

图3是感应加热试样示意图。

图4是扇形出风口意图。

图5是多通道管路分配模块示意图。

图6是电磁流量调节球阀示意图。

图7是液氮热交换器示意图。

图8是油水分离器示意图。

图9是压缩空气储气罐示意图。

图10是空气压缩机示意图。

具体实施方式

以下，结合附图对本发明作详细说明。

本发明由空气压缩机9、压缩空气储气罐8、油水分离器7、液氮热交换器6、电磁流量调节球阀5、管路分配器4、扇型出风口2、红外温度测量仪3、试样1和高频高温炉组成。它们之间的连接关系如下：空压机制造压缩空气输入储气罐，压缩空气通过油水分离器进入液氮热交换器。空气经过液氮热交换器内紫铜盘管，使空气温度降低，经电磁流量调节球阀，通过多通道管路分配模块，由扇型出风口作用于试样上，达到降低试样温度的目的。

所述高温试验由高频感应线圈加热完成。高频感应加热时，受环境影响，温度波动较大，控制难度大。在加热过程中，为防止到达设定试验温度后过冲，用此冷却系统，使风冷与高频感应加热达到热平衡，从而保护试样在达到试验温度时不过冲。

所述电磁流量调节球阀，可以自由调节出风流量，达到试验要求。由红外温度测量仪测得试样表面温度，通过流量控制解调器作用于电磁流量调节球阀，自动调节出风流量，使试样表面温度控制在温度设定范围内。

所述的液氮热交换器，内部有盘状紫铜管，空气流经紫铜管内与液氮产生热交换。达到降低空气温度的作用。液氮热交换器内压力过大时，通过带压力表的安全阀自动释放压力。液氮热交换器内液氮过少时，可通过其上方的液氮注入口补充。

所述的油水分离器，将油、水与压缩空气分离，保证压缩空气进入液氮热交换器时为干燥气体，避免油、水在紫铜管内凝结。

所述为金属材料的典型疲劳试样，该试样推荐使用沙漏状圆棒，两端有螺纹，试样两端的螺纹能与试样夹具的螺纹紧密结合。

所述的压缩空气储气罐为高压容器，用以保证压缩空气的流量，保证对液氮热交换器空气的持续供给。

所述的空气压缩机，可采用阀片式或螺杆式，用以生成压缩空气。

所述的红外温度测量仪为智能数字测温表，用以测量试样表面温度，以达到为试样降温和高频感应加热时的热平衡。

所有装置根据试验要求连接和调试完毕以后，便可以根据具体试验要求完成超高频、高频感应加热的疲劳试验。

当疲劳试验频率大于100Hz时，需根据试样特点判定是否需要冷却。如果材料疲劳试验中发热明显，且对试验结果产生较大影响，则需启用本发明所述的冷却系统。将试样夹持在疲劳试验机的夹具上，安装连接好本发明所提出的冷却系统的各组件，通电运行冷却系统，在图1中，由空气压缩机9将压缩空气输入到压缩空气储气罐8中，再由压缩空气储气罐8将高压空气，经油水分离器7，去除空气中的油气、水汽，进入液氮热交换器6。空气与液氮热交换降温后，经过多通道管路分配模块4，将出风通道转换成多通路，最后作用于试样1上。通过红外温度测量仪3，测得试样1的表面温度，经由流量控制解调器，作用于电磁流量调节球阀5上，自动调节冷空气的流量，使试样1在试验全过程中，其表面温度保持在设定温度值。然后按设定的疲劳试验参数进行试验，试验过程中需对试样保持同步冷却，直到试验停止。

本发明所述的冷却系统还可用于高频感应加热条件下的高温疲劳测试。利用高频感应线圈对试样1进行加热的同时，启动冷却系统，步骤同上，使试样温度实现热平衡，以达到精确控温的目的。

实施例1

本发明所述冷却系统应用于室温高频疲劳试验，试验频率为145Hz、在无冷却系统条件下，试样表面温度2分钟内由24℃上升到127℃，试验无法继续。使用本系统后，试验全过程测得试样表面温度为23℃±1℃。

实施例2

本发明所述冷却系统应用于感应加热条件下的高温高频疲劳试验，试验温度预设分别为100℃、300℃、470℃、700℃，在未使用本冷却系统条件下，温度波动分别为100℃±7℃、300℃±5℃、470℃±5℃、700℃±6℃，温度波动较大。使用本冷却系统后，温度范围在100℃～1200℃，随意选择试验温度，由于风冷与感应加热容易达到热平衡，其温度波动均可控制在±2℃以内，而且可在全试验过程中保持温度稳定。

Claims (4)

1.一种用于疲劳试验中预防试样过热的冷却系统，冷却系统由空气压缩机、压缩空气储气罐、油水分离器、热交换器、扇型出风口组成，其特征是，热交换器由液氮和紫铜盘管构成液氮热交换器，液氮热交换器安装在金属罐中，金属罐与热交换器之间填充隔热保温材料，红外温度测量仪和电磁流量调节球阀组成压缩空气流量调节系统，红外温度测量仪和电磁流量调节球阀电连接，电磁流量调节球阀的一端安装在液氮热交换器的出风口上，另一端与管路分配器连接，液氮热交换器出风口的出风通过管路分配器分别作用在被测试样的工作段周围，红外温度测量仪的测量点作用在工作段的中部。

2.根据权利要求1所述的一种用于疲劳试验中预防试样过热的冷却系统，其特征是，所述的出风口温度控制在±20℃范围内。

3.根据权利要求1所述的一种用于疲劳试验中预防试样过热的冷却系统，其特征是，所述的空气压缩机采用阀片式或螺杆式，用以生成压缩空气。

4.根据权利要求1所述的一种用于疲劳试验中预防试样过热的冷却系统，其特征是，所述的红外温度测量仪为智能数字测温表，用以测量试样表面温度，以达到为试样降温和高频感应加热时的热平衡。