CN108344626B - 环境废气可控的高温热疲劳试验机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环境废气可控的高温热疲劳试验机，包括有直流加热器、试样夹具、气体加热器；试样夹具放在底板上；底板通过螺栓固定在带有垫块的绝缘板上且在同一高度；试样夹具上的挡板可通过动夹板控制移动的距离；固定螺杆固定在试样夹具和底板上的挡板之间；热电偶传感器可以感知试样夹具上试样的温度；废气可通过气体加热器经过导气管在试样表面流动；加热器上还装有记录加热冷却次数的计数器；温度控制仪与热电偶传感器相连；应用于热疲劳实验的试样机工作步骤可有温度控制仪进行控制。其结构简单，设计合理，可调节高温热疲劳时约束系数，同时模拟废气环境。本发明实验装置结构简单，设计合理，可以实现汽车高温段热疲劳实验。
Description
技术领域
本发明涉及一种疲劳试验机，特别是涉及一种高温热疲劳试验机，应用于材料的热疲劳性能实验技术领域。
背景技术
热疲劳是指材料零部件或者构件被反复加热和冷却时，由于自由膨胀或者收缩受到约束其内部产生交变热应力，在此交变热应力反复作用下导致材料龟裂而破坏的现象。
由于汽车尾气排放的日益加剧和世界能源的紧缺，汽车在安全、节能、环保、轻量化、小型化等方面的要求越来越高，因此对汽车尾气的排放的标准也要求越来越高，导致汽车排气系统高温端热疲劳也越来越严重，寻找更高服役温度的不锈钢在汽车排气系统中尤为突出。所以开展相关材料的高温热疲劳性能的研究是非常有必要的。
虽然热疲劳现象受到普遍关注，国内外对热疲劳试验方法作了不少研究，已制定了一些试验规范，但到目前为止还没有国际上公认的标准试验方法。在我国，对热疲劳的研究也有很多方法，但都没得到一致认可，而且长期以来对材料热疲劳性能的评价主要集中在航空领域，其它行业的并不多见。国际上相关领域的情况也大体相同，因此尚无专门针对汽车排气歧管材料工况的测试标准，一般可以借鉴的是日本JFE和UGINE&ALZ的相关报道。
实际的排气歧管从结构看为薄壁管件，形式较复杂，有较多的弯曲。从受力情况分析其应力状态不是单纯的拉压，而是包含弯曲分量。因此相比于日本JFE公司的圆棒状试样，UGINE&ALZ采用预制出“V”型弯的板状试样更接近实际状态。但是UGINE&ALZ采用固定夹持，约束系数不能进行调节，其约束率始终为1，且没有模拟废气环境下对试样热疲劳的影响，而由于燃料中含有如硫、钾、钠、钒等杂质，在燃烧时形成如SO2、SO3、H2S、V2O5、CO、CO2等气体会导致疲劳寿命的改变，因此模拟废气环境下高温热疲劳实验具有重要的现实意义。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种环境废气可控的高温热疲劳试验机，具有试样约束系数可调且可以模拟可控高温废气下高温热疲劳的试验机功能，能使试样在更加接近实际情况下，利用可以前后调节的装置来控制试样的约束系数，同时通入各组分的废气，通过循环加热和降温模拟高温热疲劳试验，满足对更精确的材料性能检测的要求，为结构材料和功能材料的设计开发提供有力的实验测试分析保证。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种环境废气可控的高温热疲劳试验机，主要包括工作台机架、试样夹具系统、加热控制系统，还包括模拟废气环境系统，模拟废气环境系统包括废气反应室、废气输送管、废气源、气体加热器和气体流量计，将待测的V型试样设置于废气反应室中，使V型试样的中部“V”型弯部分完全设置于废气反应室内，使V型试样的两端分别从废气反应室两端的反应室外壁的孔中穿出，废气源通过废气输送管将废气输送到废气反应室中，并通过主控制器控制气体加热器对进入废气反应室之前的废气进行加热，并利用气体流量计计量进入废气反应室的废气流量，使废气在V型试样表面进行流动，气体流量计与主控制器信号连接，由主控制器控制废气输送到废气反应室的流量；
工作台机架上设有底板，在底板上设有试样夹具系统，将V型试样的两端安装到试样夹具上，试样夹具包括夹具固定夹持部和夹具可移动夹持部，夹具固定夹持部主要由试样支撑块和试样固定压紧块组成夹持结构，通过螺杆将夹具固定夹持部固定安装在底板上，将V型试样的固定端夹紧固定在试样支撑块和试样固定压紧块之间，夹具可移动夹持部主要由试样移动支撑块和随动试样固定压紧块组成动夹持结构，底板上的试样移动支撑块和试样支撑块设置在在同一高度上，将V型试样的非固定端夹紧固定在试样移动支撑块和随动试样固定压紧块之间，通过夹具可移动夹持部相对于夹具固定夹持部之间的位移变化，向V型试样的非固定端施加拉力或压力，从而调整对V型试样的不同约束系数，试样移动支撑块沿着底板的设定轨迹进行移动；
加热控制系统主要由主控制器、气体加热器、电源、热电偶传感器和温度控制仪组成，采用铜导线将V型试样的两端分别与电源进行电连接，温度控制仪与热电偶传感器信号连接，热电偶传感器的测试端对V型试样的“V”型弯部分进行温度检测，感知V型试样的温度，温度控制仪接收来自热电偶传感器的检测信号，经过判断后，温度控制仪通过控制电源，并通过铜导线向V型试样施加大电流，对V型试样进行加热升温，在电源上还装有记录加热冷却次数的计数器，应用于热疲劳实验的试样机工作步骤由主控制器进行控制和设置，计数器和温度控制仪分别与主控制器信号连接。
作为本发明优选的技术方案，使V型试样在模拟实际气氛和热环境情况下，利用能进行位移调节的夹具可移动夹持部控制V型试样的约束系数，同时向气体加热器内通入各组分的废气，通过循环加热和降温模拟高温热疲劳试验。
作为本发明优选的技术方案，电源采用直流加热电源，还设有旁路风冷装置，电源为旁路风冷装置供电，当试样机进行热疲劳实验的保温步骤结束时，该旁路风冷装置立刻对废气反应室进行风冷降温，从而使者置于废气反应室内的V型试样进行降温。
作为本发明优选的技术方案，试样支撑块、和试样固定压紧块、试样移动支撑块和随动试样固定压紧块的材料为金属铜，并在试样支撑块、和试样固定压紧块、试样移动支撑块和随动试样固定压紧块中的任意一个模块或者任意多个模块中设有液冷管路，冷却液管与模块表面上的液冷孔连通，形成液冷管路，使试样夹具作为换热装置，对其所夹持的V型试样进行降温。
作为本发明优选的技术方案，在底板上设有直线轨道或直线导槽，使试样移动支撑块沿着底板的进行直线轨迹进退移动。作为本发明更优选的技术方案，在底板上设有至少两条平行的直线细导轨，使试样移动支撑块沿着底板的进行直线滑动。
作为本发明优选的技术方案，废气源采用废气瓶，在废气瓶和废气反应室之间的废气输送管上连通集气瓶，作为废气加热区装置，气体加热器对集气瓶进行加热，使经过加热后废气瓶流经集气瓶后再向废气反应室输送。
作为本发明优选的技术方案，底板通过螺栓固定在带有垫块的绝缘板上，绝缘板固定在铁架台上。
作为本发明优选的技术方案，在试样移动支撑块上固定设置挡板，在底板上固定设置两块动夹板，使试样移动支撑块沿着底板进行移动时，使挡板始终在两块动夹板之间移动，形成限位装置，从而控制试样移动支撑块移动的距离范围。
作为本发明优选的技术方案，试样支撑块和试样固定压紧块该通过挡杆和固定支撑杆进行辅助固定，挡杆固定安装在底板上，其中固定支撑杆设置于挡杆和试样固定压紧块之间，对试样固定压紧块进行横向固定。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.相比于UGINE&ALZ公司设计的试验装置，本发明通过调节动夹板之间的距离，控制试样支撑块上的挡板移动的距离，进而改变试样在热疲劳试验中的约束系数，实现不同约束系数对热疲劳试验影响的研究；
2.本发明采用气体加热器对气体进行加热后，通过导管模拟废气环境下的热疲劳试验，能探讨废气对试样热疲劳寿命的影响，环境废气可控，能进行多种高温热疲劳试验，满足材料在多种工况环境下服役的能力的检测，为材料的使用条件提供更多评估方法；
3.本发明实验装置结构简单，设计合理，可以实现汽车高温段热疲劳实验，并对试样寿命进行评估，本发明提供了试样约束系数可调且可以模拟高温废气下高温热疲劳试验机，使试样在更加接近实际情况进行研究，所以本发明在汽车用高温段热疲劳应用领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例一环境废气可控的高温热疲劳试验机的结构示意图。
图2是本发明实施例一环境废气可控的高温热疲劳试验机的原理示意图。
图3是本发明实施例二环境废气可控的高温热疲劳试验机的结构示意图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1和图2，一种试样环境废气可控的高温热疲劳试验机，主要包括工作台机架、试样夹具系统、加热控制系统，还包括模拟废气环境系统，模拟废气环境系统包括废气反应室23、废气输送管24、废气源、气体加热器25和气体流量计27，将待测的V型试样16设置于废气反应室23中，使V型试样16的中部“V”型弯部分完全设置于废气反应室23内，使V型试样16的两端分别从废气反应室23两端的反应室外壁的孔中穿出，废气源通过废气输送管24将废气输送到废气反应室23中，并通过主控制器控制气体加热器25对进入废气反应室23之前的废气进行加热，并利用气体流量计27计量进入废气反应室23的废气流量，使废气在V型试样16表面进行流动，气体流量计27与主控制器信号连接，由主控制器控制废气输送到废气反应室23的流量；工作台机架上设有底板4，在底板4上设有试样夹具系统，将V型试样16的两端安装到试样夹具上，试样夹具包括夹具固定夹持部和夹具可移动夹持部，夹具固定夹持部主要由试样支撑块12和试样固定压紧块13组成夹持结构，通过螺杆14将夹具固定夹持部固定安装在底板4上，将V型试样16的固定端夹紧固定在试样支撑块12和试样固定压紧块13之间，夹具可移动夹持部主要由试样移动支撑块6和随动试样固定压紧块组成动夹持结构，底板4上的试样移动支撑块6和试样支撑块12设置在在同一高度上，将V型试样16的非固定端夹紧固定在试样移动支撑块6和随动试样固定压紧块之间，通过夹具可移动夹持部相对于夹具固定夹持部之间的位移变化，向V型试样16的非固定端施加拉力或压力，从而调整对V型试样16的不同约束系数，试样移动支撑块6沿着底板4的设定轨迹进行移动；加热控制系统主要由主控制器、气体加热器25、电源18、热电偶传感器17和温度控制仪19组成，采用铜导线21将V型试样16的两端分别与电源18进行电连接，温度控制仪19与热电偶传感器17信号连接，热电偶传感器17的测试端对V型试样16的“V”型弯部分进行温度检测，感知V型试样16的温度，温度控制仪19接收来自热电偶传感器17的检测信号，经过判断后，温度控制仪19通过控制电源18，并通过铜导线21向V型试样16施加大电流，对V型试样16进行加热升温，在电源18上还装有记录加热冷却次数的计数器20，应用于热疲劳实验的试样机工作步骤由主控制器进行控制和设置，计数器20和温度控制仪19分别与主控制器信号连接。参见图1和图2，本实施例试样环境废气可控的高温热疲劳试验机，使V型试样16在模拟实际气氛和热环境情况下，利用能进行位移调节的夹具可移动夹持部控制V型试样16的约束系数，同时向气体加热器25内通入各组分的废气，通过循环加热和降温模拟高温热疲劳试验。
在本实施例中，参见图1，电源18采用直流加热电源，还设有220v旁路风冷装置22，电源18为旁路风冷装置22供电，当试样机进行热疲劳实验的保温步骤结束时，该旁路风冷装置22立刻对废气反应室23进行风冷降温，从而使者置于废气反应室23内的V型试样16进行快速降温。
在本实施例中，参见图1，在底板4上设有直线导槽，使试样移动支撑块6沿着底板4的进行直线轨迹进退移动。在底板4的直线导槽上设有至少两条平行的直线细导轨，使试样移动支撑块6沿着底板4的进行直线滑动。为减小摩擦力，除了将试样移动支撑块6和底板4打磨光亮外，同时在试样移动支撑块6的底部加工小厚度的细导轨与在底板4的直线导槽上的导轨进行配合，减小其接触面积。
在本实施例中，参见图1，废气源采用废气瓶28，在废气瓶28和废气反应室23之间的废气输送管24上连通集气瓶26，作为废气加热区装置，气体加热器25对集气瓶26进行加热，使经过加热后废气瓶28流经集气瓶26后再向废气反应室23输送。
在本实施例中，参见图1，底板4通过螺栓5固定在带有垫块3的绝缘板2上，绝缘板2固定在铁架台1上。
在本实施例中，参见图1，在试样移动支撑块6上固定设置挡板8，在底板4上固定设置两块动夹板7、9，使试样移动支撑块6沿着底板4进行移动时，使挡板8始终在两块动夹板7、9之间移动，形成限位装置，从而控制试样移动支撑块6移动的距离范围。试样支撑块12和试样固定压紧块13该通过挡杆10和固定支撑杆11进行辅助固定，挡杆10固定安装在底板4上，其中固定支撑杆11设置于挡杆10和试样固定压紧块13之间，对试样固定压紧块13进行横向固定。
参见图1和图2，本实施例应用于高温热疲劳实验的试验机的结构如图1所示，包括：
包括有直流加热电源系统、试样夹具系统、气体加热器；试样夹具放在底板4上；所示底板4通过螺栓5固定在带有垫块3的绝缘水泥板上且在同一高度；试样夹具支撑块上的挡板8可通过动夹板7、9控制移动的距离；废气可通过气体加热器25经过导气管24在试样表面流动；热电偶传感器17可以感知试样夹具上V型试样16的温度；直流加热电源上还装有记录加热冷却次数的计数器20；温度控制仪19与热电偶传感器17相连；应用于热疲劳实验的试样机工作步骤可有温度控制仪19进行控制；温度控制仪19接收来自热电偶传感器17信号，判断后控制直流加热源。在底板4上，两边开有10*90mm的通槽；动夹板7、9，通过底板4上的通槽进行连续可变的距离调节；结合本实施例说明本发明一种应用于热疲劳实验的试验机的工作方式：
在温度控制仪19上设置热循环的参数，即1min升温至800℃，在800℃保温1min，通过220v旁路风冷装置22在1min降温至100℃，并跳转循环；将V型试样16安装到试样夹具上，调节动夹板7、9距离为2mm，使约束系数为0.5；打开电源开关，通过直流加热源在1min快速升温至800℃，K型热电偶传感器17检测试样的实时温度，当温度达到设定温度800℃，在800℃保持1min，温度控制仪19将控制直流加热源停止对V型试样16加热，同时风冷装置22启动，并在1min冷却至100℃，跳转循环，计数器20计数一次，与此同时通过气体加热器25经过导气管24在试样表面流动废气；如此循环往复进行，计数器20对加热冷却次数进行统计。直至试样断裂，试验停止运行。
本实施例使用一种应用于高温热疲劳实验的试验机，采用V型试样16，根据实验要求设计约束系数同时通入废气，利用直流加热源，让试样自身快速升温。同时热电偶传感器17对试样进行温度检测，当加热到一定温度，计数器20进行一次计数，保温一段时间后，试样进行冷却，如此循环进行。本实施例装置应用于热疲劳实验的试样机工作步骤可有温度控制仪进行控制，其结构简单，设计合理，可调节高温热疲劳时约束系数，同时模拟废气环境。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，参见图3，在底板4上设有直线轨道，使试样移动支撑块6沿着底板4的进行直线轨迹进退移动，实现试样约束系数的有效控制。
在本实施例中，参见图3，为避免热疲劳试验温度过高带来的氧化，试样约束系数可调的高温热疲劳试验机的试样支撑块12、和试样固定压紧块13、试样移动支撑块6和随动试样固定压紧块的材料为金属铜，并在试样支撑块12、和试样固定压紧块13、试样移动支撑块6和随动试样固定压紧块中的任意一个模块或者任意多个模块中设有液冷管路，冷却液管与模块表面上的液冷孔15连通，形成液冷管路，使试样夹具作为换热装置，对其所夹持的V型试样16进行降温。本实施例引入水冷辅助冷却装置，能提高对V型试样16的降温效率。
实施例三：
本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：
在本实施例中，通过主控制器分别控制气体加热器25和电源18，实现对V型试样16的环境温度进行控制和直接对V型试样16的本体温度进行调控，采用多种调温机制的协同实验，通过不同的调控温度方法，实现对V型试样16服役的环境进行模拟，辅以环境废气可控，实现V型试样16高温热疲劳试验的多样化测量，满足多种检测需求。
上面结合附图对本发明实施例进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明环境废气可控的高温热疲劳试验机的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种环境废气可控的高温热疲劳试验机，主要包括工作台机架、试样夹具系统、加热控制系统，其特征在于：
还包括模拟废气环境系统，所述模拟废气环境系统包括废气反应室（23）、废气输送管（24）、废气源、气体加热器（25）和气体流量计（27），将待测的V型试样（16）设置于废气反应室（23）中，使V型试样（16）的中部“V”型弯部分完全设置于废气反应室（23）内，使V型试样（16）的两端分别从废气反应室（23）两端的反应室外壁的孔中穿出，废气源通过废气输送管（24）将废气输送到废气反应室（23）中，并通过主控制器控制气体加热器（25）对进入废气反应室（23）之前的废气进行加热，并利用气体流量计（27）计量进入废气反应室（23）的废气流量，使所述废气在V型试样（16）表面进行流动，气体流量计（27）与主控制器信号连接，由主控制器控制废气输送到废气反应室（23）的流量；
所述工作台机架上设有底板（4），在所述底板（4）上设有试样夹具系统，将V型试样（16）的两端安装到试样夹具上，所述试样夹具包括夹具固定夹持部和夹具可移动夹持部，所述夹具固定夹持部主要由试样支撑块（12）和试样固定压紧块（13）组成夹持结构，通过螺杆（14）将所述夹具固定夹持部固定安装在所述底板（4）上，将V型试样（16）的固定端夹紧固定在试样支撑块（12）和试样固定压紧块（13）之间，所述夹具可移动夹持部主要由试样移动支撑块（6）和随动试样固定压紧块组成动夹持结构，所述底板（4）上的试样移动支撑块（6）和试样支撑块（12）设置在在同一高度上，将V型试样（16）的非固定端夹紧固定在试样移动支撑块（6）和随动试样固定压紧块之间，通过夹具可移动夹持部相对于夹具固定夹持部之间的位移变化，向V型试样（16）的非固定端施加拉力或压力，从而调整对V型试样（16）的不同约束系数，所述试样移动支撑块（6）沿着底板（4）的设定轨迹进行移动；
所述加热控制系统主要由所述主控制器、所述气体加热器（25）、电源（18）、热电偶传感器（17）和温度控制仪（19）组成，采用铜导线（21）将V型试样（16）的两端分别与电源（18）进行电连接，所述温度控制仪（19）与热电偶传感器（17）信号连接，所述热电偶传感器（17）的测试端对V型试样（16）的“V”型弯部分进行温度检测，感知V型试样（16）的温度，所述温度控制仪（19）接收来自热电偶传感器（17）的检测信号，经过判断后，所述温度控制仪（19）通过控制电源（18），并通过铜导线（21）向V型试样（16）施加大电流，对V型试样（16）进行加热升温，在所述电源（18）上还装有记录加热冷却次数的计数器（20），应用于热疲劳实验的试样机工作步骤由主控制器进行控制和设置，所述计数器（20）和所述温度控制仪（19）分别与主控制器信号连接。
2.根据权利要求1所述环境废气可控的高温热疲劳试验机，其特征在于：使V型试样（16）在模拟实际气氛和热环境情况下，利用能进行位移调节的夹具可移动夹持部控制V型试样（16）的约束系数，同时向所述气体加热器（25）内通入各组分的废气，通过循环加热和降温模拟高温热疲劳试验。
3.根据权利要求1所述环境废气可控的高温热疲劳试验机，其特征在于：所述电源（18）采用直流加热电源，还设有旁路风冷装置（22），所述电源（18）为所述旁路风冷装置（22）供电，当试样机进行热疲劳实验的保温步骤结束时，该所述旁路风冷装置（22）立刻对废气反应室（23）进行风冷降温，从而使者置于废气反应室（23）内的V型试样（16）进行降温。
4.根据权利要求1所述环境废气可控的高温热疲劳试验机，其特征在于：所述试样支撑块（12）、和试样固定压紧块（13）、试样移动支撑块（6）和随动试样固定压紧块的材料为金属铜，并在所述试样支撑块（12）、和试样固定压紧块（13）、试样移动支撑块（6）和随动试样固定压紧块中的任意一个模块或者任意多个模块中设有液冷管路，冷却液管与模块表面上的液冷孔（15）连通，形成液冷管路，使所述试样夹具作为换热装置，对其所夹持的V型试样（16）进行降温。
5.根据权利要求1所述环境废气可控的高温热疲劳试验机，其特征在于：在底板（4）上设有直线轨道或直线导槽，使所述试样移动支撑块（6）沿着底板（4）的进行直线轨迹进退移动。
6.根据权利要求5所述环境废气可控的高温热疲劳试验机，其特征在于：在底板（4）上设有至少两条平行的直线细导轨，使所述试样移动支撑块（6）沿着底板（4）的进行直线滑动。
7.根据权利要求1所述环境废气可控的高温热疲劳试验机，其特征在于：所述废气源采用废气瓶（28），在废气瓶（28）和废气反应室（23）之间的废气输送管（24）上连通集气瓶（26），作为废气加热区装置，所述气体加热器（25）对集气瓶（26）进行加热，使经过加热后废气瓶（28）流经集气瓶（26）后再向废气反应室（23）输送。
8.根据权利要求1所述环境废气可控的高温热疲劳试验机，其特征在于：所述底板（4）通过螺栓（5）固定在带有垫块（3）的绝缘板（2）上，所述绝缘板（2）固定在铁架台（1）上。
9.根据权利要求1所述环境废气可控的高温热疲劳试验机，其特征在于：在所述试样移动支撑块（6）上固定设置挡板（8），在所述底板（4）上固定设置两块动夹板（7、9），使所述试样移动支撑块（6）沿着所述底板（4）进行移动时，使挡板（8）始终在两块动夹板（7、9）之间移动，形成限位装置，从而控制所述试样移动支撑块（6）移动的距离范围。
10.根据权利要求1所述环境废气可控的高温热疲劳试验机，其特征在于：试样支撑块（12）和试样固定压紧块（13）该通过挡杆（10）和固定支撑杆（11）进行辅助固定，挡杆（10）固定安装在所述底板（4）上，其中固定支撑杆（11）设置于挡杆（10）和试样固定压紧块（13）之间，对试样固定压紧块（13）进行横向固定。
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