CN109001035B - 一种形状记忆合金的低温冷拉装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于张拉装置技术领域，涉及一种形状记忆合金的低温冷拉装置，包括温降设备、张拉设备和传感器及数据采集设备。降温设备包括低温筒、气体扩散管和压力泵；张拉设备包括撑脚、千斤顶装置、组合式锚具和活塞式锚具；组合式锚具和活塞式锚具分别用来锚固SMA的两端；传感器及采集设备，包括位移传感器、压力传感器和温度传感器及数据采集仪。本发明实现了形状记忆合金在不同温度下的张拉，尤其是可以解决形状记忆合金需要低温环境下张拉的问题。通过调整本发明的参数，可以满足不同长度形状记忆合金的张拉，方便地应用在实验研究与实际工程中。

Description

一种形状记忆合金的低温冷拉装置

技术领域

本发明属于张拉装置技术领域，涉及一种形状记忆合金的低温冷拉装置。

背景技术

形状记忆合金SMA(Shape Memory Alloy，缩写为SMA)具有独特的形状记忆效应，即SMA在一定条件下进行拉伸预应变，当SMA变形回复过程中受到限制时，会产生较大的回复力(420MPa左右)。其中NiTiNb-SMA张拉时，需要适宜的张拉环境温度(低于-60℃)，才可以产生较大的回复率，获得较大的永久回复力。NiTiNb-SMA预应变过程中，要保证SMA拉伸温度恒定，控制张拉速率及SMA的应变量。目前，预应力的张拉设备为非封闭环境，张拉过程中，其不具备提供低温环境的条件，且张拉设备主要应用于预应力钢筋及钢绞线。SMA的实验研究中，采用配有低温环境箱的MTS液压伺服机对SMA进行低温张拉，但是SMA的张拉长度会受到很大限制(一般小于0.5m)，这种张拉方式不适用于施工现场。因而，发明出一种安装便捷、使用简单、适合不同张拉长度的低温张拉装置对SMA的研究及应用非常迫切和重要。

发明内容

本发明旨在可以实现对SMA的低温张拉，提供一种形状记忆合金的低温冷拉装置。本发明的装置旨在结构简单、成本低，同时可以方便快捷地控制SMA的张拉速率，测量SMA的张拉力，实时监测张拉设备中的温度及张拉长度。为形状记忆合金的研究提供专门的设备。

本发明的技术方案：

一种形状记忆合金的低温冷拉装置，包括温降设备、张拉设备和传感器及数据采集设备；

所述的温降设备，包括低温筒1、气体扩散管5和压力泵30；所述的低温筒1为两端开口的圆柱形腔筒，气体扩散管5安装在低温筒1的内部，并通过支架8进行固定；低温筒1的外壁包裹保温层aH1，低温筒1的侧壁设有液氮进口2和温度传感器放置口3，液氮进口2与气体扩散管5相连通，压力泵30通过液氮输入管31通入至液氮进口2，压力泵30与液氮罐连接，通过压力泵30的开闭，控制液氮的泵送量，进而使低温筒1内部温度控制在误差范围内；传感器及采集设备的温度传感器29过温度传感器放置口3固定在低温筒1的轴线处；低温筒1的一端设有凹槽，凹槽中设有保温层bH2，保温层bH2外设有限位挡板4，限位挡板4外设有压力传感器28，压力传感器28的外侧与组合式锚具C1连接；低温筒1的另一端为滑孔9，与活塞式锚具C2配合密封；滑孔9的内侧设有保温层cH3，保温层cH3外放置活塞式锚具C2；滑孔9外为低温筒凸槽22，与撑脚20的凹槽相配合；所述的气体扩散管5，两端封闭，其一侧设有进气口6，与液氮进口2相对应，对侧对称设有多个气体扩散孔7，通过气体扩散孔7对进入低温筒1的液氮进行分散，实现低温筒1的内部温度的均匀；所述的限位挡板4、保温层bH2、保温层cH3、组合式锚具C1和活塞式锚具C2的中心留有过束孔17，用于穿过SMA；

所述的张拉设备，包括撑脚20、千斤顶装置21、组合式锚具C1和活塞式锚具C2；组合式锚具C1和活塞式锚具C2分别用来锚固SMA的两端；

所述的千斤顶装置21，包括千斤顶壳体和穿心式千斤顶拉杆26，千斤顶壳体的一端设有千斤顶凸槽23；所述的撑脚20为空心壳体，两端设有凹槽；所述的低温筒1、撑脚20和千斤顶装置21顺次连接，通过凹凸槽相互扣合成为同轴的整体，确保SMA的张拉对心；所述的穿心式千斤顶拉杆26通过撑脚20端部的凹槽插入撑脚20的内部，通过螺帽24与活塞式锚具C2的锚杯连接杆25相连，穿心式千斤顶拉杆26的另一端安装有位移传感器27；

所述的活塞式锚具C2，包括活塞式锚具的底座10、锥片式锚具11、锚杯12、紧压式锚具15和锚杯连接杆25，活塞式锚具C2置于滑孔9内，活塞式锚具的底座10与保温层cH3相接触；所述的锥片式锚具11焊接在活塞式锚具的底座10上，锥片式锚具11内部设有锚孔13，锥片式锚具11的外壁为螺纹16，锥形的锚孔13的内部对称设有三个锥形夹片14，锥形夹片14的一端外壁与锚孔13的内壁相接触，另一端内壁在轴线处合拢并形成通孔，通孔供SMA穿过并锁紧；紧压式锚具15安装在锥片式锚具11的端部；所述的锚杯12罩在锥片式锚具11及紧压式锚具15的外部，锚杯12通过螺纹16与锥片式锚具11连接，锚杯12的顶部焊接有锚杯连接杆25；所述的紧压式锚具15，其一端与锥形夹片14相接触，紧压式锚具15中心设有过束孔17，紧压式锚具15的外壁上设有相互垂直的紧压螺母a18和紧压螺母b19，紧压螺母a18和紧压螺母b19与紧压式锚具15轴向中心线两两垂直，通过拧紧紧压螺母a18和紧压螺母b19，为锚固SMA提供压力，使SMA压紧；通过拧紧锚杯12，使锥片式锚具11与紧压式锚具15协同工作，使SMA的两端被可靠锚固，实现拉断而不滑移；

所述的组合式锚具C1，安装在限位挡板4的外侧，用于锚固SMA的一端；组合式锚具C1与活塞式锚具C2的结构的区别在于，组合式锚具C1没有活塞式锚具的底座10和锚杯连接杆25；

所述的传感器及数据采集设备，包括位移传感器27、压力传感器28和温度传感器29；所述的位移传感器27安装在穿心式千斤顶拉杆26的一端，用于采集SMA伸长量或回缩量；所述的压力传感器28安装在限位挡板4的外侧，用于测量SMA张拉力；所述的温度传感器29置于温度传感器放置口3，用于测量低温筒1内的温度。

所述的低温筒1的材质为钢。

所述的气体扩散管5的材质为橡胶塑料管。

气体扩散管5的长度和气体扩散孔7的数量、间距及大小由低温筒1的尺寸决定。

通过调节低温筒1的长度，满足张拉SMA的需求；通过改变撑脚20的长度，改变千斤顶的张拉行程。

本发明有益效果：

1、本发明可为NiTiNb-SMA提供恒定均匀的低温环境，也可以控制SMA张拉过程中的张拉速率，并实时测量SMA的张拉力和伸长量，预应变的张拉温度。

2、本发明解决了常见的张拉设备不具备低温环境的问题，且通过气体扩散管的设计，使得空间狭长低温筒的温度场分布均匀。通过凹凸槽的设计保证了SMA的轴心张拉。压力、温度、位移传感器的灵活使用，实现了参数的实时测定。

3、本发明装置适用于不同种类、不同直径和不同长度SMA的张拉。其应用范围广，满足不同的实验与实际工程的需要。

4、本发明设备成本低，安装方便，使用灵活，操作简单。

附图说明

图1是本发明装置的立面图；

图2是图1中低温筒1的立面图；

图3是图2中的A-A的剖面图；

图4是图1中气体扩散管5的立面图；

图5是图4中B-B的剖面图；

图6是图1中活塞式锚具C2的立面图；

图7(a)是图6锥片式锚11的示意图a；

图7(b)是图6锥片式锚11的示意图b；

图8是图6紧压式锚具15的立面图；

图9是图8中C-C的剖面图；

图10是图1中撑脚20的D-D剖面图。

图中：1低温筒；2液氮进口；3温度传感器放置口；4限位挡板；

5气体扩散管；6进气口；7气体扩散孔；8支架；9滑孔；

10活塞式锚具的底座；11锥片式锚具；12锚杯；13锚孔；14锥形夹片；

15紧压式锚具；16螺纹；17过束孔；18紧压螺母a；19紧压螺母b；

20撑脚；21千斤顶装置；22低温筒凸槽；23千斤顶凸槽；24螺帽；

25锚杯连接杆；26穿心式千斤顶拉杆；27位移传感器；28压力传感器；

29温度传感器；30压力泵；31液氮输入管；

C1组合式锚具；C2活塞式锚具；H1保温层a，H2保温层b；H3保温层c。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，一种形状记忆合金的低温冷拉装置，包括温降设备、张拉设备和传感器及采集设备。所述的温降设备包括低温筒1、气体扩散管5和泵送液氮的气泵30。所述的张拉设备包括撑脚20、千斤顶装置21、组合式锚具C1和活塞式锚具C2。所述的传感器及采集设备包括温度传感器29、位移传感器27和压力传感器28。

如图1、2、3和10所示，所述的低温筒1与千斤顶装置21之间设有撑脚20，撑脚20两端留有凹槽口(i端内径为d3、j端内径为d5)，低温筒1的j端凸槽22(外径为d3)，千斤顶装置21的i端留有凸槽23(外径d5)，三者通过凹凸槽相互扣合为同一轴线的整体。所述的撑脚20的内部，用螺帽24将锚杯连接杆25与穿心式千斤顶拉杆26连接。穿心式千斤顶拉杆26上端设有用于采集SMA伸长量或回缩量的位移传感器27。凹凸槽的设计及螺帽24的连接，使撑脚20将低温筒1和千斤顶装置21连接成具有同一轴线的装置，确保SMA的张拉对心。

如图1-5所示，所述的低温筒1的i端留有两台阶状凹槽口(从里到外直径分别为d2和d3)，j端留有凸槽口(直径为d3)，低温筒1的侧壁上开有液氮进口2及温度传感器放置口3。所述的液氮进口2与外界的液氮输入管道31相连。低温筒1的侧壁上包裹保温层aH1，凹槽处放置圆饼状保温层bH2(直径为d2)及限位挡板4(直径为d3)，限位挡板4的外侧设有用于测量SMA张拉力的压力传感器28，压力传感器28的外侧设有组合式锚具C1。滑孔9处放置保温层cH3及活塞式锚具C2。低温筒1内部装配气体扩散管5及固定气体扩散管用的支架8。所述的保温层的材料隔热效果好，减少了低温筒1与外界的热交换。气体扩散管5侧壁上开有进气口6及若干气体扩散孔7，液氮进入分流管后，通过气体扩散小孔7对进入低温筒1的液氮有很好的分散作用，实现了低温筒1的内部温度的均匀(温度误差控制在±1℃)。

如图1及图5-8所示，所述的组合式锚具C1和活塞式锚具C2分别用来锚固SMA的i端与j端。SMA从低温筒1的i端、j端、保温层cH3、活塞式锚具的底座10、锥片式锚具11及紧压式锚具15的预留孔道内依次穿过，直到SMA的端部与紧压式锚具15的外端在一平面内。所述紧压式锚具通过拧紧螺母18、19，为锚固SMA提供很大的压力，使SMA压紧。所述锥片式锚具锥形锚孔13内设有三个锥形夹片14，锥形夹片14合拢在轴线处形成通孔，通孔可供SMA穿过并锁紧，紧压式锚具15紧靠在锥片式锚具11的夹片端部，通过拧紧锚杯12，可以使锥片式锚具11与紧压式锚具15协同工作，使SMA的两端被可靠锚固(拉断而不滑移)。

所述的温度传感器29通过温度传感器放置口3放入低温筒1的轴线处，压力泵30与液氮罐连接好，通过压力泵30的开闭，控制液氮泵送量，使低温筒1内部温度可以控制在规定的误差范围内。

本发明的参数，如低温筒和撑脚的长度、直径大小，气体扩散小孔的大小、间距等可以依据实际产品的需要，由实验及计算确定。

本发明装置的工作过程如下：

张拉SMA之前，通过液氮泵送气泵30向低温筒1注入液氮降温，液氮通过气体扩散管5时，液氮通过气体扩散孔7扩散到低温筒1内部的各处，使低温筒1内部温度同步下降，使低温筒1内各处的温度均匀(误差控制在±1℃)。在张拉时，依据低温筒1内部的温度传感器29实时反馈的温度值，控制液氮泵送气泵30的开闭，保证低温筒1内部的温度维持恒定。千斤顶装置21顶升穿心式千斤顶拉杆26顶端的螺母，通过穿心式千斤顶拉杆26、螺帽24、锚杯连接杆25、撑脚20的向右作用，使得SMA相对向左运动。SMA拉动锥形夹片14向左，锥形夹片14形成的通孔越来越小，锥形夹片14内侧壁存在螺纹，从而越发夹紧SMA。由于SMA丝强度高、表面光滑，只用锥片式锚具11或紧压式锚具15锚固SMA，SMA和锚具之间会产生滑移。实验发现，紧压式锚具14的紧压力可以弥补锥片式锚具11摩擦咬合力不足，且在锚杯12拧紧的过程中，可以推动锥形夹片14向锚孔12孔径小的方向运动，使得锥形夹片11越发夹紧SMA。两种锚具协同锚固SMA，避免发生滑移。张拉过程中加载速率为应变控制，通过位移传感器27实时采集SMA的伸长量控制千斤顶装置21的油泵，进而控制加载速率。压力传感器28实时采集SMA的张拉力可以检测SMA是否发生滑移。依据位移传感器的伸长量达到目标伸长量，完成一次张拉。

Claims (5)

1.一种形状记忆合金的低温冷拉装置，其特征在于，所述的低温冷拉装置包括温降设备、张拉设备和传感器及采集设备；

所述的温降设备，包括低温筒(1)、气体扩散管(5)和压力泵(30)；所述的低温筒(1)为两端开口的圆柱形腔筒，气体扩散管(5)安装在低温筒(1)的内部，并通过支架(8)进行固定；低温筒(1)的外壁包裹保温层a(H1)，低温筒(1)的侧壁设有液氮进口(2)和温度传感器放置口(3)，液氮进口(2)与气体扩散管(5)相连通，压力泵(30)通过液氮输入管(31)通入至液氮进口(2)，压力泵(30)与液氮罐连接，通过压力泵(30)的开闭，控制液氮的泵送量，进而使低温筒(1)内部温度控制在误差范围内；传感器及采集设备的温度传感器(29)通过温度传感器放置口(3)固定在低温筒(1)的轴线处；低温筒(1)的一端设有凹槽，凹槽中设有保温层b(H2)，保温层b(H2)外设有限位挡板(4)，限位挡板(4)外设有压力传感器(28)，压力传感器(28)的外侧与组合式锚具(C1)连接；低温筒(1)的另一端为滑孔(9)，与活塞式锚具(C2)配合密封；滑孔(9)的内侧设有保温层c(H3)，保温层c(H3)外放置活塞式锚具(C2)；滑孔(9)外为低温筒凸槽(22)，与撑脚(20)的凹槽相配合；所述的气体扩散管(5)，两端封闭，其一侧设有进气口(6)，与液氮进口(2)相对应，对侧对称设有多个气体扩散孔(7)，通过气体扩散孔(7)对进入低温筒(1)的液氮进行分散，实现低温筒(1)的内部温度的均匀；所述的限位挡板(4)、保温层b(H2)、保温层c(H3)、组合式锚具(C1)和活塞式锚具(C2)的中心留有过束孔(17)，用于穿过SMA；

所述的张拉设备，包括撑脚(20)、千斤顶装置(21)、组合式锚具(C1)和活塞式锚具(C2)；组合式锚具(C1)和活塞式锚具(C2)分别用来锚固SMA的两端；

所述的千斤顶装置(21)，包括千斤顶壳体和穿心式千斤顶拉杆(26)，千斤顶壳体的一端设有千斤顶凸槽(23)；所述的撑脚(20)为空心壳体，两端设有凹槽；所述的低温筒(1)、撑脚(20)和千斤顶装置(21)顺次连接，通过凹凸槽相互扣合成为同轴的整体，确保SMA的张拉对心；所述的穿心式千斤顶拉杆(26)通过撑脚(20)端部的凹槽插入撑脚(20)的内部，通过螺帽(24)与活塞式锚具(C2)的锚杯连接杆(25)相连，穿心式千斤顶拉杆(26)的另一端安装有位移传感器(27)；

所述的活塞式锚具(C2)，包括活塞式锚具的底座(10)、锥片式锚具(11)、锚杯(12)、紧压式锚具(15)和锚杯连接杆(25)，活塞式锚具(C2)置于滑孔(9)内，活塞式锚具的底座(10)与保温层c(H3)相接触；所述的锥片式锚具(11)焊接在活塞式锚具的底座(10)上，锥片式锚具(11)内部设有锚孔(13)，锥片式锚具(11)的外壁为螺纹(16)，锥形的锚孔(13)的内部对称设有三个锥形夹片(14)，锥形夹片(14)的一端外壁与锚孔(13)的内壁相接触，另一端内壁在轴线处合拢并形成通孔，通孔供SMA穿过并锁紧；紧压式锚具(15)安装在锥片式锚具(11)的端部；所述的锚杯(12)罩在锥片式锚具(11)及紧压式锚具(15)的外部，锚杯(12)通过螺纹(16)与锥片式锚具(11)连接，锚杯(12)的顶部焊接有锚杯连接杆(25)；所述的紧压式锚具(15)，其一端与锥形夹片(14)相接触，紧压式锚具(15)中心设有过束孔(17)，紧压式锚具(15)的外壁上设有相互垂直的紧压螺母a(18)和紧压螺母b(19)，紧压螺母a(18)和紧压螺母b(19)与紧压式锚具(15)轴向中心线两两垂直，通过拧紧紧压螺母a(18)和紧压螺母b(19)，为锚固SMA提供压力，使SMA压紧；通过拧紧锚杯(12)，使锥片式锚具(11)与紧压式锚具(15)协同工作，使SMA的两端被可靠锚固，实现拉断而不滑移；

所述的组合式锚具(C1)，安装在限位挡板(4)的外侧，用于锚固SMA的一端；组合式锚具(C1)与活塞式锚具(C2)的结构的区别在于，组合式锚具(C1)没有活塞式锚具的底座(10)和锚杯连接杆(25)；

所述的传感器及采集设备，包括位移传感器(27)、压力传感器(28)和温度传感器(29)；所述的有位移传感器(27)安装在穿心式千斤顶拉杆(26)的一端，用于采集SMA伸长量或回缩量；所述的压力传感器(28)安装在限位挡板(4)的外侧，用于测量SMA张拉力；所述的温度传感器(29)置于温度传感器放置口(3)，用于测量低温筒(1)内的温度。

2.根据权利要求1所述的一种形状记忆合金的低温冷拉装置，其特征在于，所述的低温筒(1)的材质为钢；所述的气体扩散管(5)的材质为橡胶塑料管；所述的保温层的材质为气凝胶毡隔热棉。

3.根据权利要求1或2所述的一种形状记忆合金的低温冷拉装置，其特征在于，气体扩散管(5)的长度和气体扩散孔(7)的数量、间距及大小由低温筒(1)的尺寸决定。

4.根据权利要求1或2所述的一种形状记忆合金的低温冷拉装置，其特征在于，通过调节低温筒(1)的长度，满足张拉SMA的需求；通过改变撑脚(20)的长度，改变千斤顶的张拉行程。

5.根据权利要求3所述的一种形状记忆合金的低温冷拉装置，其特征在于，通过调节低温筒(1)的长度，满足张拉SMA的需求；通过改变撑脚(20)的长度，改变千斤顶的张拉行程。

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