CN109100250A - 一种陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及陶瓷基复合材料构件热疲劳试验领域，特别涉及一种陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置及试验方法。该装置包括：箱体、试验件安装平台、控制系统(14)以及上位机系统(15)。本发明采用配有镀金反射器的红外线加热灯管作为加热源，加热方向明确，加热效率高，试验件升温速率快；采用石英板作为安装平台，有效地保证了构件正确的温度梯度方向；设计了相对独立的加热部和冷却部，通过程序控制使得试验件在两者之间移动，实现了试验件温度的快升和速降；编制了专门的加温控制逻辑命令，实现了温度采集、反馈、自调整，准确控制了构件温度，有效提高了试验精度；拓宽了热疲劳试验方法，适用范围广泛。

Description

一种陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及陶瓷基复合材料构件热疲劳试验领域，特别涉及一种陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置及试验方法。
背景技术
陶瓷基复合材料由于具备良好的耐高温、低密度、对裂纹不敏感等优异性能，是发动机最有潜力的热结构材料之一。发动机在启动、停车、突然加减速时，温度都会产生巨大变化，重复性的此类操作使得构件遭受热疲劳作用，对构件造成严重的损伤。因此，构件在装机考核前进行热疲劳试验非常重要。
通常热疲劳试验方法有电磁感应热疲劳试验和燃气加热热疲劳试验，电磁感应热疲劳试验通过感应线圈在金属构件表面产生涡电流，构件温度迅速上升，冷循环时涡电流中断同时在构件表面吹冷空气，构件快速降温；燃气加热热疲劳试验通过燃烧室形成燃气热流气氛，热循环时提高燃气热流温度，使得构件被热流包裹，冷循环时降低燃气热流温度同时辅以冷空气或喷水降温；温度反复变化即形成了热疲劳。但是现有的试验方法针对复杂型面陶瓷基复合材料构件热疲劳试验存在如下缺点：
1.电磁感应热疲劳试验装置通过感应线圈在金属件表面产生涡电流从而实现了构件快速升温，但陶瓷基复合材料是陶瓷材料，其不导电，无法产生涡电流，因此无法加热；
2.构件型面复杂，无安装边，燃气加热热疲劳试验装置中构件边框燃气密封比较困难，高温高压燃气容易泄漏，存在较大的安全隐患。
发明内容
本发明的目的是提供了一种陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置及试验方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
本发明的技术方案是：
一种陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置，包括：
箱体，所述箱体设置有开关门，所述箱体包括加热部和冷却部，所述加热部与所述冷却部之间设置有门操作机构，所述加热部中设置有加热源，所述冷却部中设置有冷气喷嘴和排气导管，所述冷气喷嘴与冷却系统连接；
试验件安装平台，包括平台和支架，所述平台设置在所述箱体中，所述平台用于放置表面设置有热电偶的试验件，所述支架与直线位移机构连接，所述直线位移机构能够带动所述试验件安装平台在所述箱体的加热部与冷却部之间往返运动；
控制系统，包括PLC控制器，所述PLC控制器控制所述加热源、所述冷却系统、所述门操作机构以及所述直线位移机构；
上位机系统，所述上位机系统与所述控制系统连接，用于设备监控和数据采集。
可选地，所述加热部侧壁设置有隔热棉，顶部为透气隔板。
可选地，所述冷却系统包括空压机和干燥机，所述冷却系统产生的冷却气体，能够用于所述试验件的降温冷却、驱动所述直线位移机构以及所述门操作机构。
可选地，所述平台为石英板。
可选地，所述加热源为12根配置有镀金反射器的红外线加热灯管，每个所述加热灯管的功率为4.3kW。
可选地，所述控制系统还包括温度控制器以及电力调整器，所述PLC控制器通过将控制信号传给温度控制器，进而控制所述电力调节器，实现对所述加热灯管功率的调节。
可选地，所述上位机系统的控制软件为组态王。
可选地，所述设备监控包括空压机压力监控、炉体状态监控、试验温度监控，所述数据采集包括对试验时间、试验件编号、试验温度、试验压力、循环次数的采集。
一种陶瓷基复合材料构件热疲劳试验方法，基于上述的陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置，包括：
步骤一：通过直线位移机构调节试验件安装平台到加热部中，将试验件通过箱体的开关门放置到试验件安装平台的平台上，并保证门操作机构呈降落状态；
步骤二：通过PLC控制器将目标温度通过信号传送给温度控制器，温度控制器输出信号控制电力调整器，进而对加热灯管进行功率调节，所述加热灯管通电发热，试验件温度迅速上升，试验件表面的热电偶将温度信号反馈到温度控制器，温度控制器通过与目标温度比对计算来调节电力调整器，从而形成闭环控制，实现加热循环；
步骤三：PLC控制器控制门操作机构升起，试验件安装平台通过直线位移机构移动到冷却部，到达位置后，门操作机构降落，冷气喷嘴电磁阀打开，冷却系统产生的冷却气体到达试验件表面实现强制降温，实现冷却循环；
步骤四：当试验件温度达到目标温度后，温度信号通过上位机系统传输到PLC控制器，PLC控制器发出指令，冷气喷嘴电磁阀关闭，门操作机构升起，试验件安装平台通过直线位移机构移动到加热部，到达位置后，门操作机构降落，进入加热循环；
步骤五：重复步骤二至步骤四，直至完成试验件的热疲劳试验。
发明效果：
本发明的陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置，设计了相对独立的加热部和冷却部，通过试验件安装平台在加热部与冷却部之间往返运动从而实现试验件温度多次快速升降，达到了热疲劳作用；该装置试验的试验件材质不受限制，无论是金属材料还是陶瓷材料均能加温；同时，试验件处于常压环境中，不需要专门设计试验件密封手段，减少了设计工作量，降低了安全隐患。
附图说明
图1是本发明的陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置示意图；
图2是本发明的陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置冷却部示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。
下面结合附图1至2对本发明的陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置及试验方法做进一步详细说明。
本发明提供了一种陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置，可以包括：箱体、试验件安装平台、控制系统14以及上位机系统15。
具体地，箱体设置有开关门5便于试验件8的安装和拆卸，箱体包括加热部1和冷却部4，加热部1与冷却部4之间设置有门操作机构3，加热部1中设置有加热源2，冷却部4中设置有冷气喷嘴6和排气导管7，冷气喷嘴6与冷却系统连接。可以理解的是，加热部1侧壁设置有隔热棉，顶部为透气隔板。
有利的是，本实施例中，加热源2为12根配置有镀金反射器的红外线加热灯管，每个加热灯管的功率为4.3kW，灯管镀金反射器保证了热源辐射方向单一性，提高了加热效率。冷却系统包括空压机12和干燥机13，冷却系统产生的冷却气体，用于试验件8的降温冷却，以及驱动门操作机构3。
试验件安装平台包括平台9和支架10，平台9设置在箱体中，平台9用于放置表面设置有热电偶的试验件8，支架10与直线位移机构11连接，直线位移机构11能够带动试验件安装平台在箱体的加热部1与冷却部4之间往返运动。本实施例中，优选平台9采用比热容大、导热系数小、反射能力差、辐射能力弱的石英板材料制备而成，因此试验件8从加热面到背面产生正向温度梯度，避免了由于平台过热使得构件背面温度高于辐射面温度，产生了错误的加载环境。此外，冷却系统产生的冷却气体还可以用于驱动直线位移机构11。
控制系统14包括PLC控制器，PLC控制器是控制系统的枢纽站，PLC控制器用于控制加热源2、冷却系统、门操作机构3以及直线位移机构11。本实施例中，控制系统14还包括温度控制器以及电力调整器，PLC控制器通过将控制信号传给温度控制器，进而控制电力调节器，实现对加热灯管功率的调节。PLC控制器将控制信号传递给门操作机构3以控制门的升降，将控制信号传递给直线位移机11以控制试验件安装平台的运动等。
进一步，上位机系统15与控制系统14连接，与下位机PLC控制器通过总线通讯完成数据交换，用于设备监控和数据采集。可以理解的是，本实施例中，上位机系统15的控制软件为组态王，其设备监控主要包括空压机压力监控、炉体状态监控、试验温度监控，数据采集主要包括对试验时间、试验件编号、试验温度、试验压力、循环次数的采集。
本发明还包括一种陶瓷基复合材料构件热疲劳试验方法，该方法基于上述的陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置，包括：
步骤一：通过直线位移机构11调节试验件安装平台到加热部1中，将试验件8通过箱体的开关门5放置到试验件安装平台的平台9上，并保证门操作机构3呈降落状态；
步骤二：通过PLC控制器将目标温度通过信号传送给温度控制器，温度控制器输出信号控制电力调整器，进而对加热灯管进行功率调节，所述加热灯管通电发热，试验件8温度迅速上升，试验件8表面的热电偶将温度信号反馈到温度控制器，温度控制器通过与目标温度比对计算来调节电力调整器，从而形成闭环控制，实现加热循环；
步骤三：PLC控制器控制门操作机构3升起，试验件安装平台通过直线位移机构11移动到冷却部4，到达位置后，门操作机构3降落，冷气喷嘴6电磁阀打开，冷却系统产生的冷却气体到达试验件8表面实现强制降温，实现冷却循环；
步骤四：当试验件8温度达到目标温度后，温度信号通过上位机系统15传输到PLC控制器，PLC控制器发出指令，冷气喷嘴6电磁阀关闭，门操作机构3升起，试验件安装平台通过直线位移机构11移动到加热部1，到达位置后，门操作机构3降落，进入加热循环；
步骤五：重复步骤二至步骤四，直至完成试验件8的热疲劳试验。
本发明的陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置，采用配有镀金反射器的红外线加热灯管作为加热源，加热方向明确，加热效率高，试验件8升温速率快，尽可能地模拟试验件8工作状态下实际的温升速率；采用石英板作为试验件8安装平台，有效地保证了试验件8正确的温度梯度方向；将箱体设计为相对独立的加热部和冷却部，通过程序控制使得试验件在两个舱体之间移动，实现了试验件8温度的快升和速降，尽最大程度考核了试验件8的热疲劳性能；编制了专门的加温控制逻辑命令，实现了温度采集、反馈、自调整，准确控制了构件温度，有效提高了试验精度；拓宽了热疲劳试验方法，适用范围广泛。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置，其特征在于，包括：
箱体，所述箱体设置有开关门(5)，所述箱体包括加热部(1)和冷却部(4)，所述加热部(1)与所述冷却部(4)之间设置有门操作机构(3)，所述加热部(1)中设置有加热源(2)，所述冷却部(4)中设置有冷气喷嘴(6)和排气导管(7)，所述冷气喷嘴(6)与冷却系统连接；
试验件安装平台，包括平台(9)和支架(10)，所述平台(9)设置在所述箱体中，所述平台(9)用于放置表面设置有热电偶的试验件(8)，所述支架(10)与直线位移机构(11)连接，所述直线位移机构(11)能够带动所述试验件安装平台在所述箱体的加热部(1)与冷却部(4)之间往返运动；
控制系统(14)，包括PLC控制器，所述PLC控制器控制所述加热源(2)、所述冷却系统、所述门操作机构(3)以及所述直线位移机构(11)；
上位机系统(15)，所述上位机系统(15)与所述控制系统(14)连接，用于设备监控和数据采集。
2.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置，其特征在于，所述加热部(1)侧壁设置有隔热棉，顶部为透气隔板。
3.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置，其特征在于，所述冷却系统包括空压机(12)和干燥机(13)，所述冷却系统产生的冷却气体，能够用于所述试验件(8)的降温冷却、驱动所述门操作机构(3)以及所述直线位移机构(11)。
4.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置，其特征在于，所述平台(9)为石英板。
5.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置，其特征在于，所述加热源(2)为12根配置有镀金反射器的红外线加热灯管，每个所述加热灯管的功率为4.3kW。
6.根据权利要求5所述的陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置，其特征在于，所述控制系统(14)还包括温度控制器以及电力调整器，所述PLC控制器通过将控制信号传给温度控制器，进而控制所述电力调节器，实现对所述加热灯管功率的调节。
7.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置，其特征在于，所述上位机系统(15)的控制软件为组态王。
8.根据权利要求1所述的陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置，其特征在于，所述设备监控包括空压机压力监控、炉体状态监控、试验温度监控，所述数据采集包括对试验时间、试验件编号、试验温度、试验压力、循环次数的采集。
9.一种陶瓷基复合材料构件热疲劳试验方法，基于权利要求1至8的所述的陶瓷基复合材料构件热疲劳试验装置，其特征在于，包括：
步骤一：通过直线位移机构(11)调节试验件安装平台到加热部(1)中，将试验件(8)通过箱体的开关门(5)放置到试验件安装平台的平台(9)上，并保证门操作机构(3)呈降落状态；
步骤二：通过PLC控制器将目标温度通过信号传送给温度控制器，温度控制器输出信号控制电力调整器，进而对加热灯管进行功率调节，所述加热灯管通电发热，试验件(8)温度迅速上升，试验件(8)表面的热电偶将温度信号反馈到温度控制器，温度控制器通过与目标温度比对计算来调节电力调整器，从而形成闭环控制，实现加热循环；
步骤三：PLC控制器控制门操作机构(3)升起，试验件安装平台通过直线位移机构(11)移动到冷却部(4)，到达位置后，门操作机构(3)降落，冷气喷嘴(6)电磁阀打开，冷却系统产生的冷却气体到达试验件(8)表面实现强制降温，实现冷却循环；
步骤四：当试验件(8)温度达到目标温度后，温度信号通过上位机系统(15)传输到PLC控制器，PLC控制器发出指令，冷气喷嘴(6)电磁阀关闭，门操作机构(3)升起，试验件安装平台通过直线位移机构(11)移动到加热部(1)，到达位置后，门操作机构(3)降落，进入加热循环；
步骤五：重复步骤二至步骤四，直至完成试验件(8)的热疲劳试验。
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