CN109738321B - 机械往复式快速热疲劳实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械往复式快速热疲劳实验装置及方法，它包括加热系统，冷却系统、试样位移系统和计数系统；所述加热系统包括能够绕其中心顺时针或逆时针旋转的第一旋转铜盘，在第一旋转铜盘的正面和背面分别设有一第一温度传感器、加热片和第一温度控制器，在第一旋转铜盘上还连接有能够控制其旋转角度和静止时间的第一转速控制器；所述冷却系统包括能够绕其中心旋转的第二旋转铜盘和第二温度控制器，在第二旋转铜盘的正面和背面分别设有一第二温度传感器和制冷片，在第二旋转铜盘上连接有能够控制其转速的第二转速控制器；所述式样位移系统包括一试样移动板，所述试样移动板能够带动试样沿第一旋转铜盘和第二旋转铜盘中心位置作水平往复移动。

Description

机械往复式快速热疲劳实验装置及方法

技术领域

本发明涉及一种热疲劳实验装置，具体涉及一种机械往复式快速热疲劳实验装置及方法。

背景技术

随着IGBT和LED等大功率器件的逐步推广和应用，封装体密度越来越高，焊点尺寸越来越小，焊点数量越来越多，其元器件内部芯片所承受的功率越来越大，封装体内部的热流密度也越来越高，为了更好的发挥其性能必须进行冷却降温。因此元器件内部焊点在服役过程中必将承受着高频率、急剧的温度变化，必将导致元器件内部各种材料的热膨胀系数失配，以及起连接作用的焊点承受着应力应变的循环变化，进而引起焊点的热疲劳破坏，导致整个封装器件的失效。

基于上述问题，在封装体生产前，需对封装体内各个焊点进行热疲劳实验，以生产出合格的封装体，使封装体的使用寿命更长。目前，常规的含热冲击和热循环实验温度变化慢，循环周期特别长。例如文献[Yan Qi,Rex Lam,et al.Temperature profile effectsin accelerated thermal cycling of SnPb and Pb-free solder joints.Microelectronics Reliability,2006,46 (2-4):574-588]采用两种升温速率（14℃/min和95℃/min）对晶体管2512和PBGA256电子元件的SnPb和无铅焊料进行试验。研究发现，在相同的失效模式下，高升温速率大大缩短了测试时间，但升温速率依然达不到大功率器件内部焊点在服役过程中温度变化速率。又如某公司的D/GDWJB-800L高低温冲击试验箱，其设备升温速率低（0~25℃/min），单个循环周期大。又如文献[李聪，电子封装快速热疲劳可靠性的研究，华中科技大学硕士论文，2012]和[陈继兵, 快速热疲劳对无铅微焊点性能和微观组织的影响, 华中科技大学博士论文, 2013]采用三种升温速率（7℃/S、12.5℃/S和14℃/S）和三种热循环温度（55～125℃、55～180℃、60～200℃）对无铅焊点进行快速热疲劳试验。其试验装置的升温速率较常规热疲劳有较大提升，但升温速率还有优化的空间，且低温段温度过高还需要大幅度降低。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是：如何提供一种升温速率快，且低温段温度较低的机械往复式快速热疲劳实验装置及方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：

一种机械往复式快速热疲劳实验装置，其特征在于，它包括加热系统，冷却系统、试样位移系统和计数系统；所述加热系统包括能够绕其中心顺时针或逆时针旋转的第一旋转铜盘，在第一旋转铜盘的正面和背面分别设有一第一温度传感器和加热片，在第一旋转铜盘上还连接有能够控制其旋转角度和静止时间的第一转速控制器，在加热片上连接有一个第一温度控制器；所述冷却系统包括能够绕其中心顺时针或逆时针旋转的第二旋转铜盘，在第二旋转铜盘的正面和背面分别设有一第二温度传感器和制冷片，在第二旋转铜盘上连接有能够控制其转速的第二转速控制器，在制冷片上连接有一第二温度控制器；所述加热系统中的第一旋转铜盘和冷却系统中的第二旋转铜盘间隔设置在试样位移系统的一侧，且第一旋转铜盘和第二旋转铜盘的中心处于同一水平面的水平线上；所述试样位移系统包括一试样移动板，所述试样移动板置于第一旋转铜盘和第二旋转铜盘上方并能够移动后分别与第一旋转铜盘和第二旋转铜盘相接触，且试样移动板能够带动试样沿第一旋转铜盘和第二旋转铜盘中心位置作水平往复移动，在试样移动板上还连接有一个用于控制试样移动板运动周期和运动速度的第三控制器；所述计数系统包括一电子报警计数器，所述电子报警计数器与试样移动板相接，通过在电子报警计数器上预设试样移动板的循环周期，并通过电子报警计数器对试样移动板循环次数计数，在达到设定的循环周期后报警。这样，所设置的冷却系统和加热系统中的旋转铜盘分别能够模拟试样工作过程中的高温环境和低温环境，测试时，通过在冷却系统和加热系统之间不断往复平移，能够使试样短时间内从高温转换到低温，再从低温转换到高温，以此往复，进而使得试样快速冷热循环。另外，冷却系统和加热系统中的步进电机均通过各自的控制器控制其转速，同时，冷却系统中的制冷片和加热系统中的加热片分别贴在第一、第二旋转铜盘的背面，进而使得第一、第二旋转铜盘各个位置受热均匀，保证实验的一致性和准确性。同时，本实验装置体积小，制作成本低，能够极大的减小实验成本。另外，所设置的温度传感器能够实时反馈第一旋转铜盘和第二旋转铜盘的温度，与温度控制器一起，确保第一旋转铜盘和第二旋转铜盘的温度始终保持在一个固定值上。所设置的技术系统能够对试样往复次数进行统计，并在达到预设数值后报警，提醒操作者关闭实验完成。

进一步的，所述加热系统还包括带动第一旋转铜盘同步旋转的第一步进电机；在第一步进电机和第一转速控制器之间还设有一第一电机驱动器，在第一温度控制器和第一电机驱动器之间还连接有一用于控制第一温度控制器和第一电机驱动器开启或关闭的开关电源。这样，通过联轴器将第一步进电机和第一旋转铜盘连接在一起，既能够将步进电机输出轴的旋转力传递给第一旋转铜盘，又能够确保步进电机和旋转铜盘的旋转速率一致，从而通过控制第一步进电机的转速来控制第一旋转铜盘的转速。所设置的第一电机驱动器主要用于为第一步进电机提供动力，所设置的开关电源能够对温度控制器进行开闭，同时，对电机驱动器进行开闭，通过对电机驱动器的开闭控制，对第一步进电机进行开闭，进而在第一步进电机关闭后，旋转铜盘镜子，开启后，旋转铜盘关闭。

进一步的，所述冷却系统还包括还包括带动第二旋转铜盘同步旋转的第二步进电机；在第二步进电机和第二转速控制器之间还设有一第二电机驱动器，在第二温度控制器和第二电机驱动器之间还连接有一用于控制第二温度控制器和第二电机驱动器开启或关闭的电源开关。这样，通过联轴器将第二步进电机与第二旋转铜盘连接在一起，既能够将步进电机输出轴的旋转力传递给第二旋转铜盘，又能够确保步进电机和旋转铜盘的旋转速率一致，从而通过控制第二步进电机的转速来控制第二旋转铜盘的转速。所设置的第二电机驱动器能够为第二步进电机提供动力，所设置的电源开关能够控制电机驱动器的开闭。

进一步的，所述试样位移系统还包括一个第三步进电机和一个直线导轨滑台，所述试样移动板的一端固定安装在直线导轨滑台上，另一端悬空设置且末端与第一温度传感器和第二温度传感器相接触，在第三控制器与第三步进电机之间还设有一个第三电机驱动器，所述第三电机驱动器上连接有一直流电源开关。这样，通过将第三步进电机与直线导轨滑台相接，进而能够通过控制第三步进电机的转速来控制直线导轨滑台上试样移动板的移动频率。而直线导轨滑台能够带动试样移动板做往复平移运动。所设置的第三控制器能够直接对第三步进电机的转速进行控制，进而达到精确控制试样移动板平移速率的目的。

进一步的，所述直线导轨滑台的中部设有一通孔，在该通孔内设有一横向设置的导轨，在直线导轨滑台的左右两侧均设有一用于安装导轨的立板，所述导轨的左右两端分别安装在两立板上，且靠近第三步进电机的导轨穿过立板后与第三步进电机的输出轴相连；导轨的中心线与第一旋转铜盘和第二旋转铜盘的中心连线相平行。这样，将导轨设置为与第一旋转铜盘、第二旋转铜盘平行位置，就可以确保导轨上的直线导轨滑台平移后的轨迹在第一旋转铜盘、第二旋转铜盘的中心线上，确保试样每一个往复都能接触到第一旋转铜盘和第二旋转铜盘的中心位置。

进一步的，所述计数系统还包括一开关按钮安装板和安装在开关安装板上的自动复位按钮开关，所述开关按钮安装板安装在靠近第三步进电机一侧的导轨上，且自动复位按钮开关与电子报警计数器相连接，电子报警计数器与直流电源开关相连接。这样，在实验开始前或实验完成后，通过自动复位按钮开关可使直线导轨滑台回到初始位置，而与电子报警计数器相连接的直流电源开关可在实验开始前开启电子报警计数器，在实验完成后关闭电子报警计数器。

进一步的，所述加热片和制冷片均呈环形，分别套在与其相对应的联轴器，其中，加热片为陶瓷加热片。这样，加热片和制冷片贴在联轴器以外的旋转铜盘上，贴合面积大，可确保对第一旋转铜盘的均匀加热，以及对第二旋转铜盘的均匀制冷。其中，采用陶瓷加热片作为本实验装置的加热片，可确保其传热速度快，同时，该加热片成本低，可在一定程度上减少实验成本。

一种机械往复式快速热疲劳实验方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，制作实验装置，所述实验装置如上所述，根据工艺要求设定第一步进电机、第二步进电机、第三步进电机的转动周期、转动速度，并设定第一温度控制器的加热温度，第二温度控制器的制冷温度，电子报警计数器的循环周期；S2，将试样移动板调整到第一旋转铜盘和第二旋转铜盘之间，并在试样移动板靠近第一旋转铜盘的一端放置试样；S3，通过第一温度传感器检测并向第一温度控制器反馈加热片的加热温度，第二温度传感器检测并向第二温度控制器反馈制冷片的制冷温度，当加热片的加热温度达到S1中所设定的加热温度，同时制冷片的制冷温度达到S1中所设定的制冷温度后，第一转速控制器和第二转速控制器分别向第一步进电机和第二步进电机传达启动指令，开启第一步进电机和第二步进电机，在第一步进电机和第二步进电机启动后，第一旋转铜盘和第二旋转铜盘分别开始旋转，与此同时，第三控制器向第三步进电机发出启动指令，第三步进电机启动，在第三步进电机启动后，试样移动板在第三步进电机的带动下带动试样在第一旋转铜盘中心和第二旋转铜盘中心之间作往复水平移动，试样移动板每周期触击自动复位按钮开关一次，电子报警计数器计数一次；S4，试样移动板带试样往复移动周期的次数达到S1中的设定次数后，电子报警计数器发出警报，在发出警报的同时，第一转速控制器、第二转速控制器和第三控制器分别向第一电机驱动器、第二电机驱动器、第三电机驱动器发出关闭指令，使第一步进电机、第二步进电机和第三步进电机关闭；S5，取下试样，实验完成。这样，在实验时，加热系统的加热温度通过第一温度控制器精确控制，第一旋转铜盘在加热片加热后，温度均衡传递到第一旋转铜盘上，冷却系统的冷却温度通过第二温度控制器精确控制，第二旋转铜盘在制冷片的冷却作用下，使整个铜盘冷却，而试样位移系统中的试样平移板带动试样与第一旋转铜盘和第二旋转铜盘之间往复平移，使试样在高度和低温之间快速接触，热循环在几小时或几十小时就能够达到上百次，极大的提供了实验效率。同时，在整个实验中，温度均通过温度传感器实施测量，并将测量结果传递到温度传感器处，确保温度始终保持在同一数值上，能够对温度进行精确控制。另外，实验装置的自动化程度高，操作简便。

与现有技术相比，本发明得到的机械往复式快速热疲劳实验装置及方法具有如下优点：

1、所设置的冷却系统和加热系统中的旋转铜盘分别能够模拟试样工作过程中的高温环境和低温环境，测试时，通过在冷却系统和加热系统之间不断往复平移，能够使试样短时间内从高温转换到低温，再从低温转换到高温，以此往复，进而使得试样快速冷热循环。能够将船体的快速热循环时间缩短到几小时或者几十小时，大大提高了实验效率。

2、实验装置所采用的各个部件造价低，能够有效减少实验成本，且实验装置体积小，在运输和搬运过程中，显得十分灵活方便。

3、实验装置的自动化程度高，操作简便。

4、本发明装置无磁场效应，避免了电磁场对试验样品的影响。

附图说明

图1为实施例中机械往复式快速热疲劳实验装置的安装结构示意图；

图2为实施例中第一旋转铜盘的背面安装结构示意图；

图3为实施例中第二旋转铜盘背面安装结构示意图。

图中：第三步进电机1、自复位按钮开关2、电子报警计数器3、直流电源开关4、第三转速控制器5、第三电机驱动器6、直线导轨滑台7、第二温度控制器8、第二温度传感器9、制冷片10、联轴器11、第二旋转铜盘12、第二步进电机13、电源开关14、第二电机驱动器15、第二转速控制器16、试样17、试样移动板18、第一转速控制器19、开关电源20、第一转速驱动器21、第一步进电机22、加热片23、第一温度控制器24、第一温度传感器25、第一旋转铜盘26。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

实施例：

本实施例提供的机械往复式快速热疲劳实验装置及方法，具体的，往复式快速热疲劳实验装置包括加热系统，冷却系统、试样位移系统和计数系统；所述加热系统包括能够绕其中心顺时针或逆时针旋转的第一旋转铜盘26，在第一旋转铜盘26的正面和背面分别设有一第一温度传感器25和加热片23，在第一旋转铜盘26上还连接有能够控制其旋转角度和静止时间的第一转速控制器19，在加热片23上连接有一个第一温度控制器24；所述冷却系统包括能够绕其中心顺时针或逆时针旋转的第二旋转铜盘12，在第二旋转铜盘12的正面和背面分别设有一第二温度传感器9和制冷片10，在第二旋转铜盘12上连接有能够控制其转速的第二转速控制器16，在制冷片10上连接有一第二温度控制器8；所述加热系统中的第一旋转铜盘26和冷却系统中的第二旋转铜盘12间隔设置在试样位移系统的一侧，且第一旋转铜盘26和第二旋转铜盘12的中心处于同一水平面的水平线上；所述试样位移系统包括一试样移动板18，试样移动板18置于第一旋转铜盘26和第二旋转铜盘12上方并能够移动后分别与第一旋转铜盘26和第二旋转铜盘12相接触，且试样移动板18能够带动试样沿第一旋转铜盘26和第二旋转铜盘12中心位置作水平往复移动，在试样移动板18上还连接有一个用于控制试样移动板18运动周期和运动速度的第三控制器5；所述计数系统包括一电子报警计数器3，所述电子报警计数器3与试样移动板18相接，通过在电子报警计数器3上预设试样移动板18的循环周期，并通过电子报警计数器3对试样移动板18循环次数计数，在达到设定的循环周期后报警。

如图1所示，本实施例中的第一旋转铜盘26通过电机驱动，具体来说，加热系统还包括一第一步进电机22，所述第一步进电机22的输出轴通过一联轴器11与第一旋转铜盘26相接，并带动第一旋转铜盘26随之同步旋转；在第一步进电机22和第一转速控制器19之间还设有一第一电机驱动器21，在第一温度控制器24和第一电机驱动器21之间还连接有一用于控制第一温度控制器24和第一电机驱动器21开启或关闭的开关电源20。

同样的，本实施例中的第二旋转铜盘12通过电机驱动，具体来说，冷却系统还包括第二步进电机13，所述第二步进电机13的输出轴通过一联轴器与第二旋转铜盘12相接，并带动第二旋转铜盘12随之同步旋转；在第二步进电机13和第二转速控制器16之间还设有一第二电机驱动器15，在第二温度控制器8和第二电机驱动器15之间还连接有一用于控制第二温度控制器8和第二电机驱动器15开启或关闭的电源开关14。

具体的，试样位移系统还包括一个第三步进电机1和一个直线导轨滑台7，所述试样移动板18的一端固定安装在直线导轨滑台7上，另一端悬空设置且末端与第一温度传感器25和第二温度传感器9相接触，在第三控制器5与第三步进电机1之间还设有一第三电机驱动器6，所述第三电机驱动器6上连接有一直流电源开关4。所述直线导轨滑台7的中部设有一通孔，在该通孔内设有一横向设置的导轨，在直线导轨滑台的左右两侧均设有一用于安装导轨的立板，所述导轨的左右两端分别安装在两立板上，且靠近第三步进电机的导轨穿过立板后与第三步进电机1的输出轴相连；导轨的中心线与第一旋转铜盘26和第二旋转铜盘12的中心连线相平行。

另外，计数系统还包括一开关按钮安装板和安装在开关安装板上的自动复位按钮开关2，所述开关按钮安装板安装在靠近第三步进电机1一侧的导轨上，且自动复位按钮开关2与电子报警计数器3相连接，电子报警计数器3与直流电源开关4相连接。

本实施例中的加热片23和制冷片10均呈环形，分别套在与其相对应的联轴器上，其中，加热片23为陶瓷加热片，制冷片10为半导体制冷片,制冷片10和加热片23的外径分别与第二旋转铜盘12和第一旋转铜盘26的铜盘直径相等，这样，制冷片10和加热片23的贴合面几乎与第二旋转铜盘12和第一旋转铜盘12相等，能够最大限度快速地将温度传递给旋转铜盘。本实施例中的第一旋转铜盘26和第二旋转铜盘12均采用紫铜制作而成，且外沿向上翻折。

进一步的，本实施例中的联轴器为铝合金法兰联轴器，所述第一温度控制器和第二温度控制器采用的是PID温度控制器，所述第一温度传感器和第二温度传感器采用的是PT100温度传感器。

本实施例中的试样移动板18还可以设置为旋转的结构，试样移动板18与直线导轨滑台7相接的一端设为转动端，通过来回转动试样移动板18实现其在冷却系统和加热系统的往复运动。

一种机械往复式快速热疲劳实验方法，包括如下步骤：S1，制作实验装置，所述实验装置如上所述，根据工艺要求设定第一步进电机22、第二步进电机13、第三步进电机1的转动周期、转动速度，并设定第一温度控制器24的加热温度，第二温度控制器8的制冷温度，电子报警计数器3的循环周期；S2，将试样移动板18调整到第一旋转铜盘26和第二旋转铜盘12之间，并在试样移动板18靠近第一旋转铜盘26的一端放置试样17；S3，通过第一温度传感器25检测并向第一温度控制器24反馈加热片23的加热温度，第二温度传感器9检测并向第二温度控制器8反馈制冷片10的制冷温度，当加热片23的加热温度达到S1中所设定的加热温度，同时制冷片10的制冷温度达到S1中所设定的制冷温度后，第一转速控制器19和第二转速控制器16分别向第一步进电机22和第二步进电机13传达启动指令，开启第一步进电机22和第二步进电机13，在第一步进电机22和第二步进电机13启动后，第一旋转铜盘26和第二旋转铜盘12分别开始旋转，与此同时，第三控制器5向第三步进电机1发出启动指令，第三步进电机1启动，在第三步进电机1启动后，试样移动板18在第三步进电机1的带动下带动试样17在第一旋转铜盘26中心和第二旋转铜盘12中心之间作往复水平移动，试样移动板18每周期触击自动复位按钮2开关一次，电子报警计数器3计数一次；S4，试样移动板18带试样17往复移动周期的次数达到S1中的设定次数后，电子报警计数器3发出警报，在发出警报的同时，第一转速控制器19、第二转速控制器16和第三控制器5分别向第一电机驱动器21、第二电机驱动器15、第三电机驱动器6发出关闭指令，使第一步进电机22、第二步进电机13和第三步进电机1关闭；S5，取下试样，实验完成。

针对上述实验方法，本实施例的具体实验方案如下：

方案1：S1，设定第一温度控制器24的加热温度为150℃，等待加热片23温度达到150℃；设定第二温度控制器8的冷却温度为0℃，等待制冷片10温度达到0℃；通过第一转速控制器19控制第一电机驱动器21的输出功率，进而控制第一步进电机的转动周期和转动速度，同时，通过第一步进电机的转动周期和转动速度设定第一旋转铜盘26每周期的旋转角度为120°；通过第二转速控制器16控制第二电机驱动器15的输出功率，进而控制第二步进电机13的转动周期和转动速度，同时，通过第二步进电机13的转动周期和转动速度设定第二旋转铜盘12每周期旋转角度为120°；通过第三转速控制器5设定第三步进电机1的转动周期和转动速度，进而设定试样移动板18分别与第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12接触时间为5s，设定冷热端切换时间为1s；设定电子报警计数器3的循环周期为100次。

S2，试样移动平台18初始位置为第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12中心距离处，放置试样17。

S3，第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12达到预设温度后，启动第一步进电机22、第二步进电机13、第三57步进电机1；

S4，当系统循环周期达到预设次数，电子报警计数器12发出警报。

S5，取下试样16，实验完毕。

因方案2-方案9的S2-S5相同，下面仅对方案2-方案9的S1详细说明：

方案2：S1，设定第一温度控制器24的加热温度为150℃，等待加热片23温度达到150℃；设定第二温度控制器8的冷却温度为5℃，等待制冷片10温度达到5℃；通过第一转速控制器19和第二转速控制器16分别设定第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12每周期旋转角度为120°，通过第三转速控制器5设定第三步进电机1的转动周期和转动速度，进而设定试样移动板18分别与第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12接触时间为5s，设定冷热端切换时间为1s；设定电子报警计数器3的循环周期为100次。

方案3：S1，设定第一温度控制器24的加热温度为160℃，等待加热片23温度达到170℃；设定第二温度控制器8的冷却温度为5℃，等待制冷片10温度达到5℃；设定第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12每周期旋转角度为120°，通过第三转速控制器5设定第三步进电机1的转动周期和转动速度，进而设定试样移动板18分别与第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12接触时间为5s，设定冷热端切换时间为2s, 设定电子报警计数器3的循环周期为200次。

方案4：S1，设定第一温度控制器24的加热温度为160℃，等待加热片23温度达到160℃；设定第二温度控制器8的冷却温度为10℃，等待制冷片10温度达到10℃；设定第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12每周期旋转角度为120°，通过第三转速控制器5设定第三步进电机1的转动周期和转动速度，进而设定试样移动板18分别与第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12接触时间为5s，设定冷热端切换时间为2s, 设定电子报警计数器3的循环周期为100次。

方案5：S1，设定第一温度控制器24的加热温度为170℃，等待加热片23温度达到170℃；设定第二温度控制器8的冷却温度为10℃，等待制冷片10温度达到10℃；设定第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12每周期旋转角度为120°，通过第三转速控制器5设定第三步进电机1的转动周期和转动速度，进而设定试样移动板18分别与第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12接触时间为5s，设定冷热端切换时间为3s, 设定电子报警计数器3的循环周期为500次。

方案6：S1，设定第一温度控制器24的加热温度为170℃，等待加热片23温度达到170℃；设定第二温度控制器8的冷却温度为15℃，等待制冷片10温度达到15℃；设定第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12每周期旋转角度为120°，通过第三转速控制器5设定第三步进电机1的转动周期和转动速度，进而设定试样移动板18分别与第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12接触时间为5s，设定冷热端切换时间为3s, 设定电子报警计数器3的循环周期为500次。

方案7：S1，设定第一温度控制器24的加热温度为180℃，等待加热片23温度达到180℃；设定第二温度控制器8的冷却温度为15℃，等待制冷片10温度达到15℃；设定第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12每周期旋转角度为120°，通过第三转速控制器5设定第三步进电机1的转动周期和转动速度，进而设定试样移动板18分别与第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12接触时间为5s，设定冷热端切换时间为4s, 设定电子报警计数器3的循环周期为800次。

方案8：S1，设定第一温度控制器24的加热温度为180℃，等待加热片23温度达到180℃；设定第二温度控制器8的冷却温度为20℃，等待制冷片10温度达到20℃；设定第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12每周期旋转角度为120°，通过第三转速控制器5设定第三步进电机1的转动周期和转动速度，进而设定试样移动板18分别与第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12接触时间为5s，设定冷热端切换时间为4s, 设定电子报警计数器3的循环周期为800次。

方案9：S1，设定第一温度控制器24的加热温度为190℃，等待加热片23温度达到190℃；设定第二温度控制器8的冷却温度为20℃，等待制冷片10温度达到20℃；设定第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12每周期旋转角度为120°，通过第三转速控制器5设定第三步进电机1的转动周期和转动速度，进而设定试样移动板18分别与第一旋转铜盘26、第二旋转铜盘12接触时间为5s，设定冷热端切换时间为5s, 设定电子报警计数器3的循环周期为1000次。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，尽管申请人参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种机械往复式快速热疲劳实验装置，其特征在于，它包括加热系统，冷却系统、试样位移系统和计数系统；所述加热系统包括能够绕其中心顺时针或逆时针旋转的第一旋转铜盘（26），在第一旋转铜盘（26）的正面和背面分别设有一第一温度传感器（25）和加热片（23），在第一旋转铜盘（26）上还连接有能够控制其旋转角度和静止时间的第一转速控制器（19），在加热片（23）上连接有一个第一温度控制器（24）；所述冷却系统包括能够绕其中心顺时针或逆时针旋转的第二旋转铜盘（12），在第二旋转铜盘（12）的正面和背面分别设有一第二温度传感器（9）和制冷片（10），在第二旋转铜盘（12）上连接有能够控制其转速的第二转速控制器（16），在制冷片（10）上连接有一第二温度控制器（8）；所述加热系统中的第一旋转铜盘（26）和冷却系统中的第二旋转铜盘（12）间隔设置在试样位移系统的一侧；所述试样位移系统包括一试样移动板（18），所述试样移动板（18）置于第一旋转铜盘（26）和第二旋转铜盘（12）上方并能够移动后分别与第一旋转铜盘（26）和第二旋转铜盘（12）相接触，且试样移动板（18）能够带动试样沿第一旋转铜盘（26）和第二旋转铜盘（12）中心位置作水平往复移动，在试样移动板（18）上还连接有一个用于控制试样移动板（18）运动周期和运动速度的第三控制器（5）；所述计数系统包括一电子报警计数器（3），所述电子报警计数器（3）与试样移动板（18）相接，通过在电子报警计数器（3）上预设试样移动板（18）的循环周期，并通过电子报警计数器（3）对试样移动板（18）循环次数计数，在达到设定的循环周期后报警。

2.根据权利要求1所述的机械往复式快速热疲劳实验装置，其特征在于，所述加热系统还包括带动第一旋转铜盘（26）同步旋转的第一步进电机（22）；在第一步进电机（22）和第一转速控制器（19）之间还设有一第一电机驱动器（21），在第一温度控制器（24）和第一电机驱动器（21）之间还连接有一用于控制第一温度控制器（24）和第一电机驱动器（21）开启或关闭的开关电源（20）。

3.根据权利要求1或2所述的机械往复式快速热疲劳实验装置，其特征在于，所述冷却系统还包括带动第二旋转铜盘（12）同步旋转的第二步进电机（13）；在第二步进电机（13）和第二转速控制器（16）之间还设有一第二电机驱动器（15），在第二温度控制器（8）和第二电机驱动器（15）之间还连接有一用于控制第二温度控制器（8）和第二电机驱动器（15）开启或关闭的电源开关（14）。

4.根据权利要求3所述的机械往复式快速热疲劳实验装置，其特征在于，所述试样位移系统还包括一个第三步进电机（1）和一个直线导轨滑台（7），所述试样移动板（18）的一端固定安装在直线导轨滑台（7）上，另一端悬空设置且末端与第一温度传感器（25）和第二温度传感器（9）相接触，在第三控制器（5）与第三步进电机（1）之间还设有一第三电机驱动器（6），所述第三电机驱动器（6）上连接有一直流电源开关（4）。

5.根据权利要求4所述的机械往复式快速热疲劳实验装置，其特征在于，所述直线导轨滑台（7）的中部设有一通孔，在该通孔内设有一横向设置的导轨，在直线导轨滑台的左右两侧均设有一用于安装导轨的立板，所述导轨的左右两端分别安装在两立板上，且靠近第三步进电机的导轨穿过立板后与第三步进电机（1）的输出轴相连；导轨的中心线与第一旋转铜盘（26）和第二旋转铜盘（12）的中心连线相平行。

6.根据权利要求5所述的机械往复式快速热疲劳实验装置，其特征在于，所述计数系统还包括一开关按钮安装板和安装在开关安装板上的自动复位按钮开关（2），所述开关按钮安装板安装在靠近第三步进电机（1）一侧的导轨上，且自动复位按钮开关（2）与电子报警计数器（3）相连接，电子报警计数器（3）与直流电源开关（4）相连接。

7.根据权利要求1或2或4或5或6所述的机械往复式快速热疲劳实验装置，其特征在于，所述加热片（23）和制冷片（10）均呈环形，分别套在与其相对应的联轴器上，其中，加热片（23）为陶瓷加热片。

8.一种机械往复式快速热疲劳实验方法，其特征在于，包括如下步骤：S1，制作实验装置，所述实验装置如权利要求6所述，根据工艺要求设定第一步进电机（22）、第二步进电机（13）、第三步进电机（1）的转动周期、转动速度，并设定第一温度控制器（24）的加热温度，第二温度控制器（8）的制冷温度，电子报警计数器（3）的循环周期；S2，将试样移动板（18）调整到第一旋转铜盘（26）和第二旋转铜盘（12）之间，并在试样移动板（18）靠近第一旋转铜盘（26）的一端放置试样（17）；S3，通过第一温度传感器（25）检测并向第一温度控制器（24）反馈加热片（23）的加热温度，第二温度传感器（9）检测并向第二温度控制器（8）反馈制冷片（10）的制冷温度，当加热片（23）的加热温度达到S1中所设定的加热温度，同时制冷片（10）的制冷温度达到S1中所设定的制冷温度后，第一转速控制器（19）和第二转速控制器（16）分别向第一步进电机（22）和第二步进电机（13）传达启动指令，开启第一步进电机（22）和第二步进电机（13），在第一步进电机（22）和第二步进电机（13）启动后，第一旋转铜盘（26）和第二旋转铜盘（12）分别开始旋转，与此同时，第三控制器（5）向第三步进电机（1）发出启动指令，第三步进电机（1）启动，在第三步进电机（1）启动后，试样移动板（18）在第三步进电机（1）的带动下带动试样（17）在第一旋转铜盘（26）中心和第二旋转铜盘（12）中心之间作往复水平移动，试样移动板（18）每周期触击自动复位按钮（2）开关一次，电子报警计数器（3）计数一次；S4，试样移动板（18）带试样（17）往复移动周期的次数达到S1中的设定次数后，电子报警计数器（3）发出警报，在发出警报的同时，第一转速控制器（19）、第二转速控制器（16）和第三控制器（5）分别向第一电机驱动器（21）、第二电机驱动器（15）、第三电机驱动器（6）发出关闭指令，使第一步进电机（22）、第二步进电机（13）和第三步进电机（1）关闭；S5，取下试样，实验完成。

Images