CN109932252A - 一种电涡流加热高温力学测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明一种电涡流加热高温力学测试装置属于力学试验技术领域，涉及一种采用电涡流技术单独对试样进行快速加热获得高温试验环境的力学试验装置。该装置采用电涡流快速加热满足高温力学试验中对试样的大速率升温、宽温区加热的要求。采用气密箱结构，用真空泵抽真空满足真空环境要求。上、下夹头都采用整体结构，对中性好，测量误差小。装置由夹持单元、加载单元、加热与冷却单元、气密箱、基准框架组成。本装置具有试样升温快、适用温区大、加热效率高，结构紧凑，操作简单的特点。装置对中性好，减少了测量误差，测试精度高。可准确模拟航空航天高温热冲击环境，完成高温材料的力学实验。

Description

一种电涡流加热高温力学测试装置

技术领域

本发明属于力学试验技术领域，涉及一种采用电涡流技术单独对试样进行快速加热获得高温试验环境的力学测试装置。

背景技术

耐高温结构材料在航空航天领域具有重要作用，在高温环境下具有力学稳定性的结构材料，对航空航天飞行器性能提升至关重要。高温环境下材料试样的力学性能测试和表征是开发耐高温航空航天结构材料的关键环节。结构材料的高温力学性能表征，有赖于高性能高温力学试验装备的研究和开发。

目前，高温结构材料的力学试验通常采用电阻丝加热的高温炉营造高温环境，试样在高温炉中通过热传导方式被间接加热到指定的温度，并在特定的温度下进行力学试验。专利CN106813988A“高聚物纤维束高温力学性能检测装置”发明人高忠民等公开了一种用于高聚物纤维束高温力学性能测试的装置，由保温盒、均温板、拉伸杆、转接夹具等组成。该装置通过电热丝加热体实现对保温盒内环境的稳定加热，力学性能测试的适用温度≤300℃。专利CN207456931U“一种用于石墨材料1100℃高温力学性能的测试装置”发明人杨辉等公开了一种用于石墨构件高温力学性能测试的装置，由万能试验机、高温炉、高温夹具、测温系统、循环水冷系统、真空泵、惰性气体瓶等组装而成。该装置采用陶瓷发热体对高温炉内环境进行加热，可在室温～1100℃环境中对石墨试样的抗压强度、抗折强度、拉伸强度、断裂韧性等力学性能参量进行测试。文献Cheng X,Qu Z,He R,et al.“An ultra-hightemperature testing instrument under oxidation environment up to 1800℃”[J].Review of Scientific Instruments,2016,87(4):045108.报道了一种采用电阻炉加热的高温拉伸测试装置，通过高温引伸计来测量试样应变，可在最高1800℃的环境下完成试样拉伸性能测试。

上述高温力学测试装置均采用高温炉加热和对试样间接传热的方式获得高温实验条件，这种技术途径存在如下缺陷：1)加热速度慢：通过传导、对流、辐射等间接传热，试样最高升温速率受限(通常≤30℃/分钟)，只能提供缓变的升温过程，难以模拟高温结构在航空航天器服役环境下的热-力学冲击条件；2)试样温度上限低：采用间接传热方式，要求加热炉膛温度≥试样温度，试样的上限试验温度受到炉体材料和结构限制，测试装置的适用温区窄。3)加热效率低：加热过程需要长时间传热和保温，热耗散大，能量效率低。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术缺陷，发明一种电涡流加热的高温力学测试装置，测试装置采用电涡流快速加热满足高温力学试验中对试样的大速率升温、宽温区加热的要求，采用真空泵抽真空满足真空环境要求。上、下夹头都采用整体结构，对中性好，减少测量误差。装置具有试样升温快、适用温区大，加热效率高，结构紧凑，操作简单的特点。可准确模拟航空航天高温热冲击环境，完成高温材料的力学实验，测试精度高。

本发明采用的技术方案是一种电涡流加热高温力学测试装置，采用位移传感器、力传感器、温度传感器进行测量，其特征在于，该装置采用电涡流快速加热满足高温力学试验中对试样的大速率升温、宽温区加热的要求，采用气密箱结构，用真空泵抽真空满足真空环境要求；上、下夹头都采用整体结构，并加工有冷水通道；装置由夹持单元、加载单元、加热与冷却单元、气密箱、基准框架组成；

所述夹持单元中，上夹头29为整体结构，其下端形状是上楔形块29b，其上加工有上冷水通道29a，，上夹头29上端形状是T型块29c，上夹头29通过安装在销钉孔29d中的销钉27与上连杆25下端连接；

下夹头5为整体结构，其上端形状为下楔形块5b，楔形块5b上开有下冷水通道5a，下夹头5下端是工型块5c，工型块5c安装在下连接块33的T型槽33a内，两者为间隙配合，间隙量为0.02～0.04mm；矩形下连接块33其内部开有T型槽33a，侧面有安装波珠螺丝44的孔33c、紧定螺钉43安装在紧定螺钉孔33d内，上部开有4个螺钉孔33b、两个销钉孔33e；波珠螺丝44安装在波珠螺丝孔33c内；挡板45通过螺钉固定在下连接块33侧面；

所述加载单元中，上连杆25下端加工有滑动面25a，下端套入波纹管23后放入箱体7内部，上连杆25上端是圆台状，通过螺钉与波纹管23上端相连，波纹管23下端通过螺钉固定在上基准面14上表面；在上连杆与直线电机之间安装有力传感器21，力传感器21上端与直线电机19连接，下端与上连杆25连接；直线电机19通过螺钉固定在上板18的电机安装孔内，上板18整体是矩形，在中间开有电机安装孔，上板18由左侧板20与右侧板17支撑，两者是等高的矩形块；左筋板22与右筋板16是直角三角形状，左筋板22第一直角面通过螺钉与左侧板20连接，第二直角面通过螺钉与上基准板14上表面连接，右筋板16第一直角面通过螺钉连接右侧板17，第二直角面通过螺钉与上基准板14上表面连接；

加热与冷却单元中，试件9安装在电涡流线圈31中，电涡流线圈端31a内缘与试件9距离为1-20mm，电涡流直线端31b与感应电源36相连；电涡流线圈31中空，内部通冷却水进行冷却；冷水总管4分别与上夹头29的冷水通道29a、下夹头5的冷水通道5a相连；

在基准框架中，上基准板14与下基准板1通过4根立柱3连接，立柱3有两个台阶轴，第一台阶轴的上端面与上基准板14下表面接触，第二台阶轴的下端面与下基准板1上表面接触，4根立柱3的第一台阶轴上端面与第二台阶轴下端面的尺寸等高；立柱3下端通过固定环2固定在下基准板1轴孔内，上端通过固定板15固定在上基准板14轴孔内；下基准板1是矩形，上面开有波纹管螺钉孔14d、立柱孔14b、固定板螺钉孔14c；下连接块33由销钉42定位到下基准板1上，再由螺钉固定；上基准板14是矩形状，中心开有导向孔14e，上连杆25安装在导向孔14e中，上连杆25滑动面25a与导向孔14e为间隙配合，间隙量为0.02～0.05mm；

气密箱中，箱体7上表面与上基准板14下表面连接，并压紧下密封槽14a内的下密封圈e，下表面与下基准板1上表面连接，并压紧上密封槽1a内的上密封圈g；箱门34通过活页11与箱体7连接，箱门34开有门密封槽34a，门密封槽d内安装门密封圈c，通过手轮10开关箱门34；

箱体7内侧衬有保温材料8；绝缘板6是矩形板，通过螺钉与箱体7外部一侧连接并压紧密封槽7a内的密封圈i；箱体7侧面安装A球阀39、B球阀40、球阀41，A球阀39通过气管32与真空泵38相连，B球阀40与惰性气体瓶相连，球阀41与大气相连；航空插头26通过螺钉安装在箱体7侧面；真空观察窗35通过螺钉安装在箱门34上；真空表24固定在箱体7外表面，其上的真空测头探入箱体7内部；温度传感器30测试端伸进电涡流线圈31内部，与试样9距离1～10mm，固定端通过法兰盘与箱体7相连；位移传感器13由夹具12固定，夹具12安装在箱体7内部侧面，位移转换板28安装在上夹头29上，其上表面与位传感器13测头轴线垂直。

一种电涡流加热高温力学测试装置，其特征在于，装置中的位移传感器采用线性可变差动变压器、电感测微仪、激光位移传感器或引伸计；力传感器采用S型力传感器、悬臂梁称重传感器或轮辐式拉压力称重传感器；温度传感器采用热电偶、铂电阻、红外测温仪一种或者多种。

一种采用电涡流加热高温力学测试装置，其特征在于，装置采用的保温材料8为多晶莫来石纤维、陶瓷纤维、保温涂料的一种或者多种。

本发明的显著效果是：应用本发明提供的一种电涡流加热高温力学测试装置，进行高温材料和构件力学性能试验，采用电涡流快速加热具有试样升温快、适用温区大、加热效率高，满足高温力学试验中对试样的大速率升温、宽温区加热的要求。上、下夹头都采用整体结构，并加工有冷水通道。使得装置对中性好，减少了测量误差，测试精度高。结构紧凑，冷却效果好。测量操作简单，可准确模拟航空航天高温热冲击环境，完成高温材料的力学实验。

附图说明

图1是一种电涡流加热高温力学测试装置的主视图，图2是图1的右视图，图3是图1的左视图，图4是图1中夹持单元的剖切后视图，图5是图1中下连接块轴测图，图6是图1中上基准板轴测图。其中：1-下基准板，1a-上密封槽，2-固定环，3-立柱，4-冷水总管，5-下夹头，5a-冷水通道，5b-下楔形块，5c-工型块，6-绝缘板，7-箱体，7a-密封槽，8-保温材料，9-试件，10-手轮，11-活页，12-夹具，13-位移传感器，14-上基准板，14a-下密封槽，14b-立柱孔，14c-固定板螺钉孔，14d-波纹管螺钉孔，14e-导向孔，15-固定板，16-右筋板，17-右侧板，18-上板，19-直线电机，20-左侧板，21-力传感器，22-左筋板，23-波纹管，24-真空表，25-上连杆，25a-滑动面，26-航空插头，27-销钉，28-位移转换板，29-上夹头，29a-冷水通道，29b-上楔形块，29c-T型块，29d-销钉孔，30-温度传感器，31-电涡流线圈，31a-线圈端，31b-直线端，32-气管，33-下连接块，33a-T型槽，33b-螺钉孔，33c-波珠螺丝孔，33d-紧定螺钉孔，33e-下连接块销钉孔，34-箱门，34a-门密封槽，35-真空观察窗，36-感应电源，37-冷水机，38-真空泵，39-A球阀，40-B球阀，41-球阀，42-销钉，43-紧定螺钉，44-波珠螺丝，45-挡板，c-门密封圈，e下密封圈，g-上密封圈，i-密封圈。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

如附图1、2、3、4、5、6所示，该发明一种电涡流加热高温力学测试装置由夹持单元、加载单元、加热与冷却单元、气密箱、基准框架组成，

保温材料8选用多晶莫来石纤维，耐温极限2000℃。力传感器21选用S型力传感器，测量极限为500kg，灵敏度2.0000±0.0005mV/V。温度传感器30选用热电偶，温度极限为3500℃，精度±0.5％t。位移传感器13选用线性可变差动变压器，位移极限10mm，精度1μm。

安装时，试样9放在电涡流线圈31内部，通过电磁感应作用加热，获得高温环境；真空泵38抽走箱体7内空气获得真空环境；上夹头29夹持试件9一端，下夹头5夹持试件9的另一端，通过直线电机19驱动与上夹头29相连的上连杆25，对试件9施加载荷，通过力传感器21测出载荷的大小，通过位移传感器13测上夹头29的位移，整合数据得出应力应变曲线，最终实现高温真空下试件9力学性能的测试。

装置的装配过程为：以下基准板1为基准，4根立柱3下端固定安装到下基准板1上轴孔内，通过固定环2固定在下基准板1上，立柱3与下基准板1轴孔过盈配合，过盈量为0.04mm；箱体7通过螺钉固定在下基准板1上表面，并压紧上密封槽1a内的上密封圈g，保证与下基准板1之间的气密性；先把左侧板20与右侧板17通过螺钉固定在上基准板14上表面，再把立柱3上端安装到上基准板14轴孔内并固定，通过固定板15固定在上基准板14上，立柱3与上基准板14轴孔间隙配合，间隙量为0.05mm，箱体7通过螺钉固定在上基准板14下表面并压紧下密封槽14a内的下密封圈e，保证与上基准板14之间的气密性；左侧板20通过螺钉与左筋板22第一直角面连接，左筋板22第二直角面通过螺钉与上基准板14上表面连接，右侧板17通过螺钉连接右筋板16第一直角面，右筋板16第二直角面通过螺钉与上基准板14上表面连接，以增强左侧板20与右侧板17的刚度。

保温材料8衬在箱体7内侧；波纹管23下端通过螺钉固定在上基准板14上表面，保证动连接的气密性，上连杆25下端穿过波纹管23进入箱体7内部，其滑动面25a与上基准板14的导向孔14e间隙配合，间隙量为0.05mm；力传感器21下端固定在上连杆25上端，其上端与直线电机19相连，直线电机19通过螺钉固定在上板18电机安装孔内，上板18通过螺钉固定在左侧板20与右侧板17上表面；位移转换板28安装在上夹头29上，上夹头29上端轴套入上连杆25下端孔内，通过销钉27连接，销钉27安装在与两者轴线垂直且与上连杆25滑动面25a垂直的方向，保证上夹头29夹持平面轴线与电机轴位于同一轴线。

波珠螺丝44安装到下连接块33的波珠螺丝孔33c内用于限制下夹头5沿T型槽33a方向的移动，紧定螺钉43安装到下连接块33的紧定螺钉孔33d内用于锁紧下夹头5。挡板45通过螺钉安装到下连接块33侧面，防止下夹头5滑出下连接块33的T型槽33a。下连接块33通过销钉42定位到下基准板1上，通过螺钉固定在箱体7上。

下夹头5安装到下连接块33T型槽33a内，滑动面25a与T型槽33a为间隙配合，配合间隙为0.02mm；保证下夹头5推到波珠螺丝44位置后，下夹头5夹持平面轴线与电机轴位于同一轴线，从而保证试件9对中安装；

温度传感器30测试端伸进电涡流线圈31内部，与试件9距离10mm，固定端通过法兰盘与箱体7相连；位移传感器13测头轴线与位移转换板28垂直，由夹具12固定，夹具12安装在箱体7内部侧面。

实施例，试件采用石墨材料进行高温力学性能实验。把下夹头5推到挡板45的位置，试件9穿过电涡流线圈31，上夹头29夹持试件9的一端。再把下夹头5推回到波珠螺丝44处，拧紧紧定螺钉43，下夹头5夹持试件9的另一端。关上箱门34，接通真空泵38电源，待箱体7内达到1000Pa，开始通入惰性气体，接通感应电源36、冷水机37电源，通入电涡流线圈31的交变电流遇到试件9产生交变磁场，该磁场使试样9产生涡流加热；接通直线电机19电源，直线电机19拉伸试样9，直线电机19通过力传感器21、上连杆25与上夹头29把载荷传递到试样9上，当载荷施加到试样9上，位移传感器13显示位移，力传感器21显示施加载荷的大小，通过labview整合数据得出试件9应力应变曲线关系图，完成高温材料的力学性能的测试。

本发明的一种电涡流加热高温力学测试装置，实现了在特定的高温实验环境下，进行材料的力学性能试验。本发明对高温材料的力学性能试验，具有加热速度快、能耗低、资源利用率高、操作简单、实用性强的特点，可以快速完成材料的力学性能测试，同时为高温应变测量提供了可行性方法，为应变片的参数标定和性能测试提供了试验平台，测试精度高。

Claims (3)

1.一种电涡流加热高温力学测试装置，采用位移传感器、力传感器、温度传感器进行测量，其特征在于，该装置采用电涡流快速加热满足高温力学试验中对试样的大速率升温、宽温区加热的要求，采用气密箱结构，用真空泵抽真空满足真空环境要求；上、下夹头都采用整体结构，并加工有冷水通道；装置由夹持单元、加载单元、加热与冷却单元、气密箱、基准框架组成；

所述夹持单元中，上夹头(29)为整体结构，其下端形状是上楔形块(29b)，其上加工有上冷水通道(29a)，上夹头(29)上端形状是T型块(29c)，上夹头(29)通过安装在销钉孔(29d)中的销钉(27)与上连杆(25)下端连接；

下夹头(5)为整体结构，其上端形状为下楔形块(5b)，楔形块(5b)上开有下冷水通道(5a)，下夹头(5)下端是工型块(5c)，工型块(5c)安装在下连接块(33)的T型槽(33a)内，两者为间隙配合，间隙量为0.02～0.04mm；矩形下连接块(33)其内部开有T型槽(33a)，侧面有安装波珠螺丝(44)的孔(33c)、紧定螺钉(43)安装在紧定螺钉孔(33d)内，上部开有4个螺钉孔(33b)、两个销钉孔(33e)；波珠螺丝(44)安装在波珠螺丝孔(33c)内，挡板(45)通过螺钉固定在下连接块(33)侧面；

所述加载单元中，上连杆(25)下端加工有滑动面(25a)，下端套入波纹管(23)后放入箱体(7)内部，上连杆(25)上端是圆台状，通过螺钉与波纹管(23)上端相连，波纹管(23)下端通过螺钉固定在上基准面(14)上表面；在上连杆与直线电机之间安装有力传感器(21)，力传感器(21)上端与直线电机(19)连接，下端与上连杆(25)连接；直线电机(19)通过螺钉固定在上板(18)的电机安装孔内，上板(18)整体是矩形，在中间开有电机安装孔，上板(18)由左侧板(20)与右侧板(17)支撑，两者是等高的矩形块；左筋板(22)与右筋板(16)是直角三角形状，左筋板(22)第一直角面通过螺钉与左侧板(20)连接，第二直角面通过螺钉与上基准板(14)上表面连接，右筋板(16)第一直角面通过螺钉连接右侧板(17)，第二直角面通过螺钉与上基准板(14)上表面连接；

加热与冷却单元中，试件(9)安装在电涡流线圈(31)中，电涡流线圈端(31a)内缘与试件(9)距离为1-20mm，电涡流直线端(31b)与感应电源(36)相连；电涡流线圈(31)中空，内部通冷却水进行冷却；冷水总管(4)分别与上夹头(29)的冷水通道(29a)、下夹头(5)的冷水通道(5a)相连；

在基准框架中，上基准板(14)与下基准板(1)通过4根立柱(3)连接，立柱(3)有两个台阶轴，第一台阶轴的上端面与上基准板(14)下表面接触，第二台阶轴的下端面与下基准板(1)上表面接触，4根立柱(3)的第一台阶轴上端面与第二台阶轴下端面的尺寸等高；立柱(3)下端通过固定环(2)固定在下基准板(1)轴孔内，上端通过固定板(15)固定在上基准板(14)轴孔内；下基准板(1)是矩形，上面开有波纹管螺钉孔(14d)、立柱孔(14b)、固定板螺钉孔(14c)；下连接块(33)由销钉(42)定位到下基准板(1)上，再由螺钉固定；上基准板(14)是矩形状，中心开有导向孔(14e)，上连杆(25)安装在导向孔(14e)中，上连杆(25)滑动面(25a)与导向孔(14e)为间隙配合，间隙量为0.02～0.05mm；

在气密箱中，箱体(7)上表面与上基准板(14)下表面连接，并压紧下密封槽(14a)内的下密封圈(e)，下表面与下基准板(1)上表面连接，并压紧上密封槽(1a)内的上密封圈(g)；箱门(34)通过活页(11)与箱体(7)连接，箱门(34)开有门密封槽(34a)，门密封槽(d)内安装门密封圈(c)，通过手轮(10)开关箱门(34)；

箱体(7)内侧衬有保温材料(8)；绝缘板(6)是矩形板，通过螺钉与箱体(7)外部一侧连接并压紧密封槽(7a)内的密封圈(i)；箱体(7)侧面安装A球阀(39)、B球阀(40)、球阀(41)，A球阀(39)通过气管(32)与真空泵(38)相连，B球阀(40)与惰性气体瓶相连，球阀(41)与大气相连；航空插头(26)通过螺钉安装在箱体(7)侧面；真空观察窗(35)通过螺钉安装在箱门(34)上；真空表(24)固定在箱体(7)外表面，其上的真空测头探入箱体(7)内部；温度传感器(30)测试端伸进电涡流线圈(31)内部，与试件(9)距离1～10mm，固定端通过法兰盘与箱体(7)相连；位移传感器(13)由夹具(12)固定，夹具(12)安装在箱体(7)内部侧面，位移转换板(28)安装在上夹头(29)上，其上表面与位传感器(13)测头轴线垂直。

2.依据权利要求1所述的一种电涡流加热高温力学测试装置，其特征在于，装置中的位移传感器采用线性可变差动变压器、电感测微仪、激光位移传感器或引伸计；力传感器采用S型力传感器、悬臂梁称重传感器或轮辐式拉压力称重传感器；温度传感器采用热电偶、铂电阻、红外测温仪一种或者多种。

3.依据权利要求1或2所述的一种采用电涡流加热高温力学测试装置，其特征在于，装置采用的保温材料(8)为多晶莫来石纤维、陶瓷纤维、保温涂料的一种或者多种。