CN110319991A - 基于gm制冷机的弹簧测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于GM制冷机的弹簧测试装置，包括低温恒温器和弹簧弹性性能测试系统；所述低温恒温器包括绝热容器外壁、冷屏、GM制冷机。所述弹簧弹性性能测试系统包括样品通道、样品测试机构，其中,样品通道纵向贯穿绝热容器盖板与冷屏盖板，样品测试机构纵向贯穿于样品通道。本发明提供的基于GM制冷机的弹簧低温弹性性能测试装置和方法，利用GM制冷机提供冷量，避免使用液氮、液氦等低温工质，简化了装置结构，减小设备运行成本；可以实现测试温度从室温到液氦温度范围内的连续调节，温度调节范围更广、温度调节响应更快、温度稳定时间更短；样品的更换与安装更加简便、方便操作，适用于大量样品的测试。

Description

基于GM制冷机的弹簧测试装置
技术领域
本发明属于弹簧测试领域，涉及一种GM制冷机，具体是基于GM制冷机的弹簧测试装置。
背景技术
在航空航天、工业、科研以及医疗领域，弹簧作为低温装置中的重要零部件，需要在低温环境中满足一定的力学性能，因此，需要对弹簧在低温下的弹性系数进行准确测定。由于弹簧需要在不同的温度环境下进行工作，所以弹簧的弹性系数测量需要在不同的温况下进行，这就要求测量设备不仅可以在较宽的温度范围调节，而且可以稳定在某一温度条件。
目前的弹簧性能测试装置大多利用液氮或者液氦作为低温工质来获得低温环境，但这种设备的设计和操作较为复杂，且其温度调节和稳定过程的时间响应较慢。此外，因为引入液氮或液氦，其对测量装置的安全性有了更高的要求，也增加了运行成本。
发明内容
本发明的目的在于为了解决目前弹簧低温弹性性能的装置依靠液氮或液氦等低温工质制冷、设备的设计和操作较为复杂、温度调节和稳定过程的时间响应较慢、运行成本较高的问题，而提出一种基于GM制冷机的弹簧低温弹性性能测试装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
基于GM制冷机的弹簧测试装置，包括低温恒温器和弹簧弹性性能测试系统；
所述低温恒温器包括绝热容器外壁、冷屏、GM制冷机，所述绝热容器外壁、冷屏均为中空圆柱形结构，且所述冷屏纵向套设在绝热容器外壁内部；绝热容器外壁还设置有真空抽口和爆破膜；所述GM制冷机纵向贯穿绝热容器盖板和冷屏盖板，所述GM制冷机包括一级冷头和二级冷头；
所述弹簧弹性性能测试系统包括样品通道和样品测试机构；
其中,所述样品通道纵向贯穿绝热容器盖板与冷屏盖板，所述样品通道上还设有上方热截止和下方热截止；所述样品通道上还设有连接至外界的进排气通道，所述样品通道上连接有压力表；所述样品通道与样品通道盖板之间密封连接，且样品通道盖板与绝热容器盖板之间设有隔热颈管；所述样品通道盖板上设有支撑颈管，用于支撑样品测试机构；
其中，所述样品测试机构包括拉杆机构、压力传感器、位移测量机构；
所述位移测量机构由调节螺母和调节螺杆组成，调节螺母位于压力传感器上方，两者均由支撑颈管支撑；调节螺杆纵向贯穿调节螺母、压力传感器，调节螺杆下端与波纹管连接；旋转调节螺母可使调节螺杆上下移动，调节螺杆移动的距离可由调节螺母和调节螺杆上的刻度读出；
所述拉杆机构由样品拉杆、套管、样品底座、样品顶板、波纹管组成；所述样品拉杆上端与调节螺杆连接，样品拉杆下端与样品底座连接；所述套管套设于样品拉杆外部，套管上端焊接于样品通道盖板下端面；所述样品拉杆下端还固定连接有样品放置装置，所述样品放置装置设置于套管下端；所述样品放置装置用于放置待测试弹簧样品。
进一步地，所述上方热截止通过上方铜编织带与一级冷头热连接，获得冷量，所述上方热截止设置于绝热容器盖板与冷屏盖板之间；所述下方热截止设置于冷屏盖板下侧，所述下方热截止通过下方铜编织带与二级冷头热连接，获得冷量。
进一步地，所述波纹管焊接于样品通道盖板，当样品通道盖板与样品通道密封连接后，样品通道与波纹管内空间为连通的密封空间。
进一步地，所述样品放置装置包括样品底座和样品顶板，其中所述样品顶板套接在所述样品拉杆上，所述样品底座固定连接在样品拉杆底部；所述样品顶板下端固定连接有若干贯穿样品底座的连接柱，所述连接柱底部螺纹连接有螺栓，所述螺栓设置于样品底座的底部。
进一步地，该装置的使用方法如下：
步骤一：将真空泵机组与真空抽口连接，对低温恒温器内部抽真空，然后将真空抽口保持密封状态；
步骤二：通过样品通道上的进排气通道向样品通道中补充一个大气压的氦气，样品通道内气压可通过压力表读取；
步骤三：开启GM制冷机；
步骤四：将温度采集仪连接至航空插座采集温度传感器的温度信号，将低压直流源连接至航空插座，可通过向加热片加载电流，升高弹簧样品测试温度；
步骤五：待温度传感器读数稳定至测试温度；
步骤六：旋转调节螺母，使调节螺杆带动样品拉杆、样品底座、样品顶板向上移动；当样品顶板与套管接触，样品拉杆带动样品底座继续向上移动，压缩弹簧；通过调节螺母和调节螺杆的读数，得到弹簧的位移，压力传感器的读数即为弹簧在发生该形变时产生的弹力；
步骤七：重复步骤六，得到多组弹簧的位移和弹力的数据，计算某温度下该弹簧的弹性系数；
步骤八：该弹簧样品测试完成后，更换样品进行测试：将样品通道盖板与样品通道拆分，向上提起样品通道盖板，取出样品测试机构，松开样品拉杆与样品底座的连接，更换新的弹簧样品；
步骤九：将样品测试机构再次放入样品通道，将样品通道盖板与样品通道密封连接；
步骤十：待样品温度稳定至目标测试温度后，重复步骤六-步骤七，即可完成另一样品的弹簧弹性性能测试。
本发明的有益效果：
1.本发明提供的测量弹簧低温弹性性能的装置，利用GM制冷机提供冷量，避免使用液氮、液氦等低温工质，简化了装置结构，减小设备运行成本。
2.本发明提供的测量弹簧低温弹性性能的装置可以实现测试温度从室温到液氦温度范围内的连续调节，温度调节范围更广、温度调节响应更快、温度稳定时间更短。
3、本发明提供的测量弹簧低温弹性性能的装置可以使被测样品的更换与安装更加简便、方便操作，适用于大量样品的测试。
附图说明
为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的外部结构示意图；
图2为本发明图1在低温恒温器外壁内侧的结构示意图；
图3为本发明图2中样品测试机构与杜瓦盖板的结构示意图；
图4为本发明图3中的A-A截面视图；
图5为本发明的位移测量机构的结构示意图。
图中：1、低温恒温器；11、绝热容器外壁；110、绝热容器盖板；111、真空抽口；112、爆破膜；113、航空插座；114、隔热颈管；12、冷屏；120、冷屏盖板；13、GM制冷机；131、一级冷头；132、二级冷头；
2、弹簧弹性性能测试系统；21、样品通道；210、样品通道盖板；211、上方热截止；212、下方热截止；213、上方铜编织带；214、下方铜编织带；215、进排气通道；216、压力表；217、支撑颈管；218、温度传感器；219、加热片；22、样品测试机构；221、拉杆机构；2211、样品拉杆；2212、套管；2213、样品底座；2214、样品顶板；2215、波纹管；222、压力传感器；223、位移测量机构；2231、调节螺母；2232、调节螺杆；23、弹簧。
具体实施方式
如图1-5所示，基于GM制冷机的弹簧测试装置，包括低温恒温器1和弹簧弹性性能测试系统2；
所述低温恒温器1包括绝热容器外壁11、冷屏12、GM制冷机13，所述绝热容器外壁11、冷屏12均为中空圆柱形结构，且所述冷屏12纵向套设在绝热容器外壁11内部；绝热容器外壁11还设置有真空抽口111和爆破膜112；所述GM制冷机13纵向贯穿绝热容器盖板110和冷屏盖板120，所述GM制冷机13包括一级冷头131和二级冷头132；
所述弹簧弹性性能测试系统2包括样品通道21和样品测试机构22；
其中,所述样品通道21纵向贯穿绝热容器盖板110与冷屏盖板120，所述样品通道21上还设有上方热截止211和下方热截止212；所述上方热截止211通过上方铜编织带213与一级冷头131热连接，获得冷量，所述上方热截止211设置于绝热容器盖板110与冷屏盖板120之间；所述下方热截止212设置于冷屏盖板120下侧，所述下方热截止212通过下方铜编织带214与二级冷头132热连接，获得冷量；
所述样品通道21上还设有连接至外界的进排气通道215，所述样品通道21上连接有压力表216；
所述样品通道21与样品通道盖板210之间密封连接，且样品通道盖板210与绝热容器盖板110之间设有隔热颈管114；
所述样品通道盖板210上设有支撑颈管217，用于支撑样品测试机构22；
其中，所述样品测试机构22包括拉杆机构221、压力传感器222、位移测量机构223；
其中，所述位移测量机构223由调节螺母2231和调节螺杆2232组成，旋转调节螺母2231可使调节螺杆2232上下移动，调节螺杆2232移动的距离可由调节螺母2231和调节螺杆2232上的刻度读出；
调节螺母2231位于压力传感器222上方，两者均由支撑颈管217支撑；调节螺杆2232纵向贯穿调节螺母2231、压力传感器222，调节螺杆2232下端与波纹管2215连接；
所述波纹管2215焊接于样品通道盖板210，当样品通道盖板210与样品通道21密封连接后，样品通道21与波纹管2215内空间为连通的密封空间；
其中，所述拉杆机构221由样品拉杆2211、套管2212、样品底座2213、样品顶板2214、波纹管2215组成；
所述样品拉杆2211上端与调节螺杆2232连接，样品拉杆2211下端与样品底座2213连接；
所述套管2212套设于样品拉杆2211外部，套管2212上端焊接于样品通道盖板210下端面；
其中，所述样品拉杆2211下端还固定连接有样品放置装置，所述样品放置装置设置于套管2212下端；所述样品放置装置用于放置待测试弹簧(23)样品；
所述样品放置装置包括样品底座2213和样品顶板2214，其中所述样品顶板2214套接在所述样品拉杆2211上，所述样品底座2213固定连接在样品拉杆2211底部；所述样品顶板2214下端固定连接有若干贯穿样品底座2213的连接柱，所述连接柱底部螺纹连接有螺栓2215，所述螺栓2215设置于样品底座2213的底部。
在进行弹簧测试时，将待测的弹簧23样品通过螺栓2215安装于样品顶板2214与样品底座2213之间。
一种基于GM制冷机的弹簧测试装置的使用方法，该方法具体包括以下步骤：
步骤一：将真空泵机组与真空抽口111连接，对低温恒温器内部抽真空，然后将真空抽口111保持密封状态；
步骤二：通过样品通道21上的进排气通道215向样品通道21中补充一个大气压的氦气，样品通道21内气压可通过压力表216读取；
步骤三：开启GM制冷机13；
步骤四：将温度采集仪连接至航空插座113采集温度传感器218的温度信号，将低压直流源连接至航空插座113，可通过向加热片219加载电流，升高弹簧23样品测试温度；
步骤五：待温度传感器218读数稳定至测试温度；
步骤六：旋转调节螺母2231，使调节螺杆2232带动样品拉杆2211、样品底座2213、样品顶板2214向上移动。当样品顶板2214与套管2212接触，样品拉杆2211带动样品底座2213继续向上移动，压缩弹簧23。通过调节螺母2231和调节螺杆2232的读数，得到弹簧23的位移，压力传感器222的读数即为弹簧23在发生该形变时产生的弹力。
步骤七：重复步骤六，得到多组弹簧的位移和弹力的数据，计算某温度下该弹簧的弹性系数；
步骤八：该弹簧23样品测试完成后，更换样品进行测试：将样品通道盖板210与样品通道21拆分，向上提起样品通道盖板210，取出样品测试机构22，松开样品拉杆2211与样品底座2213的连接，更换新的弹簧样品；
步骤九：将样品测试机构22再次放入样品通道21，将样品通道盖板210与样品通道21密封连接；
步骤十：待样品温度稳定至目标测试温度后，重复步骤六-步骤七，即可完成另一样品的弹簧弹性性能测试。
本发明提供的测量弹簧低温弹性性能的装置，利用GM制冷机提供冷量，避免使用液氮、液氦等低温工质，简化了装置结构，减小设备运行成本；同时本发明提供的测量弹簧低温弹性性能的装置可以实现测试温度从室温到液氦温度范围内的连续调节，温度调节范围更广、温度调节响应更快、温度稳定时间更短；最后本发明可以使被测样品的更换与安装更加简便、方便操作，适用于大量样品的测试。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明，所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.基于GM制冷机的弹簧测试装置，其特征在于，包括低温恒温器(1)和弹簧弹性性能测试系统(2)；
所述低温恒温器(1)包括绝热容器外壁(11)、冷屏(12)、GM制冷机(13)，所述绝热容器外壁(11)、冷屏(12)均为中空圆柱形结构，且所述冷屏(12)纵向套设在绝热容器外壁(11)内部；绝热容器外壁(11)还设置有真空抽口(111)和爆破膜(112)；所述GM制冷机(13)纵向贯穿绝热容器盖板(110)和冷屏盖板(120)，所述GM制冷机(13)包括一级冷头(131)和二级冷头(132)；
所述弹簧弹性性能测试系统(2)包括样品通道(21)和样品测试机构(22)；
其中,所述样品通道(21)纵向贯穿绝热容器盖板(110)与冷屏盖板(120)，所述样品通道(21)上还设有上方热截止(211)和下方热截止(212)；所述样品通道(21)上还设有连接至外界的进排气通道(215)，所述样品通道(21)上连接有压力表(216)；所述样品通道(21)与样品通道盖板(210)之间密封连接，且样品通道盖板(210)与绝热容器盖板(110)之间设有隔热颈管(114)；所述样品通道盖板(210)上设有支撑颈管(217)，用于支撑样品测试机构(22)；
其中，所述样品测试机构(22)包括拉杆机构(221)、压力传感器(222)、位移测量机构(223)；
所述位移测量机构(223)由调节螺母(2231)和调节螺杆(2232)组成，调节螺母(2231)位于压力传感器(222)上方，两者均由支撑颈管(217)支撑；调节螺杆(2232)纵向贯穿调节螺母(2231)、压力传感器(222)，调节螺杆(2232)下端与波纹管(2215)连接；旋转调节螺母(2231)可使调节螺杆(2232)上下移动，调节螺杆(2232)移动的距离可由调节螺母(2231)和调节螺杆(2232)上的刻度读出；
所述拉杆机构(221)由样品拉杆(2211)、套管(2212)、样品底座(2213)、样品顶板(2214)、波纹管(2215)组成；所述样品拉杆(2211)上端与调节螺杆(2232)连接，样品拉杆(2211)下端与样品底座(2213)连接；所述套管(2212)套设于样品拉杆(2211)外部，套管(2212)上端焊接于样品通道盖板(210)下端面；所述样品拉杆(2211)下端还固定连接有样品放置装置，所述样品放置装置设置于套管(2212)下端；所述样品放置装置用于放置待测试弹簧(23)样品。
2.根据权利要求1所述的基于GM制冷机的弹簧测试装置，其特征在于，所述上方热截止(211)通过上方铜编织带(213)与一级冷头(131)热连接，获得冷量，所述上方热截止(211)设置于绝热容器盖板(110)与冷屏盖板(120)之间；所述下方热截止(212)设置于冷屏盖板(120)下侧，所述下方热截止(212)通过下方铜编织带(214)与二级冷头(132)热连接，获得冷量。
3.根据权利要求1所述的基于GM制冷机的弹簧测试装置，其特征在于，所述波纹管(2215)焊接于样品通道盖板(210)，当样品通道盖板(210)与样品通道(21)密封连接后，样品通道(21)与波纹管(2215)内空间为连通的密封空间。
4.根据权利要求1所述的基于GM制冷机的弹簧测试装置，其特征在于，所述样品放置装置包括样品底座(2213)和样品顶板(2214)，其中所述样品顶板(2214)套接在所述样品拉杆(2211)上，所述样品底座(2213)固定连接在样品拉杆(2211)底部；所述样品顶板(2214)下端固定连接有若干贯穿样品底座(2213)的连接柱，所述连接柱底部螺纹连接有螺栓(2215)，所述螺栓(2215)设置于样品底座(2213)的底部。
5.根据权利要求1所述的基于GM制冷机的弹簧测试装置，其特征在于，该装置的使用方法如下：
步骤一：将真空泵机组与真空抽口(111)连接，对低温恒温器内部抽真空，然后将真空抽口(111)保持密封状态；
步骤二：通过样品通道(21)上的进排气通道(215)向样品通道(21)中补充一个大气压的氦气，样品通道(21)内气压可通过压力表(216)读取；
步骤三：开启GM制冷机(13)；
步骤四：将温度采集仪连接至航空插座(113)采集温度传感器(218)的温度信号，将低压直流源连接至航空插座(113)，可通过向加热片(219)加载电流，升高弹簧(23)样品测试温度；
步骤五：待温度传感器(218)读数稳定至测试温度；
步骤六：旋转调节螺母(2231)，使调节螺杆(2232)带动样品拉杆(2211)、样品底座(2213)、样品顶板(2214)向上移动；当样品顶板(2214)与套管(2212)接触，样品拉杆(2211)带动样品底座(2213)继续向上移动，压缩弹簧(23)；通过调节螺母(2231)和调节螺杆(2232)的读数，得到弹簧(23)的位移，压力传感器(222)的读数即为弹簧(23)在发生该形变时产生的弹力；
步骤七：重复步骤六，得到多组弹簧的位移和弹力的数据，计算某温度下该弹簧的弹性系数；
步骤八：该弹簧(23)样品测试完成后，更换样品进行测试：将样品通道盖板(210)与样品通道(21)拆分，向上提起样品通道盖板(210)，取出样品测试机构(22)，松开样品拉杆(2211)与样品底座(2213)的连接，更换新的弹簧样品；
步骤九：将样品测试机构(22)再次放入样品通道(21)，将样品通道盖板(210)与样品通道(21)密封连接；
步骤十：待样品温度稳定至目标测试温度后，重复步骤六-步骤七，即可完成另一样品的弹簧弹性性能测试。
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