CN112326472A - 一种高温环境疲劳试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种疲劳试验装置，用于对试样进行疲劳试验，包括疲劳主机、环境室、真空机组和夹具，所述环境室固定在所述疲劳主机上，所述真空机组位于所述环境室之外并与所述环境室相连通，所述加热装置固定在所述环境室内部；所述环境室内相对设置有上压杆和下压杆，所述上压杆和下压杆均部分伸出所述环境室外，且与所述环境室滑动配合；所述夹具的两端分别与所述上压杆和下压杆相连，所述试样与所述夹具固定连接且位于所述加热装置内。本发明提供的疲劳试验装置，采用石墨加热筒对试样进行加热，石墨加热筒体积小，无需对试样进行加长即可实现1600℃高温下的疲劳试验；通过向环境室内通入不同的介质，可实现不同环境下的疲劳试验，适用范围更广。

Description

一种高温环境疲劳试验装置
技术领域
本发明涉及高温极端严苛环境下材料力学性能试验领域，更具体地涉及一种高温环境下材料疲劳试验装置。
背景技术
近年来我国航空发动机产业发展迅速，航空发动机关键热端部件常年服役于高温大气环境中，如航空发动机叶片，服役于高温1000℃左右大气环境下。航空发动机工作温度每提高100℃，航空发动机推力呈现巨大增长，但航空发动机叶片耐温性能受限于叶片材料。用于制造叶片的高温材料在1600℃高温环境中存在氧原子，材料将极剧氧化，因此，开展新型耐高温材料和新型热障涂层的研制，提升此工况下材料疲劳服役性能，对高温机械装备应用至关重要。
目前，国内外完成此严苛工况下试验均采用将试样加长加大(长度约为国家标准中试样长度的3～5倍)的方式，如图1所示，现有的试验装置包括主机台面60以及设置于其上的左、右立柱10和70，加热炉20固定在左立柱10上，试样40通过加长，使其一部分位于加热炉20中，两端则伸出加热炉20并分别与上拉杆30和下拉杆50相连，通过上下拉杆对试样40施加载荷，从而完成疲劳性能试验。
现有的试验方法存在以下缺点：(1)试样为高温特种材料，价格昂贵，将试样加长加大会导致试验成本急剧上升，且某些高温特种材料难以制作成大试样，导致试验无法完成；(2)从机械结构上分析，为了满足1600℃加热炉的要求，采用较大试样会导致机械结构失稳而无法完成材料疲劳性能试验；(3)无法完成真空或其他环境下的疲劳性能试验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种疲劳试验装置，以完成在1600℃高温环境下对小试样或标准试样的疲劳性能试验。
本发明提供一种疲劳试验装置，用于对试样进行疲劳试验，包括：
疲劳主机、环境室、真空机组、加热装置和夹具，所述环境室固定在所述疲劳主机上，所述真空机组位于所述环境室之外并与所述环境室相连通，所述加热装置固定在所述环境室内部；所述环境室内相对设置有上压杆和下压杆，所述上压杆和下压杆均部分伸出所述环境室外，且与所述环境室滑动配合；所述夹具的两端分别与所述上压杆和下压杆相连，所述试样与所述夹具固定连接且位于所述加热装置内。
进一步地，所述环境室上开设有前门和后门，所述后门上设有测温窗口。
进一步地，所述测温窗口为直径50mm的圆形。
进一步地，所述环境室采用不锈钢材料制成且为双层水冷结构。
进一步地，所述真空机组与环境室通过管道连通，且所述管道上设有阀门。
进一步地，所述上压杆和下压杆与所述环境室的连接处均设置动密封。
进一步地，所述动密封为成型金属波纹管柔性密封。
进一步地，所述夹具包括沿轴向设置的上锁母、上顶杆、上连杆、上背母、下背母、下连杆、下顶杆和下锁母，所述上锁母的两端分别与所述上连杆和上压杆相连，所述上连杆套设在所述上顶杆和上背母的外侧，并与所述上顶杆和上背母固定连接；所述下锁母的两端分别与所述下连杆和下压杆相连，所述上连杆套设在所述上顶杆和上背母的外侧，并与所述下顶杆和下背母固定连接；所述试样的两端分别与所述上背母和下背母固定连接。
进一步地，所述加热装置包括石墨加热炉和绕设并紧箍在所述石墨加热炉上的加热线圈，所述加热线圈的两端与所述环境室固定连接。
进一步地，还包括位于环境室之外的控制装置和测温仪，所述控制装置分别与所述疲劳主机、真空机组、加热装置和测温仪电连接。
本发明采用石墨加热筒对试样进行加热，利用电磁感应加热原理，通过感应线圈将设置涂层的石墨加热筒加热，并将感应热量转化成辐射热量，热辐射至试样。由于石墨加热筒体积小，无需对试样进行加长即可实现1600℃高温下的小试样或标准试样的疲劳试验。同时设计耐高温疲劳试验夹具，克服此工况下高温材料试样无法夹持的缺陷。此外，通过向环境室内通入不同的介质，可实现不同环境下的疲劳试验，适用范围更广。
附图说明
图1为现有技术中疲劳试验装置的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的疲劳试验装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的夹具和加热装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图2所示，本发明提供一种疲劳试验装置，用于对试样进行疲劳试验，其包括疲劳主机1和真空机组3，其中，疲劳主机1为门型四立柱框架型，其包括机座11、四个立柱12和横梁13，四个立柱12分别固定在机座11的四个角，横梁13则位于机座11的上方并分别与四个立柱12固定连接，机座11上可设置连接孔(图中未示出)，四个立柱12分别插入连接孔中并与机座11固定连接，例如焊接或螺纹连接，横梁13可通过四个螺钉分别与四个立柱13固定连接；机座11的中部位置上设置有作动器14，横梁13上则设置有连接轴15，该连接轴15位于作动器14的正上方。在机座11、四个立柱12和横梁13所围成的区域内设置有一环境室2，环境室2通过固定夹28固定在四个立柱12上，其可采用卧式圆筒状结构，沿垂直于纸面的方向分别设有与环境室2铰链连接的前门23和后门24，其中后门24上设有测温窗口241；该环境室2的两侧则分别设有封闭法兰，其中一侧法兰通过管道31以及柔性连接管32使环境室2内部与真空机组3相连通，柔性连接装置32可以在抽真空的过程中起到良好的缓冲作用，避免管道31损坏，另一侧法兰则设置变形引伸装置27，变形引伸装置27固定在变形测量室29内，变形测量室29与环境室2螺纹连接，且与环境室2整体形成一密闭腔，变形测量引伸计25则固定在变形引伸装置27上，用于自动测量试验过程中的应力应变等数据。
如图2和3所示，环境室2内还设置有试样夹具7和与环境室2滑动配合的上压杆21和下压杆22，该夹具7的中间设置加热装置4，夹具7的两端分别与上压杆21和下压杆22相连，其中上压杆21向上伸出环境室2外与横梁13上的连接轴15固接，例如可通过螺纹连接，而下压杆22则向下伸出环境室2之外与机座11上的作动器13固接，例如可通过螺纹连接，且上压杆21和下压杆22与环境室2的连接处均设置有动密封26，使两者在与环境室2滑动配合的过程中与环境室2之间实现密封，防止外界空气进入环境室2内，影响环境室2内的特殊环境。试样6的两端则分别固定在夹具7上，且位于加热装置4内，在试验时，横梁13和连接轴15固定不动，作动器13可上下移动，通过作动器13可对下压杆22施加载荷，该载荷通过夹具7传递至试样6。
继续参照图3，所述夹具7为沿轴向延伸的上下对称结构，其中上半部分包括上锁母71、上顶杆72、上背母73，上顶杆72抵接于上背母73的上方，上连杆74则旋接在上顶杆72和上背母73的外周壁上，上锁母71旋接于上连杆73和上压杆21的外周壁上，将两者通过螺纹固定连接，由此使夹具2的上半部分与上压杆21相固定；同理，夹具2的下半部分固定在下压杆22上，其下背母75与下顶杆76相抵接，下连杆78旋接在下顶杆72和下背母75的外周壁上，下锁母77旋接于下连杆74和下压杆22的外周壁上，将两者固定连接；由此使夹具2的下半部分与下压杆22相固定。所述上背母73和下背母75的纵截面为“L”形结构，设有沿轴向贯通的螺纹孔，试样6的两端分别与该两背母螺纹连接，且试样6的两端部分别顶压在上顶杆72和下顶杆76的端面，从而使试样6固定在夹具7上，疲劳载荷可通过上压杆21、下压杆22和夹具7传递至试样6，这样能够消除间隙，保证试样6在承受拉压过零载荷时与上下顶杆间没有间隙。
夹具7的各部分均采用耐高温材料制作而成，以克服此高温环境下试样无法夹持的缺陷。
所述加热装置4围绕试样6设置，且位于上背母73和下背母75之间，其包括加热线圈41和石墨加热筒42，加热线圈41绕设并紧箍于石墨加热筒42的外壁上，加热线圈41的两端引线刚性支撑于环境室2的室壁上，从而使石墨加热筒42悬在环境室2内，所述加热线圈41的两端引线延伸穿出环境室2与室外电源(图中未示出)电连接，形成闭合回路。加热时，室外电源向加热线圈41输入变频电流，使其发热，然后将热量传递至石墨加热筒42，石墨加热筒42将热量辐射至试样6上，使其达到1600℃高温。由于石墨具有优良的导电、导热性能，且石墨加热筒体积小，所以采用石墨加热筒进行加热，石墨加热筒42外表面可设置涂层，用于保护石墨防氧化。
由于航天领域很多热端部件工作于真空环境下，如飞行器探月后为真空环境，所以除了如航空发动机工作于大气环境下，以实现航空燃料的燃烧之外，本发明还能实现在高温真空环境中进行疲劳试验。这时，真空机组3将环境室2内部空气抽走，形成真空环境，加热装置4将试样6加热至1600℃，然后疲劳主机1对上压杆21和下压杆22施加载荷，该载荷将通过夹具7传递至试样6，从而完成对试样6的疲劳试验。
本发明的疲劳试验装置进行高温真空环境试验时的工作过程如下：
首先将试样6的两端分别固定在上背母73和下背母75上，然后将环境室2的前门23和后门24关闭，采用真空机组3对环境室2进行抽真空操作，然后打开室外电源，使加热线圈41发热，并将热量传递给石墨加热筒42，石墨加热筒42再将热量辐射至试样6，在加热过程中，通过测温窗口241实时监测试样6的温度，当达到1600℃后，启动疲劳主机1，通过疲劳主机1对试验6施加载荷，并进行疲劳试验，疲劳试验的具体过程和方法可采用现有的方法步骤，此处不再赘述。这样，即可实现真空环境下的高温疲劳试验。
疲劳主机1可采用现有的任意一种疲劳试验机，例如5吨机械式疲劳试验机，本发明对此不做限定。
环境室2的前门23和后门24可设置为平板式，方便装卸试样6。
环境室2可采用不锈钢材料制作而成，且为双层水冷结构，由于环境室2内部为真空环境，因此环境室2需要具备一定的承压能力。环境室2上的上拉杆21和下拉杆22也可设置为双层水冷结构，防止强磁场对环境室2进行加热。
测温窗口241用于测量试样6的温度。具体地，可采用红外线测温仪进行温度测量，测温仪发出的红外线通过测温窗口241照射在试样6上，从而完成试样6的温度测量。
优选地，测量窗口241为直径50mm的圆形，便于通过该窗口观察环境室内部情况。
环境室2内部固定有变形测量引伸计25，配合疲劳主机1使用，用于测量疲劳试验过程中试样6的应变、应力等各种数据。
环境室2不仅可实现真空环境，还可以通过在环境室2上设置接口，通过该接口通入腐蚀介质，例如，氧气、氢气、硫化氢等气体介质，实现腐蚀介质环境的疲劳试验。由于航空发动机燃料燃烧时会有水蒸气产生，因此，还可向环境室2内通入水蒸气，实现水蒸气环境下的疲劳试验。环境室2的各种环境可根据需要进行选择，本发明对此不做限定。
管道31与环境室2的连接处可以设置一阀门(图中未示出)，以控制管路的开闭，阀门可以为电磁阀，以实现自动打开和关闭。
具体地，动密封26可以为成型金属波纹管柔性密封或其他类型的密封方式，本发明对此不做限定。
在上述实施例的基础上，本发明的疲劳试验装置还可包括测温仪和控制装置，控制装置分别与疲劳主机1、真空机组3、加热装置4和测温仪电连接，控制环境室2内的环境、试样6的温度、疲劳载荷的施加、试验数据的采集等等，从而实现疲劳试验的自动控制。
具体地，疲劳试验装置还可包括冷却装置(图中均未示出)，环境室2上则设置相应接口，与冷却装置相连，用于对环境室2进行冷却，避免其温度过高而损坏。冷却装置由冷水机和分水器组成。主体是冷水机，一种工业产品，类似空调和冰箱，将水温降低。然后采用分水器分流，将1路冷却水变成多路，实现冷却水从冷水机出发经过分水器经过环境室2回到冷水机的循环，从而对环境室2进行冷却。
分水器和冷却装置也可与控制装置电连接，从而实现自动控制。
控制装置可以为电脑或智能手机等智能设备，包括人机交互界面，从而方便的实现对疲劳试验的控制，并对疲劳试验的数据进行分析处理。
本发明采用石墨加热筒42对试样6进行加热，利用电磁感应加热原理，通过感应线圈将设置涂层的石墨加热筒加热，并将感应热量转化成辐射热量，热辐射至试样。由于石墨加热筒42体积小，无需对试样6进行加长即可实现1600℃高温下的小试样或标准试样的疲劳试验。同时设计耐高温疲劳试验夹具7，克服此工况下高温材料试样无法夹持的缺陷。此外，通过向环境室2内通入不同的介质，可实现不同环境下的疲劳试验，适用范围更广。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (10)

1.一种疲劳试验装置，用于对试样进行疲劳试验，其特征在于，包括疲劳主机、环境室、真空机组、加热装置和夹具，所述环境室固定在所述疲劳主机上，所述真空机组位于所述环境室之外并与所述环境室相连通，所述加热装置固定在所述环境室内部；所述环境室内相对设置有上压杆和下压杆，所述上压杆和下压杆均部分伸出所述环境室外，且与所述环境室滑动配合；所述夹具的两端分别与所述上压杆和下压杆相连，所述试样与所述夹具固定连接且位于所述加热装置内。
2.根据权利要求1所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述环境室上开设有前门和后门，所述后门上设有测温窗口。
3.根据权利要求2所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述测温窗口为直径50mm的圆形。
4.根据权利要求1所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述环境室采用不锈钢材料制成且为双层水冷结构。
5.根据权利要求1所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述真空机组与环境室通过管道连通，且所述管道上设有阀门。
6.根据权利要求1所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述上压杆和下压杆与所述环境室的连接处均设置动密封。
7.根据权利要求6所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述动密封为成型金属波纹管柔性密封。
8.根据权利要求1所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述夹具包括沿轴向设置的上锁母、上顶杆、上连杆、上背母、下背母、下连杆、下顶杆和下锁母，所述上锁母的两端分别与所述上连杆和上压杆相连，所述上连杆套设在所述上顶杆和上背母的外侧，并与所述上顶杆和上背母固定连接；所述下锁母的两端分别与所述下连杆和下压杆相连，所述上连杆套设在所述上顶杆和上背母的外侧，并与所述下顶杆和下背母固定连接；所述试样的两端分别与所述上背母和下背母固定连接。
9.根据权利要求1所述的疲劳试验装置，其特征在于，所述加热装置包括石墨加热炉和绕设并紧箍在所述石墨加热炉上的加热线圈，所述加热线圈的两端与所述环境室固定连接。
10.根据权利要求1-9任一项所述的疲劳试验装置，其特征在于，还包括位于环境室之外的控制装置和测温仪，所述控制装置分别与所述疲劳主机、真空机组、加热装置和测温仪电连接。
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