CN113484055A - 一种基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置,涉及结构力学性能实验技术领域,主要结构包括主机、熔盐循环系统、孔结构试样和加热机构;孔结构试样设置于主机上,且所述孔结构试样的上下两端与所述熔盐循环系统形成闭环循环;所述加热机构用于对所述孔结构试样加热。熔盐循环系统能够将循环的熔盐通入孔结构试样中,并通过大气炉及孔结构通道孔中的电加热棒控制孔结构的温度。本发明中的装置能够对孔结构持续提供熔盐,并能够改变孔结构表面及不同通道孔内的温度,从而能够用于研究孔结构在高热应力和热疲劳条件下变形情况和失效模式。
Description
技术领域
本发明涉及结构力学性能实验技术领域,特别是涉及一种基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置。
背景技术
近年来,随着现代工业向高温、高载、长寿命的方向发展,机械设备的服役环境愈发恶劣,高温设备失效的报道屡见不鲜。高温构件在运行期间除承受机械载荷外,还承受温差及其波动引起的热应力及热疲劳载荷。然而,热应力、热疲劳载荷作用下结构的变形情况及失效规律尚不明确。缺乏研究高温结构在高热应力和热疲劳条件下变形情况和失效模式的实验装置和方法。开发高温结构热应力疲劳实验装置,开展相应的实验研究,明晰热应力、热疲劳载荷作用下结构的力学行为,对保障高温设备安全运行具有重要意义。
发明内容
为解决以上技术问题,本发明提供一种基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置,用于研究结构在高热应力和热疲劳条件下变形情况和失效模式。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
本发明提供一种基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置,包括主机、熔盐循环系统、孔结构试样和加热机构;孔结构试样设置于主机上,且所述孔结构试样的上下两端与所述熔盐循环系统形成闭环循环;所述加热机构用于对所述孔结构试样加热。
可选的,所述孔结构试样包括熔盐孔、加热孔、熔盐管、夹头和法兰;孔结构试样两端分别设置有一所述法兰,每个所述法兰上均设置有多个安装孔,所述熔盐管通过所述夹头设置于两个所述法兰之间,且所述熔盐管与所述安装孔及熔盐孔相连通;所述加热孔可插入电加热棒加热;所述法兰用于与所述熔盐循环系统相连接;孔结构套设于所述熔盐管及所述电加热棒外部。
可选的,所述法兰与所述熔盐循环系统之间设置有密封垫。
可选的,所述熔盐循环系统包括电机、熔盐泵和熔盐槽;所述电机用于驱动所述熔盐泵,所述熔盐泵设置于所述熔盐槽上,且所述熔盐泵位于出口和回流口之间,所述出口和所述回流口分别与所述孔结构试样的一端连通。
可选的,所述熔盐槽上设置有加盐口。
可选的,所述熔盐槽上设置有电加热器口。
可选的,所述熔盐槽上设置有冷却口。
可选的,所述主机包括框架,所述框架上部两侧分别设置有一支撑柱,所述支撑柱上设置有托板,所述托板用于支撑所述孔结构试样。
可选的,每个所述支撑柱上还设置有一引伸计,两个所述引伸计位于同一水平直线上,两个所述引伸计用于测量所述孔结构试样的变形。
可选的,所述加热机构包括大气炉,电加热棒,所述电加热棒插入所述加热孔中加热所述孔结构试样,所述大气炉通过连杆可转动的设置于所述主机的一侧。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果:
本发明中的基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置,主要结构包括主机、熔盐循环系统、孔结构试样和加热机构;熔盐循环系统能够将循环的熔盐通入孔结构试样中,并通过大气炉及孔结构通道孔中的电加热棒控制孔结构的温度。本发明中的装置能够对孔结构持续提供熔盐,并能够改变孔结构表面及不同通道孔内的温度,从而能够用于研究孔结构在高热应力和热疲劳条件下变形情况和失效模式。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置的结构示意图;
图2为本发明基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置中熔盐循环系统的结构示意图;
图3为本发明基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置中孔结构试样的结构示意图;
图4为本发明基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置中夹头的结构示意图。
附图标记说明:1、熔盐循环系统;2、大气炉;3、孔结构试样;4、主机框架;5、阀门;6、熔盐入口管路;7、法兰;8、熔盐出口管路;9、引伸计;10、引伸计支架;11、托板;102、熔盐槽;103、熔盐泵;104、电机;105、电加热器口;106、熔盐泵出口;107、回流口;108、加盐口;109、冷却口;301、电加热棒;302、熔盐管;303、通用夹头;304、石棉密封垫。
具体实施方式
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清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做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。
如图1至4所示,本实施例提供一种基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置,包括主机、熔盐循环系统1、孔结构试样3和加热机构;孔结构试样3设置于主机上,且所述孔结构试样3的上下两端与所述熔盐循环系统1形成闭环循环;所述加热机构用于对所述孔结构试样3加热。
于本具体实施例中,所述孔结构试样3包括熔盐孔、加热孔、熔盐管302、夹头和法兰7;孔结构试样3两端分别设置有一所述法兰7,每个所述法兰7上均设置有多个安装孔,所述熔盐管302通过所述夹头设置于两个所述法兰7之间,且所述熔盐管302与所述安装孔及熔盐孔相连通;所述加热孔可插入电加热棒301加热;所述法兰7用于与所述熔盐循环系统1相连接;孔结构套设于所述熔盐管302及所述电加热棒301外部。
所述法兰7与所述熔盐循环系统1之间设置有密封垫,该密封垫采用石棉密封垫304。
夹头包括大端和小端,大端的外部尺寸大于小端的外部尺寸,大端外部为六角形结构,小端外部为圆柱形结构,小端外部设置有外螺纹,夹头内部贯穿的设置有内螺纹,通过外螺纹与法兰7的安装孔连接,通过内螺纹与熔盐管302连接。
所述熔盐循环系统1包括电机104、熔盐泵103和熔盐槽102;所述电机104用于驱动所述熔盐泵103,所述熔盐泵103设置于所述熔盐槽102上,且所述熔盐泵103位于出口106和回流口107之间,所述出口106和所述回流口107分别与所述孔结构试样3的一端连通。
所述熔盐槽102上设置有加盐口108,用于向熔盐槽102内补充盐。
所述熔盐槽102上设置有电加热器口105,电加热器口105用于安装电加热器,通过电加热器对熔盐槽102内的盐加热形成熔盐,防止凝固,并根据实验进程改变电加热器的加热温度,使熔盐达到实验所需温度。
所述熔盐槽102上设置有冷却口109,用于水冷熔盐,控制熔盐温度。
所述主机包括框架,所述框架上部两侧分别设置有一支撑柱,所述支撑柱上设置有托板11,所述托板11用于支撑所述孔结构试样3。
每个所述支撑柱上还设置有一引伸计9,两个所述引伸计9位于同一水平直线上,两个所述引伸计9用于测量所述孔结构试样3的变形。
所述加热机构包括大气炉2,电加热棒301,所述电加热棒301插入所述加热孔中加热所述孔结构试样3,所述大气炉2通过连杆可转动的设置于所述主机的一侧。进一步的,连杆的一端与一个支撑柱相连接,连杆能够绕该支撑柱转动,当连杆绕支撑柱转动使大气炉2位于两个支撑柱之间时,孔结构试样3处于大气炉2内。
本发明中的基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置具体实施过程如下:
采用大气炉2将孔结构试样加热至650℃,然后通入熔盐(熔盐温度保持650℃),通过调节电加热棒301功率、熔盐流量及有效换热面积稳态加热提高热通道温度,增加孔结构试样3不同通道孔之间的温差。对同一孔结构试样进行多步测试,温差以30或40℃为一级,每次升温后保持温度稳定,测量温差与结构整体径向变形、以及六边形包壳局部变形之间的关系。
继续增大温差直到孔结构试样3失效(出现裂纹或变形量超过5%),记录失效前的温差与变形数据。若电加热棒301通道孔内温度达到960℃未出现失效,进行长时温差保持测试直至失效发生或时间达到100小时,记录发生失效或试验终止的时间、变形和温差。
具体操作过程如下:
(1)装卡试样
首先将熔盐管302与一端法兰7盘上的螺母用扳手拧紧,在拧紧之前要垫上云母片作为密封元件,然后将孔结构的熔盐孔套入熔盐管302,再将法兰7另一端的螺母与熔盐管302用扳手连接拧紧,同样在拧紧之前垫上云母片密封。安装顺序从里向外依次对称安装,逐个拧紧。在全部安装完成时,还要检查由于拧紧程度不同而引起的局部变形使得螺纹松动的现象,进一步拧紧直到完全装好。最后将电加热棒301插入孔结构的加热孔内。
(2)捆绑热电偶
将长为300mm的孔结构下端夹持,上端自由,中段100mm用于相关参数测量,孔结构外壁中段分上中下三个部位均匀地将热电偶用石棉绳捆绑用来控制大气炉2加热,中断温差不大于5℃。孔结构内壁用另外两只热电偶测量,分别将热电偶的头部顶到试样末端内壁用来采集试样内壁的温度。
(3)安装位移传感器
首先用可以万向调节的磁力引伸计9固定位移传感器,再将位移传感器的陶瓷测量杆插入大气炉2内,使得位移传感器测量端正对孔结构中间热电偶上方(不要顶着石棉绳和热电偶)的金属部分。最后将两个位移传感器调节放置在一条水平直线上以保证测量的准确性。通过查看软件上位移传感器的测量数值来判断安装是否合适。
(4)测量变形
整体采用立式结构。在孔结构表面做标记,采用长聚焦显微镜观测标记点的相对运动记录径向变形情况,以及使用位移传感器测量径向变形,双重保证变形的测量。
(5)加热孔结构
大气炉2包裹孔结构,合上大气炉2供电开关,设置加热参数,使其逐渐加热孔结构至650℃,然后开启机器进行下一步实验操作。
(6)开机实验操作步骤
1)打开电源,确保电路正常运行。
2)打开冷水机,使得冷水机正常工作。
3)通过触摸屏界面,设置熔盐电加热器超温温度450℃和熔盐超温460℃,保证熔盐温度不低于电加热器温度且不大于10℃,设置加热时段。
4)设置熔盐电加热器功率6KW(最大可设7.5KW),点击启动按钮,当加热指示灯变绿闪烁时,加热器正在加热。
5)当熔盐电加热器温度和熔盐温度都到达所设温度450℃左右时,再重新设置电加热器超温温度470℃和熔盐超温470℃,随时调整功率大小,确保升温速度不超过10℃/小时,一小时后设置加热器超温温度480℃,熔盐超温480℃。以此类推,每隔一小时重新设置加热参数提升10℃,直到到达所要求的温度650℃。
6)对熔盐泵103盘车,用手左右转动熔盐泵103使泵转动即可。
7)打开电机104风扇电源开关,风扇开始转动。
8)通过触摸屏设置熔盐泵103频率50Hz,点击熔盐泵103启动按钮,熔盐泵103状态指示灯点亮,熔盐开始循环,开始试验。
9)参考操作5逐步增大熔盐温度30或40℃为一级,每次测试前保持温度稳定,采用长聚焦显微镜观测标记点的相对运动记录径向变形情况,以及使用位移传感器测量径向变形,建立温差与变形之间的关系。
10)继续增大温差直到试件失效(出现裂纹或径向变形量超过5%),记录失效时的温差与变形数据。若电加热棒301通道孔内温度达到960℃未出现失效,进行长时温差保持测试直至失效发生或时间达到100小时,每隔3小时观测一次试样,记录发生失效或试验终止的时间、变形和温差。
12)待试验完成时,先将泵停止,再关闭电源。冷水机在熔盐降到100℃以下才可关闭。
需要说明的是,对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内,不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想;同时,对于本领域的一般技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述,本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置,其特征在于,包括主机、熔盐循环系统、孔结构试样和加热机构;孔结构试样设置于主机上,且所述孔结构试样的上下两端与所述熔盐循环系统形成闭环循环;所述加热机构用于对所述孔结构试样加热。
2.根据权利要求1所述的基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置,其特征在于,所述孔结构试样包括熔盐孔、加热孔、熔盐管、夹头和法兰;所述孔结构试样两端分别设置有一所述法兰,每个所述法兰上均设置有多个安装孔,所述熔盐管通过所述夹头设置于两个所述法兰之间,且所述熔盐管与所述安装孔及熔盐孔相连通;所述加热孔可插入电加热棒加热;所述法兰用于与所述熔盐循环系统相连接;孔结构套设于所述熔盐管及所述电加热棒外部。
3.根据权利要求2所述的基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置,其特征在于,所述法兰与所述熔盐循环系统之间设置有密封垫。
4.根据权利要求1所述的基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置,其特征在于,所述熔盐循环系统包括电机、熔盐泵和熔盐槽;所述电机用于驱动所述熔盐泵,所述熔盐泵设置于所述熔盐槽上,且所述熔盐泵位于出口和回流口之间,所述出口和所述回流口分别与所述孔结构试样的一端连通。
5.根据权利要求4所述的基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置,其特征在于,所述熔盐槽上设置有加盐口。
6.根据权利要求4所述的基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置,其特征在于,所述熔盐槽上设置有电加热器口。
7.根据权利要求4所述的基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置,其特征在于,所述熔盐槽上设置有冷却口。
8.根据权利要求1所述的基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置,其特征在于,所述主机包括框架,所述框架上部两侧分别设置有一支撑柱,所述支撑柱上设置有托板,所述托板用于支撑所述孔结构试样。
9.根据权利要求7所述的基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置,其特征在于,每个所述支撑柱上还设置有一引伸计,两个所述引伸计位于同一水平直线上,两个所述引伸计用于测量所述孔结构试样的变形。
10.根据权利要求1所述的基于高温熔盐的结构热应力疲劳实验装置,其特征在于,所述加热机构包括大气炉、电加热棒,所述电加热棒插入所述加热孔中加热所述孔结构试样,所述大气炉通过连杆可转动的设置于所述主机的一侧。
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