CN113640106B - 一种轴向拉压高温疲劳试验夹具及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轴向拉压高温疲劳试验夹具及试验方法，夹具分为上下两个相同的、分别夹持试件上下两端的夹持单元，夹持单元包括：导热杆，导热杆具有拉杆段和高温连杆段；水冷盘，水冷盘一体套接导热杆；热交换片，热交换片设为螺旋片状且表面形貌为符合流体力学的流线型结构，热交换片在水冷盘内部形成一围绕导热杆螺旋延伸的水流通道；其中，水冷盘插装有进水管件和出水管件，进水管件、出水管件分别与水流通道的进水端、出水端接通；水冷机的出水端通过出水管道与水冷盘的进水管件接通，水冷机的进水端通过回水管道与水冷盘的出水管件。可解决现有技术中夹具散热不佳，试件夹持端易松弛与断裂等关键问题。

Description

一种轴向拉压高温疲劳试验夹具及试验方法

技术领域

本发明涉及疲劳试验技术领域，具体来说，是一种轴向拉压高温疲劳试验夹具及试验方法。

背景技术

工程结构材料在应用过程中通常会受到交变载荷的作用，工程上大约50-90％的构件失效都与材料的疲劳断裂有关，而且断裂前都没有明显的宏观塑性变形，容易造成灾难性的后果，因此需要对材料在实际工作状态下的疲劳性能进行研究。对于服役环境中存在高温的材料，通常会将上下带有螺纹孔的夹具将其固定住，然后在一定的温度下进行疲劳试验。目前常规疲劳试验存在以下问题：常规高温疲劳试验的夹具无法实现高效散热；对于铝合金、铜合金等强度不高的材料而言，在高温疲劳试验后取下试样有一定的难度，对于断裂在螺纹里面的试样难以取出；拉压高温疲劳试验中试样容易松脱。

因此，针对现有技术中夹具散热不佳，试件夹持端易松弛与断裂等关键问题，需开发一种便捷、高效散热、持续对试样进行锁紧、测试结果准确的轴向拉压高温疲劳夹具。

发明内容

本发明的目的是提供一种轴向拉压高温疲劳试验夹具及试验方法，可解决现有技术中夹具散热不佳，试件夹持端易松弛与断裂等关键问题。

本发明的目的是这样实现的：一种轴向拉压高温疲劳试验夹具，用于拉伸圆杆状的试件，分为上下两个相同的、分别夹持试件上下两端的夹持单元，还配置有水冷机；

所述夹持单元包括：

圆杆状的导热杆，所述导热杆由导热材料制成，所述导热杆具有拉杆段和高温连杆段，所述拉杆段固定插接液压夹头，所述高温连杆段连接并沿轴向拉住试件端部；

空心的水冷盘，所述水冷盘一体套接导热杆，所述水冷盘为圆盘并与导热杆同轴；

热交换片，所述热交换片一体套接导热杆并处于水冷盘的空心腔内，所述热交换片设为螺旋片状且表面形貌为符合流体力学的流线型结构，所述热交换片的中心轴线与导热杆的中心轴线重合，所述热交换片在水冷盘内部形成一围绕导热杆螺旋延伸的水流通道；

其中，所述水冷盘插装有进水管件和出水管件，所述进水管件、出水管件分别与水流通道的进水端、出水端接通；

所述水冷机的出水端通过出水管道与水冷盘的进水管件接通，所述水冷机的进水端通过回水管道与水冷盘的出水管件。

进一步地，每个导热杆均一体套接有用于挡住试件所处区域的热辐射流的热辐射挡片。

进一步地，所述热辐射挡片的遮挡面为研磨为镜面的凹球面。

进一步地，所述热辐射挡片的遮挡面涂覆有热反射涂层。

进一步地，所述热辐射挡片与水冷盘一体成型。

进一步地，所述高温连杆段的端部同轴设有连接螺孔，每个导热杆均配置一个固定器，所述固定器整体为圆套结构并与导热杆同轴，所述固定器具有内螺孔和与连接螺孔配合的外螺纹，试件以居中的变形段为准对称设置两个螺柱段，试件的每个螺柱段均插配固定器的内螺孔。

进一步地，所述固定器一轴端同轴设有便于用扳手拧动的六角法兰，在固定器装配完成的状态下，所述固定器的六角法兰抵靠高温连杆段的端部。

进一步地，所述连接螺孔的底面设有键槽，试件端部的插配端插配键槽并与键槽间隙配合。

进一步地，所述高温连杆段的外侧壁设有两相互平行的、分处两侧的、切面结构的工具夹持面。

作为本发明的另一方面，提出了一种轴向拉压高温疲劳试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、首先将试件轴端的光滑段从六角法兰处塞入固定器中，然后随着试件的伸入，将试件的螺柱段与固定器的内螺孔拧紧，直到将试件轴端的光滑段穿出固定器3-8mm；

S2、将试件和固定器一同插入高温连杆段的连接螺孔中，直到试件的光滑段顶到高温连杆段的连接螺孔的底面，然后旋转试件直到其插入连接螺孔的底面的键槽中；

S3、将固定器的外螺纹拧入高温连杆段的连接螺孔，拧紧固定器直到其与高温连杆段相互锁紧，然后用一个扳手夹住高温连杆段的两工具夹持面，再用另一个扳手夹住固定器的六角法兰，一同用力拧紧，即完成试件与上夹持单元的连接；

S4、重复步骤S1-S3，完成试件与下夹持单元的连接；

S5、将上、下夹持单元的导热杆安装在疲劳试验机的上、下液压夹头上，将夹具与试件整体放入实验用的高温炉中，至少设置升温温度、升温速率、保温时间参数，至少设置试验机的加载速率、应力比、应力幅值、频率参数，然后开始高温拉压疲劳试验；

S6、将水冷机的出水管道连接到水冷盘的进水管件，将回水管道接通出水管件，打开水冷机进行输水，使得水流流经水冷盘内部的水流通道，使得水冷机、出水管道、水冷盘、回水管道形成水循环，以不断带走导热杆的热量；

S7、高温拉压测试结束后，关闭高温炉，待系统温度降至接近室温，关闭水冷机，松开上、下液压夹头，取下上、下夹持单元和特制疲劳试件；

S8、用一个扳手夹住高温连杆段的两工具夹持面，再用另一个扳手夹住固定器的六角法兰，反向用力拧松，旋下固定器，完成特制疲劳试件与上夹持单元的分离；

S9、重复步骤S8，完成特制疲劳试件与下夹持单元的分离。

本发明的有益效果在于：

1、能够很好地解决现有技术中夹具散热不佳的问题，在进行试验时，打开水冷机进行输水，使得水流流经水冷盘内部的水流通道，使得水冷机、出水管道、水冷盘、回水管道形成水循环，以不断带走导热杆的热量，并利用热辐射挡片挡住试件所处区域的热辐射流，可有效降低加热炉与高温夹具接口处由于热辐射和对流所造成的热量散失，提高温控效果，并有效阻挡热辐射和热对流，保护试验机力传感器免于加热炉所产生的高温的影响；

2、能够很好地解决现有技术中试件夹持端易松弛与断裂的问题，利用可拆卸的固定器来固定试件的轴端，利用试件轴端的插配端与键槽的配合，来锁定试件的轴向位置。

附图说明

图1是本发明的系统布置图。

图2是水冷盘的安装结构示意图。

图3是试件被拉伸的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。本实施例中试件3为金属件，其分为居中的变形段3a，分处变形段3a两端的两连接部分，每个连接部分均包括螺柱段3b，和一个光滑段，在光滑段上设插配端3c。

如图1-3所示，一种轴向拉压高温疲劳试验夹具，用于拉伸圆杆状的试件3，分为上下两个相同的、分别夹持试件3上下两端的夹持单元，还配置有水冷机5。

上述夹持单元包括：

圆杆状的导热杆1，导热杆1由导热的高强度金属材料制成，导热杆1具有拉杆段102和高温连杆段101，拉杆段102固定插接液压夹头13，高温连杆段101连接并沿轴向拉住试件3端部；

空心的水冷盘8，水冷盘8一体套接导热杆1，水冷盘8为圆盘并与导热杆1同轴；

热交换片9，热交换片9一体套接导热杆1并处于水冷盘8的空心腔内，热交换片9设为螺旋片状且表面形貌为符合流体力学的流线型结构，热交换片9的中心轴线与导热杆1的中心轴线重合，热交换片9在水冷盘8内部形成一围绕导热杆1螺旋延伸的水流通道10。

其中，水冷盘8插装有进水管件7和出水管件11，进水管件7、出水管件11分别与水流通道10的进水端、出水端接通。

上述水冷机5的出水端通过出水管道6与水冷盘8的进水管件7接通，水冷机5的进水端通过回水管道12与水冷盘8的出水管件11。

每个导热杆1均一体套接有用于挡住试件3所处区域的热辐射流的热辐射挡片4。热辐射挡片4的遮挡面为研磨为镜面的凹球面，热辐射挡片4的遮挡面涂覆有热反射涂层，以便阻隔热流并将热流限制住，热辐射挡片4与水冷盘8一体成型，具有良好的结构强度。

上述高温连杆段101的端部同轴设有连接螺孔101a，每个导热杆1均配置一个固定器2，固定器2整体为圆套结构并与导热杆1同轴，固定器2具有内螺孔和与连接螺孔101a配合的外螺纹，试件3以居中的变形段3a为准对称设置两个螺柱段3b，试件3的每个螺柱段3b均插配固定器2的内螺孔。

上述固定器2一轴端同轴设有便于用扳手拧动的六角法兰2a，在固定器2装配完成的状态下，固定器2的六角法兰2a抵靠高温连杆段101的端部。

上述连接螺孔101a的底面设有键槽101c，试件3端部的插配端3c插配键槽101c并与键槽101c间隙配合。

上述高温连杆段101的外侧壁设有两相互平行的、分处两侧的、切面结构的工具夹持面101b。

本实施例中，在进行轴向拉压高温疲劳试验时，包括如下步骤：

S1、首先将试件3轴端的光滑段从六角法兰2a处塞入固定器2中，然后随着试件3的伸入，将试件3的螺柱段3b与固定器2的内螺孔拧紧，直到将试件3轴端的光滑段穿出固定器2，穿出长度是3-8mm；

S2、将试件3和固定器2一同插入高温连杆段101的连接螺孔101a中，直到试件3的光滑段顶到高温连杆段101的连接螺孔101a的底面，然后旋转试件3直到其插入连接螺孔101a的底面的键槽101c中；

S3、将固定器2的外螺纹拧入高温连杆段101的连接螺孔101a，拧紧固定器2直到其与高温连杆段101相互锁紧，然后用一个扳手夹住高温连杆段101的两工具夹持面101b，再用另一个扳手夹住固定器2的六角法兰2a，一同用力拧紧，即完成试件3与上夹持单元的连接；

S4、重复步骤S1-S3，完成试件3与下夹持单元的连接；

S5、将上、下夹持单元的导热杆1安装在疲劳试验机的上、下液压夹头13上，将夹具与试件3整体放入实验用的高温炉中，设置升温温度、升温速率、保温时间等参数，设置试验机的加载速率、应力比、应力幅值、频率等参数，然后开始高温拉压疲劳试验；

S6、将水冷机5的出水管道6连接到水冷盘8的进水管件7，将回水管道12接通出水管件11，打开水冷机5进行输水，使得水流流经水冷盘8内部的水流通道10，使得水冷机5、出水管道6、水冷盘8、回水管道12形成水循环，以不断带走导热杆1的热量；

S7、高温拉压测试结束后，关闭高温炉，待系统温度降至接近室温，关闭水冷机5，松开上、下液压夹头13，取下上、下夹持单元和特制疲劳试件3；

S8、用一个扳手夹住高温连杆段101的两工具夹持面101b，再用另一个扳手夹住固定器2的六角法兰2a，反向用力拧松，旋下固定器2，完成特制疲劳试件3与上夹持单元的分离；

S9、重复步骤S8，完成特制疲劳试件3与下夹持单元的分离。

以上是本发明的优选实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种轴向拉压高温疲劳试验夹具，用于拉伸圆杆状的试件(3)，其特征在于，分为上下两个相同的、分别夹持试件(3)上下两端的夹持单元，还配置有水冷机(5)；

所述夹持单元包括：

圆杆状的导热杆(1)，所述导热杆(1)由导热材料制成，所述导热杆(1)具有拉杆段(102)和高温连杆段(101)，所述拉杆段(102)固定插接液压夹头(13)，所述高温连杆段(101)连接并沿轴向拉住试件(3)端部；

空心的水冷盘(8)，所述水冷盘(8)一体套接导热杆(1)，所述水冷盘(8)为圆盘并与导热杆(1)同轴；

热交换片(9)，所述热交换片(9)一体套接导热杆(1)并处于水冷盘(8)的空心腔内，所述热交换片(9)设为螺旋片状且表面形貌为符合流体力学的流线型结构，所述热交换片(9)的中心轴线与导热杆(1)的中心轴线重合，所述热交换片(9)在水冷盘(8)内部形成一围绕导热杆(1)螺旋延伸的水流通道(10)；

其中，所述水冷盘(8)插装有进水管件(7)和出水管件(11)，所述进水管件(7)、出水管件(11)分别与水流通道(10)的进水端、出水端接通；

所述水冷机(5)的出水端通过出水管道(6)与水冷盘(8)的进水管件(7)接通，所述水冷机(5)的进水端通过回水管道(12)与水冷盘(8)的出水管件(11)；

每个导热杆(1)均一体套接有用于挡住试件(3)所处区域的热辐射流的热辐射挡片(4)，所述热辐射挡片(4)的遮挡面涂覆有热反射涂层；

所述高温连杆段(101)的端部同轴设有连接螺孔(101a)，每个导热杆(1)均配置一个固定器(2)，所述固定器(2)整体为圆套结构并与导热杆(1)同轴，所述固定器(2)具有内螺孔和与连接螺孔(101a)配合的外螺纹，试件(3)以居中的变形段(3a)为准对称设置两个螺柱段(3b)，试件(3)的每个螺柱段(3b)均插配固定器(2)的内螺孔；

所述固定器(2)一轴端同轴设有便于用扳手拧动的六角法兰(2a)，在固定器(2)装配完成的状态下，所述固定器(2)的六角法兰(2a)抵靠高温连杆段(101)的端部；

所述连接螺孔(101a)的底面设有键槽(101c)，试件(3)端部的插配端(3c)插配键槽(101c)并与键槽(101c)间隙配合；

所述高温连杆段(101)的外侧壁设有两相互平行的、分处两侧的、切面结构的工具夹持面(101b)。

2.根据权利要求1所述的一种轴向拉压高温疲劳试验夹具，其特征在于，所述热辐射挡片(4)的遮挡面为研磨为镜面的凹球面。

3.根据权利要求1所述的一种轴向拉压高温疲劳试验夹具，其特征在于，所述热辐射挡片(4)与水冷盘(8)一体成型。

4.一种轴向拉压高温疲劳试验方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、首先将试件(3)轴端的光滑段从六角法兰(2a)处塞入固定器(2)中，然后随着试件(3)的伸入，将试件(3)的螺柱段(3b)与固定器(2)的内螺孔拧紧，直到将试件(3)轴端的光滑段穿出固定器(2)3-8mm；

S2、将试件(3)和固定器(2)一同插入高温连杆段(101)的连接螺孔(101a)中，直到试件(3)的光滑段顶到高温连杆段(101)的连接螺孔(101a)的底面，然后旋转试件(3)直到其插入连接螺孔(101a)的底面的键槽(101c)中；

S3、将固定器(2)的外螺纹拧入高温连杆段(101)的连接螺孔(101a)，拧紧固定器(2)直到其与高温连杆段(101)相互锁紧，然后用一个扳手夹住高温连杆段(101)的两工具夹持面(101b)，再用另一个扳手夹住固定器(2)的六角法兰(2a)，一同用力拧紧，即完成试件(3)与上夹持单元的连接；

S4、重复步骤S1-S3，完成试件(3)与下夹持单元的连接；

S5、将上、下夹持单元的导热杆(1)安装在疲劳试验机的上、下液压夹头(13)上，将夹具与试件(3)整体放入实验用的高温炉中，至少设置升温温度、升温速率、保温时间参数，至少设置试验机的加载速率、应力比、应力幅值、频率参数，然后开始高温拉压疲劳试验；

S6、将水冷机(5)的出水管道(6)连接到水冷盘(8)的进水管件(7)，将回水管道(12)接通出水管件(11)，打开水冷机(5)进行输水，使得水流流经水冷盘(8)内部的水流通道(10)，使得水冷机(5)、出水管道(6)、水冷盘(8)、回水管道(12)形成水循环，以不断带走导热杆(1)的热量；

S7、高温拉压测试结束后，关闭高温炉，待系统温度降至接近室温，关闭水冷机(5)，松开上、下液压夹头(13)，取下上、下夹持单元和特制疲劳试件(3)；

S8、用一个扳手夹住高温连杆段(101)的两工具夹持面(101b)，再用另一个扳手夹住固定器(2)的六角法兰(2a)，反向用力拧松，旋下固定器(2)，完成特制疲劳试件(3)与上夹持单元的分离；

S9、重复步骤S8，完成特制疲劳试件(3)与下夹持单元的分离。

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