CN1945263A - 氩气保护动态密封热磁力耦合材料试验机 - Google Patents

Abstract

一种氩气保护动态密封热磁力耦合材料试验机，材料科学和仪器仪表技术领域，由净化氩气装置，炉外加热温度调控装置，压力调控装置、热磁耦合装置和电子万能材料试验机组成，净化氩气装置向炉外加热温度调控装置输入除水净化的氩气，经加热、调控后，向压力调控装置输入按设定温度要求的高温氩气，高温氩气又经压力调控后，便向热磁耦合装置输入按设定温度和压力要求的净化氩气，热磁耦合装置是代替常规电子万能材料试验机的加热炉，并且安装在电子万能材料试验机的活动横梁与机座之间。本发明试验机测量控制精度高，不但可以用于防氧化的高温热力耦合材料试验，可以用于常磁力耦合材料试验，也可以用于高温热磁力耦合作用的材料试验。

Description

氩气保护动态密封热磁力耦合材料试验机

技术领域：

本发明涉及材料科学和仪器仪表技术领域，是一种材料试验机。

背景技术：

现行的电子材料万能试验机如图5所示，它由上横梁48，活动横梁49，立柱50，滚珠丝杠51，机座52，步进电机53，小带轮54和57，柔性传送带55和58，大带轮56和60，加热炉61，位移传感器59，力传感器62，控制记录系统63和计算机64组成，其中加热炉61由缠绕其上的电热丝进行加热，但是，在高温下进行试验，必须对试样37采取防氧化的保护措施，如果把万能试验机的加热炉61的炉膛抽成真空，拉杆卡头38与炉口之间必须密封，拉伸试验就不能进行；如果在炉膛内不断充入惰性气体，一则要从炉的上下口流失大量的气体，再则由于气体的流动而使炉膛内的温度难以稳定，并且，由于电阻丝产生一定磁场，无法将该磁场对被测材料从激励磁场的作用中分开；此外，研究磁场、温度场和应力场对材料的耦合作用，是现代材料科学的前沿分支之一，因此在高温下既能对试样进行防氧化保护，又能在温度和磁场的耦合作用下进行力学试验，便成为亟待解决的问题。

发明内容：

本发明为了解决上述存在的问题，提出一种气体保护动态密封热磁力耦合材料试验机，以满足既能耦合施加热、磁和动态密封，惰性气体保护防止试验材料在高温下氧化的试验机，这便为热磁耦合的研究提供了新的试验手段。

本发明上述目的是这样实现的，结合附图说明如下：

一种氩气保护动态密封热磁力耦合的材料试验机由净化氩气装置(I)，炉外加热温度调控装置(II)，压力调控装置(III)、热磁耦合装置(IV)和电子万能材料试验机(V)组成，净化氩气装置向炉外加热温度调控装置输入除水净化的氩气，经加热、调控后，向压力调控装置输入按设定温度要求的高温氩气，高温氩气又经压力调控后，便向热磁耦合装置输入按设定温度和压力要求的净化氩气，热磁耦合装置(IV)是代替常规电子万能材料试验机的加热炉，并且安装在电子万能材料试验机的活动横梁与机座之间。

所述的净化氩气装置(I)是由氩气瓶、氩气除水装置和氩气除水过滤器组成，氩气瓶1与总阀2连接，总阀通过前压力表3与减压阀4连接，减压阀4通过后压力表5与电磁调压阀6连接，氩气通过电磁调压阀进入预热电阻炉10的炉膛中，预热电阻炉由电阻丝加热，电阻炉10连接装在冷凝器11中螺旋状冷凝管12，冷凝管12连接储水器15，冷凝管12连接净化过滤器13，净化过滤器13连接输气管14，至恒温氩气容器。氩气通过电磁调压阀6进入预热电阻炉10的炉膛中，预热电阻炉由电阻丝8加热，借助温控仪7和热电偶9将炉内氩气的温度控制在130℃左右，由电阻炉10输出氩气中的水被汽化，并进入装在冷凝器11中螺旋状冷凝管12，汽化氩气中的水蒸气在冷凝管中被凝结成水，流入储水器15，可由排水阀16排出，冷凝管12的无水氩气进入净化过滤器13，净化过滤器13内设有分子筛或活性炭将氩气进一步净化，得到无水净化氩气，并经输气管14，进入恒温氩气容器。

所述的炉外加热温度调控装置(II)，由氩气进气调节电磁阀24、高温恒温氩气容器17、耐热合金棒18、中频感应电源19、感应线圈20、热电偶21和高温氩气排气电磁调节阀23构成，无水净化氩气由输气管14经过低温氩气进气调节电磁阀24进入高温恒温氩气容器17，在高温恒温氩气容器17中设有耐热合金棒18，耐热合金棒18是设在中频感应电源19的感应线圈20中，热电偶21设在高温恒温氩气容器17中，17中的恒温氩气经输气管22输至压力调控装置中，高温氩气排气电磁调节阀23和低温氩气进气电磁调节阀24与恒温氩气容器17连通，而且都设在冷水室25中。

所述的压力调控装置(III)，由恒压氩气容器、电磁调压阀和压力传感器组成，采用两组压力调控器对恒温氩气进行压力调控，前组调控后的压力大于后组调控后的压力，输气管22通过前进气电磁调压阀34连接前恒压氩气容器26，前进气电磁调压阀34、前排气电磁调压阀33和前压力传感器32与前恒压氩气容器26连通，前恒压氩气容器26与前输气管27连通；输气管22通过后进气电磁调压阀31与后恒压氩气容器28连通，后恒压氩气容器28与后输气管29连通，后压力传感器30和后进气电磁调压阀31与后恒压氩气容器28连通，由输气管22输入的恒温氩气通过前进气电磁调压阀34进入前恒压氩气容器26，前进气电磁调压阀34、前排气电磁调压阀33和前压力传感器32与前恒压氩气容器26连通，前恒压氩气容器26与前输气管27连通；由输气管22输入的恒温氩气，经后进气电磁调压阀31与后恒压氩气容器28连通，后恒压氩气容器28与后输气管29连通，后压力传感器30和后进气电磁调压阀31与后恒压氩气容器28连通，压力传感器30、32和电磁调压阀31、33、34是设在水冷室25中。

所述的热磁耦合装置，由陶瓷马弗炉、绝热材料、真空隔热套、热电偶组成，由输气管27输入的恒温恒压氩气分成两路进入上下对称的陶瓷压盖40的环形气路41中，在环形气路41的内圆周设有喷气小孔42；由输气管29输入的恒温恒压氩气直接进入陶瓷马弗炉35中。

所述的热磁耦合装置的磁场施加装置，由外壳、高导磁粉、励磁线圈和励磁电源组成，励磁线圈43绕在真空隔热套39上，高导磁粉44是装在外壳45与励磁线圈43之间，励磁线圈43与励磁电源47连接。

本发明的有益效果是：设计新颖，结构紧凑，测量控制精度高，不但可以用于防氧化的高温热力耦合材料试验，可以用于常磁力耦合材料试验，也可以用于高温热磁力耦合作用的材料试验。

1、由于设计了氩气除水和过滤装置，输出的氩气有很高的纯度，能更好地起到高温防氧化作用。

2、由于把压力传感器和电磁调压阀设置在冷水室，解决了电磁阀和压力传感器在高温状态下不能使用的问题。

3、由于在上下压盖中设计了环形气路，并在气路的内圆周设置了喷气小孔，解决了动态密封问题。

4、由于设计了励磁线圈、励磁电源和磁通路，使磁场能施加到试样材料。

5、由于设计了炉外加热调控装置，便解决了采用通常缠绕电阻丝加热马弗炉，难以消除电阻丝产生的磁场对励磁线圈产生的磁场干涉问题。

6、由于把热磁耦合装置与电子万能材料试验机结合在一起，便为材料的试验研究提供了热磁力耦合作用的手段。

7、无冲击、震动和公害，便于实现自动控制和记录。

附图说明；

图1是除水净化氩气装置图(I)。

图2是炉外加热温度调控装置图(II)。

图3是压力调控装置图(III)。

图4是热磁耦合装置图(IV)。

图5是热磁力耦合试验机整体结构图。

图1至图5中：1是氩气瓶，2是总阀，3是前压力表，4是减压阀，5是后压力表，6是电磁调压阀，7是温控仪，8是电阻丝，9是热电偶，10是预热电阻炉，11是冷凝器，12是冷凝管，13是净化过滤器，14、22、27和29是输气管，15是储水器，16是排水阀，17是高温恒温氩气容器，18是耐热合金棒，19是中频感应电源，20是中频感应圈，21是热电偶，23是高温氩气排气调节电磁阀，24是低温氩气进气调节电磁阀，25是冷水室，26是前高温恒压氩气容器，28是后高温恒压氩气容器，30是后压力传感器，31是后进气电磁调压阀，32是前压力传感器，34是前进气电磁调压阀，33是排气电磁调压阀，35是陶瓷马弗炉，36是绝热材料，37是试样，38是拉杆卡头，39是真空隔热套，40是陶瓷压盖，41是环形气路，42是喷气小孔，43是励磁线圈，44是高导磁粉，45是外壳，46是热电偶，47是励磁电源，48是固定横梁，49是活动横梁，50是立柱，51是滚珠丝杠，52是机座，53是伺服电机，54和57是小带轮，55和58是柔性传送带，56和60是大带轮，59是位移传感器，61是加热炉，62是力传感器，63是试验机控制记录系统，64是计算机。

具体实施方式，下面结合附图对气体保护动态密封热磁力耦合材料试验机的具体结构作进一步的说明：

参阅图1和图2，氩气瓶1通过总阀2，前压力表3，电磁减压阀4，后压力表5和电磁调压阀6进入预热电阻炉10，预热电阻炉的电阻丝8与温控仪7的电流输出端连接，温控仪7输出的是220V，50HZ的交流电，热电偶9的测试头设置在电阻炉10中检测其中的温度，热电偶9的引出线与温控仪7连接，预热电阻炉10的温度设定在130℃左右，由预热电阻炉输出的气化氩气进入螺旋状冷凝管12，冷凝管12是设置在冷凝器11中，氩气中的水蒸气被冷凝成水，并流入储水器15中，由排水阀16排出，经冷凝管12除水的无水氩气进入净化过滤器13中，在过滤器中设有活性炭或分子筛，对氩气进行过滤，再经输气管14进入炉外加热温度调控装置。

参阅图1、图2和图3，无水净化氩气是由输气管14经低温氩气进气电磁调压阀24输入到高温恒温氩气容器17，中频感应电源19的感应加热圈20是置于容器17中，耐热合金棒18是置于感应加热圈20中，通过加热耐热合金棒，加热容器17中的氩气，容器17中氩气的温度是由热电偶21检测，当容器17中的温度低于设定的温度时，调感应加热线圈20的电流，同时，调小进气电磁调节阀24，调大与容器17连通的高温氩气排气电磁调节阀23，当容器17中的温度高于设定温度时，调小感应加热圈20的电流，同时，调小电磁调节阀23，调大电磁调节阀24，容器17中按设定温度的恒温氩气由输气管22输至压力调控装置。

参阅图2和图3，恒温氩气由输气管22分成两路，一路经进气电磁调压阀34输入到前组高温恒压氩气容器26，26中的气压由与其连通的压力传感器32检测，当26中的气压高于设定压力时，调小进气电磁调压阀34，调大与26连通的排气电磁调压阀33，当26中的气压低于设定压力时，调大34，调小33，26中的恒压氩气与输气管27连通；另一路输入到后组高温恒压氩气容器28，28的气压由与其连通的压力传感器30检测，借助调节与28连通的进气电磁调压阀31控制28中的气压，28中的恒压氩气与输气管29连通。

参阅图3和图4，由输气管29输出的恒温恒压氩气直接进入陶瓷马弗炉35，并加热设在其中的试样37，同时又流向马弗炉35的上下管口；由输气管27输出的恒温恒压氩气分两路输至上下对称的陶瓷压盖40中的环形气路41，并由设在气路内圆周的喷气小孔42喷出，喷气小孔42向管内倾斜2度左右，喷出的气体一部分由管口流出，另一部分与管内的气体平衡，使管内的气体停止流动，有利于温度的稳定性，又可使拉杆卡头38与管口无摩擦的拉动，这便实现了动态密封的目的；在马弗炉35与真空隔热套39之间填充绝热材料36，使处于高温状态的马弗炉35先由绝热材料36一次隔热，又由耐热不锈钢制成的真空隔热套39二次隔热，便可达到良好的绝热效果。

参阅图4，在真空隔热套39的外周绕有励磁线圈43，在励磁线圈43与外壳45之间充有高导磁粉44，励磁线圈43与励磁电源47连接，打开励磁电源，励磁线圈通电产生磁场，磁力线便经高导磁粉44进入上拉杆卡头38，并通过试样37和下拉杆卡头又回到高导磁粉44形成闭合磁路，这便将磁场施加到试样37。

参阅图1、图2、图3、图4和图5，在电子万能试验机加热炉61的位置用热磁耦合装置IV代替，励磁电源47与热磁耦合装置IV的励磁线圈43连接，对试样37施加磁场；压力调控装置III的恒温恒压氩气经输气管29进入陶瓷马弗炉35内加热试样37；压力调控装置III的恒温恒压氩气经输气管27进入马弗炉35的上下压盖40的环形气路41中，并由喷气小孔42喷出氩气与马弗炉内的氩气平衡，实现动态密封作用；压力调控装置III的恒温氩气是由温度调控装置II通过输入管22供给的，温度调控装置的无水净化氩气是由净化氩气装置I通过输入管14供给；材料在拉伸试验过程中的拉力、变形速度和应变速率是由试验机控制记录系统63和计算机64控制和记录。

本发明气体保护动态密封热磁力耦合材料试验机的设计原理是：

加热和励磁分开设置，采取炉外加热，这就把通常的加热电阻丝线圈和磁场的励磁线圈分开，解决了电阻丝环形缠绕加热产生的磁场对励磁线圈产生磁场的干涉问题；采取马弗炉管口向炉内喷气平衡炉内气流，同时解决了氩气保护防氧化加热和动态密封问题。

由氩气瓶1输出的氩气经总阀、减压阀和调压阀输至预热加热炉10中，并加热至130℃左右，然后输至冷凝管12除水，得到无水氩气，再经净化器13净化，得到无水净化氩气，无水净化氩气经输气管14输至高温恒温氩气容器17，在17中，借助中频感应圈20加热置在其中的耐热合金棒18，18加热其中的氩气，17中的温度是由马弗炉35中试验温度决定，并由热电偶46直接检测，由热电偶21辅助检测，由电磁调节阀23和24调节温度，当热电偶46显示的温度低于试验要求温度时，调大中频感应电源19的电流，同时调小电磁调节阀24，调大电磁调节阀23；当46显示的温度高于试验温度时，调小19的电流，同时调大24，调小23；由输气管22输出的高温恒温氩气分成两路：一路输至后高温恒压氩气容器28，再经输气管29输至陶瓷马弗炉35中，流向35的上下炉口，并加热试样37；一路输至前高温恒压容器26，26的气压由压力传感器32检测，由电磁调压阀33和34调控，26中的高温恒压氩气再经输气管27输至上下对称的陶瓷压盖40的环形气路41中，并由设在气路内周的喷气小孔42喷出，喷出的氩气和陶瓷马弗炉35流向炉口的气体达到平衡，实现动态密封的效果。

由励磁线圈43产生的磁场经高导磁粉44和上拉杆卡头38施加在试样37，经试样37又回到下拉杆卡头和高导磁粉，形成闭合磁路，便对试样施加了磁场，励磁线圈43的电流和频率由励磁电源47调控。

本发明气体保护动态密封热磁力耦合材料试验机的应用实例：

在工作前，净化氩气装置I已设定在只要有氩气输入便可由输气管14输出无水净化氩气；热磁耦合装置IV的励磁电源47设定在试验要求的磁场强度和频率的状态；炉外加热温度调控装置II设定在比试验要求的加热温度高10％左右，由热电偶21检测，可由输气管22输出高温恒温氩气；压力调控装置III的恒压氩气容器28设定在比大气压高30％左右，由输气管29可输出的高温恒压恒温氩气直接进入陶瓷马弗炉35中；恒压氩气容器26进气管的电磁调压阀34处于关闭状态；把试样37装卡在热磁耦合装置IV中的上下拉杆卡头38之间。

1、打开氩气瓶1的总阀2，观察压力表3并调节总阀2，同时按设定的压力150％左右，观察压力表5调节减压阀4，再根据设定的气压调节电磁调压阀6；打开温度控制仪7和中频感应电源19的开关，调节高温氩气排气调节阀23和低温氩气进气调节阀24，使热电偶21维持在试验要求温度的120％左右，高温恒温氩气便经输气管22进入陶瓷马弗炉35中，待35中空气全部排净后，打开进气电磁阀34，高温恒温恒压氩气便由进气管27进入上下压盖40的环形气路41中，同时由喷气小孔42喷出，再调节进气电磁调压阀31使炉内气体处于最佳的密封状态。

2、由热电偶46检测炉内的温度，细调与高温恒温氩气容器17连通的电磁调节阀23和24，使炉内保持在设定的试验温度。

3、利用试验机控制记录系统62和计算机63，把电子万能试验机设定在所需的试验状态。

4、励磁电源47是设定在所需的磁场强度和频率，打开励磁电源，启动万能材料试验机，便可进行试验。

本发明的优异技术效果在于：

本发明的热、磁、力耦合试验机是由电子万能材料试验机、热磁耦合装置、炉外加热温度调控装置、压力调控装置和氩气除水净化装置，以及磁场施加装置组成，炉外加热调控装置，能把通常的电阻加热线圈与磁场励磁线圈分开，解决了电阻加热线圈对磁场的干涉；压力调控装置所输送的氩气，能对马弗炉炉口动态密封，既解决了卡头拉杆和马弗炉管口的动态摩擦，又可使炉内氩气处于稳衡状态；氩气除水净化装置能得到无水净化的氩气，对试样产生有效的防氧化保护。

1、参阅图1，氩气瓶1经过总阀2、前压力表3、减压阀4、后压力表5、调压阀6将氩气输至预热炉10中，缠绕在预热炉的电阻丝8，加热炉中的氩气，电阻丝8与温度控制仪7的电源连接，炉中氩气的温度设定在130℃左右，由测头置于炉中，并与温控仪7连接的热电偶9检控，在预热炉中的氩气加热气化后输入置于冷凝室11中的螺旋冷凝管12，氩气中的水气凝结流入储水器15，可由排水阀16排出，除水后的氩气流入净化过滤器13，由设在其中的活性炭或分子筛过滤，得到无水净化氩气，并进入输气管14。

2、参阅图1和图2，由输气管14输送的氩气，经电磁调节阀24进入高温恒温氩气容器17，耐热合金棒18是置于中频电源19的感应线圈20中，借助加热耐热合金棒18加热容器17中的氩气，氩气的温度由加热试样的要求决定，由热电偶46检测，由热电偶21辅助检测，当温度高于设定温度时，调小中频感应电源19的电流，调大电磁调节阀24，调小电磁调节阀23，当氩气的温度低于设定温度时，调大19的电流，调小电磁阀24，调大电磁阀23，高温恒温氩气便由输气管22输出，电磁调节阀23和24是置于冷水室25中。

3、参阅图2和图3，由输气管22输出的高温恒温氩气分成两路：一路经电磁调压阀34进入前恒压容器26，恒压容器26的压力由压力传感器32检测，当压力高于设定的压力时，调小电磁调压阀34，调大电磁调压阀33，当压力低于设定的压力时，调大34，调小33，恒压容器中的恒压氩气由输气管27输出；另一路经电磁调压阀31进入后恒压容器28，28中氩气的压力由压力传感器30检测由电磁阀31控制，28中的恒压氩气经输气管29输出；电磁调压阀22、33、31和压力传感器30、32是设在冷水室中，26中氩气的压力要高于大气压的30％左右，28中氩气的压力要高于26中的20％左右。

4、参阅图3和图4，由29输入陶瓷马弗炉35中的无水净化高温恒温恒压氩气，加热材料试样37，并流向马弗炉的上下管口；由27输入的无水净化高温恒温恒压氩气，流入上下对称陶瓷压盖中的环形气路41中，并经设在环形气路内周的喷气小孔42喷出，实现了马弗炉口与拉杆卡头38之间的动态密封效果。

5、参阅图4，励磁线圈43与励磁电源47连接，励磁线圈是绕在真空隔热套39的外缘，在励磁线圈与外壳之间装有高导磁粉44，励磁线圈43所产生的磁场通过高导磁粉44、上拉杆卡头38、试样37和下拉杆卡头，又经高导磁粉形成闭合磁路，把磁场施加于试样37上；在陶瓷马弗炉35与真空隔热套39之间装有绝热材料36，绝热材料进行第一次隔热，真空隔热套进行第二次隔热，实现更好的绝热效果。

6、参阅图5，热磁耦合装置是装在万能材料试验机的活动横梁49和底座52之间，力学试验由电子万能试验机实施，根据设定的参数由计算机64和控制系统63控制，加在试样37的载荷由力的传感器62检测，试样的变形由位移传感器59检测。

Claims (4)

1.一种氩气保护动态密封热磁力耦合材料试验机，其特征在于：它包括净化氩气装置、炉外加热温度调控装置、压力调控装置、热磁耦合装置和电子万能材料试验机，热磁耦合装置安装在电子万能材料试验机的活动横梁与机座之间，净化氩气装置连接炉外加热温度调控装置，炉外加热温度调控装置连接压力调控装置，压力调控装置分为前后两组，分别与热磁耦合装置连接，其中，热磁耦合装置由马弗炉、绝热材料、真空隔热套、磁场施加装置和压盖构成，电子万能材料试验机的拉杆卡头在马弗炉中，压盖在马弗炉上下两端，压盖中有环形气路中，环形气路的内圆周设有喷气小孔，绝热材料装在马弗炉外壁处，绝热材料外侧有真空隔热套，压力调控装置前组连接环形气路，后组与马弗炉内腔连接，磁场施加装置由外壳、高导磁粉、励磁线圈和励磁电源组成，励磁线圈绕在真空隔热套上，高导磁粉是装在外壳与励磁线圈之间，励磁线圈与励磁电源连接。

2.根据权利要求1所述的材料试验机，其特征在于：压力调控装置由恒压氩气容器、电磁调压阀和压力传感器组成，有两组压力调控器，输气管通过前进气电磁调压阀连接前恒压氩气容器，前进气电磁调压阀、前排气电磁调压阀和前压力传感器与前恒压氩气容器连通，前恒压氩气容器与前输气管连通；输气管通过后进气电磁调压阀与后恒压氩气容器连通，后恒压氩气容器与后输气管连通，后压力传感器和后进气电磁调压阀与后恒压氩气容器连通，电磁调压阀和压力传感器均设在。

3.根据权利要求1所述的材料试验机，其特征在于：炉外加热温度调控装置由氩气进气调节电磁阀、高温恒温氩气容器、耐热合金棒、中频感应电源、感应线圈、热电偶和高温氩气排气电磁调节阀构成，低温氩气进气调节电磁阀连接高温恒温氩气容器，高温恒温氩气容器中设有耐热合金棒，耐热合金棒在中频感应电源的感应线圈中，热电偶设在高温恒温氩气容器中，恒温氩气经输气管输至压力调控装置中，高温氩气排气电磁调节阀和低温氩气进气电磁调节阀与恒温氩气容器连通，而且都设在冷水室中。

4.根据权利要求1所述的材料试验机，其特征在于；净化氩气装置由氩气瓶、氩气除水装置和氩气净化过滤器组成，氩气瓶与总阀连接，总阀通过前压力表与减压阀连接，减压阀通过后压力表与电磁调压阀连接，氩气通过电磁调压阀进入预热电阻炉的炉膛中，预热电阻炉有电阻丝，电阻炉连接装在冷凝器中螺旋状冷凝管，冷凝管连接储水器，冷凝管连接净化过滤器，净化过滤器连接输气管，至恒温氩气容器。

Images