CN203178219U

CN203178219U - 一种热疲劳试验机

Info

Publication number: CN203178219U
Application number: CN 201220699918
Authority: CN
Inventors: 闫明; 李鸣; 王明明; 朱相军; 刘栋; 邹斌; 金昊
Original assignee: Shenyang University of Technology
Current assignee: Shenyang University of Technology
Priority date: 2012-12-18
Filing date: 2012-12-18
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2022-12-18

Abstract

本实用新型公开一种非磁性材料的热疲劳试验机，包括有：工业控制计算机、PLC、测温装置、联轴器、步进电机、试验机主体、蓄水容器、轴承端盖、轴承、轴承座、夹持机构、试样、冷却系统、加热装置、传动轴、紧固螺钉、顶出螺钉，其特征在于步进电机通过螺钉固定在试验机主体的一侧上，步进电机的电机轴通过联轴器与传动轴联接，传动轴通过台阶孔与夹持机构实现紧配合，传动轴的两端装有轴承，轴承安装在轴承座上，轴承座通过螺钉固定在试验机主体上。本实用新型的机械结构简单，不会产生外加应力的影响夹持机构实现了试样的翻转，试验过程中一切动作均由PLC所发出的指令控制，实现了试验的自动化。

Description

一种热疲劳试验机

技术领域

本实用新型涉及一种材料的性能检测装置，特别是涉及一种热疲劳试验机。

背景技术

当构件或材料经受温度变化(热循环)时，因其自由膨胀或收缩受到约束而产生循环应力或循环应变，最终导致龟裂而破坏的现象称为热疲劳。

热疲劳损伤广泛存在于高温设备、动力机械以及精密电子设备中，举例说明：(1)核电站在正常运行过程中，主管道的高温水与支管道的低温水混合时，支管道内流体边界层发生周期性的变化，致使支管道的温度周期变化，引起热疲劳损伤；(2) 近地球轨道飞行器绕地球飞行时，太阳能帆板遭受太阳光加热和地球阴影降温引起的温度循环，产生热应循环力，并在其表面形成热疲劳裂纹；(3) 大规模集成电路的周期性通断和环境温度的周期性变化使连接处(焊点)经受温度循环，并且焊点处各元件的热膨胀系数不同，焊点内部产生周期性的热应力，从而导致热疲劳裂纹在焊点中萌生、扩展，最终使电路失效；(4) 热作模具表面经常承受冷热交替的温度变化，表面易生成热疲劳裂纹，影响铸造零件的表面质量和尺寸精度，从而导致热作模具失效；(5) 炼钢的转炉采用间歇汽雾冷却，炉壳冷却部位经历加热—冷却的循环方式，使炉壳承受的热应力呈现交替变化，这样炉壳就会出现热疲劳损伤；(6) 热轧用的轧辊，在其一次旋转中咬入被扎制材料时，轧辊表面的温度上升，在材料拖出后轧辊温度又复下降，经历若干次加热—冷却循环后，轧辊表面受到热疲劳损伤产生龟裂和剥落；(7) 车用或船用大功率柴油机在启动—停车过程中遭受热疲劳损伤，气缸或气缸盖表面易产生热疲劳裂纹，破坏气缸的气密性；(8) 高速列车的制动盘在强烈的摩擦力的作用下不仅会发生摩擦磨损，还使其自身温度升高并产生热应力，列车每制动一次，制动盘就经受一次加热和冷却的循环，反复制动便使制动盘出现热疲劳裂纹，热疲劳裂纹扩展可使整个制动盘断裂，易造成恶性事故。

由于热疲劳现象的复杂性，试验技术在热疲劳的研究中一直占有重要地位。国内外学者都对此给予了高度重视，进行了大量研究，提出了各种热疲劳试验的装置及方法。在现有的众多热疲劳试验机中大多采用电磁感应线圈加热的方式，但电磁感应线圈只能对磁性材料加热，对非磁性材料如铝、铜等的加热效果不太理想。

发明内容

本实用新型的目的就在于解决现有技术存在的上述不足，针对现有热疲劳试验装置的缺陷，提供了一种实现了试样在夹持机构中准确定位且夹持可靠、可以实现试样翻转、通过PLC控制做到自动控制试验过程的采用红外加热的热疲劳试验机，该疲劳试验机可以实现对非磁性材料的性能的检测。

本实用新型是通过以下技术方案来实现的：这种红外加热的热疲劳试验机，包括有：工业控制计算机1、PLC 2、测温装置3、联轴器4、步进电机5、试验机主体6、蓄水容器7、轴承端盖9、轴承10、轴承座11、夹持机构12、试样13、冷却系统14、加热装置15、传动轴16、紧固螺钉17、顶出螺钉18，其特点是：步进电机5通过螺钉固定在试验机主体6上，放置在试验机主体6 的最左侧，步进电机5的电机轴通过联轴器3与传动轴16联接，传动轴16通过台阶孔122和夹持机构12实现紧配合，传动轴的两端装有轴承10，轴承安装在轴承座11上，轴承座11通过螺钉固定在试验机主体6上。

夹持机构12的中间为空心结构，可以减轻装置重量，同时方便冷却水的收集和观察试样裂纹的扩展。在夹持机构12的两侧均加工有螺纹孔，螺钉通过在螺纹孔中的旋进和旋出便能够实现试样的紧固和从夹持机构上的脱落。在夹持机构12的两端面中心处加工有台阶孔，用于和传动轴相配合。试样13固定在夹持机构12中，夹持机构12的一侧面上设置有与紧固螺钉17相配合的螺纹孔121,夹持机构12的另一侧面上设置有与顶出螺钉18相配合的螺纹通孔123。传动轴16与轴承10相配合并通过轴承座11固定在试验机主体6上。传动轴16与步进电机5的电机轴通过联轴器4相连接，这样当电机转动时，便带动了试样的翻转，同时也可以实现加热工位和冷却工位的互换。

试样13分为固定端、工作部分、过渡区三部分。试样13的工作部分的截面形状为矩形，在试样13两端的固定端的一侧开有大小相同的两个螺纹孔131，试样13两端的固定端的另一侧设置有与夹持机构12实现紧配合的凸台132。

测温装置3通过通讯导线与PLC 2相连接，加热时，当测温装置3测得试样温度达到预定温度时，便发出信号到PLC 2， PLC 2处理数据，发出指令，实现加热装置停止、电机带动试样翻转、冷却系统启动等一系列动作。在冷却的过程中，测温装置3测得的温度达到预定值时，便发出信号到PLC 2，PLC 2发出指令使冷却系统停止工作、电机带动试样翻转、加热系统启动。这样便完成了一个热循环。在此循环中，所有控制均由PLC 2所完成，实现了自动控制试验过程的目的。

本实用新型的有益效果是。

(1) 实现了试验过程中的自动化，提高试验精度，节省时间。

(2) 冷却时实现了试样的翻转，可以加快冷却速率和提高冷却的均匀性。

(3) 试样实现了翻转便于观测裂纹的产生。

(4) 具有温度反馈系统，能够自动记录试验数据和试验次数。

(5) 夹持机构不仅起到了试样的夹持和紧固作用，也消除了在夹持时可能产生的外加应力。

附图说明

图1是试验机总体结构简图。

图2-1是夹持机构的主视图, 图2-2是夹持机构的俯视图。

图3-1是试样结构主视图, 图3-2是试样结构的俯视图。

图4是冷却系统示意图。

图5是PLC控制过程流程图。

图中：1工业控制计算机，2 PLC，3测温装置，4联轴器，5步进电机， 6试验机主体，7蓄水容器，8螺纹孔，9轴承端盖，10 轴承，11 轴承座，12 夹持机构，13 试样，14 冷却系统，15 加热装置，16 传动轴，17 紧固螺钉，18顶出螺钉, 121 螺纹孔，122 台阶孔，123螺纹孔，131 螺纹孔，132凸台，141 雾化喷嘴，142 流量控制阀，143 水箱，144 流量控制阀，145 压缩空气箱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

如图1所示，本实用新型提供一种热疲劳试验机，该试验机由工业控制计算机1、PLC 2、测温装置3、联轴器4、步进电机5、试验机主体6、蓄水容器7、轴承端盖9、轴承10、轴承座11、夹持机构12、试样13、冷却系统14、加热装置15、传动轴16、紧固螺钉17、顶出螺钉18等部分组成。其中。

步进电机5作为整个试验过程中的动力源，通过螺钉固定在试验机主体6上，放置在试验机主体6 的最左侧，如图1所示。步进电机5的电机轴通过联轴器3与传动轴16联接，传动轴16通过台阶孔122和夹持机构12实现紧配合。传动轴的两端装有轴承10，轴承安装在轴承座11上。轴承座11通过螺钉固定在试验机主体6上。在安装过程中，应保证电机轴的轴线与传动轴的轴线在同一条轴线上，否则会发生振动，影响试验精度。

如图2-1和图2-2所示，即为试样的夹持机构12，在一侧开有两个螺纹孔121，大小和试样上的螺纹孔131一样，另一侧开有两个螺纹孔123。在夹持机构12的两端面的中心处开有如图2-1所示的台阶孔122，用来和传动轴16相配合。

如图3-1和图3-2所示，试样13分为固定端、工作部分、过渡区三部分。试样13的工作部分的截面形状为矩形，在其两端的固定端的一侧开有大小相同的两个螺纹孔131，另一侧为凸台结构132。试验中，试样13需要固定在夹持机构12中。

如图4所示，为冷却装置14，在试样需要冷却时，雾化喷嘴141直接对准试样高温区进行冷却，且速率可调。

进行热疲劳试验前需要将试样13安放在夹持机构12中，首先将试样一侧的凸台结构132从上而下对准夹持机构中与之配合的台阶结构，用小锤轻轻敲打试样13，使试样13上的螺纹孔131与夹持机构12中的螺纹孔121的轴线在一条直线上。当试样12达到预定位置时，旋动紧固螺钉17使试样13便可以和夹持机构12的内侧面相抵触，这样便实现了试样的安装和紧固。当试验结束时，首先旋出紧定螺钉17，再通过旋进顶出螺钉18，试样便可以从夹持机构12中脱落。

开始加热前，调整加热装置15的角度使试样13的变温面（即需要检测裂纹的那一面）正对加热装置15，此时试样处于加热工位。加热装置和冷却系统在空间上分别处在垂直相交的两个平面上，试样的变温面正对加热装置的为加热工位，正对冷却系统时是处于冷却工位。

进行热疲劳试验时，系统启动，打开加热装置15的控制按钮，对试样的变温面加热。随着加热的进行，测温装置3开始工作。测温装置3为直接接触式铂热电阻测温仪，所收集到的温度信号通过通讯导线传送至PLC 2,测温装置上的铂热电阻传感器通过直接接触被加热的试样，检测试样的温度,当试样的温度达到试验所预先设定的最高温度时，测温装置3便向PLC 2发送数据，PLC 2通过这些收集、处理数据做出以下指令：关闭加热装置15，启动步进电机5,带动试样正向翻转90°，到达冷却工位。这一步完成后，向冷却系统14发出指令：启动冷却系统。此时冷却系统开始工作，开始对试样的变温面开始冷却降温。在冷却的过程中，步进电机5一直在通过传动轴带动试样13做循环往复的小于90°的绕轴线的摆动，这样可以加快冷却速度和保证冷却均匀性。随着温度的降低，测温装置中的传感器一直记录数据，当试样变温面的温度下降的试验所预定的最低温度时，测温装置便向PLC 2发送数据。PLC 2根据这些数据，发出指令，做出以下动作：关闭冷却系统，启动步进电机 5，带动试样反向翻转90°，到达加热工位。以上动作完成后，PLC 2向加热装置15发出指令：启动加热装置。至此完成一次的循环过程，加热和冷却依此循环进行，即可完成热疲劳试验。其控制控制流程如图5所示。试验机的具体动作、数据记录以及各种安全警报均由PLC 2完成，做到了试验的自动化。试验所需记录的数据包括加热时间、冷却时间、试验次数、加热温度及冷却温度等，这些数据均由PLC 2上传至工业控制计算机1中进行分析和处理。

在试验的过程中加热装置15能做到快速、均匀加热，提升了试验的效率，同时冷却过程中因为实现了试样的翻转，保证了冷却的均匀性，很好的模拟了非磁性材料热疲劳产生的过程。其传动和夹持结构做到了排除外加应力影响的目的，为试验的精度和准确性提供了保证。因此，本实用新型结构合理，试验真实，效果明显，适合推广使用。

Claims

1.一种热疲劳试验机，包括有：工业控制计算机(1)、PLC (2)、测温装置(3)、联轴器(4)、步进电机(5)、试验机主体(6)、蓄水容器(7)、轴承端盖(9)、轴承(10)、轴承座(11)、夹持机构(12)、试样(13)、冷却系统(14)、红外加热装置(15)、传动轴(16)、紧固螺钉(17)、顶出螺钉(18)，其特征在于步进电机(5)通过螺钉固定在试验机主体(6)的一侧上，步进电机(5)的电机轴通过联轴器(4)与传动轴(16)联接，传动轴(16)通过台阶孔(122)与夹持机构(12)实现紧配合，传动轴(16)的两端装有轴承(10)，轴承(10)安装在轴承座(11)上，轴承座(11)通过螺钉固定在试验机主体(6)上。

2.根据权利要求1所述的热疲劳试验机，其特征在于：夹持机构（12）中间为空心结构，夹持机构（12）的侧面设置有螺纹孔，在夹持机构（12）的两端面中心处设置有台阶孔（122）。

3.根据权利要求1所述的热疲劳试验机，其特征在于：试样（13）固定在夹持机构（12）中，夹持机构（12）的一侧面上设置有与紧固螺钉(17)相配合的螺纹孔（121）,夹持机构（12）的另一侧面上设置有与顶出螺钉（18）相配合的螺纹通孔（123）。

4.根据权利要求1所述的热疲劳试验机，其特征在于：试样(13)分为固定端、工作部分、过渡区三部分,试样(13)的工作部分的截面形状为矩形，在其两端的固定端的一侧设置有大小相同的两个螺纹孔(131)。

5.根据权利要求4所述的热疲劳试验机，其特征在于：试样（13）两端的固定端的另一侧设置有与夹持机构（12）实现紧配合的凸台（132）。

6.根据权利要求1所述的热疲劳试验机，其特征在于：测温装置（3）为直接接触式铂热电阻测温仪，所收集到的温度信号通过通讯导线传送至PLC（2）。