CN209656459U - 塑料慢速裂纹扩展在线监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种塑料慢速裂纹扩展在线监测装置，包括监测箱体、水位控制系统、温控系统以及测试盒，所述测试盒、水位控制系统和温控系统设置在监测箱体内部，且测试盒内设置有定夹具和动夹具，所述定夹具可拆卸固定在测试盒内，所述动夹具可在测试盒内水平移动，且动夹具连接有静载荷施加机构；所述水位控制系统用于控制测试盒内的水位；所述测试盒的上方设置有监控器。实用新型能够对预制缺口的试样施以恒定的拉力进行拉伸，试样拉伸扩展的同时，利用监控器对缺口的裂纹情况进行实时监测并记录下数据，以便对实验进行分析，根据试样的裂纹情况判断塑料的性能，可以在较短的时间内得出结论，节省时间。

Description

塑料慢速裂纹扩展在线监测装置

技术领域

本实用新型属于测试设备领域，尤其是一种塑料慢速裂纹扩展在线监测装置。

背景技术

塑料材料因其价格低廉，易于成型加工，力学性能优良，化学性能较稳定，电绝缘性能良好等综合性能，近些年被广泛用作建筑给排水管、燃气输送用管、电线电缆穿线管、矿山矿物输送管和农业节水灌溉管等。塑料管材与传统的金属管及其它塑料管相比具有密度低、强度与质量比高、脆化温度化低、韧性好、耐绝缘性能好、易于着色及其方便施工与安装等特点。与钢管相比具有重量轻，工作寿命长，成本低，而且维护费用低等优点。

为了确保管材的使用寿命，有必要对塑料管材寿命的影响因素进行研究。塑料管材主要的破坏形式有以下三种：韧性破坏、脆性破坏、氧化破坏。脆性破坏是管材在实际使用过程中发生破坏的主要形式，是由材料在较低应力条件下引起的慢速裂纹增长所致。因此了解塑料材料的破坏机理，研究塑料管材料的结构与性能，了解塑料管材发生慢速裂纹增长的影响因素，对于确定材料结构对管材发生慢速裂纹增长的影响十分必要。

通常用来评价管材耐慢速裂纹增长性能的方法是进行长期的静态液压实验，通过实验观察材料的脆韧转变点，脆性破坏时间越长说明材料的耐慢速裂纹增长性能越好。现在对塑料压力管长期寿命的要求是50年，如果按照50年的时间来对塑料压力管进行长期静液压实验，那么无论是科研还是实际生产都是无法接受的，当我们需要对材料的性能进行快速评价，以进行质量控制的时候，或者对破坏机理的研究也要求改变和控制试验条件时，发展了一些加速试验进程的方法是很有必要的。

目前，公开的专利CN108318336A仅仅公开了塑料耐慢速裂纹扩展关于管材试样的环向测试方法，但没有对管材试样径向测试方法、普通拉伸试样测试方法、裂纹长度增长的在线监测方法以及缺口的裂纹情况在线观测方法进行公开，而这些测定结果对理解管材的慢速裂纹过程十分重要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种塑料慢速裂纹扩展在线监测装置，可通过短期的实验测评出塑料压力管的使用寿命。

本实用新型的目的是这样实现的：塑料慢速裂纹扩展在线监测装置，包括监测箱体、水位控制系统、温控系统以及测试盒，所述测试盒、水位控制系统和温控系统设置在监测箱体内部，且测试盒内设置有定夹具和动夹具，所述定夹具可拆卸固定在测试盒内，所述动夹具可在测试盒内水平移动，且动夹具连接有静载荷施加机构；所述温控系统用于控制测试盒内的温度，所述水位控制系统用于控制测试盒内的水位；所述测试盒的上方设置有监控器。

进一步地，所述静载荷施加机构包括拉线、杠杆、杠杆座、砝码秤盘以及砝码，所述杠杆包括横杆，所述横杆靠近动夹具的一端顶部设置有竖杆，竖杆的长度小于横杆的长度，横杆靠近动夹具的一端与杠杆座铰接，所述拉线水平设置，且其一端与动夹具相连，另一端与竖杆的顶部相连，拉线上设置有收紧器；砝码秤盘与横杆远离动夹具的一端相连，所述砝码堆码在砝码秤盘上。

进一步地，所述动夹具包括连接块、第一定位块、第一连接片以及第一定位柱，所述测试盒侧壁的顶部设置有凹槽，所述连接块位于凹槽中并与凹槽滑动配合，且连接块的一端与静载荷施加机构相连，另一端与第一定位块固定连接，所述第一连接片成对设置在第一定位块和第一定位柱的两侧，且第一连接片的一端与第一定位块可拆卸连接，另一端与第一定位柱可拆卸连接，所述第一定位柱呈半圆柱形；

所述定夹具包括固定块、第二定位块、第二连接片以及第二定位柱，所述固定块固定在测试盒上，且固定块与第二定位块固定连接，所述第二连接片成对设置在第二定位块和第二定位柱的两侧，且第二连接片的一端与第二定位块可拆卸连接，另一端与第二定位柱可拆卸连接，所述第二定位柱呈半圆柱形，且第二定位柱与第一定位柱能够拼成直径与管材环向试件内径适配的圆柱体。

进一步地，所述第一连接片的两端分别通过第一插销与第一定位块和第一定位柱相连，第二连接片的两端分别通过第二插销与第二定位块和第二定位柱相连。

进一步地，所述温控系统包括加热棒、温度传感器和数显电子温控仪，所述加热棒设置在测试盒的底部，所述温度传感器设置在测试盒内，所述数显电子温控仪设置在监测箱体的侧壁，所述加热棒和温度传感器均与数显电子温控仪电连接。

进一步地，所述水位控制系统包括水箱和进水管，所述进水管与测试盒连通，进水管上设置有阀门；所述测试盒内设置有液位传感器，所述监测箱体的侧壁设置有数显水位控制仪，所述阀门为脉冲电磁阀，所述液位传感器与脉冲电磁阀均与数显水位控制仪电连接。

进一步地，所述测试盒的上方设置有照明灯。

进一步地，所述监测箱体的侧壁设置有排汽风扇。

进一步地，所述监控器为光学数码显微镜。

本实用新型的有益效果是：本实用新型能够对预制缺口的试样施以恒定的拉力进行拉伸，试样拉伸扩展的同时，利用监控器对缺口的裂纹情况进行实时监测并记录下数据，以便对实验进行分析，根据试样的裂纹情况判断塑料的性能，可以在较短的时间内得出结论，节省时间。

附图说明

图1是本实用新型的示意图。

图2是本实用新型去除监测箱体的示意图。

图3是管材环向试样的示意图；

图4是管材径向试样的示意图；

图5是普通拉伸样条的示意图；

图6是管材环向试样的夹持示意图；

图7是管材径向试样的夹具示意图；

图8是普通拉伸样条的夹具示意图。

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和图2所示，本实用新型的塑料慢速裂纹扩展在线监测装置，包括监测箱体1、水位控制系统、温控系统以及测试盒3，所述测试盒3、水位控制系统和温控系统设置在监测箱体1内部，且测试盒3内设置有定夹具4和动夹具5，所述定夹具4可拆卸固定在测试盒3内，所述动夹具5可在测试盒3内水平移动，且动夹具5连接有静载荷施加机构；水位控制系统用于控制测试盒3内的温度，所述水位控制系统用于控制测试盒3内的水位，所述测试盒3的上方设置有监控器8。

监测箱体1为长方体形的箱体，一侧设置有可开闭的门定夹具4和动夹具5配合使用，用于对试样100进行固定。由于试样100受拉时会被拉伸、变形，为了适应这种变形且保持对试样100的作用力保持不变，动夹具5能够在测试盒3内水平移动，且静载荷施加机构采用了砝码20的重力作为施力部件，具体地：

所述静载荷施加机构包括拉线9、杠杆10、杠杆座11、砝码秤盘12、砝码20以及收紧器56，所述杠杆10包括横杆，所述横杆靠近动夹具5的一端顶部设置有竖杆，竖杆的长度小于横杆的长度，横杆靠近动夹具5的一端与杠杆座11铰接，所述拉线9水平设置，且其一端与动夹具5相连，另一端与竖杆的顶部相连，拉线9上设置有收紧器56；砝码秤盘12与横杆远离动夹具5的一端相连，所述砝码20堆码在砝码秤盘12上。拉线9可采用钢丝、链条等，杠杆10用于放大砝码20的作用力。砝码20有多个，且不同的砝码20重量不同，这样可以方便地调节载荷的大小。收紧器56用于将拉线9收紧，使拉线9保持水平，以保证砝码20放好后，拉线9的拉力恒定不变。砝码20的重力经过砝码秤盘12传递至杠杆10的横杆，横杆和竖杆组成省力杠杆，且将竖直的作用力转化为水平方向，作用力放大后传递至水平的拉线9，通过收紧器56收紧后，拉线9再将作用力传递至动夹具5，动夹具5则将作用力传递至试样100。这种静载荷施加机构结构简单，操作方便，能够方便地改变载荷大小，与其他静载荷施加机构如液压机构相比，成本更低，操作更加灵活。

实验时，需要利用表面活性剂溶液浸泡试样100，并使表面活性剂溶液的温度保持在80摄氏度左右，远高于室温，因此需要温控系统来维持温度，具体地，所述温控系统包括加热棒13、温度传感器14和数显电子温控仪15，所述加热棒13设置在测试盒3的底部，所述温度传感器14设置在测试盒3内，所述数显电子温控仪15设置在监测箱体1的侧壁，所述加热棒13和温度传感器14均与数显电子温控仪15电连接。加热棒13能够对测试盒3内的表面活性剂溶液进行加热，数显电子温控仪15用于对温度进行调控，具体过程为：对数显电子温控仪15进行设置，如设置为75至85摄氏度，利用温度传感器14检测表面活性剂溶液的温度并将检测结果传输至数显电子温控仪15，如果表面活性剂溶液的温度低于数显电子温控仪15的设定值时，数显电子温控仪15控制加热棒13通电发热，使表面活性剂溶液的温度升高，当表面活性剂溶液的温度达到数显电子温控仪15的设定值时，数显电子温控仪15控制加热棒13断电，从而实现对温度的控制，使试样100和表面活性剂溶液维持在合适的温度。

由于实验时表面活性剂溶液的温度较高，溶液会大量的蒸发，导致液面下降，为了使表面活性剂溶液的液面始终高于试样100，本实用新型设置了水位控制系统，所述水位控制系统包括水箱2和进水管6，所述进水管6与测试盒3连通，进水管6上设置有阀门7。水箱2用于盛装去离子水，水箱2可以设置在监测箱体1的外壁，也可以设置在监测箱体1的内部，水箱2的顶部设置有加水口，加水口处设置了可拆卸的加水盖，当水箱2位于监测箱体1的内部时，加水口穿过监测箱体1的顶壁，加水时可以从监测箱体1外直接加水，操作方便。

本实用新型可通过开启阀门7添加去离子水，为了实现自动地加水，在测试盒3内设置了液位传感器16，所述监测箱体1的侧壁设置有数显水位控制仪17，所述阀门7为脉冲电磁阀，所述液位传感器16与脉冲电磁阀均与数显水位控制仪17电连接。实验时，对数显水位控制仪17进行设置，利用液位传感器16检测表面活性剂溶液的液面高度并将检测结果传输至数显水位控制仪17，当表面活性剂溶液的液面高度低于设定值时，数显水位控制仪17控制脉冲电磁阀启动，水箱2中的去离子水通过进水管6进入测试盒3，当表面活性剂溶液的液面高度升高到设定值时，数显水位控制仪17控制脉冲电磁阀关闭，停止加水。

为了对试样100进行清晰、稳定地监控，光线强度最好维持不变，因此，整个测试盒3和监控器8设置在监测箱体1内部，并在测试盒3的上方设置照明灯18。实验开始后，关上监测箱体1的门，将监测箱体1封闭，避免外界的光线变化影响对试样100监控的清晰度，利用照明灯18进行照明，光线强度可保持不变。

由于表面活性剂溶液蒸发时会产生大量的雾气，这些雾气会影响监控器8的拍摄清晰度，因此，在监测箱体1的侧壁设置了排汽风扇19，实验时将雾气抽出。

监控器8可采用各种高精度的拍摄仪器，优选采用光学数码显微镜，能够将最细微的裂纹观测清楚。实验时将光学数码显微镜与一电脑相连，可将图像实时传输至电脑，以便于实验人员观测以及对图像进行存储。

试样100可以有多种，如图3所示的管材环向试样、图4所示的管材径向试样以及图5所示的普通拉伸样条，不同的试样100需要采用不同的夹具，具体地，管材环向试样采用由以下动夹具5和定夹具4组成如图6所示的夹具：

所述动夹具5包括连接块51、第一定位块52、第一连接片53以及第一定位柱54，所述测试盒3侧壁的顶部设置有凹槽，所述连接块51位于凹槽中并与凹槽滑动配合，使得连接块51能够水平移动，以适应试样100的拉伸变形。连接块51的一端与静载荷施加机构相连，具体地，连接块51与拉线9相连接，连接块51的另一端与第一定位块52固定连接，可采用螺钉连接。所述第一连接片53成对设置在第一定位块52和第一定位柱54的两侧，且第一连接片53的一端与第一定位块52可拆卸连接，另一端与第一定位柱54可拆卸连接，所述第一定位柱54呈半圆柱形。

所述定夹具4包括固定块41、第二定位块42、第二连接片43以及第二定位柱44，所述固定块41固定在测试盒3上，且固定块41与第二定位块42固定连接，所述第二连接片43成对设置在第二定位块42和第二定位柱44的两侧，且第二连接片43的一端与第二定位块42可拆卸连接，另一端与第二定位柱44可拆卸连接，所述第二定位柱44呈半圆柱形，且第二定位柱44与第一定位柱54能够拼成直径与管材环向试件内径适配的圆柱体。

固定块41可通过螺钉等与测试盒3可拆卸连接，以便于针对不同的试样100更换不同的定夹具4。由于第二连接片43和第一连接片53可拆卸，在安装管材环向试样时，拆下第二连接片43和第一连接片53，将第二定位柱44与第一定位柱54拼在一起组成圆柱体，再将管材环向试样套在圆柱体上，最后装上第二连接片43和第一连接片53即可，实验时第二连接片43和第一连接片53保持水平。静载荷施加机构的拉力通过连接块51、第一定位块52、第一连接片53以及第一定位柱54传递至管材环向试件，对管材环向试件进行拉伸。

第一连接片53和第二连接片43可采用螺钉安装，优选的，所述第一连接片53的两端分别通过第一插销55与第一定位块52和第一定位柱54相连，第二连接片43的两端分别通过第二插销45与第二定位块42和第二定位柱44相连。

管材径向试样以及普通拉伸样条分别采用图7和图8所示的夹具，该夹具包括定位块120、上压块170、下压块130、紧定螺栓160以及位于上压块170和下压块130之间的定位腔140，定位块120与上压块170一体成型，管材径向试样的定位腔140的顶壁和底壁均呈弧形，与管材径向试样的上下表面贴合，而普通拉伸样条的定位腔140呈长方体形，与普通拉伸样条的形状和尺寸适配。其中上压块170和下压块130接触样条表明做横条齿条状处理，增大与试样的摩擦力，保证试样在实验过程中不发生相对滑移。图7和图8所示的夹具两两配合使用，其中一个夹具的定位块120和固定块41通过螺钉安装固定在测试盒3内，另一个夹具的定位块120连接于连接块51，连接件与静载荷施加机构相连。实验时，旋转紧定螺栓160固定住下压块130，将管材径向试样或者普通拉伸样条的两端以及上压块170分别同时插入两个夹具的定位腔140，旋转紧定螺栓160利用上压块170和下压块130压紧将试样夹紧，即可进行下一步骤。

上述塑料慢速裂纹扩展在线监测装置的监测方法，包括以下步骤：

A、在试样100上预制缺口110，预制缺口110的深度为1.5mm，开口宽度为0.2mm的三角形缺口，且预制缺口110贯穿试样100的厚度方向。

B、将试样100固定在定夹具4和动夹具5上。

C、向测试盒3中加入表面活性剂溶液，表面活性剂溶液应漫过试样100的顶部，表面活性剂溶液采用质量浓度10％的烷基酚聚氧乙烯醚溶液能加速试样的断裂行为。

D、利用温控系统将表面活性剂溶液加热至设定温度并使表面活性剂溶液的温度维持在设定的范围内，具体地，对数显电子温控仪15进行设置，利用温度传感器14检测表面活性剂溶液的温度并将检测结果传输至数显电子温控仪15，如果表面活性剂溶液的温度低于数显电子温控仪15的设定值时，数显电子温控仪15控制加热棒13通电发热，使表面活性剂溶液的温度升高，当表面活性剂溶液的温度达到数显电子温控仪15的设定值时，数显电子温控仪15控制加热棒13断电。

E、利用静载荷施加机构向动夹具5施加恒定的拉力，动夹具5将拉力传递至试样100。具体地，在砝码秤盘12上码放砝码20，砝码20的重力经过杠杆10放大后，再经过拉线9、链条收紧器56和拉线9传递至试样100，通过增减砝码20调节给予试样100所需的测试外力，通过收紧器56收紧拉线9，使拉线9保持水平，从而使拉线9的拉力保持恒定，保证试样100受到的恒定拉力。

F、利用监控器8对预制缺口110进行实时监控并传输监控图像，可利用电脑接收图像，以便于实验人员对预制缺口110处的裂纹进行观测，并记录各个时间点裂纹的状况，从而判断塑料材质的性能。

具体地，对数显水位控制仪17进行设置，利用液位传感器16检测表面活性剂溶液的液面高度并将检测结果传输至数显水位控制仪17，当表面活性剂溶液的液面高度低于设定值时，数显水位控制仪17控制脉冲电磁阀启动，水箱2中的去离子水通过进水管6进入测试盒3，当表面活性剂溶液的液面高度升高到设定值时，数显水位控制仪17控制脉冲电磁阀关闭，使测试盒3内的表面活性剂溶液液面始终高于试样100顶部。利用照明灯18进行照明，同时利用排汽风扇19将表面活性剂溶液蒸发产生的雾气排出，保证监控器8对试样100进行清晰的监控。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.塑料慢速裂纹扩展在线监测装置，其特征在于：包括监测箱体(1)、水位控制系统、温控系统以及测试盒(3)，所述测试盒(3)、水位控制系统和温控系统设置在监测箱体(1)内部，且测试盒(3)内设置有定夹具(4)和动夹具(5)，所述定夹具(4)可拆卸固定在测试盒(3)内，所述动夹具(5)可在测试盒(3)内水平移动，且动夹具(5)连接有静载荷施加机构；所述温控系统用于控制测试盒(3)内的温度，所述水位控制系统用于控制测试盒(3)内的水位；所述测试盒(3)的上方设置有监控器(8)。

2.根据权利要求1所述的塑料慢速裂纹扩展在线监测装置，其特征在于：所述静载荷施加机构包括拉线(9)、杠杆(10)、杠杆座(11)、砝码秤盘(12)以及砝码(20)，所述杠杆(10)包括横杆，所述横杆靠近动夹具(5)的一端顶部设置有竖杆，竖杆的长度小于横杆的长度，横杆靠近动夹具(5)的一端与杠杆座(11)铰接，所述拉线(9)水平设置，且其一端与动夹具(5)相连，另一端与竖杆的顶部相连，拉线(9)上设置有收紧器(56)；砝码秤盘(12)与横杆远离动夹具(5)的一端相连，所述砝码(20)堆码在砝码秤盘(12)上。

3.根据权利要求1所述的塑料慢速裂纹扩展在线监测装置，其特征在于：所述动夹具(5)包括连接块(51)、第一定位块(52)、第一连接片(53)以及第一定位柱(54)，所述测试盒(3)侧壁的顶部设置有凹槽，所述连接块(51)位于凹槽中并与凹槽滑动配合，且连接块(51)的一端与静载荷施加机构相连，另一端与第一定位块(52)固定连接，所述第一连接片(53)成对设置在第一定位块(52)和第一定位柱(54)的两侧，且第一连接片(53)的一端与第一定位块(52)可拆卸连接，另一端与第一定位柱(54)可拆卸连接，所述第一定位柱(54)呈半圆柱形；

所述定夹具(4)包括固定块(41)、第二定位块(42)、第二连接片(43)以及第二定位柱(44)，所述固定块(41)固定在测试盒(3)上，且固定块(41)与第二定位块(42)固定连接，所述第二连接片(43)成对设置在第二定位块(42)和第二定位柱(44)的两侧，且第二连接片(43)的一端与第二定位块(42)可拆卸连接，另一端与第二定位柱(44)可拆卸连接，所述第二定位柱(44)呈半圆柱形，且第二定位柱(44)与第一定位柱(54)能够拼成直径与管材环向试件内径适配的圆柱体。

4.根据权利要求3所述的塑料慢速裂纹扩展在线监测装置，其特征在于：所述第一连接片(53)的两端分别通过第一插销(55)与第一定位块(52)和第一定位柱(54)相连，第二连接片(43)的两端分别通过第二插销(45)与第二定位块(42)和第二定位柱(44)相连。

5.根据权利要求1所述的塑料慢速裂纹扩展在线监测装置，其特征在于：所述温控系统包括加热棒(13)、温度传感器(14)和数显电子温控仪(15)，所述加热棒(13)设置在测试盒(3)的底部，所述温度传感器(14)设置在测试盒(3)内，所述数显电子温控仪(15)设置在监测箱体(1)的侧壁，所述加热棒(13)和温度传感器(14)均与数显电子温控仪(15)电连接。

6.根据权利要求1所述的塑料慢速裂纹扩展在线监测装置，其特征在于：所述水位控制系统包括水箱(2)和进水管(6)，所述进水管(6)与测试盒(3)连通，进水管(6)上设置有阀门(7)；所述测试盒(3)内设置有液位传感器(16)，所述监测箱体(1)的侧壁设置有数显水位控制仪(17)，所述阀门(7)为脉冲电磁阀，所述液位传感器(16)与脉冲电磁阀均与数显水位控制仪(17)电连接。

7.根据权利要求1所述的塑料慢速裂纹扩展在线监测装置，其特征在于：所述测试盒(3)的上方设置有照明灯(18)。

8.根据权利要求1所述的塑料慢速裂纹扩展在线监测装置，其特征在于：所述监测箱体(1)的侧壁设置有排汽风扇(19)。

9.根据权利要求1所述的塑料慢速裂纹扩展在线监测装置，其特征在于：所述监控器(8)为光学数码显微镜。