CN220716233U - 一种高转速-高温作用下离心机原位加热的校温装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高转速‑高温作用下离心机原位加热的校温装置。装置包括样品卡盘、感应加热系统、循环水冷却系统和控温系统；样品卡盘同轴安装在离心机的主轴上且随离心机的主轴同步旋转，样品卡盘上安装测试试样和校温试样，感应加热系统同轴安装在离心机上且不随离心机的主轴旋转，感应加热系统和循环水冷却系统连接，控温系统分别和循环水冷却系统、测试试样连接。本实用新型解决了目前只能在高转速下设定感应加热温度而无法准确校温的问题，可在高转速下将测试部件的局部加热温度进行设定然后准确校温并给出测试部件沿离心力方向的温度分布；且可根据需要进行调整，以满足不同结构部件的校温需要。

Description

一种高转速-高温作用下离心机原位加热的校温装置

技术领域

本实用新型涉及金属材料原位加热领域的一种离心机加热校温装置，尤其涉及了一种用于高转速-高温作用下金属材料的离心机原位加热的校温装置。

背景技术

国家标准GB/T 38822-2020《金属材料蠕变-疲劳试验方法》和GB/T6825.1-2008《静单轴试验机的检验第1部分：拉力和（或）压力试验机测力系统的检验与校准》均规定金属材料力学性能的测试方法，但这些标准规定的测试环境均为1G（G=9.8m/s²），可以满足金属材料本身力学性能的研究。然而，在涡轮推进系统，如航空发动机、航天发动机、工业和舰艇用燃气轮机、汽车和火车用涡轮增压器等动力系统的关键部件，如压气机叶片、风扇叶片、涡轮工作叶片等在正常工作时均处于高速旋转状态，即服役环境通常为离心超重力环境。

涡轮推进系统通常是一种将燃料燃烧后的热能经导向叶片在工作叶片上通过热膨胀做功带动涡轮将热能转换成机械能的涡轮动力装置，涡轮增压器是利用柴油（汽油）发动机的废气在涡轮上热膨胀做功将发动机余热转换成机械能的动力装置。服役时这些动力装置的涡轮工作叶片绕发动机轴线高速旋转，其作用是燃气膨胀做功，将燃气的位能和热能转换为转子的机械功，所以服役过程中涡轮工作叶片承受的载荷包括气动力、离心力和热载荷。其中，高速旋转产生的离心力属于体积力，主要使叶片产生径向拉应力，对于扭转结构叶片，同时会产生扭转应力。若叶片的积叠线与径向线不完全重合，离心力也使叶片产生弯曲应力。热载荷产生的热应力与叶片的温度梯度和几何约束密切相关，叶片的温度梯度越大，热应力越大。但目前用于设计涡轮推进系统涡轮叶片的关键材料力学性能数据均来自1G条件下的持久、蠕变、疲劳等试验机通过测试标准试样获取材料静态、单轴应力状态下的力学性能数据。虽然标准试样力学性能数据在一定程度上能为涡轮推进系统涡轮叶片强度设计提供设计依据，但由于叶片具有复杂的几何形状，其复杂的应力状态和标准试样不同，通过标准试样得到的材料力学性能数据，没看考虑高转速、叶片几何结构等对其结构可靠性的影响，不能直接用来评估涡轮叶片的寿命。

实用新型内容

针对目前1G下金属材料静态力学性能测试的不足，针对目前没有适合高转速-高温作用下金属材料力学性能测试过程中的原位加热及校温装置，本实用新型提供了一种可在高速旋转环境下给金属材料施加原位加热校温装置，解决高转速-高温作用下金属材料力学性能测试过程的原位加热、温度校核及智能控温的关键难题。

本实用新型所述的高转速环境下金属材料原位加热是指在金属材料或部件力学性能测试过程中，高速旋转的测试材料或部件始终处于原位加热状态，直至测试结束。

本实用新型所述的高转速环境下金属材料原位加热系统的温度校核是指在金属材料或部件力学性能测试过程中，在高速旋转状态或静止状态给测试材料或部件的温度分布进行原位测温和校准。

本实用新型所述的高温是指实验时施加给试样指定区域的加热温度不低于500℃，且原位加热持续的时间不低于测试时间。

本实用新型所述的高转速是指实验时离心机的最高转速不低于5000转/min。

本实用新型采用的技术方案：

装置包括样品卡盘、感应加热系统、循环水冷却系统和控温系统；所述的样品卡盘同轴安装在离心机的主轴上且随离心机的主轴同步旋转，所述的样品卡盘上安装测试试样和校温试样，感应加热系统同轴安装在离心机上且不随离心机的主轴旋转，感应加热系统和循环水冷却系统连接，控温系统分别和循环水冷却系统、测试试样连接。

所述的样品卡盘包括盘体、卡槽和法兰，盘体中心的两端同轴安装有法兰，盘体通过法兰和离心机的主轴同轴固定连接，盘体周围沿周向开设有多个卡槽，多个卡槽沿周向间隔布置，每个卡槽用于安装一个测试试样。

所述的测试试样呈条状，包括依次衔接的质量块、标矩段、承力段和装配榫头，质量块、标矩段、承力段和装配榫头均沿测试试样的条状依次布置，装配榫头嵌装在样品卡盘的卡槽中。

所述的校温试样和测试试样结构、形状、尺寸相同，不同的是在所述的校温试样内部开设有多个不同深度的热电偶孔，每个热电偶孔均沿样品卡盘的盘体的径向开设布置，每个热电偶孔均安装有一个热电偶。

所述的感应加热系统包括上感应线圈、上固定板、下感应线圈和下固定板；上固定板和下固定板分别上下间隔平行地固定布置，上固定板和下固定板之间的间隔中布置样品卡盘；环形的上感应线圈和下感应线圈分别通过上感应线圈绝缘层、下感应线圈绝缘层固定在上固定板的底面和下固定板和顶面。

所述的上感应线圈和下感应线圈分别被包裹在上感应线圈绝缘层、下感应线圈绝缘层的内腔中，上感应线圈绝缘层和下感应线圈绝缘层的内腔之间通过管道连通，上感应线圈绝缘层、下感应线圈绝缘层分别通过上固定螺杆、下固定螺杆固定于上固定板的底面和下固定板和顶面。

所述的循环水冷却系统包括设置在感应加热系统中的管道组件以及流通进水管、流通出水管、正电极、内绝缘套、金属套管、负电极、铜管、第一绝缘压套、固定法兰、第二绝缘压套、压紧圆螺母、密封件、电极绝缘压套、外接出水管、外接正电极板、外接进水管和外接负电极板；铜管外套装有用于和金属套管绝缘的第一绝缘压套，第一绝缘压套外套装有金属套管；金属套管中部通过第二绝缘压套和轴用密封圈密封套装在固定法兰的中心孔中，固定法兰固定于离心机的实验腔盖上，铜管、第一绝缘压套和金属套管的两端分别通过内绝缘套和密封件固定密封安装；铜管一端穿过内绝缘套后和流通出水管同轴对接，且在铜管一端穿过内绝缘套后的端部设置正电极；外接正电极板通过电极绝缘压套和铜管电连接，使得正电极直接经铜管后和外接正电极板电连接；铜管另一端和外接出水管对接，使得流通出水管直接经铜管和外接出水管流通；第一绝缘压套和金属套管之间具有环形管道间隙用于作为进水通道，进水通道一端经金属管道和流通进水管连通连接，流通进水管在端部附近设置负电极；外接负电极板通过压紧圆螺母和金属套管电连接，使得负电极依次经金属管道、金属套管后和外接负电极板电连接；金属套管在连接密封件的的一端管壁开设有通槽，通槽和外接进水管流通连接，使得流通进水管依次经金属管道、进水通道、通槽后和外接进水管流通。

所述的管道组件包括加热进水管、进水管密封套、加热出水管和出水管密封套；加热进水管、加热出水管的一端分别经进水管密封套、出水管密封套和流通进水管、流通出水管连接，加热进水管和加热出水管的另一端分别连通到感应加热系统中的上感应线圈和下感应线圈所在的内腔环境中，上感应线圈和下感应线圈所在的内腔环境相互连通。

所述的外接出水管和外接进水管分别连接到循环水机的进水口和出水口；所述的正电极和负电极分别电连接到上感应线圈和下感应线圈，所述的外接正电极板和外接负电极板分别连接到外部电源的正负极。

所述的控温系统包括热电偶、热电偶延长线、高速滑环、数据采集模块、数据转换传输模块和高频交流电源柜；所述的感应加热系统的上感应线圈和下感应线圈所正对应的测试试样表面上均固定设有热电偶，热电偶经热电偶延长线、高速滑环和数据采集模块连接，数据采集模块经数据转换传输模块和高频交流电源柜通信连接、高频交流电源柜和循环水冷却系统的外接正电极板、外接负电极板电连接。

由于加热系统在试件外通过感应加热，使得试件外表面温度会高于内部温度，产生屈服效应，试件里面温度低，外部温度高，这样试件各处的温度并不均匀，导致试件测试和试验的有效性大大降低，测试误差增大。

为了避免这样的问题，本实用新型才设计了校温装置，通过校温装置使得正式试验时的测试试样在被加热时能够温度分布均匀，各处温度均达到预设温度，误差不大于五摄氏度。

本实用新型的校温装置能够保证试件沿垂直离心力方向的温度均匀无梯度，沿离心力方向的温度可以不均匀有梯度。

本实用新型的有益效果是：

（1）解决了目前只能在高转速下设定感应加热温度，而无法准确校温的问题，本实用新型可以在高转速下将测试部件的局部加热温度进行设定，然后准确校温，并给出测试部件沿离心力方向的温度分布；

（2）校核试样的形状和安装校温热电偶间距与深度，可以根据需要进行调整，以满足不同结构部件的校温需要。

附图说明

图1是样品卡盘1的结构示意图；

图2是测试试样1.1的结构示意图；

图3是感应加热系统2的结构示意图；

图4是循环水冷却系统3的结构示意图；

图5是控温系统4的示意图；

图6是一种测试样品1.1的结构示意图；

图7是一种测试样品1.1的结构示意图；

图8是一种测试样品1.1的结构示意图；

图9是样品卡盘1、感应加热系统2在离心机上的安装示意图；

图10是校温试样5的结构示意图；

图11是测试试样1.1、校温试样5、样品卡盘1和感应加热系统2共同安装后的布局图。

图中：

样品卡盘1：测试试样1.1、卡槽1.2、法兰1.3；

质量块1.1.1、标矩段1.1.2、承力段1.1.3、装配榫头1.1.4；

感应加热系统2：上感应线圈2.1、上感应线圈绝缘层2.2、上固定板2.3、上固定螺杆2.4、下感应线圈2.5、下感应线圈绝缘层2.6、下固定板2.7、下固定螺杆2.8、连接杆2.9、螺帽2.10、加热进水管2.11、进水管密封套2.12、加热出水管2.13、出水管密封套2.14；

循环水冷却系统3：流通进水管3.1、连接螺母3.2、流通出水管3.3、连接螺母 3.4、正电极3.5、内绝缘套3.6、负电极3.8、铜管3.9、第一绝缘压套3.10、固定法兰3.11、固定螺杆3.12、轴用密封圈3.13、第二绝缘压套3.14、压紧圆螺母3.15、顶紧螺母3.16、绝缘件3.17、密封件3.18、电极绝缘压套3.19、密封螺母3.20、外接出水管3.21、外接正电极板3.22、外接进水管3.23和外接负电极板3.24；

控温系统4：热电偶4.1、热电偶延长线4.2、高速滑环4.3、数据采集模块4.4、控制软件4.5、数据转换传输模块4.6、高频交流电源柜4.7；

校温试样5：热电偶孔5-1、热电偶孔5-2、热电偶孔5-3、热电偶孔5-4、热电偶孔5-5、热电偶孔5-6、热电偶孔5-7。

实施方式

下面结合附图和具体实施对本实用新型作进一步说明。

如图9所示，装置包括样品卡盘1、感应加热系统2、循环水冷却系统3和控温系统4；样品卡盘1同轴安装在离心机的主轴上且随离心机的主轴同步旋转，样品卡盘1上安装测试试样1.1和校温试样5，感应加热系统2同轴安装在离心机上且不随离心机的主轴旋转而保持固定，感应加热系统2和循环水冷却系统3连接，控温系统4分别和循环水冷却系统3、测试试样1.1连接。

离心机为超重力离心机。

如图1所示，样品卡盘1的作用是用于安装测试试样且通过主轴与离心机相连，包括盘体、卡槽1.2和法兰1.3，盘体中心的两端同轴固定安装有法兰1.3，盘体通过法兰1.3和离心机的主轴同轴固定连接，盘体周围沿周向开设有多个卡槽1.2，多个卡槽1.2沿周向间隔布置，每个卡槽1.2用于安装一个测试试样1.1。

法兰1.3是用来将样品卡盘1与离心机主轴相连，实验时通过离心机主轴高速旋转带动样品卡盘1旋转，借此给测试试样1.1施加离心载荷。

卡槽1.2主要用来固定高速旋转的测试试样1.1，测试试样1.1的装配榫头1.1.4安装在卡槽1.2，使样品卡盘1在旋转时带动测试试样1.1一起旋转。

如图2所示，测试试样1.1是由测试性能的金属材料加工而成，呈条状，包括依次衔接的质量块1.1.1、标矩段1.1.2、承力段1.1.3和装配榫头1.1.4，质量块1.1.1、标矩段1.1.2、承力段1.1.3和装配榫头1.1.4均沿测试试样1.1的条状依次布置，具体地质量块1.1.1、标矩段1.1.2、承力段1.1.3和装配榫头1.1.4从样品卡盘1的卡槽1.2中径向向外依次布置，装配榫头1.1.4嵌装在样品卡盘1的卡槽1.2中。

具体实施中装配榫头1.1.4的宽度和样品卡盘1的卡槽1.2的槽宽均大于质量块1.1.1、标矩段1.1.2和承力段1.1.3的宽度，使得测试试样1.1在被样品卡盘1带动高速旋转时能够稳定嵌装定位。

质量块1.1.1用来在高转速下通过自身重量产生的离心力给标矩段1.1.3施加一个离心应力。质量块1.1.1的质量为m，有效半径为r，转速为ω，则质量快1.1.1产生的离心力F=mrω²。质量块1.1.1的重量m取决于实验条件下材料的断裂强度。

标距段1.1.2与质量块1.1.1相连，用来承载质量块1.1.1在高速旋转和高温下施加的离心应力和热应力载荷。标距段1.1.2的形状可以根据实际需要进行改变。

承力段1.1.3用来连接标距段1.1.2和装配榫头1.1.4。

根据实验需要，测试试样1.1可设计如图2、图6-图8的结构。

测试试样1.1的标距段1.1.2的中心布置有热电偶和应变片的其中之一或者两者。

如图10所示，校温试样5和测试试样1.1结构、形状、尺寸相同，不同的是在校温试样5内部开设有多个不同深度的热电偶孔，每个热电偶孔均沿样品卡盘1的盘体的径向开设布置，每个热电偶孔均安装有一个热电偶。

具体实施中，校温试样5在沿样品卡盘1的盘体径向的外端面上开设不同深度的热电偶孔5-1、热电偶孔5-2、热电偶孔5-3、热电偶孔5-4、热电偶孔5-5、热电偶孔5-6、热电偶孔5-7，每个热电偶孔均安装一个热电偶，热电偶装入热电偶孔内的底部。

为了校核校温试样5上A、B、C、D、E、F、G截面的温度，在校温试样5上打热电偶孔5-1、热电偶孔5-2、热电偶孔5-3、热电偶孔5-4、热电偶孔5-5、热电偶孔5-6、热电偶孔5-7分别对应A、B、C、D、E、F、G截面。校核时，将热电偶分别插入热电偶孔5-1、热电偶孔5-2、热电偶孔5-3、热电偶孔5-4、热电偶孔5-5、热电偶孔5-6、热电偶孔5-7，然后将热电偶与控温系统4相连。具体实验时，热电偶孔的数量和深度可调整。

如图3所示，感应加热系统2的作用是用于给高速旋转试样原位加热，给测试试样1.1指定区域施加温度载荷。包括上感应线圈2.1、上固定板2.3、下感应线圈2.5和下固定板2.7；上固定板2.3和下固定板2.7分别上下间隔平行地固定布置，具体实施中，离心机的主轴可旋转地穿过上固定板2.3布置。上固定板2.3和下固定板2.7之间的间隔中布置样品卡盘1；上固定板2.3和下固定板2.7之间通过连接杆2.9支撑固定，连接杆2.9外端设置螺帽2.10安装。环形的上感应线圈2.1和下感应线圈2.5分别通过上感应线圈绝缘层2.2、下感应线圈绝缘层2.6固定在上固定板2.3的底面和下固定板2.7和顶面。

上固定板2.3和下固定板2.7均为环形的板，上感应线圈2.1和下感应线圈2.5均为整体环形的线圈。

具体地，上感应线圈2.1和下感应线圈2.5分别被包裹在上感应线圈绝缘层2.2、下感应线圈绝缘层2.6的内腔中，上感应线圈绝缘层2.2和下感应线圈绝缘层2.6的内腔之间通过管道连通，上感应线圈绝缘层2.2、下感应线圈绝缘层2.6分别通过上固定螺杆2.4、下固定螺杆2.8固定于上固定板2.3的底面和下固定板2.7和顶面。

其中，上感应线圈2.1包裹在上感应线圈绝缘层2.2内部，防止导电，用于绝缘；然后通过上固定螺杆2.4将带有绝缘层的上感应线圈2.1固定在上固定板2.3，组成上感应线圈；下感应线圈2.5包裹在下感应线圈绝缘层2.6内部，也通过下固定螺杆2.8将带有绝缘层的下感应线圈2.5固定在下固定板2.7，组成下感应线圈；随后，上固定板2.3和下固定板2.7之间通过连接杆2.9和螺帽2.10组装在一起。

在通交流电情况下，放置在上感应线圈2.1、下感应线圈2.5之间的金属材料在交变磁场作用下产生感应电流I（或涡流），涡流通过有电阻的导体产生热，在通过热传导的方式加热金属材料，其中感应电流I产生的焦耳热Q=I²Rt（R为金属材料的电阻，t为时间），感应加热过程中，通过调节交流电频率f、试样距离上感应线圈2.1与下感应线圈2.5之间的距离、加热功率来控制加热温度。

如图4所示，循环水冷却系统3的作用是用于给感应加热系统2中上感应线圈2.1和下感应线圈2.5中的铜管冷却。包括设置在感应加热系统2中的管道组件以及流通进水管3.1、流通出水管3.3、正电极3.5、内绝缘套3.6、金属套管3.7、负电极3.8、铜管3.9、第一绝缘压套3.10、固定法兰3.11、第二绝缘压套3.14、压紧圆螺母3.15、密封件3.18、电极绝缘压套3.19、外接出水管3.21、外接正电极板3.22、外接进水管3.23和外接负电极板3.24；

铜管3.9外径向向外依次同轴套装设有第一绝缘压套3.10和金属套管3.7，铜管3.9外固定同轴套装有用于和金属套管3.7绝缘的第一绝缘压套3.10，第一绝缘压套3.10外同轴套装有金属套管3.7，这样铜管3.9和金属套管3.7之间保持绝缘；金属套管3.7中部通过第二绝缘压套3.14和轴用密封圈3.13密封套装在固定法兰3.11的中心孔中，固定法兰3.11通过固定螺杆3.12固定于离心机的实验腔盖上，铜管3.9、第一绝缘压套3.10和金属套管3.7的两端分别通过内绝缘套3.6和密封件3.18固定密封安装，通过内绝缘套3.6和密封件3.18绝缘和防止漏水；

铜管3.9一端穿过内绝缘套3.6后和流通出水管3.3同轴对接，且在铜管3.9一端穿过内绝缘套3.6后的端部设置正电极3.5；外接正电极板3.22通过多个电极绝缘压套3.19和铜管3.9电连接，具体地，至少两个电极绝缘压套3.19通过螺纹套装铜管3.9的外螺纹上，其中相邻两个电极绝缘压套3.19之间被压紧安装有外接正电极板3.22，外接正电极板3.22穿过相邻两个电极绝缘压套3.19之间的间隙和外接正电极板3.22保持电连接。这样使得正电极3.5直接经铜管3.9后和外接正电极板3.22电连接；

铜管3.9另一端通过密封螺母3.20和外接出水管3.21对接，这样使得流通出水管3.3直接经铜管3.9和外接出水管3.21流通；

第一绝缘压套3.10和金属套管3.7之间具有环形管道间隙用于作为进水通道，进水通道在靠近内绝缘套3.6的一端经金属管道和流通进水管3.1连通连接，流通进水管3.1在端部附近设置负电极3.8；外接负电极板3.24通过多个压紧圆螺母3.15和金属套管3.7电连接，具体地，至少两个压紧圆螺母3.15通过螺纹套装金属套管3.7的外螺纹上，其中相邻两个压紧圆螺母3.15之间被压紧安装有外接负电极板3.24，外接负电极板3.24穿过相邻两个压紧圆螺母3.15之间的间隙和外接负电极板3.24保持电连接。这样使得负电极3.8依次经金属管道、金属套管3.7后和外接负电极板3.24电连接；

金属套管3.7在连接密封件3.18的、设置外接正电极板3.22和外接负电极板3.24之间的一端管壁开设有通槽，通槽和外接进水管3.23流通连接，具体地，通槽周围的金属套管3.7上通过顶紧螺母3.16套装绝缘件3.17，外接进水管3.23穿过绝缘件3.17上的通孔和通槽连通；这样使得流通进水管3.1依次经金属管道、进水通道、通槽后和外接进水管3.23流通；

其中更具体地，铜管3.9是一根空心长铜管，外周安装第一绝缘压套3.10用于绝缘，安装密封圈可用于防止实验腔体漏气。

流通进水管3.1通过连接螺母3.2与感应加热系统2的加热进水管2.11连接；流通出水管3.3通过连接螺母3.4与感应加热系统2的加热出水管2.13连接；正电极3.5安装在流通出水管3.3外周，确保冷却水能够冷却到正电极3.5；负电极3.8安装在流通进水管3.1外周，确保冷却水能够冷却到负电极3.8。

金属套管3.7外通过法兰3.11用6个固定螺杆3.12安装在实验腔的腔盖上，然后通过轴用密封圈3.13防止漏气，用第二绝缘压套3.14绝缘防止漏电；在第二绝缘压套3.14上面，通过三个压紧圆螺母3.15固定安装外接负电极板3.24；通过顶紧螺母3.16、绝缘件3.17使外接进水管3.23与铜管3.9的通槽联通，且通过顶紧螺母3.16方便更换或维修外接进水管3.23，绝缘件3.17防止电机漏电；在密封件3.18上面，通过电极绝缘压套3.19固定外接正电极板3.22；在电极绝缘压套3.19上面，通过密封螺母3.20使外接出水管3.21与流通出水管3.3的铜管联通。

管道组件包括加热进水管2.11、进水管密封套2.12、加热出水管2.13和出水管密封套2.14；加热进水管2.11、加热出水管2.13的一端分别经进水管密封套2.12、出水管密封套2.14和流通进水管3.1、流通出水管3.3连接，加热进水管2.11和加热出水管2.13的另一端分别连通到感应加热系统2中的上感应线圈2.1和下感应线圈2.5所在的内腔环境中，上感应线圈2.1和下感应线圈2.5所在的内腔环境相互连通。

具体地，加热进水管2.11的另一端分别经进水管密封套2.12、连接螺母3.2和流通进水管3.1连接，加热出水管2.13的另一端分别经出水管密封套2.14、连接螺母3.4和流通出水管3.3连接。

外接出水管3.21和外接进水管3.23分别连接到循环水机的进水口和出水口；具体实施中，外接出水管3.21与循环水机进水管连接，外接进水管3.23与循环水机出水管连接，组成一个封闭的循环水冷却系统，给感应加热系统2降温。

正电极3.5和负电极3.8分别电连接到上感应线圈2.1和下感应线圈2.5，外接正电极板3.22和外接负电极板3.24分别连接到外部电源的正负极。具体实施中，外接正电极板3.22与作为交流电源的高频交流电源柜4.7的正极连接，外接负电极板3.24与作为交流电源的高频交流电源柜4.7的负极连接，组成一个闭环电路，给感应加热系统2提供电源。

上感应线圈2.1所在的内腔与加热进水管2.11连接，加热进水管2.11通过进水管密封套2.12与循环水冷却系统3的流通进水管3.1连接；下感应线圈2.5所在的内腔与加热出水管2.13连接，加热出水管2.13通过与出水管密封套2.14与循环水冷却系统3的流通出水管3.3连接，通过冷却系统3提供的冷却水给铜管降温。

如图5所示，控温系统4的作用是用于通过控制感应电源加热功率，确保给测试试样1.1加热到预定温度且保持该温度直到实验结束。包括热电偶4.1、热电偶延长线4.2、高速滑环4.3、数据采集模块4.4、数据转换传输模块4.6和高频交流电源柜4.7；感应加热系统2的上感应线圈2.1和下感应线圈2.5所正对应的测试试样1.1表面上均固定设有热电偶4.1，热电偶4.1经热电偶延长线4.2、高速滑环4.3和数据采集模块4.4连接，热电偶延长线4.2穿设过样品卡盘1的盘体、离心机的主轴后和高速滑环4.3电连接，高速滑环4.3布置在离心机的主轴上，数据采集模块4.4经数据转换传输模块4.6和高频交流电源柜4.7通信连接、高频交流电源柜4.7和循环水机、循环水冷却系统3的外接正电极板3.22、外接负电极板3.24电连接。

具体实施中还设置控制软件4.5，控制软件4.5分别和数据采集模块4.4、数据转换传输模块4.6连接。

实验时热电偶4.1焊接在上感应线圈2.1和下感应线圈2.5对应测试试样1.1的中心部位，然后将热电偶4.1通过热电偶延长线4.2通过离心机空心主轴与高速滑环4.3相连，再通过导线与数据采集模块4.4、控制软件4.5、数据转换传输模块4.6相连，最后将控制信号线与高频交流电源柜4.7相连，组成一个温度调控系统。

本实用新型还设计不同的试样，以更好地进行试件金属材料的力学性能测试。

第一种测试试样1.1的结构，见图2，为凹槽试样及其相关类似结构；

第二种测试试样1.1的结构，见图6，为平板试样及其相关类似结构；

第三种测试试样1.1的结构，见图7，为圆棒试样及其相关类似结构；

第四种测试试样1.1的结构，见图8，结构梯度试样及其相关类似结构。

本实用新型具体实施过程如下：

第一步：根据实验条件确定离心机的主轴转速和轮盘半径；

第二步：确定测试试样1.1中质量块1.1.1的尺寸和重量、标距段1.1.2的尺寸和几何中心；

第三步：确定试验温度和标距段1.1.2几何中心施加的离心应力，进而通过有限元计算确定标距段1.1.2的几何中心的离心应力对应的转速，确定标距段1.1.2几何中心到离心机的主轴中心之间的距离；

第四步：按照第三步的距离在样品卡盘1的一个卡槽1.2中安装一个测试试样1.1和其余卡槽1.2中安装测试试样1.1，如图11所示，在测试试样1.1旁边安装校温试样5；在校温试样5的各个热电偶孔中均插入热电偶，且在测试试样1.1和校温试样5的标距段1.1.2几何中心位置焊接均固定上各自的控温热电偶4.1，控温热电偶4.1经温度延长导线4.2与控温系统4相连；

校温试样5和测试试样1.1在相同的环境下，认为校核试样5中获得的温度分布与测试试样1.1的温度分布相同。

第五步：在不启动离心机情况下，样品卡盘1及其上面的测试试样1.1和校温试样5均保持静止，对离心机内部的环境进行抽真空，然后启动感应加热系统2、循环水冷却系统3和控温系统4，通过控温系统4控制感应加热系统2、循环水冷却系统3工作对测试试样1.1和校温试样5施加温度载荷，待温度到达预定温度后并保温一段时间30min；

通过测试试样1.1和校温试样5的控温热电偶4.1以及校温试样5的各个热电偶孔中的热电偶测量获得温度随时间变化的温度数据进行分析处理获得正式试验测量时的上感应线圈2.1和下感应线圈2.5的通电电流、电流交变频率和功率以及上感应线圈2.1和下感应线圈2.5之间的间距的参数；

第六步：从样品卡盘1的卡槽1.2上撤下校温试样5、换上测试试样1.1，使得样品卡盘1的每个卡槽1.2中均安装测试试样1.1，再启动离心机，使离心机的主轴旋转且转速达到离心应力对应的转速，按照第五步获得的参数控制上感应线圈2.1和下感应线圈2.5之间的间距和通电电流、电流交变频率和功率，保持参数不变，直到测试试样1.1被拉断断裂。

Claims (9)

1.一种高转速-高温作用下离心机原位加热的校温装置，其特征在于：

装置包括样品卡盘（1）、感应加热系统（2）、循环水冷却系统（3）和控温系统（4）；所述的样品卡盘（1）同轴安装在离心机的主轴上且随离心机的主轴同步旋转，所述的样品卡盘（1）上安装测试试样（1.1）和校温试样（5），感应加热系统（2）同轴安装在离心机上且不随离心机的主轴旋转，感应加热系统（2）和循环水冷却系统（3）连接，控温系统（4）分别和循环水冷却系统（3）、测试试样（1.1）连接。

2.根据权利要求1所述的一种高转速-高温作用下离心机原位加热的校温装置，其特征在于：所述的样品卡盘（1）包括盘体、卡槽（1.2）和法兰（1.3），盘体中心的两端同轴安装有法兰（1.3），盘体通过法兰（1.3）和离心机的主轴同轴固定连接，盘体周围沿周向开设有多个卡槽（1.2），多个卡槽（1.2）沿周向间隔布置，每个卡槽（1.2）用于安装一个测试试样（1.1）。

3.根据权利要求1所述的一种高转速-高温作用下离心机原位加热的校温装置，其特征在于：所述的测试试样（1.1）呈条状，包括依次衔接的质量块（1.1.1）、标矩段（1.1.2）、承力段（1.1.3）和装配榫头（1.1.4），质量块（1.1.1）、标矩段（1.1.2）、承力段（1.1.3）和装配榫头（1.1.4）均沿测试试样（1.1）的条状依次布置，装配榫头（1.1.4）嵌装在样品卡盘（1）的卡槽（1.2）中。

4.根据权利要求1所述的一种高转速-高温作用下离心机原位加热的校温装置，其特征在于：所述的校温试样（5）和测试试样（1.1）结构、形状、尺寸相同，不同的是在所述的校温试样（5）内部开设有多个不同深度的热电偶孔，每个热电偶孔均沿样品卡盘（1）的盘体的径向开设布置，每个热电偶孔均安装有一个热电偶。

5.根据权利要求1所述的一种高转速-高温作用下离心机原位加热的校温装置，其特征在于：所述的感应加热系统（2）包括上感应线圈（2.1）、上固定板（2.3）、下感应线圈（2.5）和下固定板（2.7）；上固定板（2.3）和下固定板（2.7）分别上下间隔平行地固定布置，上固定板（2.3）和下固定板（2.7）之间的间隔中布置样品卡盘（1）；环形的上感应线圈（2.1）和下感应线圈（2.5）分别通过上感应线圈绝缘层（2.2）、下感应线圈绝缘层（2.6）固定在上固定板（2.3）的底面和下固定板（2.7）和顶面。

6.根据权利要求5所述的一种高转速-高温作用下离心机原位加热的校温装置，其特征在于：所述的上感应线圈（2.1）和下感应线圈（2.5）分别被包裹在上感应线圈绝缘层（2.2）、下感应线圈绝缘层（2.6）的内腔中，上感应线圈绝缘层（2.2）和下感应线圈绝缘层（2.6）的内腔之间通过管道连通，上感应线圈绝缘层（2.2）、下感应线圈绝缘层（2.6）分别通过上固定螺杆（2.4）、下固定螺杆（2.8）固定于上固定板（2.3）的底面和下固定板（2.7）和顶面。

7.根据权利要求1所述的一种高转速-高温作用下离心机原位加热的校温装置，其特征在于：所述的循环水冷却系统（3）包括设置在感应加热系统（2）中的管道组件以及流通进水管（3.1）、流通出水管（3.3）、正电极（3.5）、内绝缘套（3.6）、金属套管（3.7）、负电极（3.8）、铜管（3.9）、第一绝缘压套（3.10）、固定法兰（3.11）、第二绝缘压套（3.14）、压紧圆螺母（3.15）、密封件（3.18）、电极绝缘压套（3.19）、外接出水管（3.21）、外接正电极板（3.22）、外接进水管（3.23）和外接负电极板（3.24）；铜管（3.9）外套装有用于和金属套管（3.7）绝缘的第一绝缘压套（3.10），第一绝缘压套（3.10）外套装有金属套管（3.7）；金属套管（3.7）中部通过第二绝缘压套（3.14）和轴用密封圈（3.13）密封套装在固定法兰（3.11）的中心孔中，固定法兰（3.11）固定于离心机的实验腔盖上，铜管（3.9）、第一绝缘压套（3.10）和金属套管（3.7）的两端分别通过内绝缘套（3.6）和密封件（3.18）固定密封安装；铜管（3.9）一端穿过内绝缘套（3.6）后和流通出水管（3.3）同轴对接，且在铜管（3.9）一端穿过内绝缘套（3.6）后的端部设置正电极（3.5）；外接正电极板（3.22）通过电极绝缘压套（3.19）和铜管（3.9）电连接，使得正电极（3.5）直接经铜管（3.9）后和外接正电极板（3.22）电连接；铜管（3.9）另一端和外接出水管（3.21）对接，使得流通出水管（3.3）直接经铜管（3.9）和外接出水管（3.21）流通；第一绝缘压套（3.10）和金属套管（3.7）之间具有环形管道间隙用于作为进水通道，进水通道一端经金属管道和流通进水管（3.1）连通连接，流通进水管（3.1）在端部附近设置负电极（3.8）；外接负电极板（3.24）通过压紧圆螺母（3.15）和金属套管（3.7）电连接，使得负电极（3.8）依次经金属管道、金属套管（3.7）后和外接负电极板（3.24）电连接；金属套管（3.7）在连接密封件（3.18）的一端管壁开设有通槽，通槽和外接进水管（3.23）流通连接，使得流通进水管（3.1）依次经金属管道、进水通道、通槽后和外接进水管（3.23）流通；

所述的管道组件包括加热进水管（2.11）、进水管密封套（2.12）、加热出水管（2.13）和出水管密封套（2.14）；加热进水管（2.11）、加热出水管（2.13）的一端分别经进水管密封套（2.12）、出水管密封套（2.14）和流通进水管（3.1）、流通出水管（3.3）连接，加热进水管（2.11）和加热出水管（2.13）的另一端分别连通到感应加热系统（2）中的上感应线圈（2.1）和下感应线圈（2.5）所在的内腔环境中，上感应线圈（2.1）和下感应线圈（2.5）所在的内腔环境相互连通。

8.根据权利要求7所述的一种高转速-高温作用下离心机原位加热的校温装置，其特征在于：所述的外接出水管（3.21）和外接进水管（3.23）分别连接到循环水机的进水口和出水口；所述的正电极（3.5）和负电极（3.8）分别电连接到上感应线圈（2.1）和下感应线圈（2.5），所述的外接正电极板（3.22）和外接负电极板（3.24）分别连接到外部电源的正负极。

9.根据权利要求1所述的一种高转速-高温作用下离心机原位加热的校温装置，其特征在于：所述的控温系统（4）包括热电偶（4.1）、热电偶延长线（4.2）、高速滑环（4.3）、数据采集模块（4.4）、数据转换传输模块（4.6）和高频交流电源柜（4.7）；所述的感应加热系统（2）的上感应线圈（2.1）和下感应线圈（2.5）所正对应的测试试样（1.1）表面上均固定设有热电偶（4.1），热电偶（4.1）经热电偶延长线（4.2）、高速滑环（4.3）和数据采集模块（4.4）连接，数据采集模块（4.4）经数据转换传输模块（4.6）和高频交流电源柜（4.7）通信连接、高频交流电源柜（4.7）和循环水冷却系统（3）的外接正电极板（3.22）、外接负电极板（3.24）电连接。