环境废气可控的高温热疲劳试验机的原理及设计

今天为大家介绍一项国家发明授权专利——环境废气可控的高温热疲劳试验机。该专利由上海大学申请，并于2018年7月31日获得授权公告。

内容说明

本发明涉及一种疲劳试验机，特别是涉及一种高温热疲劳试验机，应用于材料的热疲劳性能实验技术领域。

发明背景

热疲劳是指材料零部件或者构件被反复加热和冷却时，由于自由膨胀或者收缩受到约束其内部产生交变热应力，在此交变热应力反复作用下导致材料龟裂而破坏的现象。

由于汽车尾气排放的日益加剧和世界能源的紧缺，汽车在安全、节能、环保、轻量化、小型化等方面的要求越来越高，因此对汽车尾气的排放的标准也要求越来越高，导致汽车排气系统高温端热疲劳也越来越严重，寻找更高服役温度的不锈钢在汽车排气系统中尤为突出。所以开展相关材料的高温热疲劳性能的研究是非常有必要的。

虽然热疲劳现象受到普遍关注，国内外对热疲劳试验方法作了不少研究，已制定了一些试验规范，但到目前为止还没有国际上公认的标准试验方法。在我国，对热疲劳的研究也有很多方法，但都没得到一致认可，而且长期以来对材料热疲劳性能的评价主要集中在航空领域，其它行业的并不多见。国际上相关领域的情况也大体相同，因此尚无专门针对汽车排气歧管材料工况的测试标准，一般可以借鉴的是日本JFE和UGINE&ALZ的相关报道。

实际的排气歧管从结构看为薄壁管件，形式较复杂，有较多的弯曲。从受力情况分析其应力状态不是单纯的拉压，而是包含弯曲分量。因此相比于日本JFE公司的圆棒状试样，UGINE&ALZ采用预制出“V”型弯的板状试样更接近实际状态。但是UGINE&ALZ采用固定夹持，约束系数不能进行调节，其约束率始终为1，且没有模拟废气环境下对试样热疲劳的影响，而由于燃料中含有如硫、钾、钠、钒等杂质，在燃烧时形成如SO2、SO3、H2S、V2O5、CO、CO2等气体会导致疲劳寿命的改变，因此模拟废气环境下高温热疲劳实验具有重要的现实意义。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明提供一种环境废气可控的高温热疲劳试验机，具有试样约束系数可调且可以模拟可控高温废气下高温热疲劳的试验机功能，能使试样在更加接近实际情况下，利用可以前后调节的装置来控制试样的约束系数，同时通入各组分的废气，通过循环加热和降温模拟高温热疲劳试验，满足对更精确的材料性能检测的要求，为结构材料和功能材料的设计开发提供有力的实验测试分析保证。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种环境废气可控的高温热疲劳试验机，主要包括工作台机架、试样夹具系统、加热控制系统，还包括模拟废气环境系统，模拟废气环境系统包括废气反应室、废气输送管、废气源、气体加热器和气体流量计，将待测的V型试样设置于废气反应室中，使V型试样的中部“V”型弯部分完全设置于废气反应室内，使V型试样的两端分别从废气反应室两端的反应室外壁的孔中穿出，废气源通过废气输送管将废气输送到废气反应室中，并通过主控制器控制气体加热器对进入废气反应室之前的废气进行加热，并利用气体流量计计量进入废气反应室的废气流量，使废气在V型试样表面进行流动，气体流量计与主控制器信号连接，由主控制器控制废气输送到废气反应室的流量。

工作台机架上设有底板，在底板上设有试样夹具系统，将V型试样的两端安装到试样夹具上，试样夹具包括夹具固定夹持部和夹具可移动夹持部，夹具固定夹持部主要由试样支撑块和试样固定压紧块组成夹持结构，通过螺杆将夹具固定夹持部固定安装在底板上，将V型试样的固定端夹紧固定在试样支撑块和试样固定压紧块之间，夹具可移动夹持部主要由试样移动支撑块和随动试样固定压紧块组成动夹持结构，底板上的试样移动支撑块和试样支撑块设置在在同一高度上，将V型试样的非固定端夹紧固定在试样移动支撑块和随动试样固定压紧块之间，通过夹具可移动夹持部相对于夹具固定夹持部之间的位移变化，向V型试样的非固定端施加拉力或压力，从而调整对V型试样的不同约束系数，试样移动支撑块沿着底板的设定轨迹进行移动。

加热控制系统主要由主控制器、气体加热器、电源、热电偶传感器和温度控制仪组成，采用铜导线将V型试样的两端分别与电源进行电连接，温度控制仪与热电偶传感器信号连接，热电偶传感器的测试端对V型试样的“V”型弯部分进行温度检测，感知V型试样的温度，温度控制仪接收来自热电偶传感器的检测信号，经过判断后，温度控制仪通过控制电源，并通过铜导线向V型试样施加大电流，对V型试样进行加热升温，在电源上还装有记录加热冷却次数的计数器，应用于热疲劳实验的试样机工作步骤由主控制器进行控制和设置，计数器和温度控制仪分别与主控制器信号连接。

作为本发明优选的技术方案，使V型试样在模拟实际气氛和热环境情况下，利用能进行位移调节的夹具可移动夹持部控制V型试样的约束系数，同时向气体加热器内通入各组分的废气，通过循环加热和降温模拟高温热疲劳试验。电源采用直流加热电源，还设有旁路风冷装置，电源为旁路风冷装置供电，当试样机进行热疲劳实验的保温步骤结束时，该旁路风冷装置立刻对废气反应室进行风冷降温，从而使者置于废气反应室内的V型试样进行降温。试样支撑块、和试样固定压紧块、试样移动支撑块和随动试样固定压紧块的材料为金属铜，并在试样支撑块、和试样固定压紧块、试样移动支撑块和随动试样固定压紧块中的任意一个模块或者任意多个模块中设有液冷管路，冷却液管与模块表面上的液冷孔连通，形成液冷管路，使试样夹具作为换热装置，对其所夹持的V型试样进行降温。

作为本发明优选的技术方案，在底板上设有直线轨道或直线导槽，使试样移动支撑块沿着底板的进行直线轨迹进退移动。作为本发明更优选的技术方案，在底板上设有至少两条平行的直线细导轨，使试样移动支撑块沿着底板的进行直线滑动。废气源采用废气瓶，在废气瓶和废气反应室之间的废气输送管上连通集气瓶，作为废气加热区装置，气体加热器对集气瓶进行加热，使经过加热后废气瓶流经集气瓶后再向废气反应室输送。底板通过螺栓固定在带有垫块的绝缘板上，绝缘板固定在铁架台上。

作为本发明优选的技术方案，在试样移动支撑块上固定设置挡板，在底板上固定设置两块动夹板，使试样移动支撑块沿着底板进行移动时，使挡板始终在两块动夹板之间移动，形成限位装置，从而控制试样移动支撑块移动的距离范围。试样支撑块和试样固定压紧块该通过挡杆和固定支撑杆进行辅助固定，挡杆固定安装在底板上，其中固定支撑杆设置于挡杆和试样固定压紧块之间，对试样固定压紧块进行横向固定。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：1.相比于UGINE&ALZ公司设计的试验装置，本发明通过调节动夹板之间的距离，控制试样支撑块上的挡板移动的距离，进而改变试样在热疲劳试验中的约束系数，实现不同约束系数对热疲劳试验影响的研究；2.本发明采用气体加热器对气体进行加热后，通过导管模拟废气环境下的热疲劳试验，能探讨废气对试样热疲劳寿命的影响，环境废气可控，能进行多种高温热疲劳试验，满足材料在多种工况环境下服役的能力的检测，为材料的使用条件提供更多评估方法；3.本发明实验装置结构简单，设计合理，可以实现汽车高温段热疲劳实验，并对试样寿命进行评估，本发明提供了试样约束系数可调且可以模拟高温废气下高温热疲劳试验机，使试样在更加接近实际情况进行研究，所以本发明在汽车用高温段热疲劳应用领域具有广阔的应用前景。