今天為大家介紹一項(xiàng)國(guó)家發(fā)明授權(quán)專(zhuān)利——環(huán)境廢氣可控的高溫?zé)崞谠囼?yàn)機(jī)。該專(zhuān)利由上海大學(xué)申請(qǐng)，并于2018年7月31日獲得授權(quán)公告。

內(nèi)容說(shuō)明

本發(fā)明涉及一種疲勞試驗(yàn)機(jī)，特別是涉及一種高溫?zé)崞谠囼?yàn)機(jī)，應(yīng)用于材料的熱疲勞性能實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域。

發(fā)明背景

熱疲勞是指材料零部件或者構(gòu)件被反復(fù)加熱和冷卻時(shí)，由于自由膨脹或者收縮受到約束其內(nèi)部產(chǎn)生交變熱應(yīng)力，在此交變熱應(yīng)力反復(fù)作用下導(dǎo)致材料龜裂而破壞的現(xiàn)象。

由于汽車(chē)尾氣排放的日益加劇和世界能源的緊缺，汽車(chē)在安全、節(jié)能、環(huán)保、輕量化、小型化等方面的要求越來(lái)越高，因此對(duì)汽車(chē)尾氣的排放的標(biāo)準(zhǔn)也要求越來(lái)越高，導(dǎo)致汽車(chē)排氣系統(tǒng)高溫端熱疲勞也越來(lái)越嚴(yán)重，尋找更高服役溫度的不銹鋼在汽車(chē)排氣系統(tǒng)中尤為突出。所以開(kāi)展相關(guān)材料的高溫?zé)崞谛阅艿难芯渴欠浅Ｓ斜匾摹?/p>

雖然熱疲勞現(xiàn)象受到普遍關(guān)注，國(guó)內(nèi)外對(duì)熱疲勞試驗(yàn)方法作了不少研究，已制定了一些試驗(yàn)規(guī)范，但到目前為止還沒(méi)有國(guó)際上公認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法。在我國(guó)，對(duì)熱疲勞的研究也有很多方法，但都沒(méi)得到一致認(rèn)可，而且長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)材料熱疲勞性能的評(píng)價(jià)主要集中在航空領(lǐng)域，其它行業(yè)的并不多見(jiàn)。國(guó)際上相關(guān)領(lǐng)域的情況也大體相同，因此尚無(wú)專(zhuān)門(mén)針對(duì)汽車(chē)排氣歧管材料工況的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，一般可以借鑒的是日本JFE和UGINE&ALZ的相關(guān)報(bào)道。

實(shí)際的排氣歧管從結(jié)構(gòu)看為薄壁管件，形式較復(fù)雜，有較多的彎曲。從受力情況分析其應(yīng)力狀態(tài)不是單純的拉壓，而是包含彎曲分量。因此相比于日本JFE公司的圓棒狀試樣，UGINE&ALZ采用預(yù)制出“V”型彎的板狀試樣更接近實(shí)際狀態(tài)。但是UGINE&ALZ采用固定夾持，約束系數(shù)不能進(jìn)行調(diào)節(jié)，其約束率始終為1，且沒(méi)有模擬廢氣環(huán)境下對(duì)試樣熱疲勞的影響，而由于燃料中含有如硫、鉀、鈉、釩等雜質(zhì)，在燃燒時(shí)形成如SO2、SO3、H2S、V2O5、CO、CO2等氣體會(huì)導(dǎo)致疲勞壽命的改變，因此模擬廢氣環(huán)境下高溫?zé)崞趯?shí)驗(yàn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決現(xiàn)有技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種環(huán)境廢氣可控的高溫?zé)崞谠囼?yàn)機(jī)，具有試樣約束系數(shù)可調(diào)且可以模擬可控高溫廢氣下高溫?zé)崞诘脑囼?yàn)機(jī)功能，能使試樣在更加接近實(shí)際情況下，利用可以前后調(diào)節(jié)的裝置來(lái)控制試樣的約束系數(shù)，同時(shí)通入各組分的廢氣，通過(guò)循環(huán)加熱和降溫模擬高溫?zé)崞谠囼?yàn)，滿(mǎn)足對(duì)更精確的材料性能檢測(cè)的要求，為結(jié)構(gòu)材料和功能材料的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供有力的實(shí)驗(yàn)測(cè)試分析保證。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：一種環(huán)境廢氣可控的高溫?zé)崞谠囼?yàn)機(jī)，主要包括工作臺(tái)機(jī)架、試樣夾具系統(tǒng)、加熱控制系統(tǒng)，還包括模擬廢氣環(huán)境系統(tǒng)，模擬廢氣環(huán)境系統(tǒng)包括廢氣反應(yīng)室、廢氣輸送管、廢氣源、氣體加熱器和氣體流量計(jì)，將待測(cè)的V型試樣設(shè)置于廢氣反應(yīng)室中，使V型試樣的中部“V”型彎部分完全設(shè)置于廢氣反應(yīng)室內(nèi)，使V型試樣的兩端分別從廢氣反應(yīng)室兩端的反應(yīng)室外壁的孔中穿出，廢氣源通過(guò)廢氣輸送管將廢氣輸送到廢氣反應(yīng)室中，并通過(guò)主控制器控制氣體加熱器對(duì)進(jìn)入廢氣反應(yīng)室之前的廢氣進(jìn)行加熱，并利用氣體流量計(jì)計(jì)量進(jìn)入廢氣反應(yīng)室的廢氣流量，使廢氣在V型試樣表面進(jìn)行流動(dòng)，氣體流量計(jì)與主控制器信號(hào)連接，由主控制器控制廢氣輸送到廢氣反應(yīng)室的流量。

工作臺(tái)機(jī)架上設(shè)有底板，在底板上設(shè)有試樣夾具系統(tǒng)，將V型試樣的兩端安裝到試樣夾具上，試樣夾具包括夾具固定夾持部和夾具可移動(dòng)夾持部，夾具固定夾持部主要由試樣支撐塊和試樣固定壓緊塊組成夾持結(jié)構(gòu)，通過(guò)螺桿將夾具固定夾持部固定安裝在底板上，將V型試樣的固定端夾緊固定在試樣支撐塊和試樣固定壓緊塊之間，夾具可移動(dòng)夾持部主要由試樣移動(dòng)支撐塊和隨動(dòng)試樣固定壓緊塊組成動(dòng)夾持結(jié)構(gòu)，底板上的試樣移動(dòng)支撐塊和試樣支撐塊設(shè)置在在同一高度上，將V型試樣的非固定端夾緊固定在試樣移動(dòng)支撐塊和隨動(dòng)試樣固定壓緊塊之間，通過(guò)夾具可移動(dòng)夾持部相對(duì)于夾具固定夾持部之間的位移變化，向V型試樣的非固定端施加拉力或壓力，從而調(diào)整對(duì)V型試樣的不同約束系數(shù)，試樣移動(dòng)支撐塊沿著底板的設(shè)定軌跡進(jìn)行移動(dòng)。

加熱控制系統(tǒng)主要由主控制器、氣體加熱器、電源、熱電偶傳感器和溫度控制儀組成，采用銅導(dǎo)線(xiàn)將V型試樣的兩端分別與電源進(jìn)行電連接，溫度控制儀與熱電偶傳感器信號(hào)連接，熱電偶傳感器的測(cè)試端對(duì)V型試樣的“V”型彎部分進(jìn)行溫度檢測(cè)，感知V型試樣的溫度，溫度控制儀接收來(lái)自熱電偶傳感器的檢測(cè)信號(hào)，經(jīng)過(guò)判斷后，溫度控制儀通過(guò)控制電源，并通過(guò)銅導(dǎo)線(xiàn)向V型試樣施加大電流，對(duì)V型試樣進(jìn)行加熱升溫，在電源上還裝有記錄加熱冷卻次數(shù)的計(jì)數(shù)器，應(yīng)用于熱疲勞實(shí)驗(yàn)的試樣機(jī)工作步驟由主控制器進(jìn)行控制和設(shè)置，計(jì)數(shù)器和溫度控制儀分別與主控制器信號(hào)連接。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，使V型試樣在模擬實(shí)際氣氛和熱環(huán)境情況下，利用能進(jìn)行位移調(diào)節(jié)的夾具可移動(dòng)夾持部控制V型試樣的約束系數(shù)，同時(shí)向氣體加熱器內(nèi)通入各組分的廢氣，通過(guò)循環(huán)加熱和降溫模擬高溫?zé)崞谠囼?yàn)。電源采用直流加熱電源，還設(shè)有旁路風(fēng)冷裝置，電源為旁路風(fēng)冷裝置供電，當(dāng)試樣機(jī)進(jìn)行熱疲勞實(shí)驗(yàn)的保溫步驟結(jié)束時(shí)，該旁路風(fēng)冷裝置立刻對(duì)廢氣反應(yīng)室進(jìn)行風(fēng)冷降溫，從而使者置于廢氣反應(yīng)室內(nèi)的V型試樣進(jìn)行降溫。試樣支撐塊、和試樣固定壓緊塊、試樣移動(dòng)支撐塊和隨動(dòng)試樣固定壓緊塊的材料為金屬銅，并在試樣支撐塊、和試樣固定壓緊塊、試樣移動(dòng)支撐塊和隨動(dòng)試樣固定壓緊塊中的任意一個(gè)模塊或者任意多個(gè)模塊中設(shè)有液冷管路，冷卻液管與模塊表面上的液冷孔連通，形成液冷管路，使試樣夾具作為換熱裝置，對(duì)其所夾持的V型試樣進(jìn)行降溫。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，在底板上設(shè)有直線(xiàn)軌道或直線(xiàn)導(dǎo)槽，使試樣移動(dòng)支撐塊沿著底板的進(jìn)行直線(xiàn)軌跡進(jìn)退移動(dòng)。作為本發(fā)明更優(yōu)選的技術(shù)方案，在底板上設(shè)有至少兩條平行的直線(xiàn)細(xì)導(dǎo)軌，使試樣移動(dòng)支撐塊沿著底板的進(jìn)行直線(xiàn)滑動(dòng)。廢氣源采用廢氣瓶，在廢氣瓶和廢氣反應(yīng)室之間的廢氣輸送管上連通集氣瓶，作為廢氣加熱區(qū)裝置，氣體加熱器對(duì)集氣瓶進(jìn)行加熱，使經(jīng)過(guò)加熱后廢氣瓶流經(jīng)集氣瓶后再向廢氣反應(yīng)室輸送。底板通過(guò)螺栓固定在帶有墊塊的絕緣板上，絕緣板固定在鐵架臺(tái)上。

作為本發(fā)明優(yōu)選的技術(shù)方案，在試樣移動(dòng)支撐塊上固定設(shè)置擋板，在底板上固定設(shè)置兩塊動(dòng)夾板，使試樣移動(dòng)支撐塊沿著底板進(jìn)行移動(dòng)時(shí)，使擋板始終在兩塊動(dòng)夾板之間移動(dòng)，形成限位裝置，從而控制試樣移動(dòng)支撐塊移動(dòng)的距離范圍。試樣支撐塊和試樣固定壓緊塊該通過(guò)擋桿和固定支撐桿進(jìn)行輔助固定，擋桿固定安裝在底板上，其中固定支撐桿設(shè)置于擋桿和試樣固定壓緊塊之間，對(duì)試樣固定壓緊塊進(jìn)行橫向固定。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見(jiàn)的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著優(yōu)點(diǎn)：1.相比于UGINE&ALZ公司設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置，本發(fā)明通過(guò)調(diào)節(jié)動(dòng)夾板之間的距離，控制試樣支撐塊上的擋板移動(dòng)的距離，進(jìn)而改變?cè)嚇釉跓崞谠囼?yàn)中的約束系數(shù)，實(shí)現(xiàn)不同約束系數(shù)對(duì)熱疲勞試驗(yàn)影響的研究；2.本發(fā)明采用氣體加熱器對(duì)氣體進(jìn)行加熱后，通過(guò)導(dǎo)管模擬廢氣環(huán)境下的熱疲勞試驗(yàn)，能探討廢氣對(duì)試樣熱疲勞壽命的影響，環(huán)境廢氣可控，能進(jìn)行多種高溫?zé)崞谠囼?yàn)，滿(mǎn)足材料在多種工況環(huán)境下服役的能力的檢測(cè)，為材料的使用條件提供更多評(píng)估方法；3.本發(fā)明實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)合理，可以實(shí)現(xiàn)汽車(chē)高溫段熱疲勞實(shí)驗(yàn)，并對(duì)試樣壽命進(jìn)行評(píng)估，本發(fā)明提供了試樣約束系數(shù)可調(diào)且可以模擬高溫廢氣下高溫?zé)崞谠囼?yàn)機(jī)，使試樣在更加接近實(shí)際情況進(jìn)行研究，所以本發(fā)明在汽車(chē)用高溫段熱疲勞應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。