一种高温氢气环境材料性能试验装置的制造方法
一种高温氢气环境材料性能试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料性能测试仪领域，具体涉及一种高温氢气环境材料性能试验装置。
【背景技术】
[0002]化工临氢设备常受到应力-高温及氢介质的交互作用，致使设备材料性能劣化，进而设备失效，严重影响设备的安全运行。为此，应力-高温及氢介质交互作用下的材料性能测试及其试验装置至关重要，然而由于氢气的易燃易爆且易泄漏特性，现有材料性能试验装置无法同时实现复杂应力-高温及氢气环境下金属材料性能测试。为此，迫切需要一种高温氢气环境材料性能试验装置，以能实现氢气环境下金属材料的蠕变性能-持久性能-以及拉-拉交变负荷疲劳性能测试，从而为金属材料在复杂应力-高温与氢气环境作用下的材料失效机理、性能损伤演化机理等研宄提供可用工具。
【发明内容】
[0003]本发明的目的即为克服上述现有技术的不足，提供一种适于实用的高温氢气环境材料性能试验装置，本装置可在线实现氢气环境下金属材料的蠕变性能、持久性能、以及拉-拉交变负荷疲劳性能测试，并可确保其试验结果的准确性，其工作可靠稳定而效率高。
[0004]为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:
[0005]一种高温氢气环境材料性能试验装置，本装置包括筒状且密封的氢气环境箱，所述氢气环境箱中设置有待测试样；本装置还包括装有拉杆以用于实现对所述试样进行指定载荷加载的主机加载框架，所述氢气环境箱设置在主机加载框架上；所述氢气环境箱中设置有分别用于夹持所述试样上、下两端的上夹持部和下夹持部，所述拉杆穿过氢气环境箱与所述下夹持部固接，且拉杆与氢气环境箱之间构成动密封配合；所述氢气环境箱与供氢气管相连，氢气环境箱在远离供氢气管进气口的一侧设置有放气电磁阀；所述氢气环境箱中还设置有电加热组件；本装置还包括用于监控试样受力载荷、试样变形量、试样环境温度、试样周围氢气压力的传感器以及用于监控及处理各传感器所收集信息的控制组件。
[0006]优选的，所述电加热组件包括由内而外依次布置的热辐射层和隔热层，所述热辐射层由同轴套设于所述试样外周处的马弗管以及螺旋状穿设于马弗管内的加热电阻丝构成，该筒状的马弗管与加热电阻丝互相配合构成辐射管构造的加热炉；所述隔热层至少包括包覆在所述加热炉外侧的金属隔热罩，所述马弗管与金属隔热罩之间设置有间距；所述金属隔热罩上开设有供高压氢气通入的通路。
[0007]进一步的，所述加热电阻丝设置为对应所述试样上、下部分的两段式螺旋结构，两段加热电阻丝各自独立加热，且两段加热电阻丝均通过设置在氢气环境箱上的接线柱与驱动功放相连，所述驱动功放与控制组件电联接。
[0008]优选的，所述金属隔热罩与马弗管之间还布置有隔热填料。
[0009]优选的，所述氢气环境箱包括筒状的钟罩，所述钟罩的上端封闭，下端开口处设置有底座法兰，所述钟罩和底座法兰彼此固连构成封闭的空间；所述供氢气管与设置在所述钟罩上的进气口相连，所述放气电磁阀通过管道与底座法兰固连；所述钟罩的上端部还设置有安全阀和吊环。
[0010]优选的，所述钟罩的外侧设置有冷却水套，所述冷却水套与钟罩之间围成冷却水腔，冷却水腔的进水口通过冷水供水管与水泵相连，冷却水腔的出水口通过冷水回水管与冷却水箱相连，所述冷却水箱、水泵、冷水供水管、冷却水腔以及冷水回水管依次连通形成一个冷却水循环管路。
[0011]优选的，所述上夹持部包括由上而下依次同轴布置的上连接头和上夹头，所述上夹头与待测试样上端部固接，所述上夹持部还包括设置在加热炉上侧的金属隔热罩夹层中的上盖；所述上连接头外形呈直径上大下小的二段式阶梯轴结构，且该阶梯轴结构的轴肩处呈平滑过渡的弧锥面状构造，所述上盖与上连接头轴肩相配合的部分呈与之形状吻合的凹弧面状构造；
[0012]所述下夹持部包括由上而下依次同轴布置的下夹头和下连接头，所述下连接头与所述拉杆固接。
[0013]进一步的，所述上连接头和上夹头之间为螺纹连接，下夹头和下连接头之间为铰接。
[0014]优选的，所述控制组件包括控制器和用于远程控制的工控机，所述控制器和工控机双向通信连接；所述传感器包括用于测量氢气环境箱中氢气压力的压力传感器、分别测量试样上下两端温度的上热电偶和下热电偶、用于测量试样伸长量的位移传感器和用于测量试样载荷的载荷传感器，所述位移传感器、载荷传感器、压力传感器、上热电偶和下热电偶以及驱动功放均与控制器电联接。
[0015]优选的，所述主机加载框架包括自下而上设置的基座、工作台以及吊车，所述工作台和吊车均架设固定在基座上，所述氢气环境箱固设在工作台上；所述基座中设置有向拉杆施加载荷的加载驱动机构，所述加载驱动机构由依次相连的伺服电机、减速器和滚柱丝杠传动副构成，所述伺服电机与控制器电联接。
[0016]相对于现有技术，本发明的有益效果在于:
[0017]I)、本发明可实现对待测试样在载荷-高温-氢气环境三个方面交互作用下的性能测试功能。拉杆在加载驱动机构的拉动下作用于氢气环境箱内的待测试样，将加载驱动机构的载荷传递给试样，并通过载荷传感器测量载荷后输入控制组件，以实现对试样的给定波形加载；本发明通过电加热组件对氢气环境箱内部进行加热，通过热电偶测量试样温度并输入控制组件，以实现对试样的给定温度加热；本发明通过封闭的氢气环境箱以及箱体上的相应密封结构来形成密封空间，并通过供氢气管向该密封空间中充入氢气，通过压力传感器测量箱内氢气压力并输入控制组件，从而对试样形成给定压力的氢气环境。
[0018]本装置结构合理而可靠，其能够实现氢气环境下金属材料的蠕变性能、持久性能、以及拉-拉交变负荷疲劳性能测试。本发明通过增设在线加热结构，从而使氢气环境箱内的模拟环境更为符合实际的服役环境，其传热链短，加热速度与效率高，试验结果的准确性高，以最终为金属材料在复杂应力-高温与氢气环境交互作用下的实验研宄提供可用工具。
[0019]2)、本发明采用了内置式辐射加热方式，缩短了传热链，提高了加热速度与效率，可快速实现在线的指定温度调控，进一步的确保了服役环境的真实性。具体说来，本发明中的加热组件以具备特定的螺旋形孔路的马弗管，搭配可穿设于该螺旋线孔路上的加热电阻丝组成。之所以采用上述结构，则是考虑到对于试样的加热应当是均匀而有效的，仅采用单纯的电加热结构，显然难以满足上述需求。通过马弗管搭配加热电阻丝，加热电阻丝受热，传导至马弗管，经由马弗管内层管面发散，即可实现对于待测试试样的热量均匀辐射功能。
[0020]3)、本发明采用上-下两段加热电阻丝加热，两段电阻丝各自独立控制加热，相应的温度传感器即热电偶直接安装在试样有效区域上-下两端，从而进一步的保证加热区域的均温性，直至在氢气环境箱内形成高至600°C的高温环境。本发明的这种结构不但提高了试样有效区域加热的均匀性，同时也确保了其测温精度的高精确性。
[0021]4)、本发明中还设置有由金属隔热罩及隔热填料所形成的多层式隔热层结构，一方面保证了试样周围温度的高恒温性，以确保其模拟环境的真实效果，有利于提升测试数据的精确性；另一方面，由于氢气环境箱为可开启结构，一旦在实验完成后进行开箱操作时，隔热 层的布置显然有利于实现对于现场操作人员的保护效果，其操作起来也更为安全方便。
[0022]5)、本发明中的上、下夹持部的具体结构，以固定于试样两端的上-下夹头及上-下连接头构成，相应处构成轴线彼此垂直的铰接配合，避免了因施力角度或安装误差所导致的试样受力偏斜现象。上夹持部的上连接头与金属隔热罩夹层中的上盖之间的弧形配合，更进一步的提升了其工作可靠性，即使因为安装原因等因素，导致拉杆在施力时出现施力偏斜，整个夹持部也会在其自身的铰接配合以及上连接头与试样框架间的弧形配合处得到自补偿，从而也就确保了整个装置能够稳定可靠的工作。
[0023]6)、本发明在氢气环境箱外覆设有冷却水套，从而可与外部的管路-水泵-水箱等形成水冷系统，以保护钟罩不至过热，确保试验装置的安全性和可靠性。
[0024]7)、主机加载框架的布置以上层起吊机构-中层水平工作台-下层基座三者构成，三者间可以以立柱等构件加以连接。起吊机构保证了水平工作台处的氢气环境箱的正常启闭，水平工作台提供了氢气环境箱以稳定的密封及安放平台，基座则提供了氢气环境箱内试样的指定载荷加载功能以及载荷测试功能。
【附图说明】
[0025]图1为本发明的工作系统示意图。
[0026]图2为主机加载框架以及相应氢气环境箱的配合结构图。
[0027]图3为氢气环境箱内部各部件结构剖视图。
[0028]图4为图3的半剖视图。
[0029]图5为图3的俯视图。
[0030]附图中各标号与本发明的各部件名称的对应关系如下:
[0031]1-氢气瓶2-置换气瓶3-置换阀4-充气电磁阀
[0032]5-冷却水箱6-水泵7-伺服电机8-减速器
[0033]9-滚珠丝杠传动副10-位移传感器11-载荷传感器12-拉杆
[0034]13-驱动功放14-下加热丝15-上加热丝16-压力传感器
[0035]17-放气电磁阀18-下热电偶19-上热电偶20-试样
[0036]21-钟罩22-控制器23-工控机24-下底板25-角钢
[0037]26-上底板27-立柱28-工作台30-安全阀31-吊车立柱
[0038]32-吊车34-动密封圈35-热偶座36-密封圈
[0039]37-下连接头38-下夹头39-上夹头40-上盖
[0040]41-上连接头42-吊环43-供氢气管44-隔热罩
[0041]45-冷却水套46-马弗管47-加热电阻丝48-托盘
[0042]49-底座法兰50-接线柱51-冷水供水管52-冷水回水管
【具体实施方式】
[0043]为便于理解，此处结合附图对本发明的具体测试装置及其操作流程作以下进一步描述:
[0044]本发明的结构如图1?5所示，下面对本发明的各个组成部分进行详细介绍:
[0045]1、主机加载框架
[0046]主机加载框架可实现对于试样的蠕变-持久及拉-拉交变负荷加载，以及提供氢气环境箱以稳定的安装平台。主机加载框架如图2所示，是由上方的起吊机构，构成工作台的水平台面以及位于工作台以下的基座构成。
[0047]具体说来，如图1、2所示，所述基座为由下底板24、上底板25、四根角钢25构成的长方体空间，由伺服电机7、减速器8与滚珠丝杆传动副9所构成的加载驱动机构则安装于所述长方体空间内。四根立柱27安装于上底板25上，工作台28由四根立柱27支撑。由钟罩21及其内部的加热炉45、试样20等部件构成的氢气环境箱则安装于工作台28上。起吊机构由吊车立柱31和吊车32构成，吊车立柱31安装于上底板26与工作台28上，吊车32安装于立柱31上，实现钟罩21装拆时的起吊。
[0048]如图1所示，减速器8优选为蜗轮蜗杆减速器，伺服电机7通过齿形带与蜗轮蜗杆减速器相连，减速器8的输出孔与滚珠丝杠相连，滚珠丝杆的丝杆端构成上述铅垂拉杆12，拉杆12的上端沿其铅垂向向上延伸并贯穿工作台28的水平台面后伸入氢气环境箱中。载荷传感器11固定在铅垂拉杆12上。
[0049]2、环境装置
[0050]环境装置主要用于形成高温氢气环境。其包括氢气环境箱、置换气源及其管路、氢气气源及其管路以及水冷系统。
[0051]如图3、4所示，所述氢气环境箱包括由钟罩21和底座法兰49构成的外层密封结构，所述底座法兰49固定在工作台28上，钟罩21和底座法兰49围成的密封空间中设置有由金属隔热罩44、托盘48及贴附于其内壁的隔热填料构成的中层结构，以马弗管46和加热电阻丝47构成的内层结构，氢气环境箱的这三层结构围合在构成其中心的上、下夹持部以及试样20周围。各层结构均连通外围的置换气源及其管路和氢气气源及其管路，所述置换气源为置换气瓶2，所述氢气气源为氢气瓶I，置换气瓶2通过置换阀3与供氢气管43连通，氢气瓶I通过充气电磁阀4与供氢气管43连通，所述置换阀3以及充气电磁阀4的控制端均与控制器22电联接
[0052]如图3所示，所述加热电阻丝47采用上-下两段加热电阻丝构成，两段加热电阻丝各自独立控制，以保证加热区域的热辐射均温性，直至形成高至600°C高温环境。使用时，在所述密封的环境装置中经多次置气后再充入氢气，以形成氢气环境；试样20则直接安装于辐射管管腔内。
[0053]如图2、3所示，氢气环境箱外壁处布置相应水冷系统等以保证其壁体温度。水冷系统包括设置在钟罩21外侧的冷却水套45，冷却水套45与钟罩21之间围成冷却水腔，冷却水腔的进水口通过冷水供水管51与水泵6相连，冷却水腔的出水口通过冷水回水管51与冷却水箱5相连，水泵6的进水口插设在冷却水箱5的液面一下；所述冷却水箱5、水泵6、冷水供水管51、冷却水腔以及冷水回水管51依次连通形成一个冷却水循环管路即水冷系统。
[0054]3、夹持装置
[0055]夹持装置由上夹持部和下夹持部构成，用于对试样20进行固定和施加载荷。
[0056]如图3所示，所述上夹持部包括由上而下依次同轴布置的上连接头41和上夹头40，所述上夹头40与待测试样20上端部固接，所述上夹持部还包括设置在加热炉上侧的金属隔热罩44夹层中的上盖40 ;所述上连接头41外形呈直径上大下小的二段式阶梯轴结构，且该阶梯轴结构的轴肩处呈平滑过渡的弧锥面状构造，所述上盖40与上连接头41轴肩相配合的部分呈与之形状吻合的凹弧面状构造；
[0057]所述下夹持部包括由上而下依次同轴布置的下夹头38和下连接头37，所述下连接头37与所述拉杆12固接。
[0058]所述上连接头41和上夹头40之间以及下夹头38和下连接头37之间均为铰接，且连接上连接头41和上夹头40之间的铰接轴与连接下夹头38和下连接头37之间的铰接轴的轴线彼此垂直设置。
[0059]4、测控系统
[0060]用于实现加载波形、温度与氢气压力的测量与控制。
[0061]如图1所示，通过控制伺服电机7的转速-转向，铅垂拉杆12作用于氢气环境箱内的待测试样20，并将主机加载框架的载荷传递给试样20，然后通过载荷传感器11测量载荷并 输入控制器22，实现对试样20的给定波形加载。通过驱动功放13控制上-下两段加热电阻丝47的输入功率，电加热组件工作，以上热电偶19和下热电偶18分别测量试样20的温度并输入控制器22，实现了对试样20的给定温度加热。通过控制充气电磁阀4和放气电磁阀17的启闭，以氢气环境箱与箱体上的相应密封结构来形成密封空间，并在该密封空间中充入氢气，采用压力传感器16测量箱内氢气压力并输入控制器22，从而对试样20形成给定压力的氢气环境；通过位移传感器10测量试样20的伸长量，并将测量结果传送到控制器22中。
[0062]所述控制器22与工控机23双向通信连接，以使得远程工作人员可以实时获得试验结果和监控试验过程。
[0063]综上所述，本装置结构合理而可靠，通过在氢气环境箱等形成的密封空间内充入高压氢气以及内置热辐射结构，形成了高温氢气环境；同时通过主机的加载机构及测控系统，实现了复杂负荷加载，由此本发明能够实现氢气环境下金属材料的蠕变性能、持久性能、以及拉-拉交变负荷疲劳性能测试，并可确保其试验结果的准确性，以最终为金属材料在复杂应力、高温与氢气环境作用下的实验研宄提供可用工具。
【主权项】
1.一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:本装置包括筒状且密封的氢气环境箱，所述氢气环境箱中设置有待测试样(20);本装置还包括装有拉杆(12)以用于实现对所述试样(20)进行指定载荷加载的主机加载框架，所述氢气环境箱设置在主机加载框架上；所述氢气环境箱中设置有分别用于夹持所述试样(20)上、下两端的上夹持部和下加持部，所述拉杆(12)穿过氢气环境箱与所述下加持部固接，且拉杆(12)与氢气环境箱之间构成动密封配合；所述氢气环境箱与供氢气管(43)相连，氢气环境箱在远离供氢气管(43)进气口的一侧设置有放气电磁阀(17);所述氢气环境箱中还设置有电加热组件；本装置还包括用于监控试样受力载荷-试样变形量-试样环境温度-试样周围氢气压力的传感器以及用于监控及处理各传感器所收集信息的控制组件。2.根据权利要求1所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述电加热组件包括由内而外依次布置的热辐射层和隔热层，所述热辐射层由同轴套设于所述试样(20)外周处的马弗管(46)以及螺旋状穿设于马弗管(46)内的加热电阻丝(47)构成，该筒状的马弗管(46)与加热电阻丝(47)互相配合构成辐射管构造的加热炉；所述隔热层至少包括包覆在所述加热炉外侧的金属隔热罩(44)，所述马弗管(46)与金属隔热罩(44)之间设置有间距；所述金属隔热罩(44)上开设有供高压氢气通入的通路。3.根据权利要求2所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述加热电阻丝(47)设置为对应所述试样(20)上、下部分的两段式螺旋结构，两段加热电阻丝(47)各自独立加热，且两段加热电阻丝(47)均通过设置在氢气环境箱上的接线柱(50)与驱动功放(13)相连，所述驱动功放(13)与控制组件电联接。4.根据权利要求2所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述金属隔热罩(44)与马弗管(46)之间还布置有隔热填料。5.根据权利要求2所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述氢气环境箱包括筒状的钟罩(21)，所述钟罩(21)的上端封闭，下端开口处设置有底座法兰(49)，所述钟罩(21)和底座法兰(49)彼此固连构成封闭的空间；所述供氢气管(43)与设置在所述钟罩(21)上的进气口相连，所述放气电磁阀(17)通过管道与底座法兰(49)固连；所述钟罩(21)的上端部还设置有安全阀(30)和吊环(42)。6.根据权利要求5所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述钟罩(21)的外侧设置有冷却水套(45)，所述冷却水套(45)与钟罩(21)之间围成冷却水腔，冷却水腔的进水口通过冷水供水管(51)与水泵(6)相连，冷却水腔的出水口通过冷水回水管(51)与冷却水箱(5)相连，所述冷却水箱(5)、水泵(6)、冷水供水管(51)、冷却水腔以及冷水回水管(51)依次连通形成一个冷却水循环管路。7.根据权利要求2所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述上夹持部包括由上而下依次同轴布置的上连接头(41)和上夹头(40)，所述上夹头(40)与待测试样(20)上端部固接，所述上夹持部还包括设置在加热炉上侧的金属隔热罩(44)夹层中的上盖(40);所述上连接头(41)外形呈直径上大下小的二段式阶梯轴结构，且该阶梯轴结构的轴肩处呈平滑过渡的弧锥面状构造，所述上盖(40)与上连接头(41)轴肩相配合的部分呈与之形状吻合的凹弧面状构造； 所述下夹持部包括由上而下依次同轴布置的下夹头(38)和下连接头(37)，所述下连接头(37)与所述拉杆(12)固接。8.根据权利要求7所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述上连接头(41)和上夹头(39)之间为螺纹连接，下夹头(38)和下连接头(37)之间为铰接。9.根据权利要求3所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述控制组件包括控制器(22)和用于远程控制的工控机(23)，所述控制器(22)和工控机(23)双向通信连接；所述传感器包括用于测量氢气环境箱中氢气压力的压力传感器(16)、分别测量试样上下两端温度的上热电偶(19)和下热电偶(18)、用于测量试样伸长量的位移传感器(10)和用于测量试样载荷的载荷传感器(11)，所述位移传感器(10)、载荷传感器(11)、压力传感器(16)、上热电偶(19)和下热电偶(18)以及驱动功放(13)均与控制器(22)电联接。10.根据权利要求9所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述主机加载框架包括自下而上设置的基座、工作台(28)以及吊车(32)，所述工作台(28)和吊车(32)均架设固定在基座上，所述氢气环境箱固设在工作台(28)上；所述基座中设置有向拉杆(12)施加载荷的加载驱动机构，所述加载驱动机构由依次相连的伺服电机(7)、减速器(8)和滚柱丝杠传动副(9)构成，所述伺服电机(7)与控制器(22)电联接。
【专利摘要】本发明涉及一种高温氢气环境材料性能试验装置。本装置包括其内设置有试样的氢气环境箱，以及装有拉杆的主机加载框架，氢气环境箱设置在主机加载框架上；氢气环境箱中设置有上夹持部和下加持部以及电加热组件，拉杆穿过氢气环境箱与下加持部固接；氢气环境箱与供氢气管相连，氢气环境箱上还设置有放气电磁阀；本装置还包括用于监控试样受力载荷-试样变形量-试样环境温度-试样周围氢气压力的传感器以及用于监控及处理各传感器所收集信息的控制组件。本装置可在线实现氢气环境下金属材料的蠕变性能、持久性能、以及拉-拉交变负荷疲劳性能测试，并可确保其试验结果的准确性，其工作可靠稳定而效率高。
【IPC分类】G01N3/32, G01N17/00, G01N3/18
【公开号】CN104897476
【申请号】CN201510316095
【发明人】陈学东, 刘孝亮, 王冰, 范志超, 庄庆伟
【申请人】合肥通用机械研究院, 长春机械科学研究院有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月10日
【技术领域】
[0001]本发明涉及材料性能测试仪领域，具体涉及一种高温氢气环境材料性能试验装置。
【背景技术】
[0002]化工临氢设备常受到应力-高温及氢介质的交互作用，致使设备材料性能劣化，进而设备失效，严重影响设备的安全运行。为此，应力-高温及氢介质交互作用下的材料性能测试及其试验装置至关重要，然而由于氢气的易燃易爆且易泄漏特性，现有材料性能试验装置无法同时实现复杂应力-高温及氢气环境下金属材料性能测试。为此，迫切需要一种高温氢气环境材料性能试验装置，以能实现氢气环境下金属材料的蠕变性能-持久性能-以及拉-拉交变负荷疲劳性能测试，从而为金属材料在复杂应力-高温与氢气环境作用下的材料失效机理、性能损伤演化机理等研宄提供可用工具。
【发明内容】
[0003]本发明的目的即为克服上述现有技术的不足，提供一种适于实用的高温氢气环境材料性能试验装置，本装置可在线实现氢气环境下金属材料的蠕变性能、持久性能、以及拉-拉交变负荷疲劳性能测试，并可确保其试验结果的准确性，其工作可靠稳定而效率高。
[0004]为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案:
[0005]一种高温氢气环境材料性能试验装置，本装置包括筒状且密封的氢气环境箱，所述氢气环境箱中设置有待测试样；本装置还包括装有拉杆以用于实现对所述试样进行指定载荷加载的主机加载框架，所述氢气环境箱设置在主机加载框架上；所述氢气环境箱中设置有分别用于夹持所述试样上、下两端的上夹持部和下夹持部，所述拉杆穿过氢气环境箱与所述下夹持部固接，且拉杆与氢气环境箱之间构成动密封配合；所述氢气环境箱与供氢气管相连，氢气环境箱在远离供氢气管进气口的一侧设置有放气电磁阀；所述氢气环境箱中还设置有电加热组件；本装置还包括用于监控试样受力载荷、试样变形量、试样环境温度、试样周围氢气压力的传感器以及用于监控及处理各传感器所收集信息的控制组件。
[0006]优选的，所述电加热组件包括由内而外依次布置的热辐射层和隔热层，所述热辐射层由同轴套设于所述试样外周处的马弗管以及螺旋状穿设于马弗管内的加热电阻丝构成，该筒状的马弗管与加热电阻丝互相配合构成辐射管构造的加热炉；所述隔热层至少包括包覆在所述加热炉外侧的金属隔热罩，所述马弗管与金属隔热罩之间设置有间距；所述金属隔热罩上开设有供高压氢气通入的通路。
[0007]进一步的，所述加热电阻丝设置为对应所述试样上、下部分的两段式螺旋结构，两段加热电阻丝各自独立加热，且两段加热电阻丝均通过设置在氢气环境箱上的接线柱与驱动功放相连，所述驱动功放与控制组件电联接。
[0008]优选的，所述金属隔热罩与马弗管之间还布置有隔热填料。
[0009]优选的，所述氢气环境箱包括筒状的钟罩，所述钟罩的上端封闭，下端开口处设置有底座法兰，所述钟罩和底座法兰彼此固连构成封闭的空间；所述供氢气管与设置在所述钟罩上的进气口相连，所述放气电磁阀通过管道与底座法兰固连；所述钟罩的上端部还设置有安全阀和吊环。
[0010]优选的，所述钟罩的外侧设置有冷却水套，所述冷却水套与钟罩之间围成冷却水腔，冷却水腔的进水口通过冷水供水管与水泵相连，冷却水腔的出水口通过冷水回水管与冷却水箱相连，所述冷却水箱、水泵、冷水供水管、冷却水腔以及冷水回水管依次连通形成一个冷却水循环管路。
[0011]优选的，所述上夹持部包括由上而下依次同轴布置的上连接头和上夹头，所述上夹头与待测试样上端部固接，所述上夹持部还包括设置在加热炉上侧的金属隔热罩夹层中的上盖；所述上连接头外形呈直径上大下小的二段式阶梯轴结构，且该阶梯轴结构的轴肩处呈平滑过渡的弧锥面状构造，所述上盖与上连接头轴肩相配合的部分呈与之形状吻合的凹弧面状构造；
[0012]所述下夹持部包括由上而下依次同轴布置的下夹头和下连接头，所述下连接头与所述拉杆固接。
[0013]进一步的，所述上连接头和上夹头之间为螺纹连接，下夹头和下连接头之间为铰接。
[0014]优选的，所述控制组件包括控制器和用于远程控制的工控机，所述控制器和工控机双向通信连接；所述传感器包括用于测量氢气环境箱中氢气压力的压力传感器、分别测量试样上下两端温度的上热电偶和下热电偶、用于测量试样伸长量的位移传感器和用于测量试样载荷的载荷传感器，所述位移传感器、载荷传感器、压力传感器、上热电偶和下热电偶以及驱动功放均与控制器电联接。
[0015]优选的，所述主机加载框架包括自下而上设置的基座、工作台以及吊车，所述工作台和吊车均架设固定在基座上，所述氢气环境箱固设在工作台上；所述基座中设置有向拉杆施加载荷的加载驱动机构，所述加载驱动机构由依次相连的伺服电机、减速器和滚柱丝杠传动副构成，所述伺服电机与控制器电联接。
[0016]相对于现有技术，本发明的有益效果在于:
[0017]I)、本发明可实现对待测试样在载荷-高温-氢气环境三个方面交互作用下的性能测试功能。拉杆在加载驱动机构的拉动下作用于氢气环境箱内的待测试样，将加载驱动机构的载荷传递给试样，并通过载荷传感器测量载荷后输入控制组件，以实现对试样的给定波形加载；本发明通过电加热组件对氢气环境箱内部进行加热，通过热电偶测量试样温度并输入控制组件，以实现对试样的给定温度加热；本发明通过封闭的氢气环境箱以及箱体上的相应密封结构来形成密封空间，并通过供氢气管向该密封空间中充入氢气，通过压力传感器测量箱内氢气压力并输入控制组件，从而对试样形成给定压力的氢气环境。
[0018]本装置结构合理而可靠，其能够实现氢气环境下金属材料的蠕变性能、持久性能、以及拉-拉交变负荷疲劳性能测试。本发明通过增设在线加热结构，从而使氢气环境箱内的模拟环境更为符合实际的服役环境，其传热链短，加热速度与效率高，试验结果的准确性高，以最终为金属材料在复杂应力-高温与氢气环境交互作用下的实验研宄提供可用工具。
[0019]2)、本发明采用了内置式辐射加热方式，缩短了传热链，提高了加热速度与效率，可快速实现在线的指定温度调控，进一步的确保了服役环境的真实性。具体说来，本发明中的加热组件以具备特定的螺旋形孔路的马弗管，搭配可穿设于该螺旋线孔路上的加热电阻丝组成。之所以采用上述结构，则是考虑到对于试样的加热应当是均匀而有效的，仅采用单纯的电加热结构，显然难以满足上述需求。通过马弗管搭配加热电阻丝，加热电阻丝受热，传导至马弗管，经由马弗管内层管面发散，即可实现对于待测试试样的热量均匀辐射功能。
[0020]3)、本发明采用上-下两段加热电阻丝加热，两段电阻丝各自独立控制加热，相应的温度传感器即热电偶直接安装在试样有效区域上-下两端，从而进一步的保证加热区域的均温性，直至在氢气环境箱内形成高至600°C的高温环境。本发明的这种结构不但提高了试样有效区域加热的均匀性，同时也确保了其测温精度的高精确性。
[0021]4)、本发明中还设置有由金属隔热罩及隔热填料所形成的多层式隔热层结构，一方面保证了试样周围温度的高恒温性，以确保其模拟环境的真实效果，有利于提升测试数据的精确性；另一方面，由于氢气环境箱为可开启结构，一旦在实验完成后进行开箱操作时，隔热 层的布置显然有利于实现对于现场操作人员的保护效果，其操作起来也更为安全方便。
[0022]5)、本发明中的上、下夹持部的具体结构，以固定于试样两端的上-下夹头及上-下连接头构成，相应处构成轴线彼此垂直的铰接配合，避免了因施力角度或安装误差所导致的试样受力偏斜现象。上夹持部的上连接头与金属隔热罩夹层中的上盖之间的弧形配合，更进一步的提升了其工作可靠性，即使因为安装原因等因素，导致拉杆在施力时出现施力偏斜，整个夹持部也会在其自身的铰接配合以及上连接头与试样框架间的弧形配合处得到自补偿，从而也就确保了整个装置能够稳定可靠的工作。
[0023]6)、本发明在氢气环境箱外覆设有冷却水套，从而可与外部的管路-水泵-水箱等形成水冷系统，以保护钟罩不至过热，确保试验装置的安全性和可靠性。
[0024]7)、主机加载框架的布置以上层起吊机构-中层水平工作台-下层基座三者构成，三者间可以以立柱等构件加以连接。起吊机构保证了水平工作台处的氢气环境箱的正常启闭，水平工作台提供了氢气环境箱以稳定的密封及安放平台，基座则提供了氢气环境箱内试样的指定载荷加载功能以及载荷测试功能。
【附图说明】
[0025]图1为本发明的工作系统示意图。
[0026]图2为主机加载框架以及相应氢气环境箱的配合结构图。
[0027]图3为氢气环境箱内部各部件结构剖视图。
[0028]图4为图3的半剖视图。
[0029]图5为图3的俯视图。
[0030]附图中各标号与本发明的各部件名称的对应关系如下:
[0031]1-氢气瓶2-置换气瓶3-置换阀4-充气电磁阀
[0032]5-冷却水箱6-水泵7-伺服电机8-减速器
[0033]9-滚珠丝杠传动副10-位移传感器11-载荷传感器12-拉杆
[0034]13-驱动功放14-下加热丝15-上加热丝16-压力传感器
[0035]17-放气电磁阀18-下热电偶19-上热电偶20-试样
[0036]21-钟罩22-控制器23-工控机24-下底板25-角钢
[0037]26-上底板27-立柱28-工作台30-安全阀31-吊车立柱
[0038]32-吊车34-动密封圈35-热偶座36-密封圈
[0039]37-下连接头38-下夹头39-上夹头40-上盖
[0040]41-上连接头42-吊环43-供氢气管44-隔热罩
[0041]45-冷却水套46-马弗管47-加热电阻丝48-托盘
[0042]49-底座法兰50-接线柱51-冷水供水管52-冷水回水管
【具体实施方式】
[0043]为便于理解，此处结合附图对本发明的具体测试装置及其操作流程作以下进一步描述:
[0044]本发明的结构如图1?5所示，下面对本发明的各个组成部分进行详细介绍:
[0045]1、主机加载框架
[0046]主机加载框架可实现对于试样的蠕变-持久及拉-拉交变负荷加载，以及提供氢气环境箱以稳定的安装平台。主机加载框架如图2所示，是由上方的起吊机构，构成工作台的水平台面以及位于工作台以下的基座构成。
[0047]具体说来，如图1、2所示，所述基座为由下底板24、上底板25、四根角钢25构成的长方体空间，由伺服电机7、减速器8与滚珠丝杆传动副9所构成的加载驱动机构则安装于所述长方体空间内。四根立柱27安装于上底板25上，工作台28由四根立柱27支撑。由钟罩21及其内部的加热炉45、试样20等部件构成的氢气环境箱则安装于工作台28上。起吊机构由吊车立柱31和吊车32构成，吊车立柱31安装于上底板26与工作台28上，吊车32安装于立柱31上，实现钟罩21装拆时的起吊。
[0048]如图1所示，减速器8优选为蜗轮蜗杆减速器，伺服电机7通过齿形带与蜗轮蜗杆减速器相连，减速器8的输出孔与滚珠丝杠相连，滚珠丝杆的丝杆端构成上述铅垂拉杆12，拉杆12的上端沿其铅垂向向上延伸并贯穿工作台28的水平台面后伸入氢气环境箱中。载荷传感器11固定在铅垂拉杆12上。
[0049]2、环境装置
[0050]环境装置主要用于形成高温氢气环境。其包括氢气环境箱、置换气源及其管路、氢气气源及其管路以及水冷系统。
[0051]如图3、4所示，所述氢气环境箱包括由钟罩21和底座法兰49构成的外层密封结构，所述底座法兰49固定在工作台28上，钟罩21和底座法兰49围成的密封空间中设置有由金属隔热罩44、托盘48及贴附于其内壁的隔热填料构成的中层结构，以马弗管46和加热电阻丝47构成的内层结构，氢气环境箱的这三层结构围合在构成其中心的上、下夹持部以及试样20周围。各层结构均连通外围的置换气源及其管路和氢气气源及其管路，所述置换气源为置换气瓶2，所述氢气气源为氢气瓶I，置换气瓶2通过置换阀3与供氢气管43连通，氢气瓶I通过充气电磁阀4与供氢气管43连通，所述置换阀3以及充气电磁阀4的控制端均与控制器22电联接
[0052]如图3所示，所述加热电阻丝47采用上-下两段加热电阻丝构成，两段加热电阻丝各自独立控制，以保证加热区域的热辐射均温性，直至形成高至600°C高温环境。使用时，在所述密封的环境装置中经多次置气后再充入氢气，以形成氢气环境；试样20则直接安装于辐射管管腔内。
[0053]如图2、3所示，氢气环境箱外壁处布置相应水冷系统等以保证其壁体温度。水冷系统包括设置在钟罩21外侧的冷却水套45，冷却水套45与钟罩21之间围成冷却水腔，冷却水腔的进水口通过冷水供水管51与水泵6相连，冷却水腔的出水口通过冷水回水管51与冷却水箱5相连，水泵6的进水口插设在冷却水箱5的液面一下；所述冷却水箱5、水泵6、冷水供水管51、冷却水腔以及冷水回水管51依次连通形成一个冷却水循环管路即水冷系统。
[0054]3、夹持装置
[0055]夹持装置由上夹持部和下夹持部构成，用于对试样20进行固定和施加载荷。
[0056]如图3所示，所述上夹持部包括由上而下依次同轴布置的上连接头41和上夹头40，所述上夹头40与待测试样20上端部固接，所述上夹持部还包括设置在加热炉上侧的金属隔热罩44夹层中的上盖40 ;所述上连接头41外形呈直径上大下小的二段式阶梯轴结构，且该阶梯轴结构的轴肩处呈平滑过渡的弧锥面状构造，所述上盖40与上连接头41轴肩相配合的部分呈与之形状吻合的凹弧面状构造；
[0057]所述下夹持部包括由上而下依次同轴布置的下夹头38和下连接头37，所述下连接头37与所述拉杆12固接。
[0058]所述上连接头41和上夹头40之间以及下夹头38和下连接头37之间均为铰接，且连接上连接头41和上夹头40之间的铰接轴与连接下夹头38和下连接头37之间的铰接轴的轴线彼此垂直设置。
[0059]4、测控系统
[0060]用于实现加载波形、温度与氢气压力的测量与控制。
[0061]如图1所示，通过控制伺服电机7的转速-转向，铅垂拉杆12作用于氢气环境箱内的待测试样20，并将主机加载框架的载荷传递给试样20，然后通过载荷传感器11测量载荷并 输入控制器22，实现对试样20的给定波形加载。通过驱动功放13控制上-下两段加热电阻丝47的输入功率，电加热组件工作，以上热电偶19和下热电偶18分别测量试样20的温度并输入控制器22，实现了对试样20的给定温度加热。通过控制充气电磁阀4和放气电磁阀17的启闭，以氢气环境箱与箱体上的相应密封结构来形成密封空间，并在该密封空间中充入氢气，采用压力传感器16测量箱内氢气压力并输入控制器22，从而对试样20形成给定压力的氢气环境；通过位移传感器10测量试样20的伸长量，并将测量结果传送到控制器22中。
[0062]所述控制器22与工控机23双向通信连接，以使得远程工作人员可以实时获得试验结果和监控试验过程。
[0063]综上所述，本装置结构合理而可靠，通过在氢气环境箱等形成的密封空间内充入高压氢气以及内置热辐射结构，形成了高温氢气环境；同时通过主机的加载机构及测控系统，实现了复杂负荷加载，由此本发明能够实现氢气环境下金属材料的蠕变性能、持久性能、以及拉-拉交变负荷疲劳性能测试，并可确保其试验结果的准确性，以最终为金属材料在复杂应力、高温与氢气环境作用下的实验研宄提供可用工具。
【主权项】
1.一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:本装置包括筒状且密封的氢气环境箱，所述氢气环境箱中设置有待测试样(20);本装置还包括装有拉杆(12)以用于实现对所述试样(20)进行指定载荷加载的主机加载框架，所述氢气环境箱设置在主机加载框架上；所述氢气环境箱中设置有分别用于夹持所述试样(20)上、下两端的上夹持部和下加持部，所述拉杆(12)穿过氢气环境箱与所述下加持部固接，且拉杆(12)与氢气环境箱之间构成动密封配合；所述氢气环境箱与供氢气管(43)相连，氢气环境箱在远离供氢气管(43)进气口的一侧设置有放气电磁阀(17);所述氢气环境箱中还设置有电加热组件；本装置还包括用于监控试样受力载荷-试样变形量-试样环境温度-试样周围氢气压力的传感器以及用于监控及处理各传感器所收集信息的控制组件。2.根据权利要求1所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述电加热组件包括由内而外依次布置的热辐射层和隔热层，所述热辐射层由同轴套设于所述试样(20)外周处的马弗管(46)以及螺旋状穿设于马弗管(46)内的加热电阻丝(47)构成，该筒状的马弗管(46)与加热电阻丝(47)互相配合构成辐射管构造的加热炉；所述隔热层至少包括包覆在所述加热炉外侧的金属隔热罩(44)，所述马弗管(46)与金属隔热罩(44)之间设置有间距；所述金属隔热罩(44)上开设有供高压氢气通入的通路。3.根据权利要求2所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述加热电阻丝(47)设置为对应所述试样(20)上、下部分的两段式螺旋结构，两段加热电阻丝(47)各自独立加热，且两段加热电阻丝(47)均通过设置在氢气环境箱上的接线柱(50)与驱动功放(13)相连，所述驱动功放(13)与控制组件电联接。4.根据权利要求2所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述金属隔热罩(44)与马弗管(46)之间还布置有隔热填料。5.根据权利要求2所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述氢气环境箱包括筒状的钟罩(21)，所述钟罩(21)的上端封闭，下端开口处设置有底座法兰(49)，所述钟罩(21)和底座法兰(49)彼此固连构成封闭的空间；所述供氢气管(43)与设置在所述钟罩(21)上的进气口相连，所述放气电磁阀(17)通过管道与底座法兰(49)固连；所述钟罩(21)的上端部还设置有安全阀(30)和吊环(42)。6.根据权利要求5所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述钟罩(21)的外侧设置有冷却水套(45)，所述冷却水套(45)与钟罩(21)之间围成冷却水腔，冷却水腔的进水口通过冷水供水管(51)与水泵(6)相连，冷却水腔的出水口通过冷水回水管(51)与冷却水箱(5)相连，所述冷却水箱(5)、水泵(6)、冷水供水管(51)、冷却水腔以及冷水回水管(51)依次连通形成一个冷却水循环管路。7.根据权利要求2所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述上夹持部包括由上而下依次同轴布置的上连接头(41)和上夹头(40)，所述上夹头(40)与待测试样(20)上端部固接，所述上夹持部还包括设置在加热炉上侧的金属隔热罩(44)夹层中的上盖(40);所述上连接头(41)外形呈直径上大下小的二段式阶梯轴结构，且该阶梯轴结构的轴肩处呈平滑过渡的弧锥面状构造，所述上盖(40)与上连接头(41)轴肩相配合的部分呈与之形状吻合的凹弧面状构造； 所述下夹持部包括由上而下依次同轴布置的下夹头(38)和下连接头(37)，所述下连接头(37)与所述拉杆(12)固接。8.根据权利要求7所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述上连接头(41)和上夹头(39)之间为螺纹连接，下夹头(38)和下连接头(37)之间为铰接。9.根据权利要求3所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述控制组件包括控制器(22)和用于远程控制的工控机(23)，所述控制器(22)和工控机(23)双向通信连接；所述传感器包括用于测量氢气环境箱中氢气压力的压力传感器(16)、分别测量试样上下两端温度的上热电偶(19)和下热电偶(18)、用于测量试样伸长量的位移传感器(10)和用于测量试样载荷的载荷传感器(11)，所述位移传感器(10)、载荷传感器(11)、压力传感器(16)、上热电偶(19)和下热电偶(18)以及驱动功放(13)均与控制器(22)电联接。10.根据权利要求9所述的一种高温氢气环境材料性能试验装置，其特征在于:所述主机加载框架包括自下而上设置的基座、工作台(28)以及吊车(32)，所述工作台(28)和吊车(32)均架设固定在基座上，所述氢气环境箱固设在工作台(28)上；所述基座中设置有向拉杆(12)施加载荷的加载驱动机构，所述加载驱动机构由依次相连的伺服电机(7)、减速器(8)和滚柱丝杠传动副(9)构成，所述伺服电机(7)与控制器(22)电联接。
【专利摘要】本发明涉及一种高温氢气环境材料性能试验装置。本装置包括其内设置有试样的氢气环境箱，以及装有拉杆的主机加载框架，氢气环境箱设置在主机加载框架上；氢气环境箱中设置有上夹持部和下加持部以及电加热组件，拉杆穿过氢气环境箱与下加持部固接；氢气环境箱与供氢气管相连，氢气环境箱上还设置有放气电磁阀；本装置还包括用于监控试样受力载荷-试样变形量-试样环境温度-试样周围氢气压力的传感器以及用于监控及处理各传感器所收集信息的控制组件。本装置可在线实现氢气环境下金属材料的蠕变性能、持久性能、以及拉-拉交变负荷疲劳性能测试，并可确保其试验结果的准确性，其工作可靠稳定而效率高。
【IPC分类】G01N3/32, G01N17/00, G01N3/18
【公开号】CN104897476
【申请号】CN201510316095
【发明人】陈学东, 刘孝亮, 王冰, 范志超, 庄庆伟
【申请人】合肥通用机械研究院, 长春机械科学研究院有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月10日
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