一種可在線觀測(cè)的高效冷熱疲勞試驗(yàn)裝置制造方法
【專利摘要】一種可在線觀測(cè)的高效冷熱疲勞試驗(yàn)裝置，屬于金屬材料性能測(cè)試和分析領(lǐng)域。其特點(diǎn)是試樣安裝在輻條狀支架上，通過無極變頻電機(jī)以及傳送帶帶動(dòng)輻條狀支架旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)試樣在一側(cè)開口的分段式環(huán)型感應(yīng)加熱爐中的運(yùn)動(dòng)加熱。環(huán)型感應(yīng)加熱爐下方為淬火劑容器，試樣支架每旋轉(zhuǎn)一周，試樣進(jìn)行一次冷-熱疲勞。輻條狀試樣支架上可以同時(shí)安裝多個(gè)試樣以提高實(shí)驗(yàn)效率。試樣每進(jìn)行一次淬火處理，在進(jìn)入環(huán)型感應(yīng)加熱爐之前對(duì)試樣進(jìn)行在線觀測(cè)及拍照，記錄熱疲勞裂紋的形核和擴(kuò)展過程，測(cè)量疲勞裂紋擴(kuò)展速率。優(yōu)點(diǎn)是滿足了批量試樣冷-熱疲勞的實(shí)驗(yàn)需求，縮短了實(shí)驗(yàn)周期，提高了實(shí)驗(yàn)效率，并且可對(duì)制動(dòng)盤以及車輪鋼的材料真實(shí)服役條件進(jìn)行可在線觀察的模擬和測(cè)試。
【專利說明】一種可在線觀測(cè)的高效冷熱疲勞試驗(yàn)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種冷熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，屬于金屬材料性能測(cè)試和分析領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著我國列車運(yùn)行速度的提高以及高速列車的迅速發(fā)展，列車運(yùn)行的安全性受到廣泛的重視，車輪及制動(dòng)盤作為高速列車的重要結(jié)構(gòu)部件，其服役性能是關(guān)系列車運(yùn)行安全的一個(gè)重要指標(biāo)。高速列車在制動(dòng)尤其是緊急制動(dòng)過程中經(jīng)受制動(dòng)盤與剎車片摩擦產(chǎn)生類似于感應(yīng)加熱和淬火過程的冷-熱疲勞現(xiàn)象以及由于制動(dòng)盤截面上的溫度梯度導(dǎo)致的熱應(yīng)力作用。車輪與閘瓦之間也存在摩擦生熱，它會(huì)導(dǎo)致車輪踏面的熱疲勞裂紋。為了評(píng)價(jià)服役過程中制動(dòng)盤、車輪材料的性能，需要對(duì)其進(jìn)行熱疲勞測(cè)試。傳統(tǒng)條件下的冷-熱疲勞性能測(cè)試效率低，實(shí)驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，難以用統(tǒng)計(jì)方法對(duì)材料性能進(jìn)行可靠性評(píng)估。并且傳統(tǒng)設(shè)備不可在線觀測(cè)，因此不能準(zhǔn)確的表征材料疲勞開裂的條件以及疲勞裂紋的擴(kuò)展行為。因此對(duì)于制動(dòng)盤及車輪材料的性能評(píng)價(jià)和壽命預(yù)測(cè)帶來很大的不確定性，同時(shí)對(duì)制動(dòng)盤和車輪材料的性能提高指導(dǎo)性不強(qiáng)。針對(duì)上述出現(xiàn)的不足，本實(shí)用新型的主要目的是為了滿足批量試樣冷-熱疲勞的實(shí)驗(yàn)需求，實(shí)現(xiàn)對(duì)制動(dòng)盤以及車輪鋼的材料真實(shí)服役條件進(jìn)行高效率并且可在線觀察的模擬和測(cè)試。
[0003]不僅車輪及制動(dòng)盤材料，工程材料在冷熱循環(huán)交替服役條件下的材料還有很多，如飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、燃?xì)獍l(fā)動(dòng)機(jī)缸體材料等，對(duì)其熱疲勞性能的評(píng)價(jià)和表征同樣重要，該發(fā)明也可以對(duì)這些材料進(jìn)行模擬和測(cè)試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本實(shí)用新型的技術(shù)方案是利用分段式環(huán)型感應(yīng)加熱爐裝置對(duì)試樣進(jìn)行加熱，提高試樣加熱效率，使得試樣升到規(guī)定的溫度的時(shí)間大大縮短。每一批次實(shí)驗(yàn)試樣的個(gè)數(shù)最多可達(dá)幾十個(gè)，可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行任意調(diào)整，大大提高了實(shí)驗(yàn)效率，并且可以起到節(jié)能的效果。試樣經(jīng)過一次冷-熱疲勞后，在進(jìn)入加熱爐入口處設(shè)有試樣觀察位置，可以對(duì)試樣的表面進(jìn)行在線觀測(cè)，以便觀察和測(cè)量熱疲勞裂紋形成和擴(kuò)展的情況，并進(jìn)行拍照。
[0005]一種可在線觀測(cè)的高效冷熱疲勞試驗(yàn)裝置，由可旋轉(zhuǎn)輪轂、強(qiáng)風(fēng)裝置、位置成像觀察記錄儀、輻條、感應(yīng)加熱爐爐體、紅外測(cè)溫儀、試樣、冷卻劑容器、傳送帶、無極變頻電動(dòng)機(jī)組成。設(shè)備的結(jié)構(gòu)如圖1所示，分為加熱裝置、試樣夾持裝置、傳動(dòng)裝置、冷卻裝置以及在線觀測(cè)裝置五部分。加熱裝置為分段式非完整圓環(huán)型感應(yīng)加熱爐，試樣夾持裝置包括旋轉(zhuǎn)輪轂、輻條，傳動(dòng)裝置包括傳送帶、無極變頻電動(dòng)機(jī)，在線觀測(cè)裝置包括位置成像觀察記錄儀、紅外測(cè)溫儀，冷卻裝置即冷卻劑容器。冷熱疲勞試驗(yàn)裝置的最上方是加熱裝置，采用非完整圓分段式環(huán)型感應(yīng)加熱爐。環(huán)型感應(yīng)加熱爐爐體的入口端部，設(shè)置強(qiáng)風(fēng)裝置、位置成像觀察記錄儀。強(qiáng)風(fēng)裝置用來干燥試樣，位置成像觀察記錄儀用來對(duì)試樣表面進(jìn)行在線觀察，可對(duì)試樣表面進(jìn)行圖像采集，觀測(cè)試樣表面形貌，尤其是對(duì)疲勞裂紋的形成及擴(kuò)展的觀測(cè)。環(huán)型感應(yīng)加熱爐爐體的出口端設(shè)置紅外測(cè)溫儀，用來測(cè)量試樣在進(jìn)入淬火介質(zhì)前的溫度，以保證達(dá)到規(guī)定的淬火加熱溫度。環(huán)型感應(yīng)加熱爐爐體的下方，設(shè)置淬火冷卻介質(zhì)容器，用來進(jìn)行淬火試驗(yàn)過程。
[0006]環(huán)型感應(yīng)加熱爐爐體的回轉(zhuǎn)圓心部位，設(shè)置可旋轉(zhuǎn)輪轂，輪轂的前側(cè)裝載輻條，輻條對(duì)試樣進(jìn)行夾持，輻條的數(shù)量根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要來確定。輪轂的后側(cè)設(shè)置皮帶或者飛輪，用來連接傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)裝置的另一端連接無極變頻電動(dòng)機(jī)，通過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)輪轂帶動(dòng)輻條，進(jìn)而帶動(dòng)試樣在環(huán)型感應(yīng)加熱爐中的轉(zhuǎn)動(dòng)。
[0007]分段式非完整圓環(huán)型感應(yīng)加熱爐，根據(jù)加熱爐爐體的尺寸大小可將其分為若干段。其溫度控制區(qū)域可分為2-4段。圓環(huán)回轉(zhuǎn)角度可根據(jù)加熱爐爐體的尺寸具體選擇，一般情況在180-270°之間。環(huán)型感應(yīng)加熱爐的試樣入口側(cè)爐段溫度應(yīng)適當(dāng)高于目標(biāo)溫度30-50°C，以充分利用高溫加熱效果，提高加熱速率。試樣出口側(cè)爐段溫度設(shè)為目標(biāo)溫度，以保證實(shí)驗(yàn)溫度的準(zhǔn)確性。加熱爐爐體截面如圖2所示，加熱爐爐體一側(cè)開口，試樣通過可旋轉(zhuǎn)輪轂帶動(dòng)的輻條夾持通過開口側(cè)進(jìn)入加熱爐。
[0008]試樣夾持輻條為套管式可伸縮設(shè)計(jì)，輻條實(shí)際長(zhǎng)度可根據(jù)試樣類型及尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。輻條安裝在輪轂上，輪轂由無極變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)加熱爐工況計(jì)算試樣在加熱爐中的運(yùn)動(dòng)速度，以此來調(diào)整輪轂旋轉(zhuǎn)速度，運(yùn)動(dòng)速度一般為0.15-0.2° /S，以保證試樣在加熱爐中的加熱效果。輪轂上輻條數(shù)量可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求增加，一般為8-30根，以達(dá)到最大的試驗(yàn)效率。
[0009]環(huán)型感應(yīng)加熱爐下側(cè)放置淬火劑容器。容器尺寸及淬火劑深度根據(jù)試樣形狀及尺寸確定。淬火時(shí)，使得試樣剛好沒于淬火劑中為宜。淬火劑容器內(nèi)部設(shè)有溶液冷卻裝置，以保障淬火過程中淬火劑溫度基本不變，淬火劑一般選擇水或者油作為淬火冷卻介質(zhì)。
[0010]試樣每次淬火結(jié)束，在出淬火劑液面后設(shè)置強(qiáng)風(fēng)裝置，對(duì)試樣進(jìn)行吹干。試樣吹干后在進(jìn)入感應(yīng)加熱爐之前有一實(shí)驗(yàn)觀察區(qū)，可進(jìn)行試樣的在線觀測(cè)。利用位置成像記錄儀進(jìn)行觀測(cè)拍照，記錄熱疲勞裂紋的形核和擴(kuò)展過程，以及記錄裂紋形貌及測(cè)量熱疲勞裂紋擴(kuò)展速率。
[0011]實(shí)驗(yàn)試樣可以是棒狀試樣、板狀試樣、塊狀試樣等，試樣最小尺寸不受限制，最大尺寸根據(jù)感應(yīng)加熱爐爐體尺寸確定。試樣可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要預(yù)制缺口或裂紋，缺口或裂紋的位置的確定要確保加熱和淬火的效果。
[0012]本實(shí)用新型優(yōu)點(diǎn)是滿足了批量試樣冷-熱疲勞的實(shí)驗(yàn)需求，縮短了實(shí)驗(yàn)周期，提高了實(shí)驗(yàn)效率，并且可對(duì)制動(dòng)盤以及車輪鋼的材料真實(shí)服役條件進(jìn)行可在線觀察的模擬和測(cè)試。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為熱疲勞實(shí)驗(yàn)裝置示意圖，其中I為可旋轉(zhuǎn)輪轂，2為強(qiáng)風(fēng)裝置，3為位置成像觀察記錄儀，4為輻條,5為感應(yīng)加熱爐爐體,6為紅外測(cè)溫儀,7為試樣,8為冷卻劑容器,9為傳送帶，10為無極變頻電動(dòng)機(jī)。
[0014]圖2為感應(yīng)加熱爐爐體橫A-A截面結(jié)構(gòu)示意圖，其中11為高頻感應(yīng)加熱電阻絲?！揪唧w實(shí)施方式】
[0015]1.裝置構(gòu)成及組裝[0016]I)加熱裝置
[0017]加熱裝置為分段式環(huán)型感應(yīng)加熱爐，回轉(zhuǎn)環(huán)型感應(yīng)加熱爐內(nèi)徑及外徑根據(jù)實(shí)驗(yàn)用試樣的尺寸確定。環(huán)型感應(yīng)加熱爐回轉(zhuǎn)角度一般取180-270°。放置時(shí)，回轉(zhuǎn)對(duì)稱軸沿水平方向。非完整環(huán)形缺口部分在下方。如附圖1所示。環(huán)型感應(yīng)加熱爐一般分為2-4段，一方面便于制造，另一方面便于分溫度區(qū)間控制。
[0018]2)試樣夾持裝置
[0019]試樣通過輻條來夾持上，輻條固定在可旋轉(zhuǎn)輪轂上。安裝時(shí)，輪轂旋轉(zhuǎn)中心與環(huán)型感應(yīng)加熱爐回轉(zhuǎn)中心重合，以便試樣運(yùn)動(dòng)軌跡與加熱爐的環(huán)形爐膛一致。輻條為套管式可伸縮設(shè)計(jì)，輻條實(shí)際長(zhǎng)度可根據(jù)試樣類型及尺寸進(jìn)行調(diào)節(jié)。輪轂上輻條數(shù)可根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求增加，以達(dá)到最大的試驗(yàn)效率。
[0020]3)傳動(dòng)裝置
[0021 ] 輪轂通過皮帶或鏈條由變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過調(diào)節(jié)無級(jí)變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)整輪轂旋轉(zhuǎn)速度。
[0022]4)淬火裝置
[0023]試樣淬火在淬火槽中進(jìn)行，淬火池置于環(huán)型感應(yīng)加熱爐下方，如附圖1所示。當(dāng)試樣運(yùn)動(dòng)出環(huán)型感應(yīng)加熱爐時(shí),進(jìn)入淬火槽,淬火槽深度及淬火介質(zhì)液面高度根據(jù)試樣長(zhǎng)度確定。為確保淬火槽中淬火介質(zhì)溫度基本恒定，保證淬火效果?？稍诖慊鸩壑蟹胖美鋮s裝置，根據(jù)淬火介質(zhì)的溫度調(diào)整冷卻介質(zhì)流量。
[0024]5)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)裝置
[0025]在淬火槽上方及環(huán)型感應(yīng)加熱爐試樣入口側(cè)下方之間為實(shí)驗(yàn)觀測(cè)位置處，如附圖1所示。當(dāng)試樣淬火完畢，運(yùn)動(dòng)出淬火劑且進(jìn)入環(huán)型感應(yīng)加熱爐之前，對(duì)試樣表面進(jìn)行觀察，可對(duì)試樣表面進(jìn)行圖像采集，觀測(cè)試樣表面形貌，尤其是疲勞裂紋的形成及擴(kuò)展。
[0026]2.實(shí)驗(yàn)過程
[0027]I)試樣安裝與運(yùn)動(dòng)調(diào)試
[0028]將試樣安裝在輻條支架上，調(diào)整支架長(zhǎng)度，使所有試樣處于加熱爐內(nèi)部適當(dāng)?shù)奈恢谩?dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使試樣運(yùn)動(dòng)，保證試樣在加熱爐中的位置盡可能處于爐膛中心。
[0029]2)淬火槽位置及液面調(diào)整
[0030]試樣運(yùn)動(dòng)調(diào)整好后，根據(jù)試樣運(yùn)動(dòng)軌跡，確定淬火槽位置及淬火劑液面高度，使試樣能夠完全沒入淬火槽中，同時(shí)淬火槽壁不影響試樣的運(yùn)動(dòng)。
[0031 ] 3 )環(huán)型感應(yīng)加熱爐溫度設(shè)定
[0032]確定好試樣及淬火槽位置后，使加熱爐開始工作，根據(jù)試樣大小，設(shè)置環(huán)形感應(yīng)加熱爐試樣入口段溫度，使其高于設(shè)定溫度，以便提高加熱效率。試樣出口段溫度設(shè)為目標(biāo)溫度，保證試樣淬火時(shí)的溫度。
[0033]4)試樣運(yùn)動(dòng)速度調(diào)整
[0034]加熱爐溫度設(shè)定好后，進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，利用紅外溫度計(jì)測(cè)量試樣加熱后進(jìn)入淬火槽前的溫度，在試樣運(yùn)動(dòng)速度滿足0.15-0.2° /s要求的情況下，使試樣溫度達(dá)到預(yù)定要求，既保證試樣淬火效果，又保證實(shí)驗(yàn)效率。
【權(quán)利要求】
1.一種可在線觀測(cè)的高效冷熱疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于冷熱疲勞試驗(yàn)裝置由可旋轉(zhuǎn)輪轂(I)、強(qiáng)風(fēng)裝置(2)、位置成像觀察記錄儀(3)、輻條(4)、感應(yīng)加熱爐爐體(5)、紅外測(cè)溫儀(6)、試樣(7)、冷卻劑容器(8)、傳送帶(9)、無極變頻電動(dòng)機(jī)(10)組成，分為加熱裝置、試樣夾持裝置、傳動(dòng)裝置、冷卻裝置以及在線觀測(cè)裝置五部分；加熱裝置為分段式非完整圓環(huán)型感應(yīng)加熱爐，試樣夾持裝置包括旋轉(zhuǎn)輪轂、輻條，傳動(dòng)裝置包括傳送帶、無極變頻電動(dòng)機(jī)，在線觀測(cè)裝置包括位置成像觀察記錄儀、紅外測(cè)溫儀，冷卻裝置即冷卻劑容器；冷熱疲勞試驗(yàn)裝置的最上方是加熱裝置，采用非完整圓分段式環(huán)型感應(yīng)加熱爐；環(huán)型感應(yīng)加熱爐爐體的入口端部，設(shè)置強(qiáng)風(fēng)裝置、位置成像觀察記錄儀；環(huán)型感應(yīng)加熱爐爐體的出口端設(shè)置紅外測(cè)溫儀；環(huán)型感應(yīng)加熱爐爐體的下方，設(shè)置淬火冷卻介質(zhì)容器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種可在線觀測(cè)的高效冷熱疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于環(huán)型感應(yīng)加熱爐爐體的回轉(zhuǎn)圓心部位，設(shè)置可旋轉(zhuǎn)輪轂，輪轂的前側(cè)裝載輻條，輻條對(duì)試樣進(jìn)行夾持；輪轂的后側(cè)設(shè)置皮帶或者飛輪，連接傳動(dòng)裝置，傳動(dòng)裝置的另一端連接無極變頻電動(dòng)機(jī)，通過電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，來實(shí)現(xiàn)輪轂帶動(dòng)輻條，進(jìn)而帶動(dòng)試樣在環(huán)型感應(yīng)加熱爐中的轉(zhuǎn)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種可在線觀測(cè)的高效冷熱疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于分段式非完整圓環(huán)型感應(yīng)加熱爐溫度控制區(qū)域分為2-4段；圓環(huán)回轉(zhuǎn)角度在180-270°之間；加熱爐爐體一側(cè)開口，試樣通過可旋轉(zhuǎn)輪轂帶動(dòng)的輻條夾持通過開口側(cè)進(jìn)入加熱爐。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種可在線觀測(cè)的高效冷熱疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于試樣夾持輻條為套管式可伸縮設(shè)計(jì)，輻條安裝在輪轂上，輪轂由無極變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)，輪轂旋轉(zhuǎn)速度為0.15-0.2° /s，輪轂上輻條數(shù)量為8-30根。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種可在線觀測(cè)的高效冷熱疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于淬火劑容器尺寸及淬火劑深度要求淬火時(shí)，要使得試樣剛好沒于淬火劑中；淬火劑容器內(nèi)部設(shè)有溶液冷卻裝置，淬火劑選擇水或者油作為淬火冷卻介質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種可在線觀測(cè)的高效冷熱疲勞試驗(yàn)裝置，其特征在于試樣每次淬火結(jié)束，在出淬火劑液面后設(shè)置強(qiáng)風(fēng)裝置，對(duì)試樣進(jìn)行吹干；試樣吹干后在進(jìn)入感應(yīng)加熱爐之前設(shè)實(shí)驗(yàn)觀察區(qū)。
【文檔編號(hào)】G01N3/60GK203534920SQ201320681270
【公開日】2014年4月9日 申請(qǐng)日期:2013年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月31日
【發(fā)明者】任學(xué)沖, 齊冀, 殷艷君 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)