本實(shí)用新型涉及材料熱疲勞試驗(yàn)技術(shù)，具體涉及一種制動(dòng)盤材料熱疲勞試驗(yàn)機(jī)。

背景技術(shù)：

制動(dòng)盤是汽車及軌道列車制動(dòng)過程中最關(guān)鍵部件之一，制動(dòng)盤以其熱耗散效率高、質(zhì)量輕，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及方便拆裝等特點(diǎn)，逐漸成為車輛制動(dòng)的主流方式。制動(dòng)盤固定在車輛的車軸上或車輪處，制動(dòng)時(shí)通過與制動(dòng)閘片的摩擦作用，實(shí)現(xiàn)車輛的減速與停車。制動(dòng)過程中車輛運(yùn)行的動(dòng)能將轉(zhuǎn)換為制動(dòng)盤的熱能，這將使制動(dòng)盤的溫度急劇升高。尤其在軌道列車高速重載的運(yùn)行條件下，緊急制動(dòng)過程中，摩擦面平均表面溫度能在制動(dòng)開始后的數(shù)秒就會(huì)達(dá)到750℃。劇烈的溫度波動(dòng)會(huì)引起制動(dòng)盤內(nèi)部產(chǎn)生巨大的熱應(yīng)力和塑性應(yīng)變。同時(shí)，反復(fù)制動(dòng)引起的熱沖擊會(huì)誘發(fā)疲勞裂紋從制動(dòng)盤淺表層起裂，萌生的疲勞裂紋在后續(xù)制動(dòng)過程中會(huì)沿制動(dòng)盤徑向方向繼續(xù)擴(kuò)展。熱疲勞是制動(dòng)盤的主要失效形式之一。因此熱疲勞性能是制動(dòng)盤材料最主要的考核性能之一。

制動(dòng)盤熱疲勞過程有其特殊性。首先，制動(dòng)過程中熱流在制動(dòng)盤摩擦面產(chǎn)生并通過熱傳導(dǎo)傳入制動(dòng)盤內(nèi)部，最終達(dá)到熱平衡。其次，制動(dòng)緩解后制動(dòng)盤由空氣對(duì)其進(jìn)行整體冷卻。再次，制動(dòng)盤的熱裂紋只存在于制動(dòng)盤摩擦面，即熱流產(chǎn)生和輸入面。由于這些特性，目前，常規(guī)的熱疲勞試驗(yàn)裝置雖然能實(shí)現(xiàn)材料在高低溫的熱循環(huán)過程，但并不能較接近地模擬制動(dòng)盤制動(dòng)過程中單側(cè)熱輸入，升溫過程中材料內(nèi)部存在溫度梯度的特點(diǎn)。因此設(shè)計(jì)一款能模擬制動(dòng)盤制動(dòng)過程中熱疲勞過程的試驗(yàn)儀器來考核制動(dòng)盤材料的熱疲勞性能是十分必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的發(fā)明目的是提供一種制動(dòng)盤材料熱疲勞試驗(yàn)機(jī)。該試驗(yàn)機(jī)可以模擬制動(dòng)盤材料在制動(dòng)過程中單側(cè)熱輸入，加熱過程中材料內(nèi)部存在溫度差，熱平衡后材料整體冷卻的制動(dòng)熱循環(huán)特征，獲得與制動(dòng)盤制動(dòng)實(shí)際工況中熱循環(huán)過程一致的熱疲勞試驗(yàn)結(jié)果。

本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)其發(fā)明目的所采取的技術(shù)方案是：一種制動(dòng)盤材料熱疲勞試驗(yàn)機(jī)，包括對(duì)制動(dòng)盤材料的熱疲勞試件進(jìn)行加熱的感應(yīng)加熱設(shè)備、對(duì)熱疲勞試件進(jìn)行冷卻的冷卻設(shè)備，支撐熱疲勞試件的試件支撐平臺(tái)和監(jiān)測(cè)熱疲勞試件溫度的試件溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：

所述感應(yīng)加熱設(shè)備包括位于熱疲勞試件上方的感應(yīng)加熱線圈和與所述感應(yīng)加熱線圈電連接的感應(yīng)加熱電源；

所述冷卻設(shè)備包括液體介質(zhì)冷卻裝置、淹沒深度控制裝置和壓縮空氣冷卻裝置，所述液體介質(zhì)冷卻裝置包括冷卻介質(zhì)循環(huán)槽，冷卻介質(zhì)循環(huán)槽內(nèi)裝有液體冷卻介質(zhì)；淹沒深度控制裝置可通過調(diào)節(jié)熱疲勞試件高度或液體冷卻介質(zhì)液面高度控制液體冷卻介質(zhì)淹沒熱疲勞試件的深度；所述壓縮空氣冷卻裝置包括對(duì)準(zhǔn)熱疲勞試件的壓縮空氣噴嘴和與所述壓縮空氣噴嘴相連的空氣壓縮機(jī)；

所述試件溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備包括監(jiān)測(cè)熱疲勞試件上部溫度的上部溫度傳感器、監(jiān)測(cè)熱疲勞試件中部溫度的中部溫度傳感器和監(jiān)測(cè)熱疲勞試件下部溫度的下部溫度傳感器。

用上述制動(dòng)盤材料熱疲勞試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行熱疲勞試驗(yàn)的方法以及有益效果是：

A、將熱疲勞試件固定在試件支撐平臺(tái)上。

B、在冷卻介質(zhì)循環(huán)槽加入液體冷卻介質(zhì)，通過淹沒深度控制裝置控制液體冷卻介質(zhì)剛好淹沒熱疲勞試件的下表面；開啟的感應(yīng)加熱電源，通過感應(yīng)加熱線圈對(duì)熱疲勞試件進(jìn)行加熱；在加熱過程中，溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備的上部溫度傳感器、中部溫度傳感器和下部溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)熱疲勞試件的上部、中部和下部的溫度；通過淹沒深度控制裝置控制液體冷卻介質(zhì)剛好淹沒熱疲勞試件的下表面，然后通過感應(yīng)加熱線圈對(duì)熱疲勞試件進(jìn)行加熱，可模擬制動(dòng)盤材料熱疲勞過程中升溫階段前期上表面加熱，下表面恒溫，熱疲勞試件內(nèi)部存在溫度差的加熱特點(diǎn)。

C、當(dāng)加熱至上部溫度傳感器和下部溫度傳感器測(cè)得的溫度差值達(dá)到制動(dòng)盤實(shí)際制動(dòng)工況下摩擦面和散熱內(nèi)表面最大溫度差時(shí)，通過淹沒深度控制裝置降低冷卻介質(zhì)循環(huán)槽內(nèi)液體冷卻介質(zhì)的液面或整體升高熱疲勞試件和其上方感應(yīng)加熱線圈的位置，使熱疲勞試件下表面露出液面；試件下表面不再受冷卻介質(zhì)的影響，試件通過熱傳導(dǎo)和電磁感應(yīng)進(jìn)行整體加熱的特點(diǎn)，能夠模擬制動(dòng)盤材料在實(shí)際過程中的受熱過程。當(dāng)加熱至上部溫度傳感器、中部溫度傳感器和下部溫度傳感器測(cè)得的溫度值均達(dá)到預(yù)先設(shè)定的加熱結(jié)束溫度值(根據(jù)制動(dòng)盤實(shí)際制動(dòng)工況下摩擦面與散熱內(nèi)表面整體動(dòng)態(tài)熱平衡后的最高溫度確定)時(shí)，關(guān)閉感應(yīng)加熱電源，停止加熱。

D、通過壓縮空氣冷卻裝置的壓縮空氣噴嘴噴出壓縮空氣對(duì)熱疲勞試件進(jìn)行冷卻，直至上部溫度傳感器、中部溫度傳感器和下部溫度傳感器測(cè)得的溫度值均達(dá)到預(yù)先設(shè)定的冷卻結(jié)束溫度值(根據(jù)制動(dòng)盤制動(dòng)冷卻后達(dá)到熱平衡狀態(tài)下的最低溫度確定)，停止冷卻，即完成一次熱疲勞試驗(yàn)過程。通過壓縮空氣冷卻裝置模擬了制動(dòng)緩解后制動(dòng)盤由空氣對(duì)其進(jìn)行整體冷卻的過程。

進(jìn)一步，本實(shí)用新型所述感應(yīng)加熱線圈成同心圓多環(huán)餅形結(jié)構(gòu)，位于熱疲勞試件的上表面上方，通過線圈漏磁對(duì)熱疲勞試件上表面進(jìn)行加熱。

感應(yīng)加熱線圈的同心圓多環(huán)餅形結(jié)構(gòu)可以在線圈下部產(chǎn)生較為均勻的漏磁磁場(chǎng)，均勻的漏磁磁場(chǎng)使試件上表面內(nèi)產(chǎn)生均勻的感應(yīng)電流，達(dá)到上表面均勻加熱的目的。

進(jìn)一步，本實(shí)用新型所述試件支撐平臺(tái)與熱疲勞試件之間設(shè)置有鏤空通風(fēng)槽；所述壓縮空氣噴嘴為靠近熱疲勞試件上表面和下表面的兩組，位于熱疲勞試件上表面的壓縮空氣噴嘴對(duì)著熱疲勞試件上表面，位于熱疲勞試件下表面的壓縮空氣噴嘴對(duì)著試件支撐平臺(tái)與熱疲勞試件之間的鏤空通風(fēng)槽。

鏤空通風(fēng)槽是為了能使下表面噴嘴噴出的壓縮空氣能抵達(dá)試件的下表面，而不會(huì)因?yàn)樵嚰纹脚_(tái)的阻擋造成壓縮空氣無法到達(dá)試件下表面；壓縮空氣噴嘴對(duì)著熱疲勞試件上下表面是為了噴出的壓縮空氣能直接到作用到試件的上下表面進(jìn)行冷卻，這樣的方式更接近與制動(dòng)盤制動(dòng)時(shí)候的冷卻過程。制動(dòng)盤內(nèi)外表面的冷卻效率比其他部位冷卻效率更快，因此，對(duì)熱疲勞試件上下表面直接用壓縮空氣進(jìn)行直接冷卻可使上下表面獲得較高的冷卻效率。

進(jìn)一步，本實(shí)用新型所述上部溫度傳感器為兩組，分別布置在熱疲勞試件上表面的幾何中心處和邊緣處，測(cè)得的熱疲勞試件上部的溫度為兩組上部溫度傳感器測(cè)得的溫度值中的最低溫度值；所述中部溫度傳感器為一組，布置在熱疲勞試件的芯部；所述下部溫度傳感器為兩組，布置在熱疲勞試件下表面的幾何中心處和邊緣處，測(cè)得的熱疲勞試件下部的溫度為兩組下部溫度傳感器測(cè)得的溫度值中的最低溫度值。

在通過感應(yīng)加熱線圈對(duì)熱疲勞試件進(jìn)行加熱過程中，同一平面上的溫度中平面幾何中心的溫度最具有代表性，所以在熱疲勞試件上表面和下表面的表面幾何中心處布置溫度傳感器；由于感應(yīng)加熱特有的集膚效應(yīng)，在上下表面邊緣處，由于與試件上下表面與側(cè)面相交，比表面積較大，加熱相對(duì)較快，對(duì)邊緣處的溫度監(jiān)測(cè)有助于了解和控制整個(gè)感應(yīng)加熱過程。表面幾何中心處的溫度低于邊緣處的溫度，表面幾何中心處的溫度最具有代表性，所以此處選取兩組上部溫度傳感器測(cè)得的溫度值中的最低溫度值作為熱疲勞試件上部的溫度；兩組下部溫度傳感器測(cè)得的溫度值中的最低溫度值作為熱疲勞試件下部的溫度。

進(jìn)一步，本實(shí)用新型所述淹沒深度控制裝置包括設(shè)置在冷卻介質(zhì)循環(huán)槽側(cè)壁的限液位裝置和降液位排液口；所述限液位裝置高于試件支撐平臺(tái)的上支撐面，所述降液位排液口低于試件支撐平臺(tái)的上支撐面。

限液位裝置可保證在冷卻介質(zhì)循環(huán)槽中加入液體冷卻介質(zhì)時(shí)，液體冷卻介質(zhì)液面剛好淹沒熱疲勞試件的下表面；當(dāng)加熱至上部溫度傳感器和下部溫度傳感器測(cè)得的溫度差值預(yù)先設(shè)定的溫度差值時(shí)，通過控制降液位排液口打開，降低冷卻介質(zhì)循環(huán)槽內(nèi)液體冷卻介質(zhì)的液面，使熱疲勞試件下表面露出液面。限液位裝置和降液位排液口的設(shè)置通過簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)了淹沒深度控制裝置的功能。

進(jìn)一步，本實(shí)用新型所述熱疲勞試驗(yàn)機(jī)還包括智能控制終端；液體介質(zhì)冷卻裝置的控制端、壓縮空氣冷卻裝置的控制端、淹沒深度控制裝置的控制端和試件溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備均與智能控制終端相連。

智能控制終端可預(yù)先設(shè)定升溫過程中熱疲勞試件上部和下部之間的溫度差值、熱疲勞試件的加熱結(jié)束溫度值和冷卻結(jié)束溫度值；智能控制終端根據(jù)試件溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備傳輸來的熱疲勞試件的實(shí)時(shí)溫度值控制感應(yīng)加熱設(shè)備、液體介質(zhì)冷卻裝置、壓縮空氣冷卻裝置和淹沒深度控制裝置的作業(yè)。這樣，不需人工操作即可完成熱疲勞試驗(yàn)，減輕了工作人員的勞動(dòng)負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)化，大大提高了熱疲勞試驗(yàn)的效率。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例一三維結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例一感應(yīng)加熱線圈放大結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例一冷卻介質(zhì)循環(huán)槽和試件支撐平臺(tái)的俯視圖。

圖4為圖3的A-A剖面圖。

具體實(shí)施方式

實(shí)施例一

圖1示出，本實(shí)用新型試驗(yàn)機(jī)的一種具體實(shí)施方式是：一種制動(dòng)盤材料熱疲勞試驗(yàn)機(jī)，包括對(duì)制動(dòng)盤材料的熱疲勞試件7.0進(jìn)行加熱的感應(yīng)加熱設(shè)備、對(duì)熱疲勞試件7.0進(jìn)行冷卻的冷卻設(shè)備，支撐熱疲勞試件7.0的試件支撐平臺(tái)6.0和監(jiān)測(cè)熱疲勞試件7.0溫度的試件溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：

所述感應(yīng)加熱設(shè)備包括位于熱疲勞試件7.0上表面上方的感應(yīng)加熱線圈2.1和與所述感應(yīng)加熱線圈2.1電連接的感應(yīng)加熱電源2.2；所述感應(yīng)加熱線圈2.1成同心圓多環(huán)餅形結(jié)構(gòu)，如圖2所示，通過線圈漏磁對(duì)熱疲勞試件7.0上表面進(jìn)行加熱；

所述冷卻設(shè)備包括液體介質(zhì)冷卻裝置、淹沒深度控制裝置和壓縮空氣冷卻裝置，所述液體介質(zhì)冷卻裝置包括冷卻介質(zhì)循環(huán)槽3.1，冷卻介質(zhì)循環(huán)槽3.1內(nèi)裝有液體冷卻介質(zhì)；淹沒深度控制裝置可通過調(diào)節(jié)液體冷卻介質(zhì)液面高度控制液體冷卻介質(zhì)淹沒熱疲勞試件7.0的深度；所述壓縮空氣冷卻裝置包括對(duì)準(zhǔn)熱疲勞試件7.0的壓縮空氣噴嘴5.1和與所述壓縮空氣噴嘴5.1相連的空氣壓縮機(jī)5.2；

本例中所述淹沒深度控制裝置包括設(shè)置在冷卻介質(zhì)循環(huán)槽3.1側(cè)壁的限液位裝置4.1和降液位排液口4.2；所述限液位裝置4.1高于試件支撐平臺(tái)6.0的上支撐面，所述降液位排液口4.2低于試件支撐平臺(tái)6.0的上支撐面，本例中有四個(gè)；本例中所述限液位裝置4.1為限液位排液口。圖3為本上述冷卻介質(zhì)循環(huán)槽和試件支撐平臺(tái)的俯視圖。圖4為圖3的A-A剖面圖。

所述試件溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備包括監(jiān)測(cè)熱疲勞試件7.0上部溫度的上部溫度傳感器、監(jiān)測(cè)熱疲勞試件7.0中部溫度的中部溫度傳感器和監(jiān)測(cè)熱疲勞試件7.0下部溫度的下部溫度傳感器；圖1中省略了溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備。

本例中所述上部溫度傳感器為兩組，分別布置在熱疲勞試件7.0上表面的幾何中心處和邊緣處，測(cè)得的熱疲勞試件7.0上部的溫度為兩組上部溫度傳感器測(cè)得的溫度值中的最低溫度值；所述中部溫度傳感器為一組，布置在熱疲勞試件7.0的芯部；所述下部溫度傳感器為兩組，布置在熱疲勞試件7.0下表面的幾何中心處和邊緣處，測(cè)得的熱疲勞試件7.0下部的溫度為兩組下部溫度傳感器測(cè)得的溫度值中的最低溫度值。

本例中所述熱疲勞試驗(yàn)機(jī)還包括智能控制終端1.0；液體介質(zhì)冷卻裝置的控制端均與智能控制終端1.0相連，當(dāng)液面達(dá)到液體冷卻介質(zhì)淹沒熱疲勞試件7.0的下表面時(shí)，液體冷卻介質(zhì)開始從限液位排液口中流出，并將液面信號(hào)傳輸給智能控制終端1.0，智能控制裝置1.0控制關(guān)閉向冷卻介質(zhì)循環(huán)槽3.1加入液體冷卻介質(zhì)的開關(guān)。本例中壓縮空氣冷卻裝置的控制端、淹沒深度控制裝置的控制端和試件溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備也均與智能控制終端1.0相連。試件溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備將采集的熱疲勞試件7.0的上部、中部和下部的溫度實(shí)時(shí)傳輸給智能控制終端1.0，智能控制終端1.0根據(jù)試件溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備傳輸來的熱疲勞試件7.0的實(shí)時(shí)溫度值控制感應(yīng)加熱設(shè)備、液體介質(zhì)冷卻裝置、壓縮空氣冷卻裝置和淹沒深度控制裝置的作業(yè)。

本例中所述試件支撐平臺(tái)6.0與熱疲勞試件7.0之間設(shè)置有鏤空通風(fēng)槽6.1；所述壓縮空氣噴嘴5.1為靠近熱疲勞試件7.0上表面和下表面的兩組，位于熱疲勞試件7.0上表面的壓縮空氣噴嘴5.1對(duì)著熱疲勞試件7.0上表面，位于熱疲勞試件7.0下表面的壓縮空氣噴嘴5.1對(duì)著試件支撐平臺(tái)6.0與熱疲勞試件7.0之間的鏤空通風(fēng)槽6.1。

實(shí)施例二

一種制動(dòng)盤材料熱疲勞試驗(yàn)機(jī)，本實(shí)施例試驗(yàn)機(jī)與實(shí)施例一結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別僅僅在于：本例中所述限液位裝置4.1不與智能控制裝置1.0相連，限液位裝置4.1為限液位排液口，當(dāng)液面達(dá)到液體冷卻介質(zhì)淹沒熱疲勞試件7.0的下表面時(shí)，液體冷卻介質(zhì)開始從限液位排液口中流出，手動(dòng)關(guān)閉向冷卻介質(zhì)循環(huán)槽3.1加入液體冷卻介質(zhì)的開關(guān)。

實(shí)施例三

一種制動(dòng)盤材料熱疲勞試驗(yàn)機(jī)，本實(shí)施例試驗(yàn)機(jī)與實(shí)施例一結(jié)構(gòu)基本相同，區(qū)別僅僅在于：本例中所述限液位裝置4.1為液面?zhèn)鞲衅?，?dāng)液面達(dá)到液體冷卻介質(zhì)淹沒熱疲勞試件7.0的下表面時(shí)，液面?zhèn)鞲衅鲗⒁好嫘盘?hào)傳輸給智能控制終端1.0，智能控制裝置1.0控制關(guān)閉向冷卻介質(zhì)循環(huán)槽3.1加入液體冷卻介質(zhì)的開關(guān)。

實(shí)施例四

一種制動(dòng)盤材料熱疲勞試驗(yàn)機(jī)，包括對(duì)制動(dòng)盤材料的熱疲勞試件7.0進(jìn)行加熱的感應(yīng)加熱設(shè)備、對(duì)熱疲勞試件7.0進(jìn)行冷卻的冷卻設(shè)備，支撐熱疲勞試件7.0的試件支撐平臺(tái)6.0和監(jiān)測(cè)熱疲勞試件7.0溫度的試件溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：

所述感應(yīng)加熱設(shè)備包括位于熱疲勞試件7.0上表面上方的感應(yīng)加熱線圈2.1和與所述感應(yīng)加熱線圈2.1電連接的感應(yīng)加熱電源2.2；

所述冷卻設(shè)備包括液體介質(zhì)冷卻裝置、淹沒深度控制裝置和壓縮空氣冷卻裝置，所述液體介質(zhì)冷卻裝置包括冷卻介質(zhì)循環(huán)槽3.1，冷卻介質(zhì)循環(huán)槽3.1內(nèi)裝有液體冷卻介質(zhì)；淹沒深度控制裝置可通過調(diào)節(jié)熱疲勞試件7.0高度控制液體冷卻介質(zhì)淹沒熱疲勞試件7.0的深度；所述壓縮空氣冷卻裝置包括對(duì)準(zhǔn)熱疲勞試件7.0的壓縮空氣噴嘴5.1和與所述壓縮空氣噴嘴5.1相連的空氣壓縮機(jī)5.2；

所述試件溫度監(jiān)測(cè)設(shè)備包括監(jiān)測(cè)熱疲勞試件7.0上部溫度的上部溫度傳感器、監(jiān)測(cè)熱疲勞試件7.0中部溫度的中部溫度傳感器和監(jiān)測(cè)熱疲勞試件7.0下部溫度的下部溫度傳感器；

本例中所述試件支撐平臺(tái)6.0與熱疲勞試件7.0之間設(shè)置有鏤空通風(fēng)槽6.1；所述壓縮空氣噴嘴5.1為靠近熱疲勞試件7.0上表面和下表面的兩組，位于熱疲勞試件7.0上表面的壓縮空氣噴嘴5.1對(duì)著熱疲勞試件7.0上表面，位于熱疲勞試件7.0下表面的壓縮空氣噴嘴5.1對(duì)著試件支撐平臺(tái)6.0與熱疲勞試件7.0之間的鏤空通風(fēng)槽6.1。