一種金屬雙極板抗壓和抗彎剛度一體式測試裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種金屬雙極板抗壓和抗彎剛度一體式測試裝置及方法。本裝置由液壓系統(tǒng)、支撐板、導(dǎo)套、導(dǎo)柱、傳力桿、壓板、壓頭、金屬雙極板、支撐臺、滑塊、滑軌、工作臺、位移傳感器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)構(gòu)成。測試方法為，通過液壓控制系統(tǒng)使壓板或壓頭逐步增加壓力對金屬雙極板進(jìn)行沖壓，觀察數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中位移?壓力圖像，圖像中出現(xiàn)拐點(diǎn)處所對應(yīng)的壓力即為金屬雙極板所能承受的極限載荷。本發(fā)明為金屬雙極板抗壓和抗彎剛度測試領(lǐng)域提供了一種可行有效的測試裝置和使用方法，能夠提前預(yù)測金屬雙極板所能承受的極限載荷，進(jìn)而避免金屬雙極板因承受過大載荷變形失效所帶來的損失。
【專利說明】
一種金屬雙極板抗壓和抗彎剛度一體式測試裝置及方法
一、技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及薄板件極限載荷測試技術(shù)，具體是一種金屬雙極板抗壓和抗彎剛度一體式測試裝置及方法。
二、【背景技術(shù)】
[0002]質(zhì)子交換膜燃料電池(protonexchange membrane fuel cell，PEMFC)是一種將化學(xué)能高效轉(zhuǎn)化成電能的裝置，他的主要燃料為氧氣和氫氣。PEMFC具有能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好、室溫快速啟動、無電解液流失、水易排出、壽命長、比功率與比能量高等突出特點(diǎn)，因而被認(rèn)為是代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源的最有力競爭者。阻礙PEMFC商業(yè)化應(yīng)用的主要因素是成本太高。而雙極板作為PEMFC的主要組成部分，占據(jù)了PEMFC成本的30 % -45 %。為了降低燃料電池的生產(chǎn)成本，同時由于金屬材料自身具有的優(yōu)點(diǎn)，金屬雙極板成為了PEMFC領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。
[0003]由于金屬雙極板必須實現(xiàn)單池之間電的聯(lián)結(jié)功能，所以金屬雙極板除了滿足必須是電的良導(dǎo)體之外，還要實現(xiàn)金屬雙極板流場區(qū)脊部與氣體擴(kuò)散層的緊密接觸以減小接觸阻力。目前，絕大多數(shù)質(zhì)子交換膜燃料電池的單池是用螺栓連接的方法裝配形成電池堆，流場區(qū)脊部靠電池組裝力與氣體擴(kuò)散層接觸。但是，用沖壓方法加工的普通金屬雙極板由于其厚度過于薄，剛度不足，抗變形能力差，再加上成形后易受到殘余應(yīng)力的影響，使其不可避免的發(fā)生翹曲變形。翹曲變形方向不固定，無規(guī)律，降低了金屬極板的平面度，導(dǎo)致流場區(qū)脊部與氣體擴(kuò)散層接觸不良，增大接觸電阻，降低燃料電池性能。更甚者，若變形嚴(yán)重則反應(yīng)物質(zhì)和冷卻液可能會滲漏，將使電池性能下降或失去工作能力。例如，質(zhì)子交換膜燃料電池中的氫氣滲漏還可能引發(fā)危險事故。
[0004]剛度是指構(gòu)件或結(jié)構(gòu)在外加載荷作用下抵抗彈性變形的能力，金屬雙極板的剛度主要是指金屬雙極板裝配成電堆時在有可能不均勻分布的裝配壓力作用下抵抗彈性變形的能力。裝配成電池堆時金屬雙極板整體都受到裝配壓力的作用，且裝配壓力的方向垂直于金屬雙極板所在的面，即沿著金屬雙極板所在面的法向。金屬極板的變形指的是在受載方向的位移，也就是垂直于極板所在面方向的位移。因金屬極板是薄層板料，其發(fā)生翅曲等彈性變形時，極板上的點(diǎn)在法向的位移最明顯，在極板板面即切平面內(nèi)的位移很小且可以忽略不計。目前關(guān)于金屬雙極板抵抗外壓能力的測試裝置幾乎沒有。因此，開發(fā)一種有利于提前測定金屬雙極板抗壓和抗彎剛度的裝置及方法是非常必要的。
[0005]經(jīng)檢索國內(nèi)外專利文獻(xiàn)，中國國家知識產(chǎn)權(quán)局2015年12月16日公開了公開號為CN204882241U，名稱為“一種剛度測試裝置及系統(tǒng)”，該發(fā)明主要通過測試支架對構(gòu)件進(jìn)行測試，這種方法固然簡便易行，但是該裝置使用壓頭，無法對金屬雙極板這樣的構(gòu)件整體部位進(jìn)行剛度測試。中國國家知識產(chǎn)權(quán)局2014年06月25日公開了公開號為CN203672706U，名稱為“一種抗彎強(qiáng)度測試試驗裝置”，該實用新型提供了一種抗彎強(qiáng)度測試試驗裝置，可以保證在進(jìn)行檢測時樣品的穩(wěn)定性，但是該裝置無法記錄構(gòu)件發(fā)生彎曲時所能承受的最大壓力值。此外，沒有檢索到能夠同時滿足測量構(gòu)件抗壓剛度與抗彎剛度的專利文獻(xiàn)。三、
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，在金屬雙極板承受較大載荷而變形失效之前預(yù)測其承載極限，防止金屬雙極板承受較大壓力而失效，提供了一種金屬雙極板抗壓和抗彎剛度一體式測試裝置及方法。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案是:由液壓系統(tǒng)、支撐板、導(dǎo)套、導(dǎo)柱、傳力桿、壓板、壓頭、金屬雙極板、支撐臺、滑塊、滑軌、工作臺、位移傳感器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)構(gòu)成。
[0008]工作臺與支撐板為對應(yīng)匹配的矩形剛性體，工作臺左右兩邊分別固定一條導(dǎo)柱，在支撐板與工作臺上固定的導(dǎo)柱對應(yīng)的位置固定導(dǎo)套；導(dǎo)套內(nèi)裝彈簧并套裝在導(dǎo)柱上，導(dǎo)套與導(dǎo)柱的配合關(guān)系為滑動配合;支撐板上方中心位置固定有液壓系統(tǒng)裝置，支撐板下方中心位置固定有傳力桿;傳力桿下端安裝有壓板或壓頭，壓板為矩形剛性體，壓頭下端為半球形剛性體，壓板或壓頭通過螺釘與傳力桿連接;壓板和壓頭上裝有位移傳感器，位移傳感器外接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)外接液壓控制系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連接。
[0009]滑軌截面形狀為“工”字形，并通過螺釘固定在工作臺上，左右放置;滑軌上嵌有兩個滑塊，滑軌與滑塊為滑動配合，通過阻尼制動;每個滑塊上方通過螺釘固定有長方體形支撐臺，金屬雙極板水平放置于兩個支撐臺上。
[0010]優(yōu)選的是，根據(jù)測試要求不同，壓板、壓頭可以從傳力桿上自由拆卸和安裝。
[0011]優(yōu)選的是，當(dāng)測試金屬雙極板抗壓剛度時，傳力桿下方安裝壓板，移動滑塊使兩支撐臺合并在一起并置于滑軌中間位置。
[0012]優(yōu)選的是，當(dāng)測試金屬雙極板抗彎剛度時，傳力桿下方安裝壓頭，移動滑塊使兩支撐臺之間保持一定間隔，間隔距離稍微小于金屬雙極板長度，兩支撐臺關(guān)于傳力桿軸線位置左右對稱O
[0013]應(yīng)用一種金屬雙極板抗壓和抗彎剛度一體式測試裝置實施的測試方法，當(dāng)測試金屬雙極板抗壓剛度時，包括以下步驟:
[0014](I)按照測試要求，安放裝置中各構(gòu)件，將壓板安裝于傳力桿下端，移動滑塊使得兩支撐臺合并在一起，將金屬雙極板放于支撐臺上方，準(zhǔn)備測試；
[0015](2)啟動液壓控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，開始測試；
[0016](3)通過調(diào)節(jié)液壓控制系統(tǒng)使壓板對金屬雙極板向下施加壓力，且壓力從零開始緩慢增加；
[0017](4)從壓板開始運(yùn)動時，注意觀察數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)收集的位移-壓力數(shù)據(jù)及圖像；
[0018](5)當(dāng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)顯示的位移-壓力圖像出現(xiàn)拐點(diǎn)，得到金屬雙極板所能承受的最大壓力，并記錄拐點(diǎn)對應(yīng)的壓力大?。?br>[0019](6)關(guān)閉液壓控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，取出失效后的金屬雙極板，完成測試。
[0020]應(yīng)用一種金屬雙極板抗壓和抗彎剛度一體式測試裝置實施的測試方法，當(dāng)測試金屬雙極板抗彎剛度時，包括以下步驟:
[0021](I)按照測試要求，安放裝置中各構(gòu)件，將壓頭安裝于傳力桿下端，移動滑塊使得兩支撐臺之間的距離略小于金屬雙極板的長度，將金屬雙極板放于支撐臺上方，準(zhǔn)備測試；
[0022](2)啟動液壓控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，開始測試；
[0023](3)通過調(diào)節(jié)液壓控制系統(tǒng)使壓頭對金屬雙極板向下施加壓力，且壓力從零開始緩慢增加；
[0024](4)從壓頭開始運(yùn)動時，注意觀察數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)收集的位移-壓力數(shù)據(jù)及圖像；
[0025](5)當(dāng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)顯示的位移-壓力圖像出現(xiàn)拐點(diǎn)，得到金屬雙極板抗彎曲極限載荷，并記錄拐點(diǎn)對應(yīng)的壓力大?。?br>[0026](6)關(guān)閉液壓控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，取出失效后的金屬雙極板，完成測試。
[0027]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:提供一種金屬雙極板抗壓和抗彎剛度一體式測試裝置及方法，使得金屬雙極板受外載荷之前，提前預(yù)測其能承受的極限載荷，以防止施加較大的載荷使金屬雙極板變形失效，進(jìn)而避免金屬雙極板失效帶來的損失。
四、【附圖說明】
[0028]圖1為測試金屬雙極板抗壓剛度裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2為圖1中I部位的局部放大圖；
[0030]圖3為測試金屬雙極板抗彎剛度裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖4為圖3中Π部位的局部放大圖；
[0032]圖5為滑塊和滑軌裝配時截面剖視圖；
[0033]圖6為測試金屬雙極板抗壓和抗彎剛度時壓板或壓頭的位移-壓力曲線。
[0034]附圖標(biāo)記:
[00；35] 1、液壓系統(tǒng)2、支撐板3、導(dǎo)套4、導(dǎo)柱5、傳力桿6、壓板7、壓頭8、金屬雙極板
9、支撐臺10、滑塊11、滑軌12、工作臺13、位移傳感器14、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)15、液壓控制系統(tǒng)
五、【具體實施方式】
[0036]結(jié)合說明書附圖，進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體實施過程。
[0037 ]如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所不，一種金屬雙極板抗壓和抗彎剛度一體式測試裝置，由液壓系統(tǒng)1、支撐板2、導(dǎo)套3、導(dǎo)柱4、傳力桿5、壓板6、壓頭7、金屬雙極板8、支撐臺9、滑塊
10、滑軌11、工作臺12、位移傳感器13、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14和液壓控制系統(tǒng)15構(gòu)成。
[0038]工作臺12與支撐板2為對應(yīng)匹配的矩形剛性體，工作臺12左右兩邊分別固定一條導(dǎo)柱4，在支撐板2與工作臺12上固定的導(dǎo)柱4對應(yīng)的位置固定導(dǎo)套3;導(dǎo)套3內(nèi)裝彈簧并套裝在導(dǎo)柱4上，導(dǎo)套3與導(dǎo)柱4的配合關(guān)系為滑動配合;支撐板2上方中心位置固定有液壓系統(tǒng)I，支撐板2下方中心位置固定有傳力桿5;傳力桿5下端安裝有壓板6或壓頭7，壓板6為矩形剛性體，壓頭7下端為半球形剛性體，壓板6或壓頭7通過螺釘與傳力桿5連接;壓板6和壓頭7上裝有位移傳感器13，位移傳感器13外接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14，液壓系統(tǒng)I外接液壓控制系統(tǒng)15，液壓控制系統(tǒng)15與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14相連接。
[0039]滑軌11截面形狀為“工”字形，并通過螺釘固定在工作臺12上，左右放置;滑軌11上嵌有兩個滑塊10，滑軌11與滑塊10為滑動配合，通過阻尼制動;每個滑塊10上方通過螺釘固定有長方體形支撐臺9，金屬雙極板8水平放置于兩個支撐臺9上。
[0040]根據(jù)測試要求不同，壓板6、壓頭7可以從傳力桿5上自由拆卸和安裝。當(dāng)測試金屬雙極板8的抗壓剛度時，傳力桿5下方安裝壓板6，移動滑塊10使兩支撐臺9合并在一起并置于滑軌11中間位置。當(dāng)測試金屬雙極板8的抗彎剛度時，傳力桿5下方安裝壓頭7，移動滑塊10使兩支撐臺9之間保持一定間隔，間隔距離稍微小于金屬雙極板8的長度，兩支撐臺9關(guān)于傳力桿5軸線位置左右對稱。
[0041 ]如圖1、圖3、圖5、圖6所示，利用該裝置測試金屬雙極板8抗壓剛度時的具體使用方法包括以下步驟:
[0042](I)按照測試要求，安放裝置中各構(gòu)件，將壓板6安裝于傳力桿5下端，移動滑塊10使得兩支撐臺9合并在一起，將金屬雙極板8放于支撐臺9上方，將液壓控制系統(tǒng)15與液壓系統(tǒng)I相連，液壓控制系統(tǒng)15和位移傳感器13分別與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14相連，準(zhǔn)備后續(xù)步驟；
[0043](2)裝置構(gòu)件安放完畢后，啟動液壓控制系統(tǒng)15和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14，進(jìn)入測試程序;
[0044](3)通過調(diào)節(jié)液壓控制系統(tǒng)15使壓板6對金屬雙極板8向下施加壓力，且壓力從零開始緩慢增加；
[0045](4)壓板6開始運(yùn)動后，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14收集得到液壓控制系統(tǒng)15傳來的壓力F信息和位移傳感器13傳來的位移S信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理建立F-S圖像，此過程一定要注意觀察圖像走勢；
[0046](5)當(dāng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14顯示的F-S圖像出現(xiàn)拐點(diǎn)，即壓板6向下移動So時得到金屬雙極板8所能承受的最大壓力Fo，并記錄拐點(diǎn)對應(yīng)的壓力大?。?br>[0047](6)關(guān)閉液壓控制系統(tǒng)15與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14，取出失效后的金屬雙極板8，完成測試。
[0048]如圖2、圖4、圖5、圖6所示，利用該裝置測試金屬雙極板抗彎剛度時的具體使用方法包括以下步驟:
[0049](I)按照測試要求，安放裝置中各構(gòu)件，將壓頭7安裝于傳力桿5下端，移動滑塊10使得兩支撐臺9之間的距離略小于金屬雙極板8的長度，將金屬雙極板8放于兩支撐臺9上方，將液壓控制系統(tǒng)15與液壓系統(tǒng)I相連，液壓控制系統(tǒng)15和位移傳感器13分別與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14相連，準(zhǔn)備后續(xù)步驟；
[0050](2)裝置構(gòu)件安放完畢后，啟動液壓控制系統(tǒng)15和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14，進(jìn)入測試程序;
[0051](3)通過調(diào)節(jié)液壓控制系統(tǒng)15使壓頭7對金屬雙極板8向下施加壓力，且壓力從零開始緩慢增加；
[0052](4)壓頭7開始運(yùn)動后，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14收集得到液壓控制系統(tǒng)15傳來的壓力F信息和位移傳感器13傳來的位移S信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理建立F-S圖像，此過程一定要注意觀察圖像走勢；
[0053](5)當(dāng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14顯示的F-S圖像出現(xiàn)拐點(diǎn)，即壓頭7向下移動So時得到金屬雙極板8所能承受的抗彎曲極限載荷，并記錄拐點(diǎn)對應(yīng)的壓力Fo大小；
[0054](6)關(guān)閉液壓控制系統(tǒng)15與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)14，取出失效后的金屬雙極板8，完成測試。
[0055]整個過程簡單易行，并能準(zhǔn)確測量金屬雙極板所能承受的抗壓和抗彎曲極限載荷，可防止施加較大的載荷使金屬雙極板變形失效，進(jìn)而避免金屬雙極板失效帶來的損失。
【主權(quán)項】
1.一種金屬雙極板抗壓和抗彎剛度一體式測試裝置，其特征為由液壓系統(tǒng)、支撐板、導(dǎo)套、導(dǎo)柱、傳力桿、壓板、壓頭、金屬雙極板、支撐臺、滑塊、滑軌、工作臺、位移傳感器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)構(gòu)成； 工作臺與支撐板為對應(yīng)匹配的矩形剛性體，工作臺左右兩邊分別固定一條導(dǎo)柱，在支撐板與工作臺上固定的導(dǎo)柱對應(yīng)的位置固定導(dǎo)套；導(dǎo)套內(nèi)裝彈簧并套裝在導(dǎo)柱上，導(dǎo)套與導(dǎo)柱的配合關(guān)系為滑動配合;支撐板上方中心位置固定有液壓系統(tǒng)裝置，支撐板下方中心位置固定有傳力桿;傳力桿下端安裝有壓板或壓頭，壓板為矩形剛性體，壓頭下端為半球形剛性體，壓板或壓頭通過螺釘與傳力桿連接;壓板和壓頭上裝有位移傳感器，位移傳感器外接數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)外接液壓控制系統(tǒng)，液壓控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)相連接;滑軌截面形狀為“工”字形，并通過螺釘固定在工作臺上，左右放置;滑軌上嵌有兩個滑塊，滑軌與滑塊為滑動配合，通過阻尼制動;每個滑塊上方通過螺釘固定有長方體形支撐臺，金屬雙極板水平放置于兩個支撐臺上。2.如權(quán)利要求1所述的一種金屬雙極板抗壓和抗彎剛度一體式測試裝置，其特征在于:根據(jù)測試要求不同，所述壓板、壓頭可以從傳力桿上自由拆卸和安裝。3.如權(quán)利要求1所述的一種金屬雙極板抗壓和抗彎剛度一體式測試裝置，其特征在于:當(dāng)測試金屬雙極板抗壓剛度時，傳力桿下方安裝壓板，移動滑塊使兩支撐臺合并在一起并置于滑軌中間位置。4.如權(quán)利要求1所述的一種金屬雙極板抗壓和抗彎剛度一體式測試裝置，其特征在于:當(dāng)測試金屬雙極板抗彎剛度時，傳力桿下方安裝壓頭，移動滑塊使兩支撐臺之間保持一定間隔，間隔距離稍微小于金屬雙極板長度，兩支撐臺關(guān)于傳力桿軸線位置左右對稱。5.應(yīng)用權(quán)利要求1所述的一種金屬雙極板抗壓和抗彎剛度一體式測試裝置實施的測試方法，當(dāng)測試金屬雙極板抗壓剛度時，包括以下步驟: (1)按照測試要求，安放裝置中各構(gòu)件，將壓板安裝于傳力桿下端，移動滑塊使得兩支撐臺合并在一起，將金屬雙極板放于支撐臺上方，準(zhǔn)備測試； (2)啟動液壓控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，開始測試； (3)通過調(diào)節(jié)液壓控制系統(tǒng)使壓板對金屬雙極板向下施加壓力，且壓力從零開始緩慢增加； (4)從壓板開始運(yùn)動時，注意觀察數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)收集的位移-壓力數(shù)據(jù)及圖像； (5)當(dāng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)顯示的位移-壓力圖像出現(xiàn)拐點(diǎn)，得到金屬雙極板所能承受的最大壓力，并記錄拐點(diǎn)對應(yīng)的壓力大?。? (6)關(guān)閉液壓控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，取出失效后的金屬雙極板，完成測試。6.應(yīng)用權(quán)利要求1所述的一種金屬雙極板抗壓和抗彎剛度一體式測試裝置實施的測試方法，當(dāng)測試金屬雙極板抗彎剛度時，包括以下步驟: (1)按照測試要求，安放裝置中各構(gòu)件，將壓頭安裝于傳力桿下端，移動滑塊使得兩支撐臺之間的距離略小于金屬雙極板的長度，將金屬雙極板放于支撐臺上方，準(zhǔn)備測試； (2)啟動液壓控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，開始測試； (3)通過調(diào)節(jié)液壓控制系統(tǒng)使壓頭對金屬雙極板向下施加壓力，且壓力從零開始緩慢增加； (4)從壓頭開始運(yùn)動時，注意觀察數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)收集的位移-壓力數(shù)據(jù)及圖像； (5)當(dāng)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)顯示的位移-壓力圖像出現(xiàn)拐點(diǎn)，得到金屬雙極板抗彎曲極限載荷，并記錄拐點(diǎn)對應(yīng)的壓力大??； (6)關(guān)閉液壓控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，取出失效后的金屬雙極板，完成測試。
【文檔編號】G01N3/20GK105842072SQ201610322732
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】徐書根, 王沖, 蔣文春, 韋洋
【申請人】中國石油大學(xué)(華東)