一種熱-力耦合疲勞實驗裝置及方法
2023-10-19 15:20:47 3
專利名稱：一種熱-力耦合疲勞實驗裝置及方法
技術領域：
本發明涉及ー種熱-力耦合疲勞實驗裝置和方法，屬金屬材料性能測試和分析領域。
背景技術：
隨著我國列車運行速度及高速列車的迅速發展，列車運行的安全性受到廣泛的重視，車輪及制動盤作為高速列車的重要結構部件，其服役性能是關系列車運行安全的ー個重要指標。高速列車在制動尤其是緊急制動過程中經受制動盤與剎車片摩擦產生的冷-熱疲勞、摩擦應カ疲勞以及由於制動盤截面上的溫度梯度導致的熱應力作用。車輪與鋼軌之間也存在摩擦生熱、摩擦應力，它們共同作用下會導致車輪踏面的熱疲勞裂紋。這些條件的共同作用使得制動盤、車輪及鋼軌材料的服役性能評價變得異常複雜，傳統単一條件下的疲勞性能測試，如熱疲勞實驗、應カ疲勞實驗等不能準確的表徵材料在真實條件下的性能，因此對於制動盤及車輪材料的性能評價和壽命預測帶來很大的不確定性，同時對制動盤和車輪材料的性能提高方向和目標的偏離。其主要原因是目前沒有一種很好的實驗裝置可以同時滿足冷-熱疲勞、應カ疲勞及符合實際情況的溫度梯度。本發明的主要目的是同時滿足冷-熱疲勞和應カ疲勞實驗需求，實現對制動盤材料真實服役條件的模擬和測試。
發明內容
本發明提出一種結合感應加熱系統、定量冷卻系統、旋轉彎曲疲勞設備及真空/氣氛環境箱相結合的熱-カ耦合疲勞實驗裝置。可以同時實現冷-熱疲勞、應カ疲勞的定量控制及自動控制。下面分別介紹各部分的組成，然後介紹組合後的完整裝置及使用方法。I)試樣
試樣為中空的圓棒試樣，形狀如圖I所示。試樣分為三部分，即加持段、試驗段和過渡段，試樣尺寸可以根據原材料及試驗機尺寸或實驗需要進行設計。中心孔的直徑可以根據冷卻速率進行調整。2)冷-熱疲勞系統
試樣試驗段用高頻感應線圈加熱,加熱速率和加熱溫度可以通過調節加熱電源的功率實現。由於高頻感性加熱具有「集膚效應」，溫度先集中與試樣表面，這與制動盤材料的在制動過程中的熱源位置相同。在試樣表面安裝接觸式熱電偶或同過紅外溫度計測量試樣表面的溫度。試樣的兩端通過旋轉密封裝置與冷卻介質管道相連，冷卻介質可以是空氣、水蒸氣及水等介質，採用流量泵或流量閥控制流量。在試樣兩端的冷卻介質進、出口位置安裝溫度傳感器，通過進監測冷卻介質的進出ロ溫度計流量精確控制冷卻速率。加熱電源與冷卻介質流量泵或流量閥與繼電器等設備與控制系統相連，可以實現加熱與冷卻參數的調節以及實驗循環頻率的設定，如圖2所示。3)應カ疲勞系統
應カ疲勞採用旋轉彎曲疲勞，試樣的表面應カ最大，這也與制動盤制動過程中的實際受カ狀態基本相同。試樣一端固定在可實現扭轉的夾具上，該夾具通過齒輪與旋轉電機主軸相連，通過電機對試樣施加扭轉及轉速的調整。試樣的另一端固定在從動旋轉夾具上，該夾具可對試樣施加彎矩，使試樣表面產生需要應力。如圖3所示。也可以在試樣上通過粘貼應變片，直接測量試樣表面的應カ並校核所施加在試樣上的彎矩。4)環境箱系統
為防止試樣在長時間冷-熱疲勞過程中表面的氧化，可以在試樣外部或夾具的外部安裝真空環境箱或惰性氣氛保護環境箱。與現有試樣方法和裝置相比，本發明的特點在幹，利用高頻感應加熱對試樣實現快速加熱，並通過在試樣內容進行冷卻的方式模擬制動盤在實際エ況下的溫度場分布及冷-熱疲勞；同時在試樣表面施加應カ疲勞，模擬制動盤子在制動過程中的受カ狀態。該裝置可以研究制動盤材料在真實服役條件下，熱-カ耦合疲勞作用下材料的性能演化及損傷失效參數和失效過程。
圖I為本方法和裝置中使用的試樣形狀和尺寸示意圖。其中，LI為試樣總長，L2為試驗段長度，L3為夾持段長度，R為過度段半徑，Φ I為試驗段直徑，Φ2為夾持段直徑，Φ3為冷卻孔直徑。圖2為冷-熱疲勞系統工作原理圖。圖3為應カ疲勞系統工作原理圖。圖4為冷-熱疲勞實驗制度示意圖。圖5為冷-熱疲勞溫度對材料疲勞極限的影響示意圖。圖6為疲勞應カ對材料熱疲勞極限溫度的影響示意圖。
具體實施例方式實施例I :冷-熱疲勞對材料疲勞極限的影響
將制動盤材料加工成如圖I所示的試樣，將試樣按圖2和圖3所示的方法固定與實驗裝置上，設定材料的加熱速率、保溫時間、冷卻速率及循環周期，如圖4所示。在進行冷-熱疲勞的同時進行不同應カ下的應カ疲勞，得到應カ疲勞壽命隨循環應カ的變化曲線，即S-N曲線，如圖5所示。調整冷熱疲勞的參數，如加熱溫度T,可得到冷熱疲勞溫度對材料疲勞性能的影響，即可得到冷熱疲勞溫度對疲勞極限的影響。實施例2 :應カ疲勞對材料熱疲勞開裂極限溫度的影響
將制動盤材料加工成如圖I所示的試樣，將試樣按 圖2和圖3所示的方法固定與實驗裝置上，設定試樣的彎矩即試樣表面最大應力、疲勞頻率等參數。在進行應力疲勞的同時進行不同溫度下的冷-熱疲勞實驗，得到-冷熱疲勞壽命隨循環溫度的變化曲線，即T-N曲線。變化應力疲勞的參數，如最大應力&可得到疲勞應力對材料熱疲勞性能的影響，如圖6所示。 綜上所述，本發明可以很好的實現在熱-力耦合疲勞環境下材料性能的測試和失 效機理研究。
權利要求
1.一種熱-力耦合疲勞實驗裝置，包括被測材料試樣、冷-熱疲勞系統以及應力疲勞系統，其特徵在於 所述試樣形狀為圓棒狀，包括夾持段、試驗段和過渡段；所述夾持段在實驗時被夾持在試驗設備夾具上，所述試驗段承受均勻的載荷和溫度以測試材料的性能；所述過渡段起到試驗段與夾持段應力和溫度的過度作用，應力及較高的溫度主要分布在試驗段； 所述冷-熱疲勞系統包括高頻感應線圈、旋轉密封裝置、流量泵、溫度傳感器、加熱電源、冷卻介質管道及控制系統；所述感應線圈與加熱電源連通，並對試樣試驗段進行高頻感應加熱；所述試樣的兩端通過旋轉密封裝置與冷卻介質管道相連，冷卻介質採用空氣、水蒸氣或水等介質，並採用流量控制器控制流量；所述冷卻介質管道進、出口位置安裝溫度傳感器；所述加熱電源、溫度傳感器及流量控制器與控制系統相連，實現加熱與冷卻參數的調節以及實驗循環頻率的設定。
2.所述應力疲勞系統主要包括主動旋轉夾具、從動旋轉夾具、傳動齒輪、電機及電機控制系統，所述試樣一端固定主動旋轉夾具上，該夾具通過傳動齒輪與電機主軸相連，通過電機控制系統控制電機對試樣施加扭轉及轉速的調整；試樣的另一端固定在從動旋轉夾具上,對試樣施加彎矩,使試樣表面產生需要應力。
3.根據權利要求I所述的一種熱-力耦合疲勞實驗裝置，其特徵在於所述被測試樣外部或夾具的外部安裝真空環境箱或惰性氣氛保護環境箱。
4.一種熱-力耦合疲勞實驗方法，其特徵在於，採用權利要求I所述的裝置進行實驗，所述方法如下 3. I將被測試樣與冷-熱疲勞系統以及應力疲勞系統進行連接、固定； 3.2設定材料的加熱速率、保溫時間、冷卻速率及循環周期，在進行冷-熱疲勞的同時進行不同應力下的應力疲勞，得到應力疲勞壽命隨循環應力的變化曲線，即曲線；調整冷熱疲勞的參數，如加熱溫度T,得到冷熱疲勞溫度對材料疲勞性能的影響，即可得到冷熱疲勞溫度對疲勞極限的影響； 一種熱-力耦合疲勞實驗方法，其特徵在於，採用權利要求I所述的裝置進行實驗，所述方法如下 4.I將被測試樣與冷-熱疲勞系統以及應力疲勞系統進行連接、固定； 4.2設定試樣的彎矩即試樣表面最大應力、疲勞頻率等參數，在進行應力疲勞的同時進行不同溫度下的冷-熱疲勞實驗，得到-冷熱疲勞壽命隨循環溫度的變化曲線，即T-N曲線；變化應力疲勞的參數，如最大應力&得到疲勞應力對材料熱疲勞性能的影響。
5.根據權利要求3或4所述的方法，其特徵在於所述被測試樣中心孔的直徑可以根據冷卻速率進行調整，即在試樣試驗段外徑不變的情況下，試樣中心冷卻孔的直徑越大，試樣壁越薄，有利於傳熱，同時冷卻孔內的冷卻介質流量增加,有利於增加冷卻速率，反之則降低冷卻速率。
全文摘要
本發明涉及一種熱-力耦合疲勞實驗裝置和方法，屬金屬材料性能測試和分析領域。該裝置包括被測材料試樣、冷-熱疲勞系統以及應力疲勞系統，所述試樣包括夾持段、試驗段和過渡段；所述冷-熱疲勞系統包括高頻感應線圈、旋轉密封裝置、流量泵、溫度傳感器、加熱電源、冷卻介質管道及控制系統；所述應力疲勞系統主要包括主動旋轉夾具、從動旋轉夾具、傳動齒輪、電機及電機控制系統。所述方法如下將被測試樣與冷-熱疲勞系統以及應力疲勞系統進行連接、固定，進行冷-熱疲勞的同時進行不同應力下的應力疲勞，得到應力疲勞壽命隨循環應力的變化曲線；調整冷熱疲勞的參數，即可得到冷熱疲勞溫度對疲勞極限的影響。
文檔編號G01N3/00GK102621022SQ201210077678
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月22日 優先權日2012年3月22日
發明者任學衝, 孫鳳豔, 文磊 申請人:北京科技大學