吳安民，邱 鵬，鐘漢萍，張燕明

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

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半機(jī)械式半電子式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)

吳安民1,2,3，邱 鵬1,2,3，鐘漢萍1,2,3，張燕明1,2,3

(1.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；3.材料檢測(cè)與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095)

在機(jī)械式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)的下拉桿末端接入載荷傳感器，通過PLC與計(jì)算機(jī)連接實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)加載砝碼力的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和記錄，有效防止了加載砝碼出錯(cuò)的情況，并且可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)結(jié)果的追溯查詢，提高了試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的可靠性。設(shè)計(jì)了機(jī)械式蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)的杠桿自動(dòng)調(diào)平裝置和手動(dòng)卸載/調(diào)平，確保了在測(cè)試樣的安全。

蠕變持久試驗(yàn)機(jī)；載荷傳感器；自動(dòng)調(diào)平；手動(dòng)卸載/調(diào)平

1 引 言

蠕變、持久強(qiáng)度試驗(yàn)是在恒定溫度、恒定載荷下進(jìn)行的一種高溫拉伸試驗(yàn)[1-2]。機(jī)械式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)是評(píng)價(jià)金屬材料高溫蠕變持久性能的常用試驗(yàn)設(shè)備。早期的機(jī)械式蠕變持久強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)通過杠桿加載砝碼來對(duì)試樣施加試驗(yàn)力，加載試驗(yàn)力的準(zhǔn)確性，完全依靠試驗(yàn)員設(shè)定砝碼值來保證，很容易因人為原因?qū)е录虞d砝碼錯(cuò)誤，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性。

試驗(yàn)機(jī)的力檢定周期一般為1年，在試驗(yàn)過程中，若機(jī)械系統(tǒng)故障導(dǎo)致加載系統(tǒng)誤差增加，加載試驗(yàn)力出現(xiàn)異常時(shí)，因加載砝碼的數(shù)量沒有變化，試驗(yàn)員不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象，也將對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性造成影響。因加載砝碼無法與計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，試驗(yàn)結(jié)束后，出現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果異常時(shí)也無法進(jìn)行追溯。

機(jī)械式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)的加載、調(diào)平都通過手輪調(diào)節(jié)的方式來實(shí)現(xiàn)，很難確保加載杠桿處于水平位，保持載荷的恒定。在試驗(yàn)過程中，一旦遇到意外停電，由于熱脹冷縮效應(yīng)，很容易導(dǎo)致試樣冷斷報(bào)廢，尤其對(duì)于長(zhǎng)時(shí)蠕變持久試驗(yàn)來說，試樣的冷斷會(huì)造成不可挽回的巨大損失。為解決上述問題，對(duì)機(jī)械式蠕變?cè)囼?yàn)機(jī)進(jìn)行了改型設(shè)計(jì)。

2 半機(jī)械式半電子式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)

最大加載載荷：30kN

加載載荷范圍： 0.5%-100%FS

試驗(yàn)力準(zhǔn)確度：≤1%

杠桿比：1∶50

高溫爐工作溫度范圍：100℃-1200℃

變形測(cè)量范圍：0-15mm

變形測(cè)量分辨力：0.0001mm

變形測(cè)量準(zhǔn)確度：0.001mm

下拉桿速度：70mm/min

調(diào)平速度：3.5mm/min

3 主機(jī)構(gòu)成及工作原理

3.1 主機(jī)結(jié)構(gòu)

半機(jī)械式半電子式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)由主機(jī)架、杠桿、高溫爐、砝碼、加載電機(jī)、調(diào)平電機(jī)、載荷傳感器、PLC、操作面板、手動(dòng)加載/卸載機(jī)構(gòu)、聲光報(bào)警裝置、高溫持久蠕變測(cè)量控制系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)機(jī)主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.2 試驗(yàn)加載

通過加載電機(jī)和調(diào)平電機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行加載，試驗(yàn)達(dá)到保溫要求時(shí)，校對(duì)加載砝碼的數(shù)量準(zhǔn)確無誤后，先通過加載電機(jī)將試樣拉緊，然后啟動(dòng)調(diào)平電機(jī)，將砝碼緩慢平穩(wěn)加載至杠桿水平位，開始試驗(yàn)。

3.3 加載砝碼力的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采集與監(jiān)測(cè)

在試驗(yàn)機(jī)下拉桿的末端串接一個(gè)載荷傳感器[3]，通過試驗(yàn)機(jī)的杠桿對(duì)試樣加載砝碼時(shí)，載荷傳感器與試樣同時(shí)承受相同的載荷，載荷傳感器與操作面板和PLC連接，在操作面板上可以顯示載荷傳感器承受的試驗(yàn)力數(shù)值，PLC與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信，將載荷傳感器承受的試驗(yàn)力數(shù)值傳送至上位機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)。

進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，在操作面板上可根據(jù)本次試驗(yàn)實(shí)際加載的砝碼力值設(shè)定目標(biāo)試驗(yàn)力及允許的偏差波動(dòng)值。加載砝碼時(shí)，杠桿因?yàn)轭潉?dòng)，穩(wěn)定在水平位需要一段時(shí)間，而且，試驗(yàn)過程中有快速大變形時(shí)，也容易使杠桿產(chǎn)生輕微的顫動(dòng)。計(jì)算機(jī)及PLC通過載荷傳感器采集的試驗(yàn)力是在一定范圍內(nèi)波動(dòng)的，因此需要在操作面板上設(shè)定一個(gè)本次試驗(yàn)加載試驗(yàn)力的允許偏差波動(dòng)值。在允許的試驗(yàn)力范圍內(nèi)，聲光報(bào)警裝置不會(huì)進(jìn)行報(bào)警提示。一般設(shè)定的允許偏差波動(dòng)值，最大不超過本次試驗(yàn)實(shí)際加載力的0.5%。

試驗(yàn)加載時(shí)，若加載砝碼的數(shù)量錯(cuò)誤，在加載過程中，當(dāng)載荷傳感器采集的試驗(yàn)力超過允許的范圍時(shí)，聲光報(bào)警裝置及上位機(jī)同時(shí)進(jìn)行報(bào)警提示，試驗(yàn)員可及時(shí)中止加載，防止試樣因加錯(cuò)載荷報(bào)廢。在試驗(yàn)過程中，載荷傳感器采集的試驗(yàn)力超過允許的范圍時(shí)，試驗(yàn)員可及時(shí)檢查試驗(yàn)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，避免因機(jī)械故障等引起載荷異常造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)無效的情況出現(xiàn)。

3.4 自動(dòng)調(diào)平

機(jī)械式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)在試驗(yàn)過程中只有杠桿保持在水平位時(shí)，才能確保加載載荷的準(zhǔn)確性。為了保持加載載荷的恒定，在杠桿加力端的末端兩側(cè)各安裝一個(gè)光電開關(guān)，用于監(jiān)測(cè)杠桿的水平狀態(tài)。當(dāng)試驗(yàn)過程中試樣發(fā)生塑性變形伸長(zhǎng)時(shí)，杠桿偏離水平位，PLC啟動(dòng)調(diào)平電機(jī)，將杠桿調(diào)平至水平位，確保整個(gè)試驗(yàn)過程中加載試驗(yàn)力的恒定。

3.5 手動(dòng)卸載/調(diào)平

在加載電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上連接一個(gè)手搖柄。蠕變?cè)囼?yàn)方法規(guī)定，試驗(yàn)過程停電不能卸載。若意外停電，試樣因冷縮使加力杠桿偏離水平位置，試樣實(shí)際承受的拉力將不斷增大，直至試樣被拉斷。蠕變?cè)囼?yàn)意外停電時(shí)，為防止試樣被冷縮拉斷，可通過手搖柄帶動(dòng)加載電機(jī)來調(diào)節(jié)杠桿間距，使杠桿保持在水平位，使試樣承受的試驗(yàn)力恒定，確保試樣不因冷縮而被拉斷，確保在測(cè)試樣的安全。

3.6 試驗(yàn)追溯查詢

試驗(yàn)結(jié)束后，試驗(yàn)員可在上位機(jī)中查詢每個(gè)試驗(yàn)所加載的砝碼試驗(yàn)力數(shù)值、試驗(yàn)溫度、試驗(yàn)時(shí)間、變形-時(shí)間曲線、應(yīng)變-時(shí)間曲線、載荷-時(shí)間曲線等。

4 使用效果

在試驗(yàn)過程中，通過電機(jī)對(duì)試樣進(jìn)行加載和調(diào)平，自動(dòng)化水平提高。加載系統(tǒng)接入載荷傳感器后，有效防止了加載砝碼出錯(cuò)的情況，而且，上位機(jī)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)記錄加載砝碼力，試驗(yàn)機(jī)也可同時(shí)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加載砝碼力的異常，確保整個(gè)試驗(yàn)過程中加載試驗(yàn)力的恒定。上位機(jī)故障時(shí)，試驗(yàn)機(jī)聲光報(bào)警系統(tǒng)可獨(dú)立監(jiān)測(cè)加載試驗(yàn)力的實(shí)時(shí)狀態(tài)，確保試驗(yàn)的正常進(jìn)行。試驗(yàn)中，可實(shí)時(shí)繪制載荷-時(shí)間曲線、變形-時(shí)間曲線、應(yīng)變-時(shí)間曲線等。試驗(yàn)結(jié)束，可在上位機(jī)計(jì)算機(jī)查詢?cè)囼?yàn)加載砝碼力，手動(dòng)卸載/調(diào)平機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)可有效處置意外突發(fā)停電事故，確保試驗(yàn)在測(cè)試樣的安全。相對(duì)于早期常規(guī)的機(jī)械式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)，該試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)化水平高，可監(jiān)測(cè)記錄加載砝碼力，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性高。

5 結(jié)束語

本文對(duì)半機(jī)械式半電子式蠕變持久試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)和原理進(jìn)行了闡述。該試驗(yàn)機(jī)操作簡(jiǎn)單，是長(zhǎng)時(shí)試驗(yàn)，特別是上萬小時(shí)長(zhǎng)壽命蠕變、持久試驗(yàn)測(cè)試的可靠設(shè)備，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]HB5150-1996 金屬高溫拉伸持久試驗(yàn)方法[S].

[2]HB5151-1996 金屬高溫拉伸蠕變?cè)囼?yàn)方法[S].

[3]中國航空工業(yè)集團(tuán)公司北京航空材料研究院.一種機(jī)械式蠕變、持久強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)：中國,CN201110374974.2[P].2012-6-27.

Design of Half Mechanical and Half Electronic Creep and Stress Rupture Testing Machine

Wu Anmin1,2,3, Qiu Peng1,2,3, Zhong Hanping1,2,3, Zhang Yanming1,2,3

(1.AECC Beijing Institute of Aeronautical Materials, Beijing 100095, China;2.Beijing Key Laboratory of Aeronautical Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China;3.Aviation Key Laboratory of Science and Technology on Materials Testing and Evaluation, Beijing 100095, China)

In the half mechanical and half electronic creep and stress rupture testing machine, a load sensor is connected at the end of the lower pull rod of the machine. PLC programmable controller is connected with a computer to realize the real time communication, then, the automatic monitoring and recording of the loading force are realized, which can effectively prevent the error of the weight loading, and the reliability of the test result is improved by the check back of the test result. A lever automatic leveling device and manual unload/leveling of a mechanical creep testing machine are designed to assure the safety of the test.

creep and rupture testing machine; load sensor; automatic leveling; manual unload/leveling

2016-07-07

吳安民(1981—)，男，漢族，本科，工程師，主要從事航空材料高溫力學(xué)性能的測(cè)試與研究工作。

TH87

B

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.023