今天為大家介紹一項國家發明授權專利——環境廢氣可控的高溫熱疲勞試驗機。該專利由上海大學申請，并于2018年7月31日獲得授權公告。

內容說明

本發明涉及一種疲勞試驗機，特別是涉及一種高溫熱疲勞試驗機，應用于材料的熱疲勞性能實驗技術領域。

發明背景

熱疲勞是指材料零部件或者構件被反復加熱和冷卻時，由于自由膨脹或者收縮受到約束其內部產生交變熱應力，在此交變熱應力反復作用下導致材料龜裂而破壞的現象。

由于汽車尾氣排放的日益加劇和世界能源的緊缺，汽車在安全、節能、環保、輕量化、小型化等方面的要求越來越高，因此對汽車尾氣的排放的標準也要求越來越高，導致汽車排氣系統高溫端熱疲勞也越來越嚴重，尋找更高服役溫度的不銹鋼在汽車排氣系統中尤為突出。所以開展相關材料的高溫熱疲勞性能的研究是非常有必要的。

雖然熱疲勞現象受到普遍關注，國內外對熱疲勞試驗方法作了不少研究，已制定了一些試驗規范，但到目前為止還沒有國際上公認的標準試驗方法。在我國，對熱疲勞的研究也有很多方法，但都沒得到一致認可，而且長期以來對材料熱疲勞性能的評價主要集中在航空領域，其它行業的并不多見。國際上相關領域的情況也大體相同，因此尚無專門針對汽車排氣歧管材料工況的測試標準，一般可以借鑒的是日本JFE和UGINE&ALZ的相關報道。

實際的排氣歧管從結構看為薄壁管件，形式較復雜，有較多的彎曲。從受力情況分析其應力狀態不是單純的拉壓，而是包含彎曲分量。因此相比于日本JFE公司的圓棒狀試樣，UGINE&ALZ采用預制出“V”型彎的板狀試樣更接近實際狀態。但是UGINE&ALZ采用固定夾持，約束系數不能進行調節，其約束率始終為1，且沒有模擬廢氣環境下對試樣熱疲勞的影響，而由于燃料中含有如硫、鉀、鈉、釩等雜質，在燃燒時形成如SO2、SO3、H2S、V2O5、CO、CO2等氣體會導致疲勞壽命的改變，因此模擬廢氣環境下高溫熱疲勞實驗具有重要的現實意義。

發明內容

為了解決現有技術問題，本發明提供一種環境廢氣可控的高溫熱疲勞試驗機，具有試樣約束系數可調且可以模擬可控高溫廢氣下高溫熱疲勞的試驗機功能，能使試樣在更加接近實際情況下，利用可以前后調節的裝置來控制試樣的約束系數，同時通入各組分的廢氣，通過循環加熱和降溫模擬高溫熱疲勞試驗，滿足對更精確的材料性能檢測的要求，為結構材料和功能材料的設計開發提供有力的實驗測試分析保證。

為達到上述目的，本發明采用如下技術方案：一種環境廢氣可控的高溫熱疲勞試驗機，主要包括工作臺機架、試樣夾具系統、加熱控制系統，還包括模擬廢氣環境系統，模擬廢氣環境系統包括廢氣反應室、廢氣輸送管、廢氣源、氣體加熱器和氣體流量計，將待測的V型試樣設置于廢氣反應室中，使V型試樣的中部“V”型彎部分完全設置于廢氣反應室內，使V型試樣的兩端分別從廢氣反應室兩端的反應室外壁的孔中穿出，廢氣源通過廢氣輸送管將廢氣輸送到廢氣反應室中，并通過主控制器控制氣體加熱器對進入廢氣反應室之前的廢氣進行加熱，并利用氣體流量計計量進入廢氣反應室的廢氣流量，使廢氣在V型試樣表面進行流動，氣體流量計與主控制器信號連接，由主控制器控制廢氣輸送到廢氣反應室的流量。

工作臺機架上設有底板，在底板上設有試樣夾具系統，將V型試樣的兩端安裝到試樣夾具上，試樣夾具包括夾具固定夾持部和夾具可移動夾持部，夾具固定夾持部主要由試樣支撐塊和試樣固定壓緊塊組成夾持結構，通過螺桿將夾具固定夾持部固定安裝在底板上，將V型試樣的固定端夾緊固定在試樣支撐塊和試樣固定壓緊塊之間，夾具可移動夾持部主要由試樣移動支撐塊和隨動試樣固定壓緊塊組成動夾持結構，底板上的試樣移動支撐塊和試樣支撐塊設置在在同一高度上，將V型試樣的非固定端夾緊固定在試樣移動支撐塊和隨動試樣固定壓緊塊之間，通過夾具可移動夾持部相對于夾具固定夾持部之間的位移變化，向V型試樣的非固定端施加拉力或壓力，從而調整對V型試樣的不同約束系數，試樣移動支撐塊沿著底板的設定軌跡進行移動。

加熱控制系統主要由主控制器、氣體加熱器、電源、熱電偶傳感器和溫度控制儀組成，采用銅導線將V型試樣的兩端分別與電源進行電連接，溫度控制儀與熱電偶傳感器信號連接，熱電偶傳感器的測試端對V型試樣的“V”型彎部分進行溫度檢測，感知V型試樣的溫度，溫度控制儀接收來自熱電偶傳感器的檢測信號，經過判斷后，溫度控制儀通過控制電源，并通過銅導線向V型試樣施加大電流，對V型試樣進行加熱升溫，在電源上還裝有記錄加熱冷卻次數的計數器，應用于熱疲勞實驗的試樣機工作步驟由主控制器進行控制和設置，計數器和溫度控制儀分別與主控制器信號連接。

作為本發明優選的技術方案，使V型試樣在模擬實際氣氛和熱環境情況下，利用能進行位移調節的夾具可移動夾持部控制V型試樣的約束系數，同時向氣體加熱器內通入各組分的廢氣，通過循環加熱和降溫模擬高溫熱疲勞試驗。電源采用直流加熱電源，還設有旁路風冷裝置，電源為旁路風冷裝置供電，當試樣機進行熱疲勞實驗的保溫步驟結束時，該旁路風冷裝置立刻對廢氣反應室進行風冷降溫，從而使者置于廢氣反應室內的V型試樣進行降溫。試樣支撐塊、和試樣固定壓緊塊、試樣移動支撐塊和隨動試樣固定壓緊塊的材料為金屬銅，并在試樣支撐塊、和試樣固定壓緊塊、試樣移動支撐塊和隨動試樣固定壓緊塊中的任意一個模塊或者任意多個模塊中設有液冷管路，冷卻液管與模塊表面上的液冷孔連通，形成液冷管路，使試樣夾具作為換熱裝置，對其所夾持的V型試樣進行降溫。

作為本發明優選的技術方案，在底板上設有直線軌道或直線導槽，使試樣移動支撐塊沿著底板的進行直線軌跡進退移動。作為本發明更優選的技術方案，在底板上設有至少兩條平行的直線細導軌，使試樣移動支撐塊沿著底板的進行直線滑動。廢氣源采用廢氣瓶，在廢氣瓶和廢氣反應室之間的廢氣輸送管上連通集氣瓶，作為廢氣加熱區裝置，氣體加熱器對集氣瓶進行加熱，使經過加熱后廢氣瓶流經集氣瓶后再向廢氣反應室輸送。底板通過螺栓固定在帶有墊塊的絕緣板上，絕緣板固定在鐵架臺上。

作為本發明優選的技術方案，在試樣移動支撐塊上固定設置擋板，在底板上固定設置兩塊動夾板，使試樣移動支撐塊沿著底板進行移動時，使擋板始終在兩塊動夾板之間移動，形成限位裝置，從而控制試樣移動支撐塊移動的距離范圍。試樣支撐塊和試樣固定壓緊塊該通過擋桿和固定支撐桿進行輔助固定，擋桿固定安裝在底板上，其中固定支撐桿設置于擋桿和試樣固定壓緊塊之間，對試樣固定壓緊塊進行橫向固定。

本發明與現有技術相比較，具有如下顯而易見的突出實質性特點和顯著優點：1.相比于UGINE&ALZ公司設計的試驗裝置，本發明通過調節動夾板之間的距離，控制試樣支撐塊上的擋板移動的距離，進而改變試樣在熱疲勞試驗中的約束系數，實現不同約束系數對熱疲勞試驗影響的研究；2.本發明采用氣體加熱器對氣體進行加熱后，通過導管模擬廢氣環境下的熱疲勞試驗，能探討廢氣對試樣熱疲勞壽命的影響，環境廢氣可控，能進行多種高溫熱疲勞試驗，滿足材料在多種工況環境下服役的能力的檢測，為材料的使用條件提供更多評估方法；3.本發明實驗裝置結構簡單，設計合理，可以實現汽車高溫段熱疲勞實驗，并對試樣壽命進行評估，本發明提供了試樣約束系數可調且可以模擬高溫廢氣下高溫熱疲勞試驗機，使試樣在更加接近實際情況進行研究，所以本發明在汽車用高溫段熱疲勞應用領域具有廣闊的應用前景。