离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统技术方案

本发明专利技术公开了一种离心力‑高温耦合环境下的材料性能测试系统。包括挂杯、加热装置、保温装置和承力装置；挂杯中安装保温装置，保温装置中装有加热装置，加热装置中装有保温装置，挂杯顶部两侧设有吊耳，挂杯通过两侧的吊耳铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上。本发明专利技术解决高速旋转部件性能测试面临的设备难题，可实现离心超重力环境下拉伸、持久、蠕变、疲劳等材料性能测试，能最大限度模拟试样的工况环境，操作方便且安全可靠。

【技术实现步骤摘要】
离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统
本专利技术涉及了材料性能测试
的一种材料性能测试系统，尤其涉及一种高转速产生的离心力-高温耦合环境下的材料力学性能测试系统。
技术介绍
叶片类机械是航天航空、冶金、能源行业的关键设备，如航空发动机、压缩机、汽轮机、水轮机等，这类机械的设计、运行、维护关系到重大工程项目的安全稳定，对国民经济，国家安全有着重大的意义。涡轮工作叶片作为航空发动机高温燃气做功的核心部件，通常设计为变截面、强扭面(扭曲度超60度)、薄壁曲面(缘头最薄处不足3mm)、复杂拓扑形状的几何结构。特殊的几何结构和复杂的工况环境使涡轮工作叶片成为航空发动机热端部件中可靠性最低、故障率较高的部件。虽然叶片-轮盘系统属于圆周循环对称结构，但由于加工误差、装配、工作时磨损不均匀等因素，导致该系统周期性对称结构失谐，使叶片模态振型不能沿圆周方向均匀地传递到所有叶片上，而是将振动能量集中在几个叶片上，使它们的振幅及应力显著大于其他叶片，从而发生严重的振动模态局部化现象，极易诱发叶片的高周疲劳断裂。美国军方统计数据表明，近20年来，涡轮叶片引发的航空发动机事故占总事故的44.3％，其中56％的事故与涡轮叶片高周疲劳断裂有关。目前现有的材料力学性能测试装置主要集中在1g下的标准试样的性能测试上。虽然标准试样力学性能数据在一定程度上能为高速旋转类部件强度设计提供实验依据，但与实际工况相比，标准试样在性能测试过程中无法综合反映高速旋转类部件几何特征相关的凝固组织和应力分布不均、薄壁效应、加工工艺等耦合作用对其动态疲劳性能的影响，因而严重制约了我国高速旋转类部件可靠性设计水平。因此，通过现有标准试验机测试，获得的材料性能数据，仅能反应材料本身的性能，无法全面反应材料服役环境、部件几何结构、加工、部件装配工艺等多因素耦合作用对其服役性能的影响。
技术实现思路
针对高速旋转部件性能测试装置无法进行高通量测试的设备难题，本专利技术提供了一种装配简单、使用方便、安全系数高，在超重力环境下单次实验能够实现多种性能同时测试的试验机系统。本专利技术采用的技术方案：本专利技术包括挂杯、加热装置、保温装置和承力装置；挂杯中安装保温装置，保温装置中装有加热装置，加热装置中装有承力装置，挂杯顶部两侧设有吊耳，挂杯通过两侧的吊耳铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上。所述的保温装置包括保护壳、上段气凝胶层、上段陶瓷纤维层、上段绝缘环、上固定环隔热层、中段气凝胶层、中段陶瓷纤维层、下段绝缘环、下固定环隔热层、下段气凝胶层、下段陶瓷纤维层、隔热支撑座、保温盖、炉顶气凝胶层、上进线安装环道、上出线安装孔、下进线安装环道、下出线安装孔、上环形间隔和下环形间隔。保护壳固定放置在挂杯底部，保护壳的内周壁布置有环状沿圆周一圈的气凝胶层，气凝胶层从下到上分为下段气凝胶层、中段气凝胶层和上段气凝胶层，下段气凝胶层和中段气凝胶层之间设有下环形间隔，下环形间隔处布置下段加热结构的下段固定环；中段气凝胶层和上段气凝胶层之间设有上环形间隔，上环形间隔处布置上段加热结构的上段固定环；下段气凝胶层所在的保护壳中央固定有隔热支撑座，隔热支撑座和下段气凝胶层之间填充有下段陶瓷纤维层；下段陶瓷纤维层之上的上段气凝胶层和中段气凝胶层的内周壁布置有环状沿圆周一圈的陶瓷纤维层，陶瓷纤维层从下到上分为中段陶瓷纤维层和上段陶瓷纤维层，中段陶瓷纤维层和上段陶瓷纤维层分别位于紧贴中段气凝胶层和上段气凝胶层的内周壁；中段陶瓷纤维层和下段陶瓷纤维层之间设有下固定环隔热层，上段气凝胶层和中段陶瓷纤维层之间设有上固定环隔热层。中段陶瓷纤维层和下固定环隔热层之间内嵌设有分别上下布置的下进线安装环道和下出线安装环道，下进线安装环道布置下段进电接线环，下出线安装环道布置下段出电接电环，下进线安装环道和下出线安装环道之间通过下段绝缘环隔绝；上段陶瓷纤维层和上固定环隔热层之间内嵌设有分别上下布置的上进线安装环道和上出线安装环道，上进线安装环道布置上段进电接线环，上出线安装环道布置上段出电接电环，上进线安装环道和上出线安装环道之间通过上段绝缘环隔绝。上段陶瓷纤维层上端口形成阶梯口，阶梯口安装保温盖，在保护壳上端口安装炉顶气凝胶层，炉顶气凝胶层底面紧贴于保温盖和上段陶瓷纤维层的顶面；下段陶瓷纤维层之上的中段陶瓷纤维层内周形成加热内腔，加热内腔中安装加热腔体。所述的加热装置包括加热腔体、上段发热体、下段发热体、上段进电接线环、上段出电接电环、下段进电接线环、下段出电接电环、上段固定环、下段固定环和陶瓷盖；加热腔体内部安装发热体并顶端安装陶瓷盖，加热腔体中心设有筒状空腔，加热腔体筒状空腔中安装承力装置和试样；筒状空腔周围的加热腔体上半部分侧壁内部开设有沿周向间隔均布的四个上段发热体安装槽，每个上段发热体安装槽呈圆弧形布置，每个上段发热体安装槽均安装有一个上段发热体；筒状空腔和上段发热体安装槽之间的加热腔体侧壁开设有上段辐射孔，上段发热体产生的热量透过上段辐射孔通过热辐射加热到整个加热腔体上半段的筒状空腔中；加热腔体中心设有筒状空腔，筒状空腔周围的加热腔体下半部分侧壁内部开设有沿周向间隔均布的四个下段发热体安装槽，每个下段发热体安装槽呈圆弧形布置，每个下段发热体安装槽均安装有一个下段发热体；筒状空腔和下段发热体安装槽之间的加热腔体侧壁开设有下段辐射孔，下段发热体产生的热量透过下段辐射孔通过热辐射加热到整个加热腔体下半段的筒状空腔中；加热腔体顶端周围设有上段进电接线环和上段出电接电环和上段固定环，上段发热体与上段进电接线环、上段出电接电环并联电连接，上段进电接线环和上段出电接电环再连接到地面供电系统；上段进电接线环和上段出电接电环外周围还设有上段固定环，上段固定环布置于保温装置结构内；加热腔体底端周围设有下段进电接线环和下段出电接电环和下段固定环，下段发热体与下段进电接线环、下段出电接电环并联电连接，下段进电接线环和下段出电接电环再连接到地面供电系统；下段进电接线环和下段出电接电环外周围还设有下段固定环，下段固定环布置于保温装置结构内。所述的承力装置包括承力架、高温拉杆和缓冲体；承力架安装在挂杯顶端口，整体为上凸弧形结构，承力架的底面内圈边缘设有凸边，凸边嵌装配合于挂杯顶端口内壁；高温拉杆上端部通过螺栓固定连接在承力架的中心孔处，高温拉杆下端向下穿过保温装置的保温盖和炉顶气凝胶层后伸入到加热装置的加热腔体筒状空腔中，高温拉杆下端部和试样上端连接，高温拉杆和试样同轴且位于加热腔体筒状空腔的中心轴线位置；缓冲体位于试样正下方且固定于保温装置的隔热支撑座上，缓冲体包括筒体壳、第一层缓冲挡板和第二层缓冲挡板，筒体壳底端固定于隔热支撑座顶面，筒体壳的上半部分的内周面加工成螺纹孔，第一层缓冲挡板和第二层缓冲挡板通过螺纹配合套装在螺纹孔中，第一层缓冲挡板位于第二层缓冲挡板上方且相互之间相间隔距离布置，筒体壳的下半部分的两侧侧壁开设有减重孔，以减轻缓冲体的重量；所述的高温拉杆下端面开设有试样卡槽，试样从上到下分为卡头、工作段和面力加载块，卡头、工作段和面力加载块同轴成一体，卡本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统，其特征在于：/n包括挂杯(61)、加热装置(62)、保温装置(63)和承力装置(64)；挂杯(61)中安装保温装置(63)，保温装置(63)中装有加热装置(62)，加热装置(62)中装有承力装置(64)，挂杯(61)顶部两侧设有吊耳(61-1)，挂杯(61)通过两侧的吊耳(61-1)铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上。/n

【技术特征摘要】
1.一种离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统，其特征在于：
包括挂杯(61)、加热装置(62)、保温装置(63)和承力装置(64)；挂杯(61)中安装保温装置(63)，保温装置(63)中装有加热装置(62)，加热装置(62)中装有承力装置(64)，挂杯(61)顶部两侧设有吊耳(61-1)，挂杯(61)通过两侧的吊耳(61-1)铰接地悬挂在超重力离心机的旋转臂端部上。


2.根据权利要求1所述的一种离心力-高温耦合环境下的材料性能测试系统，其特征在于：
所述的保温装置(63)包括保护壳(63-1)、上段气凝胶层(63-2)、上段陶瓷纤维层(63-3)、上段绝缘环(63-4)、上固定环隔热层(63-5)、中段气凝胶层(63-6)、中段陶瓷纤维层(63-7)、下段绝缘环(63-8)、下固定环隔热层(63-9)、下段气凝胶层(63-10)、下段陶瓷纤维层(63-11)、隔热支撑座(63-12)、保温盖(63-13)、炉顶气凝胶层(63-14)、上进线安装环道(63-15)、上出线安装孔(63-16)、下进线安装环道(63-17)、下出线安装孔(63-18)、上环形间隔(63-19)和下环形间隔(63-20)；保护壳(63-1)固定放置在挂杯(61)底部，保护壳(63-1)的内周壁布置有环状沿圆周一圈的气凝胶层，气凝胶层从下到上分为下段气凝胶层(63-10)、中段气凝胶层(63-6)和上段气凝胶层(63-2)，下段气凝胶层(63-10)和中段气凝胶层(63-6)之间设有下环形间隔(63-20)，下环形间隔(63-20)处布置下段加热结构的下段固定环(62-9)；中段气凝胶层(63-6)和上段气凝胶层(63-2)之间设有上环形间隔(63-19)，上环形间隔(63-19)处布置上段加热结构的上段固定环(62-8)；下段气凝胶层(63-10)所在的保护壳(63-1)中央固定有隔热支撑座(63-12)，隔热支撑座(63-12)和下段气凝胶层(63-10)之间填充有下段陶瓷纤维层(63-11)；下段陶瓷纤维层(63-11)之上的上段气凝胶层(63-2)和中段气凝胶层(63-6)的内周壁布置有环状沿圆周一圈的陶瓷纤维层，陶瓷纤维层从下到上分为中段陶瓷纤维层(63-7)和上段陶瓷纤维层(63-3)，中段陶瓷纤维层(63-7)和上段陶瓷纤维层(63-3)分别位于紧贴中段气凝胶层(63-6)和上段气凝胶层(63-2)的内周壁；中段陶瓷纤维层(63-7)和下段陶瓷纤维层(63-13)之间设有下固定环隔热层(63-9)，上段气凝胶层(63-2)和中段陶瓷纤维层(63-7)之间设有上固定环隔热层(63-5)；中段陶瓷纤维层(63-7)和下固定环隔热层(63-9)之间内嵌设有分别上下布置的下进线安装环道(63-17)和下出线安装环道(63-23)，下进线安装环道(63-17)布置下段进电接线环(62-6)，下出线安装环道(63-23)布置下段出电接电环(62-7)，下进线安装环道(63-17)和下出线安装环道(63-23)之间通过下段绝缘环(63-8)隔绝；上段陶瓷纤维层(63-3)和上固定环隔热层(63-5)之间内嵌设有分别上下布置的上进线安装环道(63-15)和上出线安装环道(63-16)，上进线安装环道(63-15)布置上段进电接线环(62-4)，上出线安装环道(63-16)布置上段出电接电环(62-5)，上进线安装环道(63-15)和上出线安装环道(63-16)之间通过上段绝缘环(63-4)隔绝；上段陶瓷纤维层(63-3)上端口形成阶梯口，阶梯口安装保温盖(63-13)，在保护壳(63-1)上端口安装炉顶气凝胶层(63-14)，炉顶气凝胶层(63-14)底面紧贴于保温盖(63-13)和上段陶瓷纤维层(63-3)的顶面；下段陶瓷纤维层(63-11)之上的中段陶瓷纤维层(63-7)内周形成加热内腔，加热内腔中安装加热腔体(62-1)；
所述的加热装置(62)包括加热腔体(62-1)、上段发热体(62-2)、下段发热体(62-3)、上段进电接线环(62-4)、上段出电接电环(62-5)、下段进电接线环(62-6)、下段出电接电环(62-7)、上段固定环(62-8)、下段固定环(62-9)和陶瓷盖(62-10)；加热腔体(62-1)内部安装发热体并顶端安装陶瓷盖(62-13)，加热腔体(62-1)中心设有筒状空腔，加热腔体(62-1)筒状空腔中安装承力装置(64)和试样(64-3)；筒状空腔周围的加热腔体(62-1)上半部分侧壁内部开设有沿周向间隔均布的四个上段发热体安装槽(62-1-1)，每个上段发热体安装槽(62-1-1)呈圆弧形布置，每个上段发热体安装槽(62-1-1)均安装有一个上段发热体(62-2)；筒状空腔和上段发热体安装槽(62-1-1)之间的加热腔体(62-1)侧壁开设有上段辐射孔(62-1-3)，上段发热体(62-2)产生的热量透过上段辐射孔(62-1-3)通过热辐射加热到整个加热腔体(62-1)上半段的筒状空腔中；加热腔体(62-1)中心设有筒状空腔，筒状空腔周围的加热腔体(62-1)下半部分侧壁内部开设有沿周向间隔均布的四个下段发热体安装槽(62-1-2)，每个下段发热体安装槽(62-1-2)呈圆弧形布置，每个下段发热体安装槽(62-1-2)均安装有一个下段发热体(62-3)...

【专利技术属性】
技术研发人员：韦华，张泽，陈云敏，林伟岸，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33