超慢应变速率腐蚀蠕变试验机的研制.pdf

超慢应变速率腐蚀蠕变试验机的研制王立博李 明刘彦波庄树明赵洪昌关乃越于 明苗天祺赵金达党韦达(中机试验装备股份有限公司吉林 长春)摘 要:超慢应变速率腐蚀蠕变试验机主要用于检测金属材料在超慢的拉伸速度和腐蚀介质环境双重作用下的腐蚀蠕变性能 为满足超慢应变速率腐蚀蠕变性能测试需求研制了多级传动系统、腐蚀蠕变装置、腐蚀溶液补液装置超慢应变速率腐蚀蠕变试验机的研制成功不仅满足了超慢应变速率试验的需求同时能够进行材料腐蚀蠕变性能测试为相关试验提供了稳定可靠的试验装置具有一定的工程实用价值关键词:超慢应变速率腐蚀蠕变装置腐蚀溶液控制系统中图分类号:文献标志码:./.(.):.:收稿日期 作者简介 王立博()男吉林松原人高级工程师主要研究方向:机械传动 引 言近年来材料检测行业对超慢应变速率腐蚀蠕变试验机的需求不断提高现有试验机已无法满足使用要求 本文从多个性能指标入手分别对传动系统、腐蚀蠕变装置、腐蚀溶液补液装置进行了设计研制使得试验机能够满足结构材料、有色金属材料、非金属材料、特种材料等重点研究领域的检测需求为材料检测技术的发展提供了可靠的试验装置 试验机设计原理.结构组成超慢应变速率腐蚀蠕变试验机主要由主机框架、多级传动系统、腐蚀蠕变装置、测量控制系统、浓度保持装置、试验软件等组成.多级传动系统超慢应变速率腐蚀蠕变试验机的多级传动系统主要包括伺服加载系统与变频调速系统如图 所示 伺服加载系统由伺服电机、行星减速器、电磁离合器及同步带轮等构成该系统通过齿形带传动与双输入蜗轮蜗杆减速机一端输入轴串联从而获得较高减速比实现较慢的拉伸速度 变频调速系统通过齿形带传动与双输入蜗轮蜗杆减速机另一端输入轴串联使拉伸装置有较快的行走速度便于快速调整试验空间.腐蚀蠕变装置腐蚀蠕变装置由蠕变装置与腐蚀介质环境装置组成蠕变装置主要由夹头、锥套、锥形卡环、上引伸杆、下引伸杆、滑轨等组成(如图 所示)夹头、锥套、锥形卡环、上引伸杆、下引伸杆由耐腐蚀材料 加工制作而成图 多级传动系统结构图设计时将试样加工有两个环形台肩分别为上台肩与下台肩试样的环形台肩与锥形卡环的环形槽相切 锥形卡环分别与上引伸杆、下引伸杆铆接在一起与上引伸杆连接的锥形卡环与试样上台肩卡紧后再利用锥套的锥面夹紧锥形卡环与下引伸杆连接的锥形卡环与试样下台肩卡紧后再利用锥套的锥面夹紧锥形卡环这样就将试样上台肩与下台肩的变形通过与之卡在一起的上引伸杆、下引伸杆引出到腐蚀槽外并在腐蚀槽外部测得试样的变形值 当前国内试验机多为位移代替变形测量变形值误差较大 采用从试样的两个环形台肩处引出测量变形可大大提高试样变形测量的精度.工程与试验 .图 蠕变装置结构图此外蠕变装置上置式优于下置式 由于下置式蠕变装置需要贯穿腐蚀介质环境装置中的腐蚀槽并与主机加载机构相连接长时试验会导致腐蚀溶液从腐蚀槽与下置式引伸杆处漏液 上置式蠕变装置能够有效避免腐蚀溶液漏液的问题可以满足长时试验需求并保证试验机的可靠性腐蚀介质环境装置主要由浮球开关、电加热管、腐蚀槽、腐蚀槽支架等组成(如图 所示)由于腐蚀溶液的腐蚀性远强于纯净水电加热管长期暴露在腐蚀溶液中会加速腐蚀存在漏电的风险 对此本文采用两方面措施进行改善 一是腐蚀槽采用双层设计即腐蚀槽分为内外两层 腐蚀槽外层装有纯净水腐蚀溶液置于腐蚀槽内层之中 电加热管置于腐蚀槽外层的纯净水中并将其加热热量传递到腐蚀槽内层中的腐蚀溶液从而达到加热腐蚀溶液的目的 二是选用耐腐蚀材料 作为保护罩材质将电加热管置于保护罩中并在保护罩外层塑封一层防腐蚀材料可以保证电加热管的长时使用有效避免腐蚀溶液对电加热管腐蚀导致的漏电问题图 腐蚀介质环境装置实物腐蚀槽的盖板上安装有 其作为测温元件对腐蚀溶液进行测温 温控仪表控制电加热管加热腐蚀槽外层中的纯净水 测量腐蚀槽内层腐蚀溶液温度将温度参数输入温控仪表温控仪表内部自带成熟算法控制腐蚀槽内层腐蚀溶液的温度浮球开关用于检测腐蚀槽内层中腐蚀溶液的液位 当腐蚀溶液蒸发减少时浮球开关发送信号到测量控制系统测量控制系统控制浓度保持装置向腐蚀槽内层补充腐蚀溶液以保持腐蚀溶液的浓度.浓度保持装置使用超慢应变速率腐蚀蠕变试验机进行长时试验过程中腐蚀槽内层中的腐蚀溶液会不断减少浓度逐渐升高这会严重影响试验结果因此需要设计浓度保持装置浓度保持装置包括加热槽、微型水泵、微型水泵、微型水泵、盛液槽、废液槽以及外置铝型材支架等如图 所示图 浓度保持装置由于腐蚀槽内层中的腐蚀溶液需要保持特定的温度和特定的浓度如果直接提供常温的腐蚀溶液会影响腐蚀槽内层中的腐蚀溶液温度 因此在设计浓度保持装置时增加了加热槽 盛液槽向加热槽提供特定浓度的腐蚀溶液加热槽对其进行预热初始时浓度保持装置的所有微型水泵均处于关闭状态向盛液槽中加入配置好的特定浓度的腐蚀溶液控制系统打开微型水泵 使盛液槽中的腐蚀溶液流向加热槽 流入加热槽中的腐蚀溶液达到一定的体积时控制系统关闭微型水泵加热槽开始对腐蚀溶液进行预热 预热完毕后控制系统控制打开微型水泵 使加热槽中特定温度、特定浓度的腐蚀溶液流向腐蚀槽内层 待加热槽中的腐蚀溶液完全流入到腐蚀槽内层后即可以开始应力腐蚀试验 控制系统控制关闭微型水泵 打开微型水泵 再次从盛液槽中向加热槽中注入一定量的腐蚀溶液 随后控制系统控制关闭微型水泵 加热槽再次对腐蚀溶液进行预热每隔一定时间需将腐蚀槽中的腐蚀溶液更换一次使腐蚀槽中腐蚀溶液的浓度再次回到特定值 更换腐蚀槽中腐蚀溶液的时间间隔可以自行设定 达到设定的更换腐蚀溶液的时间后控制系统控制打开微型水泵 将腐蚀槽内层中的腐蚀溶液泵入废液槽 待腐蚀槽内层中的腐蚀溶液完全流出后控制系统控制关闭微型水泵 打开微型水泵 使加热槽预热完成后的特定浓度的腐蚀溶液流向腐蚀槽内层 等到加热槽中的腐蚀溶液完全注入到腐蚀槽内层后控制系统控制关闭微型水泵 这样就完成腐蚀槽中溶液的一次更换 测量控制系统原理超慢应变速率腐蚀蠕变试验机的测量控制系统包括 个部分:传动加载控制部分、加热控制部分及浓度保持控制部分 控制系统原理及控制柜实物如图 所示 传动加载控制部分:由德国进口的 控制器以及交流伺服驱动器、交流伺服电机等部件构成可实现负荷、变形、位移 种控制方式 试验时 控制器与负荷传感器进行数工程与试验 .图 控制系统原理图及控制柜实物据通信保证负荷控制的精确性 控制器可以独立完成试验的所有功能可存储试验数据可随时与计算机连接或脱开通过以太网接口与计算机进行接收或传送数据加热控制部分:由高精度温控仪表、固态继电器等部件构成 控制器与温控仪表通信并将试验参数传递给温控仪表 温控仪表通过移相触发方式驱动固态继电器受控的电压施加在电加热管使腐蚀槽内层中腐蚀溶液保持在试验的预设温度 温度测量元件采用 热电阻实时测量腐蚀溶液的温度并检测温度是否异常浓度保持控制部分:由 控制器和微型水泵等部件构成 控制器通过采集液位信号并运行内部逻辑程序实现腐蚀溶液在各个槽内的流动 在试验过程中控制系统可自动按照预设的试验条件进行循环控制并由计算机实时监测浓度保持的控制过程 试验软件试验软件可以实时记录负荷、温度、位移、时间与变形数据测量和记录周期可自由设定可自行设定试验参数 具有超限报警、超温报警、超量程报警、故障报警等安全保护功能并具有断点恢复、曲线自动刷新、故障自诊断功能及试验数据存储、整理、回归处理、外推计算功能 软件可显示试样信息、试验温度、试验应力、试验时间、温度曲线、加荷曲线等可绘制蠕变曲线(可显示单边蠕变曲线和平均变形蠕变曲线)并可绘制松弛曲线 试验软件界面见图 图 试验软件界面 结束语本文结合市场需求研制了超慢应变速率腐蚀蠕变试验机设计了多级传动系统、腐蚀蠕变装置、腐蚀溶液补液装置提高了慢拉伸试验机在长时腐蚀环境下变形测试的精度并提高了超慢应变速率腐蚀蠕变试验机的可靠性 加热控制部分采用移相触发的方式极大地降低了电压对电加热管的冲击提高了电加热管的使用寿命 超慢应变速率腐蚀蠕变试验机为客户提供了稳定可靠的腐蚀环境可满足高校或科研单位在金属、合金材料等领域超慢应变速率腐蚀蠕变长时试验的可靠性需求为材料检测技术的发展提供了可靠的试验装置具有重要的实用价值参考文献国家质量技术监督局.金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第 部分 单轴加载拉伸试样的制备和应用:/.北京:国家标准出版社.国家质量技术监督局.金属和合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第 部分 慢应变速率试验:/.北京:国家标准出版社.王立博路东辉李光泽.双电机离合器切换在慢应变速率试验机中的应用.工程与试验():.王立博等:超慢应变速率腐蚀蠕变试验机的研制