CN103743635A - 一种全尺寸管道弯头的蠕变试验方法和平台 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种全尺寸管道弯头的蠕变试验方法和平台。适用于研究大尺寸、非标准试样的蠕变力学行为。通过伺服电机、丝杠和导轨滑块实现大于200kN的加载。由力传感器感知应力松弛，并控制电机的运转，实现准恒定应力加载。利用陶瓷加热器对管道弯头进行加热，并进行恒温控制。数据采集由高温应变片完成，动态采集不同方向的应变量大小。本发明可对高温部件进行全尺寸高温蠕变试验，研究高温部件在多轴应力状态下的蠕变损伤机理，克服了用小型化试样的蠕变实验结果评估实际构件带来的结果不确定性。
Description
技术领域
本发明涉及一种全尺寸管道弯头的蠕变试验方法和平台，属于分析及测量控制技术领域，适用于大尺寸复杂应力条件下材料的蠕变力学行为研究。
背景技术
传统的蠕变实验一般采用标准化试样（GB/T 2039-2012 金属材料单轴拉伸蠕变试验方法），主要是研究单向受力情况下的蠕变过程。在实际的工业化生产过程中，尤其是电力、石化行业，大部分高温部件都是在复杂应力条件下工作。用传统单轴实验结果无法对多轴应力条件下的高温部件进行安全性评估。
本发明可对实际的电厂管道或其他受力部件进行全尺寸实验。大尺寸、非标准试样蠕变实验的难点是：(1)载荷大(本平台可提供200KN推力)；(2)采用非重物加载方式的恒定载荷的控制(本平台利用力传感器实现闭环控制，力的波动小于50N);(3)温度加载与应变采集，需要计算加载特定尺寸材料所需要的单位面积热强度，进行加热器形状设计与功率选择，应变采集采用高温应变片。
同等类型的专利，均采用标准化制备的试样，通过单向拉伸或剪切的方式，测试金属蠕变性能，不能反映管道在复杂应力条件下的力学性能。另外，蠕变实验是在恒定温度和恒定载荷下的实验，其实验力的加载多采用机械式或微机控制电子式。机械式加载实验力完全依靠砝码，其准确性不高；电子式加载实验力容易收到外界因素的干扰，由于实验时间很长，如果发生断电，则实验力难以得到保证。
发明内容
本发明的目的在于设计一种大尺寸实验平台，解决高温部件的多轴蠕变实验过程中加载的载荷施加、加热方式和应变采集等问题。
本发明整体结构与布置如图1所示。它由三大模块组成，其中包括运动模块、基座模块、控制模块（见图2）。实验台所采用的试样外观形式如图3所示。
运动台模块的组成包括：运动台、伺服电机、谐波减速器、弹性联轴器、丝杠、丝杠螺母、导轨滑块、铰链销，其结构示意图如图4所示。运动台模块以导轨滑块作为运动导向，由伺服电机驱动，经谐波减速机减速，通过弹性联轴器连接至滑动丝杠，经丝杠螺母传动，实现左右移动功能。谐波减速机是依靠柔性零件产生弹性机械波来传递动力和运动的一种行星齿轮减速机。弹性联轴器用于连接减速机和丝杠，将减速机输出扭力传递到丝杠上。丝杠和丝杠螺母的齿形采用牙形角α=30°的梯形齿结构，具有自锁性，牙根强度高，内外螺纹以锥面贴合，对中性好且不易松动。导轨滑块采用滚柱型导轨滑块。铰链销用于连接固定管道，选用耐高温材料加工制造而成。
基座模块包括：固定基座、力传感器、铰链销，如图5所示。固定基座使用高强度矩形管焊接而成，使设备有足够的刚性；力传感器选用耐高温力传感器；铰链销用于连接固定管道，选用耐高温材料加工制造而成。
控制模块主要包括：人机界面、PLC 控制单元、12 位A/D 扩展块、运动台伺服系统、运动单元限位开关、监控温度变化的温度开关、压力传感器和三色报警灯（如图6所示）。
控制单元采用高可靠性PLC控制单元，能适应恶劣的运行环境。限位开关将运动台的位置信息反馈到PLC控制单元，PLC控制单元可以通过点击驱动器控制伺服电机驱动部件在设计范围内运动。温度开关监控温度压力的变化，当温度不再设定的温度范围内时，温度开关将反馈信息到PLC控制单元，报警灯报警，同时人机界面也会显示报警信息。12 位A/D 扩展块控制压力传感器，将压力信息反馈到PLC控制单元，以此来控制实验力的施加，同时压力信息也会显示在人机界面。
附图说明
图1为实验台整体结构与布置示意图；
图2为实验台系统结构示意图；
图3为试样外观示意图；
图4为运动台模块示意图；
图5为基座模块示意图；
图6 为控制模块结构示意图。
图中标号：
1-龙门车架；2-手动升降装置；3-丝杠；4-脚轮；5-试样；6-运动台；7-谐波减速器；8-伺服电机；9-基座；10-力传感器；11-铰链销；12-导轨滑块；13-夹在方向；14-固定端。
具体实施方式
以下结合实施的步骤阐述本发明中全尺寸管道弯头多轴蠕变实验系统的使用方法。
（1） 把龙门车架（附图1中1）推到便于操作的地方，锁住脚轮（附图1中4）；
（2） 用龙门车架上的手动升降装置（附图1中2）将试样（附图1中5）吊起，并将试样放置在工作位置；
（3） 将运动台（附图1中6）移动到适合安装试样的位置；
（4） 将试样和连接零部件通过铰链销（附图1中11）连接牢固，将试样和手动升降装置分离；
（5） 松开龙门车架的脚轮并将龙门车架移动到工作位置外；
（6） 在试样上安装加热和采集数据所需要的零部件；
（7） 对试样加热，达到所要求温度；
（8） 控制伺服电机（附图1中8）带动丝杠运动，使两端所受推力达到设定值，保持恒定。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种涉及全尺寸管道弯头的蠕变试验方法和平台，其特征在于：采用了发电厂实际尺寸的管道作为试样，通过对试样两端施加推力，来对弯头部分施加弯矩载荷，模拟其多轴应力状态，利用绳式加热器将弯头部分加热至其工作温度，利用高温应变片，测量和记录实验过程中弯头部分的应力变化情况。
2.根据权利要求1所述的以发电厂实际尺寸管道作为试样，其特征在于：将管道加工成90度弯管，在管道两端套接固定端，通过铰链销与基座相连。
3.根据权利要求1所述的在试样两端施加推力，其特征在于：通过伺服电机带动丝杠，移动运动端，实现推力的施加，以固定端的力传感器检测推力值。
4.根据权利要求1所述的利用绳式加热器加热试样，其特征在于：将绳式加热器均匀缠绕在弯头部位，从外表面对其进行加热。
5.根据权利要求1所述的利用高温应变片测量和记录实验过程中弯头部分的应力变化情况，其特征在于：通过点焊的方式将高温应变片焊在试样弯头部分的外表面，实验开始后，检测高温应变片电阻值变化得到高温应变片的应变亮，进而得到测量部位的应力。
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