半机械式半电子式蠕变持久试验机的设计

2016-11-10吴安民钟汉萍张燕明

工程与试验 2016年3期

吴安民，邱鹏，钟汉萍，张燕明

(1.中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095；3.材料检测与评价航空科技重点实验室，北京 100095)

半机械式半电子式蠕变持久试验机的设计

吴安民1,2,3，邱鹏1,2,3，钟汉萍1,2,3，张燕明1,2,3

在机械式蠕变持久试验机的下拉杆末端接入载荷传感器，通过PLC与计算机连接实时通信，实现了试验加载砝码力的自动监测和记录，有效防止了加载砝码出错的情况，并且可以在计算机上进行试验结果的追溯查询，提高了试验测试结果的可靠性。设计了机械式蠕变试验机的杠杆自动调平装置和手动卸载/调平，确保了在测试样的安全。

蠕变持久试验机；载荷传感器；自动调平；手动卸载/调平

1 引言

蠕变、持久强度试验是在恒定温度、恒定载荷下进行的一种高温拉伸试验[1-2]。机械式蠕变持久试验机是评价金属材料高温蠕变持久性能的常用试验设备。早期的机械式蠕变持久强度试验机通过杠杆加载砝码来对试样施加试验力，加载试验力的准确性，完全依靠试验员设定砝码值来保证，很容易因人为原因导致加载砝码错误，影响试验数据的真实可靠性。

试验机的力检定周期一般为1年，在试验过程中，若机械系统故障导致加载系统误差增加，加载试验力出现异常时，因加载砝码的数量没有变化，试验员不能及时发现异常现象，也将对试验结果的准确性造成影响。因加载砝码无法与计算机进行通信，试验结束后，出现试验结果异常时也无法进行追溯。

机械式蠕变持久试验机的加载、调平都通过手轮调节的方式来实现，很难确保加载杠杆处于水平位，保持载荷的恒定。在试验过程中，一旦遇到意外停电，由于热胀冷缩效应，很容易导致试样冷断报废，尤其对于长时蠕变持久试验来说，试样的冷断会造成不可挽回的巨大损失。为解决上述问题，对机械式蠕变试验机进行了改型设计。

2 半机械式半电子式蠕变持久试验机主要技术指标

最大加载载荷：30kN

加载载荷范围： 0.5%-100%FS

试验力准确度：≤1%

杠杆比：1∶50

高温炉工作温度范围：100℃-1200℃

变形测量范围：0-15mm

变形测量分辨力：0.0001mm

变形测量准确度：0.001mm

下拉杆速度：70mm/min

调平速度：3.5mm/min

3 主机构成及工作原理

3.1 主机结构

半机械式半电子式蠕变持久试验机由主机架、杠杆、高温炉、砝码、加载电机、调平电机、载荷传感器、PLC、操作面板、手动加载/卸载机构、声光报警装置、高温持久蠕变测量控制系统等组成，如图1所示。

图1 试验机主机结构图

3.2 试验加载

通过加载电机和调平电机对试样进行加载，试验达到保温要求时，校对加载砝码的数量准确无误后，先通过加载电机将试样拉紧，然后启动调平电机，将砝码缓慢平稳加载至杠杆水平位，开始试验。

3.3 加载砝码力的计算机系统采集与监测

在试验机下拉杆的末端串接一个载荷传感器[3]，通过试验机的杠杆对试样加载砝码时，载荷传感器与试样同时承受相同的载荷，载荷传感器与操作面板和PLC连接，在操作面板上可以显示载荷传感器承受的试验力数值，PLC与上位机实时通信，将载荷传感器承受的试验力数值传送至上位机进行存储。

进行试验时，在操作面板上可根据本次试验实际加载的砝码力值设定目标试验力及允许的偏差波动值。加载砝码时，杠杆因为颤动，稳定在水平位需要一段时间，而且，试验过程中有快速大变形时，也容易使杠杆产生轻微的颤动。计算机及PLC通过载荷传感器采集的试验力是在一定范围内波动的，因此需要在操作面板上设定一个本次试验加载试验力的允许偏差波动值。在允许的试验力范围内，声光报警装置不会进行报警提示。一般设定的允许偏差波动值，最大不超过本次试验实际加载力的0.5%。

试验加载时，若加载砝码的数量错误，在加载过程中，当载荷传感器采集的试验力超过允许的范围时，声光报警装置及上位机同时进行报警提示，试验员可及时中止加载，防止试样因加错载荷报废。在试验过程中，载荷传感器采集的试验力超过允许的范围时，试验员可及时检查试验机运行状态，避免因机械故障等引起载荷异常造成试验数据无效的情况出现。

3.4 自动调平

机械式蠕变持久试验机在试验过程中只有杠杆保持在水平位时，才能确保加载载荷的准确性。为了保持加载载荷的恒定，在杠杆加力端的末端两侧各安装一个光电开关，用于监测杠杆的水平状态。当试验过程中试样发生塑性变形伸长时，杠杆偏离水平位，PLC启动调平电机，将杠杆调平至水平位，确保整个试验过程中加载试验力的恒定。

3.5 手动卸载/调平

在加载电机的转动轴上连接一个手摇柄。蠕变试验方法规定，试验过程停电不能卸载。若意外停电，试样因冷缩使加力杠杆偏离水平位置，试样实际承受的拉力将不断增大，直至试样被拉断。蠕变试验意外停电时，为防止试样被冷缩拉断，可通过手摇柄带动加载电机来调节杠杆间距，使杠杆保持在水平位，使试样承受的试验力恒定，确保试样不因冷缩而被拉断，确保在测试样的安全。

3.6 试验追溯查询

试验结束后，试验员可在上位机中查询每个试验所加载的砝码试验力数值、试验温度、试验时间、变形-时间曲线、应变-时间曲线、载荷-时间曲线等。

4 使用效果

在试验过程中，通过电机对试样进行加载和调平，自动化水平提高。加载系统接入载荷传感器后，有效防止了加载砝码出错的情况，而且，上位机可实时监测记录加载砝码力，试验机也可同时实时监测加载砝码力的异常，确保整个试验过程中加载试验力的恒定。上位机故障时，试验机声光报警系统可独立监测加载试验力的实时状态，确保试验的正常进行。试验中，可实时绘制载荷-时间曲线、变形-时间曲线、应变-时间曲线等。试验结束，可在上位机计算机查询试验加载砝码力，手动卸载/调平机构的设计可有效处置意外突发停电事故，确保试验在测试样的安全。相对于早期常规的机械式蠕变持久试验机，该试验机自动化水平高，可监测记录加载砝码力，试验数据的准确性和可靠性高。

5 结束语

本文对半机械式半电子式蠕变持久试验机的结构和原理进行了阐述。该试验机操作简单，是长时试验，特别是上万小时长寿命蠕变、持久试验测试的可靠设备，具有广阔的应用前景。

[1]HB5150-1996 金属高温拉伸持久试验方法[S].

[2]HB5151-1996 金属高温拉伸蠕变试验方法[S].

[3]中国航空工业集团公司北京航空材料研究院.一种机械式蠕变、持久强度试验机：中国,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

吴安民(1981—)，男，汉族，本科，工程师，主要从事航空材料高温力学性能的测试与研究工作。

TH87

10.3969/j.issn.1674-3407.2016.03.023