新型金属热疲劳试验机的设计

１前言 我国开展金属热疲劳的研究工作始于 １９５０ 年代后
期 。 由 于 航 空 材 料 研 制 和 仿 制 工 作 的 迫 切 需 要 ， １９５８ 年 ， 北京 航 空 材 料 研 究 所（ 北 京 航 空 材 料 研究 院 的 前 身） 参 照 原 苏 联 航 空 材 料 研究 院“耐 热 合 金 板 材 热 疲 劳 试 验 新 方法 ”， 在 苏 联 专 家 指 导 下 设 计 并 制 造 了 我 国 第 一 台 热 疲 劳 试 验 机— ——金 属板 材 热 疲 劳 试 验 机 ［１］ 。１９６２ 年 制 定 了 “ 金 属 与 合 金 板 材 的 热 疲 劳 试 验 方 法 ”（ 草 案） ［２］ ； １９６３ 年 ， 该 方 法 经 修 订 后 更 名 为“ 金 属 板 材 热 疲 劳 试 验 方 法 ”［３］ ， 作 为 航 空 材 料 研 究 所 所 标 准 推 广 使 用 。１９６４ 年， 经改进后的热疲劳试验机设计定型， 批量生产多台，
（ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９５， Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ： Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ａｖｉａｔｉｏｎ ｉｎｄｕｓｔｒｙ ｓｔａｎｄａｒｄ ｏｆ “Ｔｅｓｔｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｆａｔｉｇｕｅ ｏｆ Ｐｌａｔｅ － ｓｈａｐｅｄ Ｍｅｔａｌ” （ ＨＢ６６６０－ １９９２） ， ａ ｎｅｗ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔ ｍａｃｈｉｎｅ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ． Ｔｈｅ ｎｅｗ ｍａｃｈｉｎｅ ｐｒｅｓｅｒｖｅｓ ｏｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ＇ ｓ ａｄｖａｎｔａｇｅ ａｎｄ ｍａｋｅｓ ｍａｎｙ ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｏｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ． Ａ ｎｅｗ ｈｅａｔ ｐｒｅｓｅｒｖａｔｉｏｎ ｍａｔｅｒｉａｌ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｏｖｅｎ ｔｈａｔ ｌｏｃａｔｅｄ ｉｎ ｈｏｓｔ ｍａｃｈｉｎｅ， ｓｏ ｈｅａｔｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅｄ． Ｍｅａｎｗｈｉｌｅ， ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｌｅｖｅｌ ｉｓ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒｔ， ｉｎ ａｄｄｉｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｏｆ ｌｉｑｕｉｄ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｄｅｖｉｃｅｓ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ． Ｔｈｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ａｒｅ ａｐｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｕｎｉｔ， ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｃｅ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｉｎ ｔｈｅ ＦＰ２１ ｉｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ａｎｄ ｄｙｎａｍｉｃ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ． Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ， ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｍｅａｓｕｒｅ ｐｒｅｃｅｓｓｉｏｎ ｉｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ． Ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｃｙｃｌｅ ｔｉｍｅ ｐｒｅｓｅｔｔｉｎｇ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｓｔｏｐ ａｎｄ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｒｅ ａｌｓｏ ａｄｄｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒ ｄｓ： ｔｈｅｒｍａｌ ｆａｔｉｇｕｅ ｔｅｓｔ ｍａｃｈｉｎｅ； ｈｏｓｔ ｍａｃｈｉｎｅ； ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ
一个电磁铁。其工作原理是： 将试样连同夹具一起装入试
验机后， 试样在电炉内加热， 加热时间受时间继电器控
制， 到时后， 电磁铁吸合， 带动试样进入水槽内冷却； 冷却
时间结束后， 电磁铁释放， 试样又重新回到电炉中加热。
如此循环往复。试样在循环温度造成的循环热应力的反
复作用下发生疲劳破坏。到规定循环次数时， 将试样取
Ｄ
设计计算
ＤＥＳ ＩＧＮ ＡＮＤ ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ
新型金属热疲劳试验机的设计
韩增祥， 王亮 （ 北京航空材料研究院， 北京 １０００９５）
摘 要： 介绍了一种按照航空工业标准“金属板材热疲劳试验方法”〔ＨＢ６６６０－ １９９２〕要求设计的新型热疲劳试验机。新
试验机保留了原试验机的优点， 并在原试验机的基础上作了大量的改进。主机部分， 在电炉中采用了新型保温材料， 显
［ 参考文献］
［ １］ 刘 力 健 ， 王 永 明． 行 车 式 巨 型 管 合 焊 机 组 ［ Ｊ］ ． 热 加 工 工 艺 ，
２００６， ３３（ １１） ： ６８－ ６９， ７２．
［ ２］ 王永明 ， 等． 行 车式 大型管 合焊 机 ： 中 国 ， ＺＬ２００６２００２４０００．６
［ Ｐ］ ．２００７－ ０４－ ０４．
关键词： 热疲劳试验机； 主机； 控制系统
中图分类号： Ｖ２１６．４３
文献标识码： Ａ
文章编号： １００２－ ２３３３（ ２００７） ０８－ ０１０８－ ０３
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｎｅｗ Ｍｏｄｅｌ Ｍｅｔａｌ Ｔｈｅｒ ｍａｌ Ｆａｔｉｇｕｅ Ｔｅｓｔ Ｍａｃｈｉｎｅ ＨＡＮ Ｚｅｎｇ－ ｘｉａｎｇ， ＷＡＮＧ Ｌｉａｎｇ
装在控制柜面板上的水温测量仪表测出冷却水的温度，
使冷却水的温度始终处于监控之中。
为了保持冷却水的
温度和水槽水平面高度
的相对稳定， 冷却装置 采用了图 ２ 所示的结 构， 该结构能保证冷却
使用 单 位 遍 及 各 地 的 科 研 院 所 、航 空 工厂 和 高 温 合 金 生 产厂家。１９９２ 年， 在原航空材料研究所所标准基础上制 定的我国唯一一部行业以上级别的热疲劳试验方 法— ——“ 金 属 板 材 热 疲 劳 试 验 方 法 ”〔ＨＢ６６６０－ １９９２〕发 布 实 施 ［４］， 成 为 国 内 开 展 热 疲 劳 试 验 应 用 最 广 泛 的 试 验 标准。与定量的热／机械疲劳试验不同， 金属的热疲劳试 验是一种定性的试验。试验过程中， 试样只承受循环温 度 造 成 的 循 环 热 应 力 的 作 用 。金 属 材 料 在 热 应 力 反 复 作 用 下 抵 抗 破 坏 的 能 力 称 为 热 疲 劳 抗 力 。热 疲 劳 抗 力 是 评 价 金 属 材 料 热 疲 劳 性 能 的 重 要 指 标 之 一 。其 表 示 方 法 为 规定循环次数的裂纹长度， 或规定裂纹长度的循环次
５０％， 最长升温时间由原来的近 １ｈ 降至 ３０ｍｉｎ。
（ ２） 冷却装置的改进
试验机的冷却装置与加热装置连在一起， 加热装置
对冷却水有加热的作用， 水温还受季节和天气变化的影
响。原试验机无水温检测装置， 有时温度发生变化也不能
及时发现， 有可能对试验结果产生影响。新型试验机在冷
却装置的水槽中增加了温度测量元件即铂电阻， 通过安
出， 进行裂纹检测。根据所测裂纹的长短来评价材料的热
疲劳性能。
主机部分的改进主要有以下方面：
来自百度文库
（ １） 加热装置的改进
原试验机加热装置所用电炉的保温层为耐火砖， 保
温效果差， 能耗高。新型试验机电炉的型腔采用硅酸铝纤
维浇 注 料 高 压 成 型 ， 保 温 效 果 好 ， 节 约 电能 可 达 ３０％￣
随着科学技术的不断进步， 人们对原有的热疲劳试 验机也作过多次改进， 特别是控制系统的改进， 使其性能 有了不同程度的提高。但总体上讲， 由于年代久远， 这些 设备已显得十分陈旧和落后。其主要表现为：（ １） 控制精 度低。如航材院原有的两台试验机， 采用 ７０２ 控温仪控 温， 其静态温度波动为±３℃， 动态温度波动为±６℃甚至更 大。温度显示器为毫伏计， 温度设定和显示都不直观。（ ２） 操 作 不 便 。原 试 验 机 加 热 、冷 却 时 间 的 设 定 和 控 制 采 用 半 导体时间继电器， 调节困难且不准确， 往往需要用其它计 时装置反复校正数次才勉强达到要求。（ ３） 自动化程度 低。原试验机循环次数不能自动控制， 操作者必须特别小 心关注循环次数是否到了规定值， 否则极易出现差错。 （ ４） 故障率高。特别是升降机构， 经常因各种原因导致不 能正常工作。
试验温度 上限温度： ≤１２００℃ 下限温度： ２０±５℃（ 自来水温度）
温度波动 静态： ≤±１℃； 动态： ≤±３℃
测温精度： ≤±１℃； 电炉功率： ５ｋＷ； 升温时间： ≤３０ｍｉｎ 循环时间
加热时间： ０～９９９９ｓ； 冷却时间： ０～９９９９ｓ 连续工作时间： ≥１２ｈ 可预置循环次数， 当实际循环次数达到预置次数时， 可自动停止试验并发出声音信号。 有极限保护功能， 当试验温度超过规定之后， 能自动 停止加热和试验并发出报警信号。 ３ 试验机的主机 试验机的主机结构如图 １ 所示。其主要组成部分有
著提高了加热效率； 在冷却部分的设计上采用了液面自动稳定结构， 并增加了水压稳定装置和水温测温装置。控制部分
全部采用数字仪表， 温度控制器和动态测温仪均采用了 ＦＰ２１ 型高精度智能可编程控制器， 大幅度地提高了控制和测量
精度。试验机还增加了循环次数预置和自动停机以及极限保护等功能， 有效地提高了设备的自动化程度。
加热装置 （ 即 电 炉） 、冷 却 装 置、升降机构 以及控温和测 温元件 （ 热电
配重
加热装置 （ 电炉）
机架 升降机构 试样夹具 试样
偶 和 铂 电 阻） 等。电炉的加 冷却装置
控温 热电偶
热元件为硅碳 棒， 冷却介质
进水管
为流动的自来 水， 升降机构 的核心部件是
排水管
支架
图 １ 试验机主机示意图
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设备 经 长 时 间 实 际 运 行 表 明 ： 生 产 效 率高 、操 作 方 便 、功 能可靠。已获得明显经济效益。
运动分配与布局设计是各类加工设备确定设计方案 的基本问题之一。无论选择何种布局都需要解决相应的 技术问题。设计中， 布局由诸多因素决定， 而且没有定式。 工具移动式或工件移动式布局的设备都不乏精品或缺憾 的实例， 因此， 这一问题也成为机械工程设计界原创性设 计中的趣味问题。
２００１ 年， 北京航空材料研究院决定对包括试验机在 内的热疲劳试验系统进行全面更新改造。工作分为方案 论证和实施两个阶段进行。在论证阶段， 有关人员曾对国 内同类设备进行了调研， 并征询了有关专家的意见。最后 决定试验机的主机仍采用原试验机的结构， 但某些关键 性的部件和结构需要作进一步的改进； 对控制系统则进 行全新的设计， 决定温度控制器采用最先进的高精度智 能可编程控制器， 其它测量和控制器也全部采用数字仪 表， 同时增加循环次数预置和自动停机以及极限保护等 功能， 从而大大提高试验机的控制精度的自动化程度。试 验机于 ２００２ 年研制成功并投入使用， 现将试验机设计的 基本情况作以介绍， 供从事热疲劳测试和研究工作的同 行们参考借鉴。 ２ 试验机的主要技术指标和功能
收稿日期： ２００７－ ０４－ ２８
１０８ 机械工程师 ２００７ 年第 ８ 期
设计计算 Ｄ
ＤＥＳ ＩＧＮ ＡＮＤ ＣＡＬＣＵＬＡＴＩＯＮ
数 。人 们 通 过 在 同 一 试 验 条 件 下 对 不 同 材 料 试 样 所 测 裂 纹长度的比较， 来判断材料的热疲劳抗力。热疲劳试验 具 有 周 期 短 、成 本 低 、试验 数 据 可 靠 等 优 点， 因 此 被 广 泛 应 用 于 新 材 料 研 制 、工 艺 选 择 、原 材 料 复 验 和 失 效 分 析 等工作中。
［ ３］ 张振文 ， 等．合 焊机 固定器 ： 中国 ， ＺＬ２００６２００４４００１．Ｏ［ Ｐ］ ．２００７－
０４－ １１．
（ 编辑 明 涛）
!!!!!!!!!! 作者简 介： 王 永明（ １９５２－ ） ， 男， 教授 ， 主 要 研 究 方 向 为 机 电 一 体 化 技
术 、数 控 技 术 。