Устройство для испытания материалов при высоких температурах

Устройство для испытания материалов при высоких температурах

Реферат

Изобретение относится к испытательной технике, в частности к устройствам для нагревания материалов при испытаниях на прочность и жаростойкость при высоких температурах в окислительной газовой среде нормированного состава.

Область применения: авиастроение, ракетостроение и машиностроение.

Создание и внедрение в машиностроении новых конструкционных материалов, работающих в широком диапазоне температур, приводит к необходимости разработки новых методов и технических средств для исследования их механических характеристик и жаростойкости. При таких испытаниях необходимо воспроизводить эксплуатационные условия нагревания и воздействия окружающей среды. К нагревательным устройствам предъявляются ряд дополнительных требований таких как малая тепловая инерция, отсутствие взаимодействия материалов испытательной установки и материалов испытываемой конструкции, высокая надежность в эксплуатации, экономичность и др.

В настоящее время для создания нагревательных устройств широкое применение в авиационной промышленности получили инфракрасные кварцевые нагревательные лампы. Установлено, что при температурах 1200-1250°С в кварце начинается интенсивная рекристаллизация, приводящая к резкому снижению пропускной способности колб ламп и, как следствие, их перегреванию и выходу из строя. Неохлаждаемые колбы кварцевых ламп нагреваются сильнее, чем испытываемые образцы материалов, поэтому при длительных испытаниях рабочая температура кварцевых ламп не должна превышать 1180°С, что соответственно, может обеспечить максимальную температуру испытываемого образца не более 1130-1150°С (в зависимости от качества кварца). Воздушное охлаждение колб кварцевых ламп весьма эффективно, так как прозрачные стенки слабо поглощают тепловой поток. Используя этот эффект можно существенно повысить рабочую температуру испытываемого образца.

Известно устройство с нагревательными силитовыми стержнями (см. Ильин Ю.С., Урусбиева Л.Е. Инфракрасные нагреватели с силитовыми излучателями для тепловых статических испытаний самолетных и ракетных конструкций, технические отчеты ЦАГИ, Издательский отдел ЦАГИ, 1964 г., стр.5-6). Устройство состоит из силитовых стержней, охлаждаемого водой рефлектора, корпуса и токоподводов.

Недостатком устройства является низкий уровень рабочих температур, ограничивающийся рабочим диапазоном силита, который при длительной эксплуатации не превышает 1300°С и большая тепловая инерция стержней.

Известно нагревательное устройство с охлаждаемыми воздухом кварцевыми нагревательными лампами (см. А.Н.Баранов. Теплопрочностные испытания летательных аппаратов, Издательский отдел НАГИ, "Труды ЦАГИ", выпуск 2638, 1999 г., стр.92). Устройство содержит охлаждаемый водой плоский рефлектор из алюминиевого сплава и охлаждаемые воздухом кварцевые нагревательные лампы с отогнутыми законцовками. Для охлаждения воздухом колб ламп в рефлекторе предусмотрены отверстия, обеспечивающие распыление охлаждающего воздуха.

Недостатком устройства является высокая стоимость изготовления рефлектора, одновременный обдув охлаждаемым воздухом ламп и испытываемой конструкции, и, соответственно, невозможность нормирования состава окислительной газовой среды.

Известно устройство High Jensity Radiant Heater, разработанное на фирме Research (см. А.Н.Баранов, Теплопрочностные испытания летательных аппаратов, Издательский отдел ЦАГИ, "Труды ЦАГИ", выпуск 2638, 1999 г., стр.92-93). Устройство состоит из охлаждаемого водой рефлектора, обдуваемых воздухом кварцевых ламп с прямыми цоколями и кварцевого плоского стекла, укрепленного на рефлекторе. Максимально достигнутая температура в рабочей зоне при испытаниях была 1480°С.

Недостатками устройства является то, что оно имеет дорогую, сложную в изготовлении и эксплуатации конструкцию, а также большой расход охлаждающего воздуха. Соединение кварцевого стекла с рефлектором не является герметичным и при работе приводит к интенсивному обдуву воздухом испытываемой конструкции. Кроме того, плоская кварцевая пластина при высоких температурах деформируется, что при жесткой заделке краев приводит к ее поломкам. К недостаткам устройства следует отнести невозможность нормирования состава окислительной среды в рабочей зоне.

Известно устройство с нагревательными кварцевыми лампами с прямыми законцовками и охлаждаемыми электрическими контактами (Я.С.Гинцбург, А.Г.Бобров, Установки для испытания машиностроительных материалов при высоких температурах, М. - Л., Машиностроение, 1964 г., стр.35-37), принятое за прототип. Устройство состоит из охлаждаемого водой цилиндрического рефлектора и кварцевых нагревательных ламп карандашного типа. Внутренняя поверхность медного охлаждаемого рефлектора позолочена для исключения коррозии и улучшения отражательной способности. Контакты ламп охлаждаются водой повышенной очистки. Все токоведущие детали изготовлены из меди и спаяны серебром.

Недостатками конструкции является ограничение температуры в рабочей зоне из-за размягчения кварцевых колб нагревателей, ненадежность работы охлаждаемых водой контактов, невозможность нормирования состава окислительной газовой среды в рабочей зоне.

Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции устройства и обеспечение возможности нагревания конструкционных материалов в широком диапазоне температур в окислительной среде нормированного состава при исследованиях их механических характеристик и жаростойкости.

Технический результат достигается тем, что внутри устройства размещена рабочая камера, изготовленная из тонкостенной кварцевой трубы, на торцах которой установлены коллекторы подачи и отсоса окислительной газовой среды нормированного состава, кварцевые лампы расположены в охлаждаемой воздухом зоне между рабочей камерой и рефлектором, который выполнен разъемным по оси, снабжен струйными кольцевыми распылителями воздуха и имеет каналы отвода воздуха в средней части рефлектора.

На фиг.1 приведена конструктивная схема предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство состоит из герметичной рабочей камеры 1, изготовленной из тонкостенной кварцевой трубы и размещенной в центре устройства. На торцах камеры установлены коллекторы подачи 2 и отсоса 3 окислительной газовой среды нормированного состава. Между рабочей камерой и охлаждаемым водой рефлектором 4 в охлаждаемой воздухом зоне расположены кварцевые нагревательные лампы 5 с отогнутыми под 90° законцовками. Рефлектор выполнен разъемным по оси и снабжен по торцам струйными кольцевыми распылителями воздуха 6 для охлаждения колб ламп и стенки рабочей камеры. Рефлектор в средней части имеет каналы 7 для отвода отработанного охлаждающего воздуха. Для герметизации зазоров между элементами устройства, через которые может происходить утечка охлаждающего воздуха, применены термостойкие прокладки и герметик 8. Испытываемый образец материала 9 с установленными на нем термопарами 10 размещен в центре рабочей камеры.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. До начала испытаний устройство устанавливают на силовых направляющих испытательного стенда. Испытательный образец материала с расположенными на нем термопарами устанавливают вертикально в силовых захватах. Подключают к технологическим системам стенда коллекторы подвода окислительной газовой среды нормированного состава, распылители охлаждающего воздуха, кварцевые нагревательные лампы и термопары. Задают на компьютере системы управления программы нагревания и нагружения образца, включают технологические системы и подают команду о начале испытаний в систему управления. При этом производится:

- подача сжатого воздуха в распылители для охлаждения колб ламп и стенки рабочей камеры;

- подача окислительной воздушной среды в рабочую камеру;

- подача по заданной программе электрической мощности к нагревательным лампам;

- нагружение по заданной программе испытываемого образца силой Р;

- контроль температуры и нагрузки, воспроизводимых на образце.

Обоснование принятых конструктивных решений.

1. Разъемный вдоль оси охлаждаемый рефлектор необходим для того, чтобы обеспечивать фокусирование теплового лучистого потока нагревательных ламп в рабочей зоне и обеспечивать их установку при наличии отогнутых под 90° законцовок. Применение таких ламп позволяет избежать необходимость дополнительного охлаждения законцовок при длительной эксплуатации и существенно упростить конструкцию устройства.

2. Изготовление рабочей камеры из кварцевой трубы позволяет уменьшить поглощение инфракрасного теплового потока стенками рабочей камеры, повысить рабочую температуру испытываемого образца материала до 1600-1700°С со скоростью ее изменения до 30-50 град/с.

Наличие кварцевой герметичной рабочей камеры обеспечивает возможность создания вокруг образца окислительной воздушной среды нормированного состава.

3. Наличие на торцах рефлектора струйных кольцевых распылителей и каналов отвода отработанного воздуха в средней части обеспечивает равномерное охлаждение по всей длине колб кварцевых нагревателей и стенок рабочей камеры и, соответственно, увеличивает рабочую температуру испытываемого образца материала на 300-500°С.

4. Коллекторы подачи и отсоса окислительной воздушной среды нормированного состава обеспечивают равномерность окислительных процессов по всей длине испытываемого образца материала.

Испытания макетных узлов устройства показали, что рабочая температура испытываемых образцов материалов при кратковременных испытаниях может достигать 1500-1600°С в условиях окислительной воздушной среды.

Устройство для испытания материалов при высоких температурах, содержащее охлаждаемый водой цилиндрический рефлектор и кварцевые лампы, отличающееся тем, что внутри устройства размещена герметичная рабочая камера, изготовленная из тонкостенной кварцевой трубы, на торцах которой установлены коллекторы подачи и отсоса окислительной газовой среды нормированного состава, кварцевые лампы расположены в охлаждаемой воздухом зоне между рабочей камерой и рефлектором, который выполнен разъемным по оси, снабжен струйными кольцевыми распылителями воздуха и имеет каналы отвода воздуха в средней части рефлектора.