一種制動盤材料熱疲勞試驗機的制作方法

本實用新型涉及材料熱疲勞試驗技術，具體涉及一種制動盤材料熱疲勞試驗機。

背景技術：

制動盤是汽車及軌道列車制動過程中最關鍵部件之一，制動盤以其熱耗散效率高、質量輕，結構簡單以及方便拆裝等特點，逐漸成為車輛制動的主流方式。制動盤固定在車輛的車軸上或車輪處，制動時通過與制動閘片的摩擦作用，實現車輛的減速與停車。制動過程中車輛運行的動能將轉換為制動盤的熱能，這將使制動盤的溫度急劇升高。尤其在軌道列車高速重載的運行條件下，緊急制動過程中，摩擦面平均表面溫度能在制動開始后的數秒就會達到750℃。劇烈的溫度波動會引起制動盤內部產生巨大的熱應力和塑性應變。同時，反復制動引起的熱沖擊會誘發疲勞裂紋從制動盤淺表層起裂，萌生的疲勞裂紋在后續制動過程中會沿制動盤徑向方向繼續擴展。熱疲勞是制動盤的主要失效形式之一。因此熱疲勞性能是制動盤材料最主要的考核性能之一。

制動盤熱疲勞過程有其特殊性。首先，制動過程中熱流在制動盤摩擦面產生并通過熱傳導傳入制動盤內部，最終達到熱平衡。其次，制動緩解后制動盤由空氣對其進行整體冷卻。再次，制動盤的熱裂紋只存在于制動盤摩擦面，即熱流產生和輸入面。由于這些特性，目前，常規的熱疲勞試驗裝置雖然能實現材料在高低溫的熱循環過程，但并不能較接近地模擬制動盤制動過程中單側熱輸入，升溫過程中材料內部存在溫度梯度的特點。因此設計一款能模擬制動盤制動過程中熱疲勞過程的試驗儀器來考核制動盤材料的熱疲勞性能是十分必要的。

技術實現要素：

本實用新型的發明目的是提供一種制動盤材料熱疲勞試驗機。該試驗機可以模擬制動盤材料在制動過程中單側熱輸入，加熱過程中材料內部存在溫度差，熱平衡后材料整體冷卻的制動熱循環特征，獲得與制動盤制動實際工況中熱循環過程一致的熱疲勞試驗結果。

本實用新型實現其發明目的所采取的技術方案是：一種制動盤材料熱疲勞試驗機，包括對制動盤材料的熱疲勞試件進行加熱的感應加熱設備、對熱疲勞試件進行冷卻的冷卻設備，支撐熱疲勞試件的試件支撐平臺和監測熱疲勞試件溫度的試件溫度監測設備，其結構特點是：

所述感應加熱設備包括位于熱疲勞試件上方的感應加熱線圈和與所述感應加熱線圈電連接的感應加熱電源；

所述冷卻設備包括液體介質冷卻裝置、淹沒深度控制裝置和壓縮空氣冷卻裝置，所述液體介質冷卻裝置包括冷卻介質循環槽，冷卻介質循環槽內裝有液體冷卻介質；淹沒深度控制裝置可通過調節熱疲勞試件高度或液體冷卻介質液面高度控制液體冷卻介質淹沒熱疲勞試件的深度；所述壓縮空氣冷卻裝置包括對準熱疲勞試件的壓縮空氣噴嘴和與所述壓縮空氣噴嘴相連的空氣壓縮機；

所述試件溫度監測設備包括監測熱疲勞試件上部溫度的上部溫度傳感器、監測熱疲勞試件中部溫度的中部溫度傳感器和監測熱疲勞試件下部溫度的下部溫度傳感器。

用上述制動盤材料熱疲勞試驗機進行熱疲勞試驗的方法以及有益效果是：

A、將熱疲勞試件固定在試件支撐平臺上。

B、在冷卻介質循環槽加入液體冷卻介質，通過淹沒深度控制裝置控制液體冷卻介質剛好淹沒熱疲勞試件的下表面；開啟的感應加熱電源，通過感應加熱線圈對熱疲勞試件進行加熱；在加熱過程中，溫度監測設備的上部溫度傳感器、中部溫度傳感器和下部溫度傳感器實時監測熱疲勞試件的上部、中部和下部的溫度；通過淹沒深度控制裝置控制液體冷卻介質剛好淹沒熱疲勞試件的下表面，然后通過感應加熱線圈對熱疲勞試件進行加熱，可模擬制動盤材料熱疲勞過程中升溫階段前期上表面加熱，下表面恒溫，熱疲勞試件內部存在溫度差的加熱特點。

C、當加熱至上部溫度傳感器和下部溫度傳感器測得的溫度差值達到制動盤實際制動工況下摩擦面和散熱內表面最大溫度差時，通過淹沒深度控制裝置降低冷卻介質循環槽內液體冷卻介質的液面或整體升高熱疲勞試件和其上方感應加熱線圈的位置，使熱疲勞試件下表面露出液面；試件下表面不再受冷卻介質的影響，試件通過熱傳導和電磁感應進行整體加熱的特點，能夠模擬制動盤材料在實際過程中的受熱過程。當加熱至上部溫度傳感器、中部溫度傳感器和下部溫度傳感器測得的溫度值均達到預先設定的加熱結束溫度值(根據制動盤實際制動工況下摩擦面與散熱內表面整體動態熱平衡后的最高溫度確定)時，關閉感應加熱電源，停止加熱。

D、通過壓縮空氣冷卻裝置的壓縮空氣噴嘴噴出壓縮空氣對熱疲勞試件進行冷卻，直至上部溫度傳感器、中部溫度傳感器和下部溫度傳感器測得的溫度值均達到預先設定的冷卻結束溫度值(根據制動盤制動冷卻后達到熱平衡狀態下的最低溫度確定)，停止冷卻，即完成一次熱疲勞試驗過程。通過壓縮空氣冷卻裝置模擬了制動緩解后制動盤由空氣對其進行整體冷卻的過程。

進一步，本實用新型所述感應加熱線圈成同心圓多環餅形結構，位于熱疲勞試件的上表面上方，通過線圈漏磁對熱疲勞試件上表面進行加熱。

感應加熱線圈的同心圓多環餅形結構可以在線圈下部產生較為均勻的漏磁磁場，均勻的漏磁磁場使試件上表面內產生均勻的感應電流，達到上表面均勻加熱的目的。

進一步，本實用新型所述試件支撐平臺與熱疲勞試件之間設置有鏤空通風槽；所述壓縮空氣噴嘴為靠近熱疲勞試件上表面和下表面的兩組，位于熱疲勞試件上表面的壓縮空氣噴嘴對著熱疲勞試件上表面，位于熱疲勞試件下表面的壓縮空氣噴嘴對著試件支撐平臺與熱疲勞試件之間的鏤空通風槽。

鏤空通風槽是為了能使下表面噴嘴噴出的壓縮空氣能抵達試件的下表面，而不會因為試件支撐平臺的阻擋造成壓縮空氣無法到達試件下表面；壓縮空氣噴嘴對著熱疲勞試件上下表面是為了噴出的壓縮空氣能直接到作用到試件的上下表面進行冷卻，這樣的方式更接近與制動盤制動時候的冷卻過程。制動盤內外表面的冷卻效率比其他部位冷卻效率更快，因此，對熱疲勞試件上下表面直接用壓縮空氣進行直接冷卻可使上下表面獲得較高的冷卻效率。

進一步，本實用新型所述上部溫度傳感器為兩組，分別布置在熱疲勞試件上表面的幾何中心處和邊緣處，測得的熱疲勞試件上部的溫度為兩組上部溫度傳感器測得的溫度值中的最低溫度值；所述中部溫度傳感器為一組，布置在熱疲勞試件的芯部；所述下部溫度傳感器為兩組，布置在熱疲勞試件下表面的幾何中心處和邊緣處，測得的熱疲勞試件下部的溫度為兩組下部溫度傳感器測得的溫度值中的最低溫度值。

在通過感應加熱線圈對熱疲勞試件進行加熱過程中，同一平面上的溫度中平面幾何中心的溫度最具有代表性，所以在熱疲勞試件上表面和下表面的表面幾何中心處布置溫度傳感器；由于感應加熱特有的集膚效應，在上下表面邊緣處，由于與試件上下表面與側面相交，比表面積較大，加熱相對較快，對邊緣處的溫度監測有助于了解和控制整個感應加熱過程。表面幾何中心處的溫度低于邊緣處的溫度，表面幾何中心處的溫度最具有代表性，所以此處選取兩組上部溫度傳感器測得的溫度值中的最低溫度值作為熱疲勞試件上部的溫度；兩組下部溫度傳感器測得的溫度值中的最低溫度值作為熱疲勞試件下部的溫度。

進一步，本實用新型所述淹沒深度控制裝置包括設置在冷卻介質循環槽側壁的限液位裝置和降液位排液口；所述限液位裝置高于試件支撐平臺的上支撐面，所述降液位排液口低于試件支撐平臺的上支撐面。

限液位裝置可保證在冷卻介質循環槽中加入液體冷卻介質時，液體冷卻介質液面剛好淹沒熱疲勞試件的下表面；當加熱至上部溫度傳感器和下部溫度傳感器測得的溫度差值預先設定的溫度差值時，通過控制降液位排液口打開，降低冷卻介質循環槽內液體冷卻介質的液面，使熱疲勞試件下表面露出液面。限液位裝置和降液位排液口的設置通過簡單的方式實現了淹沒深度控制裝置的功能。

進一步，本實用新型所述熱疲勞試驗機還包括智能控制終端；液體介質冷卻裝置的控制端、壓縮空氣冷卻裝置的控制端、淹沒深度控制裝置的控制端和試件溫度監測設備均與智能控制終端相連。

智能控制終端可預先設定升溫過程中熱疲勞試件上部和下部之間的溫度差值、熱疲勞試件的加熱結束溫度值和冷卻結束溫度值；智能控制終端根據試件溫度監測設備傳輸來的熱疲勞試件的實時溫度值控制感應加熱設備、液體介質冷卻裝置、壓縮空氣冷卻裝置和淹沒深度控制裝置的作業。這樣，不需人工操作即可完成熱疲勞試驗，減輕了工作人員的勞動負荷，實現了試驗機的自動化，大大提高了熱疲勞試驗的效率。

下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型做進一步詳細描述。

附圖說明

圖1為本實用新型實施例一三維結構示意圖。

圖2為本實用新型實施例一感應加熱線圈放大結構示意圖。

圖3為本實用新型實施例一冷卻介質循環槽和試件支撐平臺的俯視圖。

圖4為圖3的A-A剖面圖。

具體實施方式

實施例一

圖1示出，本實用新型試驗機的一種具體實施方式是：一種制動盤材料熱疲勞試驗機，包括對制動盤材料的熱疲勞試件7.0進行加熱的感應加熱設備、對熱疲勞試件7.0進行冷卻的冷卻設備，支撐熱疲勞試件7.0的試件支撐平臺6.0和監測熱疲勞試件7.0溫度的試件溫度監測設備，其結構特點是：

所述感應加熱設備包括位于熱疲勞試件7.0上表面上方的感應加熱線圈2.1和與所述感應加熱線圈2.1電連接的感應加熱電源2.2；所述感應加熱線圈2.1成同心圓多環餅形結構，如圖2所示，通過線圈漏磁對熱疲勞試件7.0上表面進行加熱；

所述冷卻設備包括液體介質冷卻裝置、淹沒深度控制裝置和壓縮空氣冷卻裝置，所述液體介質冷卻裝置包括冷卻介質循環槽3.1，冷卻介質循環槽3.1內裝有液體冷卻介質；淹沒深度控制裝置可通過調節液體冷卻介質液面高度控制液體冷卻介質淹沒熱疲勞試件7.0的深度；所述壓縮空氣冷卻裝置包括對準熱疲勞試件7.0的壓縮空氣噴嘴5.1和與所述壓縮空氣噴嘴5.1相連的空氣壓縮機5.2；

本例中所述淹沒深度控制裝置包括設置在冷卻介質循環槽3.1側壁的限液位裝置4.1和降液位排液口4.2；所述限液位裝置4.1高于試件支撐平臺6.0的上支撐面，所述降液位排液口4.2低于試件支撐平臺6.0的上支撐面，本例中有四個；本例中所述限液位裝置4.1為限液位排液口。圖3為本上述冷卻介質循環槽和試件支撐平臺的俯視圖。圖4為圖3的A-A剖面圖。

所述試件溫度監測設備包括監測熱疲勞試件7.0上部溫度的上部溫度傳感器、監測熱疲勞試件7.0中部溫度的中部溫度傳感器和監測熱疲勞試件7.0下部溫度的下部溫度傳感器；圖1中省略了溫度監測設備。

本例中所述上部溫度傳感器為兩組，分別布置在熱疲勞試件7.0上表面的幾何中心處和邊緣處，測得的熱疲勞試件7.0上部的溫度為兩組上部溫度傳感器測得的溫度值中的最低溫度值；所述中部溫度傳感器為一組，布置在熱疲勞試件7.0的芯部；所述下部溫度傳感器為兩組，布置在熱疲勞試件7.0下表面的幾何中心處和邊緣處，測得的熱疲勞試件7.0下部的溫度為兩組下部溫度傳感器測得的溫度值中的最低溫度值。

本例中所述熱疲勞試驗機還包括智能控制終端1.0；液體介質冷卻裝置的控制端均與智能控制終端1.0相連，當液面達到液體冷卻介質淹沒熱疲勞試件7.0的下表面時，液體冷卻介質開始從限液位排液口中流出，并將液面信號傳輸給智能控制終端1.0，智能控制裝置1.0控制關閉向冷卻介質循環槽3.1加入液體冷卻介質的開關。本例中壓縮空氣冷卻裝置的控制端、淹沒深度控制裝置的控制端和試件溫度監測設備也均與智能控制終端1.0相連。試件溫度監測設備將采集的熱疲勞試件7.0的上部、中部和下部的溫度實時傳輸給智能控制終端1.0，智能控制終端1.0根據試件溫度監測設備傳輸來的熱疲勞試件7.0的實時溫度值控制感應加熱設備、液體介質冷卻裝置、壓縮空氣冷卻裝置和淹沒深度控制裝置的作業。

本例中所述試件支撐平臺6.0與熱疲勞試件7.0之間設置有鏤空通風槽6.1；所述壓縮空氣噴嘴5.1為靠近熱疲勞試件7.0上表面和下表面的兩組，位于熱疲勞試件7.0上表面的壓縮空氣噴嘴5.1對著熱疲勞試件7.0上表面，位于熱疲勞試件7.0下表面的壓縮空氣噴嘴5.1對著試件支撐平臺6.0與熱疲勞試件7.0之間的鏤空通風槽6.1。

實施例二

一種制動盤材料熱疲勞試驗機，本實施例試驗機與實施例一結構基本相同，區別僅僅在于：本例中所述限液位裝置4.1不與智能控制裝置1.0相連，限液位裝置4.1為限液位排液口，當液面達到液體冷卻介質淹沒熱疲勞試件7.0的下表面時，液體冷卻介質開始從限液位排液口中流出，手動關閉向冷卻介質循環槽3.1加入液體冷卻介質的開關。

實施例三

一種制動盤材料熱疲勞試驗機，本實施例試驗機與實施例一結構基本相同，區別僅僅在于：本例中所述限液位裝置4.1為液面傳感器，當液面達到液體冷卻介質淹沒熱疲勞試件7.0的下表面時，液面傳感器將液面信號傳輸給智能控制終端1.0，智能控制裝置1.0控制關閉向冷卻介質循環槽3.1加入液體冷卻介質的開關。

實施例四

一種制動盤材料熱疲勞試驗機，包括對制動盤材料的熱疲勞試件7.0進行加熱的感應加熱設備、對熱疲勞試件7.0進行冷卻的冷卻設備，支撐熱疲勞試件7.0的試件支撐平臺6.0和監測熱疲勞試件7.0溫度的試件溫度監測設備，其結構特點是：

所述感應加熱設備包括位于熱疲勞試件7.0上表面上方的感應加熱線圈2.1和與所述感應加熱線圈2.1電連接的感應加熱電源2.2；

所述冷卻設備包括液體介質冷卻裝置、淹沒深度控制裝置和壓縮空氣冷卻裝置，所述液體介質冷卻裝置包括冷卻介質循環槽3.1，冷卻介質循環槽3.1內裝有液體冷卻介質；淹沒深度控制裝置可通過調節熱疲勞試件7.0高度控制液體冷卻介質淹沒熱疲勞試件7.0的深度；所述壓縮空氣冷卻裝置包括對準熱疲勞試件7.0的壓縮空氣噴嘴5.1和與所述壓縮空氣噴嘴5.1相連的空氣壓縮機5.2；

所述試件溫度監測設備包括監測熱疲勞試件7.0上部溫度的上部溫度傳感器、監測熱疲勞試件7.0中部溫度的中部溫度傳感器和監測熱疲勞試件7.0下部溫度的下部溫度傳感器；

本例中所述試件支撐平臺6.0與熱疲勞試件7.0之間設置有鏤空通風槽6.1；所述壓縮空氣噴嘴5.1為靠近熱疲勞試件7.0上表面和下表面的兩組，位于熱疲勞試件7.0上表面的壓縮空氣噴嘴5.1對著熱疲勞試件7.0上表面，位于熱疲勞試件7.0下表面的壓縮空氣噴嘴5.1對著試件支撐平臺6.0與熱疲勞試件7.0之間的鏤空通風槽6.1。