[发明专利]无动密封的快开式高压氢环境材料疲劳性能试验方法

摘要

本发明公开了无动密封的快开式高压氢环境材料疲劳性能试验方法，本发明利用环境箱底盖往复水平运动的加载频率与试样部件的固有频率相同来激发试样部件产生共振的方法从而实现试样在高压氢气环境下的疲劳测试，无需设置动密封结构即可实现高压氢环境下材料疲劳性能的测试，尤其是实现高/低温高压氢环境下的高周或高频疲劳试验。

主权项

1.无动密封的快开式高压氢环境材料疲劳性能试验方法，其特征在于，基于无动密封的快开式高压氢环境材料疲劳性能试验装置，无需设置动密封结构即可实现高/低温高压氢环境下材料的高周或高频疲劳测试，所述试验方法具体包括以下步骤：步骤A：安装试样，即首先移除左矩形压框和右矩形压框，然后移除环境箱顶盖，分离环境箱顶盖与环境箱底盖，使环境箱底盖上的试样安装部位完全暴露在外；安装好试样，然后将与加速度传感器连接的砝码连接到试样上；步骤B：扫频，即在开始正式疲劳试验前还需进行正弦振动扫频，以确定由砝码与试样构成的共振部件的固有频率；通过激振器对环境箱底盖施加沿水平方向的激振载荷，使环境箱底盖以恒定加速度、递增频率发生简谐运动即沿水平方向的正弦振动，采用的是对数扫频，通过加速度传感器的反馈信号中的波峰值来确定共振部件的前三阶固有频率；步骤C：填充低压高纯气体，即闭合环境箱顶盖到环境箱底盖上，然后把左矩形压框和右矩形压框分别扣入环境箱，使得环境箱顶盖与环境箱底盖连接成一体，启动真空泵对夹套的内腔进行抽真空，抽真空结束后，关闭阀门，后续再次试验时无须再次抽真空，继而，启动真空泵对筒体的内腔和系统管路进行抽真空，接着连通氢气瓶，利用氢气瓶里的低压氢气对筒体的内腔进行若干次置换，直至筒体内腔的氢气纯度达到试验要求，此时，筒体内填充满低压高纯氢气；步骤D：调温，即启动制冷加热机对筒体内腔气体进行调温，直到试验气体介质达到设定的试验温度；步骤E：增压，即启动增压器对筒体内的气体进行缓慢增压，直至试验气体介质达到设定的试验压力；增压及后续试验过程中，制冷加热机仍处于工作状态，以对筒体内的高压气体温度进行微调，确保试样处于设定温度下的高压高纯氢气环境中；步骤F：疲劳测试，即启动激振器驱动环境箱底盖沿水平方向作简谐运动，加载频率取为步骤B中所获得的第一阶固有频率，从而迫使砝码产生沿水平方向的共振；试样的上端则在砝码的交变惯性力作用下承受循环疲劳载荷并作往复来回运动，该疲劳载荷的大小可通过加速度传感器测得的加速度a及砝码的质量m结合牛顿第二定律F=ma经工控机自动处理并显示和记录；试验过程中，工控机还实时记录所有传感器采集的数据以及疲劳载荷的循环次数，同时实时分析加速度传感器信号，使激励频率跟踪共振部件固有频率，保持共振状态；当加速度传感器响应的第一阶固有频率相对于初始值降低5%时，说明试样开始出现裂纹发生失效，此时结束疲劳试验；或者当试验循环次数达到设定值时，也可结束疲劳试验；同时记录试样所经历的疲劳循环次数和疲劳载荷；步骤G：泄压、回温，即开启放空阀对系统泄压，并使用低压氩气对系统进行吹扫以除去系统残留的氢气；然后通过制冷加热机将系统温度恢复为室温；步骤H：取出试样，即移除左矩形压框和右矩形压框，分离环境箱顶盖与环境箱底盖，取出试样；所述无动密封的快开式高压氢环境材料疲劳性能试验装置，包括环境箱模块、气源模块、增压器、真空泵、换热模块和工控机；所述环境箱模块由环境箱顶盖、环境箱底盖、左矩形压框、右矩形压框、换热弯管、加速度传感器、砝码、载荷传感器、基座和激振器组成；所述环境箱顶盖包括筒体、夹套和隔热陶瓷板，所述夹套的顶端设有开孔用于连接氢气传感器，氢气传感器用于实时监测设备健康状况，夹套的下端则设有用于抽真空的开孔；所述筒体位于夹套内腔；夹套内径大于筒体外径从而二者形成腔体，夹套与筒体之间沿轴向夹有隔热陶瓷板，夹套与筒体之间还设有静密封结构并通过螺钉实现连接；所述环境箱底盖的上端设有橡胶O形圈径向静密封部件与筒体构成密闭空间，环境箱底盖的中间设置阶梯用于左右矩形压框的定位，环境箱底盖的底端设置凸形导柱并与所述基座上的凹形导轨相配合用于提供简谐振动空间；该环境箱底盖沿凸形导柱轴向与激振器相连以产生简谐振动，且设有用于与置于筒体内腔的换热弯管相连接的进口通道和出口通道以及相应的进气孔和出气孔；所述环境箱底盖还在中心开有通孔用于信号线的引出，中心通孔的最上端连接载荷传感器；所述载荷传感器的下端中心部与加速度传感器连接，载荷传感器的上端设有螺纹柱用于连接试样，试样的另一端与所述砝码上的螺纹柱相连接，砝码的上端则设有加速度传感器；所述环境箱顶盖与环境箱底盖之间通过左矩形压框和右矩形压框实现连接从而承担筒体内部气体产生的轴向载荷；所述气源模块由氢气瓶、氩气瓶及对应的阀门组成；氢气瓶的排气口、氩气瓶的排气口分别经过氢气源阀门、氩气源阀门，然后汇总接入气源总阀门后与所述增压器的进气口相连；增压器的出气口依次与出气口阀门、增压段软管、环境箱阀门、压力传感器、环境箱底盖进出气孔相连；所述真空泵依次与真空度传感器、真空管路阀相连，真空管路阀分别接入真空段软管和增压段软管，用于对环境箱内部以及夹套与筒体之间构成的空腔抽真空；真空段软管的另一端经抽气阀与夹套上所设的用于抽真空的开孔相连；所述放空阀分别接入上述真空段软管和增压段软管，用于控制试验系统的放空泄压；前述所有软管主要用于设备在作简谐振动时整个装置的连接管路的缓冲减振；所述换热模块包括通过工艺管路依次连接的制冷加热机、进液段软管、所述环境箱底盖上的进口通道、所述换热弯管、所述环境箱底盖上的出口通道和出液段软管，用于将制冷加热机产生的换热介质传输到环境箱内部进行换热，实现所需的高温/低温试验环境；所述工控机用于控制增压器、真空泵、激振器和制冷加热机等设备的运行以及所有阀门的开启；工控机与压力传感器、加速度传感器、真空度传感器、温度传感器、载荷传感器均通过信号连接，进行信号采集。