高溫動態(tài)應變測量技術研究

趙遠征，白 爽，楊秀光，孫新蕾，于 明

(中機試驗裝備股份有限公司，吉林 長春 130103)

1 引 言

當前，新材料的發(fā)展日新月異，復合材料、纖維增強材料、陶瓷復合材料和金屬復合材料等廣泛用于軌道交通、能源、電力、航天航空等國家支柱產業(yè)。對于新材料的研究，完善的材料力學性能試驗系統是至關重要的一個環(huán)節(jié)。隨著航天航空、核能等領域的快速發(fā)展，對于服役于高溫與超高溫極端環(huán)境的結構材料提出了更高的要求[1]，系統地評價材料在高溫下的力學性能、辨識材料失效破壞的主要因素，其意義重大。

高溫動態(tài)應變測量技術是高溫與超高溫服役工況下高端材料力學性能測試系統的關鍵核心技術之一[2]。目前，國內試驗測試領域配置的高溫應變測量引伸計以進口的為主，這嚴重制約了關鍵材料的研發(fā)制造工藝改進和質量嚴控。因此，開展高溫動態(tài)應變測量技術的研究，開發(fā)高溫環(huán)境下材料力學性能測試裝備的關鍵核心測量部件——高溫動態(tài)引伸計，用于最高1800℃條件下材料拉伸、壓縮和過零點疲勞測試，代替進口，解決高溫與超高溫服役工況下高端力學測試系統長期依賴進口的“卡脖子”問題，是面向國家重大戰(zhàn)略需求的迫切需要。

2 高溫動態(tài)應變測量技術

2.1 基于電阻應變測量原理

金屬電阻絲的電阻R與長度L成正比，與其截面積S成反比。若金屬電阻絲的電阻率為ρ，可用公式表示為：

(1)

當金屬電阻絲受到拉力F作用時，由于電阻應變效應，引起金屬絲電阻的改變。對式(1)做全微分，有：

(2)

用式(2)除以式(1)，得：

(3)

若電阻絲是圓形的，則S=πr2(r為電阻絲截面半徑)，金屬絲材料的泊松系數為μ，金屬絲的軸向應變?yōu)棣舩，經推導變換，可得電阻應變表達式為：

(4)

(5)

式(5)中的KS是金屬絲的靈敏度系數，為單位應變所引起的電阻相對變化。

2.2 測量電橋的工作原理

直流電橋的基本形式如圖1所示。R1、R2、R3和R4為電橋的4個橋臂，RL為其負載。

圖1 直流電橋

當RL→∞時，電橋的輸出電壓U0應為：

(6)

當電橋平衡時，U0=0，則有：

R1R4=R2R3

(7)

式(7)為電橋平衡條件[3]。應變片測量電橋在工作之前，應使電橋平衡。

電橋中的4個橋臂均接入應變片，如圖2所示。工作時R1→R1+ΔR1，R2→R2-ΔR2，R3→R3-ΔR3，R4→R4+ΔR4，R1、R4臂受拉應變時，R2、R3臂則受壓應變。圖2中R1=R2=R3=R4=R,ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR，根據式(6)可得：

(8)

圖2 全橋差動電路

電橋的輸出電壓U0與ΔR/R呈線性關系，且輸出電壓為單臂電橋的4倍，全橋差動電路工作還能起到溫度補償的作用。

2.3 高溫動態(tài)引伸計研制

高溫動態(tài)引伸計是在高溫環(huán)境工況下測量構件或其他物體兩點之間線變形的一種試驗儀器。普通引伸計的頂桿無法承受較高的溫度，同時，在高溫環(huán)境下引伸計的測量元件易受到溫度影響，產生較大的測量誤差。

現在高溫工況測量材料變形的方式主要有兩種，一種是通過耐高溫繩將引伸計綁在試樣上，另一種是導軌引伸計。這兩種方式引伸計都是在高溫爐外面，試樣的變形通過高溫爐的開口由耐高溫的頂桿傳到引伸計進行測量。第一種方式的缺點是安裝不方便，且高溫繩在高溫環(huán)境下存在緩慢拉伸變長、斷裂情況，導致測量打滑，長時試驗存在誤差風險，更換頻繁。第二種方式的缺點是，受結構限制，導軌引伸計隨樣機變形的適應性不高，導致動態(tài)測量性能不佳，所以常用于高溫靜態(tài)拉伸、壓縮測試。

本文研制了一種高溫動態(tài)引伸計(如圖3所示)，基于電阻應變式測量和溫度補償技術，可以實現高溫環(huán)境下的材料變形高精度測量，且適用于動態(tài)疲勞測試領域，包括多自由度支架、柔性夾持裝置、引伸計、多級過濾風冷裝置等。

多級過濾風冷裝置安裝在柔性夾持裝置上，為引伸計提供柔和的冷卻風，既可消除引伸計測量單元受高溫輻射及熱傳遞的影響，又保證了吹風產生的風力不影響引伸計的測量。柔性夾持裝置安裝在多自由度支架上，可以有效抵消引伸計自重對測量精度的影響，可以抵消制造安裝過程中產生的誤差，如標距誤差、安裝的水平和垂直誤差等。柔性夾持裝置的結構設計可以有效地消除不利影響，保證引伸計的高精度動態(tài)測量。

1.多自由度支架 2.柔性夾持裝置 3.引伸計4.多級過濾風冷裝置 5.試樣6.高溫環(huán)境設備 7.試驗設備鋁型材圖3 高溫動態(tài)引伸計示意圖

多自由度支架安裝在試驗設備鋁型材上，可以實現XYZ三個自由度的移動和RZ轉動，方便高溫引伸計與試樣的相對位置及夾持力的調節(jié)，操作便捷可靠，可以繞定位螺栓軸線旋轉。試驗設備裝夾試樣時，與高溫動態(tài)引伸計不干涉，給操作人員留有足夠的操作空間，也避免了多次試驗需要拆卸引伸計并再次調整對測量精度的影響。

引伸計通過兩個耐高溫頂桿接觸試樣，結構設計上通過合理布局空隙減少熱傳遞，并增加散熱效果。引伸計的測量單元采用高溫測量模塊，電路設計上具備溫度補償功能，測量單元與高溫爐之間設計有兩級隔熱保護，有效阻擋了高溫輻射對測量單元的影響，引伸計溫度適應性更高，提高了高溫環(huán)境下的測量精度。引伸計結構小巧，重量輕，合理的中心分布，配合錐形頂桿的柔性夾持裝置提供的夾持力接觸高溫環(huán)境設備中的試樣，實現高精度變形的動態(tài)測量。

3 試驗結果與分析

研制完成后，對高溫動態(tài)引伸計樣機分別進行了靜態(tài)測試和動態(tài)測試，按JJG 762-2007引伸計檢定規(guī)程[4]，高溫動態(tài)引伸計精度等級可以達到0.2級。在中機試驗裝備股份有限公司生產的電液伺服試驗設備上進行基于高溫鎳鉻合金材料高溫低周疲勞試驗測試，曲線光滑無毛刺，動態(tài)性能優(yōu)良，如圖4所示。

圖4 試驗現場及試驗曲線

4 結 語

本文研制了一種高溫動態(tài)引伸計，基于電阻應變式測量原理和溫度補償技術，結合特殊的結構設計，包括多自由度支架、柔性夾持裝置、引伸計、多級過濾風冷裝置等。經過樣機測試，可以實現高溫環(huán)境下的材料變形高精度測量，適用于動態(tài)疲勞測試領域。該高溫動態(tài)引伸計具有結構精巧、操作便捷的特點，能夠保證引伸計在高溫條件下的正常使用，并具有較高的動態(tài)測量精度。