金屬熱疲勞試驗系統(tǒng)的研制

余承源，顧永剛，2，張 振，翟 超，2

(1.中國科學技術大學工程科學學院，安徽合肥 230027；2.中國科學技術大學工程與材料實驗中心，安徽合肥 230027)

0 引言

高溫場合的金屬零部件在使用一定的時間后會產(chǎn)生缺陷，并逐漸破損失效。 其主要原因是重復加熱和冷卻過程中循環(huán)往復的熱應力或熱應變對材料造成了破壞[1]，這種現(xiàn)象稱為熱疲勞。通常將材料在一定熱應力或熱應變下達到破損所需要的循環(huán)次數(shù)稱為熱疲勞強度。

隨著工業(yè)迅速發(fā)展，材料的安全可靠成為了影響許多工業(yè)系統(tǒng)的關鍵因素，金屬材料的熱疲勞性能在機械制造、航空、動力等領域得到越來越多的重視。美國的MTS公司在材料試驗機的基礎上開發(fā)了一套基于高頻感應加熱的熱機械疲勞測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)成熟穩(wěn)定，但價格貴。此外感應加熱適用于形狀規(guī)則的試樣，對于形狀不規(guī)則的試樣，溫度會因試樣的形狀而分布不均勻；施惠基等基于紅外線輻射加熱爐設計了一套熱機械疲勞測試系統(tǒng)，可進行250～650 ℃的材料熱機械疲勞試驗，但由于其是在INSTRON液壓伺服試驗機的基礎上設計搭建的，因此其適用場景受限；夏鵬成等[2]研制了一套基于電阻爐加熱的熱疲勞試驗機，該試驗機可進行高溫1 050 ℃的熱疲勞試驗，但電阻爐的加熱效率比較低，只適用于對加熱時間沒有嚴格限制的熱疲勞試驗；陳波[3]基于激光加熱設計了一套熱疲勞試驗裝置，可對試樣快速加熱，但裝置的試驗對象單一，只能進行柴油機活塞的熱疲勞試驗。因此，研制一種通用、結構簡單、成本低的熱疲勞測試系統(tǒng)對于我國的材料測試領域具有重要的意義。

本文研制了一套適用于金屬材料的熱疲勞試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)通過低壓大電流對試樣進行加熱，通過風冷對試樣進行冷卻，溫度控制效率高；同時，針對彎折試樣，系統(tǒng)采用了攝影測量的方法對試樣的變形進行計算，具備實時監(jiān)測試樣變形的能力。本系統(tǒng)結構簡單、成本低，且具有較高的可靠性，能為材料的熱疲勞試驗提供解決方案。

1 系統(tǒng)總體結構

熱疲勞試驗，是模擬材料實際工作的溫度環(huán)境，使材料溫度周期性地上升和下降，直到材料失效為止，同時，記錄試驗過程中材料各項性能指標的變化，為預測材料在相應溫度環(huán)境中的使用壽命提供依據(jù)。因此，本系統(tǒng)要能夠控制試樣的溫度，使其按照預期曲線周期性地變化，實現(xiàn)“加熱-保溫-冷卻”的熱循環(huán)；同時，系統(tǒng)要監(jiān)測并記錄試驗過程中試樣的相關性能指標。

為達到以上目的，熱疲勞試驗系統(tǒng)的總體結構圖如圖1所示，其主要由5個部分組成：加熱與冷卻模塊、測量模塊、攝影測量模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及控制軟件。

圖1 系統(tǒng)總體結構

2 系統(tǒng)硬件平臺的搭建

2.1 加熱與冷卻模塊

為保證熱循環(huán)過程中溫度控制的效率，同時降低試樣形狀對加熱效果的影響，系統(tǒng)采用了通電加熱的方法加熱試樣，即使用低壓大電流變壓器在金屬試樣兩端直接施加電壓，由于金屬試樣的電阻很小，根據(jù)歐姆定律，會有很大的電流通過試樣，使試樣溫度快速上升；同時，使用可控硅調壓器來調節(jié)變壓器的輸出，實現(xiàn)對加熱功率的連續(xù)控制。在熱循環(huán)的冷卻階段，系統(tǒng)使用風刀通過風冷的方式使試樣快速降溫，并使用電磁閥控制風刀的開關，從而實現(xiàn)對冷卻速率的精確控制。

2.2 測量模塊

系統(tǒng)的測量模塊由多種傳感設備組成，是系統(tǒng)獲取試樣狀態(tài)以及系統(tǒng)自身運行狀態(tài)的關鍵部分。

系統(tǒng)采用熱電偶測量試樣溫度，其具備測溫范圍大、測溫精度高、成本較低的優(yōu)點。但由于熱電偶所測溫度為測量端與參考端的相對溫度[4]，因此需要使用熱敏電阻測量熱電偶參考端的溫度，從而計算熱電偶測量端的溫度。圖2為熱電偶測溫原理圖。

圖2 熱電偶測溫原理

試樣的力學性能是反映試樣狀態(tài)的重要指標，為獲取熱循環(huán)過程中試樣力學性能的變化，系統(tǒng)采用壓力傳感器對試樣的力學性能進行實時測量。

由于熱疲勞試驗的時間周期長，且試驗的大部分時間都處于無人監(jiān)控的狀態(tài)，因此系統(tǒng)應具備監(jiān)測自身運行狀態(tài)的能力，從而保證系統(tǒng)的安全性。為此，使用電流傳感器監(jiān)測系統(tǒng)中功率設備的運行狀態(tài)，確保各功率設備的運行時間安全合理。

2.3 攝影測量模塊

系統(tǒng)采用攝影測量的方法對彎折試樣的變形進行測量。為保證測量的精度，采用400萬像素、分辨率為2 330像素×1 750像素的Basler工業(yè)相機進行圖像采集，相機配備濾波片，并使用藍光作為光源，避免了干擾光對圖像采集造成的影響，提高了成像質量，降低了后續(xù)圖像處理的難度[5]。同時，相機使用了遠心鏡頭，其具有分辨率高、失真度低、無透視誤差的優(yōu)點，確保了圖像采集的精度，為后續(xù)的變形計算奠定了良好的基礎。

2.4 數(shù)據(jù)采集模塊

為精確采集多種傳感器輸出的信號，同時完成對各硬件部分的控制。系統(tǒng)使用 NI PXIe-1062Q機箱,通過PXIe-6356 和 USB 6361 高精度數(shù)據(jù)采集卡進行多種傳感器的信號采集，并輸出控制信號，實現(xiàn)對系統(tǒng)硬件的控制。同時，系統(tǒng)使用PCIe-1430圖像卡采集工業(yè)相機獲取的圖像數(shù)據(jù)。

3 控制軟件

系統(tǒng)的控制軟件是在LabVIEW平臺上進行開發(fā)的。軟件由數(shù)據(jù)采集及顯示、試樣溫度控制、試樣變形計算、安全監(jiān)測以及數(shù)據(jù)存儲等部分組成，其基本流程如圖3所示，通過軟件可以直觀地將溫度、力等數(shù)據(jù)實時顯示出來，并實現(xiàn)系統(tǒng)的自動化控制。

圖3 軟件流程圖

3.1 試樣溫度控制

在熱疲勞試驗中，溫度的控制是試驗的關鍵，一方面要保證控溫精度，使其滿足相關標準的要求；另一方面，由于熱疲勞試驗周期長，試驗過程中材料性質的變化、外界環(huán)境的擾動都會給系統(tǒng)的溫度控制帶來干擾，因此，溫度控制方案應具有良好的魯棒性?，F(xiàn)階段，PID算法是工程上應用廣泛的溫度控制算法[6]。但當要求較強的魯棒性和較高的控制精度時，其缺陷也就顯現(xiàn)出來[7]。 因此，本系統(tǒng)沒采用PID算法，采用一種基于模糊控制的有限狀態(tài)機實現(xiàn)對溫度的控制，在具體實踐過程中，其表現(xiàn)出較高的精度和較強的魯棒性。

有限狀態(tài)機是一種根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)決定系統(tǒng)動作的數(shù)學模型。系統(tǒng)中，根據(jù)實際溫度T與目標溫度Tt的關系，將實際溫度分為2種狀態(tài)：低于目標溫度和不低于目標溫度；系統(tǒng)根據(jù)實際溫度的狀態(tài)做出響應動作，分別輸出高值yh和低值yl，以維持溫度的穩(wěn)定。實驗證明，一個周期內保溫段實際溫度的方差取決于狀態(tài)機的響應頻率，實際溫度的均值取決于輸出高值yh的大小。當找到合適的yh，且狀態(tài)機響應頻率足夠大時，能夠保證被控溫度具有較高的精度，狀態(tài)機模型如式(1)所示：

(1)

與此同時，為保證在較長時間跨度上溫度控制的魯棒性，考慮通過模糊控制的方式對系統(tǒng)的輸出進行自整定。模糊控制是一種基于模糊數(shù)學的控制方法，它無須對系統(tǒng)建立精確的數(shù)學模型，而是通過工程師對于系統(tǒng)的模糊描述來實現(xiàn)對系統(tǒng)的相對精確控制[8-9]。系統(tǒng)整體的控溫方案如圖4所示。

圖4 溫度控制方案

系統(tǒng)的控溫過程中，將上一個溫度循環(huán)中保溫段溫度的均值與目標值之間的偏差e作為模糊系統(tǒng)的輸入，通過數(shù)據(jù)庫與規(guī)則庫的處理，期望得到一個狀態(tài)機輸出值的修正量Δy，從而減小e。為此，采取以下措施：

(1)根據(jù)實驗經(jīng)驗將模糊輸入e的論域設為[-3,3],將模糊輸出的論域設為[-0.1,0.1]；(2)將模糊控制器的輸入與輸出分別劃分為{NB,NS,ZO,PS,PB}5個模糊子集，二者為一一對應關系；(3)選用三角形函數(shù)作為輸入輸出的隸屬度函數(shù)；(4)使用重心法將輸出的模糊量清晰化，得到模糊控制器的輸出Δy；式(2)為引入模糊控制后系統(tǒng)的輸出。

(2)

3.2 試樣變形計算

針對彎折試樣，為監(jiān)測試樣在試驗過程中的變形，需要對試樣的彎折角度進行實時計算。為計算試樣的彎折角度，首先應將試樣從背景中完整地分割出來，去除背景對后續(xù)處理的影響，由于所采集圖像的背景區(qū)域單一，因此可以采用閾值分割的方法對試樣輪廓進行提取[10]。閾值分割的關鍵是選取合適的閾值，目前常用的閾值計算方法包括自適應閾值法、迭代法和最大熵法，為保證計算的效率，采用3種方法在同一計算平臺上對采集的圖像進行多次計算，對比每種計算方法所需的平均時間，結果如表1所示。結果顯示迭代法閾值計算具有較高的效率，因此采用迭代法計算圖像分割的閾值，閾值分割效果如圖5(b)所示。

表1 不同方法計算時間對比 ms

由于熱循環(huán)過程中試樣表面狀態(tài)的變化以及試樣表面固有的缺陷，圖像中試樣的灰度分布通常是不均勻的，這會導致閾值分割的圖像存在孔洞，影響后續(xù)邊緣提取的效果，因此需要通過形態(tài)學重建的方法去除圖像中孔洞，圖5(c)為形態(tài)學重建后的圖像。

隨后選取ROI區(qū)域(圖5(d))，并利用Canny算子對試樣進行邊緣提取[11-12]，圖5(e)為邊緣提取結果;最后將提取的邊緣部分利用最小二乘法擬合成直線[13]，如式(3)所示。

(3)

式中：km、bm為擬合直線的斜率和截距；(xi,yi)為所提取直線邊緣上的點；nm為對應直線邊緣上點的個數(shù)。

根據(jù)試樣邊緣擬合直線的斜率可以計算出試樣彎折角的大小，計算方法如式(4)所示，圖6為角度計算的整個流程。

(a)原圖 (b)閾值分割 (c)形態(tài)學重建

(d)ROI提取 (e)邊緣提取

θ=arctank1-arctank2

(4)

式中：θ為彎折試樣的角度；k1、k2為直線擬合得到的2條邊線的斜率。

圖6 角度計算流程

為檢驗系統(tǒng)對試樣角度的測量精度，使用系統(tǒng)測量精度為±10″的標準角度塊規(guī)，測量結果如表2所示，結果顯示系統(tǒng)對角度的測量誤差不超過0.02°。因此系統(tǒng)能夠準確測量試樣的角度及其變形。

表2 角度真實值與測量值對比 (°)

4 系統(tǒng)性能評估

為測試系統(tǒng)的性能，使用系統(tǒng)對某系列不銹鋼的彎折試樣進行熱疲勞試驗；對系統(tǒng)在試驗過程中的各項指標進行統(tǒng)計，試驗現(xiàn)場如圖7所示。試驗具體要求如下：

(1)溫度循環(huán)的每個周期包括“加熱-保溫-冷卻”3個階段；(2) 保溫溫度為850 ℃，冷卻最低溫度100 ℃。

圖7 系統(tǒng)實物圖

圖8、圖9為試驗過程中的溫度曲線，僅從曲線來看，系統(tǒng)在加熱段和保溫段的溫度控制效果良好；在冷卻段，由于冷卻速率要求過高以及系統(tǒng)冷卻能力有限，如果按照恒定速率進行冷卻，試樣很難在規(guī)定時間降到指定溫度，因此系統(tǒng)通過調整冷卻段的冷卻速率使整個冷卻段的平均冷卻速率得以提升，這種方法雖然使冷卻段的實際溫度曲線與目標溫度曲線有偏差，但總體的冷卻速率和冷卻效果卻滿足試驗要求。當冷卻段對冷卻速率的要求不高時，系統(tǒng)可以以恒定的速度進行冷卻，此時，冷卻階段實際溫度與目標溫度的曲線就可以達到高度的重合。

圖8 第1循環(huán)溫度曲線

圖9 第2 000循環(huán)溫度曲線

測試過程系統(tǒng)共經(jīng)歷了2 000個熱循環(huán)，在此過程中，統(tǒng)計了每個循環(huán)保溫段實際溫度的最大相對誤差，如圖10所示。從圖10可知，系統(tǒng)在保溫段溫度的最大相對誤差不超過0.5%，滿足相關標準對熱疲勞試驗溫度的要求[14]。此外，對比圖8與圖9，與第1循環(huán)時的溫度曲線相比，系統(tǒng)在第2 000循環(huán)時的溫度曲線并未產(chǎn)生明顯的變化，溫度控制效果依舊良好，因此可以認為系統(tǒng)具有較強的魯棒性。

圖10 每周期保溫段溫度的最大相對誤差

5 結束語

本文研制了一套結構簡單、成本低、可靠性高的金屬熱疲勞試驗系統(tǒng)，系統(tǒng)采用直接通電的方式加熱試樣，采用基于模糊控制的狀態(tài)機進行溫度控制，通過迭代法閾值分割、Canny算子邊緣提取、最小二乘法直線擬合計算試樣角度，并基于LabVIEW平臺開發(fā)了一套控制軟件。在測試與實際使用中，系統(tǒng)表現(xiàn)出較高的可靠性和較強的魯棒性，能夠準確控制溫度和監(jiān)測試樣變形，并且能夠在較長的時間跨度上穩(wěn)定工作，具有較高的工程實用價值。