RU242597U1 - Устройство для испытаний на растяжение металлических образцов при их индукционном нагреве - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для испытаний на растяжение металлических образцов при их индукционном нагреве, к области исследования прочностных свойств материалов, в частности стальных образцов, при высоких температурах в условиях индукционного нагрева. Устройство для испытаний на растяжение металлических образцов при их индукционном нагреве содержит верхний и нижний держатели для установки в них металлического образца, один из которых выполнен с тягой, ВЧ-индуктор с генератором и индукционную нагревательную спираль из токопроводящего материала, витки которой установлены вокруг металлического образца с возможностью его нагрева, при этом рабочая часть ВЧ-индуктора соответствует высоте металлического образца, при этом содержит в качестве нагревательной спирали металлическую трубку из гибкого металла, выполненную с возможностью ее водяного охлаждения при помощи подачи в данную металлическую трубку воды после нагрева металлического образца и проведения над ним испытаний. 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Полезная модель относится к области исследования прочностных свойств материалов, в частности стальных образцов, при высоких температурах в условиях индукционного нагрева.

Для определения механических свойств и характеристик материалов на стойкость к нагреву необходимо проводить испытания образцов из металлов и сплавов при повышенных температурах, до 500-1500°С, на разрывных испытательных машинах с помощью нагревательного устройства. При этом нагревательное устройство должно обеспечивать равномерный нагрев образца по его рабочей поверхности до заданной температуры испытания и поддержание этой температуры на протяжении всего испытания. Кроме того, для повышения работы данных устройств, необходимо также обеспечивать интенсивное охлаждение нагревательной спирали после проведения каждого испытания.

В качестве нагревательного устройства обычно используется распашной короб, состоящий из комплекта термопар, электрических греющих элементов, теплоизоляционных материалов и приспособления для установки на испытательную машину.

Известна «Установка для механических и теплофизических испытаний образца из токопроводящего материала при импульсном нагреве» по патенту РФ №2515351, содержащая рабочую вакуумную камеру с токоподводами, цанговыми зажимами для крепления образца, регистрирующую аппаратуру, нагружающий элемент, динамометр, при этом регистрирующая аппаратура состоит из термопар, приваренных непосредственно на рабочей части образца, датчика перемещений индуктивного коаксиального, закрепленного на средней части образца, и динамометра, а нагружающий элемент выполнен в виде тонкостенной трубы, в которой размещена тяга, жестко соединенная через цанговый зажим с образцом, другой конец образца также через цанговый зажим соединен с динамометром, установленным шарнирно на имеющейся раме, при этом токоподводы установлены с возможностью нагрева образца и нагружающего элемента, а регистрирующая аппаратура связана с контрольно-измерительной аппаратурой, которая, в свою очередь, связана с ПЭВМ.

Недостатком данной установки является ее низкая надежность, связанная с ее сложной конструкцией, а также высокая себестоимость ее изготовления.

Известна также заявка Японии №2000241325, в которой приводится описание «Устройства для испытания на прочность при высоких температурах», приблизительно 1500°C, в котором используют индукционную нагревательную катушку для создания линии магнитной силы в образце, удерживаемом опорой для образца, изготовленной из недиэлектрического материала.

Данное устройство для высокотемпературных испытаний на прочность состоит из опоры образца, изготовленной из недиэлектрического материала, индукционной нагревательной катушки для создания линии магнитной силы в направлении толщины пластины образца, удерживаемого опорой, и средства приложения нагрузки для приложения нагрузки к образцу, когда он помещается внутри индукционной нагревательной катушки и опорой для подачи переменного тока на индукционную нагревательную катушку, что обеспечивает высокочастотный индукционный нагрев образца.

Недостатком данного «устройства для испытания на прочность при высоких температурах», является невозможность оперативного охлаждения индукционной нагревательной катушки, что не обеспечивает необходимой надежности функционирования данного устройства.

Наиболее близким по своей технической сущности и достигаемому результату является «Высокотемпературная установка для испытания механических свойств токопроводящих материалов» по патенту РФ №2622492, выбранная в качестве прототипа, которая содержит высокочастотный (далее - ВЧ) индуктор, охватывающий своей обмоткой испытуемый образец, и жесткие верхний и нижний захваты, удерживающие его, а также контролирующую и регистрирующую аппаратуру, при этом установка снабжена вакуумной водоохлаждаемой камерой, по центру которой расположен вышеупомянутый ВЧ-индуктор, окруженный разъемным тепловым экраном и здесь же, по центру, находятся два захвата, удерживающие образец, рабочая часть которого соответствует высоте ВЧ-индуктора.

В данной установке предусмотрено охлаждение обмотки ВЧ-индуктора, но для этого данную установку размещают в вакуумной водоохлаждаемой камере, по центру которой расположен вышеупомянутый ВЧ-индуктор с обмоткой, окруженный разъемным тепловым экраном. Однако данное устройство является достаточно сложным в исполнении и поддержании его функционирования, что приводит к его низкой надежности и высокой себестоимости его изготовления.

Задачей данной полезной модели является повышение её надежности за счет упрощения её конструкции и обеспечения эффективного охлаждения индукционной нагревательной спирали ВЧ-индуктора, при одновременном обеспечении снижения ее себестоимости, за счет использования в качестве нагревательной спирали ВЧ-индуктора металлической трубки из гибкого металла, выполненной с возможностью ее водяного охлаждения при помощи подачи в данную металлическую трубку воды, после нагрева металлического образца до высокой температуры и проведения над ним испытаний.

Техническим результатом данной полезной модели является повышение ее надежности за счет упрощения ее конструкции при одновременном обеспечении снижения ее себестоимости.

Поставленный технический результат достигается за счет того, что устройство для испытаний на растяжение металлических образцов при их индукционном нагреве содержит верхний и нижний держатели для установки в них металлического образца, один из которых содержит тягу, ВЧ-индуктор с генератором и индукционную нагревательную спираль из токопроводящего материала, витки которой установлены вокруг металлического образца с возможностью его нагрева, при этом рабочая часть ВЧ-индуктора соответствует высоте металлического образца, при этом устройство содержит в качестве нагревательной спирали металлическую трубку из гибкого металла, выполненную с возможностью ее водяного охлаждения при помощи подачи в данную металлическую трубку воды после нагрева металлического образца и проведения над ним испытаний.

Предпочтительно, чтобы в устройстве для испытаний на растяжение металлических образцов металлическая трубка нагревательной спирали была выполнена из меди.

Целесообразно, чтобы в устройстве для испытаний на растяжение металлических образцов диаметр и длину спиралевидной части нагревательной спирали из трубки определяли в зависимости от диаметра и длины металлического образца, изготовленного по ГОСТ 9651.

Предпочтительно, чтобы устройство для испытаний на растяжение металлических образцов содержало датчик температуры нагрева металлического образца для контроля и поддержания его температуры в заданных параметрах.

Желательно, чтобы в устройстве для испытаний на растяжение металлических образцов держатели металлического образца имели габариты, не превышающие внутренний размер ВЧ-индуктора.

Для более подробного раскрытия полезной модели далее приводится описание конкретных возможных вариантов ее выполнения с соответствующими чертежами.

Фиг. 1 - схематичное изображение устройства для испытаний на растяжение металлического образца.

Фиг. 2 - изображение нагревательной спирали, установленной вокруг металлического образца.

Фиг. 3 - изображение испытуемого металлического образца.

Фиг. 4 - таблица зависимости габаритов нагревательной спирали ВЧ-индуктора от габаритов испытуемого металлического образца.

Устройство 1 для испытаний на растяжение металлических образцов при их индукционном нагреве, в предпочтительном варианте его изготовления, содержит верхний 2 и нижний 3 держатели для установки в них испытуемого металлического образца 4, при этом, один из держателей 2, 3 выполнен с тягой для испытания на растяжение. Также устройство 1 содержит ВЧ-индуктор с генератором 5 и индукционную нагревательную спираль 6 (фиг. 1-2) из токопроводящего материала. При этом металлический образец 4 размещен внутри индукционной нагревательной спирали 6, витки которой установлены вокруг металлического образца 4 с возможностью его нагрева до температуры 500-1500°С, при этом рабочая часть ВЧ-индуктора, предпочтительно, соответствует длине металлического образца 4. Устройство 1 размещается на основании 7. При этом устройство 1 содержит в качестве нагревательной спирали 6 металлическую трубку 8 из гибкого металла, предпочтительно из меди, выполненную с возможностью ее водяного внутреннего охлаждения при помощи подачи в данную металлическую трубку 8 воды после нагрева металлического образца 4 и проведения над ним испытаний (фиг. 2). Диаметр D и длину спиралевидной части L, нагревательной спирали 6 из трубки 8 определяют и выполняют в зависимости от диаметра d и длины l металлического образца 4. (фиг. 3), изготовленного по ГОСТ 9651 по Таблице, приведенной на фиг. 4.

Устройство содержит датчик температуры нагрева металлического образца 4 (на чертежах не показан) для контроля и поддержания его температуры. При этом в устройстве 1 для испытаний на растяжение металлических образцов 4 держатели металлического образца 2 и 3 имеют, предпочтительно, габариты, не превышающие внутренний размер ВЧ-индуктора.

Таким образом, в предлагаемом устройстве 1 для нагрева металлических образцов 4 для проведения испытаний на растяжение при высоких температурах, нагревательная спираль 6 выполнена в виде полой трубки, которая имеет водяное охлаждение, что обеспечивает утилизацию тепла, так как вода имеет высокую теплоёмкость, что обеспечивает безопасность в случае прожога или иной разгерметизации индуктора при нагреве металлического изделия, а также значительно повышает надежность функционирования данного устройства 1.

Предлагаемое устройство 1 работает следующим образом.

На основание 7 устройства 1 устанавливается индукционный ВЧ-нагреватель в виде ВЧ-индуктора с генератором 5 и индукционной нагревательной спиралью 6, представляющей собой один или несколько витков, при этом ВЧ-индуктор является первичной обмоткой, а металлический образец 4 является вторичной обмоткой, замкнутой накоротко. Магнитный поток между обмотками замыкается по воздуху. На высокой частоте вихревые токи вытесняются образованным ими же магнитным полем в тонкие поверхностные слои, в результате чего их плотность резко возрастает, и металлический образец 4 разогревается. При этом измеряют температуру металлического образца 4 датчиком температуры, сравнивают ее с заданной величиной и в соответствии с этим поддерживают температуру в заданных параметрах изменением скорости подачи потока через нагревательную спираль 6 ВЧ-индуктора и временем нагрева металлического образца 4.

Металлический образец 4 устанавливается в верхний 2 и нижний 3 держатели устройства 1 и помещается в нагревательную спираль 6 ВЧ-индуктора, в которой с помощью специального генератора 5 наводятся мощные токи высокой частоты. В результате чего вокруг нагревательной спирали 6 ВЧ-индуктора возникает электромагнитное поле, которое наводит в металлическом образце 4 вихревые токи, которые разогревают металлический образец 4.

При этом на генераторе 5 выбирают и устанавливают необходимую температуру для испытания и время скорости нагрева.

После нагрева металлического образца 4 до необходимой температуры проводят его испытания. Обычно испытания проводят в течение 10-15 минут, после чего производят охлаждение нагревательной спирали 6 за счет пропускания по ней воды. Процесс испытания окончен.

Таким образом, в данном устройстве удалось обеспечить надежное его функционирование за счет обеспечения эффективного и быстрого охлаждения нагревательной спирали 6 ВЧ-индуктора при одновременном упрощении конструкции данного устройства 1, что также удалось обеспечить снижение себестоимости изготовления устройства 1.

Как очевидно специалистам в данной области техники, данную полезную модель легко разработать в других конкретных формах, не выходя при этом за рамки сущности данной полезной модели.

При этом настоящие варианты осуществления необходимо считать просто иллюстративными, а не ограничивающими, причем объем полезной модели представлен ее формулой, и предполагается, что в нее включены все возможные изменения и область эквивалентности пунктам формулы данной полезной модели.

Claims (5)

1. Устройство для испытаний на растяжение металлических образцов при их индукционном нагреве, содержащее верхний и нижний держатели для установки в них металлического образца, один из которых выполнен с тягой, ВЧ-индуктор с генератором и индукционную нагревательную спираль из токопроводящего материала, витки которой установлены вокруг металлического образца с возможностью его нагрева, при этом рабочая часть ВЧ-индуктора соответствует высоте металлического образца, отличающееся тем, что содержит в качестве нагревательной спирали металлическую трубку из гибкого металла, выполненную с возможностью ее водяного охлаждения при помощи подачи в данную металлическую трубку воды после нагрева металлического образца и проведения над ним испытаний.

2. Устройство для испытаний на растяжение металлических образцов по п. 1, отличающееся тем, что металлическая трубка нагревательной спирали выполнена из меди.

3. Устройство для испытаний на растяжение металлических образцов по п. 1, отличающееся тем, что диаметр и длину спиралевидной части нагревательной спирали из трубки определяют и выполняют в зависимости от диаметра и длины металлического образца, изготовленного по ГОСТ 9651.

4. Устройство для испытаний на растяжение металлических образцов по п. 1, отличающееся тем, что содержит датчик температуры нагрева металлического образца для контроля и поддержания его температуры в заданных параметрах.

5. Устройство для испытаний на растяжение металлических образцов по п. 1, отличающееся тем, что держатели металлического образца имеют габариты, не превышающие внутренний размер ВЧ-индуктора.