一种低温液氢环境材料疲劳性能测试系统

技术领域

本发明涉及力学性能测试平台技术领域，特别是涉及一种低温液氢环境材料疲劳性能测试系统。

背景技术

氢能被认为是极具发展前景的二次能源，可通过一次能源、二次能源及工业领域等多种途径获取，具有清洁低碳、高热值、高转化率等优势。氢能大储量、零污染、高效率的特点，将成为中国构建多元化能源体系关键一环。然而，当结构金属长期在氢环境工况中服役，将不可避免的出现氢脆现象，导致金属的力学性能下降，服役寿命降低等问题。这给氢能的运输与储存造成了巨大的安全隐患，严重制约了氢能的应用与普及。

为确保氢能设备的安全，可靠运行，有必要对金属材料在氢环境下的进行力学性能的测试与评估。目前已有多种氢环境下材料疲劳性能测试系统，涉及材料的断裂韧性，屈服强度，疲劳性能等，但这些系统多采用液氦作为冷媒，系统复杂，成本高。另一方面，氢环境下材料的力学性能测试系统在低温冷媒的浸泡下，金属管道与法兰的交接处容易热胀冷缩产生氢泄露，易造成试验事故。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种低温液氢环境材料疲劳性能测试系统，旨在解决现有技术中在测试低温液氢环境下材料疲劳性能的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种低温液氢环境材料疲劳性能测试系统，包括夹套罩，所述夹套罩内顶部设置有氢气感应器；所述夹套罩内设置有机架、液氢罐和液氮罐；所述机架上设置有加载机构和液氢承装机构，所述加载机构顶部与所述机架顶部相连接，所述加载机构底部伸入所述液氢承装机构内；所述液氢罐和所述液氮罐均与所述液氢承装机构相连通；所述液氢罐和所述液氮罐分别用于提供液氢和液氮；所述加载机构用于为样品提供拉力或压力。

可选的，所述机架包括底板、立柱、上台架和中台架；所述立柱底端与所述底板相连接，所述立柱顶部设置有所述上台架，所述中台架设置于所述立柱的中下部；所述加载机构与所述上台架相连接，所述液氢承装机构设置于所述中台架上。

可选的，所述加载机构包括动力组件和加载组件；所述样品设置于所述加载组件内；所述动力组件用于驱动所述加载组件；所述动力组件与所述机架相连接。

可选的，所述动力组件包括电机、减速机、轴承、支柱、轴承座、支撑筒、拉管、连接轴、丝母、紧固螺钉、滚珠丝杠和轴套；所述电机的输出轴与所述减速机的输入端相连接，所述减速机的输出端通过所述轴套与所述滚珠丝杠的顶部相连接；所述支柱设置于所述减速机外壳与所述机架顶部之间；所述丝母设置于所述滚珠丝杠上，所述丝母外部设置有限位套，所述限位套用于防止所述丝母转动但不限制所述丝母的上下移动，所述限位套与所述机架顶部之间通过紧固螺钉连接；所述限位套顶部设置有所述轴承座，所述轴承设置于所述轴承座内，所述轴承的内圈套在所述滚珠丝杠顶端上。

可选的，所述加载组件包括密封垫、反力架、万向垫、底座、消隙环、下夹头、样品、上夹头、动态密封结构和加载杆；所述加载杆顶端与所述动力组件相连接，所述加载杆底端伸入所述液氢承装机构后与所述上夹头相连接；所述加载杆中部与所述液氢承装机构之间设置有所述动态密封结构；所述液氢承装机构内顶部下方设置有所述反力架，所述反力架底部设置有一支撑板，所述下夹头底部贯通所述支撑板与所述底座相连接，所述底座与所述下夹头的底部之间设置有所述万向垫；所述下夹头的顶部与所述支撑板的上表面之间设置有所述消隙环；样品设置于所述上夹头和所述下夹头之间。

可选的，所述液氢承装机构包括盖板、液氢槽、保温槽和支腿；所述支腿设置于所述保温槽底部，所述液氢槽设置于所述保温槽内，所述液氢槽与所述液氢罐相连通；所述液氢槽外壁与所述保温槽内壁之间形成容纳空间，所述容纳空间与所述液氮罐相连通用于承装液氮；所述盖板设置于所述液氢槽顶部。

可选的，所述盖板底面与所述液氢槽顶面之间设置有密封垫。

可选的，还包括恒温器，所述盖板和所述液氢槽上位于所述密封垫周围设置均有冷却槽，所述恒温器与所述冷却槽相连通。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明中的低温液氢环境材料疲劳性能测试系统，液氢承装机构上位于密封垫周围设置冷却槽，冷却槽与恒温器相连通，通过恒温器保持密封垫周围的温度，以避免密封垫由于温度过低实效，从而避免氢泄漏。夹套罩用于在氢气发生泄漏时保证试验安全，氢气感应器用于监测氢气是否发生泄漏，若试验中发生泄漏可将夹套罩内气体排放至特定环境中。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明低温液氢环境材料疲劳性能测试系统的结构示意图；

图2为本发明低温液氢环境材料疲劳性能测试系统中动力组件的结构示意图；

图3为本发明低温液氢环境材料疲劳性能测试系统中加载组件和液氢承装机构的结构示意图；

图4为本发明低温液氢环境材料疲劳性能测试系统中加载组件的结构示意图；

图5为本发明低温液氢环境材料疲劳性能测试系统中液氢承装机构的结构示意图；

图6为本发明低温液氢环境材料疲劳性能测试系统中机架的结构示意图；

图7为本发明低温液氢环境材料疲劳性能测试系统中夹套罩的结构示意图。

附图标记说明：1、加载机构；2、液氢承装机构；3、液氢感应器；4、夹套罩；5、液氢罐；6、液氮罐；7、机架；8、恒温器；9、电机；10、减速机；11、轴承；12、支柱；13、轴承座；14、支撑筒；15、拉管；16、连接轴；17、丝母；18、紧固螺钉；19、滚珠丝杠；20、轴套；21、加载机构组件；23、盖板；24、密封垫；25、反力架；26、万向垫；27、底座；28、消隙环；29、下夹头；30、样品；31、上夹头；32、动态密封结构；33、加载杆；34、液氢槽；35、保温槽；36、液氮；37、支腿；38、上台架；39、立柱；40、底板；41、中台架；42、锁母。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1至7所示，本实施例提供一种低温液氢环境材料疲劳性能测试系统，包括夹套罩4，夹套罩4内顶部设置有氢气感应器；夹套罩4内设置有机架7、液氢罐5和液氮罐6；机架7上设置有加载机构1和液氢承装机构2，加载机构1顶部与机架7顶部相连接，加载机构1底部伸入液氢承装机构2内；液氢罐5和液氮罐6均与液氢承装机构2相连通；液氢罐5和液氮罐6分别用于提供液氢和液氮36；加载机构1用于为样品30提供拉力或压力。

由于氢气的密度较小，将氢气感应器固定在夹套罩4上方，这样能够敏感的检测出氢气的存在。

机架7用于在实验中提供支撑，机架7刚度应得到保证，确保测试过程中样品30的变形量应远小于机架7系统的变形，具体的，机架7包括底板40、立柱39、上台架38和中台架41；立柱39底端与底板40相连接，立柱39顶部设置有上台架38，中台架41设置于立柱39的中下部；加载机构1与上台架38相连接，液氢承装机构2设置于中台架41上。本实施例中，底板40为长方形板，底板40的中部以及一端共设置有四个立柱39，立柱39顶部一段直径较小，并设置一段螺纹，上台架38套设在该直径较小的部分并通过锁母42固定，中台架41位于立柱39的中下部，与立柱39焊接连接，中台架41作为液氢承装机构2的承载平台，上台架38作为加载机构1的安装平台，底板40除了支撑立柱39外，在底板40中部至另一端用于盛放恒温器8。

加载机构1用于提供液氢服役环境下材料承受的载荷，具体结构包括动力组件和加载组件21；样品30设置于加载组件21内；动力组件用于驱动加载组件21；动力组件与机架7相连接。动力组件包括电机9、减速机10、轴承11、支柱12、轴承座13、支撑筒14、拉管15、连接轴16、丝母17、紧固螺钉18、滚珠丝杠19和轴套20；电机9的输出轴与减速机10的输入端相连接，减速机10的输出端通过轴套20与滚珠丝杠19的顶部相连接；支柱12设置于减速机10外壳与机架7顶部之间；丝母17设置于滚珠丝杠19上，丝母17外部设置有限位套，限位套用于防止丝母17转动但不限制丝母17的上下移动，限位套与机架7顶部之间通过紧固螺钉18连接；限位套顶部设置有轴承座13，轴承11设置于轴承座13内，轴承11的内圈套在滚珠丝杠19顶端上。加载组件21包括密封垫24、反力架25、万向垫26、底座27、消隙环28、下夹头29、样品30、上夹头31、动态密封结构32和加载杆33；加载杆33顶端与动力组件相连接，加载杆33底端伸入液氢承装机构2后与上夹头31相连接；加载杆33中部与液氢承装机构2之间设置有动态密封结构32；液氢承装机构2内顶部下方设置有反力架25，反力架25底部设置有一支撑板，下夹头29底部贯通支撑板与底座27相连接，底座27与下夹头29的底部之间设置有万向垫26；下夹头29的顶部与支撑板的上表面之间设置有消隙环28；样品30设置于上夹头31和下夹头29之间。

电机9提供动力，通过减速机10带动滚珠丝杠19转动，丝母17沿滚珠丝杠19上下移动，丝母17带动拉管15上下运动，从而带动上夹头31上下运动，进而为样品30提供拉力或压力。

液氢承装机构2用于提供试验中所需的试验环境，液氢承装机构2包括盖板23、液氢槽34、保温槽35和支腿37；支腿37设置于保温槽35底部，液氢槽34设置于保温槽35内，液氢槽34与液氢罐5相连通；液氢槽34外壁与保温槽35内壁之间形成容纳空间，容纳空间与液氮罐6相连通用于承装液氮36；盖板23设置于液氢槽34顶部。盖板23底面与液氢槽34顶面之间设置有密封垫24。还包括恒温器8，盖板23和液氢槽34上位于密封垫24周围设置均有冷却槽，恒温器8与冷却槽相连通。

液氢槽34内盛放来自液氢罐5的液氢，使样品30在液氢环境中进行实验，保温槽35内的液氮36用于保持液氢的温度，使液氢保持低温，减少氢气泄漏；由于液氢和液氮36温度均比较低，在低温环境下密封垫24容易实效从而发生泄漏，通过在盖板23和液氢槽34上密封垫24附近开设冷却槽，利用恒温器8向冷却槽内通入恒温液体，使密封垫24保持在较高温度，从而保证密封效果，避免氢气泄漏。

即使氢气发生了泄漏，夹套罩4也能够防止氢气进入实验室或大气环境中，以防止爆炸或燃烧，并通过液氢感应器3监测氢气的浓度，必要的时候，可将夹套罩4内气体排放至特定环境中。

需要说明的是，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内，不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。