超低溫擺錘沖擊試樣低溫儀的研發(fā)與應用

劉 琳 趙 猛 劉建宇 謝世軍

（1.濟南聯(lián)工測試技術有限公司，濟南250000；2.山東中車同力達智能機械有限公司，濟南 250000）

1 研究項目的立項

在機械行業(yè)中，各種機械設備中90%的材料都是由金屬制造的，由于金屬的選材不當或使用不當會造成材料的過早失效，嚴重的可能會發(fā)生重大事故。作為機械行業(yè)中質量控制的一個關鍵環(huán)節(jié)，產品使用前對原材料、半成品或成品的檢測過程就顯得越來越重要。隨著我國經濟的不斷發(fā)展，我國開始越來越重視對材料的要求及試驗數據統(tǒng)計。

在日常測試技術的應用中，普遍采用擺錘沖擊試樣的方法獲得試驗數據。沖擊試驗是20世紀初夏比（G.Charpy）提出的，獲得廣泛使用。在工程上主要用它評定冶金質量和加工工藝質量，以及測定韌性-脆性轉變溫度。如試樣上預制疲勞裂紋，用示波圖或其他方法求出載荷-時間曲線和載荷-位移曲線，還可測得動態(tài)開裂發(fā)生的斷裂韌度KId和已擴展裂紋停止擴展的斷裂韌度KIA等（見金屬的強化）。沖擊試驗一般是確定軍用、民用設備在經受外力沖撞或作用時產品的安全性、可靠性和有效性的一種試驗方法。試樣的溫度是一個關鍵因素，按溫度來分，沖擊試驗分為：常溫沖擊試驗，在常溫下進行試驗，一般在23±5℃的范圍內。低溫沖擊試驗：在低溫介質下保存一定時間，使溫度達到要求后快速取出完成沖擊試驗。

（1） 使用介質可為冰水混合物（0℃）。

（2）其他溫度可用低溫槽，根據不同的溫度，可選用酒精或液氮進行試樣的保溫。

對于國標GB/T229-2007《金屬材料夏比擺錘沖擊試驗方法》中對試驗溫度的要求，需用到液氮降溫以達到所需溫度。由于液氮溫度很低，蒸發(fā)溫度為-196℃，對其有效的控溫并保溫在國標要求范圍內是一較大難題。濟南聯(lián)工測試技術有限公司研發(fā)的超低溫擺錘沖擊試樣低溫儀完美解決了這一技術難題。

該項目的研制成功必將會對我國材料在低溫下的試樣做出巨大貢獻。為我國核工業(yè)、航空航天的發(fā)展及各大院?？蒲袉挝辉囼灥臏蚀_及科學性提供重要保證，同時可以為公司帶來可觀的經濟效益。

2 國內外沖擊試驗低溫儀現(xiàn)狀

超低溫擺錘沖擊試樣低溫儀可為各高校、檢測機構、金屬材料試驗室提供溫度精度高、穩(wěn)定性好、溫度更低的試驗檢測設備，保證了試驗結果的準確性。目前，市場已出現(xiàn)液氮制冷的沖擊試驗低溫儀，例如美特斯工業(yè)系統(tǒng)生產的沖擊試驗低溫儀，可以用于沖擊試樣的降溫，但其制冷控制溫度只可到-180℃，且不能保證取樣時對其他試樣的溫度影響，會在一定程度上影響試驗結果的準確性。國內亦有其他公司生產同類低溫儀，可實現(xiàn)試樣的冷凍，但其制冷效果、溫度的準確性、穩(wěn)定性、均勻性、可智能操作性及節(jié)能性均存在一定程度上的缺陷。

3 研究項目的總體設計方案

設備構成：由自增壓液氮罐、金屬連接軟管、風循環(huán)系統(tǒng)、氣泵、送樣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和通訊系統(tǒng)等組成；可通過RS485串口連接電腦，實現(xiàn)遠程觀察、設定、控制設備溫度；采用自增壓式液氮罐，方便觀察調節(jié)液氮系統(tǒng)壓力，無需氣源、電源等即可實現(xiàn)輸出液氮，安全可靠；耐低溫金屬軟管，可在超低溫的情況下保證有一定的柔軟性，保證使用的安全性；智能儀表，PID控制模式，智能控制進入箱內的液氮量，達到精確控溫的目的；特制傳感器，在大范圍溫度內有較小偏差，在溫度迅速變化的情況下準確反映箱內溫度；獨特的節(jié)流裝置，可使液氮溫度進一步降低，最低可達到-200℃；強制對流風循環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可使箱內溫度均勻，保證各個點的溫度一致；可在不打開箱蓋的情況下添加試樣，點動按鈕即可送入冷凍箱內；獨立出樣，一次送出一個試樣，其他試樣仍在箱內，避免了取樣時對其他試樣溫度的影響；設有溫度緩沖室，其內溫度和冷凍箱基本一致，將冷凍好的試樣送該室，然后取出沖擊，減少外界溫度對試樣的影響；設有試樣鉗預冷口，在夾取試樣前對試樣鉗進行冷卻，避免試樣鉗對試樣溫度的影響；點動按鈕即可實現(xiàn)送樣和出樣；在沒有氣源的情況下亦可用手推動導桿，實現(xiàn)送樣和出樣。

超低溫擺錘沖擊試樣低溫儀是濟南聯(lián)工測試技術有限公司自行研制的高檔次、高水準的超低溫下獲取試樣的新產品，屬國內首創(chuàng)，填補同行業(yè)空白，達到儀器標準的水平。該產品的開發(fā)對提高公司的技術水平、設備檔次、經濟效益都具有積極的作用，通過樣機試制可以看出該產品研制是成功的，達到了預期的技術、經濟指標。

4 市場應用或產業(yè)化前景

近幾年，我國對核工業(yè)、航空航天、高速鐵路的大力發(fā)展，更加提高了對特殊材料在惡劣環(huán)境下的各項的性能及數據采集分析的要求。項目產品的市場需求量將會不斷增加，預計三年內可實現(xiàn)新增產值2000萬元，利稅600萬元。項目的開發(fā)充分考慮到職業(yè)健康安全環(huán)境等危害因素，最大限度地實現(xiàn)了自動化進出料的方式，減少了工人的勞動強度，同時，該產品無污染排放。

該項目所涉及試驗裝備領域，通過項目實施，加強企校合作，引進消化吸收等方式，攻克技術難關；另一方面，不斷進行技術再創(chuàng)新，培養(yǎng)一批具有自主創(chuàng)新能力的專業(yè)人才，不斷強化成果轉化，使得創(chuàng)新為工業(yè)生產創(chuàng)造更多財富。目前，該產品屬國內首創(chuàng)，可促進中國試驗機行業(yè)的發(fā)展，具有良好的社會效益，該項目的研制成功標志著公司的產品檔次在試驗機行業(yè)提升了更高層次，具有良好的社會效益，本項目的成果推廣應用，將帶動同行業(yè)的技術進步和發(fā)展。