本發(fā)明屬于制冷箱體的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種寬溫域低溫環(huán)境試驗箱。

背景技術(shù)：

微動疲勞是指結(jié)構(gòu)件在外界疲勞負載作用下，兩個接觸表面之間發(fā)生微米級的相對運動，從而促使疲勞裂紋于早期萌生且加速其擴展，導(dǎo)致構(gòu)件過早失效的現(xiàn)象。此現(xiàn)象廣泛地存在于機械、鐵路、汽車、船舶、航空航天、橋梁工程等領(lǐng)域工程構(gòu)件中，微動疲勞致使零部件的服役壽命明顯降低，研究表明，微動疲勞致使構(gòu)件的疲勞壽命降低20％～80％，甚至更低。因此，非常有必要對彎曲微動疲勞進行系統(tǒng)的研究，從而揭示彎曲微動疲勞的失效機理。

而現(xiàn)有對彎曲微動疲勞的研究主要是在室溫的環(huán)境下，于電液伺服疲勞機上進行的，而對于高速列車實際運行于各種復(fù)雜環(huán)境，因此，有必要對其環(huán)境溫度進行控制研究。

目前，常用穩(wěn)定制冷方式有三種，分別為機械制冷、液氮制冷和冰鹽浴制冷。三種方法各有優(yōu)缺點，機械制冷對箱內(nèi)環(huán)境溫度具有較高的調(diào)控能力，能準確控制溫度并維持，缺點是體積大、噪音大、設(shè)備成本及維護費用高，降溫速率慢；液氮制冷具有很好的降溫性能，制冷低溫最低可達-150℃(采用液氮浸浴可達-180℃)，降溫速率可達60℃/min以上，其缺點是存在安全隱患，對操作人員要求較高；冰鹽浴制冷方法簡單，易操作，溫度能根據(jù)不同混合成分自動穩(wěn)定在一定范圍，但獲得的溫度較低，難以達到深冷狀態(tài)，試樣需要浸泡在冰鹽混合溶液中。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種寬溫域低溫環(huán)境試驗箱，以解決現(xiàn)有構(gòu)件對彎曲微動疲勞僅在室溫環(huán)境下進行研究和現(xiàn)有穩(wěn)定制冷不能同時實現(xiàn)對溫度的精確調(diào)控、降溫速率快和維護成本低的問題。

為達到上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是：

提供一種寬溫域低溫環(huán)境試驗箱，包括環(huán)境箱體和用于調(diào)節(jié)環(huán)境箱體內(nèi)部溫度的溫度控制器；

環(huán)境箱體內(nèi)設(shè)有用于固定彎曲疲勞夾具的螺柱；彎曲疲勞夾具上方設(shè)有調(diào)節(jié)箱內(nèi)溫度的液氮噴頭和兩個位于彎曲疲勞夾具上方不同高度的溫度傳感器；環(huán)境箱體頂部殼體上設(shè)有與空氣熱交換的風(fēng)扇和用于疲勞加載桿伸入加載試樣的疲勞試驗機插孔；環(huán)境箱體殼體包括內(nèi)層、外層和保溫夾層，保溫夾層內(nèi)均勻填充有低溫絕熱材料；

溫度控制器選用核心算法為PID的溫度控制器；風(fēng)扇、溫度傳感器和液氮噴頭均與溫度控制器電氣連接；溫度傳感器和液氮噴頭之間的管路上設(shè)有控制液氮流量輸出的電磁閥。

優(yōu)選地，保溫夾層的厚度為：

其中，∝₁為不銹鋼的厚度，∝₂為保溫夾層厚度，Ti為聚氨酯內(nèi)側(cè)溫度，Ta為環(huán)境溫度，[Q]為傳熱量，h₁為保溫夾層內(nèi)側(cè)對流換熱系數(shù)，h₂為保溫夾層外側(cè)的對流換熱系數(shù)，λ1為不銹鋼傳熱系數(shù)，λ2為聚氨酯泡沫的傳熱系數(shù)。

優(yōu)選地，環(huán)境箱體箱門上設(shè)有觀測視窗，觀測視窗采用其內(nèi)為真空或充入有干燥氣體的雙層結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，液氮噴頭外接液氮儲存罐，液氮噴頭和液氮儲存罐間的管路上設(shè)有壓力表。

優(yōu)選地，環(huán)境箱體殼體內(nèi)層和外層的材質(zhì)均為304不銹鋼，保溫夾層內(nèi)低溫絕熱材料為聚氨酯泡沫塑料。

優(yōu)選地，溫度傳感器為PT100溫度傳感器。

本發(fā)明提供的寬溫域低溫環(huán)境試驗箱，具有以下有益效果：

通過液氮噴頭向環(huán)境箱體內(nèi)部輸送液氮，降低環(huán)境箱體內(nèi)部的溫度，且環(huán)境箱體內(nèi)部安裝有上下兩個溫度傳感器，將實時檢測到的溫度信息傳送到溫度控制器內(nèi)，溫度控制器通過PID運算分析計算后，控制電磁閥對環(huán)境箱體內(nèi)液氮的輸送量，同時控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，使環(huán)境箱體內(nèi)空氣快速與外界進行熱交換，進而控制箱體內(nèi)部溫度。此時，溫度傳感器繼續(xù)將溫度信息反饋給溫度控制器，直到環(huán)境箱體內(nèi)部溫度達到設(shè)定值，且溫度穩(wěn)定，波動值?。煌瑫r環(huán)境箱體箱門上設(shè)有便于觀察試驗結(jié)果的測視窗，為防止低溫下觀測視窗玻璃出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象從而影響試驗現(xiàn)象的觀測，觀測視窗采用雙層結(jié)構(gòu)，夾層抽真空或沖入干燥氣體；除此，環(huán)境箱體殼體為夾層結(jié)構(gòu)，其保溫夾層內(nèi)均勻填充有低溫絕熱材料，減緩箱體內(nèi)部氣體與外界氣體的熱交換。

現(xiàn)有傳統(tǒng)的電液伺服疲勞機一般不對溫度加以控制，疲勞試驗所得結(jié)果與實際工況相比過于理想化，不能模擬出惡劣、極端環(huán)境下構(gòu)件的微動疲勞狀況，而本發(fā)明的環(huán)境箱體可以安裝于疲勞試驗機上配合使用，并實現(xiàn)箱內(nèi)溫度0℃～-150℃的連續(xù)可調(diào)，同時調(diào)溫過程快速而準確，且能實現(xiàn)自動調(diào)溫的功能，操作方便，工作穩(wěn)定，安全可靠，維護成本低。

附圖說明

圖1為寬溫域低溫環(huán)境試驗箱的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為寬溫域低溫環(huán)境試驗箱PID算法自動控制溫度流程示意圖。

其中，1、彎曲疲勞夾具；2、絕熱層；3、試樣；4、傳感器數(shù)據(jù)線孔；5、環(huán)境箱體；6、風(fēng)扇；7、疲勞試驗機插孔；8、液氮噴頭；9、溫度傳感器；10、溫度控制器；11、液氮儲存罐；12、壓力表；13、電磁閥。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案的實施方式進行詳細地說明：

根據(jù)本申請的一個實施例，如圖1所示，本方案的寬溫域低溫環(huán)境試驗箱，包括環(huán)境箱體5和用于調(diào)節(jié)環(huán)境箱體5內(nèi)溫度的溫度控制器10。

環(huán)境箱體5內(nèi)安裝有固定于箱體底部螺柱上的彎曲疲勞夾具1，彎曲疲勞夾具1用于固定車軸構(gòu)件試樣3，試樣3上方設(shè)有調(diào)節(jié)箱內(nèi)溫度的液氮噴頭8，同時試樣3上方和下方均安裝有一溫度傳感器9。

液氮噴頭8與環(huán)境箱體5外的液氮儲存罐11連接，在液氮噴頭8與液氮儲存罐11連接的管路上設(shè)有電磁閥13和壓力表12，其中電磁閥13用于控制液氮的輸送量；溫度傳感器9為PT100溫度傳感器，具有溫度檢測范圍廣，精度高的特點。

環(huán)境箱體5頂部殼體上設(shè)有風(fēng)扇6，實現(xiàn)箱體內(nèi)部空氣與箱外空氣進行熱交換；環(huán)境箱體5頂部還開設(shè)有疲勞試驗機插孔7，用于疲勞加載桿伸入進而加載試樣3，風(fēng)扇6、溫度傳感器9和液氮噴頭8均與溫度控制器10電氣連接。

環(huán)境箱體5采用夾層結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)層和外層均采用機械性較好熱導(dǎo)率低的304不銹鋼，保溫夾層采用低溫絕熱材料聚氨酯泡沫塑料，減少試驗箱的熱損失；試驗箱門采用雙層門結(jié)構(gòu)，用聚氨酯泡沫塑料作為內(nèi)襯，在箱門上安裝有觀測視窗，觀測視窗采用雙層結(jié)構(gòu)，夾層為真空或沖入干燥氣體，防止低溫下觀察窗玻璃出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象從而影響試驗現(xiàn)象的觀測，箱門與箱體之間通過螺紋桿和手輪鎖緊。

其中，環(huán)境箱體5保溫夾層厚度的計算為：

1、實況條件

本實施例中，保溫夾層填料為絕熱材料聚氨酯泡沫塑料，其內(nèi)側(cè)對流換熱系數(shù)h₁＝70w/(m²·k)，外側(cè)的對流換熱系數(shù)h₂＝8w/(m²·k)，不銹鋼的厚度∝1設(shè)為5mm，傳熱系數(shù)λ1＝236w/(m²·k)，聚氨酯泡沫的傳熱系數(shù)λ2＝0.022w/(m²·k)，環(huán)境箱體5內(nèi)側(cè)溫度設(shè)為最低的-150℃，外側(cè)的空氣溫度設(shè)為23℃，相對濕度設(shè)為45％RH時，對應(yīng)查表得到露點溫度Td為10.5℃。

2、最大允許冷損失量的計算

根據(jù)《工業(yè)設(shè)備及管道絕熱工程設(shè)計規(guī)范(GB50264-97)》，最大允許冷損失量應(yīng)按以下公式進行計算：

當(dāng)Ta-Td≤4.5時：[Q]＝-(Ta-Td)αs；當(dāng)Ta-Td>4.5時：[Q]＝-4.5αs；

其中Ta為環(huán)境溫度，Td為露點溫度，[Q]為最大允許冷損失量，αs為絕熱層2外表面向周圍環(huán)境的放熱系數(shù)，所以得到：Ta-Td＝(23-10.5)℃＝12.5℃。

故最大允許冷損失量：[Q]＝-12.5αs＝-12.5×8＝-100w。

3.保溫夾層厚度的計算

由傳熱公式知

其中，∝₁為不銹鋼的厚度，∝₂為保溫層的厚度，Ti為聚氨酯內(nèi)側(cè)溫度，Td為露點溫度，[Q]為傳熱量，h₁為保溫夾層內(nèi)側(cè)對流換熱系數(shù)，h₂為外側(cè)的對流換熱系數(shù)。

由此得到當(dāng)聚氨酯內(nèi)側(cè)溫度為-150℃時，保溫層厚度：

4.保溫夾層厚度的校驗

設(shè)保溫層外側(cè)表面的溫度為T_f，保溫層內(nèi)側(cè)溫度為-150℃時，取保溫層厚度∝₂＝0.110m。

傳熱量

其中，∝₁為不銹鋼的厚度，Ti為聚氨酯內(nèi)側(cè)溫度，Td為露點溫度，[Q]為傳熱量，h₁為保溫夾層內(nèi)側(cè)對流換熱系數(shù)，h₂為外側(cè)的對流換熱系數(shù)。

得：

符合要求。

如圖2所示，溫度控制器10的核心算法為PID運算，于溫度控制器10上設(shè)定初始環(huán)境箱體5內(nèi)部溫度，經(jīng)PID運算后，控制電磁閥13開啟，并向箱體內(nèi)部運送液氮，降低箱體內(nèi)部溫度，溫度傳感器9將檢測到的箱體內(nèi)部溫度信息反饋到溫度控制器10內(nèi)，溫度控制器10根據(jù)反饋的溫度信息，繼續(xù)調(diào)控電磁閥13，進而控制箱體內(nèi)部溫度，直至達到預(yù)定溫度。

具體流程：將車軸構(gòu)件試樣3安裝于彎曲疲勞夾具1上，疲勞機加載桿從疲勞試驗機插孔7伸入對試樣3進行加載。

在溫度控制器10上設(shè)定初始試驗溫度值(0℃～-150℃)，溫度傳感器9將采集到的箱內(nèi)溫度信息，傳送到溫度控制中，經(jīng)過PID算法的運算，作用并控制電磁閥13開啟，液氮通過管路經(jīng)電磁閥13從液氮噴頭8噴灑在試樣3周圍降低溫度。

當(dāng)溫度臨近預(yù)設(shè)溫度值時，溫度傳感器9再次采集溫度信息并傳遞至溫度控制器10中，溫度控制器10根據(jù)測量溫度值與預(yù)設(shè)溫度值的偏差，配合PID運算，輸出控制信號作用于電磁閥13，控制液氮對箱體內(nèi)部的輸送量，同時控制風(fēng)扇6的轉(zhuǎn)速，促使溫度緩慢下降，逐漸穩(wěn)定，直至達到預(yù)設(shè)溫度值。

運用PID算法對液氮流量和風(fēng)扇6轉(zhuǎn)速進行實時控制，保證了環(huán)境箱體5中的溫度保持穩(wěn)定，不會偏離設(shè)定溫度值；液氮在設(shè)定的流道運行，均勻分散，熱交換后，最后排出箱體外，后續(xù)不斷補充交換的冷媒源起降溫和保溫的作用，達到自動控制的目的。

溫度自動調(diào)節(jié)是個快速而準確的過程，當(dāng)達到預(yù)定溫度并穩(wěn)定后，開啟電液伺服疲勞試驗機，開始進行相關(guān)溫度下的彎曲微動疲勞試驗，環(huán)境溫度精準而穩(wěn)定，為試驗提供一個可靠環(huán)境。

傳統(tǒng)的電液伺服疲勞機一般不對溫度加以控制，疲勞試驗所得結(jié)果與實際工況相差很大，不能準確模擬出惡劣、極端環(huán)境下構(gòu)件的微動疲勞狀況，而本發(fā)明的環(huán)境箱體5可以安裝于疲勞試驗機上配合使用，并實現(xiàn)箱內(nèi)溫度0℃～-150℃的連續(xù)可調(diào)，同時調(diào)溫過程快速而準確，且能實現(xiàn)自動調(diào)溫的功能，操作方便，工作穩(wěn)定，安全可靠，維護成本低。

雖然結(jié)合附圖對發(fā)明的具體實施方式進行了詳細地描述，但不應(yīng)理解為對本專利的保護范圍的限定。在權(quán)利要求書所描述的范圍內(nèi)，本領(lǐng)域技術(shù)人員不經(jīng)創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改和變形仍屬本專利的保護范圍。