[发明专利]一种宽温域低温环境试验箱

说明书

技术领域

本发明属于制冷箱体的技术领域，具体涉及一种宽温域低温环境试验箱。

背景技术

微动疲劳是指结构件在外界疲劳负载作用下，两个接触表面之间发生微米级的相对运动，从而促使疲劳裂纹于早期萌生且加速其扩展，导致构件过早失效的现象。此现象广泛地存在于机械、铁路、汽车、船舶、航空航天、桥梁工程等领域工程构件中，微动疲劳致使零部件的服役寿命明显降低，研究表明，微动疲劳致使构件的疲劳寿命降低20％～80％，甚至更低。因此，非常有必要对弯曲微动疲劳进行系统的研究，从而揭示弯曲微动疲劳的失效机理。

而现有对弯曲微动疲劳的研究主要是在室温的环境下，于电液伺服疲劳机上进行的，而对于高速列车实际运行于各种复杂环境，因此，有必要对其环境温度进行控制研究。

目前，常用稳定制冷方式有三种，分别为机械制冷、液氮制冷和冰盐浴制冷。三种方法各有优缺点，机械制冷对箱内环境温度具有较高的调控能力，能准确控制温度并维持，缺点是体积大、噪音大、设备成本及维护费用高，降温速率慢；液氮制冷具有很好的降温性能，制冷低温最低可达-150℃(采用液氮浸浴可达-180℃)，降温速率可达60℃/min以上，其缺点是存在安全隐患，对操作人员要求较高；冰盐浴制冷方法简单，易操作，温度能根据不同混合成分自动稳定在一定范围，但获得的温度较低，难以达到深冷状态，试样需要浸泡在冰盐混合溶液中。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种宽温域低温环境试验箱，以解决现有构件对弯曲微动疲劳仅在室温环境下进行研究和现有稳定制冷不能同时实现对温度的精确调控、降温速率快和维护成本低的问题。

为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：

提供一种宽温域低温环境试验箱，包括环境箱体和用于调节环境箱体内部温度的温度控制器；

环境箱体内设有用于固定弯曲疲劳夹具的螺柱；弯曲疲劳夹具上方设有调节箱内温度的液氮喷头和两个位于弯曲疲劳夹具上方不同高度的温度传感器；环境箱体顶部壳体上设有与空气热交换的风扇和用于疲劳加载杆伸入加载试样的疲劳试验机插孔；环境箱体壳体包括内层、外层和保温夹层，保温夹层内均匀填充有低温绝热材料；

温度控制器选用核心算法为PID的温度控制器；风扇、温度传感器和液氮喷头均与温度控制器电气连接；温度传感器和液氮喷头之间的管路上设有控制液氮流量输出的电磁阀。

优选地，保温夹层的厚度为：

其中，∝₁为不锈钢的厚度，∝₂为保温夹层厚度，Ti为聚氨酯内侧温度，Ta为环境温度，[Q]为传热量，h₁为保温夹层内侧对流换热系数，h₂为保温夹层外侧的对流换热系数，λ1为不锈钢传热系数，λ2为聚氨酯泡沫的传热系数。

优选地，环境箱体箱门上设有观测视窗，观测视窗采用其内为真空或充入有干燥气体的双层结构。

优选地，液氮喷头外接液氮储存罐，液氮喷头和液氮储存罐间的管路上设有压力表。

优选地，环境箱体壳体内层和外层的材质均为304不锈钢，保温夹层内低温绝热材料为聚氨酯泡沫塑料。

优选地，温度传感器为PT100温度传感器。

本发明提供的宽温域低温环境试验箱，具有以下有益效果：

通过液氮喷头向环境箱体内部输送液氮，降低环境箱体内部的温度，且环境箱体内部安装有上下两个温度传感器，将实时检测到的温度信息传送到温度控制器内，温度控制器通过PID运算分析计算后，控制电磁阀对环境箱体内液氮的输送量，同时控制风扇转动，使环境箱体内空气快速与外界进行热交换，进而控制箱体内部温度。此时，温度传感器继续将温度信息反馈给温度控制器，直到环境箱体内部温度达到设定值，且温度稳定，波动值小；同时环境箱体箱门上设有便于观察试验结果的测视窗，为防止低温下观测视窗玻璃出现结露现象从而影响试验现象的观测，观测视窗采用双层结构，夹层抽真空或冲入干燥气体；除此，环境箱体壳体为夹层结构，其保温夹层内均匀填充有低温绝热材料，减缓箱体内部气体与外界气体的热交换。

现有传统的电液伺服疲劳机一般不对温度加以控制，疲劳试验所得结果与实际工况相比过于理想化，不能模拟出恶劣、极端环境下构件的微动疲劳状况，而本发明的环境箱体可以安装于疲劳试验机上配合使用，并实现箱内温度0℃～-150℃的连续可调，同时调温过程快速而准确，且能实现自动调温的功能，操作方便，工作稳定，安全可靠，维护成本低。

附图说明

图1为宽温域低温环境试验箱的结构示意图。