复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种复合载荷与高温‑氛围下的材料高频疲劳试验装置及方法，属于精密仪器技术领域。该装置包括高频疲劳模块、拉伸/压缩加载模块、扭转加载模块、高温‑氛围加载模块、主体框架。水平布置的上支撑板/支撑平台/下支撑板与垂直布置的立柱Ⅰ/立柱Ⅱ间通过螺栓连接，构成装置的主体框架；上述模块安装于主体框架后，下支撑板由螺钉紧固于带预留螺纹孔的隔振台上。优点在于：在对材料进行高频疲劳测试的同时，增设了“拉伸、压缩、扭转、拉伸‑扭转复合、压缩‑扭转复合”多种机械载荷加载模式以及高温、真空/气氛等加载环境，使材料的高频疲劳测试更接近于其真实服役工况，提高了测试结果的可靠性。

High frequency fatigue testing device and method for composite load and high temperature atmosphere

The invention relates to a high frequency fatigue testing device and a method for materials under compound load and high temperature atmosphere, belonging to the technical field of precision instruments. The device includes high frequency fatigue module, tensile/compressive loading module, torsional loading module, high temperature atmosphere loading module and main frame. The main frame of the device is composed of a horizontal upper support plate/support platform/lower support plate and a vertical column I/post II connected by bolts; the above-mentioned modules are installed in the main frame, and the lower support plate is fastened by screws on the vibration isolation platform with reserved threaded holes. Advantages are: while carrying out high-frequency fatigue testing, a variety of mechanical loading modes, such as tensile, compressive, torsional, tensile, torsional, compressive and torsional composite, as well as high-temperature, vacuum/atmosphere loading environments, are added, which make the high-frequency fatigue testing of materials closer to their real service conditions and improve. The reliability of the test results.

【技术实现步骤摘要】
复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置及方法
本专利技术涉及精密仪器
，特别涉及一种复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置及方法，本专利技术可以提供“拉伸、压缩、扭转、拉伸-扭转复合、压缩-扭转复合”等五种机械载荷加载模式，实现特定工况下材料的机械载荷加载，同时能够提供高温、真空/气氛等加载环境，且可在上述载荷和环境下利用超声疲劳试验技术开展材料的高频疲劳试验；若配合光学成像设备，可对被测试件进行实时动态的原位观测。
技术介绍
疲劳与断裂是服役结构的主要破坏形式，由于疲劳断裂发生比较突然，会给国民的生命和财产带到较大的损失。尤其是在飞机、列车和汽车等领域，高速运转的轴类部件或螺纹连接件除承受拉伸、压缩、扭转等单一或复合预载荷以外，在寿命期内需承受超高周次循环交变载荷（如1010周次，具体根据设计使用年限而定）。为保证上述部件材料在寿命期内的安全性和可靠性，需要进行疲劳试验，如利用频率为100Hz的传统疲劳设备完成一组试验的时间长达115天。另一方面，上述部件材料的实际服役工况是复杂的，涉及到高温、氛围等服役环境以及复杂应力场。因此，开发一种材料高频疲劳试验装置研究接近服役工况下材料的超高周疲劳行为，对一些因超高周疲劳破坏产生的损失进行提前预防，将产生非常大的经济与社会效益。超声疲劳试验技术是一种共振式的高频疲劳试验方法，其测试频率可达20kHz，如完成一组1010周次疲劳试验仅需14小时，可以极大的缩短疲劳试验时间。现有超声疲劳试验装置主要由超声信号发生器、换能器、变幅杆、试件组成，超声疲劳试验过程中，换能器将超声信号发生器产生的高频电信号转化成机械振动，机械振动幅值经变幅杆放大后作用于试件，从而实现对试件的高频疲劳测试。现有超声疲劳装置的预载荷加载形式过于单一，无法开展多种机械载荷模式下的高频疲劳试验。另外，针对高温环境、真空环境下的超声疲劳试验装置均有提及，但由于外部场加载形式单一且缺少气氛环境加载，无法实现材料及其制品在高温氛围环境下的高频疲劳试验。考虑到研究接近服役工况下材料的超高周疲劳行为的巨大经济与社会效益，因此，利用超声疲劳试验技术开发一款复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置显得尤为必要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置及方法，解决现有技术无法研究材料在实际受载、高温氛围条件下的超高周疲劳行为问题。本专利技术除可实现“拉伸、压缩、扭转、拉伸-扭转复合、压缩-扭转复合”等形式的机械载荷加载外，同时能够提供高温、真空/气氛等加载环境，并且可以在上述载荷和环境下利用超声疲劳试验技术开展材料高频疲劳试验；若配合外部光学成像设备可对被测试件进行实时动态的原位观测。本专利技术的上述目的通过以下技术方案实现：复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置，包括高频疲劳模块1、拉伸/压缩加载模块2、立柱Ⅰ3、高温-氛围加载模块4、扭转加载模块5、上支撑板6、支撑平台7、立柱Ⅱ8、下支撑板9、隔振台10，水平布置的上支撑板6、支撑平台7、下支撑板9与垂直布置的立柱Ⅰ3、立柱Ⅱ8之间通过螺栓连接，构成装置的主体框架，该主体框架中的下支撑板9通过螺钉紧固在带预留螺纹孔的隔振台10上；高频疲劳模块1主体部分安装在下移动板216上；拉伸/压缩加载模块2由驱动单元、加载与检测单元组成，驱动单元水平布置于下支撑板9上，加载与检测单元主体部分垂直安装于立柱Ⅰ3和立柱Ⅱ8上；高温-氛围加载模块4由真空/气氛环境单元、温度加载与防护单元组成，真空/气氛环境单元两端分别安装在上移动板218和下移动板216上，温度加载与防护单元主体设在支撑平台7上，支撑平台7上还预留有用于安装外部光学成像设备的螺纹孔；扭转加载模块5与高温-氛围加载模块4端部连接。所述的高频疲劳模块1中，超声连接器Ⅰ101、超声变幅杆Ⅰ102、试件103、超声变幅杆Ⅱ104、超声连接器Ⅱ105、超声换能器106之间通过螺纹连接；超声连接器Ⅰ101和超声连接器Ⅱ105均通过振动波动理论设计而成，且在各自的波节面上设有连接法兰，其中，超声连接器Ⅰ101的法兰与扭转加载模块5通过螺栓固连，超声连接器Ⅱ105的法兰与拉伸/压缩加载模块2、高温-氛围加载模块4之间通过螺栓固连，通过超声连接器Ⅰ、Ⅱ波节面上的法兰对试件103施加的拉伸、压缩、扭转载荷，可避免所施加载荷与高频疲劳试验之间的相互影响。所述的拉伸/压缩加载模块2采用伺服电机与同步带传动机构作为驱动单元，以丝杠螺母传动机构配合上移动板218和下移动板216作为加载单元，以拉压力传感器223作为力的检测单元；所述驱动单元中的伺服电机Ⅰ210输出端通过平键Ⅲ211与联轴器209一端连接，联轴器209另一端的径向凹槽与电机传力轴212的端部凸榫嵌装配合；电机传力轴212为两级阶梯且开有键槽，键槽中安装有平键Ⅰ206，第一级阶梯和轴承端盖Ⅰ207分别用于固定主动带轮轴承208内圈和外圈的轴向位置，第二级阶梯和平键Ⅰ206分别实现主动带轮205的轴向与周向限位；所述加载单元中的具有双向螺纹结构的丝杠Ⅰ213和丝杠Ⅱ225分别与成对的丝杠螺母Ⅰ215和丝杠螺母Ⅱ219、丝杠螺母Ⅲ220和丝杠螺母Ⅳ222配合使用，结合与从动带轮Ⅰ201、从动带轮Ⅱ203之间的键连接方式，将从动带轮Ⅰ201和从动带轮Ⅱ203的同步转动转化为上移动板218和下移动板216的反向同步移动，在实现拉伸力/压缩力加载的同时保证试件103的几何中心观测位置不动；所述检测单元中拉压力传感器223与试件103采用同轴布置。所述的扭转加载模块5中，伺服电机Ⅱ501通过螺钉紧固在支撑轴承腔体502上，支撑轴承腔体502与承力腔体504之间螺栓连接，承力腔体504通过周向4组螺钉紧固在上移动板218上；伺服电机Ⅱ501输出轴通过平键Ⅳ505与传力轴Ⅰ507连接，传力轴Ⅰ507与支撑轴承腔体502通过扭转轴承Ⅰ506、扭转轴承Ⅱ508、轴承端盖Ⅱ503连接，在保证传力轴Ⅰ507轴向限位的同时实现周向的自由；扭力传感器509两端分别与传力轴Ⅰ507、传力轴Ⅱ510的带法兰端通过螺钉固定，传力轴Ⅱ510另一端采用平键Ⅴ511、拧紧螺母512与传力框架513连接，实现周向、轴向传力。所述的高温-氛围加载模块4的真空/气氛环境单元由波纹管Ⅰ401、石英玻璃管组件、波纹管Ⅱ405、密封盖板408、承力腔体504以及超声连接器Ⅱ105的法兰面共同构成密封腔体，并通过高温密封胶密封；石英玻璃管组件由石英管支座Ⅱ404、石英管403、石英管支座Ⅰ402组成且彼此间通过高温密封胶粘接，在石英管支座Ⅰ402和石英管支座Ⅱ404上分别预留有充气接口和抽气接口。所述的高温-氛围加载模块4的温度加载与防护单元以聚光加热灯Ⅰ410、聚光加热灯Ⅱ414作为辐照热源，聚光加热灯Ⅰ、Ⅱ在竖直方向上预留有与石英管403同径的半圆柱型径向贯穿凹槽，在水平正交于聚光加热灯Ⅰ、Ⅱ轴线的一侧设计为一体式板式结构并在其上均设有观测视窗412及安装通孔，另一侧预留有半圆形配合观测口及安装螺纹孔；热电偶424安装在石英管支座Ⅰ402上，对试件103及其周围环境的温度进行检测与反馈；通过冷风枪423对超声换能器106与超声连接器Ⅱ105连接处进行风本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合载荷与高温‑氛围下的材料高频疲劳试验装置，其特征在于：包括高频疲劳模块（1）、拉伸/压缩加载模块（2）、立柱Ⅰ（3）、高温‑氛围加载模块（4）、扭转加载模块（5）、上支撑板（6）、支撑平台（7）、立柱Ⅱ（8）、下支撑板（9）、隔振台（10），水平布置的上支撑板（6）、支撑平台（7）、下支撑板（9）与垂直布置的立柱Ⅰ（3）、立柱Ⅱ（8）之间通过螺栓连接，构成装置的主体框架，该主体框架中的下支撑板（9）通过螺钉紧固在带预留螺纹孔的隔振台（10）上；高频疲劳模块（1）主体部分安装在下移动板（216）上；拉伸/压缩加载模块（2）由驱动单元、加载与检测单元组成，驱动单元水平布置于下支撑板（9）上，加载与检测单元主体部分垂直安装于立柱Ⅰ（3）和立柱Ⅱ（8）上；高温‑氛围加载模块（4）由真空/气氛环境单元、温度加载与防护单元组成，真空/气氛环境单元两端分别安装在上移动板（218）和下移动板（216）上，温度加载与防护单元主体设在支撑平台（7）上，支撑平台（7）上还预留有用于安装外部光学成像设备的螺纹孔；扭转加载模块（5）与高温‑氛围加载模块（4）端部连接。

【技术特征摘要】
1.一种复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置，其特征在于：包括高频疲劳模块（1）、拉伸/压缩加载模块（2）、立柱Ⅰ（3）、高温-氛围加载模块（4）、扭转加载模块（5）、上支撑板（6）、支撑平台（7）、立柱Ⅱ（8）、下支撑板（9）、隔振台（10），水平布置的上支撑板（6）、支撑平台（7）、下支撑板（9）与垂直布置的立柱Ⅰ（3）、立柱Ⅱ（8）之间通过螺栓连接，构成装置的主体框架，该主体框架中的下支撑板（9）通过螺钉紧固在带预留螺纹孔的隔振台（10）上；高频疲劳模块（1）主体部分安装在下移动板（216）上；拉伸/压缩加载模块（2）由驱动单元、加载与检测单元组成，驱动单元水平布置于下支撑板（9）上，加载与检测单元主体部分垂直安装于立柱Ⅰ（3）和立柱Ⅱ（8）上；高温-氛围加载模块（4）由真空/气氛环境单元、温度加载与防护单元组成，真空/气氛环境单元两端分别安装在上移动板（218）和下移动板（216）上，温度加载与防护单元主体设在支撑平台（7）上，支撑平台（7）上还预留有用于安装外部光学成像设备的螺纹孔；扭转加载模块（5）与高温-氛围加载模块（4）端部连接。2.根据权利要求1所述的复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置，其特征在于：所述的高频疲劳模块（1）中，超声连接器Ⅰ（101）、超声变幅杆Ⅰ（102）、试件（103）、超声变幅杆Ⅱ（104）、超声连接器Ⅱ（105）、超声换能器（106）之间通过螺纹连接；超声连接器Ⅰ（101）和超声连接器Ⅱ（105）均通过振动波动理论设计而成，且在各自的波节面上设有连接法兰，其中，超声连接器Ⅰ（101）的法兰与扭转加载模块（5）通过螺栓固连，超声连接器Ⅱ（105）的法兰与拉伸/压缩加载模块（2）、高温-氛围加载模块（4）之间通过螺栓固连；通过超声连接器Ⅰ、Ⅱ波节面上的法兰对试件（103）施加的拉伸、压缩、扭转载荷，可避免所施加载荷与高频疲劳试验之间的相互影响。3.根据权利要求1所述的复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置，其特征在于：所述的拉伸/压缩加载模块（2）采用伺服电机与同步带传动机构作为驱动单元，以丝杠螺母传动机构配合上移动板（218）和下移动板（216）作为加载单元，以拉压力传感器（223）作为力的检测单元；所述驱动单元中的伺服电机Ⅰ（210）输出端通过平键Ⅲ（211）与联轴器（209）一端连接，联轴器（209）另一端的径向凹槽与电机传力轴（212）的端部凸榫嵌装配合；电机传力轴（212）为两级阶梯且开有键槽，键槽中安装有平键Ⅰ（206），第一级阶梯和轴承端盖Ⅰ（207）分别用于固定主动带轮轴承（208）内圈和外圈的轴向位置，第二级阶梯和平键Ⅰ（206）分别实现主动带轮（205）的轴向与周向限位；所述加载单元中的具有双向螺纹结构的丝杠Ⅰ（213）和丝杠Ⅱ（225）分别与成对的丝杠螺母Ⅰ（215）和丝杠螺母Ⅱ（219）、丝杠螺母Ⅲ（220）和丝杠螺母Ⅳ（222）配合使用，结合与从动带轮Ⅰ（201）、从动带轮Ⅱ（203）之间的键连接方式，将从动带轮Ⅰ（201）和从动带轮Ⅱ（203）的同步转动转化为上移动板（218）和下移动板（216）的反向同步移动，在实现拉伸力/压缩力加载的同时保证试件（103）的几何中心观测位置不动；所述检测单元中拉压力传感器（223）与试件（103）采用同轴布置。4.根据权利要求1所述的复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置，其特征在于：所述的扭转加载模块（5）中，伺服电机Ⅱ（501）通过螺钉紧固在支撑轴承腔体（502）上，支撑轴承腔体（502）与承力腔...

【专利技术属性】
技术研发人员：万杰，闫楚良，赵宏伟，赵久成，李文博，张建海，张世忠，孙兴冻，徐丽霞，王赵鑫，任壮，刘长宜，刘泽洋，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22