本发明专利技术涉及一种隔膜压缩机金属膜片弯曲疲劳测量装置及方法，为小于1mm厚度金属膜片提供简单易行的弯曲疲劳测量方法，实现金属膜片在拉压疲劳试验机上进行弯曲疲劳试验的目标。试验夹持装置由底座、夹块、夹头组成。底座与夹块固定样品，夹头在样品中部夹持，样品加工为中间圆弧状，保证样品于中部断裂。设计疲劳试验机程序，定位移幅进行试验，通过观察受力变化判断样品是否断裂，得到疲劳周次数据。使用弹性力学方法使用位移幅计算其相应的应力值，从而得到应力幅与疲劳周次对应关系。此方法设计简单，使用方便，用于测试隔膜压缩机金属膜片抗疲劳性能。
【技术实现步骤摘要】
一种隔膜压缩机金属薄膜片弯曲疲劳测量装置及方法
本专利技术属于实用金属材料疲劳试验
，具体是一种隔膜压缩机金属薄膜片弯曲疲劳测量装置及方法。
技术介绍
隔膜式压缩机又称膜式压缩机，是容积式压缩机中往复压缩机的一种类型，采用液力驱动膜片。由液压系统和气体压缩系统组成，正向移动的活塞使液压油对膜片底部产生冲击，挤压空腔，排出工艺气体。金属膜片被夹在两个精度高的夹具之间，周围是密封卷并用螺栓紧固，具有良好的密封性；膜腔中的气腔部分无需润滑，从而使被压缩气体不受污染；且可以实现高压压缩。现已被广泛应用在实验室研究、石油和气体工业、化学工业、冶金行业、制药行业和电力行业。其中的金属膜片是易损零件，其疲劳性能是决定膜片使用寿命的关键因素。膜片选材时，为了测试金属膜片的可靠性需要对其进行周期载荷试验。膜片在受到弯曲循环载荷时，表层为拉压循环载荷，但是拉压疲劳试验并不能替代弯曲疲劳。材料在受到弯曲载荷时应力随厚度变化，表层有着最大的应力；较厚弯曲的厚度方向有一定的切应力，膜片厚度较薄时，膜片应力状态为平面应力状态(上下表层为无应力的自由表面)。为了最大限度的模拟压缩机实际服役中的受力状态，有必要对金属膜片进行对称弯曲疲劳试验，利用弹性力学计算材料试验中应力状态，结合疲劳周次得到S-N曲线。目前关于金属材料弯曲疲劳试验有三点、四点弯曲以及超声弯曲等。三点及四点相应的适用参考标准见GBT232-1999、GBT4337-2008，超声疲劳则是利用压电致伸原理高能超声波谐振技术的一种加速共振式的疲劳试样方法，测试评论远超常规测试。常规疲劳试验中三点弯曲试验不能实现R＝-1的对称弯曲载荷，而使用万能疲劳试样机进行的弯曲疲劳试验所使用的试样为圆柱试样；超声疲劳试样对样品尺寸也有着一定的要求，过薄的样品无法实现共振。对于薄膜片这样的特型材进行对称弯曲疲劳试验并没有现成的方法。
技术实现思路
为了有效解决上述问题，本专利技术提供一种隔膜压缩机金属薄膜片弯曲疲劳测量方法，填补超薄金属膜片弯曲疲劳性能测量方法上的空白。一种隔膜压缩机金属膜片弯曲疲劳测量装置，所述测量装置包括试验测量部分、夹持部分及金属磨片试样，所述试验测量部分为拉压疲劳试验机，所述夹持部分包括上夹头及基座两个部分，所述上夹头固定在拉压疲劳试验机内部上端，所述基座固定在拉压疲劳试验机内部下端，所述金属磨片样品两端通过夹块固定在基座上部，所述金属磨片试样中部通过上夹头凸伸出的圆棒夹持。进一步地，所述金属膜片样品设计为中间圆弧形。进一步地，所述上夹头凸伸出的圆棒包括两部分，两部分圆棒通过弹簧垫片夹持与金属磨片样品两侧，并所述圆棒与金属磨片样品接触的界面具有圆倒角。进一步地，所述拉压疲劳试验机能够记录瞬时拉压力f，与瞬间位移u值，通过设置最大位移U或固定最大力F即能分别达到应变控制及应力控制疲劳的目的。一种隔膜压缩机金属膜片弯曲疲劳测量方法，所述方法应用上述的测量装置，所述方法包括以下步骤：S1：设备调零，同时设定固定的位移幅与频率，拉压疲劳试验机的上夹头开始做上下周期运动，带动金属磨片试样循环弯曲，通过观察载荷幅变化即能判断样品是否断裂，此时对应的周次数据即为样品在特定位移幅下的疲劳寿命；S2：首先假定形状为长宽分别是a、b的矩形试样，取夹持一端为坐标原点，长度方向为x方向，宽度方向为y方向，厚度方向z方向；厚度方向尺寸很小，为平面问题，设挠度函数函数w(x,y)，由受力条件可知w在x方向为是周期为a的周期函数，x(0,a)为一个周期；因此可把函数展开为三角级数可证于是w在x(0-a)范围可取三角级数：式中m是正整数，Ym(y)是待定函数；S3：wmax＝ΔU/2为位移，h为样品厚度，Δσmax为膜片最大应力，C为与样品尺寸的常数，使用弹性力学方法计算得到位移、样品厚度、与膜片最大应力的关系：Δσmax＝C·h·wmax根据上式确定应力与疲劳周次的关系。进一步地，步骤S2中，式(1)代入薄板弯曲问题基本方程——即横向平衡方程求解，求出Ym的通解为：F为实验最大拉力，Am、Bm由y＝±b/2边界条件确定，此时为自由边，边界条件为：在这里ν取0.3，(1,2,3)式联立化简得：又因为在x＝a/2处w有最大值，所以此时tx＝mπ，整理可得：当m＝2,4,6,8......时，cosmπ＝1，此时值为0；当m＝1,3,5,7......时，cosmπ＝-1，于是有：上式收敛，且收敛很快，(4)式代入薄板应力方程可知只有x与y方向的正应力，且σy＝νσx，即最大应力为x方向，x方向的应力方程为式(7)，代入w后式子为(8)；式中u＝costmx；x＝a/2处σx有最大值，同上(5,6)式处理方法得：上式同样收敛，累加即能求值(6,9)式联立消除F值，得：使用弹性力学方法，结合边界条件，x＝0、b与y＝±2/b边界，与膜片平横方程可解的x方向，也就是正应力方向最大应力σx-max与厚度h及最大挠度wmax呈如下关系：σx-max＝307(MPa·mm-2)·h·wmax考虑形状因素，试样测量过程中受到的最大应力为：α为应力集中系数，查得系数为1.10，于是：σmax＝±284·h·wmax取正值为拉应力负值为压应力；当对称弯曲(R＝-1)时应力幅值为最大应力的两倍：Δσmax＝568·h·wmax。本专利技术填补了金属薄膜片弯曲疲劳性能试验方法的空白；试验数据显示了以此方法进行的疲劳试验数据具有稳定性，且与计算得到的数据吻合。附图说明图1为夹具安装示意图；图2为上夹头示意图；图3为试验样品示意图；图4试验获得的周次-位移图(Nf-ΔU图)；图5试验获得的周次-力值图(Nf-F图)；图6ΔU与Nf的对数图(logΔU-logNf图)；图7Δσ与Nf的对数图(logΔσ-logNf图)。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。相反，本专利技术涵盖任何由权利要求定义的在本专利技术的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本专利技术有更好的了解，在下文对本专利技术的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。本专利技术提供一种隔膜压缩机金属薄膜片疲劳测量方法，该方法通过一种隔膜压缩机金属膜片弯曲疲劳测量装置进行测量，如图1-3所示，所述测量装置包括夹持装置和试验测量装置，所述试验测量装置为拉压疲劳试验机1，所述夹持装置分上夹头2及基座5两部分固定于拉压疲劳试验机1两端，所述上夹头2固定在拉压疲劳试验机1内侧上端，所述基座5固定在拉压疲劳试验机1内侧下端，金属膜片样品4放置在基座5上，具有一定粗糙度的夹块3通过配相应尺寸弹性垫片的四个螺钉将金属磨片样品4固定，上夹头2分为两部分，通过螺栓固定，并夹持金属膜片样品4中心，与金属膜片样品4接触的界面均为一定的圆倒角。金属膜片样品4圆弧段长度为a，金属膜片样品4中部用上夹头2上凸伸出的R＝5的圆棒夹持，两圆棒通过螺钉固定(图2)，圆棒上端在试验机上夹持；金属膜片样品4两端通过螺钉固定在基座5与夹块3之间，基座5下端固定在拉压疲劳试验机1上。这样就把拉压载荷转换成金属膜片样品4的对称弯曲载荷。金属膜片样品4设本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种隔膜压缩机金属膜片弯曲疲劳测量装置，其特征在于，所述测量装置包括试验测量部分、夹持部分及金属磨片试样，所述试验测量部分为拉压疲劳试验机，所述夹持部分包括上夹头及基座两个部分，所述上夹头固定在拉压疲劳试验机内部上端，所述基座固定在拉压疲劳试验机内部下端，所述金属磨片样品两端通过夹块固定在基座上部，所述金属磨片试样中部通过上夹头凸伸出的圆棒夹持。
【技术特征摘要】
1.一种隔膜压缩机金属膜片弯曲疲劳测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1：设备调零，同时设定固定的位移幅与频率，拉压疲劳试验机的上夹头开始做上下周期运动，带动金属膜片试样循环弯曲，通过观察载荷幅值变化即能判断样品是否断裂，此时对应的周次数据即为样品在特定位移幅下的疲劳寿命；S2：首先假定形状为长宽分别是a、b的矩形试样，取夹持一端为坐标原点，长度方向为x方向，宽度方向为y方向，厚度方向z方向；厚度方向尺寸很小，为平面问题，设挠度函数w(x,y)，由受力条件可知w在x方向是周期为a的周期函数，x(0,a)为一个周期；因此可把函数展开为三角级数可证于是w在x(0，a)范围可取三角级数：式中m是正整数，Ym(y)是待定函数；S3：wmax＝ΔU/2，ΔU为位移，h为样品厚度，Δσmax为膜片最大应力，C为与样品尺寸相关的常数，使用弹性力学方法计算得到位移、样品厚度、与膜片最大应力的关系：Δσmax＝C·h·wmax根据上式确定应力与疲劳周次的关系；所述方法应用的测量装置包括试验测量部分、夹持部分及金属膜片试样，所述试验测量部分为拉压疲劳试验机，所述夹持部分包括上夹头及基座两个部分，所述上夹头固定在拉压疲劳试验机内部上端，所述基座固定在拉压疲劳试验机内部下端，所述金属膜片样品两端通过夹块固定在基座上部，所述金属膜片试样中部通过上夹头凸伸出的圆棒夹持。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，式(1)代入薄板弯曲问题基本方程——即横向平衡方程求解，求出Ym的通解为：D为弯曲刚度，F为实验最大力，Am、Bm由y＝±b/2边界条件确定，此时为自由边，边界条件为：在这里ν取0.3，(1,2,3)式联立化简得：又因为在x＝a/2处w有最大值，所以此时tmx＝mπ，整理可得：当m＝2,4,6,8......时，cosmπ＝1，此时值为0；当m＝1,3,5,7......时，cosmπ＝-1，于是有：
【专利技术属性】
技术研发人员：孟利，程康，夏桂红，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京;11
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