一种自适应频率式超声疲劳试验机制造技术

本发明专利技术涉及一种材料试验设备领域用的自适应频率式超声疲劳试验机。它解决超声疲劳试验频率适应和平均应力加载的问题。其技术方案是：换能定位座、固定支座和位移放大器的固有频率均为20kHz，调整换能定位座、固定支座和位移放大器连接位置的旋合尺寸，可以有效调节超生发生组件整体的固有频率在一定范围内调整；试件后端和位移放大器前端用螺柱固紧，加载支座可以对试件施加拉、压应力载荷。本发明专利技术可以在实现超声疲劳试验中的平均应力加载；采用PID闭环控制自动调整超声发生组件固有频率和试件固有频率匹配，有效提高了超声疲劳试验精度，保证试验数据有效性；本发明专利技术可实现20kHz频率疲劳试验，有效缩短疲劳试验时间，可高效完成10

An adaptive frequency ultrasonic fatigue testing machine

【技术实现步骤摘要】
一种自适应频率式超声疲劳试验机
本专利技术涉及一种材料试验设备领域用的自适应频率式超声疲劳试验机。
技术介绍
材料试验设备是指对材料、零件、构件进行力学性能和工艺性能试验的仪器和设备，是在各种条件、环境下测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构等的机械性能、工艺性能、内部缺陷的精密测试仪器。机械零件比如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随着时间作周期性变化的应力称之为交变应力。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后会产生裂纹或突然发生断裂，该现象称之为疲劳。材料的疲劳特性已经成为衡量其使用性能的重要指标之一，因此对材料的疲劳特性进行测试对工程应用具有非常重要的意义。常规疲劳试验仅能完成106～107周次范围内材料的疲劳性能，然而在许多工业部门(例如高速列车、汽车、飞机等)，其某些结构和零件的实际使用寿命往往需要达到108～1010周次，例如一台以3000r/min运行的高速航空涡轮发动机在20年服役期内要经历1010个应力循环。然而常规疲劳试验设备的加载频率不超过200Hz，完成高周疲劳试验需要消耗巨大的时间，进而导致很多高周疲劳试验甚至不可能完成。超声疲劳是一种加速共振式的疲劳试验方法，它的测试频率(20kHz)远远超过了常规疲劳测试频率(小于200Hz)。超声疲劳的实质是在被加载式样上建立机械谐振波。超声疲劳试验研究表明许多工程材料直到1010周次应力循环后仍然会发生疲劳断裂，因此107周次的疲劳试验数据进行疲劳强度设计并不能满足很多工程实际需求。使用超声疲劳试验技术，加载频率为20kHz，同样完成一次109周次循环的疲劳试验仅需运行14个小时，可以顺利建立一条109周次循环的S-N曲线。超声疲劳试验设备是进行超声疲劳试验必不可少的核心设备，目前关于超声疲劳试验的方法和设备已经在实验室中进行了大量的前期研究，具备准确测试不同材料属性试件疲劳特性的能力。超声疲劳试验设备实现共振的前提是位移放大器和试件固有频率设定一致，基本维持在超声波换能器输出机械频率20kHz一定范围内，然而由于理论计算误差和实际加工误差等多种因素，导致试件和位移放大器的实际固有频率均与理论固有频率有所偏差，严重影响了试验的准确性。根据常规疲劳试验相关规范，疲劳试验应该对试件施加一定范围的平均应力，而目前的超声疲劳试验设备几乎不具备该功能。基于上述技术背景，本专利技术特提供自适应频率式超声疲劳试验机，采用PID控制，根据试验实际固有频率，自动调整位移放大器固有频率，使得试验和位移放大器始终保持相同的固有频率，完全达到共振要求，提高超声疲劳试验的准确性；本专利技术设置了平均应力施加装置，满足平均应力加载需求。
技术实现思路
本专利技术的目的是：为了解决超声疲劳试验频率适应和平均应力加载的问题，特提供一种自适应频率式超声疲劳试验机。为了达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种自适应频率式超声疲劳试验机，是由超声发生组件、动力输出组件、平均应力加载组件、后锁紧组件、前锁紧组件、锁紧输出组件、后调频组件、前调频组件、调频输出组件、离合传动组件a、离合传动组件b、离合传动组件c、离合传动组件d、定位立板、导杆a、导杆固定座、导杆b、前离合安装座、后离合安装座和试件构成；超声发生组件包括换能器、换能定位座、后锁紧螺母、固定支座、前锁紧螺母、位移放大器；动力输出组件包括伺服电机、减速器、联轴器、传动接头、推力轴承a、推力轴承b、动力输出齿轮、传动丝杠；平均应力加载组件包括拉力螺杆、加载支座、托盘、滑套a、滑动板、载荷支座、载荷传感器、滑套b、防转臂、滑套c、推力套筒、丝杠螺母；后锁紧组件包括后锁紧轴、后锁紧锥齿轮、后锁紧齿轮；前锁紧组件包括前锁紧轴、前锁紧锥齿轮、前锁紧齿轮；锁紧输出组件包括锁紧输出锥齿轮a、锁紧输入齿轮、锁紧输出轴、锁紧输出锥齿轮b；后调频组件包括后调频齿轮、后调频轴、后调频锥齿轮；前调频组件包括前调频轴、前调频锥齿轮、前调频齿轮；调频输出组件包括调频输出锥齿轮a、调频输入齿轮、调频输出轴、调频输出锥齿轮b；离合传动组件a、离合传动组件b、离合传动组件c、离合传动组件d的结构组成相同，均包括离合输出锥齿轮、输出齿轮轴、电磁铁、弹簧、绝磁花键轴、导磁花键套、绝磁齿轮轴、离合输入锥齿轮；其结构特征是：导杆a和导杆b外圆两端设置有台阶轴，导杆a和导杆b两端外圆设置为公螺纹；定位立板安装在导杆a和导杆b的后端台阶轴上，导杆固定座安装在导杆a和导杆b前端台阶轴上；导杆a和导杆b的两端分别用螺母锁紧，定位立板和导杆固定座分别与机架固定连接；在超声发生组件中，换能器可以把超声频率发生器输出的电信号转化为机械振动信号输出，换能器前端和换能定位座后端用螺柱连接固紧；换能定位座前端内腔设置为母螺纹，换能定位座外圆前端设置为齿轮结构；后锁紧螺母内腔设置为母螺纹，外部设置为齿轮结构；前锁紧螺母内腔设置为母螺纹，外部设置为齿轮结构；固定支座中部设置为法兰结构，法兰结构上均匀设置六个通孔，固定支座外圆两端设置为公螺纹结构；位移放大器后端内腔设置为母螺纹，位移放大器外圆后端设置为齿轮结构，位移放大器前端轮廓直径小于后端轮廓直径，位移放大器前端设置有螺纹孔；后锁紧螺母安装在固定支座后端公螺纹上，换能定位座前端母螺纹和固定支座后端公螺纹配合；前锁紧螺母安装在固定支座前端的公螺纹上，位移放大器后端和固定支座前端公螺纹配合；在超声发生组件中，换能定位座、固定支座和位移放大器的固有频率均为20kHz，调整换能定位座、固定支座和位移放大器连接位置的旋合尺寸，可以有效调节超生发生组件整体的固有频率在一定范围内调整，使之匹配试件实际固有频率，并可以始终保证固定支座中部法兰结构位于谐振波零位移面上；固定支座中部的法兰结构用螺钉固定在定位立板上部；前离合安装座用螺钉固定在定位立板前端面，后离合安装座用螺钉固定在定位立板后端面；在动力输出组件中，伺服电机和减速器后端用螺钉固定，减速器前端和后离合安装座用螺钉固定，减速器的输出轴穿过后离合安装座后部的通孔；联轴器后端和减速器输出轴平键传动，联轴器前端和传动接头后端平键传动；传动丝杠外圆前部设置为丝杠结构，传动丝杠外圆中部设置有键槽，传动丝杠后端设置为螺纹；动力输出齿轮和传动丝杠外圆中部用平键连接，推力轴承a和推力轴承b分别安装在传动丝杠后部外圆上，传动接头前端和传动丝杠后端螺纹固紧；传动丝杠穿过定位立板中部通孔，推力轴承a和定位立板后端面贴合，推力轴承b和定位立板前端面贴合；在平均应力加载组件中，加载支座内腔设置为台阶孔，加载支座和滑动板上部法兰连接，拉力螺杆放置于加载支座内腔台阶孔内；托盘和滑动板用螺钉固紧，托盘安装在加载支座下方位置；滑套a外圆和滑动板上部通孔配合，滑套a和滑动板用螺钉固定；滑套b和滑动板下部通孔配合，滑套b和滑动板用螺钉固定；载荷传感器为轮辐式结构，载荷传感器内腔和载荷支座外圆中部丝扣固紧，载荷传感器和滑动板中部用螺钉固紧；载荷支座后端和推力套筒前端用螺钉固紧；滑套c安装在防转臂下部通孔内，滑套c和防转臂用螺钉固定，防转臂上端和推力套筒外圆用螺钉固定；丝杠螺母外圆在推力套筒内腔前部配合，丝杠螺母和推力套筒用螺钉固定；丝杠螺母和传本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自适应频率式超声疲劳试验机，是由超声发生组件(01)、动力输出组件(02)、平均应力加载组件(03)、后锁紧组件(04)、前锁紧组件(05)、锁紧输出组件(06)、后调频组件(07)、前调频组件(08)、调频输出组件(09)、离合传动组件a(31)、离合传动组件b(32)、离合传动组件c(33)、离合传动组件d(34)、定位立板(11)、导杆a(12)、导杆固定座(13)、导杆b(14)、前离合安装座(15)、后离合安装座(16)和试件(17)构成；超声发生组件(01)包括换能器(011)、换能定位座(012)、后锁紧螺母(013)、固定支座(014)、前锁紧螺母(015)、位移放大器(016)；动力输出组件(02)包括伺服电机(021)、减速器(022)、联轴器(023)、传动接头(024)、推力轴承a(025)、推力轴承b(026)、动力输出齿轮(027)、传动丝杠(028)；平均应力加载组件(03)包括拉力螺杆(031)、加载支座(032)、托盘(033)、滑套a(034)、滑动板(035)、载荷支座(036)、载荷传感器(037)、滑套b(038)、防转臂(039)、滑套c(0310)、推力套筒(0311)、丝杠螺母(0312)；后锁紧组件(04)包括后锁紧轴(041)、后锁紧锥齿轮(042)、后锁紧齿轮(043)；前锁紧组件(05)包括前锁紧轴(051)、前锁紧锥齿轮(052)、前锁紧齿轮(053)；锁紧输出组件(06)包括锁紧输出锥齿轮a(061)、锁紧输入齿轮(062)、锁紧输出轴(063)、锁紧输出锥齿轮b(064)；后调频组件(07)包括后调频齿轮(071)、后调频轴(072)、后调频锥齿轮(073)；前调频组件(08)包括前调频轴(081)、前调频锥齿轮(082)、前调频齿轮(083)；调频输出组件(09)包括调频输出锥齿轮a(091)、调频输入齿轮(092)、调频输出轴(093)、调频输出锥齿轮b(094)；离合传动组件a(31)、离合传动组件b(32)、离合传动组件c(33)、离合传动组件d(34)的结构组成相同，均包括离合输出锥齿轮(301)、输出齿轮轴(302)、电磁铁(303)、弹簧(304)、绝磁花键轴(305)、导磁花键套(306)、绝磁齿轮轴(307)、离合输入锥齿轮(308)；其特征在于：导杆a(12)和导杆b(14)外圆两端设置有台阶轴，导杆a(12)和导杆b(14)两端外圆设置为公螺纹；定位立板(11)安装在导杆a(12)和导杆b(14)的后端台阶轴上，导杆固定座(13)安装在导杆a(12)和导杆b(14)前端台阶轴上；导杆a(12)和导杆b(14)的两端分别用螺母锁紧，定位立板(11)和导杆固定座(13)分别与机架固定连接；在超声发生组件(01)中，换能器(011)可以把超声频率发生器输出的电信号转化为机械振动信号输出，换能器(011)前端和换能定位座(012)后端用螺柱连接固紧；换能定位座(012)前端内腔设置为母螺纹，换能定位座(012)外圆前端设置为齿轮结构；后锁紧螺母(013)内腔设置为母螺纹，外部设置为齿轮结构；前锁紧螺母(015)内腔设置为母螺纹，外部设置为齿轮结构；固定支座(014)中部设置为法兰结构，法兰结构上均匀设置六个通孔，固定支座(014)外圆两端设置为公螺纹结构；位移放大器(016)后端内腔设置为母螺纹，位移放大器(016)外圆后端设置为齿轮结构，位移放大器(016)前端轮廓直径小于后端轮廓直径，位移放大器(016)前端设置有螺纹孔；后锁紧螺母(013)安装在固定支座(014)后端公螺纹上，换能定位座(012)前端母螺纹和固定支座(014)后端公螺纹配合；前锁紧螺母(015)安装在固定支座(014)前端的公螺纹上，位移放大器(016)后端和固定支座(014)前端公螺纹配合；固定支座(014)中部的法兰结构用螺钉固定在定位立板(11)上部；前离合安装座(15)用螺钉固定在定位立板(11)前端面，后离合安装座(16)用螺钉固定在定位立板(11)后端面；在动力输出组件(02)中，伺服电机(021)和减速器(022)后端用螺钉固定，减速器(022)前端和后离合安装座(16)用螺钉固定，减速器(022)的输出轴穿过后离合安装座(16)后部的通孔；联轴器(023)后端和减速器(022)输出轴平键传动，联轴器(023)前端和传动接头(024)后端平键传动；传动丝杠(028)外圆前部设置为丝杠结构，传动丝杠(028)外圆中部设置有键槽，传动丝杠(028)后端设置为螺纹；动力输出齿轮(027)和传动丝杠(028)外圆中部用平键连接，推力轴承a(025)和推力轴承b(026)分别安装在传动丝杠(028)后部外圆上，传动接头(024)前端和传动丝杠(028)后端螺纹固紧；传...

【技术特征摘要】
1.一种自适应频率式超声疲劳试验机，是由超声发生组件(01)、动力输出组件(02)、平均应力加载组件(03)、后锁紧组件(04)、前锁紧组件(05)、锁紧输出组件(06)、后调频组件(07)、前调频组件(08)、调频输出组件(09)、离合传动组件a(31)、离合传动组件b(32)、离合传动组件c(33)、离合传动组件d(34)、定位立板(11)、导杆a(12)、导杆固定座(13)、导杆b(14)、前离合安装座(15)、后离合安装座(16)和试件(17)构成；超声发生组件(01)包括换能器(011)、换能定位座(012)、后锁紧螺母(013)、固定支座(014)、前锁紧螺母(015)、位移放大器(016)；动力输出组件(02)包括伺服电机(021)、减速器(022)、联轴器(023)、传动接头(024)、推力轴承a(025)、推力轴承b(026)、动力输出齿轮(027)、传动丝杠(028)；平均应力加载组件(03)包括拉力螺杆(031)、加载支座(032)、托盘(033)、滑套a(034)、滑动板(035)、载荷支座(036)、载荷传感器(037)、滑套b(038)、防转臂(039)、滑套c(0310)、推力套筒(0311)、丝杠螺母(0312)；后锁紧组件(04)包括后锁紧轴(041)、后锁紧锥齿轮(042)、后锁紧齿轮(043)；前锁紧组件(05)包括前锁紧轴(051)、前锁紧锥齿轮(052)、前锁紧齿轮(053)；锁紧输出组件(06)包括锁紧输出锥齿轮a(061)、锁紧输入齿轮(062)、锁紧输出轴(063)、锁紧输出锥齿轮b(064)；后调频组件(07)包括后调频齿轮(071)、后调频轴(072)、后调频锥齿轮(073)；前调频组件(08)包括前调频轴(081)、前调频锥齿轮(082)、前调频齿轮(083)；调频输出组件(09)包括调频输出锥齿轮a(091)、调频输入齿轮(092)、调频输出轴(093)、调频输出锥齿轮b(094)；离合传动组件a(31)、离合传动组件b(32)、离合传动组件c(33)、离合传动组件d(34)的结构组成相同，均包括离合输出锥齿轮(301)、输出齿轮轴(302)、电磁铁(303)、弹簧(304)、绝磁花键轴(305)、导磁花键套(306)、绝磁齿轮轴(307)、离合输入锥齿轮(308)；其特征在于：导杆a(12)和导杆b(14)外圆两端设置有台阶轴，导杆a(12)和导杆b(14)两端外圆设置为公螺纹；定位立板(11)安装在导杆a(12)和导杆b(14)的后端台阶轴上，导杆固定座(13)安装在导杆a(12)和导杆b(14)前端台阶轴上；导杆a(12)和导杆b(14)的两端分别用螺母锁紧，定位立板(11)和导杆固定座(13)分别与机架固定连接；在超声发生组件(01)中，换能器(011)可以把超声频率发生器输出的电信号转化为机械振动信号输出，换能器(011)前端和换能定位座(012)后端用螺柱连接固紧；换能定位座(012)前端内腔设置为母螺纹，换能定位座(012)外圆前端设置为齿轮结构；后锁紧螺母(013)内腔设置为母螺纹，外部设置为齿轮结构；前锁紧螺母(015)内腔设置为母螺纹，外部设置为齿轮结构；固定支座(014)中部设置为法兰结构，法兰结构上均匀设置六个通孔，固定支座(014)外圆两端设置为公螺纹结构；位移放大器(016)后端内腔设置为母螺纹，位移放大器(016)外圆后端设置为齿轮结构，位移放大器(016)前端轮廓直径小于后端轮廓直径，位移放大器(016)前端设置有螺纹孔；后锁紧螺母(013)安装在固定支座(014)后端公螺纹上，换能定位座(012)前端母螺纹和固定支座(014)后端公螺纹配合；前锁紧螺母(015)安装在固定支座(014)前端的公螺纹上，位移放大器(016)后端和固定支座(014)前端公螺纹配合；固定支座(014)中部的法兰结构用螺钉固定在定位立板(11)上部；前离合安装座(15)用螺钉固定在定位立板(11)前端面，后离合安装座(16)用螺钉固定在定位立板(11)后端面；在动力输出组件(02)中，伺服电机(021)和减速器(022)后端用螺钉固定，减速器(022)前端和后离合安装座(16)用螺钉固定，减速器(022)的输出轴穿过后离合安装座(16)后部的通孔；联轴器(023)后端和减速器(022)输出轴平键传动，联轴器(023)前端和传动接头(024)后端平键传动；传动丝杠(028)外圆前部设置为丝杠结构，传动丝杠(028)外圆中部设置有键槽，传动丝杠(028)后端设置为螺纹；动力输出齿轮(027)和传动丝杠(028)外圆中部用平键连接，推力轴承a(025)和推力轴承b(026)分别安装在传动丝杠(028)后部外圆上，传动接头(024)前端和传动丝杠(028)后端螺纹固紧；传动丝杠(028)穿过定位立板(11)中部通孔，推力轴承a(025)和定位立板(11)后端面贴合，推力轴承b(026)和定位立板(11)前端面贴合；在平均应力加载组件(03)中，加载支座(032)内腔设置为台阶孔，加载支座(032)和滑动板(035)上部法兰连接，拉力螺杆(031)放置于加载支座(032)内腔台阶孔内；托盘(033)和滑动板(035)用螺钉固紧，托盘(033)安装在加载支座(032)下方位置；滑套a(034)外圆和滑动板(035)上部通孔配合，滑套a(034)和滑动板(035)用螺钉固定；滑套b(038)和滑动板(035)下部通孔配合，滑套b(038)和滑动板(035)用螺钉固定；载荷传感器(037)为轮辐式结构，载荷传感器(037)内腔和载荷支座(036)外圆中部丝扣固紧，载荷传感器(037)和滑动板(035)中部用螺钉固紧；载荷支座(036)后端和推力套筒(0311)前端用螺钉固紧；滑套c(0310)安装在防转臂(039)下部通孔内，滑套c(0310)和防转臂(039)用螺钉固定，防转臂(039)上端和推力套筒(0311...

【专利技术属性】
技术研发人员：张梁，王弘，
申请(专利权)人：西南石油大学，
类型：发明
国别省市：四川,51