一种基于同步辐射的扭转微动疲劳试验设备制造技术

一种基于同步辐射的扭转微动疲劳试验设备，主要包括：机架的底板固定于回转平台上，底板上方的扭转伺服电机与下夹具座的底部相连；下夹具座通过轴承固定于机架的上板上；且其上部固定有下夹具；轴承的内圈安装有扭矩传感器；微动加载杆的上部与铰座铰接，上端内侧通过力传感器与加载头相连；下端与电动缸的端部相连；上板的周缘与有机玻璃筒下部的周缘连接，有机玻璃筒的钢顶盖连接上夹具；机架的左侧、右侧分别设有同步辐射光源的发射器和接收器。该装置能观察、记录、分析得出扭转微动件的载荷、扭矩、角度等宏观力学参数与裂纹等微观组织的变化、演变规律，从而为零部件的抗扭转疲劳设计提供更加全面、可靠的依据。

A torsional fretting fatigue test equipment based on synchrotron radiation

A torsional fretting fatigue test equipment based on synchrotron radiation mainly includes: the base plate of the frame is fixed on the rotary platform, the torsional servo motor above the base plate is connected with the bottom of the lower clamp seat; the lower clamp seat is fixed on the upper plate of the frame through the bearing; the upper part is fixed with the lower clamp; the inner ring of the bearing is installed with the torque sensor; the upper part of the fretting load bar is connected with the hinge of the hinge seat Connect, the inner side of the upper end is connected with the loading head through the force sensor; the lower end is connected with the end of the electric cylinder; the peripheral of the upper plate is connected with the peripheral of the lower part of the plexiglass cylinder, and the steel top cover of the plexiglass cylinder is connected with the clamp; the left side and the right side of the frame are respectively equipped with transmitters and receivers of the synchrotron radiation light source. The device can observe, record and analyze the load, torque, angle and other macro mechanical parameters of the torsional fretting parts, and the change and evolution law of the microstructure such as cracks, so as to provide a more comprehensive and reliable basis for the anti torsional fatigue design of the parts.

【技术实现步骤摘要】
一种基于同步辐射的扭转微动疲劳试验设备
本技术涉及一种基于同步辐射的扭转微动疲劳试验设备。
技术介绍
微动疲劳指“紧固”配合的接触表面由于承受外界交变疲劳应力引起接触界面发生微米量级的相对运动，使疲劳裂纹加速萌生和扩展，从而导致构件过早失效的现象。微动疲劳广泛存在于航空航天、汽车、机械、铁路、电力和生物医学等领域。微动疲劳按承受载荷类型的不同，可以分为拉压微动疲劳、扭转微动疲劳和弯曲微动疲劳等。扭转微动疲劳存在于轨道交通(高铁、动车)的车轴以及电机转轴等重要部件服役中，对我国高速铁路等重大装备服役安全性起着至关重要的作用。长期以来，人们就工程结构的疲劳破坏问题开展了大量的分析。一般认为，疲劳寿命主要消耗在裂纹萌生与短裂纹扩展阶段。短裂纹的扩展行为宏观上随着裂纹长度增大而发生变化，微观上还受到金属微观组织和环境等因素的影响，再加上裂纹闭合以及小裂纹效应等问题，使得服役过程中扭转载荷下的短裂纹的扩展问题变得十分复杂。为更好地探究裂纹在扩展过程中与微观组织变化以及宏观力学性能的关系，进而为零部件的设计提供更加可靠的依据，需要通过疲劳试验机对零部件进行试验，获取材料在扭转作用下的宏观定量力学参数。现有的扭转微动疲劳试验设备，是将试样的上、下端，分别夹持在上、下夹具，驱动下夹具扭转，使试样发生扭转微动；达到设定扭转次数后，完成扭转微动疲劳试验。试验完成后，再通过扫描电镜对试验后试样的表面磨斑和剖切后的剖面裂纹进行观察、分析。其存在的问题是：1、试验时，试样单独存在，与任何零部件没有紧密接触；与实际服役中的扭转微动部件总是与其余零部件“紧固”配合接触的工况不符，其试验结果的误差大、可靠性低。2、只能观察分析到试验完成后的表面磨斑和剖面裂纹，而不能动态实时观察记录试样在扭转微动疲劳过程中裂纹和磨斑的发生、发展、变化过程，从而不能分析与研究裂纹、微观组织的扩展过程、变化与“紧固”配合零件间的载荷、扭转的扭矩、角度等宏观力学性能的动态关系，不能为零部件的抗扭转疲劳设计提供更加全面、可靠的依据。
技术实现思路
本技术的专利技术目的是提供一种基于同步辐射的扭转微动疲劳试验设备，该装置在扭转微动疲劳试验试验时，试样处于与其余零部件紧固配合的状态，与实际工况更接近；其试验结果误差小、可靠性高；能观察、记录、分析裂纹等微观组织在试验中的扩展过程、变化，得出扭转微动件的载荷、扭转扭矩、角度等宏观力学性能与裂纹、微观组织变化的动态关系，从而为零部件的抗扭转疲劳设计提供更加全面、可靠的依据。本技术实现其专利技术目的，所采用的技术方案为，一种基于同步辐射的扭转微动疲劳试验设备，包括机架、机架上安装有下夹具、下夹具的正上方设有上夹具，上夹具用于夹持试样的上端，下夹具用于夹持试样的下端；其特征在于：所述的机架的底板固定于伺服电机驱动的回转平台上，底板上方的扭转伺服电机依次通过行星齿轮减速器、后同步轮、同步带、前同步轮与下夹具座的底部相连；所述的下夹具座通过轴承固定于机架的上板上；下夹具座的上部固定连接有下夹具，且下夹具的轴心位于回转平台的回转轴上；上板上还安装有光学角位移传感器，且光学角位移传感器的感应头对准下夹具；所述的轴承的内圈安装有扭矩传感器；所述的机架上板的左侧、右侧分别对称固定有铰座；竖直的微动加载杆的上部与铰座铰接，上端内侧通过力传感器与加载头相连；下端与横向的电动缸的端部相连；所述的机架的上板的周缘与有机玻璃筒下部的周缘连接，有机玻璃筒的钢顶盖内壁螺纹连接上夹具；所述的机架的左侧设置有同步辐射光源的发射器，机架的右侧设置有同步辐射光源的接收器，且发射器、接收器与试样处于同一条直线上；光学角位移传感器、扭矩传感器、伺服电机、扭转伺服电机和电动缸均与控制及处理装置电连接。本技术的工作过程和使用方法是：a、将有机玻璃筒从上板上取下，并将上夹具从有机玻璃筒的钢顶盖上取下；再将试样的下端夹持于下夹具，同时将试样的上端夹持于上夹具；然后将有机玻璃筒连接于上板上，再将上夹具螺纹连接于有机玻璃筒的钢顶盖的底部，完成试样的安装；b、控制及处理装置控制电动缸伸长，左、右侧的微动加载杆同时沿铰座旋转，其上端向内移动，通过压力传感器、加载头向内夹紧试样，并向试样施加设定的载荷；模拟微动产生的环境；同时由压力传感器实时读取试样承受的载荷，并传送给控制及处理装置；c、控制及处理装置控制扭转伺服电机，使其按设定的频率往复转动，并依次通过行星齿轮减速器、后同步轮、同步带、前同步轮、下夹具座及下夹具驱动试样作往复扭转运动；轴承内圈上的扭矩传感器实时检测试样承受的扭矩，光学角位移传感器实时检测试样的扭转角度，并反馈给控制及处理装置，实现扭矩的闭环控制；当扭转转动达到设定的循环次数时，控制及处理装置控制扭转伺服电机停止转动；d、控制及处理装置控制伺服电机，使回转平台带动机架及机架上的试样按设定的速度做360度的转动；同时，同步辐射光源的光发射器发出的同步辐射光穿透有机玻璃筒，再穿透360度转动的试样后，由同步辐射光源的光接收器接收，完成对试样的原位实时三维立体成像；e、重复c、d步的操作，直至完成试验设定的总扭转次数，结束试验。与现有技术相比，本技术的有益效果是：一、本技术的装置，将试样的疲劳试验与试样的同步辐射光源成像对接；在试样疲劳试验过程中，通过同步辐射光源直接对准试样，进行分阶段的原位同步辐射成像，实时分阶段得到试样内部的三维立体图像；同步辐射光的亮度高，其图像信噪比高，成像精度与灵敏度高，能获得发生在原子水平的材料扭转疲劳过程中的分阶段图像，这些过程包括生长机制、相变过程、固态作用、裂纹扩展、交界面过程和其他与时间相关的过程；从微观层面全面、精细的表征出试验材料的组织变化、裂纹扩展等信息。结合试验时加载的“紧固”载荷、扭转扭矩及扭转角度、扭转频率及次数，能够全面地观察、分析出试样的力学参数和裂纹等显微组织间的变化、演变关系。从而能为工程零部件的疲劳寿命设计提供更加可靠的试验依据。二、本技术通过电动缸、微动加载杆及加载头夹紧试样，使试样受到设定的“紧固”载荷，模拟出扭转微动部件均是处于其他部件“紧固”配合的环境；使其试验工况与实际的扭转微动部件的工况更接近；其试验结果误差小、可靠性高。三、通过行星齿轮减速器为核心的减速机构的减速增扭作用，保证了试样在精确的扭矩下进行扭转微动，也使试验结果更精确、可靠。进一步，本技术的轴承为交叉滚子轴承。这种轴承具有很好的轴向承载力，并可在径向调整预紧力，保证试样在扭转微动时，不会发生水平位移，进一步提高了试验结果的精确和可靠。下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步的详细说明。附图说明图1为本技术实施例的主视结构示意图。图2为本技术实施例去掉同步辐射光源的接收器和发射器后的左视结构示意图。具体实施方式实施例图1、图2示出，本技术的一种具体实施方式是，一种基于同步辐射的扭转微动疲劳试验设本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于同步辐射的扭转微动疲劳试验设备，包括机架(3)、机架(3)上安装有下夹具(13)、下夹具(13)的正上方设有上夹具(10)，上夹具(10)用于夹持试样(11)的上端，下夹具用于夹持试样(11)的下端；其特征在于：/n所述的机架(3)的底板(3a)固定于伺服电机(2a)驱动的回转平台(2)上，底板(3a)上方的扭转伺服电机(4)依次通过行星齿轮减速器(16)、后同步轮(18)、同步带(17)、前同步轮(19)与下夹具座(20)的底部相连；所述的下夹具座(20)通过轴承固定于机架(3)的上板(3b)上；下夹具座(20)的上部固定连接有下夹具(13)，且下夹具(13)的轴心位于回转平台(2)的回转轴上；上板(3b)上还安装有光学角位移传感器(6)，且光学角位移传感器(6)的感应头对准下夹具(13)；所述的轴承的内圈安装有扭矩传感器；/n所述的机架(3)上板(3b)的左侧、右侧分别对称固定有铰座(7)；竖直的微动加载杆(14)的上部与铰座(7)铰接，上端内侧通过力传感器(8)与加载头(9)相连；下端与横向的电动缸(15)的端部相连；/n所述的机架(3)的上板(3b)的周缘与有机玻璃筒(22)下部的周缘连接，有机玻璃筒(22)的钢顶盖内壁螺纹连接上夹具(10)；所述的机架(3)的左侧设置有同步辐射光源的发射器(25)，机架(3)的右侧设置有同步辐射光源的接收器(24)，且发射器(25)、接收器(24)与试样(11)处于同一条直线上；光学角位移传感器(6)、扭矩传感器、伺服电机(2a)、扭转伺服电机(4)和电动缸(15)均与控制及处理装置电连接。/n...

【技术特征摘要】
20180312 CN 20182033054521.一种基于同步辐射的扭转微动疲劳试验设备，包括机架(3)、机架(3)上安装有下夹具(13)、下夹具(13)的正上方设有上夹具(10)，上夹具(10)用于夹持试样(11)的上端，下夹具用于夹持试样(11)的下端；其特征在于：
所述的机架(3)的底板(3a)固定于伺服电机(2a)驱动的回转平台(2)上，底板(3a)上方的扭转伺服电机(4)依次通过行星齿轮减速器(16)、后同步轮(18)、同步带(17)、前同步轮(19)与下夹具座(20)的底部相连；所述的下夹具座(20)通过轴承固定于机架(3)的上板(3b)上；下夹具座(20)的上部固定连接有下夹具(13)，且下夹具(13)的轴心位于回转平台(2)的回转轴上；上板(3b)上还安装有光学角位移传感器(6)，且光学角位移传感器(6)的感应头对准...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭金方，朱旻昊，贺继樊，刘曦洋，高恒，蔡振兵，刘建华，王博通，杨鹏飞，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：新型
国别省市：四川;51