CN103278391B - 螺栓低温大载荷疲劳性能测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种低温环境下螺栓受大载荷作用时疲劳性能测试装置，包括低温箱(1)，导向柱(2)，转轴装置(3)，上加载拉杆(4)，试验夹具(5)，低温箱门(8)，液氮输入口(9)，限位锁紧装置(10)，横梁升降装置(11)，加载装置(12)，横梁(13)，控制面板(14)，位移传感器(15)，氮气出口(16)，基座(17)和下加载拉杆(18)。本发明实现了螺栓在低温环境下受大载荷作用时疲劳性能的测试，可进行低温动态低周疲劳、程控疲劳测试，实现对于螺纹在接近服役环境下承受大载荷时的疲劳性能参数测量和变形行为研究，操作简单，可行性高。
Description
技术领域
本发明涉及一种螺栓在低温环境、大载荷作用下疲劳性能的测试装置及方法，采用密闭液氮制冷，最大动态载荷可达1500kN，可进行低温动态低周疲劳、程控疲劳测试，实现螺栓低温动静力学性能的表征，特别涉及结构的低温疲劳力学性能测试，属于低温力学测试技术领域。
背景技术
低温技术对于国防建设、国民经济和科学研究等诸多领域都是不可缺少的技术，随着信息、能源、机械、航天及生命科学等工程的迅速发展，作为它们的相关支撑技术，低温技术也得到了相当的重视和相应的发展。在核能应用领域，低温超导材料可用于制作受控核聚变装置中数米口径的磁体，用于控制核聚变时释放出的大量的能量。在航天科学技术领域，无论从地面火箭发射，卫星的环境试验，深空探测，甚至未来太空空间的资源开发等工程都离不开低温技术的支持。螺栓连接作为一种可拆卸的固定连接形式，由于其具有强度高、可靠性好、安装方便、易于拆卸等优点，在许多低温设备、仪器及装置中有着广泛的应用。但是，螺栓接头不可避免地存在着起始缺陷，在动载荷作用下容易产生疲劳裂纹，尤其是低温环境下，螺栓材质容易低温冷脆，疲劳性能更差。此外，虽然理论研究表明，在常温下测得的疲劳强度用于低温零件设计一般是安全的，但是螺栓连接容易出现应力集中问题，产生疲劳缺口，并且材料在低温环境下对疲劳缺口的敏感性会有所提高。特别地，如果螺栓连接用于核聚变、航天等国防尖端领域，开展低温环境下螺栓连接疲劳性能测试，保证其安全可靠性是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种低温环境下螺栓受大载荷作用时疲劳性能测试装置及方法，采用向密闭箱体中充入液氮制冷的方法实现低温环境，采用电液伺服系统产生1500kN的最大动态载荷，可进行低温动态低周疲劳、程控疲劳测试，实现对于螺纹在接近服役环境下承受大疲劳载荷时的力学参数测量和变形行为研究，本发明从低温疲劳性能测试方法上进行了创新，实现了螺栓低温疲劳性能的测试和研究，可行性高，操作简单。
本发明提供的技术方案如下：
一种低温环境下螺栓受大载荷作用时疲劳性能测试装置，包括低温箱1，导向柱2，转轴装置3，上加载拉杆4，试验夹具5，低温箱门8，液氮输入口9，限位锁紧装置10，横梁升降装置11，加载装置12，横梁13，控制面板14，位移传感器15，氮气出口16，基座17和下加载拉杆18，如图1、图2所示。
其中，基座17上固定有下加载拉杆18和四个导向柱2，导向柱2的另一端与横梁13连接；横梁升降装置11两端分别固定在基座17和横梁13上，可以调节横梁13沿导向柱2上下移动；限位锁紧装置10固定在横梁升降装置11上，限定横梁升降装置11的位移；上加载拉杆4穿过横梁13与加载装置12固定连接；加载装置12固定在横梁13上，可以驱动横梁13进行加载；位移传感器15固定在加载装置12的上部，用于测量加载位移；低温箱1通过转轴装置3与导向柱2连接，保证低温箱1可以沿着导向柱2转动，低温箱1位于主机试验空间内，利用转轴装置3锁死以约束低温箱1的运动；下加载拉杆18和上加载拉杆4分别穿过低温箱1顶部和底部的拉杆引出口，低温箱1和上加载拉杆4之间的缝隙利用波纹管和密封垫密封；试验夹具5与上加载拉杆4固定连接；低温箱门8上部有液氮输入口9，下部有氮气出口16；控制面板14固定在导向柱2上，用于控制加载过程。
使用上述装置进行低温环境下螺栓受大载荷作用时疲劳性能测试的方法如下：
步骤101，将待测试螺栓6通过螺帽7装夹在试验夹具5上；
步骤102，将低温箱门8密封关闭，利用液氮储存罐通过箱门8上的液氮输入口9向低温箱1内输入液氮，当液面计达到上限位置时停止输入液氮，利用热电偶测量低温箱内的温度，在试验过程中，为了保证试验条件的稳定性，当液氮消耗至液面计下限位置时，又开始向低温箱1内输送液氮直到液面计上限为止，此外考虑到疲劳试验周期较长，液氮储存罐选用三只，配以位式控制装置，实现自动切换、自动报警、不间断向低温箱1中输送液氮；
步骤103，当达到试验温度时，设置横梁升降装置11上的限位锁紧装置10，通过控制面板14来控制加载装置12和横梁升降装置11，选择所需的控制波形(正弦、方波、三角波等)，进而驱动横梁13的上下移动进行疲劳载荷的加载；
步骤104，通过位移传感器15测量螺栓的疲劳变形数据，通过数据采集系统，将数据输入到外部计算机中，处理得到所需的图形和参数信息；
步骤105，试验结束后可以通过对低温箱1加压将剩余的液氮通过低温箱门8上的氮气出口16反压回液氮储存罐；
步骤106，打开低温箱门8，取出待测试螺栓6，观察其疲劳加载后的形貌和变形。
本发明实现了螺栓在低温环境下受大载荷作用时疲劳性能的测试，采用向密闭箱体中充入液氮制冷的方法实现低温环境，为保证低温箱的隔热性能，箱体采用圆筒构型；采用电液伺服系统对螺栓进行加载，最大动态载荷可达1500kN；为保证试验条件的稳定性，液氮供给采用循环反馈设置。可进行低温动态低周疲劳、程控疲劳测试，实现对于螺纹在接近服役环境下承受大载荷时的疲劳性能参数测量和变形行为研究，操作简单，可行性高。
附图说明
图1为本发明提供的一种螺栓低温大载荷疲劳性能测试系统(整体)示意图。
图2为本发明提供的一种螺栓低温大载荷疲劳性能测试系统(加载部分)示意图。
图中：1-低温箱；2-导向柱；3-转轴装置；4-上加载拉杆；5-试验夹具；6-待测试螺栓；7-螺帽；8-低温箱门；9-液氮输入口；10-限位锁紧装置；11-横梁升降装置；12-加载装置(电液伺服系统等)；13-横梁；14-控制面板；15-位移传感器(线性可变差动变压器(LVDT)、电容式传感器等)；16-氮气出口；17-基座；18-下加载拉杆。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式：
参考图1、图2所示，一种低温环境下螺栓受大载荷作用时疲劳性能测试装置，包括低温箱1(为保证低温箱的隔热性能，箱体采用圆筒构型)，导向柱2，转轴装置3，上加载拉杆4，试验夹具5，低温箱门8，液氮输入口9，限位锁紧装置10，横梁升降装置11、电液伺服系统12，横梁13，控制面板14，线性可变差动变压器(LVDT)15，氮气出口16，基座17，下加载拉杆18。
其中，基座17上固定有下加载拉杆18和四个导向柱2，导向柱2的另一端与横梁13连接；横梁升降装置11两端分别固定在基座17和横梁13上，可以调节横梁13沿导向柱2上下移动；限位锁紧装置10固定在横梁升降装置11上，限定横梁升降装置11的位移；上加载拉杆4穿过横梁13与电液伺服系统12固定连接；电液伺服系统12固定在横梁13上，可以驱动横梁13进行加载；线性可变差动变压器(LVDT)15固定在电液伺服系统12的上部，用于测量加载位移；低温箱1通过转轴装置3与导向柱2连接，保证低温箱1可以沿着导向柱2转动，低温箱1位于主机试验空间内，利用转轴装置3锁死以约束低温箱1的运动；下加载拉杆18和上加载拉杆4分别穿过低温箱1顶部和底部的拉杆引出口，低温箱1和上加载拉杆4之间的缝隙利用波纹管和密封垫密封；试验夹具5与上加载拉杆4固定连接；低温箱门8上部有液氮输入口9，下部有氮气出口16；控制面板14固定在导向柱2上，用于控制加载过程。
使用上述装置进行低温环境下螺栓受大载荷作用时疲劳性能测试的方法如下：
步骤101，将待测试螺栓6通过螺帽7装夹在试验夹具5上；
步骤102，将低温箱门8密封关闭，利用液氮储存罐通过箱门8上的液氮输入口9向低温箱1内输入液氮，当液面计达到上限位置时停止输入液氮，利用热电偶测量低温箱内的温度，在试验过程中，为了保证试验条件的稳定性，当液氮消耗至液面计下限位置时，又开始向低温箱1内输送液氮直到液面计上限为止，此外考虑到疲劳试验周期较长，液氮储存罐选用三只，配以位式控制装置，实现自动切换、自动报警、不间断向低温箱1中输送液氮；
步骤103，当达到试验温度时，设置横梁升降装置11上的限位锁紧装置10，通过控制面板14来控制电液伺服系统12和横梁升降装置11，选择所需的控制波形(正弦、方波、三角波等)，进而驱动横梁13的上下移动进行疲劳载荷的加载；
步骤104，通过线性可变差动变压器(LVDT)15测量螺栓的疲劳变形数据，通过数据采集系统，将数据输入到外部计算机中，处理得到所需的图形和参数信息；
步骤105，试验结束后可以通过对低温箱1加压将剩余的液氮通过低温箱门8上的氮气出口16反压回液氮储存罐；
步骤106，打开低温箱门8，取出待测试螺栓6，观察其疲劳加载后的形貌和变形。
Claims (7)
1.一种低温环境下螺栓受大载荷作用时疲劳性能测试装置，包括低温箱(1)，导向柱(2)，上加载拉杆(4)，低温箱门(8)，加载装置(12)，横梁(13)，基座(17)和下加载拉杆(18)；其特征是，还包括：转轴装置(3)，试验夹具(5)，液氮输入口(9)，限位锁紧装置(10)，横梁升降装置(11)，控制面板(14)，位移传感器(15)，氮气出口(16)；
其中，基座(17)上固定有下加载拉杆(18)和四个导向柱(2)，导向柱(2)的另一端与横梁(13)连接；横梁升降装置(11)两端分别固定在基座(17)和横梁(13)上，可以调节横梁(13)沿导向柱(2)上下移动；限位锁紧装置(10)固定在横梁升降装置(11)上，限定横梁升降装置(11)的位移；上加载拉杆(4)穿过横梁(13)与加载装置(12)固定连接；加载装置(12)固定在横梁(13)上，可以驱动横梁(13)进行加载；位移传感器(15)固定在加载装置(12)的上部，用于测量加载位移；低温箱(1)通过转轴装置(3)与导向柱(2)连接，保证低温箱(1)可以沿着导向柱(2)转动，低温箱(1)位于主机试验空间内，利用转轴装置(3)锁死以约束低温箱(1)的运动；下加载拉杆(18)和上加载拉杆(4)分别穿过低温箱(1)顶部和底部的拉杆引出口，低温箱(1)和上加载拉杆(4)之间的缝隙利用波纹管和密封垫密封；试验夹具(5)与上加载拉杆(4)固定连接；低温箱门(8)上部有液氮输入口(9)，下部有氮气出口(16)；控制面板(14)固定在导向柱(2)上，用于控制加载过程。
2.如权利要求1所述的测试装置，其特征是，所述的位移传感器(15)为线性可变差动变压器或电容式传感器。
3.如权利要求1所述的测试装置，其特征是，所述的加载装置(12)为电液伺服系统。
4.如权利要求1所述的测试装置，其特征是，为保证低温箱(1)的隔热性能，低温箱(1)的箱体采用圆筒构型。
5.一种使用权利要求1至4之一所述的测试装置进行低温环境下螺栓受大载荷作用时疲劳性能测试的方法如下：
步骤101，将待测试螺栓(6)通过螺帽(7)装夹在试验夹具(5)上；
步骤102，将低温箱门(8)密封关闭，利用液氮储存罐通过箱门(8)上的液氮输入口(9)向低温箱(1)内输入液氮，当液面计达到上限位置时停止输入液氮，利用热电偶测量低温箱内的温度，在试验过程中，为了保证试验条件的稳定性，当液氮消耗至液面计下限位置时，又开始向低温箱(1)内输送液氮直到液面计上限为止；
步骤103，当达到试验温度时，设置横梁升降装置(11)上的限位锁紧装置(10)，通过控制面板(14)来控制加载装置(12)和横梁升降装置(11)，选择所需的控制波形，进而驱动横梁(13)的上下移动进行疲劳载荷的加载；
步骤104，通过位移传感器(15)测量螺栓的疲劳变形数据，通过数据采集系统，将数据输入到外部计算机中，处理得到所需的图形和参数信息。
6.如权利要求5所述的低温环境下螺栓受大载荷作用时疲劳性能测试的方法，其特征是，进一步包括：
步骤105，试验结束后通过对低温箱(1)加压将剩余的液氮通过低温箱门(8)上的氮气出口(16)反压回液氮储存罐；
步骤106，打开低温箱门(8)，取出待测试螺栓(6)，观察其疲劳加载后的形貌和变形。
7.如权利要求5所述的低温环境下螺栓受大载荷作用时疲劳性能测试的方法，其特征是，步骤102中，考虑到疲劳试验周期较长，液氮储存罐选用三只，配以位式控制装置，实现自动切换、自动报警、不间断向低温箱(1)中输送液氮。
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