CN105842080B - 一种感应加热模式下复合载荷材料力学测试系统 - Google Patents

一种感应加热模式下复合载荷材料力学测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种感应加热模式下复合载荷材料力学测试系统。本发明包括包括拉伸模块驱动单元、双端扭转模块驱动单元、测试系统、感应加热系统和视觉系统；拉伸模块驱动单元由双向滚珠丝杠带动双端扭转模块承载台沿试验台水平方向同步拉伸；双端扭转模块完成对被试件的双端扭转加载工况；感应加热系统包括运动部分和感应加热部分，用于模拟被试件在高温工况下的测试试验；视觉系统包括工业内窥镜和工业摄像机，工业内窥镜能够承受一定高温工况，用于采集和观察被试件在热‑力耦合工况下的动态应变过程。本发明对被试件进行拉伸、扭转、疲劳等单一载荷及复合载荷工况测试，同时利用高温内窥镜及工业摄像机对被试件进行动态应变过程测试。

Description

一种感应加热模式下复合载荷材料力学测试系统
技术领域
本发明属于材料力学试验测试技术领域，特别涉及一种感应加热模式下复合载荷材料力学测试系统。
背景技术
材料力学性能测试需要模拟实际工况下材料的力学性能，不仅需要模拟力学工况，还要模拟实际温度场，同时需要观察被试件在热-力耦合场下的应变过程，本测试系统包括拉伸模块驱动单元、双端扭转模块驱动单元、测试系统、感应加热系统、视觉系统等。既可以实现拉伸试验、扭转试验、疲劳试验、拉-扭复合载荷试验、拉力-疲劳复合载荷试验，疲劳试验同时可以通过感应加热系统模拟一定温度的温度场，利用高温内窥镜和工业摄像机配合采集热-力耦合场下的动态应变过程。
目前针对材料力学性能测试的设备中可用于测试单一载荷、复合载荷进行力学测试，但由于温度场模拟多是利用热电阻丝加热然后利用风机设施通风口散热控制温度，设备体积庞大，不利于进行小试件台架试验同时不便于观测动态应变过程。
发明内容
本发明的目的是针对现有力学性能测试系统载荷单一，辅助测试系统难以布置，如：缺少动态扭矩载荷工况的缺陷，加热设备的不利于进行小试件台架试验同时不便于观测动态应变过程的缺陷，提供一种利用感应加热的原理模拟温度场，对被试件进行拉伸、扭转、疲劳等单一载荷及复合载荷工况测试，同时利用高温内窥镜及工业摄像机对被试件进行动态应变过程测试。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：
本发明包括拉伸模块驱动单元、双端扭转模块驱动单元、测试系统、感应加热系统和视觉系统；拉伸模块驱动单元由双向滚珠丝杠带动双端扭转模块承载台沿试验台水平方向同步拉伸；双端扭转模块完成对被试件的双端扭转加载工况；感应加热系统包括运动部分和感应加热部分，用于模拟被试件在高温工况下的测试试验；视觉系统包括工业内窥镜和工业摄像机，工业内窥镜能够承受一定高温工况，用于采集和观察被试件在热-力耦合工况下的动态应变过程。
所述的拉伸模块驱动单元由拉伸模块驱动单元电机提供动力，动力经减速器传至丝杠，实现减速增扭，再由双向滚珠丝杠传至双端扭转模块承载台，进而传至被试件，双向滚珠丝杠与双端扭转模块承载台之间通过螺母副连接；双端扭转模块承载台下端连接有滑块上，在导轨的导向作用下拉动被试件沿水平方向移动；拉伸模块驱动单元电机经减速器减速，输出轴通过联轴器与双向滚珠丝杆连接，带动滚珠丝杆低速转动，螺母副连接在双端扭转模块承载台上，拉动承载台水平移动。
所述的双端扭转模块驱动单元采用对称结构，以保证被试件两端扭转载荷相同，包括位于双端扭转模块承载台的扭转电机、连接法兰、扭矩转速仪、轴承端盖、法兰角接触轴承、拉扭复合传感器和专用夹具组成，低速大扭矩的扭转电机通过键与连接法兰连接，连接法兰另一端与扭矩转速仪通过均布螺栓连接，扭矩转速仪通过连接法兰、键与轴承支承座的一端连接；轴承支承座的另一端通过连接法兰与拉扭复合传感器相连，拉扭复合传感器通过专用夹具连接被试件；双端扭转模块驱动单元由双端扭转模块承载台的低速大扭矩电机双端扭转驱动电机提供扭转动力，通过扭矩转速仪、拉扭复合传感器传至被试件，其中为保证扭矩转速仪和双端扭转驱动电机的输出轴在拉伸试验时不受拉力，轴承处采用双法兰角接触轴承，将拉力卸载到轴承支撑座，拉扭复合传感器安装在轴承支承座靠近被试件一侧，一方面可保证拉扭复合传感器在卸荷前可以测得拉力，另一方面可以保证测得的拉力更靠近被试件，使测得的被试件所受的拉力更为准确；双端扭转模块驱动单元主要是对被试件施加扭转载荷，若施加交变扭转载荷还可进行疲劳试验。
所述的测试系统主要是扭矩转速传感器、拉扭复合传感器、热电偶测温传感器等，扭矩转速传感器可以测试拉伸过程中的扭转载荷，并可形成闭环反馈控制；拉扭复合传感器可以测得拉伸载荷，同时在拉扭工况下可承受一定的载荷；热电偶测温传感器布置在被试件上，以模拟一定温度的试验工况；传感器获取的信号由测试系统采集，并可在相应控制系统中查看信号数据。
所述的感应加热系统主要是对被试件进行加热，以模拟实际高温工况；感应加热系统包括运动部分和感应加热部分，运动部分由感应加热运动电机、带传动直线运动系统和感应加热平台组成，运动部分动力由感应加热运动电机驱动，动力输入到带传动直线运动系统的输入端，使得感应加热平台沿水平运动；当进行高温试验时，开启拉伸模块驱动单元电机使得加热铜管位于专用夹具前方；感应加热部分主要有感应加热铜管线圈、感应线圈支撑座、感应加热电气组成等；感应加热主要利用铜管产生交变磁场在被试件处产生感应电流以使被试件温度升高，利用布置在被试件表面的温度传感器测得被试件的温度，以满足被试件在高温工况下力学性能试验。
所述的视觉系统主要是观测被试件在热应力和拉伸应力、扭转应力作用下被试件表面处发生动态变化过程，主要包括工业内窥镜和工业摄像机。
本发明有益效果如下：
本发明提供一种利用感应加热原理快速模拟材料实际服役工况下的温度场，并对被试件进行复合载荷工况下力学性能测试的系统。与现有试验测试装置相比，现有装置未克服拉伸-扭转复合载荷下对传动设计的要求；在少数可模拟温度场的测试装置中，多是单一载荷测试，部分装置模拟温度场是利用热电阻丝加热，利用风机通风散热控制温度，设备体积庞大，不利于进行小试件台架试验。本发明可以精确模拟单轴拉伸、双轴同步拉伸、双端扭转载荷、动态扭转载荷、拉伸疲劳载荷、扭转疲劳载荷等单一载荷及复合载荷工况测试；本发明利用感应加热原理快速模拟温度场，较为真实地模拟工件服役温度环境；系统总成包含视觉系统，利用高温内窥镜及工业摄像机对被试件高温服役工况下进行动态应变过程测试；本综合测试系统包含专业测试软件，实现温度、载荷可控。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的具体结构图；
图3为本发明的整体结构主视图；
图4为本发明的整体结构俯视图；
图5为本发明的整体结构左视图；
图6为本发明的拉伸模块驱动单元结构示意图；
图7为本发明的双端扭转模块驱动单元结构示意图；
图中：I、拉伸模块驱动单元；II.双端扭转模块驱动单元；III.感应加热系统；IV.测试系统；V.视觉系统；
图中：1.双端扭转驱动电机①；2.连接法兰①；3.扭矩转速仪；4.连接法兰②；5.轴承支承座；6.拉扭复合传感器；7.专用夹具；8.扭转驱动电机固定座；9.螺母副②；10.双向滚珠丝杠；11.联轴器；12.拉伸模块驱动单元减速器；13拉伸模块驱动单元电机；14.导轨定位座；15.滑块；16.双端扭转模块承载台；17.扭矩转速仪信号输出线；18.法兰角接触轴承；19.轴承端盖；20.感应加热固定座；21.固定平台；22.工业摄像机；23.标准接口；24.高温内窥镜；25.铜管支撑座；26.感应加热平台；27.感应加热运动电机；28.带传动直线运动系统；29.螺母副①；30.导轨；
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1～图7所示，一种感应加热模式下复合载荷材料力学测试系统，包括拉伸模块驱动单元I、双端扭转模块驱动单元II、感应加热系统III、测试系统IV和视觉系统V，参看图1。拉伸模块驱动单元I中导轨上的滑块15设置在双端扭转模块承载台16下端，双端扭转模块承载台16上端设置有双端扭转模块II，双端扭转模块II包括双端扭转驱动电机①、连接法兰①、扭矩转速仪3、轴承端盖19、法兰角接触轴承18、拉扭复合传感器6和专用夹具7；感应加热系统III包括运动部分和感应加热部分，感应加热平台26能够沿水平运动；视觉系统V能够借助高温内窥镜24和工业摄像机22观测材料动态应变过程。
如图2～图4所示，拉伸模块驱动单元I由拉伸模块驱动单元电机13提供动力，动力经减速器12传至丝杠10，实现减速增扭，再由双向滚珠丝杠10传至双端扭转模块承载台16，进而传至被试件，双向滚珠丝杠10与双端扭转模块承载台16之间通过螺母副②连接；双端扭转模块承载台16下端连接有滑块15上，在导轨30的导向作用下拉动被试件沿水平方向移动；拉伸模块驱动单元电机13经减速器12减速，输出轴通过联轴器11与双向滚珠丝杆10连接，带动滚珠丝杆10低速转动，螺母副29连接在双端扭转模块承载台16上，拉动承载台16水平移动。
如图2～图4所示双端扭转模块驱动单元II采用对称结构，以保证被试件两端扭转载荷相同，主要由位于双端扭转模块承载台16的扭转电机1、连接法兰①、扭矩转速仪3、轴承端盖19、法兰角接触轴承18、拉扭复合传感器6和专用夹具7组成，低速大扭矩的扭转电机1通过键与连接法兰①连接，连接法兰①另一端与扭矩转速仪3通过均布螺栓连接，扭矩转速仪3通过连接法兰②、键与轴承支承座5的一端连接；轴承支承座5的另一端通过连接法兰②与拉扭复合传感器6相连，拉扭复合传感器6通过专用夹具7连接被试件。
双端扭转模块驱动单元II主要由双端扭转模块承载台16的低速大扭矩电机双端扭转驱动电机①提供扭转动力，通过扭矩转速仪3、拉扭复合传感器6传至被试件，其中为保证扭矩转速仪3和双端扭转驱动电机①的输出轴在拉伸试验时不受拉力，轴承处采用双法兰角接触轴承18，将拉力卸载到轴承支撑座5，拉扭复合传感器6安装在轴承支承座5靠近被试件一侧，一方面可保证拉扭复合传感器6在卸荷前可以测得拉力，另一方面可以保证测得的拉力更靠近被试件，使测得的被试件所受的拉力更为准确。双端扭转模块驱动单元II主要是对被试件施加扭转载荷，若施加交变扭转载荷还可进行疲劳试验。
测试系统中的扭矩转速传感器3用于测试拉伸过程中的扭转载荷，并可形成闭环反馈控制；拉扭复合传感器6能够测得拉伸载荷，同时在拉扭工况下可承受一定的载荷(由于扭矩精度和量程等因素不用于反馈和测试信号)；热电偶测温传感器布置在被试件上，以模拟一定温度的试验工况。热电偶测温传感器获取的信号由测试系统采集，并可在相应控制系统中查看信号数据。
如图4～图7所示感应加热系统主要是对被试件进行加热，以模拟实际高温工况。主要由两部分组成：运动部分和感应加热部分，运动部分主要是由感应加热运动电机27、带传动直线运动系统28和感应加热平台26组成，运动部分动力由感应加热运动电机27驱动，动力输入到带传动直线运动系统28的输入端，使得感应加热平台26沿水平运动。当进行高温试验时，开启拉伸模块驱动单元电机13使得加热铜管位于专用夹具7前方；感应加热部分主要有感应加热铜管线圈、铜管支撑座、感应加热平台26等组成；铜管支撑座设置在感应加热平台26上，其上用于支撑感应加热铜管线圈。感应加热部分主要利用感应加热铜管线圈产生交变磁场在被试件处产生感应电流以使被试件温度升高，利用布置在被试件表面的温度传感器测得被试件的温度，以满足被试件在高温工况下力学性能试验。
视觉系统主要是观测被试件在热应力和拉伸应力、扭转应力作用下被试件表面处发生动态变化过程，主要包括高温内窥镜24和工业摄像机22，高温内窥镜24通过标准接口23与高温内窥镜24相连接。

Claims (4)

1.一种感应加热模式下复合载荷材料力学测试系统，其特征在于包括拉伸模块驱动单元、双端扭转模块驱动单元、测试系统、感应加热系统和视觉系统；拉伸模块驱动单元由双向滚珠丝杠带动双端扭转模块承载台沿试验台水平方向同步拉伸；双端扭转模块完成对被试件的双端扭转加载工况；感应加热系统包括运动部分和感应加热部分，用于模拟被试件在高温工况下的测试试验；视觉系统包括工业内窥镜和工业摄像机，工业内窥镜能够承受一定高温工况，用于采集和观察被试件在热-力耦合工况下的动态应变过程；
拉伸模块驱动单元由拉伸模块驱动单元电机提供动力，动力经减速器传至双向滚珠丝杠，实现减速增扭，再由双向滚珠丝杠传至双端扭转模块承载台，进而传至被试件，双向滚珠丝杠与双端扭转模块承载台之间通过螺母副连接；双端扭转模块承载台下端连接有滑块，在导轨的导向作用下拉动被试件沿水平方向移动；拉伸模块驱动单元电机经减速器减速，输出轴通过联轴器与双向滚珠丝杠连接，带动双向滚珠丝杠低速转动，螺母副连接在双端扭转模块承载台上，拉动承载台水平移动；
双端扭转模块驱动单元采用对称结构，以保证被试件两端扭转载荷相同，包括位于双端扭转模块承载台的扭转电机、连接法兰、扭矩转速仪、轴承端盖、法兰角接触轴承、拉扭复合传感器和专用夹具，低速大扭矩的扭转电机通过键与连接法兰连接，连接法兰另一端与扭矩转速仪通过均布螺栓连接，扭矩转速仪通过连接法兰、键与轴承支承座的一端连接；轴承支承座的另一端通过连接法兰与拉扭复合传感器相连，拉扭复合传感器通过专用夹具连接被试件；双端扭转模块驱动单元由双端扭转模块承载台的双端扭转驱动电机提供扭转动力，通过扭矩转速仪、拉扭复合传感器传至被试件，其中为保证扭矩转速仪和双端扭转驱动电机的输出轴在拉伸试验时不受拉力，轴承处采用双法兰角接触轴承，将拉力卸载到轴承支撑座，拉扭复合传感器安装在轴承支承座靠近被试件一侧，一方面保证拉扭复合传感器在卸荷前测得拉力，另一方面保证测得的拉力更靠近被试件，使测得的被试件所受的拉力更为准确；双端扭转模块驱动单元主要是对被试件施加扭转载荷。
2.如权利要求1所述的一种感应加热模式下复合载荷材料力学测试系统，其特征在于测试系统主要是扭矩转速传感器、拉扭复合传感器、热电偶测温传感器，扭矩转速传感器测试拉伸过程中的扭转载荷，并形成闭环反馈控制；拉扭复合传感器测得拉伸载荷，同时在拉扭工况下承受一定的载荷；热电偶测温传感器布置在被试件上，以模拟一定温度的试验工况；传感器获取的信号由测试系统采集，并在相应控制系统中查看信号数据。
3.如权利要求2所述的一种感应加热模式下复合载荷材料力学测试系统，其特征在于感应加热系统主要是对被试件进行加热，以模拟实际高温工况；感应加热系统包括运动部分和感应加热部分，运动部分由感应加热运动电机、带传动直线运动系统和感应加热平台组成，运动部分动力由感应加热运动电机驱动，动力输入到带传动直线运动系统的输入端，使得感应加热平台沿水平运动；当进行高温试验时，开启拉伸模块驱动单元电机使得加热铜管位于专用夹具前方；感应加热部分包括感应加热铜管线圈、铜管支撑座、感应加热平台；铜管支撑座设置在感应加热平台上，其上用于支撑感应加热铜管线圈；感应加热部分主要利用感应加热铜管线圈产生交变磁场在被试件处产生感应电流以使被试件温度升高，利用布置在被试件表面的温度传感器测得被试件的温度，以满足被试件在高温工况下力学性能试验。
4.如权利要求1所述的一种感应加热模式下复合载荷材料力学测试系统，其特征在于视觉系统主要是观测被试件在热应力和拉伸应力、扭转应力作用下被试件表面处发生动态变化过程，主要包括工业内窥镜和工业摄像机。
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