CN106018140B - 改进的同步辐射光源原位成像的疲劳试验机作动机构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种改进的同步辐射光源原位成像的疲劳试验机作动机构，设置在同步辐射光源的平台圆筒形状的底板之上用于在同步辐射光源原位成像的疲劳试验机上实现对试样施加竖向往复位移载荷。本发明比较上一代疲劳试验机做了进一步改进，减小凸轮作动方式所产生的摩擦，从而减小其能量的消耗并进一步增加其降噪性能；进一步充分保证试样上的载荷施加，相比上一代试验机在试验实施过程中的细节问题上做了更加详细的考虑。

Description

改进的同步辐射光源原位成像的疲劳试验机作动机构

技术领域

本发明涉及一种用同步辐射光源进行原位成像的疲劳试验机的试样作动机构以及安装与实验方法

背景技术

长期以来，人们就工程结构的疲劳破坏问题开展了大量的研究。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，使得服役过程中循环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，进而为工程零部件的寿命设计提供更加可靠的理论依据，需要通过疲劳试验机对零部件进行试验，获取材料在外载荷作用下的宏观定量力学参数。原位疲劳试验通过将电子显微技术与传统的材料疲劳测试技术有效地结合，在对材料试样进行力学加载和疲劳测试过程中，分阶段的停机，停机时通过实验平台上集成的显微成像系统，对材料组织结构变化、微观变形损伤、进行原位成像记录；宏观的疲劳力学测试数据和多个阶段的成像记录结合，即能反映材料的力学性能和显微组织演变规律，为分析固态材料的力学特性和微观组织演变规律提供了新的方法。

现有的原位疲劳试验装置中，显微成像系统一般为光学显微镜，由于其分辨率以及放大倍率较低，测试效果有很大的局限性。近年来，出现了使用扫描电子显微镜(SEM)的疲劳试验机。如：德国的Kammrath&Weiss公司开发的原位拉伸测试仪器利用伺服伺服电机驱动，配合SEM的使用，可以对金属材料进行原位疲劳测试。SEM分辨率达微米级，能更好的观察到材料的微观组织形貌和缺陷。但是，SEM只能得到材料的表面的二维图像，而不能得到材料的内部的三维立体图像；且其光源亮度低，光信号检测信噪比低，使得测量精度与检测灵敏度有待提高。

由西南交大牵引动力实验室吴圣川老师带头率先开发出了国内第一台可用于同步辐射成像的原位观测疲劳试验机，并已初步投入使用。其主要架构如中国专利CN105334237A所述。但在使用中发现疲劳试验机在疲劳试验的过程中，由于产生的振动剧烈，并且在试验过程中夹头对试样的作动常常会因为剧烈的振动导致松脱。另外，对试样发生塑性变形后无进一步的调节手段，以致试验无法顺利的进行下去，基于该实际情况，非常有必要对夹头的作动机构进行进一步的改进。

发明内容

鉴于现有技术的以上不足，本发明的目的是所改进后的可用于同步辐射光源进行原位成像的疲劳试验机试样作动机构，使其克服现有技术的不足。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

改进的同步辐射光源原位成像的疲劳试验机作动机构，设置在同步辐射光源的平台圆筒形状的底板之上用于在同步辐射光源原位成像的疲劳试验机上实现对试样施加竖向往复位移载荷，其特征在于,被测试样罩在由围罩围住的空间内，试样作动单元沿试验机底座中轴线竖向布置，分为下夹头和上夹头两个部分：从动杆带动下夹头上下往复移动，对试样施加竖向往复的位移载荷；驱使从动杆运动的作动机构采用滚动接触传动的形式；即：

推杆4通过水平的直线轴承二19安装在底座3的左壁和右壁上；底板1上表面的左侧安装有伺服电机5，受数据处理与控制装置24控制的伺服电机5轴上安装凸轮6；推杆4的左端开孔并装有滚动轴承轴27，滚动轴承7设置在滚动轴承轴27上并与凸轮6的右侧缘接触，推杆4中部和连杆8下端铰接，推杆4的右端通过弹簧9联接在底座3的右壁上。

进一步地，所述上夹头21具有两个部分，即上夹头上部分21a和上夹头下部分21b，上夹头上部分21a通过其上的通孔套置在与上夹头下部分21b固联的联接柱30上，上夹头上部分21a可沿联接柱30上下滑移；下夹头13亦采用同样的结构，具有下夹头上部分13a和下夹头下部分13b。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的疲劳试验机在疲劳试验的过程中，能够使用同步辐射光源直接原位对准疲劳试样进行同步辐射成像，进而得到材料的内部的三维立体图像；能很好地反映材料的力学性能和显微组织的演变规律。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，能更清晰、准确地反映材料的力学性能和显微组织的演变规律。从而本发明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。

针对上一代疲劳试验机做了进一步改进，对各个方面的性能指标提出了更高的要求：

1，作动机构中固定电机上增加了两个夹持零件电机夹紧3(38a和38b)，从而更好地将电机固定在底板上，增强系统的稳定性；

2，作动机构将原来的推杆4改为现有结构，并配合滚动轴承轴27使用；

3，作动机构中加入滚动轴承轴27、滚动轴承7、衬套32、圆柱销33等零件，将原来的凸轮推杆平面接触传动改为现有的滚动接触传动；相比上一代试验机在试验实施过程中的细节问题上做了更加详细的考虑。

附图说明

图1为安装在同步辐射光源进行原位成像的疲劳试验机时的整体结构示意图。

图2为本发明局部示意图。

图中：1为底板，1a为底部十字架，2为同步辐射光源平台，3为底座，4为推杆，5为伺服电机，6为凸轮，7为滚动轴承，8为连杆，9为弹簧，10为从动杆，11为直线轴承，12为盖板，13a、13b为下夹头上、下部分，14为围罩，15为顶盖，16为调压螺杆一，17为调节圆盘一，18为载荷传感器，19为直线轴承二，20为法兰工装，21a、21b为上夹头上、下部分，22为调节圆盘二，23为调压螺杆二，24为数据处理与控制装置，25为光发射器，26为光接收器，27为滚动轴承轴，28为碟簧，29为卡簧，30为联接柱，31为试样，32为衬套，33为圆柱销，34为圆螺母，35为定位杆，36为电机夹紧1，37为电机夹紧2，38为电机夹紧3。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

实施例

图1、图2示出，同步辐射光源进行原位成像的疲劳试验机，其组成是：

底板1底部的十字架1a嵌合在同步辐射光源的平台2上，底板1上表面的中部固定有圆筒形状的底座3；推杆4通过水平的直线轴承二19安装在底座3的左壁和右壁上；底板1上表面的左侧安装有伺服电机5，伺服电机5轴上安装凸轮6；推杆4的左端开孔并装有滚动轴承轴27，滚动轴承轴27装滚动轴承7并与凸轮6的右侧缘接触，推杆4中部和连杆8下端铰接，推杆4的右端通过弹簧9联接在底座3的右壁上。

本改进的同步辐射光源原位成像的疲劳试验机作动机构，设置在同步辐射光源的平台圆筒形状的底板1之上,其特征在于,所述作动机构由原先的平面接触传动变为现在的滚动接触传动；

所述作动机构，分为电机部分和推杆部分两个部分：在电机部分，电机5通过与电机夹紧36、37、38a、38b螺纹连接固定在底板1的上表面；电机轴上通过键连接安装凸轮6，凸轮6在电机轴上的定位采用的是一端顶住电机5，另一端通过安装在电机轴上的定位杆35以及其上的圆螺母34实现其轴向的定位，凸轮6直接与滚动轴承7接触；推杆部分主要由滚动轴承轴27、滚动轴承7、衬套32、圆柱销33、推杆4构成，推杆4前端开有可以放置滚动轴承轴27的定位孔，滚动轴承轴27的粗端与推杆4上的定位孔构成紧配合，另一端与衬套32过渡配合，衬套32上有法兰结构，防止其与推杆4配合松动出现轴向的滑动，同时帮助定位外端的销孔；衬套32与滚动轴承轴27通过圆柱销33进行连接，滚动轴承7安装于滚动轴承轴27的中间段，其在轴上的定位通过滚动轴承轴27的轴肩以及衬套32实现。

发明改进的同步辐射光源原位成像的疲劳试验机夹持机构设置在同步辐射光源的平台圆筒形状的底座3之上。夹持机构包括试样作动单元和塑性变形追加调整单元。

试样作动单元沿试验机底座中轴线竖向布置，分为下夹头段和上夹头段两个部分：在下夹头段，盖板12固定在底座3的顶部；从动杆10的顶端伸出盖板12与下夹头13联接，从动杆10与下夹头13之间设置有碟簧28；上夹头段由圆筒形的围罩14支撑，上夹头21悬置在下夹头13之上，由下往上依次通过法兰工装20联接传感器18和调压螺杆一16；调压螺杆一16与调节圆盘一17螺纹联接，调节圆盘一17的中部开孔并与载荷传感器的上端螺纹联接，载荷传感器18的下端与法兰工装20螺纹联接。

上夹头段设置有塑性变形追加调整单元，所述塑性变形追加调整单元包括调节圆盘二22和两个追加调压螺杆一16；调节圆盘二22通过其上的通孔套置在立于上夹头上的联接柱30上，并可沿联接柱30上下滑动。调压螺杆一16的端部顶在调节圆盘二22上。

这样，从动杆10的顶端伸出盖板12与下夹头13a、13b联接，盖板12的上表面同时嵌合一个圆筒形的围罩14并与盖板12螺纹联接固定，围罩14的顶部与顶盖15嵌合并螺纹联接，围罩14由透明材料制得，在本实施例中围罩14采用有机玻璃。顶盖15的底面开孔，通过调压螺杆一16与调节圆盘一17螺纹联接，调节圆盘一17的中部开孔并与载荷传感器18的上端螺纹联接，载荷传感器18的下端与法兰工装20螺纹联接，法兰工装20通过联接柱两端的螺纹与上夹头下部分21b联接；上夹头上部分21a与调节圆盘二22螺纹联接，调节圆盘二22通过调压螺杆二23a、23b与顶盖15相联接，上夹头21a、21b位于下夹头13的正上方；

伺服电机5、载荷传感器18均与数据处理与控制装置24电联接。

对原疲劳试验机进行改进部分为试样的作动机构，其组成是：

所述作动机构，分为电机部分和推杆部分两个部分：在电机部分，电机5通过与电机夹紧36、37、38a、38b螺纹连接固定在底板1的上表面；电机轴上通过键连接安装凸轮6，凸轮6在电机轴上的定位采用的是一端顶住电机5，另一端通过安装在电机轴上的定位杆35以及其上的圆螺母34实现其轴向的定位，凸轮6直接与滚动轴承7接触；推杆部分主要由滚动轴承轴27、滚动轴承7、衬套32、圆柱销33、推杆4构成，推杆4前端开有可以放置滚动轴承轴27的定位孔，滚动轴承轴27的粗端与推杆4上的定位孔构成紧配合，另一端与衬套32过渡配合，衬套32上有法兰结构，防止其与推杆4配合松动出现轴向的滑动，同时帮助定位外端的销孔；衬套32与滚动轴承轴27通过圆柱销33进行连接，滚动轴承7安装于滚动轴承轴27的中间段，其在轴上的定位通过滚动轴承轴27的轴肩以及衬套32实现。

具体使用时，采用如下的步骤：

A、试件的安装

将围罩14取下，将试样置于下夹头正上方，并通过螺钉将下夹头夹紧试样，再将围罩14通过螺纹联接安装于底座3上，然后将试样上端装入事先装配好的上夹头上部分21a与下部分21b的空隙内，并将围罩14与顶盖15螺纹联接好，将试样完全罩在由围罩14围住的空间内，同时拧动调压螺杆一16和调压螺杆二23，使得上夹头完全作动住试样，同时在控制界面上可以看到载荷传感器采到的力信号变为零，可以准备进行试验；

B、原位疲劳试验

数据处理与控制装置24控制电机5以设定的频率转动，带动凸轮6转动，进而通过推杆4、连杆8、从动杆10带动下夹头13上下往复移动，对试样施加竖向往复的位移载荷；

同时，载荷传感器18检测到试样承受的载荷信号，传递给数据处理与控制装置；

当往复竖向位移载荷达到设定的成像循环次数后，数据处理与控制装置控制电机5停止转动，再启动同步辐射光源，同步辐射光源的平台2旋转，带动底板1及底板上的试样进行360度旋转；同时，同步辐射光源的光发射器25发出的同步辐射光穿透围罩14，再穿透360度旋转的试样后由同步辐射光源的光接收器26接收，完成对试样的360度成像；

重复以上操作，直至达到设定的完成试验的循环次数。

Claims (3)

1.改进的同步辐射光源原位成像的疲劳试验机作动机构，设置在同步辐射光源的平台圆筒形状的底板之上用于在同步辐射光源原位成像的疲劳试验机上实现对试样施加竖向往复位移载荷，其特征在于,被测试样罩在由围罩围住的空间内，试样作动单元沿试验机底座中轴线竖向布置，分为下夹头和上夹头两个部分：从动杆带动下夹头上下往复移动，对试样施加竖向往复的位移载荷；驱使从动杆运动的作动机构采用滚动接触传动的形式；即：

伺服电机(5)通过与电机夹紧(36、37、38)螺纹连接固定在底板(1)的上表面；电机轴上通过键连接安装凸轮(6)，凸轮(6)一端顶住电机(5)，另一端通过安装在电机轴上的定位杆(35)和其上的圆螺母(34)以实现其轴向的定位，凸轮(6)直接与滚动轴承(7)接触；推杆(4)左端开有放置滚动轴承轴(27)的定位孔，滚动轴承轴(27)的粗端与推杆(4)上的定位孔构成紧配合，另一端与衬套(32)过度配合，衬套(32)上有法兰工装(20)，防止其与推杆(4)配合松动出现轴向的滑动，同时帮助定位外端的销孔；衬套(32)与滚动轴承轴(27)通过圆柱销(33)进行连接，滚动轴承(7)安装于滚动轴承轴(27)的中间段，其在轴上的定位通过滚动轴承轴(27)的轴肩以及衬套(32)实现；

推杆(4)通过水平的直线轴承二(19)安装在底座(3)的左壁和右壁上；底板(1)上表面的左侧安装有伺服电机(5)，受数据处理与控制装置(24)控制的伺服电机(5)轴上安装凸轮(6)；推杆(4)的左端开孔并装有滚动轴承轴(27)，滚动轴承(7)设置在滚动轴承轴(27)上并与凸轮(6)的右侧缘接触，推杆(4)中部和连杆(8)下端铰接，推杆(4)的右端通过弹簧(9)联接在底座(3)的右壁上；从动杆(10)的顶端伸出盖板(12)与下夹头(13a、13b)联接，从动杆(10)与下夹头(13a、13b)之间设置有碟簧(28)。

2.根据权利要求1所述的改进的同步辐射光源原位成像的疲劳试验机作动机构，其特征在于，所述围罩(14)的部分或整体采用透明材料制得。

3.根据权利要求1所述的改进的同步辐射光源原位成像的疲劳试验机作动机构，其特征在于，所述上夹头(21)具有两个部分，即上夹头上部分(21a)和上夹头下部分(21b)，上夹头上部分(21a)通过其上的通孔套置在与上夹头下部分(21b)固联的联接柱(30)上，上夹头上部分(21a)可沿联接柱(30)上下滑移；下夹头(13)亦采用同样的结构，具有下夹头上部分(13a)和下夹头下部分(13b)。