CN106996897A - 中子衍射高温测角仪及其专用力学加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种中子衍射高温测角仪及其专用力学加载装置，属于材料力学性能测试领域。包括高温测角仪单元、专用力学加载单元两部分，测角仪单元能够使力学加载系统单元旋转，对试件可实现0°~90°的倾斜旋转操作，力学加载系统单元还可以对试件实现绕自身轴线0°~360°的自由旋转操作，满足不同衍射角度的需求；力学加载系统单元集成了卤素加热灯、光栅尺等，实现对试件加热并测量试件产生的形变；控制系统单元可在线实时调整测角仪参数、力学加载指标以及加热温度等。本发明的优势在于：该装置能够在力学加载条件下实现对被测试样两个方向旋转的精确控制；在满足中子衍射应力谱仪束流角度要求的条件下，能够对被测试样实现从室温到1000℃的无级闭环温控。

Description

中子衍射高温测角仪及其专用力学加载装置

技术领域

本发明涉及材料力学测试领域，特别涉及一种中子衍射高温测角仪及其专用力学加载装置。本发明用于但不限用于中子衍射应力谱仪。能够对试样同时进行高温和大载荷拉伸/压缩力学载荷加载，加载的同时具有实现试样绕自身轴线0°~360°旋转和0°~90°倾斜定位的功能。本发明配合中子衍射应力谱仪共同使用，可对大载荷、热场加载条件下材料内部三维应力分布、织构分布、变形行为、损伤机制和性能演变现象进行定性和定量描述。

背景技术

随着科学技术的进步，材料测试及保障技术越来越受到人们的重视。有资料表明，在众多影响材料测试与检测水平的因素中，缺乏接近服役条件下的测试技术与仪器，是制约新材料开发和高端装备制造业发展的技术瓶颈。因此开发接近服役条件的材料测试装置，对研究材料内部变形行为、损伤机制和性能演变规律具有重要的意义。中子衍射技术凭其卓越的深穿透性及相敏感性，已成为研究材料内部微观组织结构的有力手段。配合环境加载设备模拟材料服役条件，中子衍射应力谱仪能够原位检测材料微观结构变化信息，如内应力、相变及织构等，利用该手段可实现对材料使役条件下宏观性能与微观结构关联性的研究。目前，国内中子散（衍）射技术处于起步阶段，适用于中子衍射应力谱仪的环境加载装置和力学加载装置屈指可数。所以，研制用于中子衍射分析的材料力学性能测试装备具有重要的科学意义和应用价值。

发明内容

本发明的目的在于提供一种中子衍射高温测角仪及其专用力学加载装置，解决了现有技术存在的上述问题，填补行业空白。本发明着重提出一种集大载荷加载、高温加载和试样双旋转自由度姿态调整于一体的结构形式。本发明除具有传统材料试验机的拉伸/压缩功能外，还能够实现力学加载条件下试样绕自身轴线0°~360°旋转范围内和0°~90°倾斜旋转范围内的任意姿态调整。本发明的高温加载方式有别于传统的高温加热炉方式，采用卤素加热灯热辐射加热，极大地节省了空间，为小角中子衍射测试的应用提供了可能。本发明为接近服役条件下材料内部微观组织变化与宏观力学性能间相关性研究提供了新的测试装置。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

中子衍射高温测角仪及其专用力学加载装置，整体垂直布置在两个底脚64上，并采用螺栓固定；包括高温测角仪单元1、专用力学加载单元2两部分，所述高温测角仪单元1通过螺栓与专用力学加载单元2固定连接；所述高温测角仪单元1通过安川交流伺服电机3经由减速机4减速，带动皮带轮62，皮带轮62带动同步带25使带齿圆弧导轨57在0°~90°范围内任意旋转；其中，带齿圆弧导轨57由螺栓固定在底板56上的两个偏心滚轮59、两个同心滚轮60支撑，两个导轨润滑块61实现润滑；所述专用力学加载单元2在做拉伸试验时，通过依序连接的安川交流伺服电机3、减速机4，经过联轴器5驱动蜗杆7及蜗轮8，使滚珠丝杠14旋转，带动丝杠螺母平移，由丝杠螺母实现轴承座A39的同步移动，轴承座A39内部装有轴A43，轴A43由双列角接触球轴承44固定，轴A43的一端通过销轴67与拉伸夹具A47、拉伸夹具B48相连接；拉伸试件49的两端由拉伸夹具A47、拉伸夹具B48夹持，右侧的拉伸夹具A47、拉伸夹具B48由销轴67固定在轴B53上，轴B53由双列角接触球轴承44固定在轴承座B50内，端盖B54与调整垫42相连并通过螺栓固定在轴承座B50的一端，在端盖B54内，通过螺栓与拉压传感器55相连，拉压传感器55固定在后板21上。

所述的专用力学加载单元2中有两套相同的电机驱动组件，即分别由安川交流伺服电机3、减速机4驱动的小同步带轮24和同步带25，安川交流伺服电机3和减速机4分别通过电机连接架固定在轴承座A39和轴承座B50上；同步带25旋转，带动大同步带轮46旋转，大同步带轮46通过平键安装在轴A43和轴B53上，并由其自身旋转带动轴A43和轴B53旋转，实现拉伸试件49在0°~360°范围的旋转定位。

所述的用力学加载单元2中设有卤素加热灯34对拉伸试件49加热，卤素加热灯34通过螺栓与加热灯固定板35固定连接，加热灯固定板35通过螺栓与下框架26连接。

所述的专用力学加载单元2中设有两把光栅尺38通过光栅尺固定架A29、光栅尺固定架B30安装在下框架26上，应变测量采用光栅尺检测位移方式来实现；光栅尺固定架A29固定在座A下连接件41、座B下连接件51上，光栅尺固定架B30通过螺栓固定在光栅尺固定架A29上，两个光栅尺测量头37分别固定在光栅尺固定架B30上。

本发明的有益效果在于：

1、布局紧凑，重量较轻。中子衍射应力谱仪的样品台对重量及相关尺寸有着极其严格的要求，因此整机大部分材质为航空铝合金，其总重仅为普通碳钢制成装置重量的三分之一。

2、模块化设计。本发明分成两个模块进行设计，分别为高温测角仪单元和专用力学单元。两个单元分别有自己的动力传动系统、执行单元、反馈单元。模块化设计有助于装置整体维护及备件更换。

3、特殊轴向加载方式。本发明工作时需要轴向载荷加载的同时，旋转试件。因此，采用了两对双列角接触球轴承来满足该应用要求。双列角接触球轴承可以承受来自两个方向的轴向力，从而保证对旋转无影响。

4、特殊加热方式。传统高温拉伸/压缩试验机多数采用高温加热炉来获取较高温度。本发明采用了一种新的加热方式—卤素加热灯辐射加热，既节省空间，还可实现对温度的精密控制。

5、特殊结构。为满足中子衍射应力谱仪能够从不同角度对试样内部结构进行测试，本发明采用了特殊结构—高温测角仪单元，该单元能够使专用力学单元在0°~90°范围内任意位置定位，进而实现被测试样倾斜姿态的调整。

综上所述，本发明对丰富材料力学性能原位测试方法和促进材料力学性能测试技术及装备的发展，具有重要的指导意义和良好的应用开发前景。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的力学加载单元俯视示意图；

图3为本发明的力学加载单元主视示意图；

图4为本发明的力学加载单元侧视示意图；

图5为本发明的高温测角仪单元主视示意图；

图6为本发明的高温测角仪单元侧视示意图；

图7为本发明的高温测角仪驱动系统结构示意图；

图8为本发明的高温测角仪压靠轮结构示意图。

1、高温测角仪单元；2、专用力学加载单元；3、安川交流伺服电机；4、减速机；5、联轴器；6、传动轴；7、蜗杆；8、蜗轮；9、轴套；10、小端盖A；11、小轴承固定座；12、圆锥滚子轴承；13、小端盖B；14、滚珠丝杠；15、丝杠支撑座；16、前板；17、上框架；18、上悬挂筋板；19、悬挂辅助板；20、筋板定位销； 21、后板； 22、旋转电机固定板A；23、旋转电机固定板B；24、小同步带轮；25、同步带；26、下框架；27、下悬挂筋板；28、拉伸侧导轨；29、光栅尺固定架A；30、光栅尺固定架B；31、热电偶固定架；32、锁紧接头；33、热电偶；34、卤素加热灯；35、加热灯固定板；36、固定侧导轨；37、光栅尺测量头；38、光栅尺；39、轴承座A；40、座A上连接件；41、座A下连接件； 42、调整垫；43、轴A；44、双列角接触球轴承；45、端盖A；46、大同步带轮；47、拉伸夹具A；48、拉伸夹具B；49、拉伸试件；50、轴承座B；51、座B下连接；52、座B上连接；53、轴B；54、端盖B；55、拉压传感器；56、底板；57、带齿圆弧导轨；58、同步带；59、偏心滚轮；60、同心滚轮；61、导轨润滑块；62、皮带轮；63、压靠轮支板；64、底脚；65、过渡轴；66、挡圈；67、销轴；68、电机安装板；69、压靠轮底座；70、圆螺母止动垫圈；71、压靠轴；72、压靠轮；73、压盖A；74、十字槽沉头螺钉A；75、角接触球轴承；76、压盖B；77、十字槽沉头螺钉B。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1所示，本发明的中子衍射高温测角仪及其专用力学加载装置，主要由两个单元构成：高温测角仪单元1、专用力学加载单元2。其中的高温测角仪单元1能够使专用力学加载单元2在0°~90°范围内旋转，并实时记录角度值。专用力学加载单元2提供针对拉伸试件49的载荷及热场加载，同时具有拉伸试件49旋转、温度检测、载荷读取等功能。专用力学加载单元2通过螺栓与高温测角仪单元1相连。测角仪单元能够使力学加载系统单元旋转，对试件可实现0°~90°的倾斜旋转操作，力学加载系统单元还可以对试件实现绕自身轴线0°~360°的自由旋转操作，满足不同衍射角度的需求；力学加载系统单元集成了卤素加热灯、光栅尺等，实现对试件加热并测量试件产生的形变；控制系统单元可在线实时调整测角仪参数、力学加载指标以及加热温度等。本发明的优势在于：该装置能够在力学加载条件下实现对被测试样两个方向旋转的精确控制；在满足中子衍射应力谱仪束流角度要求的条件下，能够对被测试样实现从室温到1000℃的无级闭环温控。

参见图2至图4所示，本发明的专用力学加载单元2包括：安川交流伺服电机3、减速机4、联轴器5、传动轴6、蜗杆7、蜗轮8、轴套9、小端盖A10、小轴承固定座11、圆锥滚子轴承12、小端盖B13、滚珠丝杠14、丝杠支撑座15、前板16、上框架17、上悬挂筋板18、悬挂辅助板19、筋板定位销20、后板21、旋转电机固定板A22、旋转电机固定板B23、小同步带轮24、同步带25、下框架26、下悬挂筋板27、拉伸侧导轨28、光栅尺固定架A29、光栅尺固定架B30、热电偶固定架31、锁紧接头32、热电偶33卤素加热灯34、加热灯固定板35、固定侧导轨36、光栅尺测量头37、光栅尺38、轴承座A39、座A上连接件40、座A下连接件41、调整垫42、轴A43、双列角接触球轴承44、端盖A45、大同步带轮46、拉伸夹具A47、拉伸夹具B48、拉伸试件49、轴承座B50、座B下连接件51、座B上连接件52、轴B53、端盖B54、拉压传感器55、底板56。

所述拉伸试件49的载荷及热场加载的实施方式如下：安川交流伺服电机3与减速机4通过螺栓连接，并固定在旋转电机固定板A22和旋转电机固定板B23上，由联轴器5驱动传动轴6及蜗杆7旋转，并由蜗轮8 带动滚珠丝杠14旋转。传动轴6通过轴套9、圆锥滚子轴承12、小轴承固定座11、小端盖A10和小端盖B13支撑。轴承座A39轴向移动，轴承座A39内部装有轴A43，轴A43由双列角接触球轴承44固定，并连接到端盖A45。轴A43的前端通过销轴67与拉伸夹具A47、拉伸夹具B48相连接。拉伸试件49的两端由两套拉伸夹具A47、拉伸夹具B48夹持。右侧的拉伸夹具A47、拉伸夹具B48由销轴67固定在轴B53上，轴B53由双列角接触球轴承44固定在轴承座B50内，端盖B54通过螺栓固定在轴承座B50的右端，在端盖B54内，通过一个螺栓与拉压传感器55相连，拉压传感器55固定在后板21上，此外，拉伸侧导轨28、固定侧导轨36通过螺栓分别固定在上框架17、下框架26对应的拉伸侧与固定侧，轴承座A39通过座A上连接件40、座B上连接件52分别连接到拉伸侧导轨28、固定侧导轨36上，拉伸侧导轨28、固定侧导轨36通过螺栓分别固定在座A下连接件41、座B下连接件51上，起到导向作用。螺栓穿过加热灯固定板35将卤素加热灯34固定，加热灯固定板35由螺栓固定在下框架26上。热电偶固定架31由螺栓固定在下框架26上，锁紧接头32拧紧在热电偶固定架31上，热电偶33穿过锁紧接头32，并由锁紧接头32锁紧，用来测量卤素加热灯34对拉伸试件49加热时的温度。

所述的拉伸试件49绕自身轴线旋转的实施方式为：两套相同的安川交流伺服电机减速机对称布置，驱动小同步带轮24旋转，带动同步带25，使大同步带轮46旋转，大同步带轮46通过平键分别安装在轴A43和轴B53上，并由其自身旋转带动轴A43和轴B53旋转，实现拉伸试件49旋转的目的。

所述的专用力学加载单元2的框架布置方式为：前板16、后板21通过螺栓分别与上框架17、下框架26相连，上框架17、下框架26通过螺栓分别安装在上悬挂筋板18、下悬挂筋板27上。两块悬挂辅助板19由筋板定位销20确定位置之后，由螺栓连接在上悬挂筋板18、下悬挂筋板27后侧，丝杠支撑座15通过螺栓固定在前板16上。

所述的力学加载单元2的形变测量实施方式为：光栅尺测量。两个光栅尺固定架A29分别固定在座A下连接件41、座B下连接件51上，光栅尺固定架B30通过螺栓分别固定在光栅尺固定架A29上，两个光栅尺测量头37分别安装在光栅尺固定架B30上，光栅尺38分别布置在下框架26的两侧，载荷加载时，随着轴承座A39、轴承座B50的移动，带动光栅尺测量头37移动，读取数值。

参见图5至图7所示，本发明的高温测角仪单元1主要由底板56、带齿圆弧导轨57、同步带58、偏心滚轮59、同心滚轮60、导轨润滑块61、皮带轮62、、压靠轮支板63、底脚64、过渡轴65、小端盖A10、挡圈66、销轴67、电机安装板68、压靠轮底座69、圆螺母止动垫圈70、压靠轴71、压靠轮72、压盖A73、十字槽沉头螺钉74、角接触球轴承75、压盖B76、十字槽沉头螺钉77组成。

所述的带齿圆弧导轨57的旋转由固定在电机安装板68上的安川交流伺服电机3及减速机4带动过渡轴65旋转，过渡轴65通过普通平键将转矩传递给皮带轮62，皮带轮62通过同步带58带动带齿圆弧导轨57旋转。导轨润滑块61通过螺栓固定在带齿圆弧导轨57上。

参见图5所示，本发明的同步带压紧装置实施方式为：压靠轮72通过螺栓固定在压靠轮支板63上并贴在同步带58上，通过旋松或拧紧内六角螺栓，调整压靠轮底座69的前后位置，使压靠轮72压紧同步带58，使同步带58具有张紧力。

参见图8所示，本发明的高温测角仪压靠轮部分装配方式为：在压靠轴71上依此安装皮带轮62、圆螺母止动垫圈70、压靠轮72、压盖A73、角接触球轴承75、挡圈66、压盖B76，压盖A73、压盖B76间通过十字槽沉头螺钉A74、十字槽沉头螺钉B77连接。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种中子衍射高温测角仪及其专用力学加载装置，其特征在于：整体垂直布置在两个底脚（64）上，并采用螺栓固定；包括高温测角仪单元（1）、专用力学加载单元（2）两部分，所述高温测角仪单元（1）通过螺栓与专用力学加载单元（2）固定连接；所述高温测角仪单元（1）通过安川交流伺服电机（3）经由减速机（4）减速，带动皮带轮（62），皮带轮（62）带动同步带（25）使带齿圆弧导轨（57）在0°~90°范围内任意旋转；其中，带齿圆弧导轨（57）由螺栓固定在底板（56）上的两个偏心滚轮（59）、两个同心滚轮（60）支撑，两个导轨润滑块（61）实现润滑；所述专用力学加载单元（2）在做拉伸试验时，通过依序连接的安川交流伺服电机（3）、减速机（4），经过联轴器（5）驱动蜗杆（7）及蜗轮（8），使滚珠丝杠（14）旋转，带动丝杠螺母平移，由丝杠螺母实现轴承座A（39）的同步移动，轴承座A（39）内部装有轴A（43），轴A（43）由双列角接触球轴承（44）固定，轴A（43）的一端通过销轴（67）与拉伸夹具A（47）、拉伸夹具B（48）相连接；拉伸试件（49）的两端由拉伸夹具A（47）、拉伸夹具B（48）夹持，右侧的拉伸夹具A（47）、拉伸夹具B（48）由销轴（67）固定在轴B（53）上，轴B（53）由双列角接触球轴承（44）固定在轴承座B（50）内，端盖B（54）与调整垫（42）相连并通过螺栓固定在轴承座B（50）的一端，在端盖B（54）内，通过螺栓与拉压传感器（55）相连，拉压传感器（55）固定在后板（21）上。

2.根据权利要求1所述的中子衍射高温测角仪及其专用力学加载装置，其特征在于：所述的专用力学加载单元（2）中有两套相同的电机驱动组件，即分别由安川交流伺服电机（3）、减速机（4）驱动的小同步带轮（24）和同步带（25），安川交流伺服电机（3）和减速机（4）分别通过电机连接架固定在轴承座A（39）和轴承座B（50）上；同步带（25）旋转，带动大同步带轮（46）旋转，大同步带轮（46）通过平键安装在轴A（43）和轴B（53）上，并由其自身旋转带动轴A（43）和轴B（53）旋转，实现拉伸试件（49）在0°~360°范围的旋转定位。

3.根据权利要求1所述的中子衍射高温测角仪及其专用力学加载装置，其特征在于：所述的用力学加载单元（2）中设有卤素加热灯（34）对拉伸试件（49）加热，卤素加热灯（34）通过螺栓与加热灯固定板（35）固定连接，加热灯固定板（35）通过螺栓与下框架（26）连接。

4.根据权利要求1所述的中子衍射高温测角仪及其专用力学加载装置，其特征在于：所述的专用力学加载单元（2）中设有两把光栅尺（38）通过光栅尺固定架A（29）、光栅尺固定架B（30）安装在下框架（26）上，应变测量采用光栅尺检测位移方式来实现；光栅尺固定架A（29）固定在座A下连接件（41）、座B下连接件（51）上，光栅尺固定架B（30）通过螺栓固定在光栅尺固定架A（29）上，两个光栅尺测量头（37）分别固定在光栅尺固定架B（30）上。