CN107036894A - 一种钛合金力学性能试验轴向加压装置 - Google Patents

一种钛合金力学性能试验轴向加压装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种钛合金力学性能试验轴向加压装置，包括连接到左侧压杆的推杆，推杆通过直线轴承一连接到固定板一上，其左端连接到推板上，推板固定连接到两直线轴承二上，两直线轴承二可活动地套接的两导向杆两端分别固定连接到固定板二和固定板一，其中部连接有丝杠，与丝杠相啮合的丝母固定连接在转轴内端内孔中，转轴可转动地连接到固定板二上，其外端通过同步带传输机构连接到驱动电机；本发明通过驱动电机带动同步带传输机构将旋转运动转换成直线移动，从而推动推杆进行压杆的加载，加载方便快捷，直线轴承和导向杆保证推杆的导向性，加载稳定，加载精度高。

Description

一种钛合金力学性能试验轴向加压装置
技术领域
本发明属于高温高压实验装置技术领域，具体涉及一种钛合金力学性能试验轴向加压装置。
背景技术
钛合金由于具有许多优异的特性，因而，广泛用于发电厂的蒸汽轮机、航空发动机的压气机盘、叶片，高温压力容器等高温高压的地方。在设计钛合金零部件的过程中，要计算在高温高压环境下的疲劳强度、平面应力、应力集中等，而计算这些参数需要用到材料的弹性模量。目前，大多数试验研究只限于测量金属材料在常温常压下的弹性模量，或者在高温常压下的弹性模量。然而，高温高压下弹性模量的研究十分缺乏，这其中的主要原因是相关的试验仪器缺乏。可用于在高温高压条件下测量钛合金力学性能的实验平台仅包括Paterson 压机、常规的三轴应力试验机和通常用于金属、合金、陶瓷等材料力学性能测试的高压釜 + 轴向应力实验装置。但是，该三类平台各自存在如下不足：
（1）有的三轴应力试验机做位移控制的数据信号来自拉线编码器，由于拉线编码器的精度较差，难以保证位移的控制精度；
（2）有的三轴应力试验机做位移控制的数据信号来自电机自带的旋转编码器，而旋转编码器是通过测量电机转动的角度来推算推板前进的距离，同样存在测量精度差的问题，难以保证位移的控制精度，而且由于旋转编码器安装在电机位置，没有考虑推板、力传感器、推杆等的变形，因此对位移的控制精度难以保证。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种钛合金力学性能试验轴向加压装置，现有的轴向加压不方便，加压稳定性差，精度低，以解决现有技术中存在的问题。
本发明采取的技术方案为：一种钛合金力学性能试验轴向加压装置，包括连接到左侧压杆的推杆，推杆通过直线轴承一连接到固定板一上，其左端连接到推板上，推板固定连接到两直线轴承二上，其中部连接有丝杠，两直线轴承二可活动地套接的两导向杆两端分别固定连接到固定板二和固定板一，与丝杠相啮合的丝母固定连接在转轴内端内孔中，转轴可转动地连接到固定板二上，其外端通过同步带传输机构连接到驱动电机。
优选的，上述同步带传输机构包括主动轮、从动轮、过渡轮一、过渡轮二、第一皮带和第二皮带，主动轮连接到驱动电机的输出轴上，并通过第一皮带套接到过渡轮一上，过渡轮一通过过渡转轴可旋转地连接过渡轮支架上，过渡转轴另一端连接有过渡轮二，过渡轮二通过第二皮带连接到从动轮，从动轮套接在转轴上。
优选的，上述推杆通过力传感器连接到推板上，力传感器中部通过螺纹通孔连接到推杆端部，并通过锁紧螺母锁紧推杆，力传感器靠外通过螺钉固定连接在推板上。
本发明的有益效果：与现有技术相比，本发明的效果如下：
（1）本发明通过驱动电机带动同步带传输机构将旋转运动转换成直线移动，从而推动推杆进行压杆的加载，加载方便快捷，直线轴承和导向杆保证推杆的导向性，加载稳定，加载精度高；
（2）同步带传输机构采用二级变速，采用1:10的变速比，大大提高加载的分辨率和降低驱动电机的功率；
（3）用两个位移传感器进行试样两端压杆的位移测量，可以消除试验机框架的变形量，其中用两者的差值的绝对值作为压杆和样品的变形量，可以把支撑底座的变形量消除，因样品尺寸较小，支撑底座变形较大的话会覆盖样品的变形量，因此，采用两个位移传感器能够实现高精度的测量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的俯视结构示意图；
图3是本发明同步带连接处结构示意图；
图4是本发明的轴向加压装置结构示意图；
图5是100℃，10MPa条件下测量的TC11钛合金的力—变形量曲线图；
图6是TC11钛合金的弹性模量示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。
实施例1：如图1-图6所示，如图1-图6所示，一种钛合金力学性能试验轴向加压装置，包括连接到左侧压杆3的推杆12，推杆12通过直线轴承一13连接到固定板一14上，其左端连接到推板15上，推板15固定连接到两直线轴承二16上，其中部连接有丝杠17，两直线轴承二16可活动地套接的两导向杆21两端分别固定连接到固定板二22和固定板一14，与丝杠17相啮合的丝母18固定连接在转轴19内端内孔中，转轴19可转动地连接到固定板二22上，其外端通过同步带传输机构连接到驱动电机20。
优选的，上述同步带传输机构包括主动轮23、从动轮24、过渡轮一25、过渡轮二26、第一皮带27和第二皮带28，主动轮23连接到驱动电机20的输出轴上，并通过第一皮带27套接到过渡轮一25上，过渡轮一25通过过渡转轴29可旋转地连接过渡轮支架30上，过渡转轴29另一端连接有过渡轮二26，过渡轮二26通过第二皮带28连接到从动轮24，从动轮24套接在转轴19上。
优选的，上述轴向加压装置连接左侧压杆3处设置有光栅读数头31，光栅读数头31通过连接杆32固定连接在推杆12上，其读数头正对光栅尺33，光栅尺33固定连接在底座1外壁上。
优选的，上述推杆12通过力传感器34连接到推板15上，力传感器34中部通过螺纹通孔连接到推杆12端部，并通过锁紧螺母35锁紧推杆12，力传感器34靠外通过螺钉固定连接在推板15上。
如图1-图6所示，一种在高压水热环境下钛合金力学性能试验装置，包括压力容器2，压力容器2水平方向内设置有密封的轴向左侧压杆3和轴向右侧压杆4，左侧压杆3和右侧压杆4间放置钛合金试样5，左侧压杆3连接有轴向加压装置和测试左侧压杆移动量的位移传感器一10，位移传感器一10通过刚性薄片37连接到左侧压杆端部，刚性薄片的刚性移动，位移传感器一测定的即为左侧压杆的移动量，右侧压杆4抵靠在底座1内，压力容器2外套接有加热溶液和钛合金试样5的加热装置6，其表面设置有压液口7，加热装置6置于底座1的凹槽8内，与压力容器2接触面设置有温度传感器9，压液口9连通到试样5放置处，并通过管道连接到手动增压泵，轴向加压装置内设置有力传感器34。
优选的，上述右侧压杆4也设置有测量右侧压杆移动量的位移传感器二11，位移传感器二11通过刚性薄片38连接到右侧压杆端部，刚性薄片随着右侧压杆的刚性移动，位移传感器二测定的即为右侧压杆移动量。
优选的，上述位移传感器一10、位移传感器二11、温度传感器9、加热装置6连接到控制器，控制器还连接有连接到管道上的液压传感器和驱动轴向加压装置加压的驱动电机，并通过导线连接到上位机，位移传感器一10、位移传感器二11、温度传感器9、加热装置6以及液压传感器能够实时监控变形量、温度高低、围压压力大小以及采用加热装置进行温度控制和采用增压泵实现压力控制。
优选的，上述轴向加压装置采用机械式加压装置或电动式加压装置，机械式采用螺钉顶靠压杆。
优选的，上述电动式加压装置（一种钛合金力学性能试验轴向加压装置）包括连接到左侧压杆3的推杆12，推杆12通过直线轴承一13连接到固定板一14上，其左端连接到推板15上，推板15固定连接到两直线轴承二16上，其中部连接有丝杠17，两直线轴承二16套可活动地接的两导向杆21两端分别固定连接到固定板二22和固定板一14，与丝杠17相啮合的丝母18固定连接在转轴19内端内孔中，转轴19可转动地连接到固定板二22上，其外端通过同步带传输机构连接到驱动电机20。
优选的，上述同步带传输机构包括主动轮23、从动轮24、过渡轮一25、过渡轮二26、第一皮带27和第二皮带28，主动轮23连接到驱动电机20的输出轴上，并通过第一皮带27套接到过渡轮一25上，过渡轮一25通过过渡转轴29可旋转地连接过渡轮支架30上，过渡转轴29另一端连接有过渡轮二26，过渡轮二26通过第二皮带28连接到从动轮24，从动轮24套接在转轴19上。
优选的，上述轴向加压装置连接左侧压杆3处设置有光栅读数头31，光栅读数头31通过连接杆32固定连接在推杆12上，其读数头正对光栅尺33，光栅尺33固定连接在底座1外壁上。
优选的，上述推杆12通过力传感器34连接到推板15上，力传感器34中部通过螺纹通孔连接到推杆12端部，并通过锁紧螺母35锁紧推杆12，力传感器34靠外通过螺钉固定连接在推板15上。
优选的，上述一种钛合金力学性能试验轴向加压装置的试验方法，该方法包括以下步骤：
（1）用钛合金经机械加工成长度L=（5～8）d的圆柱形试样，d为钛合金试样的直径，L为试样的长度；
（2）加工钛合金试样的表面粗糙度参数Ra=0.8μm，两个底面的平行度小于5μm；
（3）在常温不同压力下、常压不同温度下和不同温度不同压力下对将钛合金试样装入压力容器中的两压杆间进行测试，在常温不同压力下获得力—变形量曲线和弹性模量，在不同温度不同压力下获得力—变形量曲线和弹性模量。
优选的，上述常压不同温度下对钛合金试样测试的试验方法：先用两个压杆和样品进行测试，得出压杆和样品的力—变形量曲线F1-X1，再用两根压杆在相同条件下直接对顶进行测试，得出相同温压条件下两根压杆的力—变形量曲线F2-X2，则样品的力—变形量曲线为两根曲线相减（F-X）=（F1-X1）-（F2-X2）；样品受的力等于力传感器直接测量的力，则样品的应力为F/S，其中S为样品的初始横截面积；样品的应变为X/L，其中L为样品初始长度，材料的弹性模量为E=（F/S）/（X/L）；
常温不同压力下的试验流程：
（1）按顺序对密封圈、样品、压杆、加热炉、LVDT等进行组装；
（2）给样品施加设定的预紧力，预紧力大小根据围压作用在压杆上的推力确定，预紧力适当大于围压×压杆的截面积；
（3）通过手动增压泵对压力容器进行加压；
（4）开始测试；
（5）在相同压力条件下，不放样品，把压杆直接对顶，测试一遍，用于仪器变形的校正。
常压不同温度下的试验流程：
（1）按顺序对密封圈、样品、压杆、加热炉、LVDT等进行组装；
（2）给样品施加设定的预紧力；
（3）通过设置加热程序，开启循环冷却水，开始加热，加热到预定温度后保温时间大于30min，使样品温度稳定；
（4）开始测试。
（5）在相同的温度条件下，不放样品，把压杆直接对顶，测试一遍，用于仪器变形的校正。
不同温度不同压力下对钛合金试样测试的试验方法：先用两个压杆和样品进行测试，得出压杆和样品的力—变形曲线F1-X1，再用两根压杆在相同条件下直接对顶进行测量，得出相同温压条件下两根压杆的力—变形曲线F2-X2，当F1=F2时，样品两端的力杆的变形相等，则样品的名义力—变形量曲线为两根曲线相减(F-X)=(F1-X1)-(F2-X2)；力杆实际作用在样品上力等于力传感器的力F减去P×(S2-S1)，其中，P为围压压力，S1为样品的初始横截面积，S2为力杆的横截面积，(S2-S1) 为力杆与样品的截面积之差，则样品的应力为[F- P×(S2-S1)]/S1，样品的应变为X/L，L为样品的初始长度。则材料的弹性模量为E={[F-P×(S2-S1)]/S1}/(X/L)。
不同温度不同压力下的试验流程：
（1）按顺序对密封圈、样品、压杆、加热炉、LVDT等进行组装；
（2）设定加热程序，开启循环冷却水，开始加热，加热到目标温度后进行保温，保温时间大于30min；
（3）给样品施加设定的预紧力，预紧力大小根据围压作用在压杆上的推力确定，预紧力适当大于围压×压杆的截面积；
（4）通过手动增压泵对压力容器进行加压，加压到目标压力后继续保温10min；
（5）开始测试；
（6）在相同的温度、压力条件下，不放样品，把压杆直接对顶，测试一遍，用于仪器变形的校正。
图5是100℃，10MPa条件下测量的TC11钛合金的力—变形曲线，其中横坐标是力传感器测量的数据，纵坐标是位移传感器测量的数据，变形量是位移传感器二和位移传感器一采集到数据差值的绝对值，曲线1是放TC11样品测量的力-变形曲线，曲线2是不放样品单独仪器的力-变形曲线，曲线3是曲线1和曲线2的纵坐标差值，即扣除仪器变形量后的样品名义力-变形数据。
然后，用样品的名义力-变形数据进行处理，其中力传感器测量的数据包含围压对压杆产生一个向外的推力，需要扣除这个围压产生的推力才能得出真实作用在样品上的轴向推力。由于压杆的横截面积大于样品的横截面积，因此围压产生的推力为围压P×（S2-S1），其中S2为压杆的横截面积，S1为样品的初始横截面积，P为围压。则样品的应力为[F-P×（S2-S1）]/S1，样品的应变为X/L，X为图5中的曲线3的变形量，L为样品的初始长度。则材料的弹性模量为E={[F-P×（S2-S1）]/S1}/（X/L），重复上述步骤，进行不同不温度不同围压的实验，得出的TC11钛合金的弹性模量数据如下图6所示。
图6横坐标是围压，纵坐标是计算得到的弹性模量，方块点是100 ℃不同围压下测得的弹性模量数据，圆点是300℃不同围压下测得的弹性模量数据，三角是400℃不同围压下测得的弹性模量数据。可见在同一温度下，随着围压升高，TC11 钛合金的弹性模量增加。在同一围压下，随着温度的升高，TC11 钛合金的弹性模量降低。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种钛合金力学性能试验轴向加压装置，其特征在于：包括连接到左侧压杆（3）的推杆（12），推杆（12）通过直线轴承一（13）连接到固定板一（14）上，其左端连接到推板（15）上，推板（15）固定连接到两直线轴承二（16）上，其中部连接有丝杠（17），两直线轴承二（16）可活动地套接的两导向杆（21）两端分别固定连接到固定板二（22）和固定板一（14），与丝杠（17）相啮合的丝母（18）固定连接在转轴（19）内端内孔中，转轴（19）可转动地连接到固定板二（22）上，其外端通过同步带传输机构连接到驱动电机（20）。
2.根据权利要求1所述的一种钛合金力学性能试验轴向加压装置，其特征在于：同步带传输机构包括主动轮（23）、从动轮（24）、过渡轮一（25）、过渡轮二（26）、第一皮带（27）和第二皮带（28），主动轮（23）连接到驱动电机（20）的输出轴上，并通过第一皮带（27）套接到过渡轮一（25）上，过渡轮一（25）通过过渡转轴（29）可旋转地连接过渡轮支架（30）上，过渡转轴（29）另一端连接有过渡轮二（26），过渡轮二（26）通过第二皮带（28）连接到从动轮（24），从动轮（24）套接在转轴（19）上。
3.根据权利要求1所述的一种钛合金力学性能试验轴向加压装置，其特征在于：推杆（12）通过力传感器（34）连接到推板（15）上，力传感器（34）中部通过螺纹通孔连接到推杆（12）端部，并通过锁紧螺母（35）锁紧推杆（12），力传感器（34）靠外通过螺钉固定连接在推板（15）上。
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