CN108562505A - 复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种复合载荷与高温‑氛围下的材料高频疲劳试验装置及方法，属于精密仪器技术领域。该装置包括高频疲劳模块、拉伸/压缩加载模块、扭转加载模块、高温‑氛围加载模块、主体框架。水平布置的上支撑板/支撑平台/下支撑板与垂直布置的立柱Ⅰ/立柱Ⅱ间通过螺栓连接，构成装置的主体框架；上述模块安装于主体框架后，下支撑板由螺钉紧固于带预留螺纹孔的隔振台上。优点在于：在对材料进行高频疲劳测试的同时，增设了“拉伸、压缩、扭转、拉伸‑扭转复合、压缩‑扭转复合”多种机械载荷加载模式以及高温、真空/气氛等加载环境，使材料的高频疲劳测试更接近于其真实服役工况，提高了测试结果的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及精密仪器技术领域，特别涉及一种复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置及方法，本发明可以提供“拉伸、压缩、扭转、拉伸-扭转复合、压缩-扭转复合”等五种机械载荷加载模式，实现特定工况下材料的机械载荷加载，同时能够提供高温、真空/气氛等加载环境，且可在上述载荷和环境下利用超声疲劳试验技术开展材料的高频疲劳试验；若配合光学成像设备，可对被测试件进行实时动态的原位观测。
背景技术
疲劳与断裂是服役结构的主要破坏形式，由于疲劳断裂发生比较突然，会给国民的生命和财产带到较大的损失。尤其是在飞机、列车和汽车等领域，高速运转的轴类部件或螺纹连接件除承受拉伸、压缩、扭转等单一或复合预载荷以外，在寿命期内需承受超高周次循环交变载荷（如1010周次，具体根据设计使用年限而定）。为保证上述部件材料在寿命期内的安全性和可靠性，需要进行疲劳试验，如利用频率为100Hz的传统疲劳设备完成一组试验的时间长达115天。另一方面，上述部件材料的实际服役工况是复杂的，涉及到高温、氛围等服役环境以及复杂应力场。因此，开发一种材料高频疲劳试验装置研究接近服役工况下材料的超高周疲劳行为，对一些因超高周疲劳破坏产生的损失进行提前预防，将产生非常大的经济与社会效益。
超声疲劳试验技术是一种共振式的高频疲劳试验方法，其测试频率可达20kHz，如完成一组1010周次疲劳试验仅需14小时，可以极大的缩短疲劳试验时间。现有超声疲劳试验装置主要由超声信号发生器、换能器、变幅杆、试件组成，超声疲劳试验过程中，换能器将超声信号发生器产生的高频电信号转化成机械振动，机械振动幅值经变幅杆放大后作用于试件，从而实现对试件的高频疲劳测试。
现有超声疲劳装置的预载荷加载形式过于单一，无法开展多种机械载荷模式下的高频疲劳试验。另外，针对高温环境、真空环境下的超声疲劳试验装置均有提及，但由于外部场加载形式单一且缺少气氛环境加载，无法实现材料及其制品在高温氛围环境下的高频疲劳试验。考虑到研究接近服役工况下材料的超高周疲劳行为的巨大经济与社会效益，因此，利用超声疲劳试验技术开发一款复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置显得尤为必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置及方法，解决现有技术无法研究材料在实际受载、高温氛围条件下的超高周疲劳行为问题。本发明除可实现“拉伸、压缩、扭转、拉伸-扭转复合、压缩-扭转复合”等形式的机械载荷加载外，同时能够提供高温、真空/气氛等加载环境，并且可以在上述载荷和环境下利用超声疲劳试验技术开展材料高频疲劳试验；若配合外部光学成像设备可对被测试件进行实时动态的原位观测。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置，包括高频疲劳模块1、拉伸/压缩加载模块2、立柱Ⅰ3、高温-氛围加载模块4、扭转加载模块5、上支撑板6、支撑平台7、立柱Ⅱ8、下支撑板9、隔振台10，水平布置的上支撑板6、支撑平台7、下支撑板9与垂直布置的立柱Ⅰ3、立柱Ⅱ8之间通过螺栓连接，构成装置的主体框架，该主体框架中的下支撑板9通过螺钉紧固在带预留螺纹孔的隔振台10上；高频疲劳模块1主体部分安装在下移动板216上；拉伸/压缩加载模块2由驱动单元、加载与检测单元组成，驱动单元水平布置于下支撑板9上，加载与检测单元主体部分垂直安装于立柱Ⅰ3和立柱Ⅱ8上；高温-氛围加载模块4由真空/气氛环境单元、温度加载与防护单元组成，真空/气氛环境单元两端分别安装在上移动板218和下移动板216上，温度加载与防护单元主体设在支撑平台7上，支撑平台7上还预留有用于安装外部光学成像设备的螺纹孔；扭转加载模块5与高温-氛围加载模块4端部连接。
所述的高频疲劳模块1中，超声连接器Ⅰ101、超声变幅杆Ⅰ102、试件103、超声变幅杆Ⅱ104、超声连接器Ⅱ105、超声换能器106之间通过螺纹连接；超声连接器Ⅰ101和超声连接器Ⅱ105均通过振动波动理论设计而成，且在各自的波节面上设有连接法兰，其中，超声连接器Ⅰ101的法兰与扭转加载模块5通过螺栓固连，超声连接器Ⅱ105的法兰与拉伸/压缩加载模块2、高温-氛围加载模块4之间通过螺栓固连，通过超声连接器Ⅰ、Ⅱ波节面上的法兰对试件103施加的拉伸、压缩、扭转载荷，可避免所施加载荷与高频疲劳试验之间的相互影响。
所述的拉伸/压缩加载模块2采用伺服电机与同步带传动机构作为驱动单元，以丝杠螺母传动机构配合上移动板218和下移动板216作为加载单元，以拉压力传感器223作为力的检测单元；所述驱动单元中的伺服电机Ⅰ210输出端通过平键Ⅲ211与联轴器209一端连接，联轴器209另一端的径向凹槽与电机传力轴212的端部凸榫嵌装配合；电机传力轴212为两级阶梯且开有键槽，键槽中安装有平键Ⅰ206，第一级阶梯和轴承端盖Ⅰ207分别用于固定主动带轮轴承208内圈和外圈的轴向位置，第二级阶梯和平键Ⅰ206分别实现主动带轮205的轴向与周向限位；所述加载单元中的具有双向螺纹结构的丝杠Ⅰ213和丝杠Ⅱ225分别与成对的丝杠螺母Ⅰ215和丝杠螺母Ⅱ219、丝杠螺母Ⅲ220和丝杠螺母Ⅳ222配合使用，结合与从动带轮Ⅰ201、从动带轮Ⅱ203之间的键连接方式，将从动带轮Ⅰ201和从动带轮Ⅱ203的同步转动转化为上移动板218和下移动板216的反向同步移动，在实现拉伸力/压缩力加载的同时保证试件103的几何中心观测位置不动；所述检测单元中拉压力传感器223与试件103采用同轴布置。
所述的扭转加载模块5中，伺服电机Ⅱ501通过螺钉紧固在支撑轴承腔体502上，支撑轴承腔体502与承力腔体504之间螺栓连接，承力腔体504通过周向4组螺钉紧固在上移动板218上；伺服电机Ⅱ501输出轴通过平键Ⅳ505与传力轴Ⅰ507连接，传力轴Ⅰ507与支撑轴承腔体502通过扭转轴承Ⅰ506、扭转轴承Ⅱ508、轴承端盖Ⅱ503连接，在保证传力轴Ⅰ507轴向限位的同时实现周向的自由；扭力传感器509两端分别与传力轴Ⅰ507、传力轴Ⅱ510的带法兰端通过螺钉固定，传力轴Ⅱ510另一端采用平键Ⅴ511、拧紧螺母512与传力框架513连接，实现周向、轴向传力。
所述的高温-氛围加载模块4的真空/气氛环境单元由波纹管Ⅰ401、石英玻璃管组件、波纹管Ⅱ405、密封盖板408、承力腔体504以及超声连接器Ⅱ105的法兰面共同构成密封腔体，并通过高温密封胶密封；石英玻璃管组件由石英管支座Ⅱ404、石英管403、石英管支座Ⅰ402组成且彼此间通过高温密封胶粘接，在石英管支座Ⅰ402和石英管支座Ⅱ404上分别预留有充气接口和抽气接口。
所述的高温-氛围加载模块4的温度加载与防护单元以聚光加热灯Ⅰ410、聚光加热灯Ⅱ414作为辐照热源，聚光加热灯Ⅰ、Ⅱ在竖直方向上预留有与石英管403同径的半圆柱型径向贯穿凹槽，在水平正交于聚光加热灯Ⅰ、Ⅱ轴线的一侧设计为一体式板式结构并在其上均设有观测视窗412及安装通孔，另一侧预留有半圆形配合观测口及安装螺纹孔；热电偶424安装在石英管支座Ⅰ402上，对试件103及其周围环境的温度进行检测与反馈；通过冷风枪423对超声换能器106与超声连接器Ⅱ105连接处进行风冷，以免温升过高损坏超声换能器106。
本发明的另一目的在于提供一种复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验方法，步骤如下：
在测试前，配合伺服电机Ⅰ210依次取下超声变幅杆Ⅱ104、超声连接器Ⅱ105、超声换能器106，然后整体取下石英管及波纹管组件，待试件103与超声变幅杆Ⅰ102拧紧后，沿取下部件的反向工序依次进行安装，同时配合伺服电机Ⅰ210、伺服电机Ⅱ501将试件103和超声变幅杆Ⅱ104拧紧；
在具体的测试过程中，根据需要施加载荷的形式以及所施加服役环境的需求，首先，利用石英管支座I402和石英管支座Ⅱ404上的充气接口与抽气接口充入或抽取所需的氛围气体，开启冷风枪423对超声换能器106进行冷却防护；然后，数据采集与控制系统实时采集拉压力传感器223、扭力传感器509、热电偶424信号，并控制伺服电机I210、伺服电机Ⅱ501、聚光加热灯I410、聚光加热灯Ⅱ414协同加载所需的机械载荷与服役温度场；待加载完成后，数据采集与控制系统输出控制信号启动并调整信号发生器108所产生的高频交变信号，进而激发包含试件103在内的高频疲劳执行组件产生高频谐迫振动，同时数据采集与控制系统通过实时监测信号发生器108并记录其激发的高频疲劳振动次数；外部光学成像设备安装于支撑平台7上，透过聚光加热灯I410和聚光加热灯Ⅱ414上的观测视窗、石英管403，对测试过程中仍保持相对静止的试件103几何中心位置进行观测，从而实现对被测试件的原位观测。
本发明的有益效果在于：
1、本发明与现有技术相比，在对材料进行高频疲劳测试的同时，增设了“拉伸、压缩、扭转、拉伸-扭转复合、压缩-扭转复合”多种机械载荷加载模式以及高温、真空/气氛等加载环境，使材料的高频疲劳测试更接近于其真实服役工况，提高了测试结果的可靠性，进而对超高周疲劳破坏进行提前预防。
2、本发明可以兼容光学成像设备，用于对被测试样进行实时动态原位监测。
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为本发明的支撑平台的放大示意图；
图3为本发明的高频疲劳模块的局部剖视图；
图4为本发明的拉伸/压缩加载模块的驱动单元结构示意图；
图5为本发明的拉伸/压缩加载模块中主动带轮的传动组件局部剖视图；
图6为本发明的拉伸/压缩加载模块中电机传力轴的放大示意图；
图7为本发明的集成拉伸/压缩加载模块的加载与检测单元局部剖视图；
图8为本发明的拉伸/压缩加载模块中丝杠与从动带轮的装配图；
图9为本发明的集成扭转加载模块的局部剖视图；
图10为本发明的扭转加载模块的局部放大示意图；
图11为本发明的高温-氛围加载模块的真空/气氛环境单元局部剖视图；
图12为本发明的高温-氛围加载模块的温度加载单元结构示意图；
图13为本发明的高温-氛围加载模块的检测与防护部件布置图。
图中：1、高频疲劳模块；2、拉伸/压缩加载模块；3、立柱Ⅰ；4、高温-氛围加载模块；5、扭转加载模块；6、上支撑板；7、支撑平台；8、立柱Ⅱ；9、下支撑板；10、隔振台；101、超声连接器Ⅰ；102、超声变幅杆Ⅰ；103、试件；104、超声变幅杆Ⅱ；105、超声连接器Ⅱ；106、超声换能器；107、电缆线；108、超声信号发生器；201、从动带轮Ⅰ；202、张紧器；203、从动带轮Ⅱ；204、皮带；205、主动带轮；206、平键Ⅰ；207、轴承端盖Ⅰ；208、主动带轮轴承；209、联轴器；210、伺服电机Ⅰ；211、平键Ⅲ；212、电机传力轴；213、丝杠Ⅰ；214、导杆Ⅰ；215、丝杠螺母Ⅰ；216、下移动板；217、导杆Ⅱ；218、上移动板；219、丝杠螺母Ⅱ；220、丝杠螺母Ⅲ；221、导杆Ⅲ；222、丝杠螺母Ⅳ；223、拉压力传感器；224、导杆Ⅳ；225、丝杠Ⅱ；226、从动带轮轴承；227、轴承套筒；228、平键Ⅱ；501、伺服电机Ⅱ；502、支撑轴承腔体；503、轴承端盖Ⅱ；504、承力腔体；505、平键Ⅳ；506、扭转轴承Ⅰ；507、传力轴Ⅰ；508、扭转轴承Ⅱ；509、扭力传感器；510、传力轴Ⅱ；511、平键Ⅴ；512、拧紧螺母；513、传力框架；401、波纹管Ⅰ；402、石英管支座Ⅰ；403、石英管；404、石英管支座Ⅱ；405、波纹管Ⅱ；406、密封环；407、密封端盖；408、密封盖板；409、导轨Ⅰ；410、聚光加热灯Ⅰ；411、导轨滑块Ⅰ；412、观测视窗；413、外六角螺钉Ⅰ；414、聚光加热灯Ⅱ；415、导轨滑块Ⅲ；416、导轨Ⅱ；417、加热灯座Ⅱ；418、导轨滑块Ⅳ；419、内六角螺钉Ⅰ；420、加热灯座Ⅰ；421、外六角螺钉Ⅱ；422、导轨滑块Ⅱ；423、冷风枪；424、热电偶。
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至图13所示，本发明的复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置，包括高频疲劳模块1、拉伸/压缩加载模块2、立柱Ⅰ3、高温-氛围加载模块4、扭转加载模块5、上支撑板6、支撑平台7、立柱Ⅱ8、下支撑板9、隔振台10，水平布置的上支撑板6、支撑平台7、下支撑板9与垂直布置的立柱Ⅰ3、立柱Ⅱ8之间通过螺栓连接，构成装置的主体框架，该主体框架中的下支撑板9通过螺钉紧固在带预留螺纹孔的隔振台10上；高频疲劳模块1主体部分安装在下移动板216上；拉伸/压缩加载模块2由驱动单元、加载与检测单元组成，驱动单元水平布置于下支撑板9上，加载与检测单元主体部分垂直安装于立柱Ⅰ3和立柱Ⅱ8上；高温-氛围加载模块4由真空/气氛环境单元、温度加载与防护单元组成，真空/气氛环境单元两端分别安装在上移动板218和下移动板216上，温度加载与防护单元主体设在支撑平台7上，支撑平台7上还预留有用于安装外部光学成像设备的螺纹孔；扭转加载模块5与高温-氛围加载模块4端部连接。
参见图3所示，本发明所述的高频疲劳模块1主要由超声连接器Ⅰ101、超声变幅杆Ⅰ102、超声变幅杆Ⅱ104、超声连接器Ⅱ105、超声换能器106、超声信号发生器108等组成。超声连接器Ⅰ（101）和超声连接器Ⅱ（105）均通过振动波动理论设计而成，且在各自的波节面上设有连接法兰，其中，超声连接器Ⅰ101的法兰与扭转加载模块5通过螺栓固连，超声连接器Ⅱ105的法兰与拉伸/压缩加载模块2、高温-氛围加载模块4之间由螺栓固连，共同实现对试件103加载拉伸、压缩、扭转等载荷；试件103两端分别通过螺纹与超声变幅杆Ⅰ102、超声变幅杆Ⅱ104紧固连接；超声变幅杆Ⅰ102、超声变幅杆Ⅱ104的另一端分别与超声连接器Ⅰ101、超声连接器Ⅱ105螺纹连接；超声换能器106一端与超声连接器Ⅱ105螺纹连接，另一端与电缆线107连接；超声信号发生器108与电缆线107另一端相连。中国专利“超声弯曲疲劳试验装置”（申请号CN201010162234.8，申请日2010年4月30日，公开号CN101819114A，公开日2010年9月1日）中公开了超声连接器的设计方案，结合本专利特点，将与外部的连接方式更改为法兰连接的方式。由于波传播过程中波节面处振动位移为零，本专利通过超声连接器Ⅰ、Ⅱ波节面上的法兰对试件103施加的拉伸、压缩、扭转载荷，避免所施加载荷与高频疲劳试验之间的相互影响。
参见图4至图6所示，本发明所述的拉伸/压缩加载模块2的驱动单元主要由从动带轮Ⅰ201、从动带轮Ⅱ203、主动带轮205、伺服电机Ⅰ210等关键部件组成。伺服电机Ⅰ210由螺钉固定在下支撑板9上，电机输出端通过平键Ⅲ211与联轴器209一端连接，联轴器209另一端的径向凹槽与电机传力轴212的端部凸榫嵌装配合。电机传力轴212为两级阶梯且开有键槽，键槽中安装有平键Ⅰ206，第一级阶梯和轴承端盖Ⅰ207分别用于固定主动带轮轴承208内圈和外圈的轴向位置，第二级阶梯和平键Ⅰ206分别实现主动带轮205的轴向与周向限位。从动带轮Ⅰ201和从动带轮Ⅱ203通过皮带204与主动带轮205连接，张紧器202利用螺钉紧固于靠近皮带204松边的下支撑板上，主动带轮205借助皮带204同步驱动从动带轮Ⅰ201和从动带轮Ⅱ203动作，张紧器202通过张紧皮带204实时调整动力输出的同步性。
参见图7、图8所示，本发明所述的拉伸/压缩加载模块2的加载与检测单元主要由丝杠Ⅰ213、丝杠螺母Ⅰ215、下移动板216、上移动板218、丝杠螺母Ⅱ219、丝杠螺母Ⅲ220、丝杠螺母Ⅳ222、丝杠Ⅱ225、拉压力传感器223等部件组成，丝杠Ⅰ213和丝杠Ⅱ225分别与从动带轮Ⅰ201和从动带轮Ⅱ203采取相同的方式连接，其中，丝杠Ⅰ213端部的轴向阶梯配合轴承套筒227、从动带轮轴承226内圈实现从动带轮Ⅰ201的轴向限位，丝杠Ⅰ213端部的键槽配合平键Ⅱ228实现从动带轮Ⅰ201的周向限位。丝杠Ⅰ213和丝杠Ⅱ225的两端分别通过角接触轴承安装于下支撑板9和上支撑板6对应配合孔内，丝杠Ⅰ213和丝杠Ⅱ225均为双向螺纹结构，其中丝杠Ⅰ213与丝杠螺母Ⅰ215、丝杠螺母Ⅱ219、导杆Ⅰ214、导杆Ⅱ217配合使用，丝杠Ⅱ225与丝杠螺母Ⅲ220、丝杠螺母Ⅳ222、导杆Ⅲ221、导杆Ⅳ224配合使用。导杆Ⅰ214和导杆Ⅱ217穿立柱Ⅰ3的中间横梁，导杆Ⅲ221和导杆Ⅳ224穿立柱Ⅱ8的中间横梁，经上移动板218和下移动板216的预留孔安装于上支撑板6和下支撑板9相对应配合孔内，实现对下移动板216和上移动板218的移动导向。丝杠螺母Ⅱ219、丝杠螺母Ⅲ220通过螺钉固定在上移动板218上，丝杠螺母Ⅰ215、丝杠螺母Ⅳ222通过螺钉固定在下移动板216上。在双向的丝杠Ⅰ213和丝杠Ⅱ225驱动下两组丝杠螺母分别带动上移动板218和下移动板216做反向移动，进而驱使固定于上移动板218上的扭转加载模块5与经螺钉固定于下移动板216上的拉压力传感器223做背向或相向的同步移动，保证加载过程中试件103的几何中心观测位置不动，便于观测试件。拉压力传感器223与试件103采用同轴布置，以利于精确检测拉伸力/压缩力，其一端采用螺钉固定在下移动板216上，另一端通过螺栓与高频疲劳模块1的超声连接器Ⅱ105紧固连接。
参见图9和图10所示，本发明所述的扭转加载模块5主要由伺服电机Ⅱ501、支撑轴承腔体502、承力腔体504、传力轴Ⅰ507、扭力传感器509、传力轴Ⅱ510、传力框架513等关键部件组成。伺服电机Ⅱ501由螺钉紧固在支撑轴承腔体502上，支撑轴承腔体502与承力腔体504之间螺栓连接，承力腔体504通过周向4组螺钉紧固于上移动板218上，实现扭转模块的周向和轴向固定用以传递扭转力、拉伸力、压缩力。伺服电机Ⅱ501的输出轴利用平键Ⅳ505与传力轴Ⅰ507连接，传力轴Ⅰ507与支撑轴承腔体502通过扭转轴承Ⅰ506、扭转轴承Ⅱ508、轴承端盖Ⅱ503连接，在保证传力轴Ⅰ507轴向限位的同时实现周向的自由。扭力传感器509两端分别与传力轴Ⅰ507、传力轴Ⅱ510的法兰端通过螺钉固定。传力轴Ⅱ510另一端采用平键Ⅴ511、拧紧螺母512与传力框架513连接，实现周向、轴向传力。
参见图11所示，本发明所述的高温-氛围加载模块4的真空/气氛环境单元主要由波纹管Ⅰ401、石英管403、波纹管Ⅱ405、密封盖板408等关键部件组成。波纹管Ⅰ401、石英玻璃管组件、波纹管Ⅱ405、密封盖板408、承力腔体504以及超声连接器Ⅱ105的法兰面等主要部件共同构成装置的密封腔体，其中石英玻璃管组件由石英管支座Ⅱ404、石英管403、石英管支座Ⅰ402等部件组成且彼此间通过高温胶粘接，石英管支座Ⅰ402上除预留有热电偶424安装口以外还设有充入氛围气体的接口，石英管支座Ⅱ404上设有抽取腔内气体的接口。密封端盖407固定于密封盖板408上，与密封环406配合使用实现传力轴Ⅱ510与密封盖板408之间的周向与轴向动密封。波纹管Ⅱ405一端与承力腔体504之间涂有高温密封胶并通过螺钉紧固，另一端与石英管支座Ⅱ404之间通过螺栓、高温密封胶分别实现紧固、密封。波纹管Ⅰ401两端分别与石英管支座Ⅰ402、超声连接器Ⅱ105的法兰面相连，连接方式与波纹管Ⅱ405相同，此处不再赘述。
参见图12、图13所示，本发明所述的高温-氛围加载模块4的温度加载与防护单元主要由聚光加热灯Ⅰ410、加热灯座Ⅰ420、聚光加热灯Ⅱ414、加热灯座Ⅱ417、热电偶424、冷风枪423等关键部件组成。聚光加热灯Ⅰ410、聚光加热灯Ⅱ414通过外六角螺钉Ⅱ421分别安装于加热灯座Ⅰ420、加热灯座Ⅱ417上，加热灯座Ⅰ420底部成对装配有导轨滑块Ⅰ411、导轨滑块Ⅱ422，加热灯座Ⅱ417底部成对装配有导轨滑块Ⅲ415、导轨滑块Ⅳ418，导轨Ⅰ409和导轨Ⅱ416由内六角螺钉Ⅰ419固定于支撑平台7上。聚光加热灯Ⅰ410在竖直方向上预留有与石英管403同径的半圆柱型径向贯穿凹槽，在水平正交于加热灯轴线的一侧设计为一体式板式结构并在其上均设有观测视窗412及2个安装通孔，另一侧预留有半圆形配合观测口及2个安装螺纹孔，聚光加热灯Ⅱ414的构造完全相同，此处不再赘述。加热前，相向移动灯体直至加热灯体上预留凹槽与石英管403贴合，再利用外六角螺钉Ⅰ413实现两加热灯之间的紧固连接。冷风枪423主体上的圆形磁体吸附在下移动板216上，调整磁体位置以保证冷风枪423的喷嘴对准超声连接器Ⅱ105与超声换能器106的连接处。热电偶424的测温端穿过石英管支座Ⅰ402的预留孔直至试件103附近，热电偶424利用螺钉安装于石英管支座Ⅰ402上。
本发明可以提供“拉伸、压缩、扭转、拉伸-扭转复合、压缩-扭转复合”等五种机械载荷加载模式，实现特定工况下材料的机械载荷加载，同时能够提供高温、真空/气氛等加载环境，并且可以在上述载荷和环境下利用超声疲劳试验技术开展材料的高频疲劳试验。所述的高频疲劳模块1由超声信号发生器108产生高频交变电信号，经电缆线107传输至超声换能器106，进而激发包含试件103在内的高频疲劳执行组件产生高频谐迫振动。所述的拉伸/压缩加载模块2以伺服电机Ⅰ210与同步带组件作为驱动单元，双向丝杠螺母副搭配上移动板218和下移动板216作为加载单元，以拉压力传感器223作为检测单元，实现对称式拉伸/压缩的力加载与检测。所述的扭转加载模块5以伺服电机Ⅱ501作为可控动力源，利用键连接方式传递扭矩，采用扭力传感器509测量扭转力，实现扭转力加载与检测。所述的高温-氛围加载模块4用于实现接近服役工况下的高温氛围环境，以波纹管Ⅰ401、石英玻璃管组件、波纹管Ⅱ405、密封盖板408、承力腔体504组成密封腔体，并在石英管支座Ⅰ402和石英管支座Ⅱ404上分别预留有充气接口和抽气接口，仅从抽气接口抽净腔内气体即可实现真空环境，若在真空环境下从充气接口充入氛围气体则可实现气氛环境；以聚光加热灯Ⅰ410、聚光加热灯Ⅱ414作为辐照热源，辐射光线经灯内弧形反射面聚焦于石英管403内试件103上，经一段时间的热传导使整个试件实现加热；以热电偶424对试件103及其周围环境的温度进行检测与反馈，以便精确温控；用冷风枪423对超声换能器106与超声连接器Ⅱ105连接处进行风冷，以免温升过高损坏超声换能器106。
本发明的复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验方法，在测试前，需要对试件103进行装夹，首先将拉压力传感器223与下移动板216之间的固定螺钉松开，启动伺服电机Ⅰ210背向移动上移动板218和下移动版216，断开超声换能器106与电缆线107的连接，松动并取下超声连接器Ⅱ105与波纹管Ⅰ401之间的紧固螺栓，再次启动伺服电机Ⅰ210直至可以整体取下超声变幅杆Ⅱ104、超声连接器Ⅱ105、超声换能器106，然后松开波纹管Ⅱ405与承力腔体504之间的紧固螺钉，整体取下石英管及波纹管组件，将试件103与超声变幅杆Ⅰ102拧紧，安装石英管及波纹管组件，将超声变幅杆Ⅱ104上螺纹孔对准试样，并整体拧动至适当位置后用螺栓将波纹管Ⅰ401、超声连接器Ⅱ105、拉压力传感器223紧固，连接超声换能器106与电缆线107，启动伺服电机Ⅰ210，直至拉压力传感器223与下移动板216接触后用螺钉紧固，协同控制伺服电机Ⅰ210、伺服电机Ⅱ501，紧固试件103与超声变幅杆Ⅱ104。待测试完成后，试件的拆卸步骤为试件安装的逆工序，此处不再赘述。在具体的测试过程中，根据需要施加载荷的形式以及所施加服役环境的需求，首先，利用石英管支座402和石英管支座Ⅱ404上的充气接口与抽气接口，充入或抽取所需的氛围气体，开启冷风枪423对超声换能器106进行冷却防护。然后，数据采集与控制系统实时采集拉压力传感器223、扭力传感器509、热电偶424等多路信号，并控制伺服电机210、伺服电机Ⅱ501、聚光加热灯I410/聚光加热灯Ⅱ414协同加载所需的机械载荷与服役温度场；待加载完成后，数据采集与控制系统输出控制信号启动并调整信号发生器108所产生的高频交变信号，进而驱动激发包含试件103在内的高频疲劳执行组件产生高频谐迫振动，同时数据采集与控制系统通过实时监测信号发生器108并记录其激发的高频疲劳振动次数。外部光学成像设备可安装于支撑平台7上，透过聚光加热灯I410和聚光加热灯Ⅱ414上的观测视窗、石英管403，可对测试过程中仍保持相对静止的试件103几何中心位置进行观测，从而实现对被测试件的原位观测。
实施例2：与实施例1相比不同之处在于：所述的扭转加载模块5中伺服电机Ⅱ501可加载扭转疲劳载荷，在试验过程中实现对试件的多轴疲劳测试。
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 (7)
1.一种复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置，其特征在于：包括高频疲劳模块（1）、拉伸/压缩加载模块（2）、立柱Ⅰ（3）、高温-氛围加载模块（4）、扭转加载模块（5）、上支撑板（6）、支撑平台（7）、立柱Ⅱ（8）、下支撑板（9）、隔振台（10），水平布置的上支撑板（6）、支撑平台（7）、下支撑板（9）与垂直布置的立柱Ⅰ（3）、立柱Ⅱ（8）之间通过螺栓连接，构成装置的主体框架，该主体框架中的下支撑板（9）通过螺钉紧固在带预留螺纹孔的隔振台（10）上；高频疲劳模块（1）主体部分安装在下移动板（216）上；拉伸/压缩加载模块（2）由驱动单元、加载与检测单元组成，驱动单元水平布置于下支撑板（9）上，加载与检测单元主体部分垂直安装于立柱Ⅰ（3）和立柱Ⅱ（8）上；高温-氛围加载模块（4）由真空/气氛环境单元、温度加载与防护单元组成，真空/气氛环境单元两端分别安装在上移动板（218）和下移动板（216）上，温度加载与防护单元主体设在支撑平台（7）上，支撑平台（7）上还预留有用于安装外部光学成像设备的螺纹孔；扭转加载模块（5）与高温-氛围加载模块（4）端部连接。
2.根据权利要求1所述的复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置，其特征在于：所述的高频疲劳模块（1）中，超声连接器Ⅰ（101）、超声变幅杆Ⅰ（102）、试件（103）、超声变幅杆Ⅱ（104）、超声连接器Ⅱ（105）、超声换能器（106）之间通过螺纹连接；超声连接器Ⅰ（101）和超声连接器Ⅱ（105）均通过振动波动理论设计而成，且在各自的波节面上设有连接法兰，其中，超声连接器Ⅰ（101）的法兰与扭转加载模块（5）通过螺栓固连，超声连接器Ⅱ（105）的法兰与拉伸/压缩加载模块（2）、高温-氛围加载模块（4）之间通过螺栓固连；通过超声连接器Ⅰ、Ⅱ波节面上的法兰对试件（103）施加的拉伸、压缩、扭转载荷，可避免所施加载荷与高频疲劳试验之间的相互影响。
3.根据权利要求1所述的复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置，其特征在于：所述的拉伸/压缩加载模块（2）采用伺服电机与同步带传动机构作为驱动单元，以丝杠螺母传动机构配合上移动板（218）和下移动板（216）作为加载单元，以拉压力传感器（223）作为力的检测单元；所述驱动单元中的伺服电机Ⅰ（210）输出端通过平键Ⅲ（211）与联轴器（209）一端连接，联轴器（209）另一端的径向凹槽与电机传力轴（212）的端部凸榫嵌装配合；电机传力轴（212）为两级阶梯且开有键槽，键槽中安装有平键Ⅰ（206），第一级阶梯和轴承端盖Ⅰ（207）分别用于固定主动带轮轴承（208）内圈和外圈的轴向位置，第二级阶梯和平键Ⅰ（206）分别实现主动带轮（205）的轴向与周向限位；所述加载单元中的具有双向螺纹结构的丝杠Ⅰ（213）和丝杠Ⅱ（225）分别与成对的丝杠螺母Ⅰ（215）和丝杠螺母Ⅱ（219）、丝杠螺母Ⅲ（220）和丝杠螺母Ⅳ（222）配合使用，结合与从动带轮Ⅰ（201）、从动带轮Ⅱ（203）之间的键连接方式，将从动带轮Ⅰ（201）和从动带轮Ⅱ（203）的同步转动转化为上移动板（218）和下移动板（216）的反向同步移动，在实现拉伸力/压缩力加载的同时保证试件（103）的几何中心观测位置不动；所述检测单元中拉压力传感器（223）与试件（103）采用同轴布置。
4.根据权利要求1所述的复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置，其特征在于：所述的扭转加载模块（5）中，伺服电机Ⅱ（501）通过螺钉紧固在支撑轴承腔体（502）上，支撑轴承腔体（502）与承力腔体（504）之间螺栓连接，承力腔体（504）通过周向4组螺钉紧固在上移动板（218）上；伺服电机Ⅱ（501）输出轴通过平键Ⅳ（505）与传力轴Ⅰ（507）连接，传力轴Ⅰ（507）与支撑轴承腔体（502）通过扭转轴承Ⅰ（506）、扭转轴承Ⅱ（508）、轴承端盖Ⅱ（503）连接，在保证传力轴Ⅰ（507）轴向限位的同时实现周向的自由；扭力传感器（509）两端分别与传力轴Ⅰ（507）、传力轴Ⅱ（510）的带法兰端通过螺钉固定，传力轴Ⅱ（510）另一端采用平键Ⅴ（511）、拧紧螺母（512）与传力框架（513）连接，实现周向、轴向传力。
5.根据权利要求1所述的复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置，其特征在于：所述的高温-氛围加载模块（4）的真空/气氛环境单元由波纹管Ⅰ（401）、石英玻璃管组件、波纹管Ⅱ（405）、密封盖板（408）、承力腔体（504）以及超声连接器Ⅱ（105）的法兰面共同构成密封腔体，并通过高温密封胶密封；石英玻璃管组件由石英管支座Ⅱ（404）、石英管（403）、石英管支座Ⅰ（402）组成且彼此间通过高温密封胶粘接，在石英管支座Ⅰ（402）和石英管支座Ⅱ（404）上分别预留有充气接口和抽气接口。
6.根据权利要求1所述的复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验装置，其特征在于：所述的高温-氛围加载模块（4）的温度加载与防护单元以聚光加热灯Ⅰ（410）、聚光加热灯Ⅱ（414）作为辐照热源，聚光加热灯Ⅰ、Ⅱ在竖直方向上预留有与石英管（403）同径的半圆柱型径向贯穿凹槽，在水平正交于聚光加热灯Ⅰ、Ⅱ轴线的一侧设计为一体式板式结构并在其上均设有观测视窗（412）及安装通孔，另一侧预留有半圆形配合观测口及安装螺纹孔；热电偶（424）安装在石英管支座Ⅰ（402）上，对试件（103）及其周围环境的温度进行检测与反馈；通过冷风枪（423）对超声换能器（106）与超声连接器Ⅱ（105）连接处进行风冷，以免温升过高损坏超声换能器（106）。
7.一种复合载荷与高温-氛围下的材料高频疲劳试验方法，其特征在于：步骤如下：
在测试前，配合伺服电机Ⅰ（210）依次取下超声变幅杆Ⅱ（104）、超声连接器Ⅱ（105）、超声换能器（106），然后整体取下石英管及波纹管组件，待试件（103）与超声变幅杆Ⅰ（102）拧紧后，沿取下部件的反向工序依次进行安装，同时配合伺服电机Ⅰ（210）、伺服电机Ⅱ（501）将试件（103）和超声变幅杆Ⅱ（104）拧紧；
在具体的测试过程中，根据需要施加载荷的形式以及所施加服役环境的需求，首先，利用石英管支座I（402）和石英管支座Ⅱ（404）上的充气接口与抽气接口，充入或抽取所需的氛围气体，开启冷风枪（423）对超声换能器（106）进行冷却防护；然后，数据采集与控制系统实时采集拉压力传感器（223）、扭力传感器（509）、热电偶（424）信号，并控制伺服电机I（210）、伺服电机Ⅱ（501）、聚光加热灯I（410）、聚光加热灯Ⅱ（414）协同加载所需的机械载荷与服役温度场；待加载完成后，数据采集与控制系统输出控制信号启动并调整信号发生器（108）所产生的高频交变信号，进而激发包含试件（103）在内的高频疲劳执行组件产生高频谐迫振动，同时数据采集与控制系统通过实时监测信号发生器（108）并记录其激发的高频疲劳振动次数；外部光学成像设备安装于支撑平台（7）上，透过聚光加热灯I（410）和聚光加热灯Ⅱ（414）上的观测视窗、石英管（403），对测试过程中仍保持相对静止的试件（103）几何中心位置进行观测，从而实现对被测试件的原位监测。
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