CN108982242A - 一种采用x射线三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机 - Google Patents

Abstract

一种采用X射线三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机，主要由力加载单元、试样夹持单元、作动单元、传动单元、数据采集与控制单元组成。采用伺服电机作动，通过梅花形弹性联轴器将电机的旋转运动传递到试样下夹具上，由夹具带动试样进行旋转运动。试样上夹具连接有力加载单元，通过拧动螺钉对轴状试样施加径向力，从而使试样弯曲。在疲劳试验的过程中，同步辐射光源能够无阻挡穿透金属试样进行同步辐射成像，得到材料内部损伤的三维图像；清晰、准确地反映材料内部结构在旋转弯曲疲劳过程中的演变规律，为研究材料在旋转弯曲疲劳下的缺陷以及裂纹演变行为提供了不可或缺的技术装备。

Description

一种采用X射线三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机

技术领域

本发明涉及材料力学性能试验装置，具体来说是利用高能X射线进行三维成像的材料原位疲劳试验机。

背景技术

传统的光学显微镜和电子显微镜等方法仅能获得材料表面疲劳裂纹，而内部气孔、夹渣、组织等引起的三维疲劳裂纹及其耦合行为与表面完全不同。第三代高能X射线计算机断层扫描技术具备亚微米空间和微秒时间分辨率及百keV级的卓越探测能力，较常规X光机的试验水平高出几个数量级，是目前唯一可穿透大块金属材料进行疲劳损伤演变可视化研究的大型科学装置。微型的原位疲劳试验机与先进的同步辐射X射线成像相结合使得科学家能够深入到材料内部，高精度、高亮度、高准直、高效率、非破坏性和原位实时地探测到疲劳损伤和断裂的过程及其演变规律，这对于准确评估材料强度和寿命具有无可替代的科学意义。

轴类零件是高铁、飞机、船舶、汽车、冶金、石油等机械以及铁路桥梁等的主要零件和构件。旋转弯曲现象大多出现在正在服役的轴类零件上。在旋转的过程，轴类零件要承受某一恒定方向弯矩的往复加载，久而久之，轴类零件就会出现疲劳失效现象，对人们生产生活的安全产生了极大的威胁。在这种情况下，能够较为准确地预测受旋转弯矩载荷轴类零件的疲劳寿命、预防轴类零件在工作中出现疲劳失效则显得刻不容缓。旋转弯曲疲劳试验机能够模拟轴类零件在旋转过程中受到弯矩的现象，为研究在旋转过程中受往复弯矩载荷的轴类零件的疲劳寿命提供了有效的实验数据。在旋转弯曲试验中，试样旋转并承受一弯矩。产生弯矩的力恒定不变且不转动。试样可装成悬臂，在一点或两点加力;或装成横梁，在四点加力。试验一直进行到试样失效或超过预定应力循环次数。

通过调研，目前已经商业化及其他专利中所述旋转弯曲疲劳试验机结构都无法匹配同步辐射光源对试样进行原位的三维成像。其一，目前旋转弯曲疲劳试验机大都采用卧式结构，无法与同步辐射光源装置相匹配；其二，试样受到试验机不同程度的遮挡，无法进行原位成像；其三，目前已经商业化的旋转弯曲疲劳试验机所匹配的试样尺寸过大，无法利用同步辐射光源进行成像。本发明在设计时考虑到以上的问题，设计出了一款适用于同步辐射光源、可用高能X射线进行三维成像、能够进行悬臂式旋转弯曲疲劳试验的试验机。本发明采用螺钉控制夹具位移对试样施加横向力，同时加装力传感器，能够实时监测施加力的大小。

目前国内外均无发现有可用高能X射线进行三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题而提供一种采用X射线三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机，旨在通过对轴状试样施加径向力而使试样弯曲，清晰准确地得到材料内部损伤的三维图像，最终获取材料内部结构在弯曲疲劳过程中的演变规律。

本发明的目的是这样实现的：一种采用X射线三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机，包括，主机，数据采集装置和电机控制装置，其特征在于，方形筒体的试验机支座固定在底座上，底座经十字形卡盘与由电机驱动旋转的光源平台连接；伺服电机沿竖向安装在试验机支座内，伺服电机轴与弹性联轴器下端连接；上盖板经螺钉固定在试验机支座顶部；试样夹持机构为：位于上方的上夹具一为一个柱状体，柱状体下部有外螺纹，柱状体底部有一与试样上部正方形块相适配而卡合的长方形开口槽，位于下方的上夹具二为一个上部开口且有底板的筒体，该筒体内有与上夹具一的外螺纹相旋转的内螺纹，该筒体及其底板上有一供试样中轴部分插入的径向开口槽，卡块一的形状与试样上部正方形块插入上夹具一底部长方形开口槽后剩余部分的形状相适配；下夹具一、下夹具二以及卡块二分别与上夹具一、上夹具二以及卡块一的形状相同，下夹具二位于下夹具一上方，且下夹具二与上夹具二上下对称设置，下夹具一与上夹具一上下对称设置；下夹具一的柱状体下部经深沟球轴承设置在上盖板上；圆筒形玻璃罩分割为玻璃罩一和玻璃罩二，该玻璃罩嵌插在上盖板顶面上的圆形槽口上，卡块嵌入并经螺钉固定在上盖板顶面的开口凹陷面内，以将玻璃罩二抵住，从而使之不能从上盖板凹陷面的开口处取出；支座固定在玻璃罩上面；套筒形状为：有顶板的圆筒左面固联有一水平轴，右面固联的另一水平轴右端上有一板件；支撑座和支持座分别固定在支座顶面左部和右部，套筒的左面水平轴经直线轴承安装在支撑座上，两个载荷施加螺钉从套筒的板件左面的两个孔穿过该板件并从左向右穿过支持座上的两个孔后，与两个螺纹套筒旋接，载荷传感器设置在套筒的板件与支持座之间，上夹具一的柱状体上部经圆柱滚子轴承安装在套筒的圆筒内；光源发射器和光源接收器分别安装在光源平台以外的左面和右面，且二者之间的光通路穿过试样；载荷传感器的输出信号与所述数据采集装置连接，数据采集装置与所述主机连接；所述电机控制装置与伺服电机连接。

所述上夹具一为一个双变径柱状体，即由一个上部柱状体和直径较小的下部柱状体组成，下部柱状体上有外螺纹，下部柱状体底部有一长方形开口槽；所述下夹具一为一个三变径柱状体，即由一个中等直径的上部柱状体和一个最大直径的中间柱状体以及一个最小直径的下部柱状体组成，该上部柱状体上有外螺纹，该上部柱状体顶部有一长方形开口槽，该下部柱状体经深沟球轴承设置在上盖板上。

还具有图像处理单元，图像处理单元与所述主机连接。

所述伺服电机经电机上下固定座以及电机前后固定座安装在试验支座内；所述弹性联轴器为梅花形弹性联轴器。

与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：

1，模拟悬臂式轴类零件在旋转过程中受到弯矩载荷的现象，对研究受在旋转过程中受往复弯矩载荷的轴类零件的疲劳寿命提供了实验数据支持。

2，本发明是一种具有体积小、高精度特性的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验装置，可以实现与同步辐射光源试验平台的良好兼容。对实验机夹装试样部分的结构进行了设计，做到试验机结构对高能X射线无阻挡，在进行旋转弯曲疲劳试验的过程中，高能X射线能够穿透玻璃罩对疲劳试样进行同步辐射成像，得到材料内部的三维立体图像。

置于底座上的包括试样机支座，试样夹持机构，加载机构，电机驱动机构等在试验中随光源平台用步转动，在试样转动情况下，采用用步辐射光源无阻挡穿透玻璃罩及金属试验进行用步辐射成像，得到材料内部损伤的三维图像。

3，力加载单元的结构新颖，通过旋动螺纹套筒即可方便地对轴状试样施加径向力，从而供试样达到一定的弯曲程度。本发明采用拧动螺钉的方式对试样施加横向力，在力加载单元处添加力传感器，能够实时监测对试样所施加横向力的大小。

4，对试样夹具进行了设计，具有控制试样轴向位移以及旋转的功能。在夹具上添加了类似于键与键槽的机械结构，能够在仅仅拆卸试验机夹具部分的情况下进行试样的安装工作，简化了试样的夹装。

轴状试样夹持机构设计构思巧妙，其特点有：其一，试样夹持可靠。上夹具一、二分别采用螺纹旋接为一体，能始终保持试样在试验过程中原始位置；其二，试样更换方便。

附图说明

图1是可用高能X射线进行三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机整体正视图。

图2是可用高能X射线进行三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机试样夹持机构正视图。

图3是可用高能X射线进行三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机试样夹持机构爆炸图。

图4是可用高能X射线进行三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机弯曲载荷加载机构俯视图。

图5是可用高能X射线进行三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机弯曲载荷加载机构爆炸视图。

图6是可用高能X射线进行三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机上下部分连接机构爆炸图。

图7是光源平台与试验机底座连接件卡盘。

图8是电机及电机固定件三维视图。

具体实施方式

图中，1为（上夹具）套筒，2为上夹具，3为载荷传感器，4为（载荷施加）支持座，5为螺纹套筒，6为下夹具，7为深沟球轴承，8为卡块，9为（梅花形）弹性联轴器，10为电机前后固定座，11为（光源平台与试验机底座）卡盘，12为（上夹具套筒）支撑座，13为（加载机构）支座，14为玻璃罩，15为（试验机支座）上盖板，16为试验机支座，17为电机上下固定座,18为伺服电机，19为（试验机）底座，20为光源平台，21为光源发射器，22为光源接收器，23为数据采集与电机控制器，24为图像处理单元，25为圆柱滚子轴承，26为试样，27为载荷施加螺钉，28为直线轴承，29为（试验）卡块一，30为卡块二。

图1示出本采用X射线三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机，方形筒体的试验机支座16固定在底座19上，底座19经十字形卡盘11与由电机驱动旋转的光源平台20连接；伺服电机18沿竖向安装在试验机支座16内，伺服电机18轴与弹性联轴器9下端联接；上盖板15经螺钉固定在试验机支座16顶部；试样夹持机构为：位于上方的上夹具一2a为一个柱状体，柱状体下部有外螺纹，柱状体底部有一与试样26上部正方形块相适配而卡合的长方形开口槽，位于下方的上夹具二2b为一个上部开口且有底板的筒体，该筒体内有与上夹具一2a的外螺纹相旋转的内螺纹，该筒体及其底板上有一供试样26中轴部分插入的径向开口槽，卡块一29的形状与试样上部正方形块插入上夹具一2a底部长方形开口槽后剩余部分的形状相适配；下夹具一6b、下夹具二6a以及卡块二30分别与上夹具一2a、上夹具二2b以及卡块一29的形状相同，下夹具二6a位于下夹具一6b上方，且下夹具二6a与上夹具二2b上下对称设置，下夹具一6b与上夹具一2a上下对称设置；下夹具一6a的柱状体下部经深沟球轴承7设置在上盖板15上；圆筒形玻璃罩14分割为玻璃罩一14a和玻璃罩二14b，该玻璃罩14嵌插在上盖板15顶面上的圆形槽口上，卡块8嵌入并经螺钉固定在上盖板顶面的开口凹陷面内，以将玻璃罩二14b抵住，从而使之不能从上盖板凹陷面的开口处取出；支座13固定在玻璃罩14上面；套筒1形状为：有顶板的圆筒左面固联有一水平轴，右面固联的另一水平轴右端上有一板件；支撑座12和支持座4分别固定在支座13顶面左部和右部，套筒1的左面水平轴经直线轴承28安装在支撑座12上，两个载荷施加螺钉27a、27b从套筒1的板件左面的两个孔穿过该板件并从左向右穿过支持座4上的两个孔后，与两个螺纹套筒5a、5b旋接，载荷传感器3设置在套筒1的板件与支持座4之间，上夹具一2a的柱状体上部经圆柱滚子轴承25安装在套筒1的圆筒内；光源发射器21和光源接收器22分别安装在光源平台20以外的左面和右面，且二者之间的光通路穿过试样26；载荷传感器3的输出信号端与到所述数据采集装置连接，数据采集装置与所述主机连接；所述电机控制装置与伺服电机18连接。

上夹具一2a底部的长方形开口槽在其底部圆周上形成一个开口。深沟球轴承7外圈固定在上盖板15中心孔上，下夹具一柱状体下部固定在深沟球轴承内圈上。直线轴承外圈固定在支撑座的孔内，套筒的左水平轴固定在直线轴承内圈。参见图7，卡盘为十字形，底座19和光源平台20二者的邻接面上均有与卡盘相适配的凹槽。

上夹具一2a为一个双变径柱状体，即由一个上部柱状体和直径较小的下部柱状体组成，下部柱状体上有外螺纹，下部柱状体底部有一长方形开口槽；所述下夹具一6b为一个三变径柱状体，即由一个中等直径的上部柱状体和一个最大直径的中间柱状体以及一个最小直径的下部柱状体组成，该上部柱状体上有外螺纹，该上部柱状体顶部有一长方形开口槽，该下部柱状体经深沟球轴承7设置在上盖板15上。

还具有图像处理单元24，图像处理单元24与所述主机连接。

伺服电机18经电机上下固定座17以及电机前后固定座10安装在试验支座16内；所述弹性联轴器9为梅花形弹性联轴器。

安装步骤

A、首先将电机轴与梅花形弹性联轴器一端相联接，通过键进行固定。之后将伺服电机18放入试验机支座16中，通过螺栓联接电机前后固定座10、电机上下固定座17，将伺服电机安装在试验机支座16上。将深沟球轴承7装入试验机支座上盖板15中，然后把下夹具6b与试验机支座上盖板15相联接。之后将下夹具6b与梅花形弹性联轴器9的另一端相连接，在联接下夹具6b与梅花形弹性联轴器9的同时，通过螺钉联接试验机支座上盖板15及试验机支座16。之后通过螺钉联接玻璃罩14a和试验机支座上盖板15，通过卡块8将玻璃罩14b与玻璃罩14a相联接，通过螺钉将卡块8固定在试验机支座上盖板15上。将加载机构支座13与玻璃罩14相联接。之后将载荷传感器3与载荷施加支持座4通过螺纹相联接。通过螺钉27a、27b联接载荷施加支持座4与夹具套筒1，通过螺纹联接螺钉27a、27b和螺纹套筒5a、5b。之后将直线轴承28装入上夹具套筒支撑座12中，通过螺钉联接夹具套筒1与夹具套筒支撑座12。将圆柱滚子轴承25装入上夹具套筒1内，然后将上夹具2a装入上夹具套筒1内。通过螺钉分别将上夹具套筒支撑座12、载荷施加支持座4与加载机构支座13相联接。之后将试验机支座16装入试验机底盘19中，通过螺钉卡住试验机支座16。试验机整体部分安装完成之后，通过卡盘11将试验机底盘19与同步辐射光源载物台20相配合，之后进行试样的安装。

B、首先通过拧动螺钉解除卡块8与试验机支座上盖板15的联接关系。之后移出玻璃罩14b。将试样通过镊子放入上夹具2a及下夹具6b之间，然后将试样卡块29、试样卡块30塞进试样与上下夹具之间，之后将上夹具2b、下夹具6a通过螺纹分别与上夹具2a、下夹具6a相互联接，进行试样固定。试样固定完成之后将玻璃罩14b、卡块8放回原位，拧动螺钉固定卡块8。拧动螺纹套筒，在控制界面上可以看到载荷传感器采集到的力信号变为零，可以进行试验。

试验步骤

A、拧动螺纹套筒5，带动上夹具套筒5产生垂直于轴向的位移，进而使上夹具2对试样26产生拉压力，试样26受到一弯矩作用。同时上夹具套筒1对载荷传感器3施加同样大小的压力，当载荷传感器3采集到的力信号达到预设要求以后，停止拧动螺纹套筒5，保持力不变。

B、数据采集与控制装置23控制伺服电机18以设定的频率作动，伺服电机18的作动轴通过梅花形弹性联轴器9带动下夹具6进行旋转运动，从而带动试样26进行旋转；同时，载荷传感器3检测到试样26承受的载荷信号，传递给数据处理与控制装置23；当试样26旋转周数达到设定的成像循环次数后，数据处理与控制装置23控制伺服电机18停止作动，启动同步辐射光源21，同步辐射光源平台20旋转，通过卡盘11带动试验机底座19进行180度旋转；同时，同步辐射光源的光发射器21发出的同步辐射高能X射线直接穿透180度旋转的试样26后由同步辐射光源的光接收器22接收，完成对试样的180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。捕捉到的高分辨率的二维图像数据传输到图像处理单元24进行三维重构，完成材料内部三维形貌的重构。

本发明具有以下突出特点：

（一）可用高能X射线进行原位成像。同步辐射高能X射线具有独一无二的优势，但兼容条件决定了对试验机的结构、重量等有限制，而此试验机可以与同步辐射光源平台良好兼容，利用同步辐射高能X射线进行原位成像研究。

（二）可进行旋转弯曲疲劳试验。能够模拟悬臂式轴状物在旋转过程中受到弯曲载荷时内部结构发生的变化，研究材料旋转时发生弯曲变形的疲劳失效机制，意义重大。

本发明正是通过特定的结构形式（图一所示），将上述两点功能集成于一体的试验机，实质包含了一种通过所述特定的装置、结构、设备，按照所述试验步骤，利用高能X射线研究悬臂式轴状零件在旋转过程中发生弯曲变形时的疲劳失效机制的方法。

Claims (4)

1.一种采用X射线三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机，包括，主机，数据采集装置和电机控制装置，其特征在于，方形筒体的试验机支座（16）固定在底座（19）上，底座（19）经十字形卡盘（11）与由电机驱动旋转的光源平台（20）连接；伺服电机（18）沿竖向安装在试验机支座（16）内，伺服电机（18）轴与弹性联轴器（9）下端联接；上盖板（15）经螺钉固定在试验机支座（16）顶部；试样夹持机构为：位于上方的上夹具一（2a）为一个柱状体，柱状体下部有外螺纹，柱状体底部有一与试样（26）上部正方形块相适配而卡合的长方形开口槽，位于下方的上夹具二（2b）为一个上部开口且有底板的筒体，该筒体内有与上夹具一（2a）的外螺纹相旋转的内螺纹，该筒体及其底板上有一供试样（26）中轴部分插入的径向开口槽，卡块一（29）的形状与试样上部正方形块插入上夹具一（2a）底部长方形开口槽后剩余部分的形状相适配；下夹具一（6b）、下夹具二（6a）以及卡块二（30）分别与上夹具一（2a）、上夹具二（2b）以及卡块一（29）的形状相同，下夹具二（6a）位于下夹具一（6b）上方，且下夹具二（6a）与上夹具二（2b）上下对称设置，下夹具一（6b）与上夹具一（2a）上下对称设置；下夹具一（6a）的柱状体下部经深沟球轴承（7）设置在上盖板（15）上；圆筒形玻璃罩（14）分割为玻璃罩一（14a）和玻璃罩二（14b），该玻璃罩（14）嵌插在上盖板（15）顶面上的圆形槽口上，卡块（8）嵌入并经螺钉固定在上盖板顶面的开口凹陷面内，以将玻璃罩二（14b）抵住，从而使之不能从上盖板凹陷面的开口处取出；支座（13）固定在玻璃罩（14）上面；套筒（1）形状为：有顶板的圆筒左面固联有一水平轴，右面固联的另一水平轴右端上有一板件；支撑座（12）和支持座（4）分别固定在支座（13）顶面左部和右部，套筒（1）的左面水平轴经直线轴承（28）安装在支撑座（12）上，两个载荷施加螺钉（27a、27b）从套筒（1）的板件左面的两个孔穿过该板件并从左向右穿过支持座（4）上的两个孔后，与两个螺纹套筒（5a、5b）旋接，载荷传感器（3）设置在套筒（1）的板件与支持座（4）之间，上夹具一（2a）的柱状体上部经圆柱滚子轴承（25）安装在套筒（1）的圆筒内；光源发射器（21）和光源接收器（22）分别安装在光源平台（20）以外的左面和右面，且二者之间的光通路穿过试样（26）；载荷传感器（3）的输出信号端与所述数据采集装置连接，数据采集装置与所述主机连接；所述电机控制装置与伺服电机（18）连接。

2.根据权利要求1所述的一种采用X射线三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机，其特征在于，所述上夹具一（2a）为一个双变径柱状体，即由一个上部柱状体和直径较小的下部柱状体组成，下部柱状体上有外螺纹，下部柱状体底部有一长方形开口槽；所述下夹具一（6b）为一个三变径柱状体，即由一个中等直径的上部柱状体和一个最大直径的中间柱状体以及一个最小直径的下部柱状体组成，该上部柱状体上有外螺纹，该上部柱状体顶部有一长方形开口槽，该下部柱状体经深沟球轴承（7）设置在上盖板（15）上。

3.根据权利要求2所述的一种采用X射线三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机，其特征在于，还具有图像处理单元（24），图像处理单元（24）与所述主机连接。

4.根据权利要求3所述的一种采用X射线三维成像的悬臂式旋转弯曲原位疲劳试验机，其特征在于，所述伺服电机（18）经电机上下固定座（17）以及电机前后固定座（10）安装在试验支座（16）内；所述弹性联轴器（9）为梅花形弹性联轴器。