CN109870375B - 一种低温高频疲劳试验系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种载荷及频率稳定且测试结果准确的低温高频疲劳试验系统，用于在4.2K～300K温度下进行50Hz以上的频率的疲劳试验，包括具备机架、电磁激振器、上夹具和下夹具的疲劳试验装置，水循环装置和具备低温槽的低温环境控制单元。机架包括底座和多根支柱；电磁激振器安装在支柱的上端部，用于产生高频振动对试样施加载荷；下夹具的下端连接于水循环装置，其上端穿过低温槽底部并在低温槽内露出；上夹具与下夹具同轴地设置，其上端连接在电磁激振器上，下端从低温槽的顶部开口伸入低温槽内,并将电磁激振器产生的载荷传递至低温槽内的试样，该试样与上夹具及下夹具刚性连接；水循环装置连接在下夹具和底座之间。

Description

一种低温高频疲劳试验系统

技术领域

本发明属于材料力学性能测试领域，具体涉及一种在4.2K～300K温度下进行50Hz以上的高频率的低温高频疲劳试验系统。

背景技术

随着科技的发展，低温工程涉及的领域越来越广，所需的结构或设备越来越多，例如处于寒冷气候地区的结构、海洋工程中的低温管道、超导发电机相关部件、液化天然气的储罐和运输管道、液氢作为清洁能源的储存和运输设备、航空航天领域的相关部件等，均需要在低温或超低温条件下工作。环境温度的降低会对材料的各项性能造成影响，例如体心立方晶体结构的金属材料在温度下降到超过某一临界温度时，其断裂形式由延性断裂转变为脆性断裂，其冲击韧性大幅下降。因此，需要测试应用在各种低温环境下的材料的各项性能，掌握其随温度下降所表现出的变化规律，从而避免在低温下由于结构失效而造成重大损失。

若对材料施加周期性循环载荷，即使载荷最大值并没有使材料发生塑性变形，在材料内部也会有疲劳损伤的积累，导致材料在承受一定周次的循环载荷后发生疲劳断裂。因此，有必要探究材料在低温下的疲劳行为。

目前，对材料进行室温或高温疲劳试验的设备已较为全面，但是测量低温疲劳性能的设备种类尚不齐全。

现有低温疲劳试验设备多采用电液伺服疲劳试验机。电液伺服疲劳试验机适合于多种载荷和行程范围，但是由于受到机械结构的限制，例如电液伺服阀的响应频率和流量等，只能用于低频疲劳试验，一般低于30Hz。

电磁谐振式高频疲劳试验机是基于共振原理，电磁激振器输出的激振力与整机系统的固有频率相同，使得整个振动系统产生共振，从而对试样施加循环载荷。电磁谐振式高频疲劳试验机的谐振频率一般高于50Hz，最高可达300Hz，工作效率高，大大节约了测试成本及测试周期，但该设备尚无法进行低温环境下的疲劳性能测试。这是因为，低温疲劳试验机中的环境箱对整机的固有频率有影响，如果只是将低温环境箱和高频疲劳试验机简单拼装一起，所设计的低温疲劳试验机的频率及动态载荷精度会因环境箱的存在而发生变化，从而影响测试结果,甚至无法起振。另外，在测试过程中，低温环境箱中的低温介质通过热传导带走热量，造成载荷传感器温度下降，当载荷传感器的工作环境温度低于正常工作的温度区间时，会导致载荷读数不准的问题。

因此，需要设计开发一种载荷及频率稳定且测试结果准确的低温高频疲劳试验系统。

发明内容

本发明是为了解决现有技术中存在的问题而完成的，其目的在于提供一种载荷及频率稳定且测试结果准确的低温高频疲劳试验系统。

本发明的一个方面涉及一种低温高频疲劳试验系统，其为在4.2K～300K温度下进行50Hz以上的频率的疲劳试验系统，该系统包括疲劳试验装置、水循环装置和低温环境控制单元，

上述疲劳试验装置具备机架、电磁激振器、上夹具和下夹具，

所述低温环境控制单元包括低温槽，

其中，

上述机架包括底座和直立地安装在上述底座上的多根支柱；

上述电磁激振器安装在上述支柱的上端部，用于产生高频振动对试样施加载荷；

上述下夹具的下端连接于上述水循环装置，其上端穿过低温槽底部并在低温槽内露出；

上述上夹具与上述下夹具同轴地设置，其上端连接在上述电磁激振器上，下端从上述低温槽的顶部开口伸入低温槽内,并将上述电磁激振器产生的载荷传递至低温槽内的试样，该试样与上夹具及下夹具刚性连接；

上述水循环装置连接在上述下夹具和上述底座之间。

上述低温高频疲劳试验系统中，较好是上述低温环境控制单元还包括低温液体罐和供液导管，通过上述供液导管将低温液体罐中的低温液体导入上述低温槽内。

上述低温高频疲劳试验系统中，上述水循环装置较好是内部中空，通过循环水导管与水泵连接。

上述低温高频疲劳试验系统中，上述上夹具较好是通过第一锁紧齿轮盘连接在上述电磁激振器上。

上述低温高频疲劳试验系统中，上述下夹具较好是通过螺纹和锁紧环连接在水循环装置上，水循环装置通过第二锁紧齿轮盘连接在底座上。。

上述低温高频疲劳试验系统中，上述低温槽较好是通过锁紧环固定于上述下夹具。

上述低温高频疲劳试验系统中，上述上夹具和上述下夹具较好是分别通过螺栓和夹具端盖与试样刚性连接。

上述低温高频疲劳试验系统中，较好是在上述低温槽内壁安装有液位传感器，且在上述低温槽的进液口处安装有电磁阀，上述电磁阀根据上述液位传感器的检测信号反馈来调节低温液体的供给。

上述低温高频疲劳试验系统中，较好是在上述低温槽的底部或靠近底部的侧壁设有排液阀。

上述低温高频疲劳试验系统中，上述低温液体较好是液氧、液氮、液氦或其与乙醇的混合液体中的任一种。

发明效果

根据本发明的低温高频疲劳试验系统，电磁激振器、低温槽、上夹具、试样、下夹具、水循环装置及底座相互之间刚性连接，形成共振结构，能够在低温下以准确的动态载荷和稳定的频率进行试验，从而能够得到可靠的试验结果。通过使用产生高频的电磁激振器，大大提高了工作效率，节约了测试成本和周期。

此外，通过在下夹具和底座之间设置水循环装置，在水循环装置内不断流通恒温水，将设置于底座的载荷传感器的环境温度维持在室温附近，可以消除或减小由低温槽引起的低温环境对载荷传感器的影响，能够进一步确保测试结果的准确性。

附图说明

图1是本发明一实施方式的低温高频疲劳试验系统的结构示意图。

图2是本发明的低温高频疲劳试验系统中的上夹具的安装示意图。

图3是本发明的低温高频疲劳试验系统中的低温槽的安装示意图。

图4是本发明的低温高频疲劳试验系统中的夹具端盖的俯视示意图。

图5是本发明的低温高频疲劳试验系统中的低温槽的结构示意图。

符号说明

1电磁激振器

2第一锁紧齿轮盘

3上夹具

4上夹具端盖

5低温槽

6试样

7下夹具端盖

8下夹具

9内锁紧环

10外锁紧环

11水循环装置

12第二锁紧齿轮盘

13供液导管

14低温液体罐

15内锁紧环垫片

16外锁紧环垫片

51液位传感器

52排液阀

B底座

L支柱

具体实施方式

以下结合优选的实施方式及附图说明本发明的技术特征，这旨在说明本发明而不是限制本发明。附图被大大简化以用于进行说明，但不一定按比例绘制。

应当了解，附图中所示的仅仅是本发明的较佳实施例，其并不构成对本发明的范围的限制。本领域的技术人员可以在附图所示的实施例的基础上对本发明进行各种显而易见的修改、变型、等效替换，并且在不相矛盾的前提下，在以下所描述的不同实施方式中的技术特征可以任意组合，而这些都落在本发明的保护范围之内。

[低温高频疲劳试验系统]

以下参照图1～5详细说明本发明的低温高频疲劳试验系统的结构组成及特征。图1显示本发明一实施方式的低温高频疲劳试验系统的结构示意图；图2显示本发明的上夹具安装在电磁激振器上的示意图；图3显示本发明的低温高频疲劳试验系统中的低温槽的安装示意图；图4显示本发明的低温高频疲劳试验系统中的夹具端盖的俯视示意图；图5显示本发明的低温槽的结构示意图。

本发明的低温高频疲劳试验系统是在4.2K～300K温度下进行50Hz以上的高频率的疲劳试验系统，为了实现低温下的高频疲劳试验，发明人对低温高频疲劳试验系统的结构进行了研究设计，使得试验系统在具备低温箱的情况下，能够保持较高的恒定固有频率。

如图1所示，本发明的低温高频疲劳试验系统100包括疲劳试验装置、水循环装置11和低温环境控制单元。疲劳试验装置是低温高频疲劳试验系统的主体部分，包括机架、电磁激振器1、上夹具3和下夹具8。低温环境控制单元包括低温槽5、供液导管13和低温液体罐14。

机架由底座B和直立地安装在底座B上的多根支柱L构成，通常，为了确保试验装置的稳定性，支柱的数量设为2根以上，在一些优选的实施方式中，支柱的数量可以为4根或6根，如果支柱的数量过多，试验装置整体的重量增加，不利于保持恒定的固有频率，因此，支柱的数量特别优选为2根或4根。对支柱L与底座B的连接方式无特别限定，可以通过焊接、螺接或铆接等的方式将支柱L安装固定在底座B上。

电磁激振器1安装在支柱L的上端部，是提供振动动力源的装置，通过电磁方式产生激励使下方配重产生高频振动，并通过上夹具将载荷传递至试样。在一些优选的实施方式中，电磁激振器1通过螺栓等安装于支柱L上，通过调节螺栓可调整电磁激振器1的安装位置。在又一些优选的实施方式中，支柱L与底座B及电磁激振器1连接的部分形成为丝杠，通过设置在底座B内的电动机带动支柱L运动，可调整电磁激振器1的设定位置。在又一些优选的实施方式中，在不影响整机固有频率的情况下，支柱L也可设为伸缩式液压升降缸结构，通过利用电磁阀控制升降缸内的油压，来调整电磁激振器1的设定位置。

作为电磁激振器1，是能够产生50Hz以上的振动的电磁谐振式疲劳试验机，优选能够产生50～300Hz的高频振动。对于本发明中使用的电磁激振器，需要能够与机架、载荷传感器、上下夹具、试样、水循环单元等形成共振结构，从而对试样施加恒定频率的疲劳载荷。

上夹具3通过第一锁紧齿轮盘2连接于电磁激振器1。具体而言，上夹具3的上端通过第一锁紧齿轮盘2连接于电磁激振器1下端的配重加载部。在一些优选的实施方式中，如图2所示，第一锁紧齿轮盘2大致呈圆盘形，中央部形成有凹部，在凹部的底部形成有通孔，上夹具3的上端形成为具有凸缘的结构，上夹具3的下端穿过上述通孔且凸缘部嵌入锁紧齿轮盘的凹部，此外，电磁激振器1的配重加载部形成为环状突起，环的内部收纳上夹具3的凸缘部，第一锁紧齿轮盘2通过锁紧而接合在环状配重加载部外侧，将上夹具3的上端凸缘部紧紧锁合在环状配重加载部内，使上夹具3与电磁激振器1刚性连接。通过图2所示的连接结构，电磁激振器1与上夹具3紧凑连接，形成共振结构，能够将电磁激振器1的高频振动有效传递至上夹具3。

下夹具8经由水循环装置11连接于基座B。在一些优选的实施方式中，水循环装置11通过第二锁紧齿轮盘12连接于基座B，具体而言，第二锁紧齿轮盘12与图2中描述的第一锁紧齿轮盘2同样，大致呈圆盘形，中央部形成有凹部，在凹部的底部形成有通孔，基座B的与水循环装置11的连接处形成为环状突起，水循环装置11的下端形成为具有凸缘的结构，下端的凸缘穿过上述通孔收纳在环状突起内部，第二锁紧齿轮盘12通过锁紧而接合在环状突起的外侧，将水循环装置11下端的凸缘紧紧锁合。

上述下夹具8的下端与水循环装置11的上端刚性连接，对两者的连接方式无特别限定，例如可以通过螺纹连接。

下夹具8的上端穿过低温槽5的底部并在低温槽5内露出。在一些优选的实施方式中，低温槽5形成为顶部开口的圆筒形，在低温槽5的底部中央形成有供下夹具8穿过的通孔，利用密封紧固元件将低温槽5安装固定在下夹具8上。在进一步优选的实施方式中，如图3所示，低温槽5通过内锁紧环9、外锁紧环10、内锁紧环垫片15和外锁紧环垫片16密封固定在下夹具5上，通过采用该结构能使低温槽5与下夹具8刚性连接，有利于形成共振结构，并且可以防止低温槽5内的低温液体泄漏。

上夹具3与下夹具8同轴地设置，以使试样6处于低温槽5内的方式连接在试样的两端。上夹具3的上端连接于电磁激振器1的配重加载部，下端从低温槽5的顶部开口伸入低温槽内，将电磁激振器1产生的载荷传递至置于低温槽内的试样6。在一些优选的实施方式中，上夹具3通过使用螺栓和上夹具端盖4与试样刚性连接，下夹具8通过使用螺栓和下夹具端盖7与试样刚性连接。

图4显示本发明的低温高频疲劳试验系统中的夹具端盖的俯视示意图，参考图4，对一些优选的实施方式中的试样连接方式进行说明。对于上夹具3和上夹具端盖4来说，上夹具端盖4中间的螺纹孔与试样螺纹连接，使试样旋入端盖的螺纹孔并从端盖的另一侧伸出；在上述螺纹孔的周围环列设有多个(例如6个)螺纹孔。上夹具3的下端部具有与上夹具端盖相应的连接面且具有与上述多个螺纹孔对应的通孔，利用螺钉将上夹具与上夹具端盖拉紧，从端盖中心伸出的一段试样从而能够抵接上夹具，实现试样与上夹具的刚性连接。

同样地，下夹具8和下夹具端盖7具有与上夹具3和上夹具端盖4类似的结构，能够实现试样与下夹具的刚性连接。在进一步优选的实施方式中，上、下夹具端盖上的多个环列的孔可设为通孔，利用螺钉将夹具与夹具端盖拉紧，这样可延长夹具端盖的使用寿命，方便安装和拆卸。

本发明中，在底座B设有载荷传感器，该载荷传感器设置在底座B的与水循环装置11连接的位置，测定来自电磁激振器1且经由上夹具、试样、下夹具和水循环装置11的载荷。

在一些优选的实施方式中，水循环装置11内部设为中空结构，通过循环水导管与水泵连接，由此，使恒温水等在水循环装置11内不断流通，将载荷传感器的环境温度维持在室温附近，可以消除或减小由低温箱引起的低温环境对载荷传感器的影响，确保测试结果的准确性。

低温液体罐14通过供液导管13连通于低温槽5，通过使用泵等将低温液体罐14中的低温液体经由供液导管13导入低温槽5内，并使试样浸没在低温液体中。

在一些优选的实施方式中，如图5所示，可在低温槽5内壁安装有液位传感器，例如浮标51，且也可以在低温槽5的进液口处安装电磁阀(未图示)，该电磁阀根据液位传感器的检测信号反馈来调节低温液体的供给，此外，还可在低温槽5的底部或靠近底部的侧壁设有排液阀52，用于根据需要排出低温液体。

本发明的低温液体是例如液氧、液氮、液氦或其与乙醇的混合液体中的任一种，但并不限定于此，也可以是其他能够形成4.2K～300K温度的低温液体。

对于本发明的低温槽5的材质没有特别限定，可根据使用的低温液体进行适当选择，较好使用耐低温的不锈钢。在一些优选的实施方式中，低温槽5可制成带真空夹层的圆柱形筒体，顶端敞口，根据需要可在低温槽5的顶端设置保温效果较佳的盖子，如塑料泡沫制的盖子，用于减轻低温液体的挥发。

本发明的低温高频疲劳试验系统100中，通过电磁激振器1、上夹具3、试样6、下夹具8及底座B相互之间的刚性连接，形成共振结构，从而有利于得到稳定的试验结果。

此外，通过在下夹具8和底座B之间设置水循环装置11，在水循环装置11内不断流通恒温水，将设置于底座的载荷传感器的环境温度维持在室温附近，可以消除或减小由低温箱引起的低温环境对载荷传感器的影响，确保测试结果的准确性。

[低温高频疲劳试验系统的运作]

以下，对本发明的一优选的低温高频疲劳试验系统的运作进行详细描述，以便于理解本发明的低温高频疲劳试验系统的优势和特点，但本领域技术人员应当理解，本发明并不限定于以下描述的内容。

首先，准备带有电磁激振器1的机架，将上夹具3通过上锁紧齿轮盘2连接到电磁激振器1，将水循环装置11通过下锁紧齿轮盘12连接于机架的底座B上，在底座B的该连接处设有载荷传感器，接着将下夹具8与水循环装置11连接。然后通过上夹具端盖4将试样6的一端刚性连接于上夹具3的下端，通过下夹具端盖7将试样6的另一端刚性连接于下夹具8的上端。

安装完成后，将上夹具3、下夹具8和试样6整体拆下，使下夹具8的下端穿过低温槽5底部的通孔，接着将处于连接状态的上下夹具和试样与水循环装置连接并锁紧，再通过上锁紧齿轮盘将上夹具锁紧，从而将上下夹具、试样和水循环装置整体安装于电磁激振器及机架的底座上。最后，利用内锁紧环9、外锁紧环10及内锁紧环垫片15、外锁紧环垫片16分别从低温槽5的内外侧将低温槽5密封锁紧在下夹具8上。

接着，关闭低温槽5的排液阀52，将供液导管13连接到低温槽5的进液口和液氮罐(低温液体罐14)的液相出口，使低温槽内的液氮到达指定液位。达到保温时间后即可开始试验。试验过程中，观察低温槽内的浮标位置，根据需要添加液氮；或者，在低温槽内壁设置作为液位传感器的浮标，且在供液导管上安装电磁阀，该电磁阀根据液位传感器的检测信号反馈自动调节液氮的供给，使低温槽内的液氮液位维持在预定高度范围。

在进行试样测试的同时，使水循环装置11连接于模温机等，使恒温水在水循环装置11内循环流动。

以上描述的低温高频疲劳试验系统的运作方式只是一种例示，并不意图限定本发明的保护范围，本领域技术人员可以根据需要适当改变、替换低温高频疲劳试验系统中涉及的结构元件及安装顺序。

最后，应当理解，上述实施方式的说明在所有方面均为例示，不构成限制，在不背离本发明的精神的范围内可进行各种改进。本发明的范围是由权利要求书来表示的，而不是由上述实施方式来表示的。此外本发明的范围包括与权利要求书等同的意思和范围内的所有变更。

工业上的可利用性

本发明的低温高频疲劳试验系统中各构件相互刚性连接，整体形成共振结构，能够对试样施加高频循环载荷，可用于在4.2K～300K温度下进行50Hz以上的频率的疲劳试验，载荷及频率稳定且测试结果准确。

Claims (6)

1.一种低温高频疲劳试验系统，其为在4.2K～300K温度下进行50Hz以上的频率的疲劳试验系统，该系统包括疲劳试验装置、水循环装置和低温环境控制单元，所述疲劳试验装置具备机架、电磁激振器、上夹具和下夹具，所述低温环境控制单元包括低温槽，其中，所述机架包括底座和直立地安装在所述底座上的多根支柱；所述电磁激振器安装在所述支柱的上端部，用于产生高频振动对试样施加载荷；所述下夹具的下端连接于所述水循环装置，其上端穿过低温槽底部并在低温槽内露出；所述上夹具与所述下夹具同轴地设置，其上端连接在所述电磁激振器上，下端从所述低温槽的顶部开口伸入低温槽内，并将所述电磁激振器产生的载荷传递至低温槽内的试样，该试样与上夹具及下夹具刚性连接；所述水循环装置连接在所述下夹具和所述底座之间，载荷传感器设置在底座与水循环装置连接的位置，所述上夹具通过第一锁紧齿轮盘连接在所述电磁激振器上，所述下夹具通过螺纹和锁紧环连接在水循环装置上；水循环装置通过第二齿轮盘与连接在底座上，所述低温槽通过锁紧环固定于所述下夹具，所述上夹具和所述下夹具分别通过螺栓和夹具端盖与试样刚性连接，与上夹具相连的上夹具端盖以及与下夹具相连的下夹具端盖均位于低温槽内，试样两端从夹具端盖中心伸出分别与上夹具、下夹具相抵接，上夹具端盖中间的螺纹孔与试样螺纹连接，使试样旋入端盖的螺纹孔并从端盖的另一侧伸出，在所述螺纹孔的周围环列设有多个螺纹孔，上夹具的下端部具有与上夹具端盖相应的连接面且具有与所述多个螺纹孔对应的通孔，利用螺钉将上夹具与上夹具端盖拉紧。

2.如权利要求1所述的低温高频疲劳试验系统，其特征在于，所述低温环境控制单元还包括低温液体罐和供液导管，通过所述供液导管将低温液体罐中的低温液体导入所述低温槽内。

3.如权利要求1所述的低温高频疲劳试验系统，其特征在于，所述水循环装置内部中空，通过循环水导管与水泵连接。

4.如权利要求2所述的低温高频疲劳试验系统，其特征在于，在所述低温槽内壁安装有液位传感器，且在所述低温槽的进液口处安装有电磁阀，所述电磁阀根据所述液位传感器的检测信号反馈来调节低温液体的供给。

5.如权利要求2所述的低温高频疲劳试验系统，其特征在于，在所述低温槽的底部或靠近底部的侧壁设有排液阀。

6.如权利要求2所述的低温高频疲劳试验系统，其特征在于，所述低温液体为液氧、液氮、液氦或其与乙醇的混合液体中的任一种。

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