CN110044711A - 用于材料原位测试的围压加载装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于材料原位测试的围压加载装置，属于材料原位测试技术领域。整体安装在底座上，包括轴压加载系统、围压加载系统、升降系统与支撑装置、拆装机械手机构、反力架结构及检测装置与粗调机构，无损检测装置与粗调机构通过接收屏移动台、检测装置移动台安装在底座上，所述轴压加载系统通过支撑台的第一层安装在底座上，所述围压加载系统安装在支撑台的第二层上，所述升降系统与支撑装置通过升降电动作动缸和推力球轴承Ⅰ安装在底座上，所述拆装机械手机构置于底座旁，所述反力架的四个导柱安装在底座上。优点在于：构思新颖，结构紧凑，自动化程度高，解决不易夹持不易拧紧的问题，节省时间及人力成本，提高实验效率。
Description
技术领域
本发明涉及材料原位测试技术领域，特别涉及一种材料力学性能研究用原位无损检测围压加载装置，尤指用于材料原位测试的围压加载装置，利用原位无损检测技术对材料的力学性能及变形过程进行测试。
背景技术
原位无损检测围压加载装置是为研究材料处于围压加载环境下的应力、应变关系的一种基础科学试验仪器，例如含能材料力学性能测试，深地岩石力学性能测试等。主要包括轴压加载系统、围压加载系统、升降系统与支撑装置、拆装机械手机构、反力架结构及检测装置与粗调机构。工作原理是通过轴压系统对试样施加轴向试样力，通过压力室对试样施加围压和轴压，但是传统的试验机难以观测到材料的内部结构因而更无法测得试样内部不同性质材料的真实几何分布情况。随着无损检测技术的不断完善和发展，例如CT(Computed Tomography，电子计算机断层扫描)识别技术，中子衍射（neutron diffraction）识别技术、同步光源等无损检测技术得到广泛应用，因其具有很强的穿透能力，能够测量具有较大体积固体材料的内部参与应力。运用原位无损检测装置对围压加载环境中试样的各个纵向截面的变形情况进行原位观测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于材料原位测试的围压加载装置，解决了现有试验机无法实现对试件三轴加载与轴向加载同时压力室自动旋转升降、检测装置自由调整距离的多自由度联动问题。本发明通过压杆与压力室平键连接共同旋转解决了压力室旋转式轴压加载会对试件施加扭矩的问题；设计了压力补偿丝杠与四导柱平台结合作为反力架结构提高了整体刚度，降低对压力室刚度要求，解决了试验机对压力室刚度要求高，使压力室壁材料厚重，X射线可穿透能力低，影响实验结果的问题；设计机械手、刚度补偿丝杠实现自动拆装，节省时间及人力成本，提高实验效率，解决了试件不易夹持，压力室不易更换的问题；压力室分体式设计，peek特种工程塑料内衬外层由航空复合材料采用三向编织缠绕工艺制作，较金属类材料具有可穿透能力强、强度高，质量轻，更换方便等优点，解决了一体式压力室刚度低，脱模困难、制造成本大的问题。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
用于材料原位测试的围压加载装置，整体安装在底座上19，包括轴压加载系统、围压加载系统、升降系统与支撑装置、拆装机械手机构、反力架结构及检测装置与粗调机构。所述轴压加载系统通过支撑台14第一层安装在底座19上，所述围压加载系统安装在支撑台14的第二层上，所述升降系统与支撑装置通过升降电动作动缸5和推力球轴承Ⅰ18安装在底座19上，所述拆装机械手机构安装在底座19旁，所述反力架结构的四个导柱6安装在底座19中，所述检测装置与粗调机构通过接收屏移动台2、检测装置移动台7安装在底座19上。
所述的轴压加载系统是：压力加载液压缸13安装在支撑台14上，推力球轴承Ⅱ24安装在压杆12上，所述压杆12安装在支撑台14第一层内，推力球轴承Ⅲ25安装在支撑台14第一层内，轴用平键15安装在压杆12上。
所述的围压加载系统是：供液装置与转台控制器3安装在支撑台14第三层上，精密转台9安装在支撑台14第二层上，旋转供液装置10安装在精密转台9内，压力室固定钢圈11安装在可拆卸连接板21和支撑台14第二层上，所述可拆卸连接板21安装在精密转台9上，peek特种工程塑料内衬由压力室固定钢圈11固定，压力室碳基航空复合材料编织筒缠绕在压力室peek特种工程塑料内衬上，压力室上密封装置28固定在支撑台14第一层下部，压力室下密封装置29固定在支撑台14第二层上部，压力室上压盖30与支撑台14第一层下部连接，压力室转接环31与支撑台14第二层下部连接。
所述的升降系统与支撑装置是：支撑台14第四层安装在底座19上，导柱6安装在底座19上，所述支撑台14整体由四个导柱6固定，升降电动作动缸5安装在底座19内，紧定螺母20安装在导柱6上，推力球轴承Ⅰ18安装在底座19上，丝杠4安装在支撑台14第四层上，传动齿轮17安装在推力球轴承Ⅰ18上。
所述的拆装机械手机构是：丝杠4安装在支撑台14第四层上，机械手26安装在底座19旁，可拆卸连接板21安装在精密转台9上，传动齿轮17安装在推力球轴承Ⅰ18上，机械手夹臂27安装在机械手26上。
所述的反力架结构是：支撑台14的第四层安装在底座19上，四个导柱6安装在底座19中，紧定螺母20安装在四个导柱6上，支撑台14第三层由紧定螺母20支撑。
所述的精密转台9采用抗福射精密旋转平台。
所述的升降电动作动缸5采用滚珠丝杠电动作动缸。
所述的检测装置与粗调机构是：接收屏1安装在接收屏移动台2上，所述接收屏移动台2安装在底座19上，检测装置8安装在检测装置移动台7上，所述检测装置移动台7安装在底座19上。
本发明的有益效果在于：本发明构思新颖，结构紧凑，通过升降系统控制整体实验平台随着无损检测的进行自动升降，无损检测装置也可自由移动调整与压力室的距离，压力室置于精密转台上可以实现自动旋转，升降系统与旋转系统可单独控制也可联动；可以对试件三轴加载与轴向加载同时压力室自动旋转升降、检测装置自由调整距离；轴压加载的压杆与压力室通过平键连接，在精密旋转平台带动压力室旋转时共同转动，使转台转动时无法对试件施加扭矩，试件只承受轴向力；反力架结构由四导柱平台与丝杠丝母副共同组成，提高了反力架结构的刚度及试验机整体刚度，从而对压力室的刚度硬性要求降低，可以使用分体式压力室，其中间材料为可穿透能力强的材料（peek特种工程塑料）组成，同等实验条件下对比金属材料内衬成像更加清晰准确，采用peek特种工程塑料内衬外层由碳基航空复合材料纤维采用三向编织缠绕工艺制作，解决一体式压力室刚度低、脱模难制造困难，不可更换，成本高等问题；由丝杠和压力室内部刚度补偿环组成的刚度补偿系统，丝杠可以在施加压力是进行预加载，在试样压溃状态下（峰后脆性效果）电机启动丝杠反转，可以保证峰值压力，同时与刚度补偿环配合作用延长实验结果呈现时间，获得完整的应力应变曲线；通过压力室与上下供液系统串联的一体化设计实现同步旋转，避免信号传输中的干扰提高系统响应效率；通过机械手拆装试件，丝杠支撑和分离工作台同时起到预紧作用，自动化程度高，解决不易夹持不易拧紧的问题，节省时间及人力成本，提高实验效率。实用性强。设备的适用性较强，可搭载多种无损检测设备，例如高能CT、同步光源、中子衍射等，可以针对不同材料不同环境进行原位检测。
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为本发明安装CT扫描设备的整体结构示意图；
图2为本发明的整体示意图；
图3为本发明的轴压加载及围压加载示意图；
图4为本发明的压力室及轴压加载的示意图；
图5为本发明的整机(带机械手)结构示意图；
图6为本发明的机械手与升降系统联动更换试件状态的示意图；
图7为本发明无损检测状态示意图。
图中：1、接收屏；2、接收屏移动台；3、旋转供液与转台控制器；4、丝杠；5、升降电动作动缸；6、导柱；7、检测装置移动台；8、检测装置；9、精密转台；10、旋转供液装置；11、压力室固定钢圈；12、压杆；13、压力加载液压缸；14、支撑平台；15、轴用平键；16、peek特种工程塑料内衬；17、齿轮Ⅰ；18、推力球轴承Ⅰ；19、底座；20、紧定螺母；21、可拆卸连接板；22、压力室碳基航空复合材料编织筒；23、试样；24、推力球轴承Ⅱ；25、推力球轴承Ⅲ；26、机械手；27、机械手夹臂；28、压力室上密封装置；29、压力室下密封装置；30、压力室上压盖；31、压力室转接环。
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7所示，本发明用于材料原位测试的围压加载装置，整体安装在底座上19，包括轴压加载系统、围压加载系统、升降系统与支撑装置、拆装机械手机构、反力架结构及检测装置与粗调机构，所述检测装置与粗调机构通过接收屏移动台2、检测装置移动台7安装在底座19上，所述轴压加载系统通过支撑台14第一层安装在底座19上，所述围压加载系统安装在支撑台14的第二层上，所述升降系统与支撑装置通过升降电动作动缸5和推力球轴承Ⅰ18安装在底座19上，所述拆装机械手机构安装在底座19旁，所述反力架的四个导柱6安装在底座19中。
所述无损检测对试样进行非接触式测量，在轴压加载系统与围压加载系统作用时，通过粗调机构调整相对位置对内部试样进行扫描成像；轴压加载系统通过液压缸13以及电动作动缸5实现对试样的轴向压力加载；围压加载系统包括液压站、油管、密封件等装置，轴压加载系统与围压加载系统共同作用使试样处于三轴加载状态；旋转压力室由peek特种工业塑料材料制成，其中充入油液，与围压加载系统共同为试样提供围压加载的实验环境，检测装置透过压力室外壁对试样进行全景式非接触式测量；升降系统为试样的提供精确的位移，保证检测装置的成像质量以及精度，支撑装置连接各个部件使各系统在加载实验中保持稳定；反力架连接轴压加载与升降系统，使整个装置的内力平衡，保证整体刚度；拆装机械手机构由六自由度机械手与滚珠丝杠副组成，作用于压力室及反力架，可以实现快速拆装。
所述的轴压加载系统包括压力加载液压缸13、支撑台第一层14、压杆12、丝杠4、轴用平键15、推力球轴承Ⅱ24、推力球轴承Ⅲ25；所述压力加载液压缸13安装在支撑台14第一层上，液压缸推杆与压杆12同轴布置，推力球轴承Ⅱ24安装在压杆12上，所述压杆12安装在支撑台14第一层内，推力球轴承Ⅲ25安装在支撑台14第一层内，轴用平键15安装在压杆12上，压杆12在压力室中与试样23接触。
所述的围压加载系统主要包括供液装置与转台控制器3、精密转台9、旋转供液装置10、压力室固定钢圈11、peek特种工程塑料内衬16、可拆卸连接板21、压力室碳基航空复合材料编织筒、支撑台14的第二层；首先将压力室航空复合材料纤维三向编织缠绕在peek特种工程塑料内衬上，peek特种工程塑料内衬由压力室固定钢圈11固定，压力室固定钢圈11安装在可拆卸连接板21和支撑台14的第二层上，所述可拆卸连接板21与精密转台9相连，精密转台9安装在支撑台14的第三层上，旋转供液装置10安装在精密转台9内压力室下部，供液装置与转台控制器3安装在支撑台14的第三层上。
所述的升降系统与支撑装置主要包括丝杠4、升降电动作动缸5、导柱6、支撑台14第三、四层、底座19、紧定螺母20、推力球轴承Ⅰ18、传动齿轮17；首先支撑台14全体由导柱6固定，安装在底座19上，然后升降电动作动缸5安装在底座19内部上段支撑着支撑台14第四层，紧定螺母20安装在导柱6上固定整体反力架位置。丝杠4安装在支撑台14的第四层上，由推力球轴承Ⅰ18连接在底座19上，同时传动齿轮17安装丝杠4上与推力球轴承Ⅰ18上，由电机控制丝杠4旋转。
所述的拆装机械手机构主要包括丝杠4、机械手26、可拆卸连接板21、传动齿轮17、推力球轴承Ⅰ18、机械手夹臂27；首先将丝杠4安装在支撑台14第四层上，由电机带动传动齿轮17从而控制丝杠4旋转，丝杠4旋转使支撑台14的第一、二层分离，传动齿轮17安装在推力球轴承Ⅰ18上。机械手26安装在底座19旁，机械手夹臂27安装在机械手26上，对安装在精密转台9上的可拆卸连接板21进行拆卸。
所述的无损检测与粗调机构安装在底座19上，包括接收屏1、接收屏移动台2、检测装置8、检测装置移动台7；所述X射线1安装在接收屏移动台2上，能够垂直升降同时可以沿着底座19的滑道方向调整与试件的距离实现粗调作用。所述接收屏移动台2安装在底座19上，检测装置8安装在检测装置移动台7上，所述检测装置移动台7安装在底座19上。
所述的反力架结构主要包括四个导柱6、四层支撑台14、底座19、紧定螺母20；四层支撑台14上由四个导柱6限定位置并都安装在底座19上，由安装在四个导柱6上的紧定螺母20支撑，压力室与精密转台9安装在支撑台14第二层上，共同组成反力架结构。
所述的精密转台9是抗辐射精密旋转平台。
所述的升降电动作动缸5采用滚珠丝杠电缸。
参见图6所示，当实验完成后，围压加载系统通过旋转供液装置10把压力室中的液体排空，拆下压力室固定钢圈11，然后电机带动丝杠4旋转使压力室上下的支撑台14第一、二分离，机械手26移动到压力室旁，机械手夹臂27夹紧压力室外壁移动，工作人员完成换件、清洗、装配等工作。
参见图7所示，实验开始时安装试样调整，在底座水平方向调整接收屏移动台2与检测装置移动台7的位置，使无损检测装置能够清晰成像，然后旋转供液装置10开始向压力室内部充液加压，同时压力加载液压缸13加载轴压，精密转台9开始旋转，升降电动作动缸5推动整体支撑台14升降。
参见图1至图7所示，本发明的具体工作过程如下：
准备工作，首先安装试样调整压杆保证压力加载液压缸13、压杆12与试样23同轴，在底座水平方向调整接收屏移动台2与检测装置移动台7的位置使无损检测能够清晰成像，压力室固定钢圈11与支撑台14第一层螺栓连接，电机动作，带动传动齿轮17使丝杠4正转完成压力室预紧，然后旋转供液装置10开始向压力室内部充液加压，同时压力加载液压缸13加载轴压，精密转台9开始旋转，升降电动作动缸5推动整体支撑台14升降，压力加载液压缸13慢慢提升压力，在试样压溃状态下（峰后脆性效果）电机启动丝杠反转，可以保证峰值压力，同时与刚度补偿环配合作用延长实验结果呈现时间，获得完整的应力应变曲线，试样23被压溃后旋转供液装置10开始减压，压力加载液压缸13也停止加载，丝杠4反转使支撑台第一、二层14分离，围压加载系统通过旋转供液装置10把压力室中的液体排空，拆下压力室固定钢圈11，机械手26移动到压力室旁，机械手夹臂夹紧压力室外壁移动，工作人员完成换件、清洗、装配等工作。
本发明所述peek特种工程塑料内衬16是由聚醚醚酮，英文名称polyetheretherketone（简称PEEK）制成的内衬，它是分子主链中含有链节的线性芳香族高分子化合物。其构成单位为氧-对亚苯基-氧-羰-对亚苯基，是半结晶性、热塑性塑料。peek是一种性能优异的特种工程塑料，与其他特种工程塑料相比具有更多显著优势，耐正高温260度、机械性能优异、自润滑性好、耐化学品腐蚀、阻燃、耐剥离性、耐磨性、不耐强硝酸、浓硫酸、抗辐射、超强的机械性能可用于高端的机械、核工程和航空等科技。它目前已在核工业、化学工业、电子电器、机械仪表、汽车工业和宇航领域中得到了广泛的应用。它通常可用作高性能复合材料的基体材料。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，还可应用其他无损检测设备例如高能CT，中子衍射，同步光源等无损检测技术，这些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)
1.一种用于材料原位测试的围压加载装置，其特征在于：整体安装在底座上（19），包括轴压加载系统、围压加载系统、升降系统与支撑装置、拆装机械手机构、反力架结构及检测装置与粗调机构，所述检测装置与粗调机构通过接收屏移动台（2）、检测装置移动台（7）安装在底座（19）上，所述轴压加载系统通过支撑台的第一层（14）安装在底座（19）上，所述围压加载系统安装在支撑台（14）的第二层上，所述升降系统与支撑装置通过升降电动作动缸（5）和推力球轴承Ⅰ（18）安装在底座（19）上，所述拆装机械手机构置于底座（19）旁，所述反力架结构的四个导柱（6）安装在底座（19）上。
2.根据权利要求1所述的用于材料原位测试的围压加载装置，其特征在于：所述的轴压加载系统是：压力加载液压缸（13）安装在支撑台（14）的第一层上，推力球轴承Ⅱ（24）安装在压杆（12）上，所述压杆（12）安装在支撑台（14）第一层内，推力球轴承Ⅲ（25）安装在支撑台（14）的第一层内，轴用平键（15）安装在压杆（12）上。
3.根据权利要求1所述的用于材料原位测试的围压加载装置，其特征在于：所述的围压加载系统是：供液装置与转台控制器（3）安装在支撑台（14）的第三层上，精密转台（9）安装在支撑台（14）的第二层上，精密转台（9）采用抗福射精密旋转平台，旋转供液装置（10）安装在精密转台（9）内，压力室固定钢圈（11）安装在可拆卸连接板（21）和支撑台（14）的第二层上，所述可拆卸连接板（21）安装在精密转台（9）上，peek特种工程塑料内衬（16）由压力室固定钢圈（11）固定，压力室缠绕材料（22）缠绕在peek特种工程塑料内衬（16）上。
4.根据权利要求1所述的用于材料原位测试的围压加载装置，其特征在于：所述的升降系统与支撑装置是：支撑台（14）的第四层安装在底座（19）上，导柱（6）安装在底座（19）上，所述支撑台（14）由四个导柱（6）固定，升降电动作动缸（5）安装在底座（19）内，升降电动作动缸（5）采用滚珠丝杠电缸，紧定螺母（20）安装在导柱（6）上，推力球轴承Ⅰ（18）安装在底座（19）上，丝杠（4）安装在支撑台（14）的第四层上，传动齿轮（17）安装在推力球轴承Ⅰ（18）上。
5.根据权利要求1所述的用于材料原位测试的围压加载装置，其特征在于：所述的拆装机械手机构是：丝杠（4）安装在支撑台（14）的第四层上，机械手（26）安装在底座（19）旁，可拆卸连接板（21）安装在精密转台（9）上，传动齿轮（17）安装在推力球轴承Ⅰ（18）上，机械手夹臂（27）安装在机械手（26）上。
6.根据权利要求1所述的用于材料原位测试的围压加载装置，其特征在于：所述的反力架结构是：支撑台（14）安装在底座（19）上，四个导柱（6）安装在底座（19）中，紧定螺母（20）安装在四个导柱（6）上，支撑台（14）的第三层由紧定螺母（20）支撑。
7.根据权利要求1所述的用于材料原位测试的围压加载装置，其特征在于：所述的检测装置与粗调机构是：接收屏（1）安装在接收屏移动台（2）上，所述接收屏移动台（2）安装在底座（19）上，检测装置（8）安装在检测装置移动台（7）上，所述检测装置移动台（7）安装在底座（19）上。
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