CN110618046A - 高温原位微动疲劳实验系统 - Google Patents

Abstract

一种高温原位微动疲劳实验系统，包括：试件、微动疲劳夹具、极端环境室、底座、支撑座、微动拉伸装置、微动疲劳加载装置、加热装置；试件包括试验段和连接段，试验段为燕尾榫结构件，试验段具有两个相对设置的试验面，连接段具有两个第二接触平面；微动疲劳夹具包括第一夹具，其一端设置敞开的容纳槽，容纳槽内设置摩擦面，容纳槽用于容纳试验段，试验面与摩擦面实现面接触；第二夹具，与连接段及微动拉伸装置连接；微动桥，包括第一微动桥和第二微动桥，第一微动桥为平头微动桥，第二微动桥为半圆柱型微动桥或半球体型微动桥；在沿着试件的燕尾榫结构件的法向方向上，微动疲劳加载装置与第一夹具或所述平头微动桥连接。

Description

高温原位微动疲劳实验系统

技术领域

本发明涉及高温材料性能测试领域，具体地说，涉及一种高温原位微动疲劳实验系统。

背景技术

紧固配合机械零部件接触在力振动、温度循环变化等交幅变化载荷的耦合作用下，接触面之间会发生位移幅度在微米量级的相对运动，称为微动。结构件接触面间的微动会促进损伤处产生裂纹、裂纹扩展甚至到断裂，这个过程被称为微动疲劳。微动疲劳造成的失效广泛发生在各个工业领域，会加速结构件破坏，导致一些紧固件结构寿命显著下降，是导致结构件破坏的重要原因之一。且在高温作用下，试件更易破坏。

现存试验装置中大多采用单向加载，较少考虑载荷十字交叉作用；同时现存试验装置中没有能实现燕尾榫单点和多点微动接触工况原位观测，为探索微动疲劳中摩擦磨损本质的失效机制，从微观原位观测入手，解决工程中微动疲劳引起的机械零部件失效问题，需要提供一种高温原位微动疲劳实验系统。

发明内容

本发明的目的在于解决上述问题，提供一种高温原位微动疲劳实验系统，通过将试件与第一夹具及第二夹具连接，使所述试件的试验段与所述第一夹具面接触；通过半圆柱型微动桥与所述试件的连接段进行线接触；以及通过半球体型微动桥与所述试件的连接段进行单点接触或多点接触；采用高温原位观测技术在同一系统内研究不同种类的接触形式，以实时观测试件情况，开展微动疲劳失效机制研究。

为实现上述目的，本发明采取了以下技术方法。

提供一种高温原位微动疲劳实验系统，包括：

试件，所述试件包括试验段和设置于所述试验段两端的连接段，所述试验段为燕尾榫结构件，且所述试验段具有两个相对设置的试验面，所述连接段具有两个第二接触平面；

微动疲劳夹具，所述微动疲劳夹具包括：第一夹具，所述第一夹具的一端设置敞开的容纳槽，所述容纳槽内设置有轴向对称的两个摩擦面，所述容纳槽用于容纳所述试验段，所述试验段的试验面分别与两个所述摩擦面接触；第二夹具，所述第二夹具的一端与所述连接段的端部连接；以及，微动桥，所述微动桥为对称结构件，所述微动桥的对称轴线位于所述试件的中心平面内，所述微动桥对称设置于所述试件的连接段上，所述微动桥包括第一微动桥和对称设置于所述第一微动桥两端的至少一第二微动桥，所述第二微动桥的另一端与所述连接段的第二接触平面接触；所述第一微动桥为平头微动桥；并且，所述第二微动桥为半圆柱型微动桥，所述半圆柱型微动桥与所述连接段的第二接触平面线接触；或者，所述第二微动桥为半球体型微动桥，所述半球体型微动桥与所述连接段的第二接触平面单点接触或多点接触。

进一步，所述高温原位微动疲劳实验系统还包括：极端环境室、底座、支撑座、微动拉伸装置、微动疲劳加载装置以及加热装置；其中，在沿着所述试件的轴向方向上，所述微动拉伸装置与所述第二夹具连接；在沿着所述试件的燕尾榫结构件的法向方向上，所述微动疲劳加载装置通过一第一丝杠、一第二丝杠分别与对称的所述第一夹具或所述平头微动桥连接。

进一步，所述第一夹具或所述平头微动桥与所述试验面相对的平面中心上设置有通孔，所述第一丝杠、所述第二丝杠分别通过所述通孔与所述第一夹具或所述平头微动桥固定连接，所述第一丝杠与所述第二丝杠设置旋向相反的无间隙T型螺纹，且所述第一丝杠与所述第二丝杠的旋向相反。

进一步，所述第二夹具包括一体连接的夹持部和延伸部，所述夹持部具有夹槽，所述连接段容纳于所述夹槽内。

进一步，所述第二夹具与所述连接段通过销轴连接，连接方式为可拆卸连接。

进一步，所述试验段与所述连接段为一体结构连接。

进一步，所述第一微动桥的端部设置有若干个螺纹孔，所述第二微动桥通过螺钉均匀紧固在所述第一微动桥的螺纹孔内。

进一步，所述极端环境室与所述底座连接形成一容纳空间，所述极端环境室与所述底座静密封连接，所述试件、所述微动疲劳夹具、所述支撑座及所述加热装置设置于所述容纳空间内部，且所述支撑座及所述加热装置设置于所述底座上，所述微动拉伸装置和所述微动疲劳加载装置设置于所述容纳空间外部，所述极端环境室与所述微动拉伸装置及所述微动疲劳加载装置动密封连接。

进一步，所述支撑座与所述底座固定连接，所述加热装置与所述底座固定连接。

进一步，所述微动拉伸装置与所述第二夹具进行可拆卸连接，所述微动疲劳加载装置与所述第一丝杠及所述第二丝杠进行可拆卸连接。

本发明高温原位微动疲劳实验系统的积极效果是：

通过将试件与第一夹具及第二夹具连接，能够使所述试件与所述第一夹具之间实现面接触；或者，通过微动桥的第二微动桥与所述试件的连接段连接，将所述第二微动桥设置为半圆柱型微动桥，实现所述微动桥与所述试件之间的线接触；或者将所述第二微动桥设置为至少一个半球体型微动桥，实现所述微动桥与所述试件之间的单点接触或多点接触；本发明高温原位微动疲劳实验系统能够解决极端苛刻环境中，原位观测微动疲劳使材料摩擦诱发材料结构演变失效机制测试问题；实现燕尾榫结构的试件考虑十字交叉作用下，单点和多点微动接触工况微动疲劳测试研究。

附图说明

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明高温原位微动疲劳实验系统的结构示意图；

图2是本发明高温原位微动疲劳实验系统的局部示意图；

图3是本发明高温原位微动疲劳实验系统的连接示意图；

图4是本发明的试件的结构示意图；

图5a是本发明第一实施例中第一夹具的结构示意图；

图5b是本发明第一实施例中第一夹具的开孔示意图；

图6是本发明所述第一实施例中第二夹具的结构示意图；

图7是本发明第二实施例中第一微动桥的结构示意图；

图8a是本发明第二实施例中第二微动桥的一种装配示意图；

图8b是图8a中所述第二实施例的第二微动桥与试件接触的局部放大图；

图9a是本发明第二实施例中第二微动桥的另一种装配示意图；

图9b是图9a中所述第二实施例的第二微动桥与试件接触的局部放大图；

图10是线接触微动受力分析图；

图11是面接触微动受力分析图；

图12是两点接触微动受力分析图；

图13是图12的应力最大处局部放大图；

图14是单点接触应力分析图；

图15是图14的应力最大处局部放大图。

图中的标号分别为：

01、极端环境室； 4、底座；

5、支撑座； 6、微动拉伸装置；

7、微动疲劳加载装置； 8、加热装置；

03、第一丝杠； 04、第二丝杠；

9、容纳空间； 10、传感器；

1、试件； 11、试验段；

111、试验面； 12、连接段；

121、第二接触平面； 02、微动疲劳夹具；

2、第一夹具； 21、容纳槽；

211、摩擦面； 201，601、通孔；

3、第二夹具； 31、夹持部；

32、延伸部； 311、夹槽；

4’、开孔； 40、销轴；

05、微动桥； 06、第一微动桥；

61、端面； 62、螺纹孔；

07、第二微动桥； 30、光学显微镜观测窗口。

具体实施方式

以下结合附图给出对本发明高温原位微动疲劳实验系统的具体实施方式，但是需要指出：所述具体实施方式并不用于限定本发明的具体实施。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化均应列入本发明的保护范围。以下实施例的说明是参考附加的图式，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。实施例中所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「顶」、「底」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。

参见图1，图1是本发明高温原位微动疲劳实验系统的结构示意图；本发明提供一种高温原位微动疲劳实验系统，包括：试件1、微动疲劳夹具02、极端环境室01、底座4、支撑座5、微动拉伸装置6、微动疲劳加载装置7、加热装置8。

续见图1、参见图2和图3，图2是本发明高温原位微动疲劳实验系统的局部示意图；图3是本发明高温原位微动疲劳实验系统的连接示意图。在本发明中，所述极端环境室01与所述底座4连接形成一容纳空间9，所述极端环境室01与所述底座4静密封连接，以及所述极端环境室01用于形成真空或承压苛刻介质环境，所述极端环境室01设置四个动密封接口所述极端环境室01的侧面设置真空或苛刻介质接口。所述试件1、所述微动疲劳夹具02、所述支撑座5、及所述加热装置8设置于所述容纳空间9内部，且所述支撑座5及所述加热装置8设置于所述底座4上，所述支撑座5与所述底座4固定连接，所述加热装置8与所述底座4固定连接；所述微动拉伸装置6和所述微动疲劳加载装置7设置于所述容纳空间9外部，所述微动拉伸装置6及所述微动疲劳加载装置7与所述极端环境室01动密封连接，所述加热装置8位于所述微动疲劳加载装置7的正下方，所述加热装置8可采用辐射加热或感应加热的方式对所述试件1加热至试验温度。并且，所述微动拉伸装置6与所述极端环境室01之间、所述微动疲劳加载装置7与所述极端环境室01之间设置有传感器10，所述传感器10用于感应所述动密封连接的密封状况。所述极端环境室01的外部上方具有一光学显微镜观测窗口30，所述光学显微镜观测窗口30用于观测所述容纳空间9内部。

续见图2、参见图4，图4是本发明的所述试件1的结构示意图。在所述容纳空间9的内部，所述试件1为对称结构件，所述试件1包括试验段11和对称设置于所述试验段11两端的连接段12，所述试验段11为燕尾榫结构件，所述连接段12为长方体型结构件，且所述试验段11具有两个相对设置的试验面111，所述连接段12具有两个对称的第二接触平面121；本发明中，所述试验段11与所述连接段12为一体结构连接，所述试件1为镍基单晶高温合金件或304不锈钢。

续见图2、参见图5a、图5b和图6，图5a是本发明第一实施例中第一夹具的结构示意图；图5b是本发明第一实施例中第一夹具的开孔示意图；图6是本发明第一实施例中第二夹具的结构示意图。

在所述容纳空间9的内部，所述微动疲劳夹具02包括第一夹具2和第二夹具3。

续见图4、图5a和图5b，所述第一夹具2的一端设置敞开的容纳槽21，所述容纳槽21内设置有轴向对称的两个摩擦面211，所述容纳槽21用于容纳试件1的所述试验段11，所述试验段11的试验面111分别与两个所述摩擦面211接触，其中，所述容纳槽21的摩擦面211的形状及尺寸与所述试验面111相同，所述试验面111与所述摩擦面211的轮廓均为燕尾型。

在本发明中，如图3和图5b所示的，在所述第一夹具2与所述试件1的试验面111相对的平面中心上设置有通孔201，一第一丝杠03、一第二丝杠04的一端分别通过所述通孔201与所述第一夹具2可拆卸连接，所述第一丝杠03与所述第二丝杠04设置旋向相反的无间隙T型螺纹，且所述第一丝杠03与所述第二丝杠04的旋向相反，所述第一丝杠03、所述第二丝杠04套设于所述支撑座5的轴孔内。

续见图6，所述第二夹具3包括一体结构连接的夹持部31和延伸部32，所述夹持部31具有夹槽311，所述夹持部31在对应所述夹槽311处设有对称的开孔4’，所述试件1的连接段12的两端分别通过一销轴40与所述第二夹具3连接，连接方式为可拆卸连接，所述连接段12容纳于所述夹槽311内。

本实施例中，所述第一夹具2和所述第二夹具3均为高温合金件。

续见图2、参见图7和图8a，图7是本发明第二实施例中第一微动桥的结构示意图；图8a是本发明第二实施例中第二微动桥的一种装配示意图；本发明第二实施例提供一种高温原位微动疲劳实验系统，包括所述试件1和微动桥05，所述微动桥05为对称结构件，所述微动桥05的对称轴线位于所述试件1的中心平面内，所述微动桥05对称设置于所述连接段12的第二接触平面121上，所述微动桥05包括第一微动桥06和对称设置于所述第一微动桥06两端的第二微动桥07，所述第二微动桥07的另一端与所述连接段12的第二接触平面121接触。如图7和图8所示的，在所述平头微动桥与所述试件1的第二接触面121相对的平面上开设一通孔601，所述第一丝杠03、所述第二丝杠04分别通过所述通孔601与所述平头微动桥进行可拆卸连接。

续见图7、图8a，参见图8b，图8b是图8a中所述第二实施例的第二微动桥与试件接触的局部放大图。所述第一微动桥06为平头微动桥，所述平头微动桥与所述第二接触平面121平行相对；所述第二微动桥07为半球体型微动桥，所述半球体型微动桥与所述连接段12的第二接触平面121进行单点或多点接触。具体地，所述第一微动桥06的端部具有一端面61，所述端面61的端部设置有若干个螺纹孔62，所述第二微动桥07通过螺钉均匀紧固在所述第一微动桥06的螺纹孔62内；其中，当只有一个所述半球体型微动桥设置于所述第一微动桥06的端面61时，所述半球体型微动桥的球面与所述连接段12的第二接触平面121为单点接触；当多于一个的所述半球体型微动桥设置于所述第一微动桥06的同一端的端面61时，多个所述半球体型微动桥的球面与所述连接段12的第二接触平面121形成多点接触。

参见图9a和图9b，图9a是本发明第二实施例中第二微动桥的另一种装配示意图；图9b是图9a中所述第二实施例的第二微动桥与试件接触的局部放大图；与所述第二实施例中的第二微动桥07的不同之处在于，所述第二微动桥07为半圆柱型微动桥，所述第二微动桥07通过螺钉均匀紧固在所述第一微动桥06的螺纹孔62内；所述半圆柱型微动桥的圆柱面位于背离所述第一微动桥06的一侧，所述圆柱面与所述连接段12的第二接触平面121实现线接触。

在本发明第一实施例中，利用所述第一夹具2、所述第二夹具3、所述微动拉伸装置6、以及所述微动疲劳加载装置7，可对所述试件1进行微动疲劳试验。具体地，在沿着所述试件1的轴向方向上，所述微动拉伸装置6与所述第二夹具3的延伸部32进行可拆卸连接，利用所述微动拉伸装置6对所述第二夹具3施加拉力；以及在沿着所述试件1的燕尾榫结构件的法向方向上，对称的所述第一夹具2通过所述第一丝杠03、所述第二丝杠04分别与所述微动疲劳加载装置7进行可拆卸连接。通过测定所述试件1的两个所述试验面111与两个所述摩擦面211的相互作用的参数，可以得到航空发动机高温部件在运行工况下微动疲劳损伤演化规律。此外，在所述第一夹具2和所述第二夹具3对所述试件1的夹持作用下，所述试件1的两个所述试验面111和所述摩擦面211的接触效果好，可以避免因微动损伤引起的叶片榫槽连接失效的情况。因此，本发明所述第一实施例的高温原位微动疲劳实验系统可以很好的评估榫槽结构方案，具有实验数据准确等优点。

在所述第二实施例中，利用所述第一微动桥06、所述第二微动桥07、所述微动拉伸装置6、以及所述微动疲劳加载装置7，可对所述试件1进行微动疲劳试验，在沿着所述试件1的燕尾榫结构件的法向方向上，所述第一微动桥06通过所述第一丝杠03、所述第二丝杠04分别与所述微动疲劳加载装置7连接。所述第一微动桥06通过所述第二微动桥07施加给所述试件1相应的应力作用，利用所述微动疲劳加载装置7对所述第一微动桥06施加载荷。通过测定所述半球体型微动桥或所述半圆柱型微动桥与所述试件1的第二接触平面121的相互作用的参数，实现所述试件1在十字交叉作用下进行的单点和多点微动接触工况微动疲劳测试研究。

本发明高温原位微动疲劳实验系统的使用方式为：

针对本发明第二实施例中产生的线接触微动或点接触微动，以及本发明第一实施例中产生的面接触微动，采用高温原位微动疲劳实验系统进行线接触微动、面接触微动、多点微动以及单点微动进行受力分析得到相应的受力分析图。

首先进行线接触微动受力分析，得出线接触微动受力分析图，如图10所示。

由于所述高温原位微动疲劳实验系统的试件1为上下对称模型，故取其一半作为分析对象，并可由三维实体转化为二维平面进行分析以减少计算量。约束条件为：试件1的最下端为固定端，半圆柱型微动桥的最上端受到向下的面载荷压力(pressure)，左右两边受到对称相同的面载荷压强(pressure),可得出最危险点就位于微动接触点，由此证明模拟分析准确可靠。

需要说明的是：根据库仑摩擦定律，微动接触区域产生部分滑动的条件是压力与切向力的比值小于接触区的摩擦系数，在本说明书所有实例中摩擦系数皆设为0.9。

接着得出面接触微动的受力分析图，如图11所示；试件1与第一夹具2之间进行面接触，所述面接触微动受力分析图的简化过程与所述线接触微动受力分析图的简化过程一致，但不同的是，所述第一夹具2设定为刚体，所述试件1的燕尾榫结构为变形体，受力点为所述第一夹具2上方的中心点，施加一个集中力，约束条件为：试件1的最底部为固定端约束；由于接触区域为燕尾榫接区域，故此处受力最大，与受力分析图对比，表明该模拟分析准确可靠。

然后得出两点接触微动受力分析图，如图12所示；以及，所述图12中应力最大处局部放大图，如图13所示；由于该模型为上下左右对称，故取其左上半部分进行受力分析，约束条件为试件1的最下端和最右端皆为固定端约束，受力情况为半球体型微动桥的最上端受到向下的面载荷，半球体型微动桥的最左端受到向右的面载荷，由受力分析图可知接触区域受力最大，与实际情况相符，故该模拟分析准确可靠；同时还可换成将三点接触和单点接触，因三点和二点接触皆属于多点接触，故此处只给出二点接触受力分析图的约束条件和受力情况与两点接触相同，故只给出受力分析图以作证明，不难发现受力情况与实际情况相符，故该仿真模拟准确可靠。

单点接触微动受力分析图，如图14所示；以及，所述图14中应力最大处局部放大图，如图15所示。单点接触微动受力情况与实际情况相符，故该仿真模拟准确可靠，在此不作具体描述。

本发明高温原位微动疲劳实验系统的优点在于，通过将试件1与第一夹具2及第二夹具3连接，能够使所述试件1与所述第一夹具2之间实现面接触；或者，通过微动桥05的第二微动桥07与所述试件1的连接段连接，将所述第二微动桥07设置为半圆柱型微动桥，实现所述微动桥05与所述试件1之间的线接触；或者将所述第二微动桥07设置为至少一个半球体型微动桥，实现所述微动桥05与所述试件1之间的单点接触或多点接触；本发明高温原位微动疲劳实验系统能够解决极端苛刻环境中，原位观测微动疲劳使材料摩擦诱发材料结构演变失效机制测试问题；实现燕尾榫结构的试件考虑十字交叉作用下，单点和多点微动接触工况微动疲劳测试研究。

除上述实施例外，若以本发明装置所作的等同替换或变形的装置或方案，其产生的效用未能超出说明书与附图涵盖的范围时，均为本发明专利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种高温原位微动疲劳实验系统，其特征在于，包括：

试件，所述试件包括试验段和设置于所述试验段两端的连接段，所述试验段为燕尾榫结构件，且所述试验段具有两个相对设置的试验面，所述连接段具有两个第二接触平面；

微动疲劳夹具，所述微动疲劳夹具包括：

第一夹具，所述第一夹具的一端设置敞开的容纳槽，所述容纳槽内设置有轴向对称的两个摩擦面，所述容纳槽用于容纳所述试验段，所述试验段的试验面分别与两个所述摩擦面接触；

第二夹具，所述第二夹具的一端与所述连接段的端部连接；以及，

微动桥，所述微动桥为对称结构件，所述微动桥的对称轴线位于所述试件的中心平面内，所述微动桥对称设置于所述试件的连接段上，所述微动桥包括第一微动桥和对称设置于所述第一微动桥两端的至少一第二微动桥，所述第二微动桥的另一端与所述连接段的第二接触平面接触；所述第一微动桥为平头微动桥；并且，所述第二微动桥为半圆柱型微动桥，所述半圆柱型微动桥与所述连接段的第二接触平面线接触；或者，所述第二微动桥为半球体型微动桥，所述半球体型微动桥与所述连接段的第二接触平面单点接触或多点接触。

2.根据权利要求1所述的高温原位微动疲劳实验系统，其特征在于，所述高温原位微动疲劳实验系统还包括：极端环境室、底座、支撑座、微动拉伸装置、微动疲劳加载装置以及加热装置；其中，

在沿着所述试件的轴向方向上，所述微动拉伸装置与所述第二夹具连接；

在沿着所述试件的燕尾榫结构件的法向方向上，所述微动疲劳加载装置通过一第一丝杠、一第二丝杠分别与对称的所述第一夹具或所述平头微动桥连接。

3.根据权利要求2所述的高温原位微动疲劳实验系统，其特征在于，所述第一夹具或所述平头微动桥与所述试验面相对的平面中心上设置有通孔，所述第一丝杠、所述第二丝杠分别通过所述通孔与所述第一夹具或所述平头微动桥固定连接，所述第一丝杠与所述第二丝杠设置旋向相反的无间隙T型螺纹，且所述第一丝杠与所述第二丝杠的旋向相反。

4.根据权利要求1所述的高温原位微动疲劳实验系统，其特征在于，所述第二夹具包括一体连接的夹持部和延伸部，所述夹持部具有夹槽，所述连接段容纳于所述夹槽内。

5.根据权利要求1所述的高温原位微动疲劳实验系统，其特征在于，所述第二夹具与所述连接段通过销轴连接，连接方式为可拆卸连接。

6.根据权利要求1所述的高温原位微动疲劳实验系统，其特征在于，所述试验段与所述连接段为一体结构连接。

7.根据权利要求1所述的高温原位微动疲劳实验系统，其特征在于，所述第一微动桥的端部设置有若干个螺纹孔，所述第二微动桥通过螺钉均匀紧固在所述第一微动桥的螺纹孔内。

8.根据权利要求2所述的高温原位微动疲劳实验系统，其特征在于，所述极端环境室与所述底座连接形成一容纳空间，所述极端环境室与所述底座静密封连接，所述试件、所述微动疲劳夹具、所述支撑座及所述加热装置设置于所述容纳空间内部，且所述支撑座及所述加热装置设置于所述底座上，所述微动拉伸装置和所述微动疲劳加载装置设置于所述容纳空间外部，所述极端环境室与所述微动拉伸装置及所述微动疲劳加载装置动密封连接。

9.根据权利要求8所述的高温原位微动疲劳实验系统，其特征在于，所述支撑座与所述底座固定连接，所述加热装置与所述底座固定连接。

10.根据权利要求2所述的高温原位微动疲劳实验系统，其特征在于，所述微动拉伸装置与所述第二夹具进行可拆卸连接，所述微动疲劳加载装置与所述第一丝杠及所述第二丝杠进行可拆卸连接。