CN110849521B - 一种便携式的应用于现场残余应力的加载及光学测试装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便携式的应用于现场残余应力的加载及光学测试装置，包括外部套架、加载组件和装夹组件，基于云纹干涉法的残余应力测试装置，包括外部套架、测量组件和装夹组件。本发明在加载装置和光学测试装置中共同使用相同的外部套架和装夹组件，简便的实现拆卸更换，便于携带和使用；选用丝杠和丝杠座构成的滚珠丝杠结构，将电机的旋转运动转化为压头的直线运动，以此来实现金刚石半球体对被测设备的周期性加载与卸载；通过磁性底座、Z型连接架和夹具的配合，便于与待测量的装置的固定；通过位移传感器和摄像头的配合，观察加载过程中材料向两侧堆积隆起的情况。

Description

一种便携式的应用于现场残余应力的加载及光学测试装置
技术领域
本发明涉及应力测试技术领域，具体涉及一种基于连续球压法的、便携式的、应用于现场残余应力的无损/微损加载装置，同时，本发明还涉及一种基于光学干涉的、便携式的、应用于现场残余应力的光学测试装置。
背景技术
随着石油化工、核电等重化工业中关键装备大型化的发展，制造业面临的板厚和直径超大问题愈发突出。厚壁部件焊道数量多、拘束强，导致产生较大的残余应力和变形，促使产生疲劳断裂、应力腐蚀开裂等问题。为保证焊接部件的服役安全性，需要针对残余应力进行有效的调控。准确测试服役部件的残余应力是实现上述目标的核心基础。同时考虑到服役设备的工作特点，测试还应保证对设备本身微损/无损，不能破坏其完整性。从测试操作得劲角度考虑，还要满足便携、人性化的要求。
连续球压设备具有便携特点，且能满足对所测设备无损/微损的要求，在测试残余应力方面具有很好的潜力。但现有方法仅能获取残余应力的数值，无法给出残余应力的方向信息，这给后续的完整性评估带来不便。光学干涉法具有非接触、全场和实时观测的优点正好可以弥补上述不足。然而，现有光学干涉设备体积大，不便于现场使用。本发明旨在结合上述两种方法的优点，开发一种便携式的应用于现场残余应力测试的装置，以达到对服役装备的精准、全面、无损伤、人性化的测试。
发明内容
本发明的目的在于提供一种便携式的应用于现场残余应力的加载及光学测试装置，在加载装置和光学测试装置中共同使用相同的外部套架和装夹组件，简便的实现拆卸更换，利用基于连续球压法的无损/微损加载装置，并结合基于光学干涉方法的光学测试装置，进行残余应力的测量，便于携带和使用，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于连续球压法的、便携式的、应用于现场残余应力的无损/微损加载装置，包括：
外部套架，所述外部套架包括两组侧板和两组正板，两组所述侧板和两组所述正板通过螺栓分别首尾相连，两组所述侧板和两组所述正板之间构成空腔，两组所述侧板和两组所述正板的上侧共同安装有连接座；
加载组件，所述加载组件包括电机、丝杠座、丝杠、连接件、衔接件、滑槽和滑块，所述电机的输出端通过联轴器与丝杠座相连，所述丝杠螺纹连接于丝杠座的中部，所述连接件安装于丝杠的外侧，所述衔接件安装于连接件的外侧，所述滑块安装于衔接件的下部，所述滑槽安装于两组所述侧板和两组所述正板的下部，所述电机通过连接座安装于两组侧板和两组正板的上部，所述联轴器、丝杠座、丝杠、连接件和衔接件均处于空腔的内部，所述滑块滑动连接于滑槽的内部，所述滑块的下部通过螺栓安装有压力传感器，所述压力传感器的下部螺纹连接有压头，所述压头的下侧安装有金刚石半球体；
装夹组件，所述装夹组件包括磁性底座、两组Z型连接架和夹具，所述磁性底座通过螺栓安装于两组侧板和两组正板的下部，所述磁性底座的内侧安装有摄像头，所述磁性底座的外侧安装有位移传感器，所述磁性底座的中部开设有与压头相配合的通孔，两组所述Z型连接架均通过螺栓分别安装于两组所述侧板的下侧，所述夹具通过螺栓安装于Z型连接架的下部。
其中，所述电机的输出端中心线、丝杠的中心线、滑块的中心线同轴设置。
其中，所述衔接件的中部呈中空设置，所述衔接件的下侧开设有螺纹孔。
其中，所述压头呈中空设置，所述压头的内部设置有螺纹段。
其中，所述金刚石半球体的端部设置有外凸部。
本发明还提供一种基于光学干涉的、便携式的、应用于现场残余应力的光学测试装置，包括外部套架、装夹组件以及测量组件，
所述外部套架包括两组侧板和两组正板，两组所述侧板和两组所述正板通过螺栓分别首尾相连，两组所述侧板和两组所述正板之间构成空腔，两组所述侧板和两组所述正板的上侧共同安装有连接座，两组所述侧板之间均开设有安装槽；
所述测量组件包括激光发射器、准直镜、扩束镜、第一反射镜、第二反射镜、挡光块和支撑块，所述准直镜和扩束镜均通过连接架安装于激光发射器的发光端，所述扩束镜处于激光发射器与准直镜之间，所述激光发射器通过连接座安装于两组正板和两组侧板的上部，所述准直镜、扩束镜和连接架均处于空腔的内部，所述挡光块安装于支撑块的中部，所述第一反射镜对称安装于挡光块的左右两侧，所述第二反射镜对称安装于支撑块的内侧，所述支撑块安装于安装槽的内侧，所述第一反射镜、第二反射镜和挡光块均处于空腔的内部，两组所述第一反射镜均与准直镜的下部相对；
所述装夹组件包括磁性底座、两组Z型连接架和夹具，所述磁性底座通过螺栓安装于两组侧板和两组正板的下部，所述磁性底座的内侧安装有摄像头，所述磁性底座的外侧安装有位移传感器，所述磁性底座的中部开设有与压头相配合的通孔，两组所述Z型连接杆均通过螺栓分别安装于两组所述侧板的下侧，所述夹具通过螺栓安装于Z型连接架的下部。
其中，所述准直镜的中心线、扩束镜的中心线和挡光块的中心线同轴设置。
其中，所述扩束镜为凹透镜，所述准直镜为凸透镜。
其中，所述磁性底座开设有凹槽，所述磁性底座为电磁铁磁性底座。
综上所述，由于采用了上述技术，本发明的有益效果是：
本发明中，在加载装置和光学测试装置中共同使用相同的外部套架和装夹组件，简便的实现拆卸更换，利用光学干涉法进行装置残余应力的测量，便于携带和使用。
本发明中，通过丝杠和丝杠座构成的滚珠丝杠结构，是传动机械中精度最高也是最常用的传动装置，将电机的旋转运动转化为压头的直线运动，以此来实现金刚石半球体对被测设备的周期性加载与卸载。
本发明中，通过磁性底座、Z型连接架和夹具的配合，将磁性底座吸附在装置的侧部，然后将带固定的装置放置在Z型连接架的下部，通过螺栓固定夹具与Z型连接架，便于与待测量的装置的固定。
本发明中，通过位移传感器和摄像头的配合，观察压入过程中材料向两侧堆积隆起的情况，方便进行检测。
本发明中，第一反射镜接收来自准直镜的平行光线，并反射于第二反射镜，第二反射镜将光线反射于待测表面，形成光栅，便于后续的观测。
附图说明
图1为本发明的加载装置的部分结构剖视示意图；
图2为本发明的加载组件部分结构剖视示意图；
图3为本发明的滑槽与滑块侧视示意图；
图4为本发明的滑槽与滑块部分结构俯视示意图；
图5为本发明的丝杠部分结构俯视示意图；
图6为本发明的丝杠部分结构侧视示意图；
图7为本发明的压头部分结构剖视示意图；
图8为本发明的衔接件的轴测图；
图9为本发明的滑槽的轴测图；
图10为本发明的连接座的轴测图；
图11为本发明的连接座部分结构俯视示意图；
图12为本发明的滑槽部分结构俯视剖视示意图；
图13为本发明的正板的轴测图；
图14为本发明的侧板的轴测图；
图15为本发明的磁性底座的俯视示意图；
图16为本发明的磁性底座的侧视示意图；
图17为本发明的Z型连接架的轴测图；
图18为本发明的夹具的轴测图；
图19为本发明的光学测试装置的主视剖视示意图；
图20为本发明的光学测试装置的光线路径示意图。
图中标记：1、外部套架；101、侧板；102、正板；103、空腔；104、连接座；105、安装槽；2、加载组件；201、电机；202、丝杠座；203、丝杠；204、连接件；205、衔接件；2051、螺纹孔；206、滑槽；207、滑块；208、联轴器；209、压头；2091、螺纹段；210、金刚石半球体；2101、外凸部；211、压力传感器；3、装夹组件；301、磁性底座；3011、凹槽；302、Z型连接架；303、夹具；304、摄像头；305、位移传感器；306、通孔；4、测量组件；401、激光发射器；402、准直镜；403、扩束镜；404、第一反射镜；405、第二反射镜；406、挡光块；407、支撑块；408、连接架。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据说明书具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了如图1-18所示的一种基于连续球压法的、便携式的、应用于现场残余应力的无损/微损加载装置，包括：
外部套架1，外部套架1包括两组侧板101和两组正板102，两组侧板101和两组正板102通过螺栓分别首尾相连，两组侧板101和两组正板102之间构成空腔103，两组侧板101和两组正板102的上侧共同安装有连接座104；
加载组件2，加载组件2包括电机201、丝杠座202、丝杠203、连接件204、衔接件205、滑槽206和滑块207，电机201的输出端通过联轴器208与丝杠座202相连，丝杠203螺纹连接于丝杠座202的中部，连接件204安装于丝杠203的外侧，衔接件205安装于连接件204的外侧，滑块207安装于衔接件205的下部，滑槽206安装于两组侧板101和两组正板102的下部，电机201通过连接座104安装于两组侧板101和两组正板102的上部，联轴器208、丝杠座202、丝杠203、连接件204和衔接件205均处于空腔103的内部，滑块207滑动连接于滑槽206的内部，滑块207的下部通过螺栓安装有压力传感器211，压力传感器211的下部螺纹连接有压头209，压头209的下侧安装有金刚石半球体210，电机201的输出端中心线、丝杠203的中心线、滑块207的中心线同轴设置，衔接件205的中部呈中空设置，衔接件205的下侧开设有螺纹孔2051，压头209呈中空设置，压头209的内部设置有螺纹段2091，金刚石半球体210的端部设置有外凸部2101，通过丝杠203和丝杠座202构成的滚珠丝杠结构，是传动机械中精度最高也是最常用的传动装置，将电机201的旋转运动转化为压头209的直线运动，以此来实现金刚石半球体210对被测设备的周期性加载与卸载；
装夹组件3，装夹组件3包括磁性底座301、两组Z型连接架302和夹具303，磁性底座301通过螺栓安装于两组侧板101和两组正板102的下部，磁性底座301的内侧安装有摄像头304，磁性底座301的外侧安装有位移传感器305，磁性底座301的中部开设有与压头209相配合的通孔306，两组Z型连接架302均通过螺栓分别安装于两组侧板101的下侧，夹具303通过螺栓安装于Z型连接架302的下部。
请参阅图9-20，本发明还提供了一种基于光学干涉的、便携式的、应用于现场残余应力的光学测试装置，包括外部套架1、装夹组件3以及测量组件4；
外部套架1包括两组侧板101和两组正板102，两组侧板101和两组正板102通过螺栓分别首尾相连，两组侧板101和两组正板102之间构成空腔103，两组侧板101和两组正板102的上侧共同安装有连接座104，两组侧板101之间均开设有安装槽105；
测量组件4包括激光发射器401、准直镜402、扩束镜403、第一反射镜404、第二反射镜405、挡光块406和支撑块407，准直镜402和扩束镜403均通过连接架408安装于激光发射器401的发光端，扩束镜403处于激光发射器401与准直镜402之间，激光发射器401通过连接座104安装于两组正板102和两组侧板101的上部，准直镜402、扩束镜403和连接架408均处于空腔103的内部，挡光块406安装于支撑块407的中部，第一反射镜404对称安装于挡光块406的左右两侧，第二反射镜405对称安装于支撑块407的内侧，支撑块407安装于安装槽105的内侧，第一反射镜404、第二反射镜405和挡光块406均处于空腔103的内部，两组第一反射镜404均与准直镜402的下部相对，准直镜402的中心线、扩束镜403的中心线和挡光块406的中心线同轴设置，扩束镜403为凹透镜，准直镜402为凸透镜，磁性底座301开设有凹槽3011，磁性底座301为电磁铁磁性底座；
装夹组件3包括磁性底座301、两组Z型连接架302和夹具303，磁性底座301通过螺栓安装于两组侧板101和两组正板102的下部，磁性底座301的内侧安装有摄像头304，磁性底座301的外侧安装有位移传感器305，磁性底座301的中部开设有与压头209相配合的通孔306，两组Z型连接架302均通过螺栓分别安装于两组侧板101的下侧，夹具303通过螺栓安装于Z型连接架302的下部。
工作原理：初始使用时，先使用该加载装置，通过丝杠203和丝杠座202构成的滚珠丝杠结构，将电机201的旋转运动转化为压头209的直线运动，以此来实现金刚石半球体210对被测设备的周期性加载与卸载，形成压痕；将除共用部件的其他部件拆除，并在共用部件的基础上，组装构成光学测试装置，通过第一反射镜404接收来自准直镜402的平行光线，并反射于第二反射镜405，第二反射镜405将光线反射于待测表面，形成光栅，便于后续的观测，通过位移传感器305和摄像头304的配合，观察压入过程中材料向两侧堆积隆起的情况，达到残余应力的测试。
最后应说明的是：以上所述仅为优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种便携式的应用于现场残余应力测试的加载装置，其特征在于，包括：
外部套架(1)，所述外部套架(1)包括两组侧板(101)和两组正板(102)，两组所述侧板(101)和两组所述正板(102)通过螺栓分别首尾相连，两组所述侧板(101)和两组所述正板(102)之间构成空腔(103)，两组所述侧板(101)和两组所述正板(102)的上侧共同安装有连接座(104)；
加载组件(2)，所述加载组件(2)包括电机(201)、丝杠座(202)、丝杠(203)、连接件(204)、衔接件(205)、滑槽(206)和滑块(207)，所述电机(201)的输出端通过联轴器(208)与丝杠座(202)相连，所述丝杠(203)螺纹连接于丝杠座(202)的中部，所述连接件(204)安装于丝杠(203)的外侧，所述衔接件(205)安装于连接件(204)的外侧，所述滑块(207)安装于衔接件(205)的下部，所述滑槽(206)安装于两组所述侧板(101)和两组所述正板(102)的下部，所述电机(201)通过连接座(104)安装于两组侧板(101)和两组正板(102)的上部，所述联轴器(208)、丝杠座(202)、丝杠(203)、连接件(204)和衔接件(205)均处于空腔(103)的内部，所述滑块(207)滑动连接于滑槽(206)的内部，所述滑块(207)的下部通过螺栓安装有压力传感器(211)，所述压力传感器(211)的下部螺纹连接有压头(209)，所述压头(209)的下侧安装有金刚石半球体(210)；
装夹组件(3)，所述装夹组件(3)包括磁性底座(301)、两组Z型连接架(302)和夹具(303)，所述磁性底座(301)通过螺栓安装于两组侧板(101)和两组正板(102)的下部，所述磁性底座(301)的内侧安装有摄像头(304)，所述磁性底座(301)的外侧安装有位移传感器(305)，所述磁性底座(301)的中部开设有与压头(209)相配合的通孔(306)，两组所述Z型连接架(302)均通过螺栓分别安装于两组所述侧板(101)的下侧，所述夹具(303)通过螺栓安装于Z型连接架(302)的下部。
2.根据权利要求1所述的一种便携式的应用于现场残余应力测试的加载装置，其特征在于：所述电机(201)的输出端中心线、丝杠(203)的中心线、滑块(207)的中心线同轴设置。
3.根据权利要求1所述的一种便携式的应用于现场残余应力测试的加载装置，其特征在于：所述衔接件(205)的中部呈中空设置，所述衔接件(205)的下侧开设有螺纹孔(2051)。
4.根据权利要求1所述的一种便携式的应用于现场残余应力测试的加载装置，其特征在于：所述压头(209)呈中空设置，所述压头(209)的内部设置有螺纹段(2091)。
5.根据权利要求1所述的一种便携式的应用于现场残余应力测试的加载装置，其特征在于：所述金刚石半球体(210)的端部设置有外凸部(2101)。
6.一种便携式的应用于现场残余应力测试的光学测试装置，其特征在于，包括外部套架(1)、装夹组件(3)以及测量组件(4)，
所述外部套架(1)包括两组侧板(101)和两组正板(102)，两组所述侧板(101)和两组所述正板(102)通过螺栓分别首尾相连，两组所述侧板(101)和两组所述正板(102)之间构成空腔(103)，两组所述侧板(101)和两组所述正板(102)的上侧共同安装有连接座(104)，两组所述侧板(101)之间均开设有安装槽(105)；
所述测量组件(4)包括激光发射器(401)、准直镜(402)、扩束镜(403)、第一反射镜(404)、第二反射镜(405)、挡光块(406)和支撑块(407)，所述准直镜(402)和扩束镜(403)均通过连接架(408)安装于激光发射器(401)的发光端，所述扩束镜(403)处于激光发射器(401)与准直镜(402)之间，所述激光发射器(401)通过连接座(104)安装于两组正板(102)和两组侧板(101)的上部，所述准直镜(402)、扩束镜(403)和连接架(408)均处于空腔(103)的内部，所述挡光块(406)安装于支撑块(407)的中部，所述第一反射镜(404)对称安装于挡光块(406)的左右两侧，所述第二反射镜(405)对称安装于支撑块(407)的内侧，所述支撑块(407)安装于安装槽(105)的内侧，所述第一反射镜(404)、第二反射镜(405)和挡光块(406)均处于空腔(103)的内部，两组所述第一反射镜(404)均与准直镜(402)的下部相对；
所述装夹组件(3)包括磁性底座(301)、两组Z型连接架(302)和夹具(303)，所述磁性底座(301)通过螺栓安装于两组侧板(101)和两组正板(102)的下部，所述磁性底座(301)的内侧安装有摄像头(304)，所述磁性底座(301)的外侧安装有位移传感器(305)，所述磁性底座(301)的中部开设有与压头(209)相配合的通孔(306)，两组所述Z型连接架(302)均通过螺栓分别安装于两组所述侧板(101)的下侧，所述夹具(303)通过螺栓安装于Z型连接架(302)的下部。
7.根据权利要求6所述一种便携式的应用于现场残余应力测试的光学测试装置，其特征在于：所述准直镜(402)的中心线、扩束镜(403)的中心线和挡光块(406)的中心线同轴设置。
8.根据权利要求6所述一种便携式的应用于现场残余应力测试的光学测试装置，其特征在于：所述扩束镜(403)为凹透镜，所述准直镜(402)为凸透镜。
9.根据权利要求6所述一种便携式的应用于现场残余应力测试的光学测试装置，其特征在于：所述磁性底座(301)开设有凹槽(3011)，所述磁性底座(301)为电磁铁磁性底座。
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