CN111595695A - 一种适用于低温拉压疲劳测试的间隙消除装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于低温拉压疲劳测试的间隙消除装置，包括加长杆、套筒和转接块，所述加长杆通过螺纹与所述套筒连接；所述套筒一侧端通过所述螺纹与所述加长杆连接，所述套筒另一侧通过面接触与所述转接块连接；所述转接块一侧通过面接触与所述套筒连接，所述转接块另一侧通过定位槽与试样连接。该方法简易高效地解决了低温拉压疲劳测试的间隙问题，且随着测试温度下降，间隙消除效果越好，为超低温环境下的拉压疲劳测试提供了解决方案。本装置同时适用于棒状和板状试样，使用广泛。
Description
技术领域
本发明涉及材料疲劳性能测试领域，具体涉及一种适用于低温拉压疲劳测试的间隙消除装置和方法。
背景技术
为了研究材料疲劳性能，通常会开展疲劳寿命测试，拉压疲劳测试是较为常见的测试方式。与拉拉加载方式不同，拉压疲劳测试对测试装置的轴向间隙十分敏感，少量间隙或局部窜动就会导致测试数据异常，甚至整个测试过程失败。为了测试材料在低温环境下的疲劳性能，通常将被测材料置于环境箱中，通过延长杆完成试样装夹，但是延长杆自身间隙，以及延长杆与试样连接处的间隙往往影响测试可靠性，甚至导致测试失败。在低温环境下，传统的螺纹连接并不能很好地满足间隙控制的要求。随着测试温度降低，材料热胀冷缩进一步增加螺纹间隙，导致在拉压载荷下发生局部轴向窜动，严重影响拉压疲劳寿命测试结果。
经检索发现，目前拉压疲劳测试过程中消除间隙的方法和工装主要有以下几种：
一、采用空心加长杆，通过加长杆内部的顶杆顶住试样，依赖顶紧力克服加长杆与试样之间的螺纹间隙，但是空心加长杆与内部顶杆之间依然采用螺纹连接。安装时，手工备紧消除加长杆和顶杆之间的收缩间隙。随着温度下降，加长杆和顶杆之间出现收缩间隙，因此需要在低温下再次手动备紧螺纹，操作难度较大。
二、利用外加液压装置消除间隙，即在加长杆一端配置液压顶升机构，在力控模式下，通过液压装置移动来消除顶升杆与试样之间的螺纹间隙。当测试温度较高(一般-30℃以上)时，这种方法可以获得较为理想的效果；当测试温度较低时，液压装置中的液压油流动性下降，顶紧效果难以保证。此外，这种方法装置结构复杂，成本较高。
三、为了避免低温收缩导致的螺纹间隙，有方法将螺纹连接转换为螺栓或销钉连接，但是容易导致同轴度变差，引入外加扭矩，进而降低试样寿命。此外，该方法对加工精度要求很高，装夹和拆卸过程均较为困难。
总之，在低温或超低温环境中进行拉压疲劳寿命测试，热胀冷缩导致装配间隙，局部窜动影响加载过程，难以保证测试结果的可靠性。目前所采用的间隙控制方法均存在一定程度的局限性，并没有从本质上解决间隙控制问题。
因此，本领域的技术人员致力于提供一种简易高效的低温拉压疲劳测试间隙控制装置和方法，该方法简易高效地解决了低温拉压疲劳测试的间隙问题，且随着测试温度下降，间隙消除效果越好，为超低温环境下的拉压疲劳测试提供了解决方案。本装置同时适用于棒状和板状试样，使用广泛。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是如何提供一种低温拉压疲劳测试的间隙消除装置。
为实现上述目的，本发明提供了一种简易高效的低温拉压疲劳测试间隙控制装置，包括加长杆、套筒和转接块，所述加长杆通过螺纹与所述套筒连接；所述套筒一侧端通过所述螺纹与所述加长杆连接，所述套筒另一侧通过面接触与所述转接块连接；所述转接块一侧通过面接触与所述套筒连接，所述转接块另一侧通过定位槽与试样连接。
进一步地，所述加长杆为实心金属，所述加长杆直径大于所述套筒的壁厚，所述套筒的壁厚是所述加长杆直径的0.1-0.2倍，所述套筒的长度是加长杆直径的2-4倍。
进一步地，所述套筒的内壁和所述转接块的外壁均是锥度相同的圆锥面，所述圆锥面的锥度范围为1:0.5至
所述转接块的外圈直径小于所述套筒的内侧直径。
进一步地，所述套筒的线膨胀系数是所述加长杆和所述转接块的线膨胀系数的1.3-1.7倍。
进一步地，所述加长杆和所述试样的接触端面的粗糙度等级应不大于1.6。
进一步地，所述试是圆棒状试样。
进一步地，所述试是板状试样。
一种适用低温拉压疲劳测试的间隙消除方法，包括以下步骤：
1)将所述试样通过螺纹拧入第一转接块，所述试样的端面超出所述第一转接块下表面2-3mm；
2)将装有所述试样的所述第一转接块放置于第一加长杆上端面，通过所述第一转接块下部的第一定位槽固定；
3)将第一套筒与所述第一加长杆和所述第一转接块连接并手动备紧；
4)将所述第一加长杆下端固定在疲劳机的可动夹持端上，将第二加长杆固定在所述疲劳机的固定夹持端上，移动所述疲劳机的所述可动夹持端，将所述第一加长杆和所述第二加长杆的端面距离调节为所述试样长度的2-3倍；
5)将第二套筒套入所述试样，通过螺纹连接第二转接块与所述试样，至所述试样的端面超出所述第二转接块下表面2-3mm；
6)旋转所述第二转接块，通过第二定位槽控制所述第二转接块与所述第二加长杆之间的径向距离，继续移动所述疲劳机的所述可动夹持端使所述试样与所述第二加长杆接触，最后拧入所述第二套筒并手动备紧；
7)将所述试样和所述疲劳机一同置入低温环境箱，启动低温拉压疲劳试验。
进一步地，所述步骤6中的第一加长杆固定在所述疲劳机的可动夹持端上，使用力控模式缓慢移动试样靠近第二加长杆，直至所述试样与所述第二加长杆相接触，载荷设为-0.2kN；
进一步地，所述步骤6中的所述第二套筒和所述第二加长杆螺纹连接，保持力控模式，载荷为0kN。
本发明的方法和装置与现有技术相比，利用不同材料的线膨胀系数差异和不同结构低温收缩特性差异形成径向压紧力，并通过锥形接触面转换为轴向压紧力，同时消除低温收缩导致的径向和轴向间隙，在保证对中性的前提下避免轴向窜动。操作时，只需在室温环境下装夹备紧，将装置和试样一起置于低温环境箱后，通过热胀冷缩自行消除螺纹间隙，无需低温环境中的人工操作，具有结构简单、性价比高、操作方便等优点。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的整体工装示意图；
图2是本发明的一个较佳实施例的局部工作结构图；
图3是本发明的一个较佳实施例的加长杆结构图；
图4是本发明的一个较佳实施例的套筒结构图；
图5是本发明的一个较佳实施例的转接块结构图；
图6是使用传统装置进行低温拉压疲劳测试的磁滞回线图；
图7是使用本发明装置进行低温拉压疲劳测试的磁滞回线图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，给出了详细的实施方案和具体操作过程，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于下述的实施例。
如图1和图2所示，该装置包括加长杆1、套筒2、转接块3，且呈对称结构，4为试样。
图3所示，加长杆1采用线膨胀系数较小的9Ni钢，直径为55mm，为保证两端的加长杆1同轴，需在同一机床上加工。加长杆1的一端与疲劳机夹持端相连，另一端连接试样4，与试样4连接的端面应严格垂直于加长杆1轴线，且粗糙度小于1.6。此外，该端对称地加工出两个平台，方便与转接块3配合；加工外螺纹，以便与套筒2连接。
如图4所示，套筒2采用304L不锈钢，高度为120mm，壁厚为6mm。套筒2一侧使用内螺纹和加长杆1连接，内侧为三角螺纹。套筒2内侧远离加长杆1一端加工成圆锥面，圆锥角为120°，通过面接触与转接块3连接。套筒2外侧加工成六角平面，方便使用扳手对套筒2进行紧固。安装时，备紧套筒2，使试样4、转接块3和加长杆1连接成为一个整体。通过套筒2和转接块3之间的面接触，将径向压紧力转变成轴向压紧力，从而消除低温下产生的螺纹间隙。
如图5所示，转接块3外径小于套筒2内径，转接块3一侧加工成圆锥面，锥度与套筒2内侧圆锥面一致。在转接块3的另外一侧设计定位槽。安装试样4时，试样4端面超过转接块3的下表面2-3mm，保证试样4端面与加长杆1端面接触。
此外，采用本方法进行低温疲劳测试时，试样4两端需要加工连接螺纹，且试样4的两端面应严格垂直于轴线方向，端面粗糙度不大于1.6。
所述测试方法包括以下步骤：
1)将试样拧进第一转接块，至试样端面超出转接块的底面2-3mm；将转接块至于第一加长杆上，利用转接块的定位槽固定径向位置；装上套筒并备紧，完成试样与第一加长杆的连接。
2)将装有试样的第一加长杆固定在疲劳机夹持端上，移动疲劳机夹持端至合适高度，即至另一加持端距离约比加长杆自身长度多出200mm；将第二加长杆固定到疲劳机的移动夹持端上。
3)将第二套筒套入试样，并将第二转接块拧入试样，确保试样端面超出转接块的底面2-3mm；调整转接块角度，通过定位槽固定加长杆，避免加长杆径向旋转。
4)调节疲劳机固定夹持端高度，先采用位移控制模式，使试样下端面距离加长杆端面1-2mm的时改为力控模式，压力设置为-0.2kN，直至两者接触。
5)在微力控模式下将套筒拧入加长杆，将压力设置为0kN，备紧套筒，完成试样装夹。
6)将试样及装夹装置一起置入环境箱，安装引伸计，通入液氮，开始冷却和测试。
为了验证本装置的测试效果，分别采用传统装置和本发明装置进行低温拉压疲劳寿命测试。试样材料为9Ni钢，棒状试样，平行段直径为8mm，试样端面加工平整，粗糙度为1.6。测试温度为-193℃，采用应变控制模式，应变幅为0.6％，应变比R＝-1，频率为0.4Hz，三角波形控制。
图6是使用传统工装进行低温拉压疲劳测试的磁滞回线，曲线中出现不连续的平台，表明装置中存在局部窜动，这对测试结果可靠性是不利的。图7是使用本发明装置进行低温拉压疲劳测试的磁滞回线，磁滞回线较为平滑，说明本发明方法较好地抑制了间隙，有助于消除装置自身窜动对测试结果的干扰。
以上详细地描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种适用于低温拉压疲劳测试的间隙消除装置，其特征在于，包括加长杆、套筒和转接块，所述加长杆通过螺纹与所述套筒连接；所述套筒一侧端通过所述螺纹与所述加长杆连接，所述套筒另一侧通过面接触与所述转接块连接；所述转接块一侧通过面接触与所述套筒连接，所述转接块另一侧通过定位槽与试样连接。
2.如权利要求1所述的适用低温拉压疲劳测试的间隙消除装置，其特征在于，所述加长杆为实心金属，所述加长杆直径大于所述套筒的壁厚，所述套筒的壁厚是所述加长杆直径的0.1-0.2倍，所述套筒的长度是加长杆直径的2-4倍。
3.如权利要求1所述的适用低温拉压疲劳测试的间隙消除装置，其特征在于，所述套筒的内壁和所述转接块的外壁均是锥度相同的圆锥面，所述圆锥面的锥度范围为1:0.5至
所述转接块的外圈直径小于所述套筒的内侧直径。
4.如权利要求1所述的适用低温拉压疲劳测试的间隙消除装置，其特征在于，所述套筒的线膨胀系数是所述加长杆和所述转接块的线膨胀系数的1.3-1.7倍。
5.如权利要求1所述的适用低温拉压疲劳测试的间隙消除装置，其特征在于，所述加长杆和所述试样的接触端面的粗糙度等级应不大于1.6。
6.如权利要求1所述的适用低温拉压疲劳测试的间隙消除装置，其特征在于，所述试是圆棒状试样。
7.如权利要求1所述的适用低温拉压疲劳测试的间隙消除装置，其特征在于，所述试是板状试样。
8.一种适用低温拉压疲劳测试的间隙消除方法，采用如权利要求1所述的适用低温拉压疲劳测试的间隙消除装置，其特征在于，包括以下步骤：
1)将所述试样通过螺纹拧入第一转接块，所述试样的端面超出所述第一转接块下表面2-3mm；
2)将装有所述试样的所述第一转接块放置于第一加长杆上端面，通过所述第一转接块下部的第一定位槽固定；
3)将第一套筒与所述第一加长杆和所述第一转接块连接并手动备紧；
4)将所述第一加长杆下端固定在疲劳机的可动夹持端上，将第二加长杆固定在所述疲劳机的固定夹持端上，移动所述疲劳机的所述可动夹持端，将所述第一加长杆和所述第二加长杆的端面距离调节为所述试样长度的2-3倍；
5)将第二套筒套入所述试样，通过螺纹连接第二转接块与所述试样，至所述试样的端面超出所述第二转接块下表面2-3mm；
6)旋转所述第二转接块，通过第二定位槽控制所述第二转接块与所述第二加长杆之间的径向距离，继续移动所述疲劳机的所述可动夹持端使所述试样与所述第二加长杆接触，最后拧入所述第二套筒并手动备紧；
7)将所述试样和所述疲劳机一同置入低温环境箱，启动低温拉压疲劳试验。
9.如权利要求8所述的适用低温拉压疲劳测试的间隙消除方法，其特征在于，所述步骤6中的第一加长杆固定在所述疲劳机的可动夹持端上，使用力控模式缓慢移动试样靠近第二加长杆，直至所述试样与所述第二加长杆相接触，载荷设为-0.2kN。
10.如权利要求9所述的适用低温拉压疲劳测试的间隙消除方法，其特征在于，所述步骤6中的所述第二套筒和所述第二加长杆螺纹连接，保持力控模式，载荷为0kN。
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