CN113252480A - 一种在线观测疲劳裂纹扩展装置 - Google Patents

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肖海建
王玉鑫
耿亚南
武涛
王杜
姚飞
单泽众
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Abstract

本发明提供了一种在线观测疲劳裂纹扩展装置，包括疲劳试验机主体，疲劳试验机主体的两组夹持轴之间设有用于固定试样的安装位；还包括支撑件，支撑件上固定设置有三轴向移动平台，疲劳试验机主体的两组导向杆上固定设置有固定件，固定件上固定设置有三轴向移动平台，三轴向移动平台上固定安装有温控机构和疲劳裂纹观测机构；温控机构包括环境箱和通过连接线与环境箱电连接的温控屏，环境箱上设有用于插接试样的槽口。本发明通过在疲劳试验机上固定安装三轴向移动平台，利用温控机构、疲劳裂纹观察装置和疲劳试验机的配合设置，可对试样进行疲劳试验时进行在线观测，并记录试样的疲劳裂纹扩展规律。

Description

一种在线观测疲劳裂纹扩展装置
技术领域
本发明属于航空铝合金材料疲劳性能检测技术领域，尤其是涉及一种在线观测疲劳裂纹扩展装置。
背景技术
铝合金以其较高的比强度成为航空工业应用广泛的一种结构材料。服役过程中，铝合金结构不仅要承受疲劳载荷的作用，还要承受环境造成的损伤，这其中就包括温度环境，较高的温度会使得铝合金材料疲劳裂纹更加容易萌生，缩短结构件的寿命，对重要关键铝合金结构件产生显著影响，同时低温也会对铝合金材料疲劳性能产生影响，传统的测试装置不能有效的完成对试样疲劳裂纹的扩展规律进行实时细致地观测，只能是简单的肉眼观测，无法进行疲劳试验中试样裂纹动态检测，进而对科学研究取证造成了一定的阻碍；因此，亟需一种在线观测疲劳裂纹扩展装置。
发明内容
有鉴于此，本发明旨在提出一种在线观测疲劳裂纹扩展装置，以解决测试装置在疲劳试验中无法对实验进行裂纹动态检测。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种在线观测疲劳裂纹扩展装置，包括疲劳试验机主体，疲劳试验机主体的两组夹持轴之间设有用于固定试样的安装位；
还包括支撑件，支撑件上固定设置有三轴向移动平台，三轴向移动平台上固定安装有温控机构和用于观测位于环境箱内侧试样的疲劳裂纹观测机构；
温控机构包括环境箱和通过连接线与环境箱电连接的温控屏，环境箱上设有用于插接试样的槽口。
进一步的，支撑件为疲劳试验机主体上固定设置的两组导向杆，三轴向移动平台通过固定件固定设置在导向杆上。
进一步的，三轴向移动平台包括X轴移动机构，X轴移动机构的两端分别通过固定件固定设置在疲劳试验机主体的导向杆上，X轴移动机构上滑动设置有Y轴移动机构一、Y轴移动机构二，环境箱滑动设置在X轴移动机构上，环境箱位于Y轴移动机构一、Y轴移动机构二之间；
温控屏固定设置在Y轴移动机构一上，Y轴移动机构二上固定设置有Z轴移动机构，疲劳裂纹观测机构固定设置在Z轴移动机构上。
进一步的，X轴移动机构包括两组平行设置的X轴光轴，两组X轴光轴的两端分别通过X轴支座固定设置在固定件上；
每组X轴光轴上均滑动设置有两组X轴滑块；
Y轴移动机构一包括两组平行设置的Y轴光轴一、两组Y轴光轴一的两端分别通过Y轴支座固定设置在X轴滑块上，两组Y轴光轴一上滑动设置有Y轴滑块一，温控屏固定设置在Y轴滑块一上；
Y轴移动机构二包括两组平行设置的Y轴光轴二、两组Y轴光轴二的两端分别通过轴承支座固定设置在X轴滑块上，两组轴承支座之间还设置有滚珠丝杠，滚珠丝杠位于两组Y轴光轴二之间，滚珠丝杠上滑动设置有Y轴滑块二，Y轴滑块二上设有与Y轴光轴二对应的导向孔，滚珠丝杆的一端贯穿至轴承支座的外侧固定连接有手轮；
Z轴移动机构包括支撑柱，支撑柱垂直固定设置在Y轴滑块二上，支撑柱靠近疲劳试验机主体一侧的侧壁上固定设置有齿条，支撑柱上滑动设置有悬臂杆，悬臂杆内侧安装有旋转轮，旋转轮上固定设置有与齿条相啮合的齿轮；
悬臂杆靠近环境箱一侧的侧壁上固定设置有用于固定疲劳裂纹观测机构的固定环。
进一步的，环境箱包括半箱体一和半箱体二，半箱体一和半箱体二均滑动设置在X轴光轴上，半箱体一和半箱体二上均设有与X轴光轴对应的通孔；
半箱体一靠近Y轴移动机构一一侧的侧壁上设有用于连接线穿过的穿线孔；
半箱体二靠近Y轴移动机构二一侧的侧壁上设有贯穿孔；
半箱体一和半箱体二上对应设有用于插接试样的槽口。
进一步的，半箱体一和半箱体二上设有的槽口内侧均设有环形密封圈。
进一步的，环境箱的两侧侧壁上分别固定设置有锁紧机构，锁紧机构包括锁紧连杆，锁紧连杆通过转轴固定设置在半箱体一的外侧壁上，锁紧连杆的一端固定设置有曲柄，半箱体二的侧壁上固定设置有与锁紧连杆配合的固定销。
疲劳裂纹观测机构包括显示屏，显示屏的底端连接有L形转接头，L形转接头固定设置在固定环内，L形转接头的内侧设有穿线孔；
L形转接头的端部安装有显微镜镜头，显微镜镜头通过连接线与显示屏电连接，显微镜镜头伸至半箱体二侧壁上设有的贯穿孔内，L形转接头靠近半箱体二的一端外侧固定套接有伸缩节密封圈，伸缩节密封圈的端部固定设置在半箱体二的外侧侧壁上。
进一步的，固定件为抱紧卡箍，抱紧卡箍的数量为两组，每组抱紧卡箍包括四组抱紧环，四组抱紧环通过螺栓两两固定连接。
相对于现有技术，本发明所述的一种在线观测疲劳裂纹扩展装置具有以下有益效果：
(1)本发明所述的一种在线观测疲劳裂纹扩展装置通过在疲劳试验机上固定安装三轴向移动平台，利用温控机构、疲劳裂纹观察装置和疲劳试验机的配合设置，可对试样进行疲劳试验时进行在线观测，并记录在不同温度下、不同的疲劳加载幅值和不同的应力循环特性下试样的疲劳裂纹扩展规律；
(2)本发明所述的一种在线观测疲劳裂纹扩展装置结构简单、操作灵活，可在线观察记录试样疲劳裂纹扩展的规律，实用性强，保证了经济性的同时，完成对试样的疲劳裂纹检测。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施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。在附图中：
图1为本发明实施例所述的一种在线观测疲劳裂纹扩展装置正视图；
图2为本发明实施例所述的一种在线观测疲劳裂纹扩展装置结构示意图；
图3为本发明实施例所述的温控机构、疲劳裂纹观测机构和Z轴移动机构正视图；
图4为本发明实施例所述的疲劳裂纹观测机构和Z轴移动机构结构示意图；
图5为本发明实施例所述的X轴移动机构、Y轴移动机构二和Z轴移动机构结构示意图；
图6为本发明实施例所述的Y轴移动机构二和Z轴移动机构结构示意图。
附图标记说明：
1-疲劳试验机主体；101-导向杆；2-温控机构；201-环境箱；2011-半箱体一；2012-半箱体二；202-温控屏；3-疲劳裂纹观测机构；301-显示屏；302-L形转接头；303-显微镜镜头；4-X轴移动机构；401-X轴支座；402-X轴光轴；403-X轴滑块；5-Y轴移动机构一；501-Y轴支座；502-Y轴光轴一；503-Y轴滑块一；6-Y轴移动机构二；601-轴承支座；602-Y轴光轴二；603-滚珠丝杠；604-Y轴滑块二；605-手轮；7-Z轴移动机构；701-支撑柱；702-齿条；703-悬臂杆；704-旋转轮；705-固定环；8-抱紧卡箍；9-锁紧机构；901-锁紧连杆；902-曲柄；903-固定销；10-伸缩节密封圈；11-试样。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系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装置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。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
请参阅图1和图2所示，一种在线观测疲劳裂纹扩展装置，包括疲劳试验机主体1，疲劳试验机主体1的两组夹持轴之间设有用于固定试样11的安装位；
还包括支撑件，支撑件上固定设置有三轴向移动平台，三轴向移动平台上固定安装有温控机构2和用于观测位于环境箱201内侧试样11的疲劳裂纹观测机构3；
温控机构2包括环境箱201和通过连接线与环境箱201电连接的温控屏202，环境箱201上设有用于插接试样11的槽口，通过将试样固定在疲劳试验机主体1的两组夹持轴之间，利用设置在三轴向移动平台上的温控机构2和疲劳裂纹观测机构3配合，可在试样11进行疲劳试验时进行在线观测并记录在不同的温度下、不同的疲劳加载幅值下、不同的盈利循环特性下试样11的疲劳裂纹扩展规律；
本方案采用的温控机构2为现有技术，本专利申请并不对其进行改进，仅对环境箱201箱体体结构进行改进。
支撑件为疲劳试验机主体1上固定设置的两组导向杆101，三轴向移动平台通过固定件固定设置在导向杆101上，本专利申请采用的支撑件包括但不限于导向杆101，如支撑架体，支撑架体为现有技术方案，本专利申请不再作进一步赘述。
三轴向移动平台包括X轴移动机构4，X轴移动机构4的两端分别通过固定件固定设置在疲劳试验机主体1的导向杆101上，X轴移动机构4上滑动设置有Y轴移动机构一5、Y轴移动机构二6，环境箱201滑动设置在X轴移动机构4上，环境箱201位于Y轴移动机构一5、Y轴移动机构二6之间；
温控屏202固定设置在Y轴移动机构一5上，Y轴移动机构二6上固定设置有Z轴移动机构7，疲劳裂纹观测机构3固定设置在Z轴移动机构7上。
如图5和图6所示，X轴移动机构4包括两组平行设置的X轴光轴402，两组X轴光轴402的两端分别通过X轴支座401固定设置在固定件上；
每组X轴光轴402上均滑动设置有两组X轴滑块403；通过控制X轴移动机构4可实现温控机构2和疲劳裂纹观测机构3的水平移动；
Y轴移动机构一5包括两组平行设置的Y轴光轴一502、两组Y轴光轴一502的两端分别通过Y轴支座501固定设置在X轴滑块403上，两组Y轴光轴一502上滑动设置有Y轴滑块一503，温控屏202固定设置在Y轴滑块一503上；通过将温控屏202固定设置Y轴移动机构一5上，实现温控屏202的左右移动；
Y轴移动机构二6包括两组平行设置的Y轴光轴二602、两组Y轴光轴二602的两端分别通过轴承支座601固定设置在X轴滑块403上，两组轴承支座601之间还设置有滚珠丝杠603，滚珠丝杠603位于两组Y轴光轴二602之间，滚珠丝杠603上滑动设置有Y轴滑块二604，Y轴滑块二604上设有与Y轴光轴二602对应的导向孔，滚珠丝杆的一端贯穿至轴承支座601的外侧固定连接有手轮605；操作人员通过手摇手轮605控制Y轴滑块二604的前后移动，进而实现疲劳裂纹观测机构3的移动；
Z轴移动机构7包括支撑柱701，支撑柱701垂直固定设置在Y轴滑块二604上，支撑柱701靠近疲劳试验机主体1一侧的侧壁上固定设置有齿条702，支撑柱701上滑动设置有悬臂杆703，悬臂杆703内侧安装有旋转轮704，旋转轮704上固定设置有与齿条702相啮合的齿轮；通过将疲劳试验机主体1固定设置在Z轴移动机构7上，可实现对疲劳裂纹观测机构3的上下移动，通过将Z轴移动机构7固定设置在Y轴移动机构二6上，实现疲劳裂纹观测机构3的前后移动；
悬臂杆703靠近环境箱201一侧的侧壁上固定设置有用于固定疲劳裂纹观测机构3的固定环705。
如图3所示，环境箱201包括半箱体一2011和半箱体二2012，半箱体一2011和半箱体二2012均滑动设置在X轴光轴402上，半箱体一2011和半箱体二2012上均设有与X轴光轴402对应的通孔，通过半箱体2011和半箱体2012滑动设置在X轴移动机构上，利用锁紧机构9将试样11固定在环境箱201内，操作通过控制温控屏进而实现对环境箱201的调节，配合疲劳试验机主体1完成对试样的裂纹试验；
半箱体一2011靠近Y轴移动机构一5一侧的侧壁上设有用于连接线穿过的穿线孔；
半箱体二2012靠近Y轴移动机构二6一侧的侧壁上设有贯穿孔，贯穿孔的孔径大于L形转接头302的直径，达到不影响显微镜镜头303在贯穿孔内的上下左右移动的效果，进而实现显微镜镜头303对试样的观测；
半箱体一2011和半箱体二2012上对应设有用于插接试样11的槽口，通过设置槽口便于对试样11的安装。
半箱体一2011和半箱体二2012上对应设有的槽口内侧设有环形密封圈，用于对位于从槽口内的试样11密封。
环境箱201的两侧侧壁上分别固定设置有锁紧机构9，锁紧机构9包括锁紧连杆901，锁紧连杆901通过转轴固定设置在半箱体一2011的外侧壁上，锁紧连杆901的一端固定设置有曲柄902，半箱体二2012的侧壁上固定设置有与锁紧连杆901配合的固定销903，通过转动锁紧机构9，将半箱体一2011和半箱体二2012锁紧固定，本技术方案采用的锁紧机构9为现有技术，本专利申请不对其进行改进。
如图4所示，疲劳裂纹观测机构3包括显示屏301，显示屏301的底端连接有L形转接头302，L形转接头302固定设置在固定环705内，L形转接头302的内侧设有穿线孔；
L形转接头302的端部安装有显微镜镜头303，显微镜镜头303通过连接线与显示屏301电连接，显微镜镜头303伸至半箱体二2012侧壁上设有的贯穿孔内，L形转接头302靠近半箱体二2012的一端外侧固定套接有伸缩节密封圈10，伸缩节密封圈10的端部固定设置在半箱体二2012的外侧侧壁上。
固定件为抱紧卡箍8，抱紧卡箍8的数量为两组，每组抱紧卡箍8包括四组抱紧环，四组抱紧环通过螺栓两两固定连接，通过设置抱紧卡箍8，将抱紧卡箍8固定在疲劳试验机主体1的两组导向杆101上。
本方案实施时，将试样11的两端分别固定在疲劳试验机主体1的两组夹持轴之间设有的安装位上，将抱紧卡箍8通过螺栓固定设置在疲劳试验机主体1的两组导向杆101上，将三轴向移动平台固定安装在抱紧卡箍8上，分别依次将温控机构2和疲劳裂纹观测机构3固定安装在三轴向移动平台上，此时试样位于半箱体一2011和半箱体二2012之间，调节半箱体一2011和半箱体二2012的位置，利用锁紧机构9将半箱体一2011和半箱体二2012固定连接，检测人员通过温控屏202调节环境箱201内的参数，利用疲劳试验机主体1对试样11进行试验，将显微镜镜头303伸至半箱体二2012侧壁上设有的贯穿孔内，调节显微镜镜头303的位置对位于环境箱201内的试样进行多方位检测，检测人员通过显示屏即可观察试样11的疲劳裂纹状态，此时检测人员记录不同状态下的试样11疲劳裂纹扩展规律；
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种在线观测疲劳裂纹扩展装置，其特征在于：包括疲劳试验机主体(1)，疲劳试验机主体(1)的两组夹持轴之间设有用于固定试样(11)的安装位；
还包括支撑件，支撑件上固定设置有三轴向移动平台，三轴向移动平台上固定安装有温控机构(2)和用于观测位于环境箱(201)内侧试样(11)的疲劳裂纹观测机构(3)；
温控机构(2)包括环境箱(201)和通过连接线与环境箱(201)电连接的温控屏(202)，环境箱(201)上设有用于插接试样(11)的槽口。
2.根据权利要求1所述的一种在线观测疲劳裂纹扩展装置，其特征在于：支撑件为疲劳试验机主体(1)上固定设置的两组导向杆(101)，三轴向移动平台通过固定件固定设置在导向杆(101)上。
3.根据权利要求1所述的一种在线观测疲劳裂纹扩展装置，其特征在于：三轴向移动平台包括X轴移动机构(4)，X轴移动机构(4)的两端分别通过固定件固定设置在疲劳试验机主体(1)的导向杆(101)上，X轴移动机构(4)上滑动设置有Y轴移动机构一(5)、Y轴移动机构二(6)，环境箱(201)滑动设置在X轴移动机构(4)上，环境箱(201)位于Y轴移动机构一(5)、Y轴移动机构二(6)之间；
温控屏(202)固定设置在Y轴移动机构一(5)上，Y轴移动机构二(6)上固定设置有Z轴移动机构(7)，疲劳裂纹观测机构(3)固定设置在Z轴移动机构(7)上。
4.根据权利要求3所述的一种在线观测疲劳裂纹扩展装置，其特征在于：X轴移动机构(4)包括两组平行设置的X轴光轴(402)，两组X轴光轴(402)的两端分别通过X轴支座(401)固定设置在固定件上；
每组X轴光轴(402)上均滑动设置有两组X轴滑块(403)；
Y轴移动机构一(5)包括两组平行设置的Y轴光轴一(502)、两组Y轴光轴一(502)的两端分别通过Y轴支座(501)固定设置在X轴滑块(403)上，两组Y轴光轴一(502)上滑动设置有Y轴滑块一(503)，温控屏(202)固定设置在Y轴滑块一(503)上；
Y轴移动机构二(6)包括两组平行设置的Y轴光轴二(602)、两组Y轴光轴二(602)的两端分别通过轴承支座(601)固定设置在X轴滑块(403)上，两组轴承支座(601)之间还设置有滚珠丝杠(603)，滚珠丝杠(603)位于两组Y轴光轴二(602)之间，滚珠丝杠(603)上滑动设置有Y轴滑块二(604)，Y轴滑块二(604)上设有与Y轴光轴二(602)对应的导向孔，滚珠丝杆的一端贯穿至轴承支座(601)的外侧固定连接有手轮(605)；
Z轴移动机构(7)包括支撑柱(701)，支撑柱(701)垂直固定设置在Y轴滑块二(604)上，支撑柱(701)靠近疲劳试验机主体(1)一侧的侧壁上固定设置有齿条(702)，支撑柱(701)上滑动设置有悬臂杆(703)，悬臂杆(703)内侧安装有旋转轮(704)，旋转轮(704)上固定设置有与齿条(702)相啮合的齿轮；
悬臂杆(703)靠近环境箱(201)一侧的侧壁上固定设置有用于固定疲劳裂纹观测机构(3)的固定环(705)。
5.根据权利要求4所述的一种在线观测疲劳裂纹扩展装置，其特征在于：环境箱(201)包括半箱体一(2011)和半箱体二(2012)，半箱体一(2011)和半箱体二(2012)均滑动设置在X轴光轴(402)上，半箱体一(2011)和半箱体二(2012)上均设有与X轴光轴(402)对应的通孔；
半箱体一(2011)靠近Y轴移动机构一(5)一侧的侧壁上设有用于连接线穿过的穿线孔；
半箱体二(2012)靠近Y轴移动机构二(6)一侧的侧壁上设有贯穿孔；
半箱体一(2011)和半箱体二(2012)上对应设有用于插接试样(11)的槽口。
6.根据权利要求5所述的一种在线观测疲劳裂纹扩展装置，其特征在于：半箱体一(2011)和半箱体二(2012)上对应设有的槽口内侧设有环形密封圈。
7.根据权利要求5所述的一种在线观测疲劳裂纹扩展装置，其特征在于：环境箱(201)的两侧侧壁上分别固定设置有锁紧机构(9)，锁紧机构(9)包括锁紧连杆(901)，锁紧连杆(901)通过转轴固定设置在半箱体一(2011)的外侧壁上，锁紧连杆(901)的一端固定设置有曲柄(902)，半箱体二(2012)的侧壁上固定设置有与锁紧连杆(901)配合的固定销(903)。
8.根据权利要求5所述的一种在线观测疲劳裂纹扩展装置，其特征在于：疲劳裂纹观测机构(3)包括显示屏(301)，显示屏(301)的底端连接有L形转接头(302)，L形转接头(302)固定设置在固定环(705)内，L形转接头(302)的内侧设有穿线孔；
L形转接头(302)的端部安装有显微镜镜头(303)，显微镜镜头(303)通过连接线与显示屏(301)电连接，显微镜镜头(303)伸至半箱体二(2012)侧壁上设有的贯穿孔内，L形转接头(302)靠近半箱体二(2012)的一端外侧固定套接有伸缩节密封圈(10)，伸缩节密封圈(10)的端部固定设置在半箱体二(2012)的外侧侧壁上。
9.根据权利要求3所述的一种在线观测疲劳裂纹扩展装置，其特征在于：固定件为抱紧卡箍(8)，抱紧卡箍(8)的数量为两组，每组抱紧卡箍(8)包括四组抱紧环，四组抱紧环通过螺栓两两固定连接。
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