CN113916702A - 适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置 - Google Patents

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张显程
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Abstract

本发明涉及一种适用于高温环境下的多轴蠕变‑疲劳力学性能试验装置，包括：底座，上表面竖立有支撑杆，支撑杆自上而下依次安装有第一基座和第二基座；轴压施加单元，固定于第一基座上表面，通过第一压杆与试样相连；试样具有上下支撑端、中心部分和内部空间，上支撑端与第一压杆连接；内压施加单元，位于轴压施加单元上方，与其流体连通；密封压力箱，设于第一基座和第二基座所形成的空间中，安装试样；外压施加单元，固定于第二基座下表面，通过第二压杆和第一连杆与密封压力箱相连；扭力施加单元，位于外压施加单元的下方，通过第二连杆与外压施加单元相连。本发明能够在各种多轴状态下稳定地进行载荷测试，还原实际构件所处的多轴载荷状态。

Description

适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置
技术领域
本发明涉及蠕变-疲劳力学性能测试领域，更具体地涉及一种适用于高温环境下的构成构件、零件等结构的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置。
背景技术
金属材料是用于构件、零件等结构材料的一种典型事例，当金属材料被用作结构材料时，需要进行各种试验以验证其作为结构材料所需的强度与耐久性。尤其是金属材料用于高温蠕变环境时，其发生蠕变变形，极易导致构件因蠕变损伤而失效。同时，循环往复载荷条件下引起的疲劳损伤失效在工程应用中也普遍存在。因此，金属材料在高温蠕变-疲劳条件下的力学性能的试验对了解材料的强度、耐久性等具有重要的意义。
在向材料施加机械载荷的试验中，通过向材料施加诸如轴向载荷、弯曲载荷或扭转载荷之类的载荷，可以在材料内部实现各种载荷状态。材料内部的负载状态通常表示为应力和应变状态，当主应力或主应变的方向仅在一个轴向上作用时，称为单轴状态；当主应力或主应变为在多个轴向上作用时，称为多轴状态。在大多数情况下，实际结构材料中的载荷状态为多轴状态。
然而，目前的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置无法使试样的试验载荷与实际构件所处的载荷相匹配，从而无法还原实际构件所处的多轴载荷状态。因此，研发出能够还原实际构件所处的多轴载荷状态的试验装置已成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
为解决上述现有技术中的问题，本发明提供一种适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，以还原实际构件所处的多轴载荷状态。
本发明提供的一种适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，包括：底座，所述底座的上表面竖立有支撑杆，所述支撑杆上自上而下依次安装有第一基座和第二基座；轴压施加单元，固定于所述第一基座的上表面，且所述轴压施加单元通过第一压杆与一试样相连；所述试样具有下支撑端、上支撑端、中心部分和内部空间，所述上支撑端与所述第一压杆固定连接；内压施加单元，位于所述轴压施加单元的上方，并与所述轴压施加单元流体连通；密封压力箱，设置于所述第一基座和所述第二基座所形成的空间中，并安装有所述试样；外压施加单元，固定于所述第二基座的下表面，并通过第二压杆和第一连杆与所述密封压力箱相连；扭力施加单元，位于所述外压施加单元的下方，并通过第二连杆与所述外压施加单元相连。
进一步地，所述轴压施加单元包括第一缸体，所述第一缸体内设置有第一活塞，所述第一活塞与所述第一压杆相连。
进一步地，所述第一活塞的上表面设有内部中空的第三连杆，所述第三连杆穿过所述第一缸体延伸至所述内压施加单元的内部。
进一步地，所述第一压杆的内部空间与所述第三连杆的内部空间形成为连通所述试样的油路。
进一步地，所述第一压杆的内部空间与所述第三连杆的内部空间形成的油路上设置有内压检测传感器。
进一步地，所述内压施加单元包括第二缸体，所述第二缸体内设置有第二活塞，所述第二活塞内设置有第三缸体，且所述第三缸体容置所述第三连杆。
进一步地，所述密封压力箱设置有储油孔，所述储油孔的下端与所述试样的下支撑端的外径相匹配，且所述储油孔的直径沿着朝向所述试样的下支撑端的方向渐缩。
进一步地，所述密封压力箱设置有用于密封所述储油孔的密封盖，所述密封盖设置有安装孔，所述安装孔的直径与所述试样的上支撑端的外径相匹配。
进一步地，所述密封盖上设置有用于供给液压油的第一连通路径以及用于供给内部空气的第二连通路径。
进一步地，所述第二连通路径上设置有外压检测传感器。
进一步地，所述密封压力箱的下方设置有一托盘，所述托盘的上表面与所述试样的下支撑端固定连接，下表面与所述第一连杆相连。
进一步地，所述托盘的内部设置有第三连通路径，所述第三连通路径的一部分与所述试样的内部空间连通，另一部分则向外部开口而形成为液压油供给口。
进一步地，所述外压施加单元包括第四缸体，所述第四缸体内设置有第三活塞，所述第三活塞的上表面与所述第二压杆相连，下表面与所述第二连杆相连。
进一步地，所述第二压杆穿过所述第二基座上的安装孔而与所述第一连杆固定连接，所述第二连杆穿过所述第四缸体延伸至所述扭力施加单元的内部。
进一步地，所述扭力施加单元包括第五缸体，所述第五缸体内设置有旋转驱动机构，所述旋转驱动机构与第二连杆固定连接。
进一步地，所述第一基座的下表面设置有轴压检测传感器。
进一步地，所述第一连杆的内部设置有扭力检测传感器。
本发明能够对试样独立地施加轴向载荷、扭转载荷以及内/外压，并且可以将轴向载荷、扭转载荷以及内/外压高精度地施加至试样的中心部分，以在各种多轴状态下稳定地进行载荷测试，从而还原实际构件所处的多轴载荷状态。本发明还可以通过独立地控制各载荷单元的动作，独立且准确地反复改变各载荷，从而进行高精度的疲劳试验。本发明还可以在各种条件设置下执行载荷试验。
附图说明
图1是按照本发明的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置的结构示意图。
图2是图1中设置有试样的密封压力箱的结构示意图。
图3是按照本发明的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置与外部控制装置的连接示意图。
具体实施方式
下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。
如图1所示，本发明提供的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，包括底座1，底座1的上表面竖立有支撑杆2，支撑杆2上自上而下依次安装有第一基座3和第二基座4。第一基座3的上方设置有轴压施加单元5和内压施加单元6，其中，轴压施加单元5固定在第一基座3的上表面；内压施加单元6位于轴压施加单元5的上方，并与轴压施加单元5流体连通，且轴压施加单元5通过第一压杆201与试样100相连。在第一基座3和第二基座4所形成的空间中设置有密封压力箱7，密封压力箱7中安装有试样100。在底座1和第二基座4所形成的空间中设置有外压施加单元8和扭力施加单元9，其中，外压施加单元8固定于第二基座4的下表面，并通过第二压杆202和第一连杆301与密封压力箱7相连；扭力施加单元9位于外压施加单元8的下方，并通过第二连杆302与外压施加单元8相连。
以下对轴压施加单元5、内压施加单元6、密封压力箱7、外压施加单元8、扭力施加单元9以及试样100进一步详细描述。
轴压施加单元5用于施加轴向载荷(轴向载荷方向可视为垂直方向)，其包括用于存储液压油的第一缸体51，第一缸体51内设置有可沿轴向载荷方向滑动的第一活塞52，第一活塞52与第一压杆201相连以带动第一压杆201沿轴向载荷方向移动。第一活塞52的上表面设有内部中空的第三连杆303，第三连杆303穿过第一缸体51延伸至内压施加单元6的内部。在第一缸体51内，液压油通过油路11供应到第一活塞52上侧和下侧的工作空间，通过控制上下两侧工作空间的液压差，可使第一活塞52上下移动，从而使第一压杆201向试样100施加轴向载荷。
内压施加单元6包括用于存储液压油的第二缸体61，第二缸体61内设置有可沿轴向载荷方向滑动的第二活塞62，第二活塞62内设置有用于存储液压油的第三缸体63，且第三缸体63容置上述第三连杆303。在第二缸体61内，液压油通过油路12供应到第二活塞62上下两侧的工作空间，通过控制第二活塞62上下两侧的液压差，可使第二活塞62带动第三缸体63相对于第三连杆303在轴向载荷方向上移动(即第三连杆303保持不动，第三缸体63上下移动)。另外，第一压杆201也为内部中空的结构，第三连杆303的内部空间与第一压杆201的内部空间共同构成油路13，使得第三缸体63通过油路13与试样100的内部空间104(参见图2)连通。需要说明的是，第三连杆303内部空间的中心轴以及第一压杆201内部空间的中心轴与第一活塞52的中心轴对齐，以保证油路13的畅通。
内压施加单元6的工作原理为：在第三缸体63的内部填充有液压油的状态下，当第三缸体63相对于第三连杆303向下移动时，第三连杆303的上端进入第三缸体63内部，第三缸体63内的工作体积减小，液压油通过油路13流向试样100的内部空间104；当第三缸体63相对于第三连杆303向上移动时，第三连杆303的上端从第三缸体63内部移出，第三缸体63内的工作体积增大，液压油通过油路13从试样100的内部空间104流向第三缸体63。因此，通过第二活塞62的上下移动，液压油在第三缸体63的内部与试样100的内部之间循环，从而达到对试样100施加内压的目的。此外，内压施加单元6中设置有使第三缸体63与外部连通的流管(图未示)，液压油流经试样100内部空间104和油路13后，流入第三缸体63，最后通过流管循环利用液压油。
结合图1和图2，本发明所采用的试样100为两端大、中间小的空心圆筒结构。具体地，试样100具有下支撑端101、上支撑端102和中心部分103，并且试样100内部设置有预设内径的内部空间104。其中，下支撑端101的外径大于上支撑端102的外径，上支撑端102的外径大于中心部分103的外径，上支撑端102与第一压杆201连接并固定。
密封压力箱7的中心部分设置有储油孔71，试样100设置为穿过储油孔71且上下两端伸出储油孔71。储油孔71的下端设置为圆形，并与试样100的下支撑端101的外径相匹配，同时，储油孔71的直径沿着朝向下支撑端101的方向渐缩。如此，试样100的中心部分103与储油孔71形成有用于存储液压油的工作空间。储油孔71的上部开口由密封盖72密封。密封盖72的中心部分设置有安装孔73，安装孔73的直径与试样100上支撑端102的外径相匹配以使上支撑端102从安装孔73中向上突出。试样100的下支撑端101和储油孔71的下端通过密封环(未示出)来密封液压油，同样地，试样100的上支撑端102和密封盖72上的安装孔73也通过设置密封环来密封液压油。密封盖72上还设置有与工作空间连通的第一连通路径74和第二连通路径75，第一连通路径74用于供给液压油，第二连通路径75用于供给内部空气和设置外压检测传感器，以检测施加在试样100上的外压。当储油孔71与试样100形成的工作空间填满液压油时，通过密封塞密封连通路径74和75。密封压力箱7的下方设置有一托盘76，托盘76的上表面与试样100的下支撑端101连接并固定，下表面与第一连杆301相连接。托盘76的内部设置有第三连通路径77，第三连通路径77的一部分与试样100的内部空间104连通，另一部分则向外部开口而形成为液压油供给口A。
外压施加单元8包括用于存储液压油的第四缸体81，第四缸体81内设置有可沿轴向载荷方向滑动的第三活塞82，第三活塞82的上表面与第二压杆202相连，下表面与第二连杆302相连。其中，第二压杆202穿过第二基座4上的安装孔而与第一连杆301固定连接，第二连杆302穿过第四缸体81延伸至扭力施加单元9的内部。在第四缸体81中，液压油通过油路14供应到第三活塞82上侧和下侧的工作空间，通过控制第一活塞52上下两侧工作空间的液压差，使得第三活塞82带动第二压杆202、第一连杆301和托盘76沿轴向载荷方向移动。
外压施加单元8调整作用于试样100上的外压的原理为：当第三活塞82带动第二压杆202、第一连杆301和托盘76向上移动时，试样100的下支撑端101往密封压力箱7的内部移动，上支撑端102往密封压力箱7的外部移动。由于下支撑端101的外径比上支撑端102的外径大，随着试样100向上移动，其中心部分103与储油孔71形成的工作空间的体积逐渐减小。相反的，随着试样100向下移动，工作空间的体积逐渐增大。因此，外压施加单元8通过使试样100上下移动，能够增大或减小工作空间的体积，从而调节填充在储油孔71内的液压油的液压，从而调整施加在试样100的中心部分103的外压。由此可见，通过试样100的上下移动即可调整施加在中心部分103的外压大小，因而储油孔71中仅需填充少量的液压油。这使得本发明的装置更加紧凑，同时可以将外压设定为较高的压力，实现快速且准确的外压值改变。另外，由于所需液压油的油量较少，可以实现快速的温度控制，从而实现高精度地设定各种试验条件。
扭力施加单元9用于施加扭转载荷，其包括用于存储液压油的第五缸体91，第五缸体91内设置有旋转驱动机构92，旋转驱动机构92与第二连杆302固定连接。当液压油通过油路15从外部供应至第五缸体91时，旋转驱动机构92能够相对于第五缸体91绕其轴线转动，从而带动第三活塞82和第二压杆202转动，进而使试样100的下支撑端101通过第一连杆301和托盘76随第二压杆202转动。由于试样100的上支撑端102与第一压杆201固定连接，因而下支撑端101的转动可对试样100施加扭转载荷。
为检测作用在试样100上的各种压力和载荷，第一基座3的下表面设置有例如载荷传感器或轴、扭矩计的轴压检测传感器S1，持续检测由轴压施加单元5施加的轴向载荷；油路13上设置有例如压力计的内压检测传感器S2，持续检测试样100内部空间104中的液压；密封压力箱7的密封盖72上与储油孔71连通的第二连通路径75上设置有例如压力计的外压检测传感器S3，持续检测储油孔71中的液压；第一连杆301的内部设置有例如轴、扭矩计的扭力检测传感器S4，持续检测施加在试样100上的扭转载荷。应当理解，也可使用其他传感器来检测上述压力和载荷。
本发明的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置的工作过程如下：
首先，将试样100置于密封压力箱7的储油孔71中，并使试样100的下支撑端101连接至托盘76的上表面，上支撑端102连接到第一压杆201的下表面。将液压油注入至试样100的内部空间104和储油孔71中，以将试样100的中心部分103的内外部均充满液压油。
其次，内压施加单元6驱动第二活塞62向下移动，直到试样100的内部空间104中的内部压力达到预定的压力；同时，外压施加单元8驱动第三活塞82向上移动，试样100随第二压杆202向上移动，直到储油孔71内的施加在试样100外周的外压达到预定的压力。第一压杆201的移动会导致内压的改变，通过内压检测传感器S2的检测信号反馈控制以维持内压的恒定；第二压杆202的移动会导致外压的改变，通过外压检测传感器S3的检测信号反馈控制以维持外压的恒定。
然后，在维持内压和外压恒定的情况下，轴压施加单元5驱动第一活塞52向下移动，直到施加在试样100上的轴向载荷达到预定值；扭力施加单元9驱动旋转驱动机构92转动，使施加在试样100上的扭转载荷达到预定值。
通过上述步骤可以看出，本发明的轴压施加单元5、内压施加单元6、外压施加单元8和扭力施加单元9能够独立地操作，并且能够基于每个检测信号来反馈控制每个施加单元，可以保持在预定的压力状态或扭转状态，并且可以容易地实现任何复杂的应力状态。此外，由于试样100的一侧被轴压施加单元5沿轴向施加载荷，另一侧被外压施加单元8沿与轴压施加单元5相反的方向施加载荷，使得当试样100处于稳定状态时，可以通过反馈控制将轴向载荷和外压设置为预定压力状态。并且，本发明可以将轴向载荷、扭转载荷以及内/外压高精度地施加至试样100的中心部分103，以在各种多轴状态下稳定地进行载荷测试。即使在进行疲劳试验时，通过独立地控制各载荷单元的动作，也能够独立且准确地反复改变各载荷，从而能够进行高精度的疲劳试验。本发明还可以提高响应速度并更改每个载荷，从而可以在各种条件设置下执行载荷试验。
本发明的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置中的各施加单元以及各传感器需与各控制单元相配合，如图3所示，本发明的试验装置与控制装置300相连接。控制装置300包括用于控制本发明的试验装置的控制单元310、用于输入试验所需的设定数据的输入单元311、用于显示试验结果的显示单元312、用于存储试验程序和数据的记忆单元313以及用于接收检测信号和发送控制信号的传输单元314。此外，为了控制每个施加单元的操作，控制装置300还设置有用于控制轴压施加单元5的轴压控制电路321、用于控制扭力施加单元9的扭力控制电路324、用于控制外压施加单元8的外压控制电路323、用于控制内压施加单元6的内压控制电路322以及用于载荷控制和应变控制之间切换的切换电路330。
控制单元310包括条件设定单元310a、检测数据处理单元310b和分析单元310c，其中，条件设定单元310a基于来自输入单元311的输入数据和存储在记忆单元313中的设置数据、检测数据、计算数据等来设置用于执行试验的条件，并且经由传输单元314根据设置条件的控制信号发送到每个控制电路；检测数据处理单元310b基于设置在试样100的中心部分103上的应变计S5和S6、外压检测传感器S3、内压检测传感器S2、轴压检测传感器S1以及扭力检测传感器S4所检测的数据进行数据处理，然后将获得的检测数据和计算出的数据存储在记忆单元313；分析单元310c基于记忆单元313中的检测数据和计算数据等试验结果来分析数据。
外压控制电路323基于外压检测传感器S3的检测信号进行反馈控制，以使外压与设定条件一致。内压控制电路322基于内压检测传感器S2的检测信号进行反馈控制，以使内压与设定条件一致。轴压控制电路321和扭力控制电路324基于切换电路330的信号执行反馈控制。在载荷控制条件下，轴压控制电路321基于轴压检测传感器S1的检测信号进行反馈控制，以使轴向载荷与设定条件一致；扭力控制电路324基于扭力检测传感器S4的检测信号进行反馈控制，以使扭转载荷与设定条件一致。在应变控制条件下，轴压控制电路321基于应变计S5的检测信号进行反馈控制，以使轴向变形量与设定条件一致；扭力控制电路324基于应变计S6的检测信号进行反馈控制，以使扭转变形量与设定条件一致。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。例如，除了液压油，本发明还可以通过诸如气体、电磁等压力施加装置施加载荷。即凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (17)

1.一种适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，其特征在于，包括：
底座，所述底座的上表面竖立有支撑杆，所述支撑杆上自上而下依次安装有第一基座和第二基座；
轴压施加单元，固定于所述第一基座的上表面，且所述轴压施加单元通过第一压杆与一试样相连；所述试样具有下支撑端、上支撑端、中心部分和内部空间，所述上支撑端与所述第一压杆固定连接；
内压施加单元，位于所述轴压施加单元的上方，并与所述轴压施加单元流体连通；
密封压力箱，设置于所述第一基座和所述第二基座所形成的空间中，并安装有所述试样；
外压施加单元，固定于所述第二基座的下表面，并通过第二压杆和第一连杆与所述密封压力箱相连；
扭力施加单元，位于所述外压施加单元的下方，并通过第二连杆与所述外压施加单元相连。
2.根据权利要求1所述的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，其特征在于，所述轴压施加单元包括第一缸体，所述第一缸体内设置有第一活塞，所述第一活塞与所述第一压杆相连。
3.根据权利要求2所述的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，其特征在于，所述第一活塞的上表面设有内部中空的第三连杆，所述第三连杆穿过所述第一缸体延伸至所述内压施加单元的内部。
4.根据权利要求2所述的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，其特征在于，所述第一压杆的内部空间与所述第三连杆的内部空间形成为连通所述试样的油路。
5.根据权利要求4所述的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，其特征在于，所述第一压杆的内部空间与所述第三连杆的内部空间形成的油路上设置有内压检测传感器。
6.根据权利要求3所述的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，其特征在于，所述内压施加单元包括第二缸体，所述第二缸体内设置有第二活塞，所述第二活塞内设置有第三缸体，且所述第三缸体容置所述第三连杆。
7.根据权利要求1所述的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，其特征在于，所述密封压力箱设置有储油孔，所述储油孔的下端与所述试样的下支撑端的外径相匹配，且所述储油孔的直径沿着朝向所述试样的下支撑端的方向渐缩。
8.根据权利要求7所述的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，其特征在于，所述密封压力箱设置有用于密封所述储油孔的密封盖，所述密封盖设置有安装孔，所述安装孔的直径与所述试样的上支撑端的外径相匹配。
9.根据权利要求8所述的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，其特征在于，所述密封盖上设置有用于供给液压油的第一连通路径以及用于供给内部空气的第二连通路径。
10.根据权利要求9所述的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，其特征在于，所述第二连通路径上设置有外压检测传感器。
11.根据权利要求1所述的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，其特征在于，所述密封压力箱的下方设置有一托盘，所述托盘的上表面与所述试样的下支撑端固定连接，下表面与所述第一连杆相连。
12.根据权利要求11所述的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，其特征在于，所述托盘的内部设置有第三连通路径，所述第三连通路径的一部分与所述试样的内部空间连通，另一部分则向外部开口而形成为液压油供给口。
13.根据权利要求1所述的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，其特征在于，所述外压施加单元包括第四缸体，所述第四缸体内设置有第三活塞，所述第三活塞的上表面与所述第二压杆相连，下表面与所述第二连杆相连。
14.根据权利要求13所述的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，其特征在于，所述第二压杆穿过所述第二基座上的安装孔而与所述第一连杆固定连接，所述第二连杆穿过所述第四缸体延伸至所述扭力施加单元的内部。
15.根据权利要求1所述的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，其特征在于，所述扭力施加单元包括第五缸体，所述第五缸体内设置有旋转驱动机构，所述旋转驱动机构与第二连杆固定连接。
16.根据权利要求1所述的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，其特征在于，所述第一基座的下表面设置有轴压检测传感器。
17.根据权利要求1所述的适用于高温环境下的多轴蠕变-疲劳力学性能试验装置，其特征在于，所述第一连杆的内部设置有扭力检测传感器。
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