CN115266429B - 一种用于实现腐蚀环境-弯曲疲劳耦合作用的试验装置及其测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于实现腐蚀环境‑弯曲疲劳耦合作用的试验装置，包括伺服电机控制器、支撑台座，多个可替换的轨道凸轮，伺服电机，行星减速机，滚柱轴承，导轨支撑，杆端轴承，直线导轨，传导架，多只压力传感器，多只跨中支座，多只两端支座，多根支座滑轨和恒温水箱,直线导轨在杆端轴承的作用下做上下简谐运动；传导架上端与直线导轨连接，下端与压力传感器连接，压力传感器与跨中支座连接；支座滑轨固定在恒温水箱底部，试样两端与两端支座连接，中间与跨中支座连接，试样跨中做上下简谐运动的弯曲疲劳运动。本装置具有坚固耐用，测试效果稳定的优点，保证了试样严格遵循简谐运动的弯曲疲劳加载，能够实现多组平行试样同时加载，可实现多种应力水平下与4种简谐弯曲疲劳模式下的弯曲疲劳加载，可实现试样短期高频弯曲疲劳和长期低频多种腐蚀环境‑弯曲疲劳耦合实验。
Description
技术领域
本发明涉及材料疲劳测试的实验器材领域，具体涉及一种用于实现腐蚀环境-弯曲疲劳耦合作用的试验装置及其测试方法。
背景技术
疲劳性能是材料的一种固有的基本力学性能，在材料的科学研究与工程应用中，常需对其疲劳性能进行测试标定，以明确材料的属性与应用场景。弯曲疲劳是一种常见的疲劳形式，例如机械材料在驱动力下的弯曲疲劳、土木工程材料在风浪等动荷载下的弯曲疲劳、电气材料在开关切换下的弯曲疲劳等。材料在弯曲疲劳的过程中可能发生断裂、分层等不可逆的损伤。此外，多种溶液环境(如蒸馏水、酸碱盐溶液等)与弯曲疲劳的耦合作用时，易加速材料的损伤累积与性能退化，进一步降低材料整体性能，造成社会生命财产损失。
然而，目前常见疲劳测试设备存在体型庞大、系统复杂、设备与测试费用昂贵、单次测试试样少、难以环境耦合等问题。对于小尺寸材料试样，其弯曲所需荷载较小，不必使用大型弯曲疲劳设备。因此，针对以上问题，开发材料的一种低成本、小体型、易加工、可实现腐蚀环境-弯曲疲劳耦合作用的试验装置及其测试方法具有重要意义。
目前申请的弯曲疲劳试验实验装置，主要针对特定材料，不能实现多种种类、形状和尺寸材料的弯曲疲劳实验；不能实现多组平行试样同时加载；不能实现多种腐蚀环境-弯曲疲劳耦合测试；同时疲劳弯曲难以严格简谐振动，与多数材料规范要求不符；实验装置机构稳定性差，存在采集数据不准，装置频繁损坏等问题。部分申请的弯曲疲劳实验装置，仅为弯曲疲劳实验夹具，例如(CN 107917844 A)、(CN 110361269 A)和(CN 104777033 A)，设计的夹具并不能独立完成弯曲疲劳实验。目前申请的可独立完成弯曲疲劳实验的两种弯曲疲劳试验机(CN 105181481 A、CN 102928305 A)，均将驱动电机固定在装置顶部，驱动电机与偏心轮连接；采用连接杆传动连接，连接杆一端与偏心轮，另一端与试样加载块连接；通过驱动电机先后带动偏心轮、连接杆、加载块运动，以实现试样跨中的连续往复动作，进而达到弯曲疲劳目的。此类装置存在的主要问题包括：不能实现多种腐蚀环境-弯曲疲劳耦合测试；由于连接杆在单次弯曲循环中杆会发生倾斜，使得疲劳弯曲非严格遵循简谐振动；同时采用连接杆机构装置，长期稳定性不及凸轮机动装置，连接杆与牵引转轮和滑块的两处连接点极易发生偏位或损坏，导致弯曲运动形态变形或设备频繁损坏；此外无法实现多组平行试样同时加载，大大增加了整体弯曲疲劳时间。
发明内容
基于现有弯曲疲劳装置的设计不足与应用局限，本发明的目的是提供了一种用于实现腐蚀环境-弯曲疲劳耦合作用的试验装置，可适用于多种种类、形状和尺寸试件的短期高频弯曲疲劳和长期低频多种腐蚀环境-弯曲疲劳耦合实验。
本发明采用的技术方案如下：一种用于实现腐蚀环境-弯曲疲劳耦合作用的试验装置，包括伺服电机控制器、支撑台座，多个可替换的轨道凸轮，伺服电机，行星减速机，滚柱轴承，导轨支撑，杆端轴承，直线导轨，传导架，多只压力传感器，多只跨中支座，多只两端支座，多根支座滑轨和恒温水箱，伺服电机控制器与伺服电机电信号连接，所述伺服电机和行星减速机同时固定在支撑台座顶部，所述伺服电机的输出轴通过行星减速机与轨道凸轮的轴心固定连接，滚柱轴承内嵌于轨道凸轮的轨道中，并能够在轨道中移动，滚柱轴承通过杆端轴承与直线导轨上端固定连接，导轨支撑固定在支撑台座侧壁，直线导轨滑动连接于导轨支撑上并能够在竖直方向上移动，直线导轨的下端与传导架上端固定连接，传导架的下端平面与多只压力传感器固定连接；每只压力传感器与一只跨中支座固定连接，多根支座滑轨以平均间隔平行固定在恒温水箱底部的内平面上，每根支座滑轨的两端分别连接有两只两端支座，所述的两端支座能够在支座滑轨的滑槽上滑动调节位置，并能够固定位置，每组支座滑轨的中间上方对应有一只跨中支座，所述的跨中支座上端的长度能够调节；所述的跨中支座的下端及两端支座的上端均开有试样限位槽，所述的跨中支座的下端及两端支座的上端均连接有试样夹持机构；所述的伺服电机驱动轨道凸轮转动，使得滚柱轴承在轨道凸轮的轨道中做相对运动，同时带动直线导轨做上下简谐运动，试样两端分别与两端支座固定连接，试样中间与跨中支座连接，使得试样跨中做上下简谐运动的弯曲疲劳运动；恒温水箱内能够添加蒸馏水、酸、碱或盐的溶液及其采用不同函数曲线的轨道凸轮，用以实现长期多种溶液腐蚀环境与弯曲疲劳耦合试验；其中，多个所述的轨道凸轮刻有不同的函数曲线的轨道，以轨道凸轮的圆心为原点建立直角坐标系，利用轨道中轴线轨迹的函数关系，实现对弯曲疲劳振幅A和凸轮转速倍率n的控制，函数关系如公式(1)所示，最大弯曲挠度D由公式(2)计算；
式中：
y——凸轮轨道中轴线轨迹纵坐标，mm；
x——凸轮轨道中轴线轨迹横坐标，mm；
r——凸轮轨道中轴线轨迹基本半径，mm；
n——凸轮转速倍率；
θ——凸轮轨道中轴线极坐标角度，取0-2π。
N——应力水平，应力与理论极限弯曲应力比值的百分比，％；
σmax——试样的极限弯曲应力，MPa；
L——弯曲跨距，mm；
d——试样厚度，当圆形截面时取直径，当矩形截面时取厚度，mm；
k——偏距，简谐振动函数最高处与试样水平中轴线的纵坐标差，mm；
E——试样的弹性模量，MPa；
D——最大弯曲挠度，mm。
进一步的，所述伺服电机与行星减速机串联组成本试验装置的驱动模块，所述的驱动模块产生的最终转速N、最大扭矩T、总循环次数L，如公式(3)、(4)、(5)所示；为保证伺服电机正常运行，实际使用转速、扭矩、功率不应大于额定值的80％；通过伺服电机控制器调节伺服电机的设定转速N0、设定旋转次数L0，实现对弯曲疲劳周期T、疲劳频率f、总循环次数L的设置,实际使用转速、扭矩、功率不应大于额定值的80％；
N＝n×N0×n1 (3)
T＝η×T0×n1 (4)
L＝L0×n×n1 (5)
式中：
N——最终转速，r/min；
N0——伺服电机设定转速，r/min；
n1——行星减速机减速比；
T——最终扭矩，Nm；
η——转化效率；
T0——额定扭矩，Nm；
L——总循环次数，次；
L0——伺服电机设定旋转次数，次。
进一步，以试样跨中所处位置为纵坐标，时间为横坐标，建立简谐振动函数图形；通过调节跨中支座的长度实现不同的简谐弯曲疲劳模式，如公式(6)所示：
式中：
A——简谐振动振幅，控制弯曲疲劳的应力幅，mm；
w——角速度，控制弯曲疲劳的周期，rad/s；
T——疲劳周期，完成一次完整弯曲循环所需的时间，s；
f——疲劳频率，Hz；
当k<0时，此时偏距小于0，即试样跨中的最高位置为向下弯曲，同时试样在整个弯曲循环的过程中，始终处于向下弯曲的状态，试样最大弯曲挠度大于2倍振幅；
当k＝0时，此时偏距小于0，即试样跨中的最高位置为水平不弯曲，但除了此位置外，试样在整个弯曲循环的过程中，始终处于向下弯曲的状态，试样最大弯曲挠度等于2倍振幅，符合典型三点弯曲状态；
当0<k<A时，此时偏距大于0且小于振幅，即试样跨中的最高位置为向上弯曲，同时试样在整个弯曲循环的过程中，不断在向上弯曲与向下弯曲之间重复循环，但向上弯曲时间小于向下弯曲时间，试样最大弯曲挠度小于2倍振幅而大于1倍振幅；
当k＝A时，此时偏距等于振幅，即试样跨中的最高位置为向上弯曲，同时试样在整个弯曲循环的过程中，不断在向上弯曲与向下弯曲之间重复循环，但向上弯曲与向下弯曲的时间相等，试样最大弯曲挠度等于1倍振幅。
进一步的，本试验装置还包括动态采集仪，所述的压力传感器与动态采集仪电信号连接，试样弯曲破坏荷载不应超过压力传感器的量程的80％；同时压力传感器与动态采集仪的采样频率应满足单周期至少有10个采样点。
本发明的另一目的是提供一种通过如上所述的试验装置得出的一种用于实现腐蚀环境-弯曲疲劳耦合作用的试验方法，步骤如下：
第一步，按照所需简谐运动振幅A，选取合适的轨道凸轮；
第二步，截取所需长度的试样，并固定在两端支座与跨中支座之间；
第三步，调整两端支座位置，使得跨距为所需跨距长度后，固定两端支座位置；
第四步，查看压力传感器采集的压力数据，调整跨中支座长度，使得最大压力达到所需应力水平要求；
第五步，在恒温水箱中加入所需腐蚀溶液，同时打开恒温水箱电源，使溶液温度达到所需温度；
第六步，通过伺服电机控制器，对所需疲劳周期T、疲劳频率f、总循环次数L进行设置；
第七步，启动伺服电机，开始弯曲疲劳试验直至完成，并得到全循环周期的荷载-时间曲线。
本发明具有以下优点及有益效果：本装置具有坚固耐用，测试效果稳定的优点，保证了试样严格遵循简谐运动的弯曲疲劳加载，符合多数材料测试规范要求，能够实现多组平行试样同时加载。本发明可适用于多种材料、多种截面试样的弯曲疲劳加载；实现了多种应力水平下与4种简谐弯曲疲劳模式下的弯曲疲劳加载，可实现试样短期高频弯曲疲劳和长期低频多种腐蚀环境-弯曲疲劳耦合实验。此试验装置适用的材料种类包括钢材、铝材等金属材料，木材、竹材等生物材料，纤维复合材料、橡胶材料等高分子材料，以及各类其他材料；此试验装置适用的材料形状包括圆形截面、矩形截面、圆环截面、薄片薄膜等各种形状。
附图说明
图1为一种用于实现腐蚀环境-弯曲疲劳耦合作用的试验装置的整体效果图；
图2为无恒温水箱的整体效果图；
图3为各运动加载机构组合示意图；
图4为轨道凸轮示意图；
图5为轨道凸轮内侧示意图；
图6为轨道凸轮详图；
图7为滚柱轴承示意图；
图8为滚柱轴承剖面图；
图9为滚珠轴承轴向剖面图；
图10为杆端轴承示意图；
图11为直线导轨示意图；
图12为传导架示意图；
图13为压力传感器示意图；
图14为跨中支座示意图；
图15为跨中支座剖面图；
图16为两端支座示意图；
图17两端支座剖面图；
图18为恒温水箱内部示意图；
图19为跨中位置与时间关系的简谐振动函数图形；
图20为4种简谐弯曲疲劳模式函数图形示意图；
图21为当r＝80mm，A＝15mm，n＝4时的凸轮中轴线函数图形示意图；
其中，1-支撑台座，2-轨道凸轮，3-伺服电机，4-行星减速机，5-滚柱轴承，6-导轨支撑，7-杆端轴承，8-直线导轨，9-传导架，10-压力传感器，11-跨中支座，12-两端支座，13-支座滑轨，14-恒温水箱，15-试样；201-凸轮盘面，202-电机轴孔；203-凸轮轨道；501-轨道轴，502-杆端轴；503-滚柱；701-内轴，702-外轴，703-连接端；801-滑块，802-导轨；1001-数据线口，1002-传感器主体，1003-下连接轴，1004-上连接轴；1101-跨中支座杆，1102-跨中支座限位滑轮，1103-跨中支座限位片，1104-跨中支座限位螺母，1105-调节螺杆，1106-传感器连接孔，1107-调节螺杆孔，1108-试样限位槽，1201-两端支座杆，1202-两端支座限位滑轮，1203-两端支座限位片，1204-限位滑块，1205-固定螺母；1401-滑轨槽，1402-水箱底板，1403-温控装置，1404-水箱顶盖，1405-支座通孔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实践案例对本发明进行进一步详细说明，此处的实施案例用以解释本发明，但不限定本发明。
实施例1
一种用于实现腐蚀环境-弯曲疲劳耦合作用的试验装置，包括伺服电机控制器、支撑台座1，多组可替换的轨道凸轮2，伺服电机3，行星减速机4，滚柱轴承5，导轨支撑6，杆端轴承7，直线导轨8，传导架9，三只压力传感器10，三只跨中支座11，六只两端支座12，三根支座滑轨13和恒温水箱14，伺服电机控制器与伺服电机3电信号连接，所述伺服电机3和行星减速机4同时固定在支撑台座顶部，所述伺服电机3的输出轴通过行星减速机4与轨道凸轮2的轴心固定连接，滚柱轴承5内嵌于轨道凸轮3的轨道中，并能够在轨道中移动，滚柱轴承5通过杆端轴承7与直线导轨8上端固定连接，导轨支撑6固定在支撑台座1侧壁，直线导轨8滑动连接于导轨支撑6上并能够在竖直方向上移动，直线导轨的下端与传导架9上端固定连接，传导架9的下端平面与三只压力传感器10固定连接；每只压力传感器10与一只跨中支座11固定连接，三根支座滑轨13以平均间隔平行固定在恒温水箱14底部的内平面上，每根支座滑轨13的两端分别连接有两只两端支座12，所述的两端支座12能够在支座滑轨13的滑槽上滑动调节位置，并能够固定位置，每组支座滑轨13的中间上方对应有一只跨中支座11，所述的跨中支座11上端的长度能够调节；所述的跨中支座11的下端及两端支座12的上端均开有试样限位槽，所述的跨中支座11的下端及两端支座12的上端均连接有试样夹持机构；所述的伺服电机3驱动轨道凸轮2转动，使得滚柱轴承5在轨道凸轮2的轨道中做相对运动，同时带动直线导轨8做上下简谐运动，试样15两端分别与两端支座12固定连接，试样15中间与跨中支座11连接，使得试样15跨中做上下简谐运动的弯曲疲劳运动；恒温水箱内能够添加蒸馏水、酸、碱或盐的溶液及其采用不同函数曲线的轨道凸轮2，用以实现长期多种溶液腐蚀环境与弯曲疲劳耦合试验；其中，多个所述的轨道凸轮2刻有不同的函数曲线的轨道，以轨道凸轮2的圆心为原点建立直角坐标系，利用轨道中轴线轨迹的函数关系，实现对弯曲疲劳振幅A和凸轮转速倍率n的控制，函数关系如公式(1)所示，最大弯曲挠度D由公式(2)计算；
式中：
y——凸轮轨道中轴线轨迹纵坐标，mm；
x——凸轮轨道中轴线轨迹横坐标，mm；
r——凸轮轨道中轴线轨迹基本半径，mm；
n——凸轮转速倍率；
θ——凸轮轨道中轴线极坐标角度，取0～2π。
N——应力水平，应力与理论极限弯曲应力比值的百分比，％；
σmax——试样的极限弯曲应力，MPa；
L——弯曲跨距，mm；
d——试样厚度，当圆形截面时取直径，当矩形截面时取厚度，mm；
E——试样的弹性模量，MPa；
k——偏距，简谐振动函数最高处与试样水平中轴线的纵坐标差，mm；
D——最大弯曲挠度，mm；
所述伺服电机与行星减速机串联组成本试验装置的驱动模块，所述的驱动模块产生的最终转速N、最大扭矩T、总循环次数L，如公式(3-5)所示；为保证伺服电机正常运行，实际使用转速、扭矩、功率不应大于额定值的80％；通过伺服电机控制器调节伺服电机的设定转速N0、设定旋转次数L0，实现对弯曲疲劳周期T、疲劳频率f、总循环次数L的设置,实际使用转速、扭矩、功率不应大于额定值的80％；
N＝n×N0×n1 (3)
T＝η×T0×n1 (4)
L＝L0×n×n1 (5)
式中：
N——最终转速，r/min；
N0——伺服电机设定转速，r/min；
n1——行星减速机减速比；
T——最终扭矩，Nm；
η——转化效率；
T0——额定扭矩，Nm；
L——总循环次数，次；
L0——伺服电机设定旋转次数，次。
本装置还包括动态采集仪，所述的压力传感器与动态采集仪电信号连接组成数据采集模块，试样弯曲破坏荷载不应超过压力传感器的量程的80％；同时压力传感器与动态采集仪的采样频率应满足单周期至少有10个采样点。
所述的滚柱轴承5、杆端轴承7和直线导轨8组成本试验装置的运动转换模块。滚柱轴承5的外轴可通过内部滚柱实现相对内轴的圆周运动，杆端轴承7的外轴也可实现相对内轴的圆周运动；滚柱轴承5的外轴与轨道凸轮2上的轨道内嵌连接，滚柱轴承5的内轴与杆端轴承7内轴套接；滚柱轴承5与杆端轴承7组合，可将轨道凸轮2的圆周运动转换为直线导轨的上下简谐直线往复运动；滚柱轴承的外轴直径应与轨道宽度一致，以保证外轴可在轨道内做紧密、稳定的相对运动。直线导轨8由两块滑块801和一条导轨802组成，导轨802可在两块滑块801内做相对直线运动，两块滑块801分上下固定在导轨支撑6上；为保证导轨802与滑块801内壁长期紧密连接，导轨802应该采用多边形几何截面，不可采用圆形截面；同时直线导轨8内部应采用滚柱传动，不可采用滚珠传动；为保证导轨802的上下往复运动足够竖直，应该至少采用两块滑块801引导导轨802运动。
所述的传导架9为三角形，作为本试验装置的荷载分散模块。传导架9的上端与直线导轨8下端刚性连接，用于实现多组平行试样同时加载时的荷载分散；若只同时加载1件试样，则可不设置传导架9，若同时加载X件试样，则传导架9下平面应与X个压力传感器连接，同时需要设置X套跨中支座、两端支座、支座滑轨等；同时X个压力传感器应相对于传导架中线呈对称布置，以实现平衡受力。
所述的跨中支座11、两端支座12和支座滑轨13组成本试验装置的跨距调节模块。跨中支座上端的调节螺杆通过传感器连接孔与压力传感器的下连接轴旋接，调节螺杆与调节螺杆孔旋接；为便于调整跨中支座长度，可通过旋转调节螺杆在调节螺杆孔内的相对位置实现，同时应将限位螺母旋紧，以固定跨中支座位置；跨中支座杆的下端与跨中支座限位滑轮通过跨中支座限位片固定，跨中支座杆的下端与跨中支座限位滑轮上均设置有试样限位槽，用于固定试样跨中位置；试样限位槽形状应与所测试样截面形状一致，例如若为圆形截面，则上下限位槽设置为两个半圆形。两端支座可在支座滑轨上滑动调节，并通过限位滑块和固定螺母实现与支座滑轨的固定；两端支座应以直线导轨中轴呈对称布置，两个两端支座的中心间距即为弯曲跨距；两端支座杆与两端支座限位滑轮通过两端支座限位片固定，两端支座杆与两端支座限位滑轮上同样设置试样限位槽，用于固定试样两端位置。支座滑轨嵌入在恒温水箱底板的滑轨槽内，滑轨槽长度应大于最大所需弯曲跨度。
所述的恒温水箱14作为本试验装置的腐蚀环境耦合模块。恒温水箱固定在支座台座的水箱支撑上；恒温水箱内部长度应大于支座滑轨长度；恒温水箱上应设有可拆卸水箱顶盖，以防止内部溶液溅出与蒸发；水箱顶盖中间设有支座通孔，用于跨中支座穿过进入内部；温控装置应保持内部水温在0～90℃之间的功能，同时应实时显示设定温度与内部实际温度；在试验过程中，水箱内液面应始终淹没试样，如液面下降应及时补充；此外，恒温水箱内部加热管应布置在水箱底部，同时不应与支座滑轨发生碰撞。
为保证弯曲疲劳试验机在长期弯曲疲劳加载过程中机构的稳定性，对于轨道凸轮、滚柱轴承、杆端轴承、直线导轨、传导架、压力传感器、跨中支座、两端支座机构均应采用耐磨、高刚度材料；为保证弯曲疲劳试验机在多种腐蚀环境(蒸馏水、酸碱盐溶液)下个机构的耐久性，上述机构表面应该做防腐处理，如喷涂防腐环氧树脂、防腐油漆等；为减小机构运行过程中的摩擦力，应在各机构的运动部位涂抹机械润滑油；为防止试样在弯曲疲劳过程中受反复机械摩擦发生表面破坏，应在试样与跨中支座和两端支座接触位置应设置耐磨橡胶薄层。
此试验装置适用的材料种类包括钢材、铝材等金属材料，木材、竹材等生物材料，纤维复合材料、橡胶材料等高分子材料，以及各类其他材料；此试验装置适用的材料形状包括圆形截面、矩形截面、圆环截面、薄片薄膜等各种形状；此试验装置适用于各种材料尺寸，但应保证试样弯曲破坏荷载不应超过本装置的最大弯曲力的80％.
实施例2
此试验装置可实现4种间歇弯曲疲劳模式。以试样跨中所处位置为纵坐标，时间为横坐标，可建立如附图19所示简谐振动函数图形，函数表达式如公式(6)所示；通过调节跨中支座的长度可实现4种简谐弯曲疲劳模式(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ)之间的切换，如附图20所示，当k<0时为Ⅰ型模式，此时偏距小于0，即试样跨中的最高位置为向下弯曲，同时试样在整个弯曲循环的过程中，始终处于向下弯曲的状态，试样最大弯曲挠度大于2倍振幅；当k＝0时为Ⅱ型模式，此时偏距小于0，即试样跨中的最高位置为水平不弯曲，但除了此位置外，试样在整个弯曲循环的过程中，始终处于向下弯曲的状态，试样最大弯曲挠度等于2倍振幅，符合典型三点弯曲状态；当0<k<A时为Ⅲ型模式，此时偏距大于0且小于振幅，即试样跨中的最高位置为向上弯曲，同时试样在整个弯曲循环的过程中，不断在向上弯曲与向下弯曲之间重复循环，但向上弯曲时间小于向下弯曲时间，试样最大弯曲挠度小于2倍振幅而大于1倍振幅；当k＝A时为Ⅳ型模式，此时偏距等于振幅，即试样跨中的最高位置为向上弯曲，同时试样在整个弯曲循环的过程中，不断在向上弯曲与向下弯曲之间重复循环，但向上弯曲与向下弯曲的时间相等，试样最大弯曲挠度等于1倍振幅；跨中支座和两端支座在选用Ⅰ和Ⅱ型模式时，不需要使用限位滑轮夹持试样，当选用Ⅲ、Ⅳ型模式时，则需要使用限位滑轮夹持试样。
式中：
A——简谐振动振幅，控制弯曲疲劳的应力幅，mm；
w——角速度，控制弯曲疲劳的周期，rad/s；
k——偏距，简谐振动函数最高处与试样水平中轴线的纵坐标差，mm；
T——疲劳周期，完成一次完整弯曲循环所需的时间，s；
f——疲劳频率，Hz。
实施例3
现需开展直径为4mm的钢圆杆在30％、40％、50％、60％的4种应力水平下约12小时短期高频弯曲疲劳实验。已知此钢圆杆的弹性模量为206000GPa，极限抗弯应力为200MPa，简谐弯曲疲劳模式为Ⅱ型模式，即k＝0mm，如附图20中的Ⅱ所示。
根据实验所需要求，所需的弯曲疲劳试验机设备参数包括：(1)弯曲跨距：取400mm；(2)振幅：当简谐弯曲疲劳模式为Ⅱ型模式，k＝0mm，此时30％、40％、50％、60％的4种应力水平对应的简谐运动振幅A分别为0.97mm、1.29mm、1.62mm、1.94mm，计算过程如下式所示；(3)频率：参考规范GB/T 4337-2015，取总循环次数为100万次，预计约12小时完成，即弯曲频率为24Hz，最终转速为1440r/min；(4)恒温水箱：保持空箱且关闭。
所需的实验步骤为：(1)选取4个盘形凸轮，对应的简谐运动振幅A分别为0.97mm、1.29mm、1.62mm、1.94mm，分4次安装在行星减速机轴承上，盘形凸轮的凸轮轨道中轴线函数关系参照权利要求书中第4条；(2)截取420mm长的4mm直径钢圆杆，并夹持在跨中支座和两端支座上，选用简谐弯曲疲劳模式为Ⅱ型模式，因此不使用限位滑块；(2)调节两端支座位置，当跨距为400mm后，限位两端支座位置，跨中支座位于试样跨中；(3)查看压力传感器采集的压力数据，调整跨中支座长度，使得最大压力分别达到30％、40％、50％、60％的4种应力水平；(4)恒温水箱保持空箱，电源保持关闭；(5)调节伺服电机控制器，使得最终转速为1440r/min，总循环次数L为100万次；(6)启动伺服电机，开始弯曲疲劳直至试验完成，最终得到全循环周期的荷载-时间曲线。
实施例4
现需开展截面为厚20mm的矩形截面木材在30％、40％、50％的3种应力水平下约30天长期低频蒸馏水环境-弯曲疲劳的耦合实验。已知此木材的弹性模量为10000MPa，极限抗弯应力为100MPa，简谐弯曲疲劳模式为Ⅰ型模式，即k＝-2mm，如附图20中的Ⅰ所示，耐久性环境为40℃蒸馏水环境。
根据实验所需要求，所需的弯曲疲劳试验机设备参数包括：(1)弯曲跨距：取300mm；(2)振幅：简谐弯曲疲劳模式为Ⅰ型模式，k＝-2mm，此时40％、50％、60％的3种应力水平对应的简谐运动振幅A分别为2.50mm、2.88mm、3.25mm，计算过程如下式所示；(3)频率：取总循环次数为50万次，预计约30天完成，即弯曲频率为0.2Hz，最终转速为12r/min；(4)恒温水箱：加入蒸馏水，温度为40℃。
所需的实验步骤为：(1)选取3个盘形凸轮，对应的简谐运动振幅A分别为2.50mm、2.88mm、3.25mm，分3次安装在行星减速机轴承上，盘形凸轮的凸轮轨道中轴线函数关系参照权利要求书中第4条；(2)截取320mm厚20mm的矩形截面木材，并夹持在跨中支座和两端支座上，选用简谐弯曲疲劳模式为Ⅰ型模式，因此不使用限位滑块；(2)调节两端支座位置，当跨距为300mm后，限位两端支座位置，跨中支座位于试样跨中；(3)查看压力传感器采集的压力数据，调整跨中支座长度，使得最大压力分别达到40％、50％、60％的3种应力水平；(4)恒温水箱中加入蒸馏水，蒸馏水液面始终淹没矩形截面木材，并设定温度在40℃恒温；(5)调节伺服电机控制器，使得最终转速为12r/min，总循环次数L为50万次；(6)启动伺服电机，开始弯曲疲劳直至试验完成，最终得到全循环周期的荷载-时间曲线。
实施例5
现需开展10mm直径碳纤维复合材料圆杆在35％、45％、55％、65％的4种应力水平下约90天长期低频盐溶液环境-弯曲疲劳的耦合实验。已知此碳纤维复合材料圆杆的弹性模量为180000MPa，极限抗弯应力为1500MPa，简谐弯曲疲劳模式为Ⅳ型模式，即k＝A，如附图20中的Ⅳ所示。
根据实验所需要求，所需的弯曲疲劳试验机设备参数包括：(1)弯曲跨距：根据规范ASTM D790-10，选取60d，为600mm；(2)振幅：简谐弯曲疲劳模式为Ⅳ型模式，k＝A，此时35％、45％、55％、65％的4种应力水平对应的简谐运动振幅A分别为17.50mm、22.50mm、27.50mm、32.50mm，计算过程如下式所示；(3)频率：参考规范GB/T 35465.5-2020，取总计200万次弯曲循环，预计约90天完成，即弯曲频率为0.25Hz，此时最终转速为15r/min；(4)恒温水箱：加入盐溶液，温度为60℃。
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所需的实验步骤为：(1)选取4个盘形凸轮，对应的简谐运动振幅A分别为17.50mm、22.50mm、27.50mm、32.50mm分4次安装在行星减速机轴承上，盘形凸轮的凸轮轨道中轴线函数关系参照权利要求书中第4条；(2)截取620mm长的10mm直径碳纤维复合材料圆杆，并夹持在跨中支座和两端支座上，选用简谐弯曲疲劳模式为Ⅳ型模式，因此需使用限位滑块；(2)调节两端支座位置，当跨距为600mm后，限位两端支座位置，跨中支座位于试样跨中；(3)查看压力传感器采集的压力数据，调整跨中支座长度，使得最大压力分别达到35％、45％、55％、65％的4种应力水平；(4)恒温水箱中加入盐溶液，盐溶液液面始终淹没碳纤维复合材料圆杆，并设定温度在60℃恒温；(5)调节伺服电机控制器，使得最终转速为15r/min，总循环次数L为200万次；(6)启动伺服电机，开始弯曲疲劳直至试验完成，最终得到全循环周期的荷载-时间曲线。
Claims (5)
1.一种用于实现腐蚀环境-弯曲疲劳耦合作用的试验装置，包括伺服电机控制器、支撑台座，多个可替换的轨道凸轮，伺服电机，行星减速机，滚柱轴承，导轨支撑，杆端轴承，直线导轨，传导架，多只压力传感器，多只跨中支座，多只两端支座，多根支座滑轨和恒温水箱，伺服电机控制器与伺服电机电信号连接，其特征在于，所述伺服电机和行星减速机同时固定在支撑台座顶部，所述伺服电机的输出轴通过行星减速机与轨道凸轮的轴心固定连接，滚柱轴承内嵌于轨道凸轮的轨道中，并能够在轨道中移动，滚柱轴承通过杆端轴承与直线导轨上端固定连接，导轨支撑固定在支撑台座侧壁，直线导轨滑动连接于导轨支撑上并能够在竖直方向上移动，直线导轨的下端与传导架上端固定连接，传导架的下端平面与多只压力传感器固定连接；每只压力传感器与一只跨中支座固定连接，多根支座滑轨以平均间隔平行固定在恒温水箱底部的内平面上，每根支座滑轨的两端分别连接有两只两端支座，所述的两端支座能够在支座滑轨的滑槽上滑动调节位置，并能够固定位置，每组支座滑轨的中间上方对应有一只跨中支座，所述的跨中支座上端的长度能够调节；所述的跨中支座的下端及两端支座的上端均开有试样限位槽，所述的跨中支座的下端及两端支座的上端均连接有试样夹持机构；所述的伺服电机驱动轨道凸轮转动，使得滚柱轴承在轨道凸轮的轨道中做相对运动，同时带动直线导轨做上下简谐运动，试样两端分别与两端支座固定连接，试样中间与跨中支座连接，使得试样跨中做上下简谐运动的弯曲疲劳运动；恒温水箱内能够添加蒸馏水、酸、碱或盐的溶液及其采用不同函数曲线的轨道凸轮，用以实现长期多种溶液腐蚀环境与弯曲疲劳耦合试验；其中，多个所述的轨道凸轮刻有不同的函数曲线的轨道，以轨道凸轮的圆心为原点建立直角坐标系，利用轨道中轴线轨迹的函数关系，实现对弯曲疲劳振幅A和凸轮转速倍率n的控制，函数关系如式(1)所示，最大弯曲挠度D由式(2)计算；
式中：
y——凸轮轨道中轴线轨迹纵坐标，mm；
x——凸轮轨道中轴线轨迹横坐标，mm；
r——凸轮轨道中轴线轨迹基本半径，mm；
n——凸轮转速倍率；
θ——凸轮轨道中轴线极坐标角度，取0-2π；
N——应力水平，应力与理论极限弯曲应力比值的百分比，％；
σmax——试样的极限弯曲应力，MPa；
L——弯曲跨距，mm；
d——试样厚度，当圆形截面时取直径，当矩形截面时取厚度，mm；
E——试样的弹性模量，MPa；
k——偏距，简谐振动函数最高处与试样水平中轴线的纵坐标差，mm；
D——最大弯曲挠度，mm。
2.根据权利要求1所述的一种用于实现腐蚀环境-弯曲疲劳耦合作用的试验装置，其特征在于：所述伺服电机与行星减速机串联组成本试验装置的驱动模块，所述的驱动模块产生的最终转速N、最大扭矩T、总循环次数L，如公式3、4、5所示；为保证伺服电机正常运行，实际使用转速、扭矩、功率不应大于额定值的80％；通过伺服电机控制器调节伺服电机的设定转速N0、设定旋转次数L0，实现对弯曲疲劳周期T、疲劳频率f、总循环次数L的设置，实际使用转速、扭矩、功率不应大于额定值的80％；
N＝n×N0×n1 (3)
T＝η×T0×n1 (4)
L＝L0×n×n1 (5)
式中：
N——最终转速，r/min；
N0——伺服电机设定转速，r/min；
n1——行星减速机减速比；
T——最终扭矩，Nm；
η——转化效率；
T0——额定扭矩，Nm；
L——总循环次数，次；
L0——伺服电机设定旋转次数，次。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于实现腐蚀环境-弯曲疲劳耦合作用的试验装置，其特征在于：以试样跨中所处位置为纵坐标，时间为横坐标，建立简谐振动函数图形；通过调节跨中支座的长度实现不同的简谐弯曲疲劳模式，公式如6所示：
式中：
A——简谐振动振幅，控制弯曲疲劳的应力幅，mm；
w——角速度，控制弯曲疲劳的周期，rad/s；
T——疲劳周期，完成一次完整弯曲循环所需的时间，s；
f——疲劳频率，Hz；
当k<0时，此时偏距小于0，即试样跨中的最高位置为向下弯曲，同时试样在整个弯曲循环的过程中，始终处于向下弯曲的状态，试样最大弯曲挠度大于2倍振幅；
当k＝0时，此时偏距小于0，即试样跨中的最高位置为水平不弯曲，但除了此位置外，试样在整个弯曲循环的过程中，始终处于向下弯曲的状态，试样最大弯曲挠度等于2倍振幅，符合典型三点弯曲状态；
当0<k<A时，此时偏距大于0且小于振幅，即试样跨中的最高位置为向上弯曲，同时试样在整个弯曲循环的过程中，不断在向上弯曲与向下弯曲之间重复循环，但向上弯曲时间小于向下弯曲时间，试样最大弯曲挠度小于2倍振幅而大于1倍振幅；
当k＝A时，此时偏距等于振幅，即试样跨中的最高位置为向上弯曲，同时试样在整个弯曲循环的过程中，不断在向上弯曲与向下弯曲之间重复循环，但向上弯曲与向下弯曲的时间相等，试样最大弯曲挠度等于1倍振幅。
4.根据权利要求3所述的一种用于实现腐蚀环境-弯曲疲劳耦合作用的试验装置，其特征在于：还包括动态采集仪，所述的压力传感器与动态采集仪电信号连接，试样弯曲破坏荷载不应超过压力传感器的量程的80％；同时压力传感器与动态采集仪的采样频率应满足单周期至少有10个采样点。
5.根据权利要求3所述的试验装置得出的一种用于实现腐蚀环境-弯曲疲劳耦合作用的试验方法，其特征在于，方法如下：
第一步，按照所需简谐运动振幅A，选取合适的轨道凸轮；
第二步，截取所需长度的试样，并固定在两端支座与跨中支座之间；
第三步，调整两端支座位置，使得跨距为所需跨距长度后，固定两端支座位置；
第四步，查看压力传感器采集的压力数据，调整跨中支座长度，使得最大压力达到所需应力水平要求；
第五步，在恒温水箱中加入所需腐蚀溶液，同时打开恒温水箱电源，使溶液温度达到所需温度；
第六步，通过伺服电机控制器，对所需疲劳周期T、疲劳频率f、总循环次数L进行设置；
第七步，启动伺服电机，开始弯曲疲劳试验直至完成，并得到全循环周期的荷载-时间曲线。
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| CN115266429A (zh) | 2022-11-01 |
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