CN117969563A - 一种基于同步辐射和中子的滚动接触疲劳损伤试验方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于同步辐射和中子的滚动接触疲劳损伤试验方法及装置，底座置于旋转平台上，主动轴经轴承架设在底座的两个支撑台上，轨道轮安装在与电机连接的主动轴上，支承板底面固定有减震弹簧组件，从动轴安装在两个轴承座上，缩比车轮安装在从动轴上并与轨道轮接触，液压作动器安装在支撑板上，且其连接杆下端经支撑板下伸并压触在载荷传感器上，外部设置有先进光源入射狭缝和接收器。本发明采用等比例缩小车轮，通过缩比车轮和轨道轮在高速、负载条件下运行来模拟真实环境下轮轨之间运动关系，基于先进光源成像、衍射技术原位表征内部缺陷、微观组织变化，从而揭示轮轨损伤机理。
Description
技术领域
本发明涉及机械部件滚动接触疲劳损伤试验技术领域，特别是基于同步辐射和中子的滚动接触疲劳损伤试验方法及装置。
背景技术
近年来，高速列车、重载列车以及地铁等轨道交通运载系统蓬勃发展，高速、重载是轨道交通领域未来的发展方向。由于长时间的高速负载运行，车轮与钢轨等部件存在循环滚动接触疲劳损伤失效行为。随着车轮制造工艺不断升级，钢材纯净度提高，由夹杂、空隙等材料缺陷引起的萌生于深层和次表层的轮轨滚动接触疲劳损伤失效现象大幅减少。目前，表面损伤引发疲劳裂纹萌生在轮轨的滚动接触疲劳失效行为中占主导地位。为确保部件在严苛条件下保持良好的服役性能，需要对其进行滚动接触疲劳损伤的内部组织和力学机理进行探究。滚动接触存在受力情况复杂、材料处于多轴应力状态、涉及多个自由度、接触载荷较大、滚动接触疲劳损伤周期较长以及存在偶然因素等固有难题导致支撑试验研究的有效数据较少。其在真实服役条件下的使用性能测试、损伤演化表征、失效机理揭示等尚存在技术瓶颈问题，阻碍其工程结构服役性能设计过程中科学基础和评价体系的建立。滚动接触疲劳试验机可为轮轨材料在滚动接触疲劳载荷作用下的力学行为研究提供技术支撑。
在真实服役环境下，轮轨之间一旦萌生滚动接触疲劳裂纹，会在接触表层及次表层持续扩展，当多条裂纹相互贯通时会导致表面材料剥离掉块。轮轨表面一旦发生剥离或形成凹陷，会严重破坏接触表面的平顺性，恶化轮轨间的动力作用，降低机车车辆的运行平稳性。继而当裂纹面扩大到一定程度时可能导致钢轨折断和车轮崩箍，造成重大灾难性事故。目前，多采用超声波探伤和磁粉探伤的方式对车轮进行定期的探伤检查，确定缺陷位置后将裂纹面切开进行缺陷分析，为寿命评估提供依据。此外，对于滚动接触疲劳分析多采用软件模拟仿真形式，通过仿真计算来复现滚动副间的接触关系，实现预期效果，但理论计算与实际测量往往存在差异，并不能有效表征内部的应力分布和微观组织变化。而通过对缺陷材料的切割、扫描来分析裂纹萌生以及扩展机理效率较低、成本较大且无法探明裂纹的动态变化机理。由于实验装置及技术的制约，高速、重载条件下车轮材料损伤演化历程尚未探明，真实使用极限有待验证。
不同于常规的破坏性切片、断口辨识或表面观测等损伤测试手段，近年来迅速发展的先进光源表征测试技术可穿透大块材料样品，时空分辨率高，且具有较大的样品设置空间，为集成三维表征、辅助损伤监测、高周频次负载运行一体化的试验平台搭建提供了前所未有的机遇。首先，兼容于同步辐射光源或中子源的定制化多场耦合原位加载装置允许在高周频次负载测试期间实时表征损伤演化和失效行为，是量化轨道车辆接触斑应变场、累积塑性变形、疲劳裂纹萌生、晶体学结构信息演化以及失效断裂的关键。可以精准锁定高速负载服役环境中损伤起始时刻及位置并明确轮轨弹塑性变形与疲劳损伤之间的耦合关系，结合传统测试手段进而建立更为准确和完善的跨尺度的力学性能评价体系。最终反馈工艺研究，优化工艺参数，达到提升部件服役性能的目的。因此，发展基于同步辐射光源和中子源的高速、重载滚动接触疲劳原位试验方法及装置。不仅能为揭示轮轨材料内部其宏观服役性能与细观、微观等各级结构之间的复杂关系提供前沿技术手段，推动现代高端装备工程材料研制进程，还能起到示范重大科技基础设施在服务国家重大工程中应用前景的独特作用。由此研究背景，发明了一种结合先进光源高分辨表征高速、重载滚动接触疲劳试验的方法及装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于同步辐射和中子的滚动接触疲劳损伤试验装置，旨在通过试验轮和轨道轮在高速、负载条件下运行来模拟真实环境下轮轨之间运动关系，基于先进光源成像、衍射技术原位表征内部缺陷、微观组织变化。
本发明的目的是这样实现的：一种基于同步辐射和中子的滚动接触疲劳损伤试验装置，用作安装在旋转平台上的转接底座上固定有两个支撑台，主动轴左右端分别经轴承安装在两个支撑台上的两个下轴承座上，轨道轮安装在主动轴上，伺服电机经斜齿轮减速器与主动轴连接，伺服电机安装在转接底座上，位于转接底座外部的高压油源及控制器经液压管路连接液压作动器，液压作动器安装在支撑板上，载荷传感器安装在支承板顶面上，支承板底面上固定有两列、每列两根竖向杆件，第一列两根竖向杆件下端固联在第一轴承座上，第二列两根竖向杆件下端固联在第二轴承座上，且四根竖向杆件上均套装有减振弹簧，从动轴经轴承架设在第一、第二轴承座上，缩比车轮安装在从动轴上，并与轨道轮相接触，液压作动器的连接杆从上向下穿过支撑板的孔眼后抵靠在载荷传感器顶部；
亚克力/铅制透视窗安装在由顶板封堵的圆筒体上而将圆筒体分为上腔体和下腔体，上述支撑板经四根支撑杆安装在该圆筒体顶板上，该顶板上有容许连接杆和荷载传感器活动穿行的孔；
位于旋转平台外部设置有先进光源入射的狭缝和先进光源接收器。
所述先进光源为X射线，所述先进光源接收器为X射线接收器；所述先进光源或者为中子束，所述先进光源接收器为透射中子信号接收器，或者为衍射中子信号接收器。
所述减振弹簧上下端分别固定在竖向杆件的上下端，所述四根竖向杆件的外径均小于或部分小于减震弹簧的内径，所述伺服电机与电机控制器连接。
本发明另一目的是提供采用上述装置进行机车轮轨滚动接触疲劳损伤的试验方法。
本发明的另一目的是这样实现的：
一种采用所述装置进行机车轮轨滚动接触疲劳损伤的试验方法，包括以下步骤：
一，基于X射线的原位三维成像试验步骤
1)首先将试验机各部分组装、连接完毕，然后将原位试验机置于光源样品平台上，安装位置根据X射线高度调整，通过激光定位系统精确定位样品测试位置，保证X射线穿过轮轨接触斑感兴趣的区域，校准样品台及试验机轴线然后根据待测样品材质、大小和试验目的，确定成像视场大小和X射线能量试验参数；
2)根据实验目的，确定实验中的应力加载条件，滚动接触疲劳试验仅适用于正应力比加载，载荷范围为0～5kN，动载频率范围为1～400Hz，应力水平和频率根据轮轨实际工况进行施加，通过高压油源及控制器控制液压作动器将电信号转化为连接杆输出的往复垂向位移，由载荷传感器测量读取的实际加载应力大小经支撑板、减振弹簧、从动轴传递，通过缩比车轮的移动作用于缩比车轮和轨道轮之间的接触斑上；
3)疲劳循环加载一定周次后，当在实验室外控制室屏幕观测到缩比车轮和轨道轮之间的接触斑发生损伤，此时即控制液压作动器停止动态加载并保持静态加载使样品在保持损伤状态不发生进一步恶化的同时确保损伤特征清晰可见；
4)此时，启动X射线发生器，X射线经狭缝，控制转接底座旋转并带动试验机主体匀速旋转180度，旋转过程中同时通过X射线接收器接收X射线发生器发出并穿过亚克力/铅制透视窗及缩比车轮和轨道轮接触点的X射线以采集图像数据；完成对当前损伤状态的180度成像后，再次启动液压作动器的动态加载进行特定循环周次的疲劳加载，重复以上操作，直至达到预期的损伤状态或循环周次，关闭X光源狭缝；
5)对所得图像数据进行重构完成材料内部三维形貌表征，三维展示滚动接触疲劳试验过程中的材料损伤历程；
二，基于X射线的原位衍射试验步骤
1)首先将试验机各部分组装、连接完毕，然后将原位试验机置于光源样品平台上，需要注意的是，由于试验原理不同，此时不需要旋转试验机主体，安装位置根据X射线高度调整，通过激光定位系统精确定位样品测试位置，保证X射线穿过轮轨接触斑感兴趣的区域，校准样品台及试验机轴线然后根据待测样品感兴趣区域的大小和试验目的，确定衍射狭缝的大小和X射线能量试验参数；
2)根据实验目的，确定实验中的应力加载条件，滚动接触疲劳试验仅适用于正应力比加载，载荷范围为0～5kN，动载频率范围为1～400Hz，应力水平和频率根据轮轨实际工况进行施加，通过高压油源及控制器控制液压作动器将电信号转化成连接杆输出的往复垂向位移，由载荷传感器测量读取的实际加载应力大小经支撑板、减振弹簧、从动轴传递，通过缩比车轮的移动作用于缩比车轮和轨道轮之间的接触斑上；
3)疲劳循环加载一定周次后，当透过亚克力/铅制透视窗观测到缩比车轮和轨道轮之间的接触斑发生损伤，此时即控制液压作动器停止动态加载并保持静态加载使样品在保持损伤状态不发生进一步恶化的同时确保损伤特征清晰可见；
4)分析衍射图谱信息，可以获得在不同疲劳循环周次下，材料内部相变、应变、位错密度和内部损伤等信息，从而揭示材料内部损伤演化过程；
三，基于中子束的原位透射或衍射试验步骤
1)首先将试验机各部分组装、连接完毕，然后将原位试验机安装在中子谱仪样品台上，需要注意的是，由于试验原理不同，此时需水平放置试验机主体且不需要旋转试验台，试验机的安装位置要根据现场中子束流条件调整，通过激光定位系统精确定位样品测试位置，确保入射和衍射或透射中子束流路径经过样品测试段，然后根据待测样品特性和试验要求，确定测试中子波长范围和中子谱仪运行模式试验方案；
2)根据实验目的，确定实验中的应力加载条件，滚动接触疲劳试验仅适用于正应力比加载，载荷范围为0～5kN，动载频率范围为1～400Hz，应力水平和频率根据轮轨实际工况进行施加，通过高压油源及控制器控制液压作动器将电信号转化为连接杆输出的往复垂向位移，由载荷传感器测量读取的实际加载应力大小经支撑板、减振弹簧、从动轴传递，通过缩比车轮的移动作用于缩比车轮和轨道轮之间的接触斑上；
3)疲劳循环加载一定周次后，当透过亚克力/铅制透视窗观测到缩比车轮和轨道轮之间的接触斑发生损伤，此时即控制液压作动停止动态加载并保持静态加载使样品在保持损伤状态不发生进一步恶化的同时确保损伤特征清晰可见；根据光源狭缝与中子信号接受器的角度改变来更换中子衍射或成像模式；当光源狭缝与中子信号接收器呈180度为透射成像模式，呈±90度为衍射模式，应用于反应堆中子源的角度差需要根据实际试验波长和衍射晶面的选择具体计算分析确定；
4)分析中子衍射或透射数据，构建样品材料应力应变、织构、相变或内部缺陷等微观结构变化图，以了解这些微观结构变化和疲劳过程之间的关系，揭示损伤机理。
与现有技术相比，本发明具有以下特点和优点：
1、本发明是一种质量轻、结构紧凑、控制准确的滚动接触疲劳试验装置，可以实现全尺寸试验机难以满足的350km/h以上的高速、重载测试指标。并且能够满足先进光源试验平台对重量、尺寸、测试安装位置的要求，兼容性良好。
2、本发明样品箱体结构分为上、中、下三个部分，上下两层为铝合金材质板件提供承载支撑，中间针对高能X射线和布拉格边中子成像目标，分别采用高比强度亚克力材料和铝合金材料，采用环形支撑围罩结构，在满足承载要求的同时减少对射线的吸收。圆筒状设计满足均匀穿透要求，不影响后期成像数据处理。
3、本发明采用等比例缩小车轮，通过试验轮和轨道轮在高速、负载条件下运行来模拟真实环境下轮轨之间运动关系，基于先进光源成像、衍射技术原位表征内部缺陷、微观组织变化。
4、径向力学加载机构采用液压作动器进行加载，具有很高的频响，在动态试验时有很好的反馈能力，载荷控制精度高，可以同时提供静载和动载两种加载模式；力传感器可以实时采集载荷信息反馈到控制系统。
5、本发明装置具有运动平稳，噪音低，精度高等优点，可在三维成像或微观结构衍射分析过程中提供稳定的外部载荷，以真实、清晰的展现材料受载条件下的三维损伤状态。
6、本发明加装了弹簧和液压减振器，一方面能够模拟列车悬挂震动对轮轨接触的影响；另一方面可以有效的耗散振动能量，改善机械系统的振动特性，避免结构发生共振现象，提高了装置的使用寿命。
7、本发明为精准捕捉测试期间材料损伤萌生阶段，具有实验铅房内、外双控制系统，可在实验铅房外部实时监测接触斑附件材料的损伤、萌生裂纹、断裂等复杂失效行为起始时刻并远程快速暂停力学加载以保证原位试验结果的准确性。
附图说明
图1基于先进光源三维原位成像与衍射的滚动接触疲劳试验机整体结构示意图。
图2基于先进光源X射线成像/衍射的结构及原理图。
图3基于中子透射或衍射微观结构分析的结构及原理图。
具体实施方式
附图中，1、(转接)底座2、支撑台3、伺服电机4、电机控制器5、斜齿轮减速器6、主动轴7、亚克力/铝制透射窗8、轴承座9、减振弹簧10、载荷传感器11、上腔体12、支撑杆13、支撑板14、液压作动器15、高压油源及控制器16、连接杆17、(减振弹簧)支承板18、缩比车轮19、从动轴20、轨道轮21、下腔体22、先进光源接收器23、先进光源入射狭缝。
参见图1，一种基于同步辐射和中子的滚动接触疲劳损伤试验装置，用作安装在旋转平台上的转接底座1上固定有两个支撑台2，主动轴6左右端分别经轴承安装在两个支撑台上的两个下轴承座8b上，轨道轮20安装在主动轴6上，伺服电机3经斜齿轮减速器5与主动轴连接，伺服电机安装在转接底座上，位于转接底座外部的高压油源及控制器15经液压管路连接液压作动器14，液压作动器安装在支撑板13上，载荷传感器10安装在支承板17顶面上，支承板底面上固定有两列、每列两根竖向杆件，第一列两根竖向杆件下端固联在第一轴承座上，第二列两根竖向杆件下端固联在第二轴承座上，且四根竖向杆件上均装有减振弹簧9，从动轴19经轴承架设在第一、第二轴承座上，缩比车轮18安装在从动轴上，并与轨道轮20相接触，液压作动器的连接杆16从上向下穿过支撑板的孔眼后抵靠在载荷传感器顶部；
亚克力/铅制透视窗7安装在由顶板封堵的圆筒体上而将圆筒体分为上腔体11和下腔体21，上述支撑板经四根支撑杆12安装在该圆筒体顶板上，该顶板上有容许连接杆和荷载传感器活动穿行的孔；
位于旋转平台外部设置有先进光源入射的狭缝23和先进光源接收器22。
所述先进光源为X射线，所述先进光源接收器为X射线接收器；所述先进光源或者为中子束，所述先进光源接收器为透射中子信号接收器22a，或者为衍射中子信号接收器22b、22c。
所述减振弹簧上下端分别固定在竖向杆件的上下端，所述四根竖向杆件的外径均小于或部分小于减振弹簧的内径，所述伺服电机与电机控制器4连接。
透视窗位于光源路径上。
一，实验装置搭建过程
1)将2和21置于1上，7置于21上，11置于7上，分别使用螺钉固定连接。将3置于1上，并使用螺钉固定，通过软接线与4相连。将20与6通过过盈配合固定在一起，随后将6与8相互配合固定好，通过螺钉与2相连。将5两端分别与3和6相连。
2)13中间开孔以通过螺钉安装并支撑14，14的底部穿过13与16相连。14通过油路与15相连接。利用螺钉将13的底部和四个12相接，四个12的下部通过螺钉固定到11的上端，起到支撑试验机主体的作用。
3)将10的上端利用螺钉固定到16的中心位置，将10的下端通过螺钉固定到17的中心位置。
4)将18和19通过过盈配合相互连接，随后将19与8相互配合固定好，通过螺钉与四个9的下端相互固定。将17与四个9的上端通过螺钉相互连接。通过调整2的高度来保证18和20在规定位置恰好接触，调整16的长度来确定18和20的接触点在7的中心高度处，并与22及23间的光路处于同一高度。此时，实验装置搭建完毕。
二，基于X射线的原位三维成像试验步骤
1)首先将试验机各部分组装、连接完毕，然后将原位试验机置于光源样品平台上，安装位置根据X射线高度调整，通过激光定位系统精确定位样品测试位置，保证X射线穿过轮轨接触斑感兴趣的区域，校准样品台及试验机轴线然后根据待测样品材质、大小和试验目的，确定成像视场大小和X射线能量试验参数；
2)根据实验目的，确定实验中的应力加载条件，滚动接触疲劳试验仅适用于正应力比加载，载荷范围为0～5kN，动载频率范围为1～400Hz，应力水平和频率根据轮轨实际工况进行施加，通过高压油源及控制器15控制液压作动器14将电信号转化为连接杆16输出的往复垂向位移，由载荷传感器10测量读取的实际加载应力大小经支撑板17、减振弹簧9、从动轴19传递，通过缩比车轮18的移动作用于缩比车轮18和轨道轮20之间的接触斑上；
3)疲劳循环加载一定周次后，当在实验室外控制室屏幕观测到缩比车轮18和轨道轮20之间的接触斑发生损伤，此时即控制液压作动器14停止动态加载并保持静态加载使样品在保持损伤状态不发生进一步恶化的同时确保损伤特征清晰可见；
4)此时，启动X射线发生器，X射线经狭缝23，控制转接底座1旋转并带动试验机主体匀速旋转180度，旋转过程中同时通过X射线接收器接收X射线发生器发出并穿过亚克力/铅制透视窗7及缩比车轮18和轨道轮20接触点的X射线以采集图像数据；完成对当前损伤状态的180度成像后，再次启动液压作动器14的动态加载进行特定循环周次的疲劳加载，重复以上操作，直至达到预期的损伤状态或循环周次，关闭X光源狭缝；
5)对所得图像数据进行重构完成材料内部三维形貌表征，三维展示滚动接触疲劳试验过程中的材料损伤历程；
三，基于X射线的原位衍射试验步骤
1)首先将试验机各部分组装、连接完毕，然后将原位试验机置于光源样品平台上，需要注意的是，由于试验原理不同，此时不需要旋转试验机主体，安装位置根据X射线高度调整，通过激光定位系统精确定位样品测试位置，保证X射线穿过轮轨接触斑感兴趣的区域，校准样品台及试验机轴线然后根据待测样品感兴趣区域的大小和试验目的，确定衍射狭缝的大小和X射线能量试验参数；
2)根据实验目的，确定实验中的应力加载条件，滚动接触疲劳试验仅适用于正应力比加载，载荷范围为0～5kN，动载频率范围为1～400Hz，应力水平和频率根据轮轨实际工况进行施加，通过高压油源及控制器15控制液压作动器14将电信号转化成连接杆16输出的往复垂向位移，由载荷传感器10测量读取的实际加载应力大小经支撑板17、减震弹簧9、从动轴19传递，通过缩比车轮18的移动作用于缩比车轮18和轨道轮20之间的接触斑上；
3)疲劳循环加载一定周次后，当透过亚克力/铅制透视窗7观测到缩比车轮18和轨道轮20之间的接触斑发生损伤，此时即控制液压作动器14停止动态加载并保持静态加载使样品在保持损伤状态不发生进一步恶化的同时确保损伤特征清晰可见；
4)分析衍射图谱信息，可以获得在不同疲劳循环周次下，材料内部相变、应变、位错密度和内部损伤等信息，从而揭示材料内部损伤演化过程；
四，基于中子束的原位透射或衍射试验步骤
1)首先将试验机各部分组装、连接完毕，然后将原位试验机安装在中子谱仪样品台上，需要注意的是，由于试验原理不同，此时需水平放置试验机主体且不需要旋转试验台，试验机的安装位置要根据现场中子束流条件调整，通过激光定位系统精确定位样品测试位置，确保入射和衍射或透射中子束流路径经过样品测试段，然后根据待测样品特性和试验要求，确定测试中子波长范围和中子谱仪运行模式试验方案；
2)根据实验目的，确定实验中的应力加载条件，滚动接触疲劳试验仅适用于正应力比加载，载荷范围为0～5kN，动载频率范围为1～400Hz，应力水平和频率根据轮轨实际工况进行施加，通过高压油源及控制器15控制液压作动器14将电信号转化为连接杆16输出的往复垂向位移，由载荷传感器10测量读取的实际加载应力大小经支撑板17、减振弹簧9、从动轴19传递，通过缩比车轮18的移动作用于缩比车轮18和轨道轮20之间的接触斑上；
3)疲劳循环加载一定周次后，当透过亚克力/铅制透视窗7观测到缩比车轮18和轨道轮20之间的接触斑发生损伤，此时即控制液压作动14停止动态加载并保持静态加载使样品在保持损伤状态不发生进一步恶化的同时确保损伤特征清晰可见；根据光源狭缝与中子信号接受器的角度改变来更换中子衍射或成像模式；当光源狭缝与中子信号接收器22呈180度为透射成像模式，呈±90度为衍射模式，应用于反应堆中子源的角度差需要根据实际试验波长和衍射晶面的选择具体计算分析确定；
4)分析中子衍射或透射数据，构建样品材料应力应变、织构、相变或内部缺陷等微观结构变化图，以了解这些微观结构变化和疲劳过程之间的关系，揭示损伤机理。
Claims (4)
1.一种基于同步辐射和中子的滚动接触疲劳损伤试验装置，其特征在于，用作安装在旋转平台上的转接底座(1)上固定有两个支撑台(2)，主动轴(6)左右端分别经轴承安装在两个支撑台上的两个下轴承座(8b)上，轨道轮(20)安装在主动轴(6)上，伺服电机(3)经斜齿轮减速器(5)与主动轴连接，伺服电机安装在转接底座上，位于转接底座外部的高压油源及控制器(15)经液压管路连接液压作动器(14)，液压作动器安装在支撑板(13)上，载荷传感器(10)安装在支承板(17)顶面上，支承板底面上固定有两列、每列两根竖向液压杆件，第一列两根竖向液压杆件下端固联在第一轴承座上，第二列两根竖向液压杆件下端固联在第二轴承座上，且四根竖向液压杆件上均套装有能自由压缩并复位的减震弹簧(9)，从动轴(19)经轴承架设在第一、第二轴承座上，缩比车轮(18)安装在从动轴上，并与轨道轮(20)相接触，液压作动器的连接杆(16)从上向下穿过支撑板的孔眼后抵靠在载荷传感器顶部；
亚克力/铅制透视窗(7)安装在由顶板封堵的圆筒体上而将圆筒体分为上腔体(11)和下腔体(21)，上述支撑板经四根支撑杆(12)安装在该圆筒体顶板上，该顶板上有容许连接杆和荷载传感器活动穿行的孔；
位于旋转平台外部设置有先进光源入射的狭缝(23)和先进光源接收器(22)。
2.根据权利要求1所述一种基于同步辐射和中子的滚动接触疲劳损伤试验装置，其特征在于，所述先进光源为X射线，所述先进光源接收器为X射线接收器；所述先进光源或者为中子束，所述先进光源接收器为透射中子信号接收器(22a)，或者为衍射中子信号接收器(22b、22c)。
3.根据权利要求1所述一种基于同步辐射和中子的滚动接触疲劳损伤试验装置，其特征在于，所述减振弹簧上下端分别固定在竖向液压杆件的上下端，所述四根竖向液压杆件的外径均小于或部分小于减振弹簧的内径，所述伺服电机与电机控制器(4)连接。
4.一种采用如权利要求1或权利要求2或权利要求3所述装置进行机车轮轨滚动接触疲劳损伤的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
一，基于X射线的原位三维成像试验步骤
1)首先将试验机各部分组装、连接完毕，然后将原位试验机置于光源样品平台上，安装位置根据X射线高度调整，通过激光定位系统精确定位样品测试位置，保证X射线穿过轮轨接触斑感兴趣的区域，校准样品台及试验机轴线然后根据待测样品材质、大小和试验目的，确定成像视场大小和X射线能量试验参数；
2)根据实验目的，确定实验中的应力加载条件，滚动接触疲劳试验仅适用于正应力比加载，载荷范围为0～5kN，动载频率范围为1～400Hz，应力水平和频率根据轮轨实际工况进行施加，通过高压油源及控制器(15)控制液压作动器(14)将电信号转化为连接杆(16)输出的往复垂向位移，由载荷传感器(10)测量读取的实际加载应力大小经支撑板(17)、减振弹簧(9)、从动轴(19)传递，通过缩比车轮(18)的移动作用于缩比车轮(18)和轨道轮(20)之间的接触斑上；
3)疲劳循环加载一定周次后，当在实验室外控制室屏幕观测到缩比车轮(18)和轨道轮(20)之间的接触斑发生损伤，此时即控制液压作动器(14)停止动态加载并保持静态加载使样品在保持损伤状态不发生进一步恶化的同时确保损伤特征清晰可见；
4)此时，启动X射线发生器，X射线经狭缝(23)，控制转接底座(1)旋转并带动试验机主体匀速旋转180度，旋转过程中同时通过X射线接收器接收X射线发生器发出并穿过亚克力/铅制透视窗(7)及缩比车轮(18)和轨道轮(20)接触点的X射线以采集图像数据；完成对当前损伤状态的180度成像后，再次启动液压作动器(14)的动态加载进行特定循环周次的疲劳加载，重复以上操作，直至达到预期的损伤状态或循环周次，关闭X光源狭缝；
5)对所得图像数据进行重构完成材料内部三维形貌表征，三维展示滚动接触疲劳试验过程中的材料损伤历程；
二，基于X射线的原位衍射试验步骤
1)首先将试验机各部分组装、连接完毕，然后将原位试验机置于光源样品平台上，需要注意的是，由于试验原理不同，此时不需要旋转试验机主体，安装位置根据X射线高度调整，通过激光定位系统精确定位样品测试位置，保证X射线穿过轮轨接触斑感兴趣的区域，校准样品台及试验机轴线然后根据待测样品感兴趣区域的大小和试验目的，确定衍射狭缝的大小和X射线能量试验参数；
2)根据实验目的，确定实验中的应力加载条件，滚动接触疲劳试验仅适用于正应力比加载，载荷范围为0～5kN，动载频率范围为1～400Hz，应力水平和频率根据轮轨实际工况进行施加，通过高压油源及控制器(15)控制液压作动器(14)将电信号转化成连接杆(16)输出的往复垂向位移，由载荷传感器(10)测量读取的实际加载应力大小经支撑板(17)、减振弹簧(9)、从动轴(19)传递，通过缩比车轮(18)的移动作用于缩比车轮(18)和轨道轮(20)之间的接触斑上；
3)疲劳循环加载一定周次后，当透过亚克力/铅制透视窗(7)观测到缩比车轮(18)和轨道轮(20)之间的接触斑发生损伤，此时即控制液压作动器(14)停止动态加载并保持静态加载使样品在保持损伤状态不发生进一步恶化的同时确保损伤特征清晰可见；
4)分析衍射图谱信息，可以获得在不同疲劳循环周次下，材料内部相变、应变、位错密度和内部损伤等信息，从而揭示材料内部损伤演化过程；
三，基于中子束的原位透射或衍射试验步骤
1)首先将试验机各部分组装、连接完毕，然后将原位试验机安装在中子谱仪样品台上，需要注意的是，由于试验原理不同，此时需水平放置试验机主体且不需要旋转试验台，试验机的安装位置要根据现场中子束流条件调整，通过激光定位系统精确定位样品测试位置，确保入射和衍射或透射中子束流路径经过样品测试段，然后根据待测样品特性和试验要求，确定测试中子波长范围和中子谱仪运行模式试验方案；
2)根据实验目的，确定实验中的应力加载条件，滚动接触疲劳试验仅适用于正应力比加载，载荷范围为0～5kN，动载频率范围为1～400Hz，应力水平和频率根据轮轨实际工况进行施加，通过高压油源及控制器(15)控制液压作动器(14)将电信号转化为连接杆(16)输出的往复垂向位移，由载荷传感器(10)测量读取的实际加载应力大小经支撑板(17)、减振弹簧(9)、从动轴(19)传递，通过缩比车轮(18)的移动作用于缩比车轮(18)和轨道轮(20)之间的接触斑上；
3)疲劳循环加载一定周次后，当透过亚克力/铅制透视窗(7)观测到缩比车轮(18)和轨道轮(20)之间的接触斑发生损伤，此时即控制液压作动(14)停止动态加载并保持静态加载使样品在保持损伤状态不发生进一步恶化的同时确保损伤特征清晰可见；根据光源狭缝与中子信号接受器的角度改变来更换中子衍射或成像模式；当光源狭缝与中子信号接收器(22)呈180度为透射成像模式，呈±90度为衍射模式，应用于反应堆中子源的角度差需要根据实际试验波长和衍射晶面的选择具体计算分析确定；
4)分析中子衍射或透射数据，构建样品材料应力应变、织构、相变或内部缺陷等微观结构变化图，以了解这些微观结构变化和疲劳过程之间的关系，揭示损伤机理。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20230358693A1 (en) * | 2022-05-09 | 2023-11-09 | Ncs Testing Technology Co., Ltd. | Component residual stress testing platform based on neutron diffraction and experimental method thereof |
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2024
- 2024-02-02 CN CN202410148711.7A patent/CN117969563A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20230358693A1 (en) * | 2022-05-09 | 2023-11-09 | Ncs Testing Technology Co., Ltd. | Component residual stress testing platform based on neutron diffraction and experimental method thereof |
| US12146845B2 (en) * | 2022-05-09 | 2024-11-19 | Ncs Testing Technology Co., Ltd | Component residual stress testing platform based on neutron diffraction and experimental method thereof |
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