CN210166237U - 基于x射线成像的大载荷高频率原位拉伸和疲劳试验机 - Google Patents

Abstract

一种基于X射线成像的大载荷高频率原位拉伸和疲劳试验机，成像位移台可转动地安装在试验平台上，底座固定在成像位移台上，机架安装在底座上，伺服液压缸安装在机架上，下夹具旋接在该液压缸的活塞杆上端，支撑座平台固定在机架的四根立柱上，支撑筒位于支撑座平台上方，透明围罩嵌装在支撑座平台与支撑筒之间，上夹具固定在支撑筒上，电液伺服阀分别与该液压缸的上、下油腔连通，载荷传感器、电液伺服阀以及X射线探测器分别顺次与数据采集与控制单元和数据处理单元连接。本实用新型具有大载荷、高频率、小体积、高精度等特点。

Description

基于X射线成像的大载荷高频率原位拉伸和疲劳试验机

技术领域

本实用新型涉及对材料进行力学试验的疲劳试验装置，特别是利用高能X射线进行三维成像的大载荷、高频率、高精度的原位拉伸和疲劳试验机。

背景技术

材料与结构疲劳是学术和工程界长期关注的重点课题，传统的采用破坏性切片和断口辨识等手段，根据获得的微结构演化来推证材料及结构的失效模式、路径和机制，不仅耗时费力，而且观测结果局限于代表性材料的代表性表面，难以反映出大体积材料范围内的局部损伤特征，尤其不能原位、实时、动态地观测损伤形核及其长大过程。第三代高能X射线计算机断层扫描技术具备亚微米空间和微秒时间分辨率及百keV级的卓越探测能力，较常规X光机的试验水平高出几个数量级，是目前唯一可穿透大块金属材料进行疲劳损伤演变可视化研究的大型科学装置。微型的原位疲劳试验机与先进的同步辐射X射线成像相结合使得科学家能够深入到材料内部，高精度、高亮度、高准直、高效率、非破坏性和原位实时地探测到疲劳损伤和断裂的过程及其演变规律，这对于准确评估材料强度和寿命具有无可替代的科学意义。

由西南交通大学研制的国内第一台可用于同步辐射X射线成像的原位疲劳试验机，已在北京光源和上海光源投入使用，其主要架构如中国专利CN105334237A所述，疲劳作动采用较为简单的机械连杆传动方式，伺服电机驱动连杆对试样进行加载。虽然这种设计结构简单，可以有效减轻整体重量，并取得了一些开创性成果，但必须指出，这种机械式连杆加载机构仍存在若干问题。比如，试验机对机械传动部件的加工精度要求高，导致疲劳载荷和加载频率较低，最优可用载荷及频率约在1000N和10Hz，即试样大多局限于轻质合金或豪微尺寸试样；其加载控制精度有限，难以实现载荷和位移的精确控制或闭环控制，即无法准确和定量表征材料的疲劳损伤行为；另外，试验机试样装夹过程繁琐，不利于高效利用光源机时，步进电机效率较低、发热大，机械传动噪声严重，不易维护。

随着科技的进步，航空、航天、高铁等高端技术装备行业对部件的强度、疲劳寿命等要求越来越高，高强度铝合金、钛合金、镁合金、复合材料等比强度高、力学性能优异的新型材料越来越多地被运用，这对疲劳试验机的加载能力和运行可靠性提出了新的要求。然而，世界范围内对基于高能X射线成像的原位成像加载机构的研究仍无法满足人们对新型高性能材料及服役行为评价的迫切需求，例如，结合同步辐射X射线对不同密度材料的穿透能力，对于高强度铝合金，2mm直径试样低周疲劳加载峰值力在1500N以上；对于增材制造钛合金，2mm直径试样单调拉伸加载力在3500N以上。可见，目前加载力在1000N以内的原位疲劳试验机，将会导致试样尺寸过小，且加载时间长，甚至无法对高强度材料进行测试和表征，无法发挥出先进光源的卓越探测能力。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术存在的问题而提供一种载荷高、精确度高、可靠性好的基于高能X射线成像的大载荷、高频率原位拉伸和疲劳试验机，旨在以液压缸作为驱动机构，由载荷传感器、位移传感器、电液伺服阀以及数据采集与控制器组成闭环控制系统，采用高能X射线扫描成像技术，完成材料内部三维形貌的重构。

本实用新型的目的是这样实现的：一种基于X射线成像的大载荷高频率原位拉伸和疲劳试验机，包括试验机主体、测控系统，液压站，其特征在于，光源实验平台上可转动地设置有圆板形的成像位移台，试验机底座扣盖在成像位移台上面，且锁紧螺钉将试验机底座的向下伸出的环形外缘压接在成像位移台的外缘上而将二者固定；机架结构为：试验机底座上以其圆心为中心按正方形经螺栓固定有四根立柱，支撑座平台固定在四根立柱顶部，支撑筒位于支撑座平台正上方，且其上有试样安装窗口的透明围罩嵌设固定在支撑座平台与支撑筒之间；伺服液压缸安装在机架上，且伺服液压缸位于试验机底座正上方并沿其轴心线方向设置，伺服液压缸的向上伸出的活塞杆的上部旋接有下夹具，上夹具固定在支撑筒内、且位于下夹具正上方，试样夹持在上、下夹具之间；

与所述液压站连接的电液伺服阀经液压油管分别与伺服液压缸的上、下油腔连通；透明围罩的同一高度的左侧从左向右依次设置有单色器和同步辐射光源，透明围罩的同一高度的右侧设置有X射线探测器，载荷传感器设置在上夹具上；位移传感器设置在伺服液压缸的活塞杆上；

载荷传感器、位移传感器、电液伺服阀以及X射线探测器分别与数据采集与控制单元连接，数据采集与控制单元与所述数据处理单元连接。

所述上夹具结构为：长方体形的上夹具压块经螺钉压接在上夹具右侧面上部而形成一个长方体形组件，该组件内有一个下部为圆锥形的贯通孔；所述下夹具结构为：长方体形的下夹具压块经螺钉压接在下夹具主体右侧面上部而形成一个长方体形组件，该组件内有一个上部为圆锥形的孔，该孔的高度等于该压块的高度，且下夹具主体下部向下延伸有一个带有外螺纹的柱状体；所述伺服液压缸的活塞杆上部旋在该柱状体上；

所述试验机底座的圆形凹槽与成像位移台的圆形凸台同轴配合连接，并经锁紧螺钉锁定。

所述支撑筒由顶盖经螺钉固定在一个上下开口的筒体上构成；所述上夹具的上夹具主体固定在支撑筒的顶盖底面上。

所述锁紧螺钉为四个，四个锁紧螺钉将试验机底座固定在成像位移台上；所述液压油管为钢丝缠绕液压油管。

本实用新型的另一目的是提供采用上述疲劳试验机进行材料疲劳试验的试验方法。

本实用新型的另一目的是这样实现的：上述的疲劳试验机的试验方法，包括以下步骤：

1)将试验机主体置于光源实验平台上的成像位移台上，试验机底座圆形凹槽与成像位移台圆形凸台同轴配合连接，并通过锁紧螺钉保证成像位移台与试验机主体及装夹的试样轴心同轴且不发生相对旋转；

2)将试验机主体的伺服液压缸通过钢丝缠绕液压油管与液压站上的电液伺服阀相连接；将力传感器即载荷传感器、位移传感器、电液伺服阀及X射线探测器与数据采集与控制单元相连接，并连接数据处理单元；载荷传感器与电液伺服阀，分别通过数据线与控制单元连接，形成闭环控制系统；通过对比控制器输入信号即设定加载目标值与载荷传感器反馈信号即试样实际加载，判断液压缸下一步动作，并根据位移传感器得到反馈信号，控制电液伺服阀控制液压油压力与速度，高压液压油根据设定控制信号不断变换地输入到液压油缸的上下油腔，推动活塞上下运动，并通过连接杆即活塞杆与下夹具将加载力传至试样；

3)通过数据采集与控制单元控制伺服液压缸上下移动至与试样匹配的位置，使用镊子工具从透明围罩侧面试样安装窗口处将试样放入上夹具主体与下夹具主体的试样卡槽内，上夹具压块与下夹具压块通过螺钉与与连接，将试样固定；

4)通过控制单元控制液压油缸拉伸，直到数据处理单元的控制界面上从而看到载荷传感器采集到的力信号变为零，从而准备进行试验；

5)通过控制单元控制液压油缸进行往复运动，当往复竖向位移载荷达到设定的成像循环次数后，数据处理与控制单元控制液压油缸停止作动；

6)启动同步辐射光源，同步辐射光源平台上的成像位移台旋转，并带动试验机主体及主体内的试样进行180度旋转；同时，同步辐射光源的光发射器发出的同步辐射高能X射线穿过透明围罩，再穿透180度旋转的试样后由同步辐射光源的X射线探测器接收，完成对试样的180度成像；重复以上操作，直至达到设定的完成试验的循环次数；捕捉到的高分辨率的二维图像数据传输到图像处理单元即数据处理单元进行三维重构，完成材料内部三维形貌的重构；

7)可参照上述流程，对试样施加恒定载荷，对不同加载力水平下的试样进行成像，完成原位拉伸成像实验。

与现有技术相比，本实用新型具有以下特点和优点：

1，本实用新型是一种具有大载荷、高频率、高精度特性的原位成像拉伸疲劳试验装置，可以实现与同步辐射光源试验平台的良好兼容。试验机主体与液压伺服系统通过高压油管连接，所述液压油管优选为钢丝缠绕液压油管，具有较小的弯曲半径，保证试验机主体与光源旋转平台旋转180°及以上，不影响同步辐射成像过程。试验机支撑结构为高比强度透明材料，在疲劳试验的过程中，高能X射线能够穿过支撑结构进而穿透试样进行扫描成像。

3，本装置以液压缸作为驱动机构，并配有高精度载荷传感器、位移传感器与电液伺服阀。传感器与电液伺服阀可分别通过数据线与控制器连接，形成闭环控制系统。通过对比控制器输入信号(设定加载目标值)与力传感器反馈信号(试样实际加载)，判断液压缸下一步动作，并根据位移传感器得到反馈信号，控制电液伺服阀控制液压油压力与速度，高压液压油根据设定控制信号不断变换地输入到液压油缸的上下油腔，推动活塞上下运动，并通过连接杆与下夹具将加载力传至试样。可用于实现高强度材料的拉伸、低周疲劳、高周疲劳测试，具有载荷高、频率响应快、加载波形可控、精确度高、可靠性好、寿命长等特点。

4，本装置的试验机主体设有多功能夹具及试样安装窗口。所述多功能夹具适用于板状和棒状两种试样，且可实现试样的自动对中与强化加持，降低试样加持段失效风险；在支撑围罩侧面设有试样安装窗口，以方便装夹试样，简化安装过程，可有效节约光源机时，提高整体实验效率。

同步辐射光源作为多学科大型顶尖研究装置，用户使用机时又具有严格限制。因此，提高疲劳试验加载能力及频率，可以大大提高试验效率，充分发挥高能X射线的穿透能力，有效利用光源机时，降低能源消耗，节省人力，具有重大科研意义。目前国内外均未发现有可用高能X射线进行三维成像的大载荷高频原位拉伸疲劳试验加载机构。

附图说明

图1是采用高能X射线进行三维成像的高频原位疲劳试验机整体结构原理图。

图2是上、下夹具夹持板状试样的主视图。

图3是图2的左视剖面图。

图4是上、下夹具夹持棒状试样的主视图。

图5是图4的左视剖面图。

图6是图4的装配式立体示意图。

图7是闭环控制系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细说明。

图中，1为同步辐射光源，2为单色器，3为顶盖，4为支撑筒，5为载荷传感器，6为上夹具，7为试样，8为下夹具，9为透明围罩，10为光源实验平台，11为X射线探测器，12 为液压油管，13为电液伺服阀，14液压站，15数据采集与控制器(即数据采集与控制单元)， 16数据处理单元，17为光源实验平台，18为成像位移台，19为锁紧螺钉，20试验机底座， 21为位移传感器，22为伺服液压缸。

图1示出，一种基于X射线成像的大载荷高频率原位拉伸和疲劳试验机，包括数据处理单元16，液压站14，光源实验平台17上可转动地设置有圆板形的成像位移台18，试验机底座20扣盖在成像位移台18上面，且锁紧螺钉19将试验机底座的向下伸出的环形外缘压接在成像位移台18的外缘上而将二者固定；机架结构为：试验机底座20上以其圆心为中心按正方形经螺栓固定有四根立柱，支撑座平台10固定在四根立柱顶部，支撑筒4位于支撑座平台 10正上方，且其上有试样安装窗口的透明围罩9嵌设固定在支撑座平台10与支撑筒4之间；伺服液压缸22安装在机架上，且伺服液压缸位于试验机底座20正上方并沿其轴心线方向设置，伺服液压缸的向上伸出的活塞杆的上部旋接有下夹具8，上夹具6固定在支撑筒4内、且位于下夹具8正上方，试样7夹持在上、下夹具之间；

与所述液压站14连接的电液伺服阀13经液压油管12分别与伺服液压缸22的上、下油腔连通；透明围罩9的同一高度的左侧从左向右依次设置有单色器2和同步辐射光源1，透明围罩的同一高度的右侧设置有X射线探测器11，载荷传感器5设置在上夹具6上；位移传感器21设置在伺服液压缸的活塞杆上(位移传感器21内置于液压缸，用以检测活塞的位移)；

载荷传感器5、位移传感器21、电液伺服阀13以及X射线探测器11分别与数据采集与控制单元15连接，数据采集与控制单元15与所述数据处理单元16连接。

伺服液压缸安装在支承板上，支承板固定在四根立柱上。上、下夹具，伺服液压缸，试验底座以及成像位移台(圆板形)均同轴线设置(均位于同一轴心线上)。

参见图2，锁紧螺钉19为四个，四个锁紧螺钉将试验机底座20固定在成像位移台18上；所述液压油管12为钢丝缠绕液压油管。支撑筒4由顶盖3经螺钉固定在一个上下开口的筒体上构成；所述上夹具6的上夹具主体6-1固定在支撑筒的顶盖3底面上。

参见图6，上夹具6结构为：长方体形的上夹具压块6-2经螺钉压接在上夹具主体6-1 右侧面上部而形成一个长方体形组件，该组件内有一个下部为圆锥形的贯通孔；所述下夹具结构为：长方体形的下夹具压块8-1经螺钉压接在下夹具主体右侧面上部而形成一个长方体形组件，该组件内有一个上部为圆锥形的孔，该孔的高度等于该压块8-1的高度，且下夹具主体下部向下延伸有一个带有外螺纹的柱状体；所述伺服液压缸22的活塞杆上部旋在该柱状体上；

所述试验机底座20的圆形凹槽与成像位移台18的圆形凸台同轴配合连接，并经锁紧螺钉19锁定。

具体使用时，采用如下的步骤：

1)将试验机主体置于光源实验平台11上的成像位移台18上，试验机主体底座20圆形凹槽与成像位移台18圆形凸台同轴配合连接，并通过锁紧螺钉19保证成像位移台18与试验机主体及装夹的试样7轴心同轴且不发生相对旋转；

2)将试验机主体的伺服液压缸22通过高压油管12与液压站14上的电液伺服阀13相连接；将力传感器5、电液伺服阀13及X射线探测器11与数据采集与控制单元15相连接，并连接数据处理单元1；载荷传感器5与电液伺服阀13，可分别通过数据线与控制器15连接，形成闭环控制系统。通过对比控制器输入信号(设定加载目标值)与载荷传感器5反馈信号(试样实际加载)，控制电液伺服阀13控制液压油压力与速度，高压液压油根据设定控制信号不断变换地输入到伺服液压缸22的上下油腔，推动活塞上下运动，并通过连接杆与下夹具 8将加载力传至试样7。

3)通过数据采集与控制单元15控制伺服液压缸22上下移动至特定位置(与试样7位置匹配)，使用镊子工具从透明围罩9侧面试样安装窗口处将试样7放入上夹具主体6-1与下夹具主体8-3的试样卡槽内，上夹具压块6-3与下夹具压块8-3通过螺钉与上夹具主体6-1与下夹具主体8-3连接，将试样7固定(参见图7)。

4)通过15控制位移传感器21拉伸，直到16的控制界面上可以看到载荷传感器5采集到的力信号变为零，可以准备进行试验；

5)通过15控制位移传感器21进行往复运动，当往复竖向位移载荷达到设定的成像循环次数后，数据处理与控制装置15控制位移传感器21停止作动。；

6)启动同步辐射光源1，同步辐射光源平台上的位移台18旋转，并带动试验机主体及主体内的试样7进行180度旋转；同时，同步辐射光源的光发射器2发出的同步辐射高能X射线穿过透明围罩9，再穿透180度旋转的试样后由同步辐射光源的X射线探测器11接收，完成对试样的180度成像。重复以上操作，直至达到设定的完成试验的循环次数。捕捉到的高分辨率的二维图像数据传输到图像处理单元16进行三维重构，完成材料内部三维形貌的重构。

7)可参照上述流程，对试样7施加恒定载荷，对不同加载力水平下的试样进行成像，完成原位拉伸成像实验。

Claims (4)

1.一种基于X射线成像的大载荷高频率原位拉伸和疲劳试验机，包括，数据处理单元(16)，液压站(14)，其特征在于，光源实验平台(17)上可转动地设置有圆板形的成像位移台(18)，试验机底座(20)扣盖在成像位移台(18)上面，且锁紧螺钉(19)将试验机底座的向下伸出的环形外缘压接在成像位移台(18)的外缘上而将二者固定；机架结构为：试验机底座(20)上以其圆心为中心按正方形经螺栓固定有四根立柱，支撑座平台(10)固定在四根立柱顶部，支撑筒(4)位于支撑座平台(10)正上方，且其上有试样安装窗口的透明围罩(9)嵌设固定在支撑座平台(10)与支撑筒(4)之间；伺服液压缸(22)安装在机架上，且伺服液压缸位于试验机底座(20)正上方并沿其轴心线方向设置，伺服液压缸的向上伸出的活塞杆的上部旋接有下夹具(8)，上夹具(6)固定在支撑筒(4)内、且位于下夹具(8)正上方，试样(7)夹持在上、下夹具之间；

与所述液压站(14)连接的电液伺服阀(13)经液压油管(12)分别与伺服液压缸(22)的上、下油腔连通；透明围罩(9)的同一高度的左侧从左向右依次设置有单色器(2)和同步辐射光源(1)，透明围罩的同一高度的右侧设置有X射线探测器(11)，载荷传感器(5)设置在上夹具(6)上；位移传感器(21)设置在伺服液压缸的活塞杆上；

载荷传感器(5)、位移传感器(21)、电液伺服阀(13)以及X射线探测器(11)分别与数据采集与控制单元(15)连接，数据采集与控制单元(15)与所述数据处理单元(16)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于X射线成像的大载荷高频率原位拉伸和疲劳试验机，其特征在于，所述上夹具(6)结构为：长方体形的上夹具压块(6-2)经螺钉压接在上夹具主体(6-1)右侧面上部而形成一个长方体形组件，该组件内有一个下部为圆锥形的贯通孔；所述下夹具结构为：长方体形的下夹具压块(8-1)经螺钉压接在下夹具主体右侧面上部而形成一个长方体形组件，该组件内有一个上部为圆锥形的孔，该孔的高度等于该压块(8-1)的高度，且下夹具主体下部向下延伸有一个带有外螺纹的柱状体；所述伺服液压缸(22)的活塞杆上部旋在该柱状体上；

所述试验机底座(20)的圆形凹槽与成像位移台(18)的圆形凸台同轴配合连接，并经锁紧螺钉(19)锁定。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于X射线成像的大载荷高频率原位拉伸和疲劳试验机，其特征在于，所述支撑筒(4)由顶盖(3)经螺钉固定在一个上下开口的筒体上构成；所述上夹具(6)的上夹具主体(6-1)固定在支撑筒的顶盖(3)底面上。

4.根据权利要求3所述的一种基于X射线成像的大载荷高频率原位拉伸和疲劳试验机，其特征在于，所述锁紧螺钉(19)为四个，四个锁紧螺钉将试验机底座(20)固定在成像位移台(18)上；所述液压油管(12)为钢丝缠绕液压油管。

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