CN211627167U - 一种超高频与高频复合加载疲劳试验机 - Google Patents
一种超高频与高频复合加载疲劳试验机 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型提供一种超高频与高频复合加载疲劳试验机，在高频疲劳试验机上开设有实验开口，上卡具和下卡具安装在实验开口内侧的高频疲劳试验机的内部，上卡具和下卡具相对设置，换能器安装在上卡具上，匹配变幅杆安装在下卡具上，在换能器和匹配变幅杆之间安装疲劳试件，超高频疲劳试验控制电源与换能器相连，将超高频疲劳试验控制电源上的电能加载在换能器上，由换能器将电能转换成超高频机械振动，该超高频机械振动直接作用于疲劳试件。该装置能够提供超高频(5kHz‑15kHz)加载试验，且可试验较大尺寸的疲劳试件，应用于金属材料疲劳性能的快速测试。
Description
技术领域
本实用新型涉及金属材料疲劳检测与试验装置技术领域，更具体地说涉及一种超高频与高频复合加载疲劳试验机。
背景技术
在疲劳性能检测与试验领域，通常使用高频疲劳试验机进行试验，但是高频疲劳试验机只能施加单一频率的疲劳载荷，无法同时施加两种不同频率的疲劳载荷。然而许多重要的金属母材及焊接工程结构，如水轮机、燃气轮发动机、钢结构桥梁、工程机械、交通工具、海底输油和输气管线等[1-6]，在承受较低频率疲劳载荷的同时，还经常同时发生高频率振动现象。这种高频率的振动会使得工程结构产生高周疲劳。低频率的疲劳载荷和高频率的疲劳载荷同时作用于结构之上，就产生了双频复合疲劳的问题，如图1所示。
在双频复合疲劳载荷作用下，结构的寿命大幅度低于单频率疲劳载荷的寿命。有必要研制开发可双频复合疲劳加载的疲劳试验机。
现有双频复合疲劳加载疲劳试验机有两种。
一种是用静态试验机模拟低频部分，普通高频疲劳试验机模拟高频部分；这种试验机主要问题是在获取107-109循环次数的疲劳数据时耗时太长，1个1×107循环次数的数据就需要几十个小时，1×109需要几个月，而许多结构在设计寿命内所承受的高频率的疲劳载荷其循环次数又往往可超过1×109循环次数。获取大量的超过107-109循环次数的疲劳数据几乎是不可能的。
另一种是超声频复合高频疲劳试验机，用高频疲劳试验机模拟低频部分，超声频部分模拟高频部分。这种试验机的问题是由于高频部分采用超声频，所获取的疲劳数据存在频率效应，不准确，目前学术界对这种频率效应的大小还没有成系统的开展研究，原因是需要大量的普通高频疲劳试验机获取的各种材料在107-109循环次数的疲劳数据做对比。另外使用的试件尺寸很小，以小试件的试验结果去评价大尺寸构件的疲劳性能是不够准确的，存在尺寸效应。
专利号为2013100472173的专利"亚超声高频疲劳试验机"实用新型的是只能单一频率疲劳载荷的试验机，且无计算机控制试验过程。
实用新型内容
本实用新型克服了现有技术中的不足，现有的双频复合疲劳加载疲劳试验机存在疲劳性能数据不准确的问题，提供了一种超高频与高频复合加载疲劳试验机，该装置能够提供超高频(5kHz-15kHz)加载试验，且可试验较大尺寸的疲劳试件，可广泛应用于航空航天、海洋工程、汽车工业、石化、桥梁船舶等领域中所使用的金属材料疲劳性能的快速测试。
本实用新型的目的通过下述技术方案予以实现。
一种超高频与高频复合加载疲劳试验机，包括高频疲劳试验机和超高频疲劳试验控制电源；
所述高频疲劳试验机能够产生高频机械振动，并将该高频机械振动作用于疲劳试件上，在所述高频疲劳试验机上开设有实验开口，上卡具和下卡具安装在所述实验开口内侧的所述高频疲劳试验机的内部，所述上卡具和所述下卡具相对设置，换能器安装在所述上卡具上，匹配变幅杆安装在所述下卡具上，在所述换能器和所述匹配变幅杆之间安装疲劳试件，所述超高频疲劳试验控制电源与所述换能器相连，将超高频疲劳试验控制电源上的电能加载在换能器上，由换能器将电能转换成超高频机械振动，该超高频机械振动直接作用于疲劳试件，以达到对疲劳试件的超高频与高频复合疲劳加载的目的。
换能器采用压电陶瓷换能器、磁致伸缩换能器或者超磁致伸缩换能器。
换能器能够是半波长结构或者全波长结构。
在所述上卡具、所述下卡具、所述换能器、所述匹配变幅杆和所述疲劳试件的外部安装用于将整个超高频加载实验部分包住隔绝超高频噪音的隔音罩。
所述疲劳试件的首尾两端通过螺纹分别与所述换能器和所述匹配变幅杆相连，疲劳实验开始前，先对疲劳试件施加拉力作用，使得疲劳试件在实验过程中始终处于拉伸状态，还可以将疲劳试件处于原始状态下进行疲劳试验(即疲劳试件不进行拉伸)。
所述超高频疲劳试验控制电源具有频率跟踪扫描功能，能使输出的超高频电流的频率始终与谐振频率f保持一致，同时具有恒振幅功能，确保加载到疲劳试件上的超高频疲劳载荷值误差在要求范围内。
超高频与高频复合加载疲劳试验机还包括冷却装置，所述冷却装置通过管路对疲劳试件进行冷却，以免疲劳试件在实验过程中发热严重，影响实验数据。
所述冷却装置采用空气冷却装置，若试验参数较大导致疲劳试件发热严重，空气冷却装置无法满足冷却要求，能够先使用液氮等介质冷却压缩空气，然后再用经过冷却的压缩空气冷却疲劳试件，使得冷却效果大幅提升。
所述超高频疲劳试验控制电源经过所述换能器转换后所发出的超高频机械振动的频率为5kHz-15kHz。
所述疲劳试件的尺寸范围为75mm-350mm。
所述高频疲劳试验机测试单件疲劳试件的时间为20秒-300小时。
本实用新型的有益效果为：该疲劳试验机可以更准确的模拟结构受到的实际疲劳载荷，大幅度缩短1×107以上疲劳寿命区间的试验时间，降低了甚至消除了频率效应带来的数据误差，可以试验较大尺寸的疲劳试件，消除了尺寸效应带来的数据误差。
附图说明
图1是双频复合疲劳加载示意图；
图2是本实用新型的结构示意图；
图3是超高频与高频疲劳载荷复合加载波形图；
图4是本实用新型中加载超高频疲劳载荷的半波长换能器的结构示意图；
图5是本实用新型中加载超高频疲劳载荷的全波长换能器的结构示意图；
图中：1为高频疲劳试验机，2为超高频疲劳试验控制电源，3为计算机，401为上卡具,402为下卡具，501为换能器，502为匹配变幅杆，6为疲劳试件，7为冷却装置，8为隔音罩。
具体实施方式
下面通过具体的实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。
实施例一
一种超高频与高频复合加载疲劳试验机，包括高频疲劳试验机1和超高频疲劳试验控制电源2；
高频疲劳试验机1能够产生高频机械振动，并将该高频机械振动作用于疲劳试件6上，在高频疲劳试验机1上开设有实验开口，上卡具401和下卡具402安装在实验开口内侧的高频疲劳试验机1的内部，上卡具401和下卡具402相对设置，换能器501安装在上卡具401上，匹配变幅杆502安装在下卡具402上，在换能器501和匹配变幅杆502之间安装疲劳试件6，超高频疲劳试验控制电源2与换能器501相连，将超高频疲劳试验控制电源2上的电能加载在换能器501上，由换能器501将电能转换成超高频机械振动，该超高频机械振动直接作用于疲劳试件6，以达到对疲劳试件6的超高频与高频复合疲劳加载的目的。
实施例二
在实施例一的基础上，换能器501采用压电陶瓷换能器、磁致伸缩换能器或者超磁致伸缩换能器，换能器501能够是半波长结构或者全波长结构。
在上卡具401、下卡具402、换能器501、匹配变幅杆502和疲劳试件6的外部安装用于将整个超高频加载实验部分包住隔绝超高频噪音的隔音罩8。
疲劳试件6的首尾两端通过螺纹分别与换能器501和匹配变幅杆502相连，疲劳实验开始前，先对疲劳试件6施加拉力作用，使得疲劳试件6在实验过程中始终处于拉伸状态，还可以将疲劳试件6处于原始状态下进行疲劳试验(即不进行拉伸)。
超高频疲劳试验控制电源2具有频率跟踪扫描功能，能使输出的超高频电流的频率始终与谐振频率f保持一致，同时具有恒振幅功能，确保加载到疲劳试件6上的超高频疲劳载荷值误差在要求范围内。
实施例三
在实施例二的基础上，超高频与高频复合加载疲劳试验机还包括冷却装置7，冷却装置7通过管路对疲劳试件6进行冷却，以免疲劳试件6在实验过程中发热严重，影响实验数据。
冷却装置7采用空气冷却装置，若试验参数较大导致疲劳试件发热严重，空气冷却装置无法满足冷却要求，能够先使用液氮等介质冷却压缩空气，然后再用经过冷却的压缩空气冷却疲劳试件6，使得冷却效果大幅提升。
实施例四
在实施例三的基础上，超高频疲劳试验控制电源2经过换能器501转换后所发出的超高频机械振动的频率为5kHz-15kHz。
疲劳试件6的尺寸范围为75mm-350mm。
高频疲劳试验机1测试单件疲劳试件6的时间为20秒-300小时。
实施例五
一种超高频与高频复合加载疲劳试验机的疲劳试验方法，按照下述步骤进行：
步骤1，疲劳试件预先加工成谐振频率与换能器谐振频率一致的外形尺寸，然后将疲劳试件两端通过螺纹方式分别与换能器和匹配变幅杆连接，最后对疲劳试件施加拉力作用，使得疲劳试件在实验过程中始终处于拉伸状态；
步骤2，开启高频疲劳试验机，对疲劳试件施加高频机械振动，同时，计算机向超高频疲劳试验控制电源发送试验指令及试验参数，超高频疲劳试验控制电源根据试验指令和试验参数，把工频交流电转换成5kHz-15kHz频率的超高频交流电；
步骤3，上述超高频交流电通过换能器转换成同频率的机械振动，将上述机械振动传递给疲劳试件；
步骤4，超高频疲劳试验控制电源对换能器、疲劳试件和匹配变幅杆构成的机械系统的谐振频率f进行跟踪扫描，一旦扫描到系统谐振频率f，则超高频疲劳试验控制电源就会锁定输出频率为f的超高频交流电，疲劳试件发生谐振，以达到超高频与高频复合疲劳载荷的加载的目的。
以上对本实用新型做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本实用新型的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本实用新型的保护范围。
Claims (8)
1.一种超高频与高频复合加载疲劳试验机，其特征在于：包括高频疲劳试验机和超高频疲劳试验控制电源；
所述高频疲劳试验机能够产生高频机械振动，并将该高频机械振动作用于疲劳试件上，在所述高频疲劳试验机上开设有实验开口，上卡具和下卡具安装在所述实验开口内侧的所述高频疲劳试验机的内部，所述上卡具和所述下卡具相对设置，换能器安装在所述上卡具上，匹配变幅杆安装在所述下卡具上，在所述换能器和所述匹配变幅杆之间安装疲劳试件，所述超高频疲劳试验控制电源与所述换能器相连，将超高频疲劳试验控制电源上的电能加载在换能器上，由换能器将电能转换成超高频机械振动，该超高频机械振动直接作用于疲劳试件，以达到对疲劳试件的超高频与高频复合疲劳加载的目的。
2.根据权利要求1所述的一种超高频与高频复合加载疲劳试验机，其特征在于：换能器采用压电陶瓷换能器、磁致伸缩换能器或者超磁致伸缩换能器。
3.根据权利要求1所述的一种超高频与高频复合加载疲劳试验机，其特征在于：换能器能够是半波长结构或者全波长结构。
4.根据权利要求1所述的一种超高频与高频复合加载疲劳试验机，其特征在于：在所述上卡具、所述下卡具、所述换能器、所述匹配变幅杆和所述疲劳试件的外部安装隔音罩。
5.根据权利要求1所述的一种超高频与高频复合加载疲劳试验机，其特征在于：所述疲劳试件的首尾两端通过螺纹分别与所述换能器和所述匹配变幅杆相连。
6.根据权利要求1所述的一种超高频与高频复合加载疲劳试验机，其特征在于：所述超高频与高频复合加载疲劳试验机还包括冷却装置，所述冷却装置通过管路对疲劳试件进行冷却。
7.根据权利要求6所述的一种超高频与高频复合加载疲劳试验机，其特征在于：所述冷却装置采用空气冷却装置。
8.根据权利要求1所述的一种超高频与高频复合加载疲劳试验机，其特征在于：所述疲劳试件的尺寸范围为75mm-350mm。
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| CN202020098199.7U CN211627167U (zh) | 2020-01-16 | 2020-01-16 | 一种超高频与高频复合加载疲劳试验机 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112666018A (zh) * | 2020-11-03 | 2021-04-16 | 四川大学 | 针对异种金属焊接接头的超声频率机械加载疲劳实验系统 |
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2020
- 2020-01-16 CN CN202020098199.7U patent/CN211627167U/zh active Active
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| CN112666018A (zh) * | 2020-11-03 | 2021-04-16 | 四川大学 | 针对异种金属焊接接头的超声频率机械加载疲劳实验系统 |
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