CN213022685U - 一种高温、高低周复合疲劳试验系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是一种高温、高低周复合疲劳试验系统，该系统通过液压系统加载低周载荷，利用电磁振动台加载高频振动载荷(频率最高可达到1000Hz)，针对工程件材料、工程件，可以完成轴向(Y轴)低周拉‑拉应力和水平(X轴)高频载荷复合作用下的疲劳测试，载荷图谱如图1所示。本实用新型系统能够省时高效地针对工程件材料、工程件，模拟其在使用环境下的高低周复合疲劳试验，试验系统简单实用，成本较低。
Description
技术领域
本实用新型是一种高温、高低周复合疲劳试验系统，属于力学性能测试技术领域。
背景技术
疲劳失效是工程材料常见的破坏形式。针对工程材料开展疲劳性能测试，获取特定应力水平下的疲劳破坏寿命，对于工程结构件的设计和寿命预测具有非常重要的意义。以往，材料疲劳测试多以轴向的应力加载方式完成，而且高周、低周分别在材料的弹性范围和塑性范围内进行，不能体现某些工程件在高低周复合应力作用下的实际工况。近年来，随着工业技术的发展，先进材料对高低周复合应力作用下的疲劳性能测试需求量大大增加，部分工业装备(飞机、高铁等)对关键部件的高低周复合疲劳性能也提出了更高的要求，要求部分关键部件的疲劳测试在高低周复合应力作用下完成。例如，航空发动机的叶片、轴等。因此，基于传统单项加载的高周频疲劳和低周疲劳测试，已不能完全满足现代材料疲劳性能的测试需求，亟需开展高低周复合疲劳性能测试。
目前材料疲劳测试，全部基于传统单项加载的高频疲劳和低周疲劳测试，不能模拟某些航空发动机工程件的实际工作环境。且传统单项加载的高频疲劳和低周疲劳测试数据，不能准确反映工程件在多轴应力作用下的材料疲劳特性。
发明内容
本实用新型正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种高温、高低周复合疲劳试验系统，该系统将电磁振动台和液压系统结合在一起，实现了材料在室温和高温条件下的高低周复合疲劳性能的测试，测试结果对于工程材料的疲劳寿命评价具有重要的应用价值。
本实用新型的目的是通过以下技术方案来实现的：
该种高温、高低周复合疲劳试验系统包括一个主控计算机用于接收、处理数据，另外还包括一个低周加载装置和一个高频振动装置，其中：
低周加载装置包括一个设置在主体台架台面11上的刚性框架结构，在该框架结构上固定有低周加力液压作动器4，该低周加力液压作动器4上安装有力值传感器7以实时测量并控制低周力值和保载时间，低周加力液压作动器4的作动杆5与一个助振板1刚性连接，该助振板1与待测试样2的一端刚性连接并对待测试样2进行低周加载；
高频振动装置包括一个电磁振动台8，电磁振动台8通过一个过渡板12 与高频施力板6连接，由高频施力板6输出高频振动，振动方向与低周加力液压作动器4的作动杆5的动作方向成90°，该高频施力板6的中心通过夹具下拉杆3与待测试样2的另一端刚性连接；
在助振板1上安装在激光位移传感器16用于实时监测助振板1的振幅并反馈给主控计算机以实现对电磁振动台8的控制，保持对待测试样2的高频载荷。
在一种实施中，所述刚性框架结构是由承力结构拉杆9和承力结构前后板10组成的四方体刚性结构，其中，承力结构拉杆9处于横向位置并与低周加力液压作动器4的作动杆5平行，承力结构前后板10处于纵向位置并与电磁振动台8上连接的高频施力板6平行。
在一种实施中，在主体台架台面11下方安装有承压轴承15和液压油泵 14。
在一种实施中，在框架结构上固定安装两组低周加力液压作动器4，其作动杆5分别刚性连接助振板1的两端以使待测试样2位于该两端之间。
进一步，所述助振板1为“E”字形结构，两组低周加力液压作动器4 的作动杆5分别刚性连接在该“E”字形结构上、下支臂上，待测试样2的一端刚性连接在该“E”字形结构中间支臂上。
在一种实施中，在待测试样2的外圆周面上套装一个高频加热感应圈 17，利用电涡流加热功能实现温度环境，以同时满足高低周复合疲劳试验中的高温需要。
在一种实施中，所述高频施力板6是一个长方形的板状结构，在高频施力板6与其相近的承力结构前后板10之间安装有承压轴承15。
在一种实施中，所述待测试样2的两端加工有螺纹，中间为板材工作段，待测试样2通过两端的螺纹分别与助振板1、夹具下拉杆3紧密配合。
在一种实施中，所述力值传感器7为压电式力传感器，是待测试样2所受低周载荷的测量装置。
在一种实施中，所述高频振动装置的加载频率大于1000Hz。
所述的主控计算机为常规台式电子计算机，通过安装相应的控制和数据采集软件，可以实现对试验系统的控制和试验数据的实时采集。
所述的电磁振动台8为常规电磁式振动台，利用电磁激励产生周期性驱动力以对待测试样2施加疲劳载荷，电磁振动台8的额定激振力满足疲劳试验中试样的加载要求。
所述的主体台架台面11和刚性框架结构均采用高强度钢制成，对试验系统各组成部分起连接固定的作用，其强度和刚度满足试验系统稳定性要求。
本实用新型技术方案通过液压系统加载低周载荷，利用电磁振动台加载高频振动载荷(频率最高可达到1000Hz)，针对工程件材料、工程件，可以完成轴向(Y轴)低周拉-拉应力和水平(X轴)高频载荷复合作用下的疲劳测试，载荷图谱如图1所示。本实用新型系统能够省时高效地针对工程件材料、工程件，模拟其在使用环境下的高低周复合疲劳试验，试验系统简单实用，成本较低。
附图说明
图1为本实用新型试验系统的载荷图谱
图2为本实用新型试验系统的主视结构示意图
图3为图1的俯视图
图4为待测试样的形状示意图
图5为套装高频加热感应圈的待测试样的形状示意图
具体实施方式
以下将结合附图和实施例对本实用新型技术方案作进一步地详述：
参见附图2～5所示，该种高温、高低周复合疲劳试验系统包括一个主控计算机用于接收、处理数据，另外还包括一个低周加载装置和一个高频振动装置，其中：
低周加载装置包括一个设置在主体台架台面11上的刚性框架结构，该刚性框架结构是由承力结构拉杆9和承力结构前后板10组成的四方体刚性结构，其中，承力结构拉杆9处于横向位置并与低周加力液压作动器4的作动杆5平行，承力结构前后板10处于纵向位置并与电磁振动台8上连接的高频施力板6平行；在主体台架台面11下方安装有承压轴承15和液压油泵 14；
在框架结构上固定安装两组低周加力液压作动器4，其作动杆5分别刚性连接助振板1的两端以使待测试样2位于该两端之间；所述助振板1为“E”字形结构，两组低周加力液压作动器4的作动杆5分别刚性连接在该“E”字形结构上、下支臂上，待测试样2的一端刚性连接在该“E”字形结构中间支臂上；该低周加力液压作动器4上安装有力值传感器7以实时测量并控制低周力值和保载时间；
液压油泵14给低周加力液压作动器4供压，靠作动杆5给待测试样2 施加低周载荷，待测试样2处于整体钢性连接状态；
高频振动装置包括一个电磁振动台8，电磁振动台8为电磁式振动台，利用电磁激励产生周期性驱动力以对待测试样2施加疲劳载荷，电磁振动台的额定激振力满足疲劳试验中试样的加载要求，电磁振动台8通过一个过渡板12与高频施力板6连接，由高频施力板6输出高频振动，振动方向与低周加力液压作动器4的作动杆5的动作方向成90°，该高频施力板6的中心通过夹具下拉杆3与待测试样2的另一端刚性连接；
本实施例中，所述高频施力板6是一个长方形的板状结构，在高频施力板6与其相近的承力结构前后板10之间安装有承压轴承15。
在助振板1上安装在激光位移传感器16用于实时监测助振板1的振幅并反馈给主控计算机以实现对电磁振动台8的控制，保持对待测试样2的高频载荷。
在实施中，根据需要可以在待测试样2的外圆周面上套装一个高频加热感应圈17，利用电涡流加热功能实现温度环境，以同时满足高低周复合疲劳试验中的高温需要。
在本实施中，所述待测试样2为沙漏形圆棒，两端加工有螺纹，中间为板材工作段，待测试样2通过两端的螺纹分别与助振板1、夹具下拉杆3紧密配合。
在本实施中，所述力值传感器7为压电式力传感器，是待测试样2所受低周载荷的测量装置。
主控计算机根据力传感器7实时测量并控制低周力值和保载时间；激光位移传感器16实时监测助振板1的振幅，反馈给主控计算机，对电磁振动台8进行控制，用以保持待测试样2上的高频载荷，从而完成应力控制下的高低周复合疲劳试验。
主控计算机上安装了相应的控制软件，在试样安装好正式加载前，通过可视化界面，按照低周载荷应力比设定平均载荷，预加载检查试样安装同心度，同时进行扫频检查。一切正常后，将试验频率、以及最大载荷等相关信息，输入主控计算机，并可以通过信号采集软件实时监控试验状态。
高温试验时，安装完试样或工程件2同时将高频加热感应圈17环套在待测试样2的工作段上，通电对待测2进行加热，待达到预定温度后，保持温度不变。如果测试要求为室温试验，则可不必加装高频加热感应圈17。
如图1所示，在满足各应力比设定后，随后依靠液压作动器4施加低周载荷进行循环动态加载，依靠电磁振动台(8)进行振动疲劳加载，根据待测试样2实际情况，加载频率可大于1000Hz，振动疲劳加载的同时开始循环计数，直至试样发生疲劳破坏或达到规定最大循环数(例如109)时即停止试验。试验具体操作方法可参考《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》 (GB/T 3075-2008)。
Claims (10)
1.一种高温、高低周复合疲劳试验系统，其特征在于：该系统包括一个主控计算机用于接收、处理数据、一个低周加载装置和一个高频振动装置，其中：
低周加载装置包括一个设置在主体台架台面(11)上的刚性框架结构，在该框架结构上固定有低周加力液压作动器(4)，该低周加力液压作动器(4)上安装有力值传感器(7)以实时测量并控制低周力值和保载时间，低周加力液压作动器(4)的作动杆(5)与一个助振板(1)刚性连接，该助振板(1)与待测试样(2)的一端刚性连接并对待测试样(2)进行低周加载；
高频振动装置包括一个电磁振动台(8)，电磁振动台(8)通过一个过渡板(12)与高频施力板(6)连接，由高频施力板(6)输出高频振动，振动方向与低周加力液压作动器(4)的作动杆(5)的动作方向成90°，该高频施力板(6)的中心通过夹具下拉杆(3)与待测试样(2)的另一端刚性连接；
在助振板(1)上安装在激光位移传感器(16)用于实时监测助振板(1)的振幅并反馈给主控计算机以实现对电磁振动台(8)的控制，保持对待测试样(2)的高频载荷。
2.根据权利要求1所述的高温、高低周复合疲劳试验系统，其特征在于：所述刚性框架结构是由承力结构拉杆(9)和承力结构前后板(10)组成的四方体刚性结构，其中，承力结构拉杆(9)处于横向位置并与低周加力液压作动器(4)的作动杆(5)平行，承力结构前后板(10)处于纵向位置并与电磁振动台(8)上连接的高频施力板(6)平行。
3.根据权利要求1所述的高温、高低周复合疲劳试验系统，其特征在于：在主体台架台面(11)下方安装有承压轴承(15)和液压油泵(14)。
4.根据权利要求1所述的高温、高低周复合疲劳试验系统，其特征在于：在框架结构上固定安装两组低周加力液压作动器(4)，其作动杆(5)分别刚性连接助振板(1)的两端以使待测试样(2)位于该两端之间。
5.根据权利要求4所述的高温、高低周复合疲劳试验系统，其特征在于：所述助振板(1)为“E”字形结构，两组低周加力液压作动器(4)的作动杆(5)分别刚性连接在该“E”字形结构上、下支臂上，待测试样(2)的一端刚性连接在该“E”字形结构中间支臂上。
6.根据权利要求1所述的高温、高低周复合疲劳试验系统，其特征在于：在待测试样(2)的外圆周面上套装一个高频加热感应圈(17)以同时满足高低周复合疲劳试验中的高温需要。
7.根据权利要求1所述的高温、高低周复合疲劳试验系统，其特征在于：所述高频施力板(6)是一个长方形的板状结构，在高频施力板(6)与其相近的承力结构前后板(10)之间安装有承压轴承(15)。
8.根据权利要求1所述的高温、高低周复合疲劳试验系统，其特征在于：所述待测试样(2)的两端加工有螺纹，中间为板材工作段，待测试样(2)通过两端的螺纹分别与助振板(1)、夹具下拉杆(3)紧密配合。
9.根据权利要求1所述的高温、高低周复合疲劳试验系统，其特征在于：所述力值传感器(7)为压电式力传感器。
10.根据权利要求1所述的高温、高低周复合疲劳试验系统，其特征在于：所述高频振动装置的加载频率大于1000Hz。
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| CN202020960105.2U CN213022685U (zh) | 2020-05-29 | 2020-05-29 | 一种高温、高低周复合疲劳试验系统 |
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|---|---|---|---|---|
| US20220065739A1 (en) * | 2020-09-03 | 2022-03-03 | University Of South Carolina | Vibration Test-Cell with Axial Load and In-Situ Microscopy |
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| US11680869B2 (en) * | 2020-09-03 | 2023-06-20 | University Of South Carolina | Vibration test-cell with axial load and in-situ microscopy |
| US20240011865A1 (en) * | 2020-09-03 | 2024-01-11 | University Of South Carolina | Vibration Test-Cell with Axial Load and In-Situ Microscopy |
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