高溫高壓微動疲勞試驗機的製作方法

2023-08-12 09:07:31 2

本實用新型涉及一種高溫高壓微動疲勞試驗機。

背景技術：

微動（fretting）就是在兩個接觸表面發生的一種磨損現象，通常出現在有微小的、連續的相對運動的接觸表面上，一般其位移幅度為微米量級，通常在幾十到一百多微米之間。微動疲勞是指構件在循環載荷的作用下，由於表面某一部位與其它接觸表面產生小振幅相對滑動而導致構件疲勞強度降低或早期斷裂的現象。微動疲勞（Fretting Fatigue，FF）現象廣泛存在於機械、交通、電力、航空航天，乃至生物醫學工程等領域，它會加速零部件的疲勞裂紋萌生與擴展，從而明顯降低服役壽命，甚至造成災難性事故，因此微動損傷被稱為工業中的癌症。研究表明，微動能使構件的疲勞壽命降低20%~80%，甚至更低。因此，系統地研究微動疲勞的損傷行為及防護措施，具有重要的理論意義和工程應用價值。

然而工業領域內部件的磨損常常發生於高溫和/或高壓水化學環境或氣體環境中，常規的力學試驗機上所測得的部件之間的數據並不能適用。現有技術中並沒有針對該種工業領域內高溫水化學環境或高溫氣體環境的微動疲勞試驗機，本申請即針對上述問題而提出，為高溫常壓水化學環境、高溫常壓氣體環境下微動疲勞試驗提供整套的試驗裝置。

此外，在微動疲勞試驗中，保持法向力長期穩定加載至關重要，這是定量表徵微動對材料疲勞壽命影響的關鍵。而目前常用的微動疲勞法向力加載方法是螺栓加載或應力環加載，這種方法的缺點在於：隨著試驗的進行，墊片與試樣之間將發生磨損，因此導致兩者之間的法向力無法保持恆定，會持續減小，甚至出現法向力為零。這種方法在常溫常壓下或許能夠採用人工進行調整補償法向力的損失，但是在高溫高壓密閉環境中，人工無法進行調整補償，而且人工調整補償並不能做到實時調整。

技術實現要素：

本實用新型的目的是為了克服現有技術的缺點，提供一種高溫高壓微動疲勞試驗機。

為達到上述目的，本實用新型採用的技術方案是：一種高溫高壓微動疲勞試驗機，包括機座、上下升降地設於所述機座上的主軸、固設於所述機座上的壓力容器，所述壓力容器具有可充盈高溫高壓環境的密閉環境腔室，所述主軸伸入所述環境腔室中，試樣通過夾具固定在所述主軸上並置設在所述環境腔室中，所述試驗機還包括用於對所述試樣進行法向力加載的法向力加載裝置，所述法向力加載裝置包括：

壓緊墊片，所述壓緊墊片有兩組，該兩組所述壓緊墊片分別設置在所述試樣徑向上的相異兩側以分別沿徑向壓緊所述試樣；

墊片導向板，其相對所述夾具固定地設置在所述環境腔室中，所述墊片導向板上開設有可供所述試樣沿徑向穿入的收容槽、分別位於所述收容槽兩側且與所述收容槽相連通的兩個導向槽，兩組所述壓緊墊片分別滑動配合地設置在兩側的所述導向槽中；

壓持機構，所述壓持機構有兩組，分別用於施加兩組所述壓緊墊片以壓緊力，所述壓持機構包括固設在所述機座上的直線電機、固接於所述直線電機的電機軸上的壓力自平衡拉伸軸，所述壓力自平衡拉伸軸具有伸入所述環境腔室的輸出端，所述輸出端上固定地連接有力傳感器，所述壓持機構還包括一端固接於所述力傳感器的連接軸，所述連接軸的另一端為用於推壓所述壓緊墊片以施加壓緊力的壓緊端；

所述法向力加載裝置還包括能夠根據兩組所述力傳感器反饋的壓力值控制兩組所述直線電機工作狀態的控制器。

優選地，兩側所述連接軸的所述壓緊端分別沿軸向伸入相應的所述導向槽中而施加所述壓緊墊片以壓緊力。

優選地，所述壓緊墊片與所述試樣相接觸的接觸端面為圓弧面、平面或球面，兩側所述壓緊墊片的中心線共線且沿所述試樣的徑向中心線延伸。

優選地，所述墊片導向板呈圓盤狀，所述收容槽呈開口朝向其徑向外側的U字型，所述墊片導向板固定在所述夾具上。

優選地，所述壓緊墊片與所述導向槽之間間隙配合地設置。

優選地，所述壓力容器為能夠充盈高溫高壓氣體或液體環境的高壓釜，所述高壓釜包括固定設置在所述機座上的釜體、設於所述釜體上方可配合地啟閉的釜蓋，所述疲勞試驗機的所述主軸穿過所述釜蓋而伸入所述高壓釜的內腔中。

進一步地，所述夾具固定安裝在所述釜蓋上而將所述試樣固定安裝在所述夾具與所述主軸之間，所述墊片導向板與所述釜蓋、所述夾具相對固定地設置。

作為一種具體的實施方式，所述夾具包括夾具座、固定連接所述夾具座與所述釜蓋的多根連接柱，所述墊片導向板固定地設置在多根所述連接柱上。

進一步地，所述疲勞試驗機還包括相對所述機座上下位置可調的橫梁，所述釜蓋安裝在所述橫梁上；所述主軸可沿豎直方向升降地設於所述橫梁上，所述橫梁上還設有用於驅使所述主軸沿豎直方向升降的升降驅動機構。

更進一步地，所述升降驅動機構包括設置在所述橫梁上部的油缸，所述油缸的伸縮杆向下伸出而與所述主軸相連接，所述主軸與所述伸縮杆之間還設置有另一力傳感器，所述主軸採用另一壓力自平衡拉伸軸，所述油缸的上部還設有位移傳感器。

由於上述技術方案的運用，本實用新型與現有技術相比具有下列優點：本實用新型的高溫高壓微動疲勞試驗機，可用於高溫高壓水、蒸汽或液體環境下的微動疲勞試驗，該試驗機中採用的法向力加載裝置只需選用小載荷的直線電機便可實現法向力的恆定加載，實時地補償壓緊墊片與試樣之間發生磨損後而損失的力值，保持法向力值得恆定，其能夠顯著地提高載荷控制和測量精度，獲得穩定的法向力加載力值，進而提高該微動疲勞試驗機的整體試驗精度。

附圖說明

附圖1為本實用新型的疲勞試驗機的整體結構立體示意圖；

附圖2為本實用新型的疲勞試驗機的主視圖；

附圖3為本實用新型的疲勞試驗機的側視剖視示意圖；

附圖4為附圖3中法向力加載裝置部分的放大示意圖；

附圖5為試樣的安裝示意圖；

附圖6為墊片導向板的示意圖；

附圖7、8、9、10分別為法向力加載裝置的加載調整原理示意圖。

其中：10、機座；20、橫梁；30、立柱；40、油缸；50、位移傳感器；60、力傳感器；70、連接法蘭；80、連接立柱；

1、高壓釜；11、釜體；12、釜蓋；2、主軸；3、試樣；4、夾具；41、夾具座；42、連接柱；5、壓緊墊片；6、墊片導向板；61、收容槽；62、導向槽；7、壓持機構；71、直線電機；72、壓力自平衡拉伸軸；73、力傳感器；74、連接軸；8、控制器。

具體實施方式

下面結合附圖和具體的實施例來對本實用新型的技術方案作進一步的闡述。

參見圖1至6所示，一種高溫高壓微動疲勞試驗機，其包括機座10、固定地設置在機座10上沿豎直方向延伸的兩根立柱30、上下升降地設置在立柱30上而相對機座10上下位置可調的橫梁20，橫梁20上設置有主軸2，主軸2可上下升降地設置在橫梁20上。橫梁20的頂部還設有用於驅動主軸2上下升降的升降驅動機構，此處，升降驅動機構採用的為油缸40，油缸40的伸縮杆向下伸出而與主軸2相連接，用於提供和控制一定振幅或載荷、頻率下的往復運動。主軸2與上述伸縮杆之間還設置有力傳感器60，主軸2此處採用的為壓力自平衡拉伸軸；油缸40的缸體上部還設有位移傳感器50，以檢測主軸2沿豎直方向的位移量。

參見圖1至圖6所示，該疲勞試驗機還包括固設於機座10上的壓力容器，該壓力容器具有可充盈高溫高壓氣體或液體環境的密閉環境腔室，在這裡，壓力容器採用的為高壓釜1，該高壓釜1包括固定地設置在機座10上的釜體11、設於釜體11上方可配合啟閉的釜蓋12，釜蓋12配合地蓋在釜體11上便使得釜體11的內腔被封閉而可充盈高溫高壓氣體或液體環境，通過另外設置水循環與水化學檢測系統來控制高壓釜1的環境腔室中的環境參數。

主軸2穿過釜蓋12而伸入高壓釜1的環境腔室中，試樣3通過夾具4固定在主軸2上並置設在高壓釜1的環境腔室中。此處，由於主軸2採用的為壓力自平衡拉伸軸，其具有壓力自平衡功能，因而能夠抵消高壓釜1內外壓差，消除壓差產生的推力，而且能夠實現高溫高壓環境下的動密封，採用該壓力自平衡拉伸軸來連接試驗機的作動部與釜內夾具4，可以保證疲勞試驗機的作動部往復運動過程中不受高壓釜1內外壓差對載荷的影響。

參見圖1、圖2所示，釜蓋12通過裝卸釜機構連接在橫梁20上而在橫梁20帶動其相對釜體11的升降而實現啟閉。具體地，上述裝卸釜機構包括連接法蘭70和多根連接立柱80，連接法蘭70通過螺栓固定連接在橫梁20下端面，連接立柱80的下端固定連接在釜蓋12上，其上端穿過連接法蘭70上的通孔並通過螺母鎖定，這樣，在安裝高壓釜1時，橫梁20向下移動，釜蓋12降落，當連接立柱80上的螺母與連接法蘭70的表面不接觸時，即可確定釜蓋12與釜體11配合安裝。連接立柱80與連接法蘭70的上述設置可以避免其固定連接時，安裝釜蓋12的過程中，當釜蓋12與釜體11配合安裝後，橫梁20過度移動而使得整個裝置處於受力狀態，造成試驗裝置的損壞。

參見各附圖所示，該疲勞試驗機還包括用於對試樣3進行法向力加載的法向力加載裝置，該法向力加載裝置包括：

壓緊墊片5，該壓緊墊片5有兩組，分別設置在試樣3徑向上的相異兩側以分別沿徑向壓緊試樣3。壓緊墊片5與試樣3相接觸的接觸端面可以為圓弧面、平面或球面，接觸端面的類型具體根據試驗要求予以確定。兩側壓緊墊片5的中心線共線且與試樣3的徑向中心線延伸，以確保從兩側分別壓緊兩壓緊墊片5時向試樣3施加法向力；

墊片導向板6，該墊片導向板6相對夾具4固定地設置在高壓釜1的環境腔室中，以用於提供兩壓緊墊片5壓緊試樣3時的運動導向。具體地，參見圖6所示，該墊片導向板6呈圓盤狀，其上開設有可供試樣3沿徑向穿入的收容槽61、分別位於收容槽61兩側且與收容槽61相連通的兩個導向槽62，收容槽61呈開口朝向其徑向外側的U字型，試樣3沿徑向進入收容槽61，而兩側的壓緊墊片5分別可滑動配合地設置在兩側的導向槽62中，壓緊墊片5與導向槽62之間可間隙配合地設置，該間隙值應為在保證在高溫膨脹時能夠自由滑動的前提下儘可能的小。在本實施例中，墊片導向板6固定地設置在夾具4上，具體地，夾具4包括夾具座41和固定連接在夾具座41與高壓釜1釜蓋12之間的多根連接柱42，墊片導向板6即固定在上述的多根連接柱42上，如圖5所示；

壓持機構7，該壓持機構7有兩組，以分別用於施加兩側壓緊墊片5以壓緊力，從而施加試樣3以法向力。參見圖3、圖4所示，每組壓持機構7均包括固定地設置在機座10上的直線電機71、固設於直線電機71的電機軸上的壓力自平衡拉伸軸72，該壓力自平衡拉伸軸72具有伸入高壓釜1的環境腔室中的輸出端，該輸出端上固定地連接有力傳感器73；該壓持機構7還包括連接軸74，該連接軸74的一端固接於力傳感器73，連接軸73的另一端為用於推壓壓緊墊片5以施加壓緊力的壓緊端。在進行法向力加載時，兩側的連接軸73的壓緊端分別沿軸向伸入相應的導向槽62中而施加相應的壓緊墊片5以壓緊力。

該法向力加載裝置還包括控制器8，該控制器8與兩側的力傳感器73信號連接，同時與兩側的直線電機71信號連接。該控制器8能夠根據兩側力傳感器73反饋的壓力值來控制兩組直線電機71的工作狀態，以使得兩側壓緊墊片5施加試樣3的法向力保持在設定值或者保持在設定範圍內。

以下簡要說明本實施例的高溫高壓微動疲勞試驗機的工作過程及工作原理：

首先，將夾具4安裝至高壓釜1的釜蓋12上，同時安裝墊片導向板6，再將試樣3安裝至夾具座41與主軸2之間，並使得試樣3沿徑向穿過墊片導向板6的收容槽61，然後將兩壓緊墊片5分別置入墊片導向板6的兩導向槽61中，使得兩側壓緊墊片5與試樣3之間輕微接觸，安裝時應儘量使得兩側壓緊墊片5與試樣3相接觸的中心連線應沿試樣3的徑向中心線延伸。再接著，將橫梁20相對機座10降下，使得釜蓋12與釜體11相配合安裝而形成密閉的環境腔室，通過水循環與水化學檢測系統來控制高壓釜1的環境腔室中的環境參數，使得環境腔室中充盈的環境狀態滿足試驗要求。

接下來進行法向力的加載，初始時，參見圖7所示，此時連接軸74的壓緊端尚未伸入墊片導向板6的導向槽62中，此時法向力F0=0。先確定連接軸74的壓緊端與壓緊墊片5端面之間的距離S，控制器8切換為位移控制模式。如圖8所示，控制器8控制兩側的直線電機71工作而使得連接軸74的壓緊端的位移達到S後，直線電機71暫時停止工作，此時壓緊端與壓緊墊片5的端面之間輕微接觸，法向力F0=0。

然後，控制器8切換為力控制模式，控制器8接收兩側的力傳感器73反饋的壓力值來控制直線電機71的工作狀態。具體如下：如圖9所示，控制器8控制兩組直線電機71工作而使得兩側的連接軸74相向運動而分別地逐漸靠近兩側的壓緊墊片5，兩側的力傳感器73分別向控制器8實時反饋檢測到的壓力值F0，當檢測到的壓力值F0小於試驗預設的應力值F1時，控制器8控制兩所述直線電機71工作而繼續驅使兩連接軸74相向運動，直至力傳感器73反饋至控制器8的壓力值F0等於F1時，如圖10所示，控制器8控制兩直線電機71停止運動而保持該壓力值，開始微動疲勞試驗。

在微動疲勞試驗的過程中，該法向力加載裝置始終保持壓緊墊片5施加於試樣3的法向力保持在設定範圍內，該設定範圍為F0=F1±f，其中f為疲勞試驗設定的法向力值波動幅度值。具體地，兩力傳感器73分別向控制器8實時反饋檢測到的壓力值F0，當F1-f≤F0≤F1+f時，控制器8控制直線電機71保持停止運動的狀態；當F0≤F1-f時，控制器8控制直線電機71工作而驅使兩連接軸74相向運動而增加壓力值；當F0≥F1-f時，控制器8控制直線電機71工作而驅使兩連接軸74朝相反的方向運動而減小壓力值。這樣便保證了整個微動疲勞試驗過程中法向力的恆定加載。

綜上，本實用新型的高溫高壓微動疲勞試驗機，具有如下優點：

（1）該微動疲勞試驗機能夠模擬核電站一、二迴路溫度、壓力水化學條件下，進行微動疲勞試驗；

（2）採用該微動疲勞試驗機進行微動疲勞試驗，試樣3與壓緊墊片5之間的接觸方式可以是點、線、面接觸，測量可以得到每個試樣的疲勞壽命周期數，多組試樣，不同參數，可以得到試樣的疲勞壽命曲線，即S-N曲線；

（3）該疲勞試驗機的結構簡潔，其垂直度及水平度可方便調節，以保證疲勞試驗機的同軸度、垂直度；

（4）該疲勞試驗機中採用的法向力加載裝置，其只需選用小載荷的直線電機便可實現法向力的恆定加載，實時地補償壓緊墊片與試樣之間發生磨損後而損失的力值，能夠提高載荷控制和測量精度，獲得穩定的法向力加載力值；

（5）採用壓力自平衡拉伸軸設計，可以實現高壓釜1內外壓差的抵消，消除壓差產生的推力，進一步提高試驗的精度。

上述實施例只為說明本實用新型的技術構思及特點，其目的在於讓熟悉此項技術的人士能夠了解本實用新型的內容並據以實施，並不能以此限制本實用新型的保護範圍。凡根據本實用新型精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本實用新型的保護範圍之內。