一种多参数多轴微动疲劳试验装置及方法与流程

本发明涉及材料的疲劳寿命试验装置和方法，具体涉及一种弯曲-轴向-径向载荷作用下的多参数多轴微动疲劳试验装置及方法。

背景技术：

微动现象广泛存在于承受机械振动、电磁振动、疲劳载荷或热循环等工况的名义上“紧固”的机械配合件中。微动疲劳失效常发生在压装或缩装接头、铆接接头、螺栓接头、轮轴总成、花键轴、燃气轮机部件(叶轮叶片的燕尾槽结构)、钢丝绳等机械连接结构中。微动疲劳中发生的微小相对运动情形十分复杂，影响微动疲劳的因素很多，使得对微动疲劳问题的研究面临诸多困难。其中，缺少能较为接近地模拟构件服役过程中的连接方式和所承受的实际载荷的试验台架和试验装置就是原因之一。专利cn103900916a中揭示了一种拉弯扭多轴加载普通疲劳试验机，将拉伸组件、弯曲组件和扭转组件结合在一起，实现拉弯扭多轴疲劳试验；专利cn103471843a揭示了一种拉弯多轴疲劳试验机构，对试样施加轴向拉伸载荷的同时，用激振器对试验样件施加弯曲振动载荷，实现拉弯载荷的加载，同样该结构只能进行拉弯载荷下的普通疲劳试验；专利us6718833b2揭示了一种高频疲劳试验机，但分别采用三个独立的驱动器产生拉弯扭载荷；专利cn104297046a中揭示一种针对钢丝的多轴微动疲劳试验装置，能够开展拉-拉疲劳、扭转和变交叉角摆动等复合运动模式下钢丝的多轴微动疲劳实验；专利cn108627389a公开了一种由齿轮驱动的载荷加载疲劳试验机，能够独立施加弯曲和扭转载荷。

总之，上述专利揭示的现有技术存在的不足有：①现有的多轴疲劳试验的装置大多数只针对普通疲劳试验，而针对微动疲劳的多轴试验装置还很少；②针对刚性结构件，大多只能进行普通的多轴疲劳试验，并未涉及微动疲劳问题；③采用独立施加载荷方式实现多轴载荷模拟，难以复现真实构件服役过程中产生的随机载荷；④为实现多轴微动，需设计专用微动疲劳试验机，用途单一，成本高；⑤微动疲劳试验中，一般只能就一种材料、一种几何尺寸、一种几何形状的微动块进行逐次试验，每改变一个参数，就需要重复一次试验，导致多参数对比时的试验周期长；⑥为了实现微动疲劳中轴向载荷的加载，需要单独配置一台电机作为驱动源，使得试验装置体积庞大，不够紧凑；⑦对于单独配置驱动源的情形而言，施加的载荷通常都较大，并不能很好的表征微小运动载荷。因此，针对现有多轴微动疲劳装置尚存在的不足，需要进一步改进和完善。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提出一种多参数多轴微动疲劳试验装置及方法，利用普通疲劳试验机的载荷激振器，通过本发明提出的装置，实现“弯曲-轴向-径向”耦合载荷加载下构件的微动，模拟构件在服役环境中的受载问题；设置多组微动块，在一次试验加载中，获得不同几何尺寸、不同材料和不同形状的微动块与样件接触产生的微动疲劳现象，实现单次加载获得多组不同参数组合的试验结果。

为解决以上技术问题，本发明采用如下的技术方案：

本发明包括内框部件、外框部件、微动疲劳部件、支座部件和疲劳试件，所述内框部件设置在外框部件内，所述支座部件同时设置在内框部件和外框部件左右两端，所述疲劳试件轴线与支座部件的水平中心轴线方向一致，并设置在支座部件内，所述微动疲劳部件设置在支座部件内，并平行设置在疲劳试件上；所述微动疲劳部件包括设有微动块安装槽的微动座、设有导槽的微动侧支座、螺柱、弹簧、第一销钉、导向轴承、设有导向头的导向座、内柱面微动块、微动块应变片和法向载荷应变片；所述微动块安装槽设有两个，并沿着疲劳试件的轴线方向对称设置在微动座下端面；所述微动块设置在安装槽中，微动块的侧表面水平方向设有微动块应变片，垂直方向设有法向载荷应变片；所述侧支座设有两个，并通过螺柱对称地设置在微动座的两端面上；所述导向座通过其下部的导向头与导槽配合滑动，所述螺柱的悬伸端沿导向头滑动的方向设置在导向座上的盲孔内，所述弹簧设置在螺柱的悬伸端上，第一销钉穿过导向轴承，并将导向轴承设置在导向座的自由端的凹槽内。

进一步地，所述支座部件包括两组外侧端支座、两组内侧端支座、u形支座、第二销钉、滚针轴承、u形框、紧固螺母、紧固螺钉、楔块和安装螺钉；所述外侧端支座和内侧端支座的横截面均为长方形，所述外侧端支座底端设有通孔；所述u形支座的两个垂直面上同轴设有一个通孔，水平的底面下部设有两个盲孔；所述u形支座的通孔中设有第二销钉；所述u形框通过其上下两端的滚针轴承分别设置在外侧端支座和内侧端支座内；所述紧固螺钉穿过紧固螺母设置于u形支座的盲孔内；所述楔块通过螺钉安装在内侧端支座相对朝内一侧，且所述楔块的楔面相对朝下。

进一步地，所述内框部件包括内框前板、上支座、设有第一销孔的内框后板和内框连杆和连接螺钉；所述上支座侧面设有螺纹孔，所述内框前板、上支座和内框后板的上端通过螺钉依次连接；所述内框连杆设置在内框前板和内框后板的下端，并通过螺钉连接；所述外框部件包括外框前板、外框上连杆、设有第二销孔的外框后板、下支座和连接螺钉；所述外框前板和外框后板上端通过外框上连杆连接，并利用螺钉固定；所述外框前板和外框后板下端通过下支座杆连接，并利用螺钉固定。

进一步地，所述支座部件中的外侧端支座和内侧端支座的前端面和后端面均设有通孔，并通过销钉分别穿过通孔、内框后板第一销孔和外框后板第二销孔设置在内框后板、外框后板、内框前板和外框前板上。

进一步地，所述微动疲劳部件和支座部件通过楔块和导向轴承将微动疲劳部件压紧在疲劳试件的外表面，并通过楔块的三个面形成的凹槽将微动疲劳部件限位。

进一步地，建立评估构件的微动疲劳寿命的方法，所述设置在微动疲劳部件中的弹簧的刚度系数由下式确定：

式(一)中，k1和k2，x1和x2分别为微动疲劳部件中左侧和右侧的弹簧的刚度系数和变形量；

所述疲劳试件的轴向、径向的受力以及与微动块接触区域的应力计算方式为：

式(二)和式(三)中，α为所述支座部件中楔块的楔面角度，β为导向座曲端的仰角，e1和ν1分别为疲劳试件的材料的杨氏模量和泊松比，e2和ν2分别为微动块的材料的杨氏模量和泊松比，p为加载载荷，fx和fy分别为传递到疲劳试件上的轴向载荷和径向载荷；

评估构件的微动疲劳寿命：

式(四)中，ni待评估的微动疲劳寿命，σ′f为疲劳强度系数，ε′f为疲劳延性系数，b为疲劳强度指数，c为疲劳延性指数，为最大法向应力，δεn为法向应变范围。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明利用现有的普通疲劳试验机为平台，直接加装本装置即可进行微动疲劳或普通多点弯曲疲劳试验，节省专用疲劳试验设备的成本；本发明采用框架结构设计，结构紧凑，刚性好，确保循环加载中装置的稳定性和精度，从而保证试验结果的准确性；本发明采用模块化多组件设计，拆除微动疲劳部件后，该装置同样能用于普通多点弯曲疲劳试验，实现装置的多功能多用途应用；本发明内外框部件之间采用嵌合式结构且预留相应的运动间隙，以保证驱动载荷加载中，二者的运动不发生干涉；本发明通过楔块的设计，将内外框的相对运动有效实现分解并传递到疲劳试验样件的轴向和径向，以复现构件服役环境中的受载情况，同时将导向轴承沿轴线方向限制在由凸台和楔面构成的槽内，防止导向轴承沿其轴线窜动，实现可靠的机械限位；本发明通过在导向座内布置套接于导向螺柱上的压缩弹簧，可以确保载荷加载过程中，导向轴承始终与楔块接触不脱离，可靠传递载荷的同时，有效避免冲击振动；本发明通过微动疲劳部件的整体对称布置，根据不同疲劳试验样件和微动块的材料，灵活配置两个导向座内的压缩弹簧的刚度系数，以满足微动疲劳试验中轴向载荷的加载需求，更加合理地模拟随机载荷，提高试验的合理性和科学性；本发明通过导向头和导槽的配合滑动，保证运动精度的同时，实现可靠限位；本发明试验样件由多组滚针轴承卡合夹紧，保证夹紧的同时，利用轴承的转动，避免多轴载荷加载中机构抱死；本发明设置两组微动块，在一次试验加载中，获得不同几何尺寸、不同材料和不同形状的微动块与样件接触产生的微动疲劳现象，实现单次加载获得多组不同参数组合的试验结果；本发明通过设置多组不同部位的检测应变片，能实时输出并记录试验过程中循环载荷作用下疲劳试验样件和微动块的应变状态，用于研究试验样件的微动疲劳机理和综合评估构件的疲劳寿命，为构件的抗疲劳制造技术提供理论和试验支持；本发明建立了数学模型，将计算得到的微扭矩载荷和由弯曲载荷计算得到的试验样件两端的挠度值作为试验控制系统的输入信号，根据计算结果数值和应变片检测的结果返回至控制系统中比对后，作为反馈控制信号，更好的控制试验装置按照载荷或挠度(位移)加载。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明装置与普通疲劳试验机的安装示意图；

图2为本发明装置的总体图；

图3为本发明装置的总体爆炸图；

图4为本发明装置的总体局部剖视图；

图5为本发明装置的内框部件结构示意图；

图6为本发明装置的外框部件结构示意图；

图7为本发明装置的微动疲劳部件结构示意图；

图8为本发明装置的微动疲劳部件可适配的多种微动块示意图；

图9为本发明装置的支座部件结构示意图；

图10为本发明装置的支座部件侧视剖视图；

图11为本发明装置在评估构件微动疲劳寿命中的试验方法及流程图；

在图中：a普通疲劳试验机、b本发明装置、c运动方向、a1上夹头、a2下夹头、m内外框侧间隙宽度、n内外框下间隙宽度、1内框部件、2外框部件、3微动疲劳部件、4支座部件、5疲劳试验样件、6弯曲应变片、7法向载荷应变片、8微动块应变片、34楔块、101内框前板、102上支座、103内框后板、103a第一销孔、104内框连杆、201外框前板、202外框上连杆、203外框后板、203a第二销孔、204下支座、301微动座、301a安装槽、302微动侧支座、302a导槽、303螺柱、304弹簧、305第一销钉、306导向轴承、307导向座、307a导向头、308微动块、308a凹面微动块、308b平面微动块、308c凸面微动块、401外侧端支座、401a第一前孔、402内侧端支座、402a第二前孔、402b第三销孔、402c后孔、403u形支座、404第二销钉、405滚针轴承、406u形框、407紧固螺母、408紧固螺钉。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明装置部分b直接安装于普通疲劳试验机a的两个上下夹头a1和a2之间，c表示本发明装置可能的运动方向。

如图2-10所示，多参数多轴微动疲劳试验装置及方法的装置部分由内框部件1、外框部件2、微动疲劳部件3、支座部件4、疲劳试验样件5、弯曲应变片6、法向载荷应变片7、微动块应变片8、楔块34、内框前板101、上支座102、内框后板103、内框连杆104、外框前板201、外框上连杆202、外框后板203、下支座204、微动座301、微动侧支座302、螺柱303、弹簧304、第一销钉305、导向轴承306、导向座307、微动块308、外侧端支座401、内侧端支座402、u形支座403、第二销钉404、滚针轴承405、u形框406、紧固螺母407、紧固螺钉408。所述内框部件1设置在外框部件2内，所述支座部件4同时设置在内框部件1和外框部件2左右两端，所述疲劳试件5轴线与支座部件4的水平中心轴线方向一致，并设置在支座部件4内，所述微动疲劳部件3设置在支座部件4内，并平行设置在疲劳试件5上。

如图5、6所示，所述内框部件1包括内框前板101、上支座102、内框后板103、内框连杆104和连接螺钉，所述内框前板101为外周开有多个沉头螺纹孔的方框构件；所述上支座102为t形构件，t形构件的底座为底面开有方孔，外周侧面开有多个螺纹孔的结构；所述内框后板103为外周开有多个沉头螺纹孔的方框构件，在中间位置设有两个第一销孔103a；所述内框连杆104为沿其轴线方向开有螺纹孔的杆状构件；所述内框前板101和内框后板103通过螺钉与上支座102和内框连杆104相连接；所述内框前板101通过螺钉和销钉与支座部件4实现安装；所述上支座102通过螺钉与外框部件2实现安装；所述上支座102的上部自由端为普通疲劳试验机a上夹头a1的夹持部位。所述外框部件2包括外框前板201、外框上连杆202、外框后板203、下支座204和连接螺钉，所述外框前板201为外周开有多个沉头螺纹孔的u形构件；所述外框连杆202为两端开有螺纹孔的杆状构件，在其中两个侧面上开有沉头螺纹通孔；所述外框后板203为外周开有多个沉头螺纹孔的u形构件，u形构件的两个分支中间位置开有第二销孔203a；所述下支座204为t形构件，t形构件的底座为底面开有方孔，外周侧面开有多个螺纹孔的结构；所述外框前板201和外框后板203通过其上部位置和下部位置开设的螺纹孔，分别使用连接螺钉与所述外框上连杆202和下支座204相连接；所述外框前板201中部的四个螺纹孔、外框后板203中部的两个螺纹孔和两个销孔，分别通过连接螺钉和销钉与支座部件4实现安装；所述下支座204的下部自由端为普通疲劳试验机a的下夹头a2的夹持部位；如图4所示，所述内框部件1的左右两个外侧面与外框部件2的左右两个内侧面的间距为m，内框部件1的下底面与外框部件2的内侧底面间距为n，且n＞m＞0，以保证载荷加载过程中不出现结构干涉，并有足够的相对位移空间。

如图4和7所示，所述微动疲劳部件3整体为一对称的牛头形部件，包括微动座301、微动侧支座302、螺柱303、弹簧304、导向座销钉305、导向轴承306、导向座307、微动块308、法向载荷应变片7和微动块应变片8构成；所述微动座301与疲劳试件5相对的表面设有两个安装槽301a；所述微动侧支座302为l形构件，其中一支由螺柱303将其安装于微动座301的侧面，另一支上设有导槽302a；所述导向座307为一牛角形构件，其平端下部设有与导槽302a相匹配的导向头307a，实现二者槽内滑动，所述导向座307平端侧面设有两个盲孔，螺柱303的一端套接弹簧304并设置在盲孔中，所述弹簧304设置在盲孔内，确保载荷加载过程中，导向轴承306始终与楔块34接触不脱离，在可靠传递载荷的同时，能有效避免冲击振动；所述导向座307的弯曲端由第一销钉305嵌入安装导向轴承306；所述微动块308安装于安装槽301a内；如图8所示，所述微动块可以有多种形式，如凹面微动块308a、平面微动块308b和凸面微动块308c。

如图9、10所示，所述支座部件4包括两组外侧端支座401、两组内侧端支座402、u形支座403、第二销钉404、滚针轴承405、u形框406、紧固螺母407和紧固螺钉408；所述外侧端支座401和内侧端支座402为方框构件，方框下部分别开有两个通孔，通孔外侧同轴焊接有紧固螺母407，外侧端支座401和内侧端支座402的前部开有两个第一前孔401a和两个第二前孔402a，并分别使用连接螺钉与所述内框前板101和外框前板201相连接，后部开有一个后孔402c和一个第三销孔402b，分别使用连接螺钉和销钉与所述内框后板103和所述外框后板203相连接，实现所述支座部件4与内框部件1和外框部件2的安装，在方框内部开有销孔的位置设有凸台结构；两个所述内侧端支座402相对面的上部位置，开设有与楔块34安装的螺纹孔，通过两个螺钉将两个楔块的楔面相对且朝下安装在所述内侧端支座402上；所述u形支座403的两垂直面上设有同轴的通孔，底面设有两个盲孔；所述第二销钉404同时穿过滚针轴承405和u形支座403的通孔中实现同轴安装；所述u形框406通过其上下两侧的滚针轴承405压合在所述外侧端支座401和内侧端支座402内部方框中；所述u形框406的上端和下端设有滚针轴承405，所述上端滚针轴承40穿过第一销孔103a和第二销孔203a设置在内框部件1和外框部件2上，所述下端滚针轴承405通过与第二销钉404配合设置在u形支座403上；所述紧固螺钉408穿过紧固螺母407并顶入u形支座403的盲孔中。

如图3所示，所述楔块34的中部为楔面，两端为平台的对称板状构件，楔面和平台形成了一个凹槽，所述内框部件1和外框部件2相对运动产生的载荷由楔块34通过导向轴承306传递给微动疲劳部件3，进而将疲劳部件3压紧在疲劳试件5的表面，并限制微动疲劳部件3窜动。

试验测量部分由弯曲应变片6、法向载荷应变片7、微动块应变片8和数据处理模块构成。如图4所示，弯曲应变片6沿疲劳试验样件5的轴线方向粘贴于试验样件外表面，并紧邻微动块308，用于检测疲劳试验样件5在弯曲载荷下的应变状态；如图7所示，所述法向载荷应变片7纵向粘贴于微动块308的外侧面，用于检测法向载荷作用下微动块308的应变状态；所述微动块应变片8横向粘贴于微动块308外侧面，用于检测疲劳循环载荷过程中微动块308的应变状态，以及检测微动疲劳裂纹的产生；各个应变片通过信号传输线连接至数据采集卡，由采集卡将数据传输至控制计算机，并作为反馈控制信号，更好的控制试验装置按照载荷或挠度(位移)加载。

本发明应用于评估构件的微动疲劳寿命时，可按照图11所示的方法及流程进行。

所述微动疲劳部件3左侧和右侧的弹簧304的刚度系数由下式确定：

式(一)中，k1和k2，x1和x2分别为左侧和右侧的弹簧304的刚度系数和变形量。

所述疲劳试件5的轴向、径向的受力以及与微动块308接触区域的应力计算方式为：

式(二)和式(三)中，α为所述支座部件4中楔块34的楔面角度，β为导向座307曲端的仰角，e1和ν1分别为疲劳试件5的材料的杨氏模量和泊松比，e2和ν2分别为微动块308材料的杨氏模量和泊松比，p为普通疲劳试验机a的加载载荷，fx和fy分别为经过楔块34和微动座301传递到疲劳试件5上的轴向载荷和径向载荷。

根据试验采集的数据，评估构件的微动疲劳寿命：

其中，ni为待评估的微动疲劳寿命，σ′f为疲劳强度系数，ε′f为疲劳延性系数，b为疲劳强度指数，c为疲劳延性指数，为最大法向应力，δεn为法向应变范围。例如，对于tc4钛合金而言，σ′f＝1564mpa，ε′f＝269％，b＝-0.07，c＝-0.96。

以上所述实施方式仅为本发明的优选实施例，而并非本发明可行实施的穷举。对于本领域一般技术人员而言，在不背离本发明原理和精神的前提下对其所作出的任何显而易见的改动，都应当被认为包含在本发明的权利要求保护范围之内。