一种隔膜压缩机金属薄膜片弯曲疲劳测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于实用金属材料疲劳试验技术领域，具体是一种隔膜压缩机金属薄膜片 弯曲疲劳测量装置及方法。
【背景技术】
[0002] 隔膜式压缩机又称膜式压缩机，是容积式压缩机中往复压缩机的一种类型，采用 液力驱动膜片。由液压系统和气体压缩系统组成，正向移动的活塞使液压油对膜片底部产 生冲击，挤压空腔，排出工艺气体。金属膜片被夹在两个精度高的夹具之间，周围是密封卷 并用螺栓紧固，具有良好的密封性；膜腔中的气腔部分无需润滑，从而使被压缩气体不受污 染；且可以实现高压压缩。现已被广泛应用在实验室研宄、石油和气体工业、化学工业、冶金 行业、制药行业和电力行业。其中的金属膜片是易损零件，其疲劳性能是决定膜片使用寿命 的关键因素。膜片选材时，为了测试金属膜片的可靠性需要对其进行周期载荷试验。膜片 在受到弯曲循环载荷时，表层为拉压循环载荷，但是拉压疲劳试验并不能替代弯曲疲劳。材 料在受到弯曲载荷时应力随厚度变化，表层有着最大的应力；较厚弯曲的厚度方向有一定 的切应力，膜片厚度较薄时，膜片应力状态为平面应力状态（上下表层为无应力的自由表 面）。为了最大限度的模拟压缩机实际服役中的受力状态，有必要对金属膜片进行对称弯曲 疲劳试验，利用弹性力学计算材料试验中应力状态，结合疲劳周次得到S-N曲线。
[0003] 目前关于金属材料弯曲疲劳试验有三点、四点弯曲以及超声弯曲等。三点及四点 相应的适用参考标准见GBT 232-1999、GBT 4337-2008,超声疲劳则是利用压电致伸原理高 能超声波谐振技术的一种加速共振式的疲劳试样方法，测试评论远超常规测试。常规疲劳 试验中三点弯曲试验不能实现R = -1的对称弯曲载荷，而使用万能疲劳试样机进行的弯曲 疲劳试验所使用的试样为圆柱试样；超声疲劳试样对样品尺寸也有着一定的要求，过薄的 样品无法实现共振。对于薄膜片这样的特型材进行对称弯曲疲劳试验并没有现成的方法。
【发明内容】
[0004] 为了有效解决上述问题，本发明提供一种隔膜压缩机金属薄膜片弯曲疲劳测量方 法，填补超薄金属膜片弯曲疲劳性能测量方法上的空白。
[0005] 一种隔膜压缩机金属膜片弯曲疲劳测量装置，所述测量装置包括试验测量部分、 夹持部分及金属磨片试样，所述试验测量部分为拉压疲劳试验机，所述夹持部分包括上夹 头及基座两个部分，所述上夹头固定在拉压疲劳试验机内部上端，所述基座固定在拉压疲 劳试验机内部下端，所述金属磨片样品两端通过夹块固定在基座上部，所述金属磨片试样 中部通过上夹头凸伸出的圆棒夹持。
[0006] 进一步地，所述金属膜片样品设计为中间圆弧形。
[0007] 进一步地，所述上夹头凸伸出的圆棒包括两部分，两部分圆棒通过弹簧垫片夹持 与金属磨片样品两侧，并所述圆棒与金属磨片样品接触的界面具有圆倒角。
[0008] 进一步地，所述拉压疲劳试验机能够记录瞬时拉压力f，与瞬间位移U值，通过设 置最大位移U或固定最大力F即能分别达到应变控制及应力控制疲劳的目的。
[0009] -种隔膜压缩机金属膜片弯曲疲劳测量方法，所述方法应用上述的测量装置，所 述方法包括以下步骤：
[0010] Si:设备调零，同时设定固定的位移幅与频率，拉压疲劳试验机的上夹头开始做上 下周期运动，带动金属磨片试样循环弯曲，通过观察载荷幅变化即能判断样品是否断裂，此 时对应的周次数据即为样品在特定位移幅下的疲劳寿命；
[0011] S2 :首先假定形状为长宽分别是a、b的矩形试样，取夹持一端为坐标原点，长度 方向为X方向，宽度方向为y方向，厚度方向Z方向；厚度方向尺寸很小，为平面问题，设挠 度函数函数w (X，y)，由受力条件可知w在X方向为是周期为a的周期函数，X (0, a)为一个 周期；因此可把函数展开为三角级数
【主权项】
1. 一种隔膜压缩机金属膜片弯曲疲劳测量装置，其特征在于，所述测量装置包括试验 测量部分、夹持部分及金属磨片试样，所述试验测量部分为拉压疲劳试验机，所述夹持部分 包括上夹头及基座两个部分，所述上夹头固定在拉压疲劳试验机内部上端，所述基座固定 在拉压疲劳试验机内部下端，所述金属磨片样品两端通过夹块固定在基座上部，所述金属 磨片试样中部通过上夹头凸伸出的圆棒夹持。
2. 根据权利要求1所述的疲劳测量装置，其特征在于，所述金属膜片样品设计为中间 圆弧形。
3. 根据权利要求1所述的疲劳测量装置，其特征在于，所述上夹头凸伸出的圆棒包括 两部分，两部分圆棒通过弹簧垫片夹持与金属磨片样品两侧，并所述圆棒与金属磨片样品 接触的界面具有圆倒角。
4. 根据权利要求1所述的疲劳测量装置，其特征在于，所述拉压疲劳试验机能够记录 瞬时拉压力f，与瞬间位移u值，通过设置最大位移U或固定最大力F即能分别达到应变控 制及应力控制疲劳的目的。
5. -种隔膜压缩机金属膜片弯曲疲劳测量方法，所述方法应用上述权利要求1-5之一 所述的测量装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤： 51 :设备调零，同时设定固定的位移幅与频率，拉压疲劳试验机的上夹头开始做上下周 期运动，带动金属磨片试样循环弯曲，通过观察载荷幅变化即能判断样品是否断裂，此时对 应的周次数据即为样品在特定位移幅下的疲劳寿命； 52 :首先假定形状为长宽分别是a、b的矩形试样，取夹持一端为坐标原点，长度方向为 X方向，宽度方向为y方向，厚度方向z方向；厚度方向尺寸很小，为平面问题，设挠度函数 函数w(x，y)，由受力条件可知w在X方向为是周期为a的周期函数，x(0, a)为一个周期； 因此可把函数展开为三角级数
于是w在x(O-a) 范围可取三角级数：
式中m是正整数，Ym(y)是待定函数； 53 :wmax= Δυ/2为位移，h为样品厚度，△ σ max为膜片最大应力，C为与样品尺寸的 常数，使用弹性力学方法计算得到位移、样品厚度、与膜片最大应力的关系： Δ 0 max= C * h * W max 根据上式确定应力与疲劳周次的关系。
6. 根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S2中，式⑴代入薄板弯曲问题基本 方程一一即横向平衡方程求解，求出￥">的通解为：
F为实验最大拉力， A1^ Bni由y = 土b/2边界条件 确定，此时为自由边，边界条件为：
在这里V取ο. 3,（1，2, 3)式联立化简得：
又因为在X = a/2处w有最大值，所以此时tx = πιπ，整理可得：
当 m = 2, 4, 6, 8......时，cos mu = 1，此时值为 〇 ;当 m = 1，3, 5, 7......时，cos m π = -1，于是有：
上式收敛，且收敛很快， 0.5798, (4)式代入薄板应力方程可知只有X与y方向的正应力，且〇y= V 〇 x，即最大应力为 X方向，X方向的应力方程为式（7)，代入w后式子为（8);
式中 U = COStmX ; X = a/2处O廣最大值，同上（5, 6)式处理方法得：
上式同样收敛，累加即能求值
(6, 9)式联立消除F值，得：
使用弹性力学方法，结合边界条件，X = 〇、b与y = ±2/b边界，与膜片平横方程可解 的X方向，也就是正应力方向最大应力Opmax与厚度h及最大烧度Wmax呈如下关系： σ ?x= 307 (MPa · rnnT2) · h · Wniax 考虑形状因素，试样测量过程中受到的最大应力为：
α为应力集中系数，查得系数为1.10,于是： 〇 匪=±284 · h · Wniax 取正值为拉应力负值为压应力；当对称弯曲（R = -1)时应力幅值为最大应力的两倍： Δ σ max= 568 · h · WniaxO
【专利摘要】本发明涉及一种隔膜压缩机金属膜片弯曲疲劳测量装置及方法，为小于1mm厚度金属膜片提供简单易行的弯曲疲劳测量方法，实现金属膜片在拉压疲劳试验机上进行弯曲疲劳试验的目标。试验夹持装置由底座、夹块、夹头组成。底座与夹块固定样品，夹头在样品中部夹持，样品加工为中间圆弧状，保证样品于中部断裂。设计疲劳试验机程序，定位移幅进行试验，通过观察受力变化判断样品是否断裂，得到疲劳周次数据。使用弹性力学方法使用位移幅计算其相应的应力值，从而得到应力幅与疲劳周次对应关系。此方法设计简单，使用方便，用于测试隔膜压缩机金属膜片抗疲劳性能。
【IPC分类】G01N3-20
【公开号】CN104677749
【申请号】CN201510118087
【发明人】孟利, 程康, 夏桂红
【申请人】北京科技大学
【公开日】2015年6月3日
【申请日】2015年3月18日