专利名称：超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置及控制方法
技术领域：
本发明涉及超高压自增强结构的强度与疲劳实验系统，具体是一种超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置及控制方法。
背景技术：
工业上通常把超过IOOMPa的压力称为“超高压”，与之相应的承载结构称为超高压结构。对于化工高压管道、炮管等筒形承载结构，采用增加壁厚、提高材料强度等一般方法并不能满足超高压结构的高压力和高应力要求，而自增强预应力制造工艺是提高结构的高压力和高应力承载能力的重要措施，已成为超高压设备制造的核心技术之一。自增强(autofrettage，军工俗成“自紧”)最早应用于火炮的炮管，用来承受发射弹丸时的高温高压火药气体，后逐渐应用于超高压容器的设计制造，其基本思想是在结构制造时进行预应力加载，使结构发生塑性变形，卸载后保留部分预应力(也称为残余应力)，抵消部分工作应 力，以提高结构的承载能力。超高压自增强结构在军工、冶金、化工生产、金属成型制造、核电、地质等工业生产中都普遍使用，如火炮炮管、超高压聚乙烯反应管、人造水晶和合成金刚石压釜、岩石实验的三轴仪等。超高压自增强结构在我国分布广、数量多、价格昂贵，其安全性对国民经济有重大影响。超高压自增强结构的工作条件和工作环境相当苛刻，通常要求承载能力在几百兆帕甚至上千兆帕，瞬态载荷一般在秒级，甚至毫秒级。比如，火炮发射时炮管要反复承受O 600MPa、10ms左右的膛内脉冲高压。超高压聚乙烯反应管反复承受开、停工以及介质分解反应时的冲击载荷，最大载荷范围在300MPa，载荷历程一般在l-2s。在瞬态冲击载荷下，自增强结构不仅内壁瞬间受到拉伸和压缩的交变应力，而且由于瞬间幅度很大的梯度应力，还可使结构材质发生相变和劣化，造成屈服强度降低。而在目前各类有关超闻压自增强结构的实验系统中，尚无一种能够I旲拟瞬态冲击载荷下超闻压自增强结构的残余应力稳定性和疲劳损伤的实验系统。为此有必要发明一种专用于模拟瞬态冲击载荷下超高压自增强结构的残余应力稳定性和疲劳损伤的实验系统。
发明内容
本发明为了解决目前尚无一种能够模拟瞬态冲击载荷下超高压自增强结构的残余应力稳定性和疲劳损伤的实验系统的问题，提供了一种超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置及控制方法。本发明是采用如下技术方案实现的超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置，包括复合增速/调压缸、液压泵站、气液增压系统、试件定位夹持机构、聚亚安脂加载机构、测试传感器、以及控制系统；所述液压泵站包括后腔液压管路、前腔液压管路、电磁换向阀、增压器、主电机、压力表、单向阀、油箱、液压集成块、空气过滤器、齿轮泵、增速蓄能器、以及进油/回油口 ；主电机的转轴通过增压器与齿轮泵的泵轴连接；齿轮泵的进口与油箱连通；齿轮泵的出口和增速蓄能器的油路均依次通过单向阀、液压集成块、后腔液压管路与复合增速/调压缸的后腔连通；齿轮泵的出口和增速蓄能器的油路均依次通过单向阀、液压集成块、前腔液压管路与复合增速/调压缸的前腔连通；后腔液压管路和前腔液压管路交叉连通，且电磁换向阀安装于后腔液压管路和前腔液压管路的连通口上；压力表安装于齿轮泵的出口上；空气过滤器安装于进油/回油口上；进油/回油口开设于油箱的箱壁上；所述气液增压系统包括后腔气液管路、前腔气液管路、增压电磁阀、气液转换器、以及高压气瓶；高压气瓶通过增压电磁阀与气液转换器连通；气液转换器通过后腔气液管路与复合增速/调压缸的后腔连通；气液转换器通过前腔气液管路与复合增速/调压缸的前腔连通；所述试件定位夹持机构包括固定限位座、中心架、调节螺杆、卡爪、三爪卡盘、卡盘固定座、传动轴、伺服电机、直线导轨、试件夹持定位底板、试验台机座、轴套、轴承、以及滑块；固定限位座和直线导轨均安装于试验台机座上，且固定限位座位于直线导轨的后侧；滑块滑动安装于直线导轨上，且滑块螺纹套接于传动轴上；传动轴的两端分别支撑于直线导轨的前端面和后端面上；传动轴的前端与伺服电机的转轴连接；试件夹持定位底板安装于滑块的上表面；中心架安装于试件夹持定位底板的上表面后部；调节螺杆沿径向插设于中心架上；卡爪安装于三爪卡盘的后端面上；三爪卡盘的前端依次通过轴套、轴承安装于卡盘固定座上；卡盘固定座安装于试件夹持定位底板的上表面前部；所述聚亚安脂加载机构包括连杆、刚性环、聚亚安酯加压棒、压紧轴套、锁紧螺母、以及复合增速/调压缸的活塞杆；连杆的后端与复合增速/调压缸的活塞杆的前端连接；连杆的后端支撑于固定限位座上；刚性环的后端面与固定限位座的前端面紧贴；刚性环、聚亚安酯加压棒、压紧轴套自后向前依次套装于连杆上；锁紧螺母拧固于连杆的前端；所述测试传感器包括传感器安装座、激光位移传感器、以及应变片；传感器安装座安装于试件夹持定位底板上；激光位移传感器安装于传感器安装座上；所述控制系统包括工控机、以及PLC控制器；工控机的信号输入端分别连接激光位移传感器的信号输出端、应变片的信号输出端；工控机的信号输出端通过PLC控制器分别连接伺服电机的信号输入端、电磁换向阀的信号输入端、主电机的信号输入端、单向阀的信号输入端、增压电磁阀的信号输入端、气液转换器的信号输入端、增速蓄能器的信号输入端。超高压自增强结构瞬态加载模拟试验控制方法(该方法在本发明所述的一种超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置中完成)，该方法是采用如下步骤实现的a.选取圆筒状超高压试件，将圆筒状超高压试件的后端支撑于中心架上，通过卡爪将圆筒状超高压试件的前端支撑于三爪卡盘上，将激光位移传感器安装于圆筒状超高压试件的受试部位周围，将应变片沿周向安装于圆筒状超高压试件的外壁；同时，保证连杆的前端伸入圆筒状超高压试件的内腔，并保证刚性环、聚亚安酯加压棒、压紧轴套、锁紧螺母均位于圆筒状超高压试件的内腔；b.当对圆筒状超高压试件的受试部位进行瞬态加载模拟试验时，首先，根据瞬态加载模拟试验要求在工控机内设置圆筒状超高压试件的理想加载压力曲线；然后，工控机控制伺服电机启动，伺服电机驱动传动轴进行旋转，传动轴驱动滑块沿直线导轨进行直线运动，滑块带动试件夹持定位底板进行直线运动，试件夹持定位底板带动圆筒状超高压试件进行直线运动；待圆筒状超高压试件运动至其受试部位与聚亚安酯加压棒位置对应时，工控机控制伺服电机关停；而后，工控机控制电磁换向阀和单向阀打开，并控制主电机启动；电磁换向阀和单向阀共同将前腔液压管路接通，并将后腔液压管路封闭；主电机驱动齿轮泵运行，齿轮泵从油箱内抽取液压介质，并通过前腔液压管路将液压介质充入复合增速/调压缸的前腔；与此同时，工控机控制增压电磁阀打开，并控制气液转换器启动；增压电磁阀将前腔气液管路接通，并将后腔气液管路封闭；高压气瓶向气液转换器充气，气液转换器通过前腔气液管路将液压介质充入复合增速/调压缸的前腔；在来自齿轮泵的液压介质和来自气液转换器的液压介质的共同作用下，复合增速/调压缸的活塞杆带动连杆向后运动；连杆带动聚亚安酯加压棒、压紧轴套、锁紧螺母向后运动；压紧轴套、锁紧螺母、刚性环共同挤压聚亚安酯加压棒所在空间，聚亚安酯加压棒发生径向扩张，并沿径向挤压圆筒状超高压试件的内壁，使得圆筒状超高压试件的内压发生变化；最后，激光位移传感器和应变片共同检测到圆筒状超高压试件的内压变化信号，并将内压变化信号发送至工控机；工控机根据内压变化信号拟合生成实际加载压力曲线，并将实际加载压力曲线与理想加载压力曲线进行对比；如果实际加载压力曲线与理想加载压力曲线相符，则完成一次瞬态加载模拟试验；如果实际加载压力曲线与理想加载压力曲线不相符，则工控机通过PLC控制器控制齿轮泵的转速和气液转换器的转换能力，以此控制液压介质充入复合增速/调压缸的前腔的速度，直至实际加载压力曲线与理想加载压力曲线相符为止；c.当需要将圆筒状超高压试件的内压保持一段时间时，工控机控制增速蓄能器启动；增速蓄能器通过前腔液压管路将压力充入复合增速/调压缸的前腔，以此使得连杆保持静止，进而使得圆筒状超高压试件的内压保持恒定；d.当需要结束对圆筒状超高压试件进行瞬态加载模拟试验时，工控机控制电磁换向阀换向和单向阀打开，并控制主电机启动；电磁换向阀和单向阀 共同将后腔液压管路接通，并将前腔液压管路封闭；主电机驱动齿轮泵运行，齿轮泵从油箱内抽取液压介质，并通过后腔液压管路将液压介质充入复合增速/调压缸的后腔；与此同时，工控机控制增压电磁阀打开，并控制气液转换器启动；增压电磁阀将后腔气液管路接通，并将前腔气液管路封闭；高压气瓶向气液转换器充气，气液转换器通过后腔气液管路将液压介质充入复合增速/调压缸的后腔；在来自齿轮泵的液压介质和来自气液转换器的液压介质的共同作用下，复合增速/调压缸的活塞杆带动连杆向前复位；连杆带动聚亚安酯加压棒、压紧轴套、锁紧螺母向前复位；压紧轴套、锁紧螺母、刚性环停止挤压聚亚安酯加压棒所在空间，聚亚安酯加压棒沿径向复位，并释放对圆筒状超高压试件的内壁的挤压，直至圆筒状超高压试件的内压不再发生变化为止。所述步骤b中，当聚亚安酯加压棒为凸台形聚亚安酯加压棒时，理想加载压力曲线为正弦波形理想加载压力曲线；当聚亚安酯加压棒为高凸台形聚亚安酯加压棒时，理想加载压力曲线为三角波形理想加载压力曲线；当聚亚安酯加压棒为层叠圆台形聚亚安酯加压棒时，理想加载压力曲线为膛压形理想加载压力曲线。本发明所述的超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置及控制方法可针对圆筒状超高压试件反复进行多次瞬态加载模拟试验，实现了短时间内对圆筒状超高压试件的某一受试部位进行反复加压，还可以在滑块的带动下进行运动，实现圆筒状超高压试件与聚亚安酯加压棒接触位置的变化，以此实现对圆筒状超高压试件不同位置的加压模拟，由此成功模拟了瞬态冲击载荷下超高压自增强结构的残余应力稳定性和疲劳损伤。本发明有效解决了目前尚无一种能够模拟瞬态冲击载荷下超高压自增强结构的残余应力稳定性和疲劳损伤的实验系统的问题，适用于火炮身管、化工高压聚乙烯反应管、高压粉末冶金釜、高压管道等超高压设备的设计制造。
图I是本发明所述的超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置的立体结构示意图。图2是本发明所述的超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置的液压系统原理图。图3是本发明所述的试件定位夹持机构和聚亚安脂加载机构的结构示意图。图4是本发明所述的超高压自增强结构瞬态加载模拟试验控制方法中可选的第一种理想加载压力曲线的示意图。图5是本发明所述的超高压自增强结构瞬态加载模拟试验控制方法中可选的第二种理想加载压力曲线的示意图。
图6是本发明所述的超高压自增强结构瞬态加载模拟试验控制方法中可选的第三种理想加载压力曲线的示意图。图7是本发明所述的超高压自增强结构瞬态加载模拟试验控制方法中可选的第四种理想加载压力曲线的示意图。图8是本发明所述的超高压自增强结构瞬态加载模拟试验控制方法中工控机的控制程序流程图。图9是本发明所述的超高压自增强结构瞬态加载模拟试验控制方法中不同结构的聚亚安酯加压棒所对应的不同理想加载压力曲线的示意图。图中1-后腔液压管路，2-前腔液压管路，3-复合增速/调压缸，4-固定限位座，5-中心架，6-调节螺杆，7-传感器安装座，8-激光位移传感器，9-圆筒状超高压试件，10-卡爪，11-三爪卡盘，12-卡盘固定座，13-传动轴，14-伺服电机，15-后腔气液管路，16-前腔气液管路，17-带T型槽的平板，18-工控机，19-电磁换向阀，20-直线导轨，21-试件夹持定位底板，22-增压器，23-主电机，24-压力表，25-单向阀，26-PLC控制器，27-增压电磁阀，28-气液转换器，29-高压气瓶，30-试验台机座，31-油箱，32-液压集成块，33-空气过滤器，34-齿轮泵，35-增速蓄能器，36-固定孔，37-连杆，38-刚性环，39-聚亚安酯加压棒，40-压紧轴套，41-锁紧螺母，43-轴套，44-轴承，45-滑块，46-应变片，47-活塞杆。
具体实施例方式超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置，包括复合增速/调压缸3、液压泵站、气液增压系统、试件定位夹持机构、聚亚安脂加载机构、测试传感器、以及控制系统；
所述液压泵站包括后腔液压管路I、前腔液压管路2、电磁换向阀19、增压器22、主电机23、压力表24、单向阀25、油箱31、液压集成块32、空气过滤器33、齿轮泵34、增速蓄能器35、以及进油/回油口；主电机23的转轴通过增压器22与齿轮泵34的泵轴连接；齿轮泵34的进口与油箱31连通；齿轮泵34的出口和增速蓄能器35的油路均依次通过单向阀25、液压集成块32、后腔液压管路I与复合增速/调压缸3的后腔连通；齿轮泵34的出口和增速蓄能器35的油路均依次通过单向阀25、液压集成块32、前腔液压管路2与复合增速/调压缸3的前腔连通；后腔液压管路I和前腔液压管路2交叉连通，且电磁换向阀19安装于后腔液压管路I和前腔液压管路2的连通口上；压力表24安装于齿轮泵34的出口上；空气过滤器33安装于进油/回油口上；进油/回油口开设于油箱31的箱壁上；
所述气液增压系统包括后腔气液管路15、前腔气液管路16、增压电磁阀27、气液转换器28、以及高压气瓶29 ;高压气瓶29通过增压电磁阀27与气液转换器28连通；气液转换器28通过后腔气液管路15与复合增速/调压缸3的后腔连通；气液转换器28通过前腔气液管路16与复合增速/调压缸3的前腔连通；
所述试件定位夹持机构包括固定限位座4、中心架5、调节螺杆6、卡爪10、三爪卡盘
11、卡盘固定座12、传动轴13、伺服电机14、直线导轨20、试件夹持定位底板21、试验台机座30、轴套43、轴承44、以及滑块45 ;固定限位座4和直线导轨20均安装于试验台机座30上，且固定限位座4位于直线导轨20的后侧；滑块45滑动安装于直线导轨20上，且滑块45螺纹套接于传动轴13上；传动轴13的两端分别支撑于直线导轨20的前端面和后端面上；传动轴13的前端与伺服电机14的转轴连接；试件夹持定位底板21安装于滑块45的上表面；中心架5安装于试件夹持定位底板21的上表面后部；调节螺杆6沿径向插设于中心架5上；卡爪10安装于三爪卡盘11的后端面上；三爪卡盘11的前端依次通过轴套43、轴承44安装于卡盘固定座12上；卡盘固定座12安装于试件夹持定位底板21的上表面前部；所述聚亚安脂加载机构包括连杆37、刚性环38、聚亚安酯加压棒39、压紧轴套40、锁紧螺母41、以及复合增速/调压缸3的活塞杆47 ;连杆37的后端与复合增速/调压缸3的活 塞杆47的前端连接；连杆37的后端支撑于固定限位座4上；刚性环38的后端面与固定限位座4的前端面紧贴；刚性环38、聚亚安酯加压棒39、压紧轴套40自后向前依次套装于连杆37上；锁紧螺母41拧固于连杆37的前端；
所述测试传感器包括传感器安装座7、激光位移传感器8、以及应变片46 ;传感器安装座7安装于试件夹持定位底板21上；激光位移传感器8安装于传感器安装座7上；
所述控制系统包括工控机18、以及PLC控制器26 ;工控机18的信号输入端分别连接激光位移传感器8的信号输出端、应变片46的信号输出端；工控机18的信号输出端通过PLC控制器26分别连接伺服电机14的信号输入端、电磁换向阀19的信号输入端、主电机23的信号输入端、单向阀25的信号输入端、增压电磁阀27的信号输入端、气液转换器29的信号输入端、增速蓄能器35的信号输入端。超高压自增强结构瞬态加载模拟试验控制方法(该方法在本发明所述的一种超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置中完成)，该方法是采用如下步骤实现的
a.选取圆筒状超高压试件9，将圆筒状超高压试件9的后端支撑于中心架上，通过卡爪将圆筒状超高压试件9的前端支撑于三爪卡盘上，将激光位移传感器8安装于圆筒状超高压试件9的受试部位周围，将应变片46沿周向安装于圆筒状超高压试件9的外壁；同时，保证连杆的前端伸入圆筒状超高压试件9的内腔，并保证刚性环、聚亚安酯加压棒、压紧轴套、锁紧螺母均位于圆筒状超高压试件9的内腔；
b.当对圆筒状超高压试件9的受试部位进行瞬态加载模拟试验时，首先，根据瞬态加载模拟试验要求在工控机内设置圆筒状超高压试件9的理想加载压力曲线；然后，工控机控制伺服电机启动，伺服电机驱动传动轴进行旋转，传动轴驱动滑块沿直线导轨进行直线运动，滑块带动试件夹持定位底板进行直线运动，试件夹持定位底板带动圆筒状超高压试件9进行直线运动；待圆筒状超高压试件9运动至其受试部位与聚亚安酯加压棒位置对应时，工控机控制伺服电机关停；而后，工控机控制电磁换向阀和单向阀打开，并控制主电机启动；电磁换向阀和单向阀共同将前腔液压管路接通，并将后腔液压管路封闭；主电机驱动齿轮泵运行，齿轮泵从油箱内抽取液压介质，并通过前腔液压管路将液压介质充入复合增速/调压缸的前腔；与此同时，工控机控制增压电磁阀打开，并控制气液转换器启动；增压电磁阀将前腔气液管路接通，并将后腔气液管路封闭；高压气瓶向气液转换器充气，气液转换器通过前腔气液管路将液压介质充入复合增速/调压缸的前腔；在来自齿轮泵的液压介质和来自气液转换器的液压介质的共同作用下，复合增速/调压缸的活塞杆带动连杆向后运动；连杆带动聚亚安酯加压棒、压紧轴套、锁紧螺母向后运动；压紧轴套、锁紧螺母、刚性环共同挤压聚亚安酯加压棒所在空间，聚亚安酯加压棒发生径向扩张，并沿径向挤压圆筒状超高压试件9的内壁，使得圆筒状超高压试件9的内压发生变化；最后，激光位移传感器和应变片共同检测到圆筒状超高压试件9的内压变化信号，并将内压变化信号发送至工控机；工控机根据内压变化信号拟合生成实际加载压力曲线，并将实际加载压力曲线与理想加载压力曲线进行对比；如果实际加载压力曲线与理想加载压力曲线相符，则完成一次瞬态加载模拟试验；如果实际加载压力曲线与理想加载压力曲线不相符，则工控机通过PLC控制器控制齿轮泵的转速和气液转换器的转换能力，以此控制液压介质充入复合增速/调压缸的前腔的速度，直至实际加载压力曲线与理想加载压力曲线相符为止；
c.当需要将圆筒状超高压试件9的内压保持一段时间时，工控机控制增速蓄能器启动；增速蓄能器通过前腔液压管路将压力充入复合增速/调压缸的前腔，以此使得连杆保持静止，进而使得圆筒状超高压试件9的内压保持恒定；
d.当需要结束对圆筒状超高压试件9进行瞬态加载模拟试验时，工控机控制电磁换向阀换向和单向阀打开，并控制主电机启动；电磁换向阀和单向阀共同将后腔液压管路接通，并将前腔液压管路封闭；主电机驱动齿轮泵运行，齿轮泵从油箱内抽取液压介质，并通过后腔液压管路将液压介质充入复合增速/调压缸的后腔；与此同时，工控机控制增压电磁阀打开，并控制气液转换器启动；增压电磁阀将后腔气液管路接通，并将前腔气液管路封闭；高压气瓶向气液转换器充气，气液转换器通过后腔气液管路将液压介质充入复合增速/调压缸的后腔；在来自齿轮泵的液压介质和来自气液转换器的液压介质的共同作用下，复合增速/调压缸的活塞杆带动连杆向前复位；连杆带动聚亚安酯加压棒、压紧轴套、锁紧螺母向前复位；压紧轴套、锁紧螺母、刚性环停止挤压聚亚安酯加压棒所在空间，聚亚安酯加压棒沿径向复位，并释放对圆筒状超高压试件9的内壁的挤压，直至圆筒状超高压试件9的内压不再发生变化为止。所述步骤b中，当聚亚安酯加压棒为凸台形聚亚安酯加压棒时，理想加载压力曲线为正弦波形理想加载压力曲线；当聚亚安酯加压棒为高凸台形聚亚安酯加压棒时，理想加载压力曲线为三角波形理想加载压力曲线；当聚亚安酯加压棒为层叠圆台形聚亚安酯加压棒时，理想加载压力曲线为膛压形理想加载压力曲线。具体实施时，所述步骤b中的理想加载压力曲线可以根据不同结构的聚亚安酯加压棒选择不同的理想加载压力曲线，如图9所示。所述步骤b中的理想加载压力曲线可以根据瞬态加载模拟试验的要求选择正弦压力曲线(如图4所示)或膛压曲线(如图5所示)或反复加压的恶劣工作条件曲线(如图6、图7所示)。工控机的控制程序流程如图8所示。复合增速/调压缸3通过带T型槽的平板17安装于试验台机座30上。试验台机座30的上表面边缘开设有固定孔36。·
权利要求
1.一种超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置，其特征在于包括复合增速/调压缸(3)、液压泵站、气液增压系统、试件定位夹持机构、聚亚胺脂加载机构、测试传感器、以及控制系统； 所述液压泵站包括后腔液压管路(I)、前腔液压管路(2)、电磁换向阀(19)、增压器(22)、主电机(23)、压力表(24)、单向阀(25)、油箱(31)、液压集成块(32)、空气过滤器(33)、齿轮泵(34)、增速蓄能器(35)、以及进油/回油口 ；主电机(23)的转轴通过增压器(22)与齿轮泵(34)的泵轴连接；齿轮泵(34)的进口与油箱(31)连通；齿轮泵(34)的出口和增速蓄能器(35)的油路均依次通过单向阀(25)、液压集成块(32)、后腔液压管路(I)与复合增速/调压缸(3)的后腔连通；齿轮泵(34)的出口和增速蓄能器(35)的油路均依次通过单向阀(25)、液压集成块(32)、前腔液压管路(2)与复合增速/调压缸(3)的前腔连通；后腔液压管路(I)和前腔液压管路(2)交叉连通，且电磁换向阀(19)安装于后腔液压管路(I)和前腔液压管路(2)的连通口上；压力表(24)安装于齿轮泵(34)的出口上；空气过滤器(33)安装于进油/回油口上；进油/回油口开设于油箱(31)的箱壁上； 所述气液增压系统包括后腔气液管路(15)、前腔气液管路(16)、增压电磁阀(27)、气液转换器(28 )、以及高压气瓶(29 );高压气瓶(29 )通过增压电磁阀(27 )与气液转换器(28 )连通；气液转换器(28)通过后腔气液管路(15)与复合增速/调压缸(3)的后腔连通；气液转换器(28)通过前腔气液管路(16)与复合增速/调压缸(3)的前腔连通； 所述试件定位夹持机构包括固定限位座(4)、中心架(5)、调节螺杆(6)、卡爪(10)、三爪卡盘(11)、卡盘固定座(12)、传动轴(13)、伺服电机(14)、直线导轨(20)、试件夹持定位底板(21)、试验台机座(30)、轴套(43)、轴承(44)、以及滑块(45);固定限位座(4)和直线导轨(20)均安装于试验台机座(30)上，且固定限位座(4)位于直线导轨(20)的后侧；滑块(45)滑动安装于直线导轨(20)上，且滑块(45)螺纹套接于传动轴(13)上；传动轴(13)的两端分别支撑于直线导轨(20)的前端面和后端面上；传动轴(13)的前端与伺服电机(14)的转轴连接；试件夹持定位底板(21)安装于滑块(45)的上表面；中心架(5)安装于试件夹持定位底板(21)的上表面后部；调节螺杆(6)沿径向插设于中心架(5)上；卡爪(10)安装于三爪卡盘(11)的后端面上；三爪卡盘(11)的前端依次通过轴套(43)、轴承(44)安装于卡盘固定座(12)上；卡盘固定座(12)安装于试件夹持定位底板(21)的上表面前部； 所述聚亚胺脂加载机构包括连杆(37)、刚性环(38)、聚亚安酯加压棒(39)、压紧轴套(40)、锁紧螺母(41)、以及复合增速/调压缸(3)的活塞杆(47);连杆(37)的后端与复合增速/调压缸(3)的活塞杆(47)的前端连接；连杆(37)的后端支撑于固定限位座(4)上；刚性环(38)的后端面与固定限位座(4)的前端面紧贴；刚性环(38)、聚亚安酯加压棒(39)、压紧轴套(40)自后向前依次套装于连杆(37)上；锁紧螺母(41)拧固于连杆(37)的前端；所述测试传感器包括传感器安装座(7)、激光位移传感器(8)、以及应变片(46);传感器安装座(7)安装于试件夹持定位底板(21)上；激光位移传感器(8)安装于传感器安装座(7)上； 所述控制系统包括工控机(18)、以及PLC控制器(26);工控机(18)的信号输入端分别连接激光位移传感器(8)的信号输出端、应变片(46)的信号输出端；工控机(18)的信号输出端通过PLC控制器(26)分别连接伺服电机(14)的信号输入端、电磁换向阀(19)的信号输入端、主电机(23)的信号输入端、单向阀(25)的信号输入端、增压电磁阀(27)的信号输入端、气液转换器(29)的信号输入端、增速蓄能器(35)的信号输入端。
2.一种超高压自增强结构瞬态加载模拟试验控制方法，该方法在如权利要求I所述的一种超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置中完成，其特征在于该方法是采用如下步骤实现的 a.选取圆筒状超高压试件(9)，将圆筒状超高压试件(9)的后端支撑于中心架上，通过卡爪将圆筒状超高压试件(9)的前端支撑于三爪卡盘上，将激光位移传感器(8)安装于圆筒状超高压试件(9)的受试部位周围，将应变片(46)沿周向安装于圆筒状超高压试件(9)的外壁；同时，保证连杆的前端伸入圆筒状超高压试件(9)的内腔，并保证刚性环、聚亚安酯加压棒、压紧轴套、锁紧螺母均位于圆筒状超高压试件(9)的内腔； b.当对圆筒状超高压试件(9)的受试部位进行瞬态加载模拟试验时，首先，根据瞬态加载模拟试验要求在工控机内设置圆筒状超高压试件(9)的理想加载压力曲线；然后，工控机控制伺服电机启动，伺服电机驱动传动轴进行旋转，传动轴驱动滑块沿直线导轨进行直线运动，滑块带动试件夹持定位底板进行直线运动，试件夹持定位底板带动圆筒状超高压试件(9)进行直线运动；待圆筒状超高压试件(9)运动至其受试部位与聚亚安酯加压棒位置对应时，工控机控制伺服电机关停；而后，工控机控制电磁换向阀和单向阀打开，并控制主电机启动；电磁换向阀和单向阀共同将前腔液压管路接通，并将后腔液压管路封闭；主电机驱动齿轮泵运行，齿轮泵从油箱内抽取液压介质，并通过前腔液压管路将液压介质充入复合增速/调压缸的前腔；与此同时，工控机控制增压电磁阀打开，并控制气液转换器启动；增压电磁阀将前腔气液管路接通，并将后腔气液管路封闭；高压气瓶向气液转换器充气，气液转换器通过前腔气液管路将液压介质充入复合增速/调压缸的前腔；在来自齿轮泵的液压介质和来自气液转换器的液压介质的共同作用下，复合增速/调压缸的活塞杆带动连杆向后运动；连杆带动聚亚安酯加压棒、压紧轴套、锁紧螺母向后运动；压紧轴套、锁紧螺母、刚性环共同挤压聚亚安酯加压棒所在空间，聚亚安酯加压棒发生径向扩张，并沿径向挤压圆筒状超高压试件(9)的内壁，使得圆筒状超高压试件(9)的内压发生变化；最后，激光位移传感器和应变片共同检测到圆筒状超高压试件(9 )的内压变化信号，并将内压变化信号发送至工控机；工控机根据内压变化信号拟合生成实际加载压力曲线，并将实际加载压力曲线与理想加载压力曲线进行对比；如果实际加载压力曲线与理想加载压力曲线相符，则完成一次瞬态加载模拟试验；如果实际加载压力曲线与理想加载压力曲线不相符，则工控机通过PLC控制器控制齿轮泵的转速和气液转换器的转换能力，以此控制液压介质充入复合增速/调压缸的前腔的速度，直至实际加载压力曲线与理想加载压力曲线相符为止; c.当需要将圆筒状超高压试件(9)的内压保持一段时间时，工控机控制增速蓄能器启动；增速蓄能器通过前腔液压管路将压力充入复合增速/调压缸的前腔，以此使得连杆保持静止，进而使得圆筒状超高压试件(9)的内压保持恒定； d.当需要结束对圆筒状超高压试件(9)进行瞬态加载模拟试验时，工控机控制电磁换向阀换向和单向阀打开，并控制主电机启动；电磁换向阀和单向阀共同将后腔液压管路接通，并将前腔液压管路封闭；主电机驱动齿轮泵运行，齿轮泵从油箱内抽取液压介质，并通过后腔液压管路将液压介质充入复合增速/调压缸的后腔；与此同时，工控机控制增压电磁阀打开，并控制气液转换器启动；增压电磁阀将后腔气液管路接通，并将前腔气液管路封闭；高压气瓶向气液转换器充气，气液转换器通过后腔气液管路将液压介质充入复合增速/调压缸的后腔；在来自齿轮泵的液压介质和来自气液转换器的液压介质的共同作用下，复合增速/调压缸的活塞杆带动连杆向前复位；连杆带动聚亚安酯加压棒、压紧轴套、锁紧螺母向前复位；压紧轴套、锁紧螺母、刚性环停止挤压聚亚安酯加压棒所在空间，聚亚安酯加压棒沿径向复位，并释放对圆筒状超高压试件(9)的内壁的挤压，直至圆筒状超高压试件(9)的内压不再发生变化为止。
3.根据权利要求2所述的超高压自增强结构瞬态加载模拟试验控制方法，其特征在于所述步骤b中，当聚亚安酯加压棒为凸台形聚亚安酯加压棒时，理想加载压力曲线为正弦波形理想加载压力曲线；当聚亚安酯加压棒为高凸台形聚亚安酯加压棒时，理想加载压力曲线为三角波形理想加载压力曲线；当聚亚安酯加压棒为层叠圆台形聚亚安酯加压棒时，理想加载压力曲线为膛压形理想加载压力曲线。
全文摘要
本发明涉及超高压自增强结构的强度与疲劳实验系统，具体是一种超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置及控制方法。本发明解决了目前尚无一种能够模拟瞬态冲击载荷下超高压自增强结构的残余应力稳定性和疲劳损伤的实验系统的问题。超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置包括复合增速/调压缸、液压泵站、气液增压系统、试件定位夹持机构、聚亚胺脂加载机构、测试传感器、以及控制系统；所述液压泵站包括后腔液压管路、前腔液压管路、电磁换向阀、增压器、主电机、压力表、单向阀、油箱、液压集成块、空气过滤器、齿轮泵、增速蓄能器。本发明适用于火炮身管、化工高压聚乙烯反应管、高压粉末冶金釜、高压管道等超高压设备的设计制造。
文档编号G01N3/36GK102937555SQ201210425878
公开日2013年2月20日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者李强, 韩晓明, 周强 申请人:中北大学