一种基于同步辐射的扭转微动疲劳试验设备的制作方法

本实用新型涉及一种基于同步辐射的扭转微动疲劳试验设备。

背景技术：

微动疲劳指“紧固”配合的接触表面由于承受外界交变疲劳应力引起接触界面发生微米量级的相对运动，使疲劳裂纹加速萌生和扩展，从而导致构件过早失效的现象。微动疲劳广泛存在于航空航天、汽车、机械、铁路、电力和生物医学等领域。微动疲劳按承受载荷类型的不同，可以分为拉压微动疲劳、扭转微动疲劳和弯曲微动疲劳等。扭转微动疲劳存在于轨道交通(高铁、动车)的车轴以及电机转轴等重要部件服役中，对我国高速铁路等重大装备服役安全性起着至关重要的作用。

长期以来，人们就工程结构的疲劳破坏问题开展了大量的分析。一般认为，疲劳寿命主要消耗在裂纹萌生与短裂纹扩展阶段。短裂纹的扩展行为宏观上随着裂纹长度增大而发生变化，微观上还受到金属微观组织和环境等因素的影响，再加上裂纹闭合以及小裂纹效应等问题，使得服役过程中扭转载荷下的短裂纹的扩展问题变得十分复杂。为更好地探究裂纹在扩展过程中与微观组织变化以及宏观力学性能的关系，进而为零部件的设计提供更加可靠的依据，需要通过疲劳试验机对零部件进行试验，获取材料在扭转作用下的宏观定量力学参数。

现有的扭转微动疲劳试验设备，是将试样的上、下端，分别夹持在上、下夹具，驱动下夹具扭转，使试样发生扭转微动；达到设定扭转次数后，完成扭转微动疲劳试验。试验完成后，再通过扫描电镜对试验后试样的表面磨斑和剖切后的剖面裂纹进行观察、分析。其存在的问题是：1、试验时，试样单独存在，与任何零部件没有紧密接触；与实际服役中的扭转微动部件总是与其余零部件“紧固”配合接触的工况不符，其试验结果的误差大、可靠性低。2、只能观察分析到试验完成后的表面磨斑和剖面裂纹，而不能动态实时观察记录试样在扭转微动疲劳过程中裂纹和磨斑的发生、发展、变化过程，从而不能分析与研究裂纹、微观组织的扩展过程、变化与“紧固”配合零件间的载荷、扭转的扭矩、角度等宏观力学性能的动态关系，不能为零部件的抗扭转疲劳设计提供更加全面、可靠的依据。

技术实现要素：

本实用新型的发明目的是提供一种基于同步辐射的扭转微动疲劳试验设备，该装置在扭转微动疲劳试验试验时，试样处于与其余零部件紧固配合的状态，与实际工况更接近；其试验结果误差小、可靠性高；能观察、记录、分析裂纹等微观组织在试验中的扩展过程、变化，得出扭转微动件的载荷、扭转扭矩、角度等宏观力学性能与裂纹、微观组织变化的动态关系，从而为零部件的抗扭转疲劳设计提供更加全面、可靠的依据。

本实用新型实现其发明目的，所采用的技术方案为，一种基于同步辐射的扭转微动疲劳试验设备，包括机架、机架上安装有下夹具、下夹具的正上方设有上夹具，上夹具用于夹持试样的上端，下夹具用于夹持试样的下端；其特征在于：

所述的机架的底板固定于伺服电机驱动的回转平台上，底板上方的扭转伺服电机依次通过行星齿轮减速器、后同步轮、同步带、前同步轮与下夹具座的底部相连；所述的下夹具座通过轴承固定于机架的上板上；下夹具座的上部固定连接有下夹具，且下夹具的轴心位于回转平台的回转轴上；上板上还安装有光学角位移传感器，且光学角位移传感器的感应头对准下夹具；所述的轴承的内圈安装有扭矩传感器；

所述的机架上板的左侧、右侧分别对称固定有铰座；竖直的微动加载杆的上部与铰座铰接，上端内侧通过力传感器与加载头相连；下端与横向的电动缸的端部相连；

所述的机架的上板的周缘与有机玻璃筒下部的周缘连接，有机玻璃筒的钢顶盖内壁螺纹连接上夹具；所述的机架的左侧设置有同步辐射光源的发射器，机架的右侧设置有同步辐射光源的接收器，且发射器、接收器与试样处于同一条直线上；光学角位移传感器、扭矩传感器、伺服电机、扭转伺服电机和电动缸均与控制及处理装置电连接。

本实用新型的工作过程和使用方法是：

a、将有机玻璃筒从上板上取下，并将上夹具从有机玻璃筒的钢顶盖上取下；再将试样的下端夹持于下夹具，同时将试样的上端夹持于上夹具；然后将有机玻璃筒连接于上板上，再将上夹具螺纹连接于有机玻璃筒的钢顶盖的底部，完成试样的安装；

b、控制及处理装置控制电动缸伸长，左、右侧的微动加载杆同时沿铰座旋转，其上端向内移动，通过压力传感器、加载头向内夹紧试样，并向试样施加设定的载荷；模拟微动产生的环境；同时由压力传感器实时读取试样承受的载荷，并传送给控制及处理装置；

c、控制及处理装置控制扭转伺服电机，使其按设定的频率往复转动，并依次通过行星齿轮减速器、后同步轮、同步带、前同步轮、下夹具座及下夹具驱动试样作往复扭转运动；轴承内圈上的扭矩传感器实时检测试样承受的扭矩，光学角位移传感器实时检测试样的扭转角度，并反馈给控制及处理装置，实现扭矩的闭环控制；当扭转转动达到设定的循环次数时，控制及处理装置控制扭转伺服电机停止转动；

d、控制及处理装置控制伺服电机，使回转平台带动机架及机架上的试样按设定的速度做360度的转动；同时，同步辐射光源的光发射器发出的同步辐射光穿透有机玻璃筒，再穿透360度转动的试样后，由同步辐射光源的光接收器接收，完成对试样的原位实时三维立体成像；

e、重复c、d步的操作，直至完成试验设定的总扭转次数，结束试验。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

一、本实用新型的装置，将试样的疲劳试验与试样的同步辐射光源成像对接；在试样疲劳试验过程中，通过同步辐射光源直接对准试样，进行分阶段的原位同步辐射成像，实时分阶段得到试样内部的三维立体图像；同步辐射光的亮度高，其图像信噪比高，成像精度与灵敏度高，能获得发生在原子水平的材料扭转疲劳过程中的分阶段图像，这些过程包括生长机制、相变过程、固态作用、裂纹扩展、交界面过程和其他与时间相关的过程；从微观层面全面、精细的表征出试验材料的组织变化、裂纹扩展等信息。结合试验时加载的“紧固”载荷、扭转扭矩及扭转角度、扭转频率及次数，能够全面地观察、分析出试样的力学参数和裂纹等显微组织间的变化、演变关系。从而能为工程零部件的疲劳寿命设计提供更加可靠的试验依据。

二、本实用新型通过电动缸、微动加载杆及加载头夹紧试样，使试样受到设定的“紧固”载荷，模拟出扭转微动部件均是处于其他部件“紧固”配合的环境；使其试验工况与实际的扭转微动部件的工况更接近；其试验结果误差小、可靠性高。

三、通过行星齿轮减速器为核心的减速机构的减速增扭作用，保证了试样在精确的扭矩下进行扭转微动，也使试验结果更精确、可靠。

进一步，本实用新型的轴承为交叉滚子轴承。

这种轴承具有很好的轴向承载力，并可在径向调整预紧力，保证试样在扭转微动时，不会发生水平位移，进一步提高了试验结果的精确和可靠。

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。

附图说明

图1为本实用新型实施例的主视结构示意图。

图2为本实用新型实施例去掉同步辐射光源的接收器和发射器后的左视结构示意图。

具体实施方式

实施例

图1、图2示出，本实用新型的一种具体实施方式是，一种基于同步辐射的扭转微动疲劳试验设备，包括机架3、机架3上安装有下夹具13、下夹具13的正上方设有上夹具10，上夹具10用于夹持试样11的上端，下夹具10用于夹持试样11的下端；其特征在于：

所述的机架3的底板3a固定于伺服电机2a驱动的回转平台2上，底板3a上方的扭转伺服电机4依次通过行星齿轮减速器16、后同步轮18、同步带17、前同步轮19与下夹具座20的底部相连；所述的下夹具座20通过轴承固定于机架3的上板3b上；下夹具座20的上部固定连接有下夹具13，且下夹具13的轴心位于回转平台2的回转轴上；上板3b上还安装有光学角位移传感器6，且光学角位移传感器6的感应头对准下夹具13；所述的轴承的内圈安装有扭矩传感器；

所述的机架3上板3b的左侧、右侧分别对称固定有铰座7；竖直的微动加载杆14的上部与铰座7铰接，上端内侧通过力传感器8与加载头9相连；下端与横向的电动缸15的端部相连；

所述的机架3的上板3b的周缘与有机玻璃筒22下部的周缘连接，有机玻璃筒22的钢顶盖内壁螺纹连接上夹具10；所述的机架3的左侧设置有同步辐射光源的发射器25，机架3的右侧设置有同步辐射光源的接收器24，且发射器25、接收器24与试样11处于同一条直线上；光学角位移传感器6、扭矩传感器、伺服电机2a、扭转伺服电机4和电动缸15均与控制及处理装置电连接。

本例的一种基于同步辐射的扭转微动疲劳试验设备，其特征在于，所述的轴承为交叉滚子轴承。

本例设备的工作过程和使用方法是：

a、将有机玻璃筒22从上板3b上取下，并将上夹具10从有机玻璃筒22的钢顶盖上取下；再将试样11的下端夹持于下夹具13，同时将试样11的上端夹持于上夹具10；然后将有机玻璃筒22连接于上板3b上，再将上夹具10螺纹连接于有机玻璃筒22的钢顶盖的底部，完成试样11的安装；

b、控制及处理装置控制电动缸15伸长，左、右侧的微动加载杆14同时沿铰座7旋转，其上端向内移动，通过压力传感器8、加载头9向内夹紧试样11，并向试样11施加设定的载荷；模拟微动产生的环境；同时由压力传感器8实时读取试样11承受的载荷，并传送给控制及处理装置；

c、控制及处理装置控制扭转伺服电机4，使其按设定的频率往复转动，并依次通过行星齿轮减速器16、后同步轮18、同步带17、前同步轮19、下夹具座20及下夹具13驱动试样11作往复扭转运动；轴承内圈上的扭矩传感器实时检测试样11承受的扭矩，光学角位移传感器6实时检测试样11的扭转角度，并反馈给控制及处理装置，实现扭矩的闭环控制；当扭转转动达到设定的循环次数时，控制及处理装置控制扭转伺服电机4停止转动；

d、控制及处理装置控制伺服电机2a，使回转平台2带动机架3及机架3上的试样11按设定的速度做360度的转动；同时，同步辐射光源的光发射器发出的同步辐射光穿透有机玻璃筒22，再穿透360度转动的试样11后，由同步辐射光源的光接收器接收，完成对试样11的原位实时三维立体成像；

e、重复c、d步的操作，直至完成试验设定的总扭转次数，结束试验。