可调式纵-扭复合振动的超声疲劳试验变幅杆及试验方法

本发明涉及疲劳试验，尤其涉及超声疲劳试验。

背景技术：

1、疲劳失效是指材料在周期性、重复性机械应力和应变作用下，在材料的一处或几处(例如尖锐的末端，凹口或夹杂物处)，会形成应力集中的点，逐渐产生局部永久性累积损伤，进而产生裂纹或突然发生完全断裂，使材料失效的过程。据统计，工程构件90％的故障是由于疲劳失效造成的，而机械构件故障会导致很严重的事故，例如飞机失事、交通事故等。为避免此类事件的发生，在机械设计、制造时，必须进行材料的疲劳试验测试。

2、常规的机械构件在其服役的寿命周期内承受的周期性载荷次数低于107，因此，当试件的循环载荷次数超过107而不被破坏，则可认为该试件拥有无限疲劳寿命。故能用常规的油压疲劳试验机完成疲劳试验。

3、但随着现代机械向高速、高龄化方向发展，很多的机械和工程构件，如车辆的内燃机、航空涡轮叶片和发电机组件，其承受的重复载荷次数可高达109～1012。一台以3000r/min速度运行的涡轮发电机在20年服役期内，就要经历1010个应力循环。用一台20hz的常规油压疲劳试验机对试件进行疲劳试验，如应力循环加载要达到109个应力循环，则需要长达1.6年才能完成；使得常规的油压疲劳试验机难以完成高速、高龄化机械和工程构件的疲劳试验。

4、近年来出现的超声疲劳试验机，使用20khz的工作(共振)频率，只需14h即可对完成109个应力循环的疲劳试验；已大量运用于高速、高龄化机械和工程构件的疲劳试验。其组成是：计算机与超声波发生器连接，超声波发生器再与压电转换器电连接，压电转换器安装在变幅杆顶部，变幅杆下端待测试件的一端连接。其试验方法和原理是：首先通过计算设计满足共振条件的试件及振幅与频率；再由计算机控制超声波发生器产生具有系统共振频率的超声交变(20khz)电信号；再由压电转换器将超声电信号转换为具有系统共振频率的超声(高频率)纵向振动；最后由变幅杆放大来自压电转换器的纵向振动，放大后的超声纵向振动最后传递给待测试件，从而达到疲劳试验的目的。

5、但现有的超声波疲劳试验机都是利用单纯的纵向共振波，对试件材料进行纵向载荷的加载。但许多高速、高龄化的机械构件，如飞机发动机叶片、涡轮发电机的涡轮等部件，在实际的工况下，不仅承受纵向(轴向)振动载荷，同时也会承受周向的扭转载荷。使用现有的超声波疲劳试验机，对这些承受纵-扭复合振动的试件进行的疲劳试验，与其实际工况不符，得出的试验数据不准确，无法对高速、高龄化机械构件的抗疲劳设计、制造和维护提供准确、可靠的试验依据。

技术实现思路

1、本发明的第一发明目的是提供一种可调式纵-扭复合振动的超声疲劳试验变幅杆，使用该变幅杆进行超声疲劳试验，不仅能测试出试件在纵向的高频低幅载荷下的疲劳寿命，更能测试出试件在纵向和扭转复合振动载荷下的疲劳寿命；且可自由调节纵-扭复合振动的扭振幅度，方便的获得不同纵-扭复合振动下试件的谐响应和疲劳寿命；进而为纵—扭复合振动工况下的高速、高龄机械部件的抗疲劳设计、疲劳机理研究和疲劳寿命预测提供更准确、更可靠的试验依据。

2、本发明实现其第一发明目的所采用的技术方案是，一种可调式纵-扭复合振动的超声疲劳试验变幅杆，包括上部的大圆柱体主杆、下部的小圆柱体夹具、大圆柱体主杆的顶面设有与超声疲劳试验机的压电换能器连接的螺纹孔，小圆柱体夹具的下端面设有与待测试样连接的螺纹孔，其特征在于：所述的大圆柱体主杆的中部在圆周方向的侧面上，安装有倾斜角度可调的、长条状的扭转调节体。

3、进一步，上述的大圆柱体主杆侧面上的扭转调节体的具体安装结构是：

4、所述的大圆柱体主杆的中部在圆周方向被切削成四个相同的矩形侧平面，矩形侧平面的中部设有圆形凹面，圆形凹面的中心设有中心螺孔，中心螺孔的外周均匀设有三个对称的压盘锁紧螺孔；

5、所述的大圆柱体主杆的圆形凹面中安装有轨道压盘，其安装的具体结构是：内六角的压盘沉头螺栓穿过轨道压盘的边孔与压盘锁紧螺孔螺纹连接；且所述的轨道压盘的周面形状为外大内小的台阶；

6、所述的轨道压盘的外表面安装扭转调节体，其安装的具体结构是：中心锁紧螺栓穿过扭转调节体的中心通孔及轨道压盘的中心通孔与圆形凹面的中心螺孔螺纹连接；

7、所述的扭转调节体两侧的内表面设有用于固定扭转调节体角度的角度固定件；所述的角度固定件的形状为外小内大的l形台阶，角度固定件的外小内大的l形台阶与轨道压盘周面的外大内小的台阶配合；且角度锁紧螺栓由内至外穿过角度固定件的角度锁紧孔及扭转调节体的角度锁紧孔后，连接角度锁紧螺母；

8、更进一步，本发明的扭转调节体两侧的外表面开有凹槽，所述的角度锁紧螺母位于凹槽中。

9、更进一步：本发明的圆形凹面上标有旋转角度，水平为0°。

10、本发明的第二发明目的是提供一种使用上述的可调式纵-扭复合振动的超声疲劳试验变幅杆，进行纵-扭复合振动的超声疲劳试验方法。该种方法不仅能测试出试件在纵向的高频低幅载荷下的疲劳寿命，更能测试出试件在纵向和扭转复合振动载荷下的疲劳寿命；且可自由调节纵-扭复合振动的扭振幅度，方便的获得不同纵-扭复合振动下试件的谐响应和疲劳寿命；进而为纵—扭复合振动工况下的高速、高龄机械部件的抗疲劳设计、疲劳机理研究和疲劳寿命预测提供更准确、更可靠的试验依据。

11、本发明实现其第二发明目的所采用的技术方案是，一种使用上述的可调式纵-扭复合振动的超声疲劳试验变幅杆，进行纵-扭复合振动下的超声疲劳试验的方法，其操作是：

12、a、将超声疲劳试验机的压电换能器上的连接螺栓连接固定于变幅杆的大圆柱体主杆顶面的螺纹孔中；并将待测试样螺纹固定在变幅杆下部的小圆柱体夹具的下端面的螺纹孔；

13、b、拧松中心锁紧螺栓和角度锁紧螺母，将扭转调节体及角度固定件沿轨道压盘周向转动，使扭转调节体的倾斜角度转至设定角度，再拧紧中心锁紧螺栓和角度锁紧螺母，使扭转调节体保持设定的倾斜角度；

14、c、开启超声疲劳试验机，通过计算机控制超声波发生器产生设定频率和振幅的超声电信号，并由压电转换器转换为垂直的纵向超声振动信号，带动变幅杆进行纵向超声振动；变幅杆在纵向超声振动的同时，长条形的倾斜的扭转调节体受到空气的阻力，空气的阻力在倾斜的扭转调节体上产生周向分力；使变幅杆发生扭转振动；纵向振动与扭转振动叠加，变幅杆放大输出纵-扭复合振动，使待测试样产生设定频率和振幅的纵-扭复合超声振动；

15、在待测试样产生纵-扭复合超声振动的同时，通过高速光位移计、示波器测试并记录测待测试样的振动情况，获得设定频率和振幅的纵-扭复合振动下，待测试样的谐响应数据；直至达到设定的振动次数，停止试验。

16、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

17、一、通过松开、拧紧中心锁紧螺栓和角度锁紧螺母，调节角度固定件在轨道压盘的周向位置，即可调节变幅杆的扭转调节体的倾斜角度。

18、当扭转调节体的倾斜角度为零时，则空气阻力正对扭转调节体，不会在扭转调节体上产生周向分力，扭转调节体及变幅杆不会产生扭转振动，待测试件上也只有单纯的纵向振动载荷。此时，即可普通的纵向振动下的超声疲劳试验，测试出试件在纵向振动载荷下的疲劳寿命。

19、当扭转调节体的倾斜角度不为零时，则空气阻力斜对扭转调节体，会在扭转调节体上产生周向分力，扭转调节体及变幅杆会产生扭转振动；待测试件上产生的是纵-扭复合振动。此时，即可进行纵-扭复合振动下的超声疲劳试验，测试出试件在纵-扭复合振动下的疲劳寿命。

20、二、无需更换扭转调节体、更无需更换变幅杆，只需通过松开、拧紧中心锁紧螺栓和角度锁紧螺母，即可自由调节纵-扭复合振动的扭转振动幅度(纵-扭振动比)。在同一扭转调节体上，简单、高效、方便、快速的实现了不同扭转振动幅度的纵-扭复合振动超声疲劳试验；同时，也避免了更换扭转调节体或变幅杆可能带来的误差，提高了试验的可比性和可靠性。

21、总之，本发明不仅能测试出试件在纵向的高频低幅载荷下的疲劳寿命，更能测试出试件在纵向和扭转复合振动载荷下的疲劳寿命；且可自由调节纵-扭复合振动的扭振幅度，方便的获得不同纵-扭复合振动下试件的谐响应和疲劳寿命；进而为纵—扭复合振动工况下的高速、高龄机械部件的抗疲劳设计、疲劳机理研究和疲劳寿命预测提供更准确、更可靠的试验依据。

22、下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。