一種高寒氣候環(huán)境疲勞試驗(yàn)設(shè)備的研制

肖勇，吳帥，王寶瑞，羅來(lái)正，王曉輝，吳洋

一種高寒氣候環(huán)境疲勞試驗(yàn)設(shè)備的研制

肖勇1，吳帥1，王寶瑞2，羅來(lái)正1，王曉輝1，吳洋1

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.中國(guó)兵器裝備集團(tuán)公司，北京 100089）

目的研制一臺(tái)高寒氣候環(huán)境疲勞試驗(yàn)設(shè)備。方法針對(duì)裝備材料在服役過(guò)程中承受高寒氣候環(huán)境-拉、壓、彎載荷耦合作用的工況，分析高寒環(huán)境與力學(xué)因素對(duì)材料的交互影響，確定設(shè)備的工作原理和功能特點(diǎn)。通過(guò)分析設(shè)備本身的工作環(huán)境及特點(diǎn)，對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)及可靠性進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，研制一臺(tái)高寒氣候環(huán)境疲勞試驗(yàn)設(shè)備。結(jié)果該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)載荷和頻率等試驗(yàn)參數(shù)的精確控制，能通過(guò)更換試驗(yàn)夾具分別開(kāi)展高寒氣候環(huán)境中的拉伸、壓縮和彎曲疲勞試驗(yàn)。結(jié)論新研制的設(shè)備適用于評(píng)價(jià)材料在高寒氣候環(huán)境中的疲勞性能。

高寒氣候環(huán)境；疲勞；耦合作用；試驗(yàn)設(shè)備

我國(guó)東北地區(qū)因緯度高而形成的特別寒冷的氣候區(qū)，年平均溫度僅-1.8 ℃，平均年溫差達(dá)70 ℃以上，空氣較濕潤(rùn)，年日照時(shí)數(shù)將近2000 h，日照百分率達(dá)到70%[1]。這種溫度低、溫差大、太陽(yáng)輻射強(qiáng)的高寒氣候環(huán)境對(duì)裝備環(huán)境適應(yīng)性提出了嚴(yán)峻的考驗(yàn)[2—6]。在高寒氣候環(huán)境中服役的裝備材料，由于長(zhǎng)時(shí)間的復(fù)雜高寒氣候環(huán)境與反復(fù)的拉伸、壓縮、彎曲等工況載荷的耦合作用，導(dǎo)致裝備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件和部分功能件提前腐蝕/老化失效，服役壽命顯著低于設(shè)計(jì)使用壽命，嚴(yán)重影響裝備的可靠性和安全服役能力[7—13]。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于高寒氣候環(huán)境與拉、壓、彎載荷耦合作用下的材料力學(xué)性能試驗(yàn)沒(méi)有有效的方法，也沒(méi)有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備。國(guó)外如美國(guó)、英國(guó)等十分重視高原高寒環(huán)境模擬試驗(yàn)技術(shù)研究，建成了可以模擬高原高寒地區(qū)環(huán)境溫度、大氣壓力、環(huán)境濕度及日照的高原高寒地區(qū)環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)室[14]。為了掌握環(huán)境因素與拉、壓、彎載荷工況交互作用對(duì)材料性能的影響，國(guó)內(nèi)研究人員在普通疲勞試驗(yàn)裝置基礎(chǔ)上增加能夠模擬溫度、濕度等環(huán)境因素的環(huán)境箱，如中國(guó)專利“深冷環(huán)境材料力學(xué)性能檢測(cè)試驗(yàn)裝置（CN 1027- 98573 A）”公開(kāi)了一種可實(shí)現(xiàn)從常溫到液氮溫度的材料疲勞試驗(yàn)裝置[15]，中國(guó)專利“液氦溫區(qū)材料三點(diǎn)彎曲多試樣連續(xù)測(cè)試裝置（CN 103900914 A）”公開(kāi)了一種低溫下多試樣自動(dòng)換樣、一次裝樣可連續(xù)測(cè)試多個(gè)試樣的三點(diǎn)彎曲測(cè)試裝置[16]。這些裝置通常僅能進(jìn)行單一環(huán)境條件的模擬，不能真實(shí)反映復(fù)雜的高寒氣候環(huán)境中溫度、太陽(yáng)輻射等因素與拉、壓、彎工況載荷耦合作用下的材料力學(xué)性能變化。因此，提供先進(jìn)、有效的試驗(yàn)設(shè)備研究高寒氣候環(huán)境與拉、壓、彎載荷耦合作用下裝備材料的力學(xué)性能變化，已經(jīng)成為保障裝備高寒氣候環(huán)境服役必不可少的要求。

文中研制了一臺(tái)高寒氣候環(huán)境疲勞試驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、操作方便等特點(diǎn)，能夠滿足材料在真實(shí)的高寒戶外環(huán)境中進(jìn)行拉伸、壓縮和彎曲試驗(yàn)，有效地評(píng)估高寒氣候環(huán)境與拉、壓、彎載荷耦合作用下的裝備材料力學(xué)性能變化。

1 設(shè)備功能特點(diǎn)

該設(shè)備是一款能在低溫、高寒戶外環(huán)境下工作的機(jī)電式動(dòng)靜載荷疲勞試驗(yàn)裝置，適用于研究工作在高寒大氣環(huán)境中承受拉、壓、彎載荷工況的材料力學(xué)性能變化。設(shè)備可同時(shí)安裝5套夾具進(jìn)行5件試樣的試驗(yàn)，顯著提高了試驗(yàn)效率。可調(diào)節(jié)裝夾試樣角度，滿足不同的光照條件要求。設(shè)備可針對(duì)試驗(yàn)材料需長(zhǎng)期在高寒大氣環(huán)境中承受靜載荷（拉、壓或彎）的工況，通過(guò)靜載加載機(jī)構(gòu)加載后進(jìn)行靜態(tài)暴露試驗(yàn)，也可針對(duì)工作在高寒大氣環(huán)境中的材料長(zhǎng)期經(jīng)受環(huán)境侵蝕和動(dòng)載荷（拉、壓或彎）反復(fù)作用的工況，進(jìn)行材料的疲勞試驗(yàn)。因而相對(duì)于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室模擬試驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備能更好地模擬高寒環(huán)境中材料的實(shí)際服役工況，評(píng)估材料的疲勞性能變化，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)于指導(dǎo)選材更具可參考性。

該設(shè)備采用伺服電機(jī)閉環(huán)控制原理，可根據(jù)需要對(duì)載荷類型、載荷量值、加載頻率等試驗(yàn)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)裝置對(duì)被測(cè)試樣實(shí)施拉、壓、彎的動(dòng)/靜態(tài)高精度加載。試驗(yàn)設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)：載荷類型包括拉伸、壓縮、彎曲，試驗(yàn)力為1~50 kN，示值精確度≤±0.5％，加載頻率為1~20Hz。

2 設(shè)備工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

該裝置采用伺服電機(jī)閉環(huán)控制原理，控制系統(tǒng)通過(guò)控制超大功率變頻伺服電機(jī)，通過(guò)軸承帶動(dòng)電動(dòng)伺服剛體內(nèi)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)活塞進(jìn)行上下線性運(yùn)動(dòng)?？刂葡到y(tǒng)通過(guò)控制電機(jī)的功率和頻率精確控制作動(dòng)器缸體內(nèi)活塞上下移動(dòng)的位移及動(dòng)載荷大小、頻率和波形。作動(dòng)器缸體活塞與夾有被測(cè)試樣的夾具通過(guò)機(jī)械連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)裝置對(duì)被測(cè)樣實(shí)施拉、壓、彎的動(dòng)態(tài)高精度加載，連接在夾具上的位移傳感器和變形傳感器將信號(hào)反饋給控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)載荷補(bǔ)償。

為了評(píng)估材料在真實(shí)高寒氣候環(huán)境中的疲勞性能，該設(shè)備需長(zhǎng)期放置在高寒戶外環(huán)境中工作，設(shè)備本身將承受嚴(yán)酷的低溫環(huán)境，為了保證設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，設(shè)備安裝分為室外和室內(nèi)兩部分。其中，易于受環(huán)境腐蝕/老化影響的電控系統(tǒng)、動(dòng)載加載機(jī)構(gòu)、主機(jī)角度調(diào)整機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)安裝于鋼筋混凝土基礎(chǔ)設(shè)施的室內(nèi)控溫控濕環(huán)境，主機(jī)框架、橫梁鎖緊系統(tǒng)、試樣夾具、靜載加載機(jī)構(gòu)等安裝于地上戶外環(huán)境。設(shè)備安裝如圖1所示。

高寒氣候環(huán)境疲勞試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)備由主機(jī)框架、橫梁鎖緊系統(tǒng)、主機(jī)角度調(diào)整機(jī)構(gòu)、夾具系統(tǒng)、靜載加載機(jī)構(gòu)、動(dòng)載加載機(jī)構(gòu)、電控系統(tǒng)等組成。主機(jī)框架采用閉式結(jié)構(gòu)，兩根立柱固定在基座上，移動(dòng)梁套裝在立柱上，構(gòu)成了受力的基本框架。移動(dòng)橫梁上固定靜載加載機(jī)構(gòu)，在移動(dòng)橫梁兩側(cè)裝有鎖緊系統(tǒng)，橫梁鎖緊系統(tǒng)采用螺栓鎖緊形式，提供了保證試驗(yàn)成功的夾緊力。設(shè)備靜載加載機(jī)構(gòu)主要元件為渦輪蝸桿升降機(jī)，通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)手柄對(duì)樣品產(chǎn)生推拉力，以達(dá)到靜態(tài)加載的目的。動(dòng)載加載機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用加裝量塊的形式調(diào)節(jié)振幅，可以實(shí)現(xiàn)不同振幅的疲勞試驗(yàn)。為了滿足光照等環(huán)境條件，更好地模擬真實(shí)環(huán)境中材料的服役工況，設(shè)計(jì)了角度調(diào)整機(jī)構(gòu)，可根據(jù)需求將裝置調(diào)整到與水平面成30°，45°等角度。同時(shí)為了滿足不同的載荷工況（拉、壓、彎）需求，設(shè)計(jì)了拉伸、壓縮和彎曲三類夾具，夾具材料均采用3Cr13不銹鋼材質(zhì)，拉伸夾具采用手動(dòng)楔形結(jié)構(gòu)，壓縮夾具采用上下兩側(cè)壓盤形式，彎曲夾具采用三點(diǎn)彎曲形式，三類夾具連接接口通用。

現(xiàn)有的模擬環(huán)境疲勞試驗(yàn)裝置未能真實(shí)模擬復(fù)雜多變的高寒氣候環(huán)境，因而無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估裝備材料在高寒環(huán)境中的疲勞性能，對(duì)指導(dǎo)裝備選材，工藝優(yōu)化難以提供有效支撐。該設(shè)備直接放置于高寒戶外大氣環(huán)境中，環(huán)境做到絕對(duì)真實(shí)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也充分考慮設(shè)備自身部組件對(duì)試驗(yàn)樣品的遮擋作用，設(shè)計(jì)了角度調(diào)整機(jī)構(gòu)以調(diào)整試樣暴露角度，并在保證機(jī)械穩(wěn)定性的前提下盡量縮減了移動(dòng)橫梁及夾具的尺寸，確保試驗(yàn)樣品能夠直接暴露在高寒氣候環(huán)境中。

3 設(shè)備可靠性分析

設(shè)備直接放置在高寒氣候環(huán)境中，承受風(fēng)吹雨淋、寒冷低溫等環(huán)境因素的影響，工作條件十分惡劣。為了保證設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，設(shè)備采用分離式布置，電控系統(tǒng)、動(dòng)載加載機(jī)構(gòu)、主機(jī)角度調(diào)整機(jī)構(gòu)等安裝于鋼筋混凝土基礎(chǔ)設(shè)施的室內(nèi)環(huán)境，并通過(guò)恒溫恒濕保持系統(tǒng)保持室內(nèi)處于恒定的溫度和濕度。主機(jī)框架、橫梁鎖緊系統(tǒng)、試樣夾具、靜載加載機(jī)構(gòu)等部組件直接放置在高寒氣候環(huán)境中，試樣夾具采用不銹鋼材質(zhì)，具有非常強(qiáng)的防腐耐蝕效果。立柱采用鍍硬鉻處理，在提高耐蝕性的基礎(chǔ)上同時(shí)提高了立柱耐磨性。其他直接暴露在環(huán)境中的零件采用熱鍍鋅工藝，鍍鋅層覆蓋在零件的表面上，可以避免鋼基體與腐蝕環(huán)境直接接觸。

高寒氣候環(huán)境疲勞試驗(yàn)設(shè)備的剛度及共振仿真分析如圖3所示。當(dāng)設(shè)備上橫梁上升到最高點(diǎn)時(shí)，設(shè)備整體強(qiáng)度最低，因此以上橫梁在最高點(diǎn)時(shí)為分析模型，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)求解。在上橫梁中心安裝夾具過(guò)度盤螺栓孔處施加100 kN拉力，對(duì)設(shè)備進(jìn)行靜力下的結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明：在100 kN的拉力下，設(shè)備在方向（圖3a箭頭方向）的最大位移為0.209 mm，按線性彈性變形，200 kN時(shí)變形為0.418 mm，大于設(shè)備要求的框架剛度200 kN/mm。隨后對(duì)設(shè)備上橫梁分別施加不同方向的載荷（平行、垂直和扭轉(zhuǎn)）進(jìn)行了共振分析，結(jié)果表明，當(dāng)載荷垂直上橫梁時(shí)（圖3b箭頭方向），共振頻率最小，為21 Hz，低于設(shè)備的最大加載頻率，且設(shè)備工作時(shí)載荷方向與此方向不一致，因此該設(shè)備在額定參數(shù)下工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。

綜合以上分析，新研制的高寒環(huán)境疲勞試驗(yàn)設(shè)備具有良好的防腐保護(hù)，設(shè)備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠滿足在高寒室外環(huán)境中有效可靠的評(píng)價(jià)材料疲勞性能的要求。目前正在進(jìn)行某新型材料的高寒環(huán)境-疲勞載荷耦合試驗(yàn)。

4 結(jié)語(yǔ)

該設(shè)備適用于研究工作在高寒大氣環(huán)境中承受拉、壓、彎載荷的材料力學(xué)性能變化。利用該設(shè)備對(duì)材料在真實(shí)寒冷低溫大氣環(huán)境中的疲勞性能進(jìn)行評(píng)估，對(duì)應(yīng)用于高寒氣候環(huán)境下的裝備、器械的設(shè)計(jì)、選材，提高裝備與器械的性能與壽命、增強(qiáng)我國(guó)國(guó)防力量和工業(yè)實(shí)力等具有重要的指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

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Development of a Kind of Fatigue Test Equipment for Cold Climate Environment

XIAO Yong1, WU Shuai1, WANG Bao-rui2, LUO Lai-zheng1, WANG Xiao-hui1, WU Yang1

(1.Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China;2.China South Industries Group Corporation, Beijing 100089, China)

Objective To develop a kind of fatigue test equipment for cold climate environment. Methods Based on the service process of equipment materials under the coupling conditions of cold climate-tension, compression and bending load, interaction effects of environmental and mechanical factors were analyzed to determine working principles and function characteristics of the new equipment. Structure and reliability of the equipment were designed reasonably through analysis on working environment and characteristics of the equipment itself to design and develop a kind of fatigue test equipment for cold climate environment. Results The test equipment could accomplish precise control of test parameters such as load and frequency, and carry out the tensile, compression and bending test in the cold climate environment by changing the test fixture. Conclusion The newly developed equipment is suitable for investigating tensile, compressive and flexural properties of materials in cold climate.

cold climate; fatigue; coupling effect; test equipment

10.7643/ issn.1672-9242.2017.08.002

TJ01；TH871

A

1672-9242(2017)08-0011-04

2017-04-23；

2017-05-22

肖勇（1979—），男，湖南常德人，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境試驗(yàn)與環(huán)境適應(yīng)性評(píng)價(jià)。