高溫超聲疲勞試驗系統(tǒng)設計及應用

羅 娟，萬良友，韓冬桂，劉 芳，燕 怒

（武漢紡織大學 機械工程與自動化學院，湖北 武漢 430200）

0 引言

許多機械零部件如汽車、高速列車、航空飛機等的發(fā)動機在正常服役過程中，遠遠超出傳統(tǒng)的 107周次疲勞的壽命設計范圍。美國空軍“發(fā)動機結(jié)構(gòu)完整性大綱ENSIP(Engine Structural Integrity Program)”中規(guī)定“發(fā)動機部件的高周疲勞壽命最低應達到109循環(huán)周次”[1]。另一方面，航空發(fā)動機等關鍵零部件服役環(huán)境日益苛刻，除了要承受高達 1010～1011周次的循環(huán)載荷，還要在高溫環(huán)境下長期工作。目前，超高周疲勞試驗的常用方法之一是利用加載頻率為20KHz的超聲疲勞實驗機來加速實現(xiàn)109周次甚至更高的疲勞循環(huán)加載[2]。常用的加載頻率為100Hz的傳統(tǒng)疲勞試驗機，要實現(xiàn)109以上的疲勞循環(huán)加載，需要一個多月的時間，而超聲疲勞試驗機由于加載頻率高，只需要約14個小時[3]。但是，現(xiàn)有的商用超聲疲勞實驗機只能開展常溫下的超高周疲勞試驗，無法滿足高溫條件下的實驗要求，傳統(tǒng)疲勞實驗機可以滿足高溫環(huán)境要求但實驗周期長，長時間高溫環(huán)境會引起材料基材軟化，導致材料抵抗變形能力降低，并且會促進裂紋的萌生和氧化膜的形成[4]，因此，開發(fā)具有高溫設備的超聲疲勞試驗系統(tǒng)必要且重要。

目前國內(nèi)外高溫環(huán)境下的超聲疲勞試驗系統(tǒng)基本上以自主研發(fā)為主，近期有學者采用了在商用超聲疲勞試驗機的基礎上增加感應加熱設備的方法，很好地完成了高溫環(huán)境下的超高周疲勞性能研究[5-6]，但是無法實現(xiàn)試樣溫度精準控制。為了便于開展復雜環(huán)境下材料超長壽命服役性能研究，急需研發(fā)能夠在高溫環(huán)境下運行的超聲疲勞性能測試系統(tǒng)。因此，我們引入高頻感應加熱的方法設計開發(fā)了一套高溫超聲疲勞試驗系統(tǒng)，同時使用非接觸式紅外溫度傳感器進行實時動態(tài)監(jiān)測用于保障加溫準確可靠。

1 實驗系統(tǒng)概述

本實驗系統(tǒng)以商用超聲疲勞試驗機為核心，外加測溫模塊、加熱模塊協(xié)同中心軟件正常工作，具有較好的擴展改造能力，也可外加制冷模塊和力學加載模塊，實現(xiàn)不同工作環(huán)境和不同加載方式下的實驗需求。本系統(tǒng)由常溫超聲疲勞試驗機改進而成，采用高頻感應加熱設備進行試樣加熱，紅外溫度傳感器準確測溫。圖1為高溫超聲疲勞試驗系統(tǒng)示意圖。

超聲疲勞實驗前，先需要根據(jù)試驗材料的密度、動態(tài)彈性模量等參數(shù)設計出試樣的形狀和尺寸[7]；然后將研磨拋光后的試樣通過螺紋連接在位移放大器末端，另一端懸空。在實驗過程中，超聲發(fā)生器將50Hz的電信號轉(zhuǎn)換為20kHz頻率的正弦波信號輸出，通過換能器，將超聲信號發(fā)生器產(chǎn)生的電信號轉(zhuǎn)換為所需的高頻機械振動信號；位移放大器根據(jù)疲勞加載應力水平，放大（或縮?。Q能器輸出的機械振動振幅[8]。高頻感應加熱設備主要是通過感應線圈給試件中間段加熱，通過水循環(huán)對加熱設備進行冷卻降溫。

2 高頻感應加熱系統(tǒng)

2.1 高頻感應加熱

高頻感應加熱設備基于電磁感應加熱原理，主要工作原理是：將工頻交流電流變換成為幾千至幾百千赫茲的中頻或高頻電流，將高壓變成隔離的低壓并進行阻抗匹配[9]。設備工作時，感應線圈中流過強大的高頻交流電流產(chǎn)生交變磁場，交變磁場在試樣內(nèi)產(chǎn)生感應交變電流，從而實現(xiàn)試樣的迅速均勻加熱。

本系統(tǒng)可以實現(xiàn)PID自動控溫，即自動控制試樣的溫度以及加熱電源的輸出功率，溫度達到設定值后可保持恒溫控制，進而實現(xiàn)溫度的穩(wěn)定控制，溫度控制流程如圖2所示，可實現(xiàn)實時讀取外連接模塊紅外溫度傳感器的溫度。預先設定一個低于設定溫度50℃左右的溫度值，系統(tǒng)會存在一個溫度激增的過程，也就是過沖。紅外溫度傳感器對試件中部的溫度進行動態(tài)實時監(jiān)測，加熱電源根據(jù)當前溫度控制試樣的加熱溫度和電源的輸出功率，等溫度達到預先設定值后，系統(tǒng)保持恒溫運行，再將溫度調(diào)至期望的溫度值。

PID控制器由比例單元(Proportion)、積分單元(Integration)和微分單元(Differentiation)組成[10]，控制原理如圖3。

PID控制規(guī)律是一種較理想的控制規(guī)律，它在比例調(diào)節(jié)減小誤差的基礎上引入積分，消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，結(jié)合微分作用，預測偏差變化的趨勢并提前發(fā)生控制，提高了系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性[11]。

為了實現(xiàn)溫度的穩(wěn)定制，應選取適當?shù)谋壤鲆鍼值，控制加熱速度。加熱應答速度快，會造成溫度過高，振蕩明顯；加熱應答速度慢，不易達到設定溫度[12]。正是由于PID控制規(guī)律在溫度控制方面的優(yōu)勢，本實驗系統(tǒng)可實現(xiàn)試樣的迅速加熱及快速還原試樣的實際溫度[13]，實現(xiàn)溫度的恒定穩(wěn)定控制。

圖2 感應加熱電源PID自動控制流程圖

圖3 PID動控制系統(tǒng)原理圖

圖4 紅外溫度傳感器標定示意圖

2.2 紅外溫度傳感器

紅外測溫的原理是將物體表面發(fā)射的紅外線具有的輻射能轉(zhuǎn)變成電信號，紅外線輻射能的大小與物體本身的溫度相對應，根據(jù)轉(zhuǎn)變成的電信號大小，確定物體的溫度[14]。與傳統(tǒng)的接觸式熱電偶測溫相比，非接觸式的紅外測溫優(yōu)點更加明顯，更適合在高溫超聲疲勞試驗中測量試件表面的溫度。

紅外溫度傳感器測量結(jié)果受試樣在不同溫度下紅外線發(fā)射率影響，為使紅外溫度傳感器準確測得試件中間段表面的溫度，在實驗前應使用熱電偶對其進行標定，如圖4所示。本實驗系統(tǒng)采用的是高精度紅外溫度傳感器，精度為±0.1℃。測溫的關鍵是確定試樣表面的紅外發(fā)射率[15]，使用和試樣同種材料的圓棒，紅外溫度傳感器距離物體為 20cm，熱電偶探頭與紅外溫度傳感器的測溫點應在同一水平截面上，主要目的是提高測溫的準確性。調(diào)節(jié)加熱感應線圈流過的電流大小，待測點溫度達到目標值并穩(wěn)定后，分別記錄紅外溫度傳感器的溫度和熱電偶顯示溫度，紅外溫度傳感器測量結(jié)果受試樣在不同溫度下紅外線發(fā)射率影響，在加熱過程中以熱電偶測量結(jié)果為標準對紅外溫度傳感器測量結(jié)果進行校準，分溫度段進行測量，最后采用插值法求得試樣實際溫度（熱電偶顯示溫度對應的紅外溫度傳感器顯示溫度）。在實驗過程中，在高頻感應加熱設備電源的控制面板上輸入插值得到的紅外溫度傳感器溫度，數(shù)值不一定與實際溫度相等。

感應線圈主要對試樣中間段加熱，造成試樣中間溫度高，兩端溫度低，由于超聲疲勞加載主要是保證試件中間段能與換能器具有相同的共振頻率，只要保證試件中間段溫度分布均勻就可以滿足實驗要求[16]。

3 實驗結(jié)果

為了驗證高溫超聲疲勞試驗系統(tǒng)的可靠性，選取TC4鈦合金為原材料，設計超聲疲勞試驗試樣，并測試了高溫超聲疲勞性能，實驗系統(tǒng)整體如圖5所示。商用超聲疲勞試驗機在加了加熱模塊之后能正常完成循環(huán)載荷加載，需要注意的是高溫實驗前，需先將循環(huán)冷卻水接通，紅外溫度傳感器發(fā)射出的紅外線必須保證在試樣中間段表面處，通過加熱電源控制面板輸入標定過的目標溫度值，紅外溫度傳感器測得的溫度實時反饋給加熱系統(tǒng)控制中心，系統(tǒng)根據(jù)試樣實際溫度調(diào)整感應線圈的輸出功率，從而實現(xiàn)試樣溫度的穩(wěn)定控制。

圖5 高溫超聲疲勞試驗系統(tǒng)

分別在室溫、250℃和350℃下進行疲勞試驗，結(jié)果表明：疲勞壽命和疲勞斷裂行為與外加溫度有關，高溫不僅加快了試樣的斷裂也加速了裂紋的萌生；疲勞極限隨溫度的升高而減小。

本試驗系統(tǒng)采用在商用超聲疲勞試驗機的基礎上增加感應加熱設備的方法，能精準控制試樣溫度，實現(xiàn)高溫環(huán)境下穩(wěn)定循環(huán)加載，同時也能將高溫模塊換成其他模塊比如低溫（0～-60℃），上述實驗結(jié)果證明了本系統(tǒng)的有效性和可靠性，能有效開展復雜環(huán)境下材料的超長壽命性能實驗。

4 結(jié)論

（1）本文為進一步開展高溫下的金屬材料超高周疲勞試驗提供了有效的平臺，本實驗系統(tǒng)可以實現(xiàn)高溫超高周疲勞循環(huán)加載；

（2）本系統(tǒng)可以實現(xiàn)PID自動控溫，完成高溫條件下109周次及以上的應力循環(huán)，并可實現(xiàn)溫度的高精度控制；

（3）通過對TC4鈦合金的高溫疲勞實驗得出的結(jié)果，證明了本系統(tǒng)的有效性。