[發(fā)明專利]螺栓低溫大載荷疲勞性能測(cè)試裝置及方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310222419.7
• 申請(qǐng)日: 2013-06-06
• 公開（公告）號(hào): CN103278391A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 方岱寧;曲兆亮;莊慶偉;裴永茂;張如炳;王戈
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N3/10
• 分類號(hào): G01N3/10;G01N3/02
• 代理公司: 北京萬象新悅知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11360
• 代理人: 朱紅濤

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種螺栓在低溫環(huán)境、大載荷作用下疲勞性能的測(cè)試裝置及方法，采用密閉液氮制冷，最大動(dòng)態(tài)載荷可達(dá)1500kN，可進(jìn)行低溫動(dòng)態(tài)低周疲勞、程控疲勞測(cè)試，實(shí)現(xiàn)螺栓低溫動(dòng)靜力學(xué)性能的表征，特別涉及結(jié)構(gòu)的低溫疲勞力學(xué)性能測(cè)試，屬于低溫力學(xué)測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

低溫技術(shù)對(duì)于國防建設(shè)、國民經(jīng)濟(jì)和科學(xué)研究等諸多領(lǐng)域都是不可缺少的技術(shù)，隨著信息、能源、機(jī)械、航天及生命科學(xué)等工程的迅速發(fā)展，作為它們的相關(guān)支撐技術(shù)，低溫技術(shù)也得到了相當(dāng)?shù)闹匾暫拖鄳?yīng)的發(fā)展。在核能應(yīng)用領(lǐng)域，低溫超導(dǎo)材料可用于制作受控核聚變裝置中數(shù)米口徑的磁體，用于控制核聚變時(shí)釋放出的大量的能量。在航天科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，無論從地面火箭發(fā)射，衛(wèi)星的環(huán)境試驗(yàn)，深空探測(cè)，甚至未來太空空間的資源開發(fā)等工程都離不開低溫技術(shù)的支持。螺栓連接作為一種可拆卸的固定連接形式，由于其具有強(qiáng)度高、可靠性好、安裝方便、易于拆卸等優(yōu)點(diǎn)，在許多低溫設(shè)備、儀器及裝置中有著廣泛的應(yīng)用。但是，螺栓接頭不可避免地存在著起始缺陷，在動(dòng)載荷作用下容易產(chǎn)生疲勞裂紋，尤其是低溫環(huán)境下，螺栓材質(zhì)容易低溫冷脆，疲勞性能更差。此外，雖然理論研究表明，在常溫下測(cè)得的疲勞強(qiáng)度用于低溫零件設(shè)計(jì)一般是安全的，但是螺栓連接容易出現(xiàn)應(yīng)力集中問題，產(chǎn)生疲勞缺口，并且材料在低溫環(huán)境下對(duì)疲勞缺口的敏感性會(huì)有所提高。特別地，如果螺栓連接用于核聚變、航天等國防尖端領(lǐng)域，開展低溫環(huán)境下螺栓連接疲勞性能測(cè)試，保證其安全可靠性是十分必要的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種低溫環(huán)境下螺栓受大載荷作用時(shí)疲勞性能測(cè)試裝置及方法，采用向密閉箱體中充入液氮制冷的方法實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境，采用電液伺服系統(tǒng)產(chǎn)生1500kN的最大動(dòng)態(tài)載荷，可進(jìn)行低溫動(dòng)態(tài)低周疲勞、程控疲勞測(cè)試，實(shí)現(xiàn)對(duì)于螺紋在接近服役環(huán)境下承受大疲勞載荷時(shí)的力學(xué)參數(shù)測(cè)量和變形行為研究，本發(fā)明從低溫疲勞性能測(cè)試方法上進(jìn)行了創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了螺栓低溫疲勞性能的測(cè)試和研究，可行性高，操作簡(jiǎn)單。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案如下：

一種低溫環(huán)境下螺栓受大載荷作用時(shí)疲勞性能測(cè)試裝置，包括低溫箱1，導(dǎo)向柱2，轉(zhuǎn)軸裝置3，上加載拉桿4，試驗(yàn)夾具5，低溫箱門8，液氮輸入口9，限位鎖緊裝置10，橫梁升降裝置11，加載裝置12，橫梁13，控制面板14，位移傳感器15，氮?dú)獬隹?6，基座17和下加載拉桿18，如圖1、圖2所示。

其中，基座17上固定有下加載拉桿18和四個(gè)導(dǎo)向柱2，導(dǎo)向柱2的另一端與橫梁13連接；橫梁升降裝置11兩端分別固定在基座17和橫梁13上，可以調(diào)節(jié)橫梁13沿導(dǎo)向柱2上下移動(dòng)；限位鎖緊裝置10固定在橫梁升降裝置11上，限定橫梁升降裝置11的位移；上加載拉桿4穿過橫梁13與加載裝置12固定連接；加載裝置12固定在橫梁13上，可以驅(qū)動(dòng)橫梁13進(jìn)行加載；位移傳感器15固定在加載裝置12的上部，用于測(cè)量加載位移；低溫箱1通過轉(zhuǎn)軸裝置3與導(dǎo)向柱2連接，保證低溫箱1可以沿著導(dǎo)向柱2轉(zhuǎn)動(dòng)，低溫箱1位于主機(jī)試驗(yàn)空間內(nèi)，利用轉(zhuǎn)軸裝置3鎖死以約束低溫箱1的運(yùn)動(dòng)；下加載拉桿18和上加載拉桿4分別穿過低溫箱1頂部和底部的拉桿引出口，低溫箱1和上加載拉桿4之間的縫隙利用波紋管和密封墊密封；試驗(yàn)夾具5與上加載拉桿4固定連接；低溫箱門8上部有液氮輸入口9，下部有氮?dú)獬隹?6；控制面板14固定在導(dǎo)向柱2上，用于控制加載過程。

使用上述裝置進(jìn)行低溫環(huán)境下螺栓受大載荷作用時(shí)疲勞性能測(cè)試的方法如下：

步驟101，將待測(cè)試螺栓6通過螺帽7裝夾在試驗(yàn)夾具5上；

步驟102，將低溫箱門8密封關(guān)閉，利用液氮儲(chǔ)存罐通過箱門8上的液氮輸入口9向低溫箱1內(nèi)輸入液氮，當(dāng)液面計(jì)達(dá)到上限位置時(shí)停止輸入液氮，利用熱電偶測(cè)量低溫箱內(nèi)的溫度，在試驗(yàn)過程中，為了保證試驗(yàn)條件的穩(wěn)定性，當(dāng)液氮消耗至液面計(jì)下限位置時(shí)，又開始向低溫箱1內(nèi)輸送液氮直到液面計(jì)上限為止，此外考慮到疲勞試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，液氮儲(chǔ)存罐選用三只，配以位式控制裝置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換、自動(dòng)報(bào)警、不間斷向低溫箱1中輸送液氮；

步驟103，當(dāng)達(dá)到試驗(yàn)溫度時(shí)，設(shè)置橫梁升降裝置11上的限位鎖緊裝置10，通過控制面板14來控制加載裝置12和橫梁升降裝置11，選擇所需的控制波形(正弦、方波、三角波等)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)橫梁13的上下移動(dòng)進(jìn)行疲勞載荷的加載；

步驟104，通過位移傳感器15測(cè)量螺栓的疲勞變形數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將數(shù)據(jù)輸入到外部計(jì)算機(jī)中，處理得到所需的圖形和參數(shù)信息；

步驟105，試驗(yàn)結(jié)束后可以通過對(duì)低溫箱1加壓將剩余的液氮通過低溫箱門8上的氮?dú)獬隹?6反壓回液氮儲(chǔ)存罐；