本實(shí)用新型涉及疲勞試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種適用于高溫高壓水或蒸汽環(huán)境中微動(dòng)疲勞試驗(yàn)用恒定法向力加載裝置。

背景技術(shù)：

微動(dòng)（fretting）就是在兩個(gè)接觸表面發(fā)生的一種磨損現(xiàn)象，通常出現(xiàn)在有微小的、連續(xù)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)的接觸表面上，一般其位移幅度為微米量級(jí)，通常在幾十到一百多微米之間。微動(dòng)疲勞是指構(gòu)件在循環(huán)載荷的作用下，由于表面某一部位與其它接觸表面產(chǎn)生小振幅相對(duì)滑動(dòng)而導(dǎo)致構(gòu)件疲勞強(qiáng)度降低或早期斷裂的現(xiàn)象。微動(dòng)疲勞（Fretting Fatigue，F(xiàn)F）現(xiàn)象廣泛存在于機(jī)械、交通、電力、航空航天，乃至生物醫(yī)學(xué)工程等領(lǐng)域，它會(huì)加速零部件的疲勞裂紋萌生與擴(kuò)展，從而明顯降低服役壽命，甚至造成災(zāi)難性事故，因此微動(dòng)損傷被稱為工業(yè)中的癌癥。研究表明，微動(dòng)能使構(gòu)件的疲勞壽命降低20%~80%，甚至更低。因此，系統(tǒng)地研究微動(dòng)疲勞的損傷行為及防護(hù)措施，具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。

在微動(dòng)疲勞試驗(yàn)中，保持法向力長(zhǎng)期穩(wěn)定加載至關(guān)重要，這是定量表征微動(dòng)對(duì)材料疲勞壽命影響的關(guān)鍵。而目前常用的微動(dòng)疲勞法向力加載方法是螺栓加載或應(yīng)力環(huán)加載，這種方法的缺點(diǎn)在于：隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，墊片與試樣之間將發(fā)生磨損，因此導(dǎo)致兩者之間的法向力無法保持恒定，會(huì)持續(xù)減小，甚至出現(xiàn)法向力為零。這種方法在常溫常壓下或許能夠采用人工進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償法向力的損失，但是在高溫高壓密閉環(huán)境中，人工無法進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償，而且人工調(diào)整補(bǔ)償并不能做到實(shí)時(shí)調(diào)整。

本實(shí)用新型旨在解決上述加載裝置的缺陷，實(shí)時(shí)補(bǔ)償因墊片與試樣發(fā)生磨損后而損失的力值，保持法向力值的恒定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供一種微動(dòng)疲勞試驗(yàn)中的恒定法向力加載裝置。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：一種微動(dòng)疲勞試驗(yàn)中的恒定法向力加載裝置，設(shè)置在微動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)上用于對(duì)試樣進(jìn)行法向力加載，所述試樣通過夾具固定地連接在所述疲勞試驗(yàn)機(jī)的主軸上，所述法向力加載裝置包括設(shè)置在所述試樣的相異兩側(cè)以分別沿徑向壓緊所述試樣的兩組壓緊墊片、分別用于施加兩組所述壓緊墊片以壓緊力的壓持機(jī)構(gòu)，所述壓持機(jī)構(gòu)包括固設(shè)在所述微動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)機(jī)座上的直線電機(jī)、固接于所述直線電機(jī)的電機(jī)軸上的壓力自平衡拉伸軸、固接于所述壓力自平衡軸軸端的力傳感器、以及一端與所述力傳感器相固定連接且用于施加壓緊力的連接軸，所述連接軸的另一端為用于推壓所述壓緊墊片以施加壓緊力的壓緊端，所述法向力加載裝置還包括能夠根據(jù)兩組所述力傳感器反饋的壓力值控制兩組所述直線電機(jī)工作狀態(tài)的控制器。

優(yōu)選地，所述壓緊墊片與所述試樣相接觸的接觸端面為圓弧面、平面或球面，兩側(cè)所述壓緊墊片的中心線共線且沿所述試樣的徑向中心線延伸。

優(yōu)選地，所述法向力加載裝置還包括用于提供兩組所述壓緊墊片以運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向的墊片導(dǎo)向板，所述墊片導(dǎo)向板相對(duì)所述機(jī)座固定地設(shè)置，所述墊片導(dǎo)向板上開設(shè)有可供所述試樣沿徑向穿入的收容槽、分別位于所述收容槽的兩側(cè)且與所述收容槽相連通的兩個(gè)導(dǎo)向槽，兩組所述壓緊墊片分別滑動(dòng)配合地設(shè)置在兩側(cè)的所述導(dǎo)向槽中。

進(jìn)一步地，所述連接軸的所述壓緊端沿軸向伸入所述導(dǎo)向槽中而抵觸在所述壓緊墊片上以施加壓緊力。

進(jìn)一步地，所述壓緊墊片與所述導(dǎo)向槽之間間隙配合地設(shè)置。

進(jìn)一步地，所述墊片導(dǎo)向板呈圓盤狀，所述收容槽呈開口朝向其徑向外側(cè)的U字型；所述墊片導(dǎo)向板固定在所述夾具上。

優(yōu)選地，所述疲勞試驗(yàn)機(jī)包括固定地設(shè)于所述機(jī)座上且具有密閉的環(huán)境腔室的壓力容器，所述試樣通過所述夾具設(shè)于所述環(huán)境腔室中，相應(yīng)地，所述壓緊墊片位于所述環(huán)境腔室中，所述壓力自平衡拉伸軸的一端伸入所述環(huán)境腔室中并連接所述力傳感器及所述連接軸。

進(jìn)一步地，所述壓力容器為能夠充盈高溫高壓氣體或液體環(huán)境的高壓釜，所述高壓釜包括固定設(shè)置在所述機(jī)座上的釜體、設(shè)于所述釜體上方且可配合地啟閉的釜蓋，所述疲勞試驗(yàn)機(jī)的所述主軸穿過所述釜蓋并插設(shè)在所述環(huán)境腔室中。

由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：本實(shí)用新型的微動(dòng)疲勞試驗(yàn)中的恒定法向力加載裝置，其中通過在試樣的徑向兩側(cè)分別設(shè)置一組壓緊墊片，并設(shè)置墊片導(dǎo)向板形成對(duì)兩側(cè)壓緊墊片的導(dǎo)向，同時(shí)設(shè)置兩組壓持機(jī)構(gòu)分別對(duì)兩側(cè)的壓緊墊片進(jìn)行壓持，并通過兩側(cè)力傳感器反饋至控制器的壓力值數(shù)據(jù)控制兩側(cè)直線電機(jī)的工作狀態(tài)，從而使得整個(gè)試驗(yàn)過程中法向力加載值均保持的設(shè)定范圍內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的加載。該恒定法向力加載裝置可用于高溫高壓水或蒸汽、液體環(huán)境的疲勞試驗(yàn)中，實(shí)時(shí)地補(bǔ)償壓緊墊片與試樣之間發(fā)生磨損后而損失的力值，保持法向力值得恒定，大大地提高了試驗(yàn)的精度。

附圖說明

附圖1為本實(shí)施例采用的疲勞試驗(yàn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)立體示意圖；

附圖2為本實(shí)施例采用的疲勞試驗(yàn)機(jī)的主視圖；

附圖3為本實(shí)施例采用的疲勞試驗(yàn)機(jī)的側(cè)視剖視示意圖；

附圖4為附圖3中法向力加載裝置部分的放大示意圖；

附圖5為試樣的安裝示意圖；

附圖6為墊片導(dǎo)向板的示意圖；

附圖7、8、9、10分別為法向力加載裝置的加載調(diào)整原理示意圖。

其中：10、機(jī)座；20、橫梁；30、立柱；40、油缸；50、位移傳感器；60、力傳感器；70、連接法蘭；80、連接立柱；

1、高壓釜；11、釜體；12、釜蓋；2、主軸；3、試樣；4、夾具；41、夾具座；42、連接柱；5、壓緊墊片；6、墊片導(dǎo)向板；61、收容槽；62、導(dǎo)向槽；7、壓持機(jī)構(gòu)；71、直線電機(jī)；72、壓力自平衡拉伸軸；73、力傳感器；74、連接軸；8、控制器。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖合具體的實(shí)施例來對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步的闡述。

參見圖1至6所示的一種高溫高壓微動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)，其包括機(jī)座10、固定地設(shè)置在機(jī)座10上沿豎直方向延伸的兩根立柱30、上下升降地設(shè)置在立柱30上而相對(duì)機(jī)座10上下位置可調(diào)的橫梁20，橫梁20上設(shè)置有主軸2，主軸2可上下升降地設(shè)置在橫梁20上。橫梁20的頂部還設(shè)有用于驅(qū)動(dòng)主軸2上下升降的升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，此處，升降驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用的為油缸40，油缸40的伸縮桿向下伸出而與主軸2相連接，用于提供和控制一定振幅或載荷、頻率下的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。主軸2與上述伸縮桿之間還設(shè)置有力傳感器60，主軸2此處采用的為壓力自平衡拉伸軸；油缸40的缸體上部還設(shè)有位移傳感器50，以檢測(cè)主軸2沿豎直方向的位移量。

參見圖1至圖6所示，該疲勞試驗(yàn)機(jī)還包括固設(shè)于機(jī)座10上的壓力容器，該壓力容器具有可充盈高溫高壓氣體或液體的密閉環(huán)境腔室，在這里，壓力容器采用的為高壓釜1，該高壓釜1包括固定地設(shè)置在機(jī)座10上的釜體11、設(shè)于釜體11上方可配合啟閉的釜蓋12，釜蓋12配合地蓋在釜體11上便使得釜體11的內(nèi)腔被封閉而可充盈高溫高壓氣體或液體環(huán)境，通過另外設(shè)置水循環(huán)與水化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)來控制高壓釜1的環(huán)境腔室中的環(huán)境參數(shù)。

主軸2穿過釜蓋12而伸入高壓釜的環(huán)境腔室中，試樣3通過夾具4固定在主軸2上并置設(shè)在高壓釜1的環(huán)境腔室中。此處，由于主軸2采用的為壓力自平衡拉伸軸，其具有壓力自平衡功能，因而能夠抵消高壓釜1內(nèi)外壓差，消除壓差產(chǎn)生的推力，而且能夠?qū)崿F(xiàn)高溫高壓環(huán)境下的動(dòng)密封，采用該壓力自平衡拉伸軸來連接試驗(yàn)機(jī)的作動(dòng)部與釜內(nèi)夾具4，可以保證疲勞試驗(yàn)機(jī)的作動(dòng)部往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中不受高壓釜1內(nèi)外壓差對(duì)載荷的影響。

參見圖1、圖2所示，釜蓋12通過裝卸釜機(jī)構(gòu)連接在橫梁20上而在橫梁20帶動(dòng)其相對(duì)釜體11的升降而實(shí)現(xiàn)啟閉。具體地，上述裝卸釜機(jī)構(gòu)包括連接法蘭70和多根連接立柱80，連接法蘭70通過螺栓固定連接在橫梁20下端面，連接立柱80的下端固定連接在釜蓋12上，其上端穿過連接法蘭70上的通孔并通過螺母鎖定，這樣，在安裝高壓釜1時(shí)，橫梁20向下移動(dòng)，釜蓋12降落，當(dāng)連接立柱80上的螺母與連接法蘭70的表面不接觸時(shí)，即可確定釜蓋12與釜體11配合安裝。連接立柱80與連接法蘭70的上述設(shè)置可以避免其固定連接時(shí)，安裝釜蓋12的過程中，當(dāng)釜蓋12與釜體11配合安裝后，橫梁20過度移動(dòng)而使得整個(gè)裝置處于受力狀態(tài)，造成試驗(yàn)裝置的損壞。

參見各附圖所示，該疲勞試驗(yàn)機(jī)還包括用于對(duì)試樣3進(jìn)行法向力加載的法向力加載裝置，該法向力加載裝置包括：

壓緊墊片5，該壓緊墊片5有兩組，分別設(shè)置在試樣3徑向上的相異兩側(cè)以分別沿徑向壓緊試樣3。壓緊墊片5與試樣3相接觸的接觸端面可以為圓弧面、平面或球面，接觸端面的類型具體根據(jù)試驗(yàn)要求予以確定。兩側(cè)壓緊墊片5的中心線共線且與試樣3的徑向中心線延伸，以確保從兩側(cè)分別壓緊兩壓緊墊片5時(shí)向試樣3施加法向力；

墊片導(dǎo)向板6，該墊片導(dǎo)向板6相對(duì)夾具4固定地設(shè)置在高壓釜1的環(huán)境腔室中，以用于提供兩壓緊墊片5壓緊試樣3時(shí)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向。具體地，參見圖6所示，該墊片導(dǎo)向板6呈圓盤狀，其上開設(shè)有可供試樣3沿徑向穿入的收容槽61、分別位于收容槽61兩側(cè)且與收容槽61相連通的兩個(gè)導(dǎo)向槽62，收容槽61呈開口朝向其徑向外側(cè)的U字型，試樣3沿徑向進(jìn)入收容槽61，而兩側(cè)的壓緊墊片5分別可滑動(dòng)配合地設(shè)置在兩側(cè)的導(dǎo)向槽62中，壓緊墊片5與導(dǎo)向槽62之間可間隙配合地設(shè)置，該間隙值應(yīng)為在保證在高溫膨脹時(shí)能夠自由滑動(dòng)的前提下盡可能的小。在本實(shí)施例中，墊片導(dǎo)向板6固定地設(shè)置在夾具4上，具體地，夾具4包括夾具座41和固定連接在夾具座41與高壓釜1釜蓋12之間的多根連接柱42，墊片導(dǎo)向板6即固定在上述的多根連接柱42上，如圖5所示；

壓持機(jī)構(gòu)7，該壓持機(jī)構(gòu)7有兩組，以分別用于施加兩側(cè)壓緊墊片5以壓緊力，從而施加試樣3以法向力。參見圖3、圖4所示，每組壓持機(jī)構(gòu)7均包括固定地設(shè)置在機(jī)座10上的直線電機(jī)71、固設(shè)于直線電機(jī)71的電機(jī)軸上的壓力自平衡拉伸軸72，該壓力自平衡拉伸軸72具有伸入高壓釜1的環(huán)境腔室中的輸出端，該輸出端上固定地連接有力傳感器73；該壓持機(jī)構(gòu)7還包括連接軸74，該連接軸74的一端固接于力傳感器73，連接軸73的另一端為用于推壓壓緊墊片5以施加壓緊力的壓緊端。在進(jìn)行法向力加載時(shí)，兩側(cè)的連接軸73的壓緊端分別沿軸向伸入相應(yīng)的導(dǎo)向槽62中而施加相應(yīng)的壓緊墊片5以壓緊力。

該法向力加載裝置還包括控制器8，該控制器8與兩側(cè)的力傳感器73信號(hào)連接，同時(shí)與兩側(cè)的直線電機(jī)71信號(hào)連接。該控制器8能夠根據(jù)兩側(cè)力傳感器73反饋的壓力值來控制兩組直線電機(jī)71的工作狀態(tài)，以使得兩側(cè)壓緊墊片5施加試樣3的法向力保持在設(shè)定值或者保持在設(shè)定范圍內(nèi)。

以下簡(jiǎn)要說明本實(shí)施例的高溫高壓微動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)的工作過程及工作原理：

首先，將夾具4安裝至高壓釜1的釜蓋12上，同時(shí)安裝墊片導(dǎo)向板6，再將試樣3安裝至夾具座41與主軸2之間，并使得試樣3沿徑向穿過墊片導(dǎo)向板6的收容槽61，然后將兩壓緊墊片5分別置入墊片導(dǎo)向板6的兩導(dǎo)向槽61中，使得兩側(cè)壓緊墊片5與試樣3之間輕微接觸，安裝時(shí)應(yīng)盡量使得兩側(cè)壓緊墊片5與試樣3相接觸的中心連線應(yīng)沿試樣3的徑向中心線延伸。再接著，將橫梁20相對(duì)機(jī)座10降下，使得釜蓋12與釜體11相配合安裝而形成密閉的環(huán)境腔室，通過水循環(huán)與水化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)來控制高壓釜1的環(huán)境腔室中的環(huán)境參數(shù)，使得環(huán)境腔室中充盈的環(huán)境狀態(tài)滿足試驗(yàn)要求。

接下來進(jìn)行法向力的加載，初始時(shí)，參見圖7所示，此時(shí)連接軸74的壓緊端尚未伸入墊片導(dǎo)向板6的導(dǎo)向槽62中，此時(shí)法向力F₀=0。先確定連接軸74的壓緊端與壓緊墊片5端面之間的距離S，控制器8切換為位移控制模式。如圖8所示，控制器8控制兩側(cè)的直線電機(jī)71工作而使得連接軸74的壓緊端的位移達(dá)到S后，直線電機(jī)71暫時(shí)停止工作，此時(shí)壓緊端與壓緊墊片5的端面之間輕微接觸，法向力F₀=0。

然后，控制器8切換為力控制模式，控制器8接收兩側(cè)的力傳感器73反饋的壓力值來控制直線電機(jī)71的工作狀態(tài)。具體如下：如圖9所示，控制器8控制兩組直線電機(jī)71工作而使得兩側(cè)的連接軸74相向運(yùn)動(dòng)而分別地逐漸靠近兩側(cè)的壓緊墊片5，兩側(cè)的力傳感器73分別向控制器8實(shí)時(shí)反饋檢測(cè)到的壓力值F₀，當(dāng)檢測(cè)到的壓力值F₀小于試驗(yàn)預(yù)設(shè)的應(yīng)力值F₁時(shí)，控制器8控制兩所述直線電機(jī)71工作而繼續(xù)驅(qū)使兩連接軸74相向運(yùn)動(dòng)，直至力傳感器73反饋至控制器8的壓力值F₀等于F₁時(shí)，如圖10所示，控制器8控制兩直線電機(jī)71停止運(yùn)動(dòng)而保持該壓力值，開始微動(dòng)疲勞試驗(yàn)。

在微動(dòng)疲勞試驗(yàn)的過程中，該法向力加載裝置始終保持壓緊墊片5施加于試樣3的法向力保持在設(shè)定范圍內(nèi)，該設(shè)定范圍為F₀=F₁±f，其中f為疲勞試驗(yàn)設(shè)定的法向力值波動(dòng)幅度值。具體地，兩力傳感器73分別向控制器8實(shí)時(shí)反饋檢測(cè)到的壓力值F₀，當(dāng)F₁-f≤F₀≤F₁+f時(shí)，控制器8控制直線電機(jī)71保持停止運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)；當(dāng)F₀≤F₁-f時(shí)，控制器8控制直線電機(jī)71工作而驅(qū)使兩連接軸74相向運(yùn)動(dòng)而增加壓力值；當(dāng)F₀≥F₁-f時(shí)，控制器8控制直線電機(jī)71工作而驅(qū)使兩連接軸74朝相反的方向運(yùn)動(dòng)而減小壓力值，實(shí)時(shí)地補(bǔ)償壓緊墊片與試樣之間發(fā)生磨損后而損失的力值，這樣便保證了整個(gè)微動(dòng)疲勞試驗(yàn)過程中法向力的恒定加載。

當(dāng)然，本實(shí)用新型的法向力加載裝置還可以用于常溫常壓下的微動(dòng)疲勞試驗(yàn)中，在應(yīng)用時(shí)，僅需將本實(shí)施例中的高壓釜1及相應(yīng)的水循環(huán)與水化學(xué)檢測(cè)系統(tǒng)去除即可。也就是說，在用于常溫常壓微動(dòng)疲勞試驗(yàn)時(shí)，通過將試樣3通過夾具4直接連接在疲勞試驗(yàn)機(jī)的主軸2上，通過設(shè)置墊片導(dǎo)向板6形成對(duì)兩側(cè)壓緊墊片5的導(dǎo)向，同時(shí)設(shè)置兩組壓持機(jī)構(gòu)7分別對(duì)兩側(cè)的壓緊墊片5進(jìn)行壓持，并通過兩側(cè)力傳感器73反饋至控制器8的壓力值數(shù)據(jù)控制兩側(cè)直線電機(jī)71的工作狀態(tài)，從而使得整個(gè)試驗(yàn)過程中法向力加載值均保持的設(shè)定范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的加載，提高試驗(yàn)的精度。

上述實(shí)施例只為說明本實(shí)用新型的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本實(shí)用新型的內(nèi)容并加以實(shí)施，并不能以此限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，凡根據(jù)本實(shí)用新型精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍內(nèi)。