改進的同步輻射光源原位成像的疲勞試驗機夾持機構的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種改進的同步輻射光源原位成像的疲勞試驗機夾持機構，設置在同步輻射光源的平臺圓筒形狀的底座之上。所述夾持機構包括試樣夾持單元和塑性變形追加調整單元。試樣夾持單元沿試驗機底座中軸線豎向布置，分為下夾頭段和上夾頭段兩個部分。上夾頭段設置有塑性變形追加調整單元。本實用新型比較上一代疲勞試驗機做了進一步改進，增加系統的緩沖減振以及降噪的性能；在充分保證載荷能夠施加在試樣上，并保證試驗機的整體承載性；塑性變形追加調整單元可在試樣發生塑性變形后調節其加載的力的大小，相比上一代試驗機在試驗實施過程中的細節問題上做了更加詳細的考慮。
【專利說明】
改進的同步輻射光源原位成像的疲勞試驗機夾持機構
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種用同步輻射光源進行原位成像的疲勞試驗機的試樣夾持機構以及安裝與實驗方法。【背景技術】
[0002]長期以來，人們就工程結構的疲勞破壞問題開展了大量的研究。一般認為，疲勞壽命主要消耗在裂紋萌生與短裂紋擴展階段。短裂紋的擴展行為宏觀上隨著裂紋長度增大而發生變化，微觀上還受到金屬微觀組織和環境等因素的影響，再加上裂紋閉合以及小裂紋效應等問題，使得服役過程中循環載荷下的短裂紋的擴展問題變得十分復雜。為更好地探究裂紋在擴展過程中與微觀組織變化以及宏觀力學性能的關系，進而為工程零部件的壽命設計提供更加可靠的理論依據，需要通過疲勞試驗機對零部件進行試驗，獲取材料在外載荷作用下的宏觀定量力學參數。原位疲勞試驗通過將電子顯微技術與傳統的材料疲勞測試技術有效地結合，在對材料試樣進行力學加載和疲勞測試過程中，分階段的停機，停機時通過實驗平臺上集成的顯微成像系統，對材料組織結構變化、微觀變形損傷、進行原位成像記錄;宏觀的疲勞力學測試數據和多個階段的成像記錄結合，即能反映材料的力學性能和顯微組織演變規律，為分析固態材料的力學特性和微觀組織演變規律提供了新的方法。
[0003]現有的原位疲勞試驗裝置中，顯微成像系統一般為光學顯微鏡，由于其分辨率以及放大倍率較低，測試效果有很大的局限性。近年來，出現了使用掃描電子顯微鏡(SEM)的疲勞試驗機。如:德國的Kammr a th&We i s s公司開發的原位拉伸測試儀器利用伺服伺服電機驅動，配合SEM的使用，可以對金屬材料進行原位疲勞測試。SEM分辨率達微米級，能更好的觀察到材料的微觀組織形貌和缺陷。但是，SEM只能得到材料的表面的二維圖像，而不能得到材料的內部的三維立體圖像;且其光源亮度低，光信號檢測信噪比低，使得測量精度與檢測靈敏度有待提尚。
[0004]由西南交大牽引動力實驗室吳圣川老師帶頭率先開發出了國內第一臺可用于同步輻射成像的原位觀測疲勞試驗機，并已初步投入使用。其主要架構如中國專利 CN105334237A所述。但在使用中發現疲勞試驗機在疲勞試驗的過程中，由于產生的振動劇烈，并且在試驗過程中夾具對試樣的夾持常常會因為劇烈的振動導致松脫。另外，對試樣發生塑性變形后無進一步的調節手段，以致試驗無法順利的進行下去，基于該實際情況，非常有必要對夾具的夾持機構進行進一步的改進。【實用新型內容】
[0005]鑒于現有技術的以上不足，本實用新型的目的是所改進后的可用于同步輻射光源進行原位成像的疲勞試驗機試樣夾持機構，使其克服現有技術的不足。
[0006]本實用新型的目的是通過如下的手段實現的:一種改進的同步輻射光源原位成像的疲勞試驗機夾持機構，設置在同步輻射光源的平臺圓筒形狀的底座(3)之上，所述夾持機構包括試樣夾持單元和塑性變形追加調整單元；
[0007]試樣夾持單元沿試驗機底座中軸線豎向布置，分為下夾頭段和上夾頭段兩個部分:在下夾頭段，蓋板(12)固定在底座(3)的頂部;從動桿(10)的頂端伸出蓋板(12)與下夾具(13)聯接，從動桿(10)與下夾具(13)之間設置有碟簧(28);上夾頭段由圓筒形的圍罩 (14)支撐，上夾具(21)懸置在下夾具(13)之上，由下往上依次通過法蘭工裝(20)聯接傳感器(18)和調壓螺桿一(16);調壓螺桿一(16)與調節圓盤一(17)螺紋聯接，調節圓盤一(17) 的中部開孔并與載荷傳感器(18 )的上端螺紋聯接，載荷傳感器(18 )的下端與法蘭工裝(20 ) 螺紋聯接。
[0008]與現有技術相比，本實用新型的有益效果是:本實用新型的疲勞試驗機在疲勞試驗的過程中，能夠使用同步輻射光源直接原位對準疲勞試樣進行同步輻射成像，進而得到材料的內部的三維立體圖像;能很好地反映材料的力學性能和顯微組織的演變規律。同步輻射光的亮度高，其圖像信噪比高，成像精度與靈敏度高，能更清晰、準確地反映材料的力學性能和顯微組織的演變規律。從而本發明能為工程零部件的疲勞壽命設計提供更加可靠的試驗依據。
[0009]針對上一代疲勞試驗機做了進一步改進，對各個方面的性能指標提出了更高的要求:
[0010]1，傳動機構上增加了碟簧(位于下夾具下半部分13b的下方)，增加系統的緩沖減振以及降噪的性能；
[0011]2，取消了上一代的雙重玻璃罩的開合，將圍罩14做成一體，并增加螺釘有機玻璃罩的上端與下端，充分保證載荷能夠施加在試樣上，并保證試驗機的整體承載性；
[0012]4,對上下夾具的結構進行了整體的改變，將原有的整體性夾具分別分成了上下兩部分，相比原來的夾具更加便于安裝，夾裝試樣也更加牢固；[〇〇13]5,在試驗機頂蓋部分加裝了塑性變形追加調整單元，起著調節上夾具夾緊以及試樣發生塑性變形后調節其加載的力的大小的作用，相比上一代試驗機在試驗實施過程中的細節問題上做了更加詳細的考慮。【附圖說明】
[0014]圖1為安裝在同步輻射光源進行原位成像的疲勞試驗機時的整體結構示意圖。
[0015]圖2為本實用新型整體結構示意圖。
[0016]圖3為圖2A的局部剖視圖。[〇〇17]圖4為圖2B的局部剖視圖。[〇〇18]圖5為圖2C的局部剖視圖。
[0019]圖中:1為底板，la為底部十字架，2為同步輻射光源平臺，3為底座，4為推桿，5為伺服電機，6為凸輪，7為滾動軸承，8為連桿，9為彈簧，10為從動桿，11為直線軸承，12為蓋板， 13為下夾具，14為圍罩，15為頂蓋，16為調壓螺桿一，17為調節圓盤一，18為載荷傳感器，19 為直線軸承二，20為法蘭工裝，21為上夾具，22為調節圓盤二，23為調壓螺桿二，24為數據處理與控制裝置，25為光發射器，26為光接收器，27為滾動軸承軸，28為碟簧，29為卡簧，30為聯接柱，31為試樣。【具體實施方式】
[0020]下面結合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進一步的詳細說明。實施例
[0021]圖1、圖2示出，同步輻射光源進行原位成像的疲勞試驗機，其組成是:底板1底部的十字架la嵌合在同步輻射光源的平臺2上，底板1上表面的中部固定有圓筒形狀的底座3;推桿4通過水平的直線軸承一 19安裝在底座3的左壁和右壁上;底板1上表面的左側安裝有伺服電機5,伺服電機5軸上安裝凸輪6;推桿4的左端開孔并裝有滾動軸承軸27,軸承軸27裝滾動軸承7并與凸輪6的右側緣接觸，推桿4中部和連桿8下端鉸接，推桿4的右端通過彈簧9聯接在底座3的右壁上。
[0022]本實用新型改進的同步輻射光源原位成像的疲勞試驗機夾持機構設置在同步輻射光源的平臺圓筒形狀的底座3之上。夾持機構包括試樣夾持單元和塑性變形追加調整單J L 〇
[0023]試樣夾持單元沿試驗機底座中軸線豎向布置，分為下夾頭段和上夾頭段兩個部分:在下夾頭段，蓋板12固定在底座3的頂部;從動桿10的頂端伸出蓋板12與下夾具13聯接， 從動桿10與下夾具13之間設置有碟簧28;上夾頭段由圓筒形的圍罩14支撐，上夾具21懸置在下夾具13之上，由下往上依次通過法蘭工裝20聯接傳感器18和調壓螺桿一 16;調壓螺桿一 16與調節圓盤一 17螺紋聯接，調節圓盤一 17的中部開孔并與載荷傳感器的上端螺紋聯接，載荷傳感器18的下端與法蘭工裝20螺紋聯接。
[0024]上夾頭段設置有塑性變形追加調整單元，所述塑性變形追加調整單元包括調節圓盤二22和兩個追加調壓螺桿一 16;調節圓盤二22通過其上的通孔套置在立于上夾具上的聯接柱30上，并可沿聯接柱30上下滑動。調壓螺桿一 16的端部頂在調節圓盤二22上。
[0025]這樣，從動桿10的頂端伸出蓋板12與下夾具13聯接，蓋板12的上表面同時嵌合一個圓筒形的圍罩14并與蓋板12螺紋聯接固定，圍罩14的頂部與頂蓋15嵌合并螺紋聯接，圍罩14 一般差異透明材料制得，在本實施例中圍罩14采用有機玻璃。頂蓋15的底面開孔，通過調壓螺桿一 16與調節圓盤一 17螺紋聯接，調節圓盤一 17的中部開孔并與載荷傳感器18的上端螺紋聯接，載荷傳感器18的下端與法蘭工裝20螺紋聯接，法蘭工裝20通過聯接柱兩端的螺紋與上夾具下部分21b聯接;上夾具上部分21a與調節圓盤二22螺紋聯接，調節圓盤二22 通過調壓螺桿二23a、23b與頂蓋15相聯接，上夾具21a、21b位于下夾具13的正上方；[〇〇26]伺服電機5、載荷傳感器18均與數據處理與控制裝置24電聯接。
[0027]對原疲勞試驗機進行改進部分為試樣的夾持機構，其組成是:碟簧28安裝在從動桿10上端，使其處于壓縮行程內，碟簧28上端聯接下夾具下半部分13b，下夾具下半部分13b 通過螺釘與下夾具上半部分13a聯接，兩部分之間夾持試樣的下端;試樣的上端夾在上夾具上半部分21a和上夾具下半部分21b之間，上夾具下半部分21b通過兩端帶有螺紋的聯接柱 30與法蘭工裝20相連，使其成為一體，在上夾具上半部分21a上開有四個小孔，使得聯接柱 30能正好穿過而無接觸;上夾具上半部分21a則通過螺紋聯接與調節圓盤二22相固定，調節圓盤二22則通過調壓螺桿二23a、b與頂蓋15相連，頂蓋15上開有小孔，調壓螺桿二23a、b上相應位置開有卡簧槽，并放入卡簧29，卡在頂蓋15上；同時載荷傳感器上端聯接有調節圓盤一17,調節圓盤一17則通過調壓螺桿一16以卡簧17的形式固定在頂蓋15上。[〇〇28]具體使用時，采用如下的步驟:
[0029] A、試件的安裝[〇〇3〇]將圍罩14取下，將試樣置于下夾具13正上方，并通過螺釘將下夾具13夾緊試樣，再將圍罩14通過螺紋聯接安裝于底座3上，然后將試樣上端裝入事先裝配好的上夾具下部分 21a與下部分21b的空隙內，并將圍罩14與頂蓋15螺紋聯接好，將試樣完全罩在由圍罩14圍住的空間內，同時擰動調壓螺桿一 16和調壓螺桿二23,使得上夾具21完全夾持住試樣，同時在控制界面上可以看到載荷傳感器采到的力信號變為零，可以準備進行試驗；[〇〇31] B、原位疲勞試驗[〇〇32]數據處理與控制裝置24控制電機5以設定的頻率轉動，帶動凸輪6轉動，進而通過推桿4、連桿8、從動桿10帶動下夾具13上下往復移動，對試樣施加豎向往復的位移載荷；同時，載荷傳感器18檢測到試樣承受的載荷信號，傳遞給數據處理與控制裝置；
[0033]當往復豎向位移載荷達到設定的成像循環次數后，數據處理與控制裝置控制電機 5停止轉動，再啟動同步輻射光源，同步輻射光源的平臺2旋轉，帶動底板1及底板上的試樣進行360度旋轉；同時，同步輻射光源的光發射器25發出的同步輻射光穿透圍罩14,再穿透 360度旋轉的試樣后由同步輻射光源的光接收器26接收，完成對試樣的360度成像;重復以上操作，直至達到設定的完成試驗的循環次數。
【主權項】
1.一種改進的同步輻射光源原位成像的疲勞試驗機夾持機構，設置在同步輻射光源的 平臺圓筒形狀的底座(3)之上，其特征在于，所述夾持機構包括試樣夾持單元和塑性變形追 加調整單元；試樣夾持單元沿試驗機底座中軸線豎向布置，分為下夾頭段和上夾頭段兩個部分:在 下夾頭段，蓋板(12)固定在底座(3)的頂部;從動桿(10)的頂端伸出蓋板(12)與下夾具(13) 聯接，從動桿(10)與下夾具(13)之間設置有碟簧(28);上夾頭段由圓筒形的圍罩(14)支撐， 上夾具(21)懸置在下夾具(13)之上，由下往上依次通過法蘭工裝(20)聯接傳感器(18)和調 壓螺桿一(16);調壓螺桿一(16)與調節圓盤一(17)螺紋聯接，調節圓盤一(17)的中部開孔 并與載荷傳感器(18 )的上端螺紋聯接，載荷傳感器(18 )的下端與法蘭工裝(20 )螺紋聯接；上夾頭段設置有塑性變形追加調整單元，所述塑性變形追加調整單元包括調節圓盤二 (22)和兩個追加調壓螺桿一(16);調節圓盤二(22)通過其上的通孔套置在立于上夾具上的 聯接柱(30)上，并可沿聯接柱(30)上下滑動；調壓螺桿一(16)的端部頂在調節圓盤二(22) 上。2.根據權利要求1所述的改進的同步輻射光源原位成像的疲勞試驗機夾持機構，其特 征在于，所述圍罩(14)的部分或整體采用透明材料制得。3.根據權利要求1所述的改進的同步輻射光源原位成像的疲勞試驗機夾持機構，其特 征在于，所述上夾具(21)具有兩個部分，即上夾具上部分(21a)和上夾具下部分(21b)，上夾 具上部分(21a)通過其上的通孔套置在與上夾具下部分(21b)固聯的聯接柱(30)上，上夾具 上部分(21a)可沿聯接柱(30)上上下滑移;下夾具(13)亦采用同樣的結構，具有下夾具上部 分(13a)和下夾具下部分(13 b)。
【文檔編號】G01N21/84GK205614527SQ201620322777
【公開日】2016年10月5日
【申請日】2016年4月18日
【發明人】吳圣川, 張思齊, 張衛華
【申請人】西南交通大學