一种机械式低载荷高温蠕变持久试验系统的制作方法

本发明属于力学试验，具体为一种应用于在低载荷高温环境下的金属材料的持久蠕变力学性能试验的机械式低载荷高温蠕变持久试验系统。

背景技术：

1、对于铝合金、铜合金等材料在高温环境下蠕变持久性能研究持续推进，又因该类材料在高温环境下试验力值过小(1kn～10kn)，对于低载荷蠕变试验机的需求越来越多。现有市场上常见的该类产品，通常有机械式和电子式两种结构，且吨位均为30kn以上，未涉及到10kn这种小吨位的试验设备。且电子式结构设备在使用过一段时间后容易出现力值偏差大，温度不稳定等情况。

2、针对电子式结构的各种不确定因素，机械式持久蠕变试验机就成了必然的选择；而传统的在实际的使用过程中出现发现以下缺点：

3、(1)传统的机械式试验机采用大杠杆方式，杠杆比为1:50或1:30。如此大的杠杆比下进行小力值试验时容易出现杠杆上下摆动，力值过冲的情况；具体的，在材料达到一定塑性变形后，力值10％的上偏差往往是材料产生线面缺陷的门槛值或是已产生裂纹快速扩展的外应力极限，会加速样品的塑性发展，造成测试结果中持久寿命偏短，延伸率偏小等不合理现象，也极其容易出现杠杆上下摆动，力值不稳定的情况。

4、(2)传统的机械式蠕变试验机试验电气控制过程中采取变频器来驱动普通电机对杠杆进行调平，即abb变频调平，是以目标值为闭环控制，其目标值为杠杆的水平最高限位。但基于力值传感器的闭环控制是不稳定的，样品在微小变形和温度波动时，力值是动态变化的，对于传感器的应变片同样还面临着疲劳效应。应变片在蠕变疲劳条件下出现的塑性变形造成了传感器输出失真。因此变频控制在试样加载过程中，力值容易过冲。又由于试验机高度过高，要求变频器输出的hz的范围很大，容易导致杠杆上下振动，或软件误判造成冷断现象的发生。

5、(3)传统的机械式蠕变试验一般采用光电开关对杠杆的水平进行判定，该传感器精度在1mm左右，精度略差，对于低载荷试验时，存在位置判定不精确而导致的杠杆歪斜，进而反应到样品上的载荷不准确。

6、(4)采用液压油缸进行缓冲，而液压缓冲效果较差，且需要向油缸里面注液压油，不仅需要长期维护，而且油缸容易造成液压油泄漏，后期维护也很复杂；

7、(5)传统蠕变持久试验机所配套的高温炉尺寸过大，在小尺寸，低载荷试样的试验中存在尺寸资源浪费的情况。

8、因此，急需一种其他类型的机械式试验同时保持可行性和长期稳定性。

技术实现思路

1、针对样品加速变形阶段所产生的频繁调平等需求所造成的力值不稳定的问题，本发明提供了一种机械式低载荷高温蠕变持久试验系统，技术方案为：包括：主机框架、杠杆、高温炉、试样、两个高温拉杆、高温夹具、蠕变引伸杆、光栅尺、上部万向节、下部万向节、蠕变动力及传动装置、砝码升降缓冲装置和重力砝码；其中主机框架包括：基座、主机中部支撑板和顶部杠杆安装板；顶部杠杆安装板、主机中部支撑板和基座由上至下依次设置；

2、杠杆和杠杆位移传感器安装在顶部杠杆安装板上方；蠕变动力及传动装置和砝码升降缓冲装置安装在基座和主机中部支撑板之间的空间中；高温炉、高温拉杆、高温夹具、蠕变引伸杆、光栅尺、上部万向节、下部万向节和重力砝码安装在主机中部支撑板和顶部杠杆安装板之间的空间中；

3、杠杆的短力臂一端通过高温拉杆和上部万向节与高温夹具的上端相连，试样安装于高温夹具中，高温夹具的下端通过高温拉杆和下部万向节与下方的蠕变动力及传动装置相连；蠕变引伸杆的两端分别与试样平行段的上下台阶相连，用于测量的蠕变引伸杆长度变化的光栅尺安装在蠕变引伸杆一侧；杠杆的长力臂一端的下方安装有重力砝码；砝码升降缓冲装置位于重力砝码的正下方；重力砝码为样品加载的负荷来源；

4、控制系统接收来自于杠杆位移传感器中传来的电压信号，当控制系统判定杠杆端部产生位移时，发送所需要的脉冲信号给伺服电机对杠杆进行调平，同时继续接收杠杆位移传感器传送来的信号，持续至调平结束。

5、短力臂和长力臂的比例为1:5～1:10，杠杆位移传感器安装在长力臂的端部外，持续调平时维持杠杆的尾部偏转量在0.1mm的范围内。

6、杠杆的长力臂一端的通过预负荷吊杆安装有预加载负荷，砝码吊杆的上端通过腰型销孔与预加载负荷的托盘销接，重力砝码安装在砝码吊杆的下端，预加载负荷作为杠杆调平时的配重。

7、杠杆的长力臂上安装有接近传感器。

8、主机支撑杆组竖直固定在所述基座上方，主机中部支撑板和顶部杠杆安装板分别固定在主机支撑杆组的中部和顶部；

9、主机框架通过主机底座固定在地面上，主机底座用于支撑上部的主机框架。

10、高温炉的上下两端分别通过一根高温炉平推支架杆与一个高温炉平推直线滑轨的滑动部通过插销连接；两个平行的高温炉平推直线滑轨的轨道部通过螺钉分别与主机中部支撑板和顶部杠杆安装板连接。

11、下部万向节与调平滚珠丝杆副的调平丝杆连接；

12、蠕变动力及传动装置包括：调平滚珠丝杆副、同步齿形带传动组、减速机、v带传动和伺服电机，其中调平滚珠丝杆副的滚动螺母依次通过同步齿形带传动组、减速机和v带传动与伺服电机的动力输出相连，伺服电机与控制系统相连从而驱动调平丝杆带动下部万向节上下移动。

13、蠕变引伸杆的下端通过弹簧与高温拉杆紧贴，将蠕变引伸杆的滑轮与拉杆导轨贴合。

14、砝码升降缓冲装置包括：缓冲托盘、缓冲油缸、齿轮组、加荷电机、卸载滚珠丝杆副和加卸载托盘，其中缓冲托盘下端面的中心与活塞杆固定，活塞杆伸入下方的缓冲油缸中；空心的卸载中空丝杆套装在活塞杆外，卸载中空丝杆与卸载滚珠丝杆副的滚动螺母组成滚珠丝杆副，卸载滚珠丝杆副的滚动螺母通过齿轮组和加荷电机相连，缓冲油缸和加荷电机均与主机框架固定，齿轮组、加荷电机、卸载滚珠丝杆副和加卸载托盘主要用于重力砝码在试验过程中或结束需要卸载时升起或下降，从而对样品进行卸载；当试验过程中样品断裂，缓冲托盘、缓冲油缸和活塞杆在重力砝码自由落下时提供一个缓冲机构。

15、本发明的有益效果在于：

16、1.杠杆调平电机采用伺服电机代替变频器+普通电机的组合，伺服电机具备相应速度快，控制稳定的好处，针对样品加速变形阶段所产生的频繁调平等需求所造成的力值不稳定有着极大的改善；实现了小杠杆比的精确控制，保证小载荷持久蠕变试验的可行性和长期稳定性。

17、2.采用小杠杆比的机械结构，降低主机高度，减小拉杆与砝码吊盘的轴向间距，以解决因温度变化导致样品加速变形阶段杠杆上下振动造成的力值不稳定的情况。

18、3.针对小尺寸样品的试验，采用小尺寸高温炉用于配套，不仅满足了小主机空间限制的问题，且降低了高温的能耗，节能环保。

19、4.本发明对于铜合金，铝合金等材料高温蠕变性能的研究有着极大的改善。

20、5.对于降低主机高度后不利于试验人员进行操作，设计了主机底座，将高温炉的变压器放置于主机底座内部，不仅解决了操作问题，又节省了变压器柜的占地面积，优化的试验机空间使用率。

技术特征：

1.一种机械式低载荷高温蠕变持久试验系统，其特征在于，包括：主机框架(1)、杠杆(2)、高温炉(4)、试样、两个高温拉杆(6)、高温夹具(14)、蠕变引伸杆(7)、光栅尺(8)、上部万向节(17)、下部万向节(18)、蠕变动力及传动装置(10)、砝码升降缓冲装置(11)和重力砝码(12)；其中主机框架(1)包括：基座(104)、主机中部支撑板(103)和顶部杠杆安装板(101)；顶部杠杆安装板(101)、主机中部支撑板(103)和基座(104)由上至下依次设置；

2.根据权利要求1所述的一种机械式低载荷高温蠕变持久试验系统，其特征在于，短力臂和长力臂的比例为1:5～1:10，杠杆位移传感器(3)安装在长力臂的端部外，持续调平时维持杠杆的尾部偏转量在0.1mm的范围内。

3.根据权利要求1或2所述的一种机械式低载荷高温蠕变持久试验系统，其特征在于，杠杆(2)的长力臂一端的通过预负荷吊杆(15)安装有预加载负荷(9)，砝码吊杆(192)的上端通过腰型销孔(191)与预加载负荷的托盘销接，重力砝码(12)安装在砝码吊杆(192)的下端，预加载负荷(9)作为杠杆调平时的配重。

4.根据权利要求1或2所述的一种机械式低载荷高温蠕变持久试验系统，其特征在于，杠杆(2)的长力臂上安装有接近传感器(16)。

5.根据权利要求1或2所述的一种机械式低载荷高温蠕变持久试验系统，其特征在于，主机支撑杆组(102)竖直固定在所述基座(104)上方，主机中部支撑板(103)和顶部杠杆安装板(101)分别固定在主机支撑杆组(102)的中部和顶部。

6.根据权利要求5所述的一种机械式低载荷高温蠕变持久试验系统，其特征在于，主机框架(1)通过主机底座(13)固定在地面上，主机底座(13)用于支撑上部的主机框架(1)。

7.根据权利要求1所述的一种机械式低载荷高温蠕变持久试验系统，其特征在于，高温炉(4)的上下两端分别通过一根高温炉平推支架杆(401)与一个高温炉平推直线滑轨(5)的滑动部通过插销连接；两个平行的高温炉平推直线滑轨的轨道部通过螺钉分别与主机中部支撑板(103)和顶部杠杆安装板(101)连接。

8.根据权利要求1所述的一种机械式低载荷高温蠕变持久试验系统，其特征在于，下部万向节与调平滚珠丝杆副(116)的调平丝杆(1005)连接；

9.根据权利要求8所述的一种机械式低载荷高温蠕变持久试验系统，其特征在于，蠕变引伸杆的下端通过弹簧与高温拉杆紧贴，将蠕变引伸杆的滑轮与拉杆导轨贴合。

10.根据权利要求1所述的一种机械式低载荷高温蠕变持久试验系统，其特征在于，砝码升降缓冲装置(11)包括：缓冲托盘(111)、缓冲油缸(112)、齿轮组(114)、加荷电机(115)、卸载滚珠丝杆副(116)和加卸载托盘(117)，其中缓冲托盘(111)下端面的中心与活塞杆(113)固定，活塞杆(113)伸入下方的缓冲油缸(112)中；空心的卸载中空丝杆(118)套装在活塞杆(113)外，卸载中空丝杆(118)与卸载滚珠丝杆副(116)的滚动螺母组成滚珠丝杆副，卸载滚珠丝杆副(116)的滚动螺母通过齿轮组(114)和加荷电机(115)相连，缓冲油缸(112)和加荷电机(115)均与主机框架(1)固定，齿轮组(114)、加荷电机(115)、卸载滚珠丝杆副(116)和加卸载托盘(117)用于重力砝码在试验过程中或结束需要卸载时升起或下降；当试验过程中样品断裂，缓冲托盘(111)、缓冲油缸(112)和活塞杆(113)在重力砝码自由落下时提供一个缓冲机构。

技术总结
本发明公开了一种机械式低载荷高温蠕变持久试验系统；其中杠杆的短力臂一端与高温夹具的上端相连，试样安装于高温夹具中，高温夹具的下端通过高温拉杆和下部万向节与下方的蠕变动力及传动装置相连；杠杆的长力臂一端的下方安装有重力砝码；砝码升降缓冲装置位于重力砝码的正下方；控制系统接收来自于杠杆位移传感器中传来的电压信号，当控制系统判定杠杆端部产生位移时，发送所需要的脉冲信号给蠕变动力及传动装置中的伺服电机对杠杆进行调平，同时继续接收杠杆位移传感器传送来的信号，持续至调平结束。本发明解决了样品加速变形阶段所产生的频繁调平等需求所造成的力值不稳定的问题，保证小载荷持久蠕变试验的可行性和长期稳定性。

技术研发人员：邱鹏,李秋雯,李宝城
受保护的技术使用者：国标（北京）检验认证有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23