肖勇，吳帥，王寶瑞，羅來正，王曉輝，吳洋

一種高寒氣候環(huán)境疲勞試驗設(shè)備的研制

肖勇1，吳帥1，王寶瑞2，羅來正1，王曉輝1，吳洋1

（1.西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2.中國兵器裝備集團(tuán)公司，北京 100089）

目的研制一臺高寒氣候環(huán)境疲勞試驗設(shè)備。方法針對裝備材料在服役過程中承受高寒氣候環(huán)境-拉、壓、彎載荷耦合作用的工況，分析高寒環(huán)境與力學(xué)因素對材料的交互影響，確定設(shè)備的工作原理和功能特點。通過分析設(shè)備本身的工作環(huán)境及特點，對設(shè)備的結(jié)構(gòu)及可靠性進(jìn)行合理設(shè)計，研制一臺高寒氣候環(huán)境疲勞試驗設(shè)備。結(jié)果該設(shè)備可實現(xiàn)載荷和頻率等試驗參數(shù)的精確控制，能通過更換試驗夾具分別開展高寒氣候環(huán)境中的拉伸、壓縮和彎曲疲勞試驗。結(jié)論新研制的設(shè)備適用于評價材料在高寒氣候環(huán)境中的疲勞性能。

高寒氣候環(huán)境；疲勞；耦合作用；試驗設(shè)備

我國東北地區(qū)因緯度高而形成的特別寒冷的氣候區(qū)，年平均溫度僅-1.8 ℃，平均年溫差達(dá)70 ℃以上，空氣較濕潤，年日照時數(shù)將近2000 h，日照百分率達(dá)到70%[1]。這種溫度低、溫差大、太陽輻射強(qiáng)的高寒氣候環(huán)境對裝備環(huán)境適應(yīng)性提出了嚴(yán)峻的考驗[2—6]。在高寒氣候環(huán)境中服役的裝備材料，由于長時間的復(fù)雜高寒氣候環(huán)境與反復(fù)的拉伸、壓縮、彎曲等工況載荷的耦合作用，導(dǎo)致裝備關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件和部分功能件提前腐蝕/老化失效，服役壽命顯著低于設(shè)計使用壽命，嚴(yán)重影響裝備的可靠性和安全服役能力[7—13]。

目前，國內(nèi)外對于高寒氣候環(huán)境與拉、壓、彎載荷耦合作用下的材料力學(xué)性能試驗沒有有效的方法，也沒有相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)備。國外如美國、英國等十分重視高原高寒環(huán)境模擬試驗技術(shù)研究，建成了可以模擬高原高寒地區(qū)環(huán)境溫度、大氣壓力、環(huán)境濕度及日照的高原高寒地區(qū)環(huán)境模擬實驗室[14]。為了掌握環(huán)境因素與拉、壓、彎載荷工況交互作用對材料性能的影響，國內(nèi)研究人員在普通疲勞試驗裝置基礎(chǔ)上增加能夠模擬溫度、濕度等環(huán)境因素的環(huán)境箱，如中國專利“深冷環(huán)境材料力學(xué)性能檢測試驗裝置（CN 1027- 98573 A）”公開了一種可實現(xiàn)從常溫到液氮溫度的材料疲勞試驗裝置[15]，中國專利“液氦溫區(qū)材料三點彎曲多試樣連續(xù)測試裝置（CN 103900914 A）”公開了一種低溫下多試樣自動換樣、一次裝樣可連續(xù)測試多個試樣的三點彎曲測試裝置[16]。這些裝置通常僅能進(jìn)行單一環(huán)境條件的模擬，不能真實反映復(fù)雜的高寒氣候環(huán)境中溫度、太陽輻射等因素與拉、壓、彎工況載荷耦合作用下的材料力學(xué)性能變化。因此，提供先進(jìn)、有效的試驗設(shè)備研究高寒氣候環(huán)境與拉、壓、彎載荷耦合作用下裝備材料的力學(xué)性能變化，已經(jīng)成為保障裝備高寒氣候環(huán)境服役必不可少的要求。

文中研制了一臺高寒氣候環(huán)境疲勞試驗設(shè)備，該設(shè)備具有結(jié)構(gòu)簡單可靠、操作方便等特點，能夠滿足材料在真實的高寒戶外環(huán)境中進(jìn)行拉伸、壓縮和彎曲試驗，有效地評估高寒氣候環(huán)境與拉、壓、彎載荷耦合作用下的裝備材料力學(xué)性能變化。

1 設(shè)備功能特點

該設(shè)備是一款能在低溫、高寒戶外環(huán)境下工作的機(jī)電式動靜載荷疲勞試驗裝置，適用于研究工作在高寒大氣環(huán)境中承受拉、壓、彎載荷工況的材料力學(xué)性能變化。設(shè)備可同時安裝5套夾具進(jìn)行5件試樣的試驗，顯著提高了試驗效率?？烧{(diào)節(jié)裝夾試樣角度，滿足不同的光照條件要求。設(shè)備可針對試驗材料需長期在高寒大氣環(huán)境中承受靜載荷（拉、壓或彎）的工況，通過靜載加載機(jī)構(gòu)加載后進(jìn)行靜態(tài)暴露試驗，也可針對工作在高寒大氣環(huán)境中的材料長期經(jīng)受環(huán)境侵蝕和動載荷（拉、壓或彎）反復(fù)作用的工況，進(jìn)行材料的疲勞試驗。因而相對于傳統(tǒng)的實驗室模擬試驗設(shè)備，該設(shè)備能更好地模擬高寒環(huán)境中材料的實際服役工況，評估材料的疲勞性能變化，其實驗結(jié)果對于指導(dǎo)選材更具可參考性。

該設(shè)備采用伺服電機(jī)閉環(huán)控制原理，可根據(jù)需要對載荷類型、載荷量值、加載頻率等試驗條件進(jìn)行設(shè)計，實現(xiàn)裝置對被測試樣實施拉、壓、彎的動/靜態(tài)高精度加載。試驗設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)：載荷類型包括拉伸、壓縮、彎曲，試驗力為1~50 kN，示值精確度≤±0.5％，加載頻率為1~20Hz。

2 設(shè)備工作原理及結(jié)構(gòu)特點

該裝置采用伺服電機(jī)閉環(huán)控制原理，控制系統(tǒng)通過控制超大功率變頻伺服電機(jī)，通過軸承帶動電動伺服剛體內(nèi)絲杠的轉(zhuǎn)動，從而驅(qū)動活塞進(jìn)行上下線性運動?？刂葡到y(tǒng)通過控制電機(jī)的功率和頻率精確控制作動器缸體內(nèi)活塞上下移動的位移及動載荷大小、頻率和波形。作動器缸體活塞與夾有被測試樣的夾具通過機(jī)械連接，進(jìn)而實現(xiàn)裝置對被測樣實施拉、壓、彎的動態(tài)高精度加載，連接在夾具上的位移傳感器和變形傳感器將信號反饋給控制系統(tǒng)實現(xiàn)載荷補(bǔ)償。

為了評估材料在真實高寒氣候環(huán)境中的疲勞性能，該設(shè)備需長期放置在高寒戶外環(huán)境中工作，設(shè)備本身將承受嚴(yán)酷的低溫環(huán)境，為了保證設(shè)備長期穩(wěn)定工作，設(shè)備安裝分為室外和室內(nèi)兩部分。其中，易于受環(huán)境腐蝕/老化影響的電控系統(tǒng)、動載加載機(jī)構(gòu)、主機(jī)角度調(diào)整機(jī)構(gòu)等結(jié)構(gòu)安裝于鋼筋混凝土基礎(chǔ)設(shè)施的室內(nèi)控溫控濕環(huán)境，主機(jī)框架、橫梁鎖緊系統(tǒng)、試樣夾具、靜載加載機(jī)構(gòu)等安裝于地上戶外環(huán)境。設(shè)備安裝如圖1所示。

高寒氣候環(huán)境疲勞試驗設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)備由主機(jī)框架、橫梁鎖緊系統(tǒng)、主機(jī)角度調(diào)整機(jī)構(gòu)、夾具系統(tǒng)、靜載加載機(jī)構(gòu)、動載加載機(jī)構(gòu)、電控系統(tǒng)等組成。主機(jī)框架采用閉式結(jié)構(gòu)，兩根立柱固定在基座上，移動梁套裝在立柱上，構(gòu)成了受力的基本框架。移動橫梁上固定靜載加載機(jī)構(gòu)，在移動橫梁兩側(cè)裝有鎖緊系統(tǒng)，橫梁鎖緊系統(tǒng)采用螺栓鎖緊形式，提供了保證試驗成功的夾緊力。設(shè)備靜載加載機(jī)構(gòu)主要元件為渦輪蝸桿升降機(jī)，通過手動旋轉(zhuǎn)手柄對樣品產(chǎn)生推拉力，以達(dá)到靜態(tài)加載的目的。動載加載機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)驅(qū)動，采用加裝量塊的形式調(diào)節(jié)振幅，可以實現(xiàn)不同振幅的疲勞試驗。為了滿足光照等環(huán)境條件，更好地模擬真實環(huán)境中材料的服役工況，設(shè)計了角度調(diào)整機(jī)構(gòu)，可根據(jù)需求將裝置調(diào)整到與水平面成30°，45°等角度。同時為了滿足不同的載荷工況（拉、壓、彎）需求，設(shè)計了拉伸、壓縮和彎曲三類夾具，夾具材料均采用3Cr13不銹鋼材質(zhì)，拉伸夾具采用手動楔形結(jié)構(gòu)，壓縮夾具采用上下兩側(cè)壓盤形式，彎曲夾具采用三點彎曲形式，三類夾具連接接口通用。

現(xiàn)有的模擬環(huán)境疲勞試驗裝置未能真實模擬復(fù)雜多變的高寒氣候環(huán)境，因而無法準(zhǔn)確評估裝備材料在高寒環(huán)境中的疲勞性能，對指導(dǎo)裝備選材，工藝優(yōu)化難以提供有效支撐。該設(shè)備直接放置于高寒戶外大氣環(huán)境中，環(huán)境做到絕對真實，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時也充分考慮設(shè)備自身部組件對試驗樣品的遮擋作用，設(shè)計了角度調(diào)整機(jī)構(gòu)以調(diào)整試樣暴露角度，并在保證機(jī)械穩(wěn)定性的前提下盡量縮減了移動橫梁及夾具的尺寸，確保試驗樣品能夠直接暴露在高寒氣候環(huán)境中。

3 設(shè)備可靠性分析

設(shè)備直接放置在高寒氣候環(huán)境中，承受風(fēng)吹雨淋、寒冷低溫等環(huán)境因素的影響，工作條件十分惡劣。為了保證設(shè)備長期穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，設(shè)備采用分離式布置，電控系統(tǒng)、動載加載機(jī)構(gòu)、主機(jī)角度調(diào)整機(jī)構(gòu)等安裝于鋼筋混凝土基礎(chǔ)設(shè)施的室內(nèi)環(huán)境，并通過恒溫恒濕保持系統(tǒng)保持室內(nèi)處于恒定的溫度和濕度。主機(jī)框架、橫梁鎖緊系統(tǒng)、試樣夾具、靜載加載機(jī)構(gòu)等部組件直接放置在高寒氣候環(huán)境中，試樣夾具采用不銹鋼材質(zhì)，具有非常強(qiáng)的防腐耐蝕效果。立柱采用鍍硬鉻處理，在提高耐蝕性的基礎(chǔ)上同時提高了立柱耐磨性。其他直接暴露在環(huán)境中的零件采用熱鍍鋅工藝，鍍鋅層覆蓋在零件的表面上，可以避免鋼基體與腐蝕環(huán)境直接接觸。

高寒氣候環(huán)境疲勞試驗設(shè)備的剛度及共振仿真分析如圖3所示。當(dāng)設(shè)備上橫梁上升到最高點時，設(shè)備整體強(qiáng)度最低，因此以上橫梁在最高點時為分析模型，對系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)求解。在上橫梁中心安裝夾具過度盤螺栓孔處施加100 kN拉力，對設(shè)備進(jìn)行靜力下的結(jié)構(gòu)分析，結(jié)果表明：在100 kN的拉力下，設(shè)備在方向（圖3a箭頭方向）的最大位移為0.209 mm，按線性彈性變形，200 kN時變形為0.418 mm，大于設(shè)備要求的框架剛度200 kN/mm。隨后對設(shè)備上橫梁分別施加不同方向的載荷（平行、垂直和扭轉(zhuǎn)）進(jìn)行了共振分析，結(jié)果表明，當(dāng)載荷垂直上橫梁時（圖3b箭頭方向），共振頻率最小，為21 Hz，低于設(shè)備的最大加載頻率，且設(shè)備工作時載荷方向與此方向不一致，因此該設(shè)備在額定參數(shù)下工作時不會發(fā)生共振。

綜合以上分析，新研制的高寒環(huán)境疲勞試驗設(shè)備具有良好的防腐保護(hù)，設(shè)備結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠滿足在高寒室外環(huán)境中有效可靠的評價材料疲勞性能的要求。目前正在進(jìn)行某新型材料的高寒環(huán)境-疲勞載荷耦合試驗。

4 結(jié)語

該設(shè)備適用于研究工作在高寒大氣環(huán)境中承受拉、壓、彎載荷的材料力學(xué)性能變化。利用該設(shè)備對材料在真實寒冷低溫大氣環(huán)境中的疲勞性能進(jìn)行評估，對應(yīng)用于高寒氣候環(huán)境下的裝備、器械的設(shè)計、選材，提高裝備與器械的性能與壽命、增強(qiáng)我國國防力量和工業(yè)實力等具有重要的指導(dǎo)意義和工程應(yīng)用價值。

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Development of a Kind of Fatigue Test Equipment for Cold Climate Environment

XIAO Yong1, WU Shuai1, WANG Bao-rui2, LUO Lai-zheng1, WANG Xiao-hui1, WU Yang1

(1.Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China;2.China South Industries Group Corporation, Beijing 100089, China)

Objective To develop a kind of fatigue test equipment for cold climate environment. Methods Based on the service process of equipment materials under the coupling conditions of cold climate-tension, compression and bending load, interaction effects of environmental and mechanical factors were analyzed to determine working principles and function characteristics of the new equipment. Structure and reliability of the equipment were designed reasonably through analysis on working environment and characteristics of the equipment itself to design and develop a kind of fatigue test equipment for cold climate environment. Results The test equipment could accomplish precise control of test parameters such as load and frequency, and carry out the tensile, compression and bending test in the cold climate environment by changing the test fixture. Conclusion The newly developed equipment is suitable for investigating tensile, compressive and flexural properties of materials in cold climate.

cold climate; fatigue; coupling effect; test equipment

10.7643/ issn.1672-9242.2017.08.002

TJ01；TH871

A

1672-9242(2017)08-0011-04

2017-04-23；

2017-05-22

肖勇（1979—），男，湖南常德人，碩士，高級工程師，主要研究方向為環(huán)境試驗與環(huán)境適應(yīng)性評價。