一种低温超声振动疲劳实验系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及疲劳试验设备技术领域，用于低温环境条件下材料的疲劳性能测试，特别是涉及一种低温超声振动疲劳实验系统。
【背景技术】
[0002]由于金属材料低温脆性的存在，与低温环境条件相关的机械设备、构件在低于室温的条件下受到交变载荷作用下，很容易导致低温疲劳破坏。在北方寒冷地区冬季最低温度可达-30°C，在地球北极和南极冬季最低温度可达_80°C。在生活和生产中有很多机械和装置零部件工作在低温环境下，如在北方运行的汽车、大型油轮、破冰船、高铁，有的部件在设计寿命内，要承受17以上的周次循环载荷，精确研究金属材料在低温环境条件下的超高周疲劳性能，为上述设备或部件的设计提供参考，可达到保证对应设备设计寿命下部件力学性能的可靠性和节约制造部件的材料的目的。
[0003]现有常用的传统疲劳实验系统加载频率都在100Hz以下，要实现19周次以上的超高周疲劳循环加载，如采用传统的50 Hz的高频疲劳实验机，大约需要230天的时间，在科研过程中开展19以上的超高周疲劳研究，需要很大的时间和精力成本，不利于设备或部件的研发周期。
【发明内容】
[0004]现有的超声振动疲劳试验系统不能进行低温环境条件下的疲劳加载准确模拟，本发明提供了一种低温超声振动疲劳实验系统。
[0005]为解决上述问题，本发明提供的一种低温超声振动疲劳实验系统通过以下技术要点来达到目的:一种低温超声振动疲劳实验系统，包括压电换能器及超声信号发生器，所述压电换能器的电能输入端与超声信号发生器的交流电信号输出端电连接，所述压电换能器的机械振动输出端上连接试件；
还包括低温箱，所述低温箱为密闭的箱体结构，试件位于所述低温箱中，所述低温箱中还设置有冷却器，低温箱的外部还设置有冷却装置，所述冷却装置通过管道与冷却器相连；所述冷却器为螺旋盘管状结构，试件的往复运动方向位于螺旋盘管状结构的轴线上；还包括设置于低温箱中的对流风扇，所述对流风扇的轴线与螺旋盘管状结构的轴线共线。
[0006]具体的，以上设置的低温箱，用于为试件提供低温周期振动疲劳实验环境，设置的超声信号发生器用于把市电或其他电力来源转换成高频交流电信号，压电换能器用于将所述高频交流电信号转换成机械振动信号，这样，以上机械振动信号作用于试件，可使得试件在某一低温环境中完成周期振动疲劳实验。这样，本装置相较于现有振动疲劳实验设备，可模拟被测试试件的实际工作低温环境，便于得到能直接反映试件在某一低温环境下，准确的周期振动疲劳性能试验数值或测量数值。
[0007]以上设置的冷却器及冷却装置中，冷却器作为换热部件，用于吸收低温箱中的热量，冷却装置与冷却器之间的管道用于循环冷流体，冷流体作为以上热量的载体；以上热量通过冷却装置与冷却器之间的管道传递到冷却装置后，在冷却装置中释放，冷流体再次进入到冷却器中，继续对低温箱中环境进行降温。
[0008]具体的，根据低温箱中所需要的温度值，以上冷却器可以设置成一个蒸发器，冷却装置可以设置成一个冷凝器，冷却介质采用氟利昂，即对低温箱进行降温采用空调的原理；根据试件的具体测试需要，若需要在低温箱中得到一个深冷环境，冷却器可以采用一根螺旋状的换热管道，即弯曲成弹簧状的换热管道，冷却装置包括降温装置及冷流体循环装置，以间壁式换热的原理，冷流体采用甲醇或乙醇，通过冷流体循环装置强迫冷流体在冷却器及冷却装置之间循环，达到可将低温箱中温度冷却至零下110°C以下的目的，实现低温箱中温度可在室温与极低的温度内线性可调，作为本领域技术人员，冷却装置也可不包括降温装置，即采用注入深冷的冷流体并使冷流体循环的方案也可实现发明目的。
[0009]进一步的，由于试件在测试工况下，试件上各点可能产生不等速的发热，为利于测试工况下试件上各点温度的均匀性，使得各点的温度尽量实验要求的温度，在冷却器的轴线上设置对流风扇，以上对流风扇工作时产生的风力可实现对试件各点的强制冷却，达到均匀试件各点温度的目的。
[0010]进一步的，对冷却器特定形状的限定，同时对试件往复运动方向与冷却器轴线位置的限定，便于实现对试件侧面各点的均匀冷却，通过对流风扇的强制对流，便于实现对试件侧面各点的快速、均匀降温，减小因为低温箱各点散热的不均匀性或冷却器相对于试件的不对称性等导致的试件各点环境温度不均匀的程度，利于得到更准确的实验要求温度下试件的低温振动疲劳性能数值。
[0011]更进一步的技术方案为:
由于现有压电换能器中无论采用单晶或陶瓷材料，得到的机械变形位移均很小，如仅有几微米，为放大以上位移，以得到更为准确的测量值，所述压电换能器的机械振动输出端上还连接有位移放大器，所述试件连接于位移放大器上。所述位移放大器是基于谐振时不同部位位移不同，实现振动位移的放大。比较常用的形状有:指数形、圆锥形、阶梯形位移放大器。
[0012]由于压电换能器及位移放大器在工作时均有发热现象，为避免或减轻以上发热对试件的正常低温测试造成影响，还包括侧面设置有翅片的延长杆，所述试件通过延长杆与位于放大器相连。设置在延长杆侧面上的翅片用于进一步强化延长杆表面的散热效果，减小对试件温度的影响。
[0013]在具体运用时，为避免针对本实验系统对压电换能器进行特殊设计以使得其适应低温环境，优选是将压电换能器设置在低温箱的外部，这样，要在低温箱中得到密闭的低温环境，本系统中的周期振动部件需要与低温箱产生固定约束关系，为延长低温箱的使用寿命，所述低温箱包括低温箱外层及低温箱内层，所述低温箱外层为材质为金属的箱体结构，所述低温箱内层为设置于低温箱外层内侧的隔热层。本低温箱结构中，低温箱外层作为低温箱的强度层，低温箱内侧作为隔热层，以使得本系统在工作时，低温箱外层与外界发生充分的热交换也不至于使得低温箱内部热吸收过快，这样，便于实现本系统在工作时，作为低温箱强度层的低温箱外层温度不至于过低，达到延长低温箱使用寿命的目的。
[0014]为便于实现本系统周期振动加载及控制、试件环境温度的自动控制，还包括控制器，所述超声信号发生器的控制端和/或输出端与控制器电连接、所述冷却装置的控制端和/或反馈端与控制器电连接。
[0015]为便于直观的获取低温箱内的温度值，实时监控低温箱中的温度，并实现以上温度引导本系统自动开始或停止工作，还包括设置于所述低温箱上的温度传感器，所述温度传感器的信号输出端与控制器电连接。
[0016]为便于实时监测疲劳裂纹的萌生和扩展过程，并实现以上疲劳裂纹引导本系统的自动启停，还包括设置于低温箱中的红外摄像机，所述红外摄像机的信号采集端正对所述试件，所述红外摄像机的信号输出端与控制器电连接。
[0017]为使得本系统可实现低温、真空环境下的试件振动疲劳实验，同时实现真空隔热，利于隔热效果，以提高对试件的温度控制精度，得到更为准确的低温振动疲劳实验值，所述低温箱上还开设有真空接口，所述真空接口通过管道连接有位于低温箱外部的真空栗。本方案还具有降低冷却介质用量，降低能耗的目的。
[0018]作为一种便于提高本系统实验效率的具体实现方案，所述超声信号发生器为可输出频率不低于20kHz的超声正弦波信号的超声信号发生装置。通过本方案，如加载频率为20kHz，能够方便地进行快速超高周疲劳实验，可在一天之内实现I X 19周次的循环加载，而采用传统的50 Hz的高频疲劳实验机，大约需要230天的时间，大大的缩短了实验周期，使得在科研过程中开展19以上的超高周疲劳研究具有更强的可行性。故本方案可实现:在短时间内达到超高周次疲劳加载，相对于传统疲劳试验机，可以节省大量时间，大幅减少设备的能源消耗。
[0019]还包括用于检测试件震动位移的位移传感器；
所述低温箱为设置有上盖的箱体结构，压电换能器固定于上盖上。以上位移传感器主要用于在实验开始之前，标定实验系统的振幅，以保证系统稳定可靠的运行；以上低温箱的结构形式，便于更换试件。
[0020]本发明具有以下有益效果:
1、本发明中，能够进行低温环境条件下的超声振动疲劳实验，可模拟被测试试件的实际工作温度环境，便于得到能直接反映试件在低温环境下，准确的周期振动疲劳性能试验数值或测量数值。
[0021]2、由于试件在测试工况下，试件上各点可能产生不等速的发热，为利于测试工况下试件上各点温度的均匀性，使得各点的温度尽量实验要求的温度，在冷却器的轴线上设置对流风扇，以上对流风扇工作时产生的风力可实现对试件各点的强制冷却，达到均匀试件各点温度的目的。
[0022]3、对冷却器特定形状的限定，同时对试件往复运动方向与冷却器轴线位置的限定