一種高寒氣候環境疲勞試驗設備的研制

肖勇，吳帥，王寶瑞，羅來正，王曉輝，吳洋

一種高寒氣候環境疲勞試驗設備的研制

肖勇1，吳帥1，王寶瑞2，羅來正1，王曉輝1，吳洋1

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

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

高寒氣候環境；疲勞；耦合作用；試驗設備

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

目前，國內外對于高寒氣候環境與拉、壓、彎載荷耦合作用下的材料力學性能試驗沒有有效的方法，也沒有相關的標準和設備。國外如美國、英國等十分重視高原高寒環境模擬試驗技術研究，建成了可以模擬高原高寒地區環境溫度、大氣壓力、環境濕度及日照的高原高寒地區環境模擬實驗室[14]。為了掌握環境因素與拉、壓、彎載荷工況交互作用對材料性能的影響，國內研究人員在普通疲勞試驗裝置基礎上增加能夠模擬溫度、濕度等環境因素的環境箱，如中國專利“深冷環境材料力學性能檢測試驗裝置（CN 1027- 98573 A）”公開了一種可實現從常溫到液氮溫度的材料疲勞試驗裝置[15]，中國專利“液氦溫區材料三點彎曲多試樣連續測試裝置（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行單一環境條件的模擬，不能真實反映復雜的高寒氣候環境中溫度、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性能變化。因此，提供先進、有效的試驗設備研究高寒氣候環境與拉、壓、彎載荷耦合作用下裝備材料的力學性能變化，已經成為保障裝備高寒氣候環境服役必不可少的要求。

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

1 設備功能特點

該設備是一款能在低溫、高寒戶外環境下工作的機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境中承受拉、壓、彎載荷工況的材料力學性能變化。設備可同時安裝5套夾具進行5件試樣的試驗，顯著提高了試驗效率。可調節裝夾試樣角度，滿足不同的光照條件要求。設備可針對試驗材料需長期在高寒大氣環境中承受靜載荷（拉、壓或彎）的工況，通過靜載加載機構加載后進行靜態暴露試驗，也可針對工作在高寒大氣環境中的材料長期經受環境侵蝕和動載荷（拉、壓或彎）反復作用的工況，進行材料的疲勞試驗。因而相對于傳統的實驗室模擬試驗設備，該設備能更好地模擬高寒環境中材料的實際服役工況，評估材料的疲勞性能變化，其實驗結果對于指導選材更具可參考性。

該設備采用伺服電機閉環控制原理，可根據需要對載荷類型、載荷量值、加載頻率等試驗條件進行設計，實現裝置對被測試樣實施拉、壓、彎的動/靜態高精度加載。試驗設備的主要技術參數：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 設備工作原理及結構特點

該裝置采用伺服電機閉環控制原理，控制系統通過控制超大功率變頻伺服電機，通過軸承帶動電動伺服剛體內絲杠的轉動，從而驅動活塞進行上下線性運動。控制系統通過控制電機的功率和頻率精確控制作動器缸體內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械連接，進而實現裝置對被測樣實施拉、壓、彎的動態高精度加載，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實現載荷補償。

為了評估材料在真實高寒氣候環境中的疲勞性能，該設備需長期放置在高寒戶外環境中工作，設備本身將承受嚴酷的低溫環境，為了保證設備長期穩定工作，設備安裝分為室外和室內兩部分。其中，易于受環境腐蝕/老化影響的電控系統、動載加載機構、主機角度調整機構等結構安裝于鋼筋混凝土基礎設施的室內控溫控濕環境，主機框架、橫梁鎖緊系統、試樣夾具、靜載加載機構等安裝于地上戶外環境。設備安裝如圖1所示。

高寒氣候環境疲勞試驗設備結構如圖2所示。設備由主機框架、橫梁鎖緊系統、主機角度調整機構、夾具系統、靜載加載機構、動載加載機構、電控系統等組成。主機框架采用閉式結構，兩根立柱固定在基座上，移動梁套裝在立柱上，構成了受力的基本框架。移動橫梁上固定靜載加載機構，在移動橫梁兩側裝有鎖緊系統，橫梁鎖緊系統采用螺栓鎖緊形式，提供了保證試驗成功的夾緊力。設備靜載加載機構主要元件為渦輪蝸桿升降機，通過手動旋轉手柄對樣品產生推拉力，以達到靜態加載的目的。動載加載機構采用伺服電機驅動，采用加裝量塊的形式調節振幅，可以實現不同振幅的疲勞試驗。為了滿足光照等環境條件，更好地模擬真實環境中材料的服役工況，設計了角度調整機構，可根據需求將裝置調整到與水平面成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，拉伸夾具采用手動楔形結構，壓縮夾具采用上下兩側壓盤形式，彎曲夾具采用三點彎曲形式，三類夾具連接接口通用。

現有的模擬環境疲勞試驗裝置未能真實模擬復雜多變的高寒氣候環境，因而無法準確評估裝備材料在高寒環境中的疲勞性能，對指導裝備選材，工藝優化難以提供有效支撐。該設備直接放置于高寒戶外大氣環境中，環境做到絕對真實，在結構設計時也充分考慮設備自身部組件對試驗樣品的遮擋作用，設計了角度調整機構以調整試樣暴露角度，并在保證機械穩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境中。

3 設備可靠性分析

設備直接放置在高寒氣候環境中，承受風吹雨淋、寒冷低溫等環境因素的影響，工作條件十分惡劣。為了保證設備長期穩定運轉，設備采用分離式布置，電控系統、動載加載機構、主機角度調整機構等安裝于鋼筋混凝土基礎設施的室內環境，并通過恒溫恒濕保持系統保持室內處于恒定的溫度和濕度。主機框架、橫梁鎖緊系統、試樣夾具、靜載加載機構等部組件直接放置在高寒氣候環境中，試樣夾具采用不銹鋼材質，具有非常強的防腐耐蝕效果。立柱采用鍍硬鉻處理，在提高耐蝕性的基礎上同時提高了立柱耐磨性。其他直接暴露在環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境直接接觸。

高寒氣候環境疲勞試驗設備的剛度及共振仿真分析如圖3所示。當設備上橫梁上升到最高點時，設備整體強度最低，因此以上橫梁在最高點時為分析模型，對系統進行模態求解。在上橫梁中心安裝夾具過度盤螺栓孔處施加100 kN拉力，對設備進行靜力下的結構分析，結果表明：在100 kN的拉力下，設備在方向（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，大于設備要求的框架剛度200 kN/mm。隨后對設備上橫梁分別施加不同方向的載荷（平行、垂直和扭轉）進行了共振分析，結果表明，當載荷垂直上橫梁時（圖3b箭頭方向），共振頻率最小，為21 Hz，低于設備的最大加載頻率，且設備工作時載荷方向與此方向不一致，因此該設備在額定參數下工作時不會發生共振。

綜合以上分析，新研制的高寒環境疲勞試驗設備具有良好的防腐保護，設備結構穩定，能夠滿足在高寒室外環境中有效可靠的評價材料疲勞性能的要求。目前正在進行某新型材料的高寒環境-疲勞載荷耦合試驗。

4 結語

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

[1] 秦曉洲. 自然環境試驗站典型環境特征及腐蝕圖譜[M]. 北京: 航空工業出版社, 2010

[2] 胥澤奇, 張世艷, 宣衛芳. 裝備環境適應性評價[J]. 裝備環境工程, 2012, 9(1): 54-58.

[3] 許翔, 周廣猛, 鄭智, 等.高原環境對保障裝備的影響及適用性研究[J]. 裝備環境工程, 2010, 7(5): 100-103.

[4] 翟瑋. 機載電子設備環境適應性設計[J]. 電子機械工程, 2012, 28(5): 7-10.

[5] 祝耀昌, 常文君, 傅耘. 武器裝備環境適應性與環境工程[J]. 裝備環境工程, 2005, 2(1): 14-19.

[6] 熊長武. 裝備環境適應性設計思想變革與實踐[J]. 裝備環境工程, 2014, 11(2): 20-25.

[7] 李繼紅, 何建新, 張先勇, 等. 某型軍用鋰離子電池低溫環境適應性[J]. 裝備環境工程, 2014, 11(1): 111-115.

[8] 田睿, 萬瑞升. 某型軍用電源車高低溫環境試驗方法探討[J]. 裝備環境工程, 2010, 7(4): 100-103.

[9] 謝里陽, 劉建中, 吳寧祥, 等. 風電裝備傳動系統及零部件疲勞可靠性評估方法[J]. 機械工程學報, 2014, 50(11): 1-8.

[10] 王欣, 劉鵬, 靳明旭, 等.開口螺釘斷裂的材料分析及工藝試驗[J].鐵道機車車輛, 2013, 33(6): 105-107.

[11] 陳輝剛. 高速列車用A6N01S-T5l鋁合金及其焊接接頭高寒條件下的性能[J]. 電焊機, 2016, 46(9): 77-81.

[12] 唐亮, 吳勛, 楊蓉, 等. 某型液體火箭動力系統低溫環境適應性要求驗證試驗與結果分析[J]. 裝備環境工程, 2015, 12(1): 106-109.

[13] 文邦偉, 胥澤奇. 外軍裝備環境適應性典型案例[J]. 裝備環境工程, 2005, 2(3): 83-87.

[14] 高強, 龐志兵, 魏赫. 高原高寒環境對武器裝備的影響研究[J]. 裝備環境工程, 2013, 10(6): 118-122.

[15] 鄭津洋, 高曉哲, 繆存堅, 等. 深冷環境材料力學性能檢測試驗裝置. 中國: CN102798573 A[P]. 2012-11-28.

[16] 李鵬遠, 韓石磊, 楊淑娟, 等. 液氦溫區材料三點彎曲多試樣連續測試裝置. 中國: CN103900914A[P]. 2014- 07-02.

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，主要研究方向為環境試驗與環境適應性評價。