一種海洋氣候環境-扭轉疲勞試驗設備的研制

符朝旭，黎小鋒，李景育，羅來正，肖勇，周堃，王曉輝

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一種海洋氣候環境-扭轉疲勞試驗設備的研制

符朝旭1，黎小鋒2，李景育1，羅來正1，肖勇1，周堃1，王曉輝1

（1.中國兵器工業第五九研究所，重慶 400039；2.重慶電子工程職業學院，重慶 401331）

研制一種海洋氣候環境-扭轉疲勞試驗設備。針對海洋環境下服役的裝備材料及結構承受環境腐蝕-扭轉載荷耦合作用的特點，采用液壓伺服閉環控制原理，通過特定結構布置、液壓動力系統和伺服扭轉疲勞系統的合理設計，研制一種海洋氣候環境-扭轉疲勞試驗設備。該設備可實現扭轉角度、扭矩、頻率等試驗參數的精確控制，準確表征工作在海洋大氣環境中的材料及結構扭轉性能。新研制的設備適用于海洋大氣環境下服役的材料及構件扭轉性能試驗驗證與評估。

海洋氣候環境；扭轉；耦合作用；試驗設備

在當前復雜的世界性海洋爭奪戰中，我國的海洋權益正受到嚴重的侵害，海疆安全正面臨著十分嚴峻的挑戰及巨大的軍事斗爭壓力[1-2]。隨著我國國防安全防御戰略的轉變，新一代高新武器裝備服役環境由內陸向沿海、島礁甚至深海進一步拓展，“高溫、高濕、高鹽霧、強太陽輻射”的“三高一強”嚴酷海洋環境對裝備的材料及結構造成嚴重的腐蝕或破壞[3-5]。與此同時，裝備自身會受到反復的扭轉、拉伸等疲勞載荷作用，這種環境腐蝕-疲勞載荷的耦合作用會造成裝備主承力結構提前破壞甚至斷裂[6-8]，嚴重影響裝備的可靠安全服役[9-11]。

目前，國內外對于海洋氣候環境-扭轉載荷耦合作用下的材料及結構扭轉性能試驗沒有專門的設備及標準，扭轉性能測試主要在實驗室進行。如CN107703006A公開的拉伸預載荷下扭轉疲勞的復合加載裝置，可實現電場、熱場及磁場耦合[12]；CN106872294A公開的材料扭轉及扭轉疲勞試驗裝置，包括疲勞試驗機、真空杜瓦容器、控溫系統和夾具組件[13]。上述試驗裝置主要是在實驗室對電場、熱場、磁場或溫度進行模擬，實現環境因素與扭轉疲勞的耦合，難以有效反映復雜海洋大氣腐蝕環境與扭轉疲勞的耦合作用。

文中在上述環境背景下，自主研制了一種海洋氣候環境-扭轉載荷耦合試驗設備，并安裝于海南萬寧試驗站海洋大氣戶外環境下。該設備可根據需求對扭轉角度、扭矩、載荷波形、加載頻率等試驗條件進行設計，實現對被測樣實施扭轉的動/靜態高精度加載，達到被測樣同時遭受海洋氣候環境和扭轉載荷耦合作用的目的，有效驗證與評估裝備材料及結構在海洋大氣環境腐蝕與扭轉載荷耦合作用下的扭轉性能變化。

1 設備功能特點

海洋氣候環境-扭轉載荷耦合試驗設備是一款可在海洋戶外環境下使用的電液伺服扭轉疲勞試驗設備，適用于海洋大氣戶外環境下承受扭轉工況載荷的材料及構件扭轉性能的研究。該設備具有在海洋氣候戶外環境下對被試驗樣品施加一定的扭轉動/靜態載荷的功能，能夠根據實際需要，對載荷類型、載荷量值、載荷波形、加載頻率等試驗條件進行設計，實現在海洋氣候環境下對被測樣實施扭轉的動/靜態高精度加載。

該設備可在海洋大氣戶外環境下開展扭轉試驗和扭轉疲勞試驗，實現海洋大氣環境腐蝕與扭轉疲勞載荷的有效耦合，特別適用于在海洋大氣環境中長期遭受環境腐蝕和扭轉靜/動載荷工況反復作用的材料及構件的疲勞試驗研究。相對于傳統的實驗室扭轉疲勞試驗而言，所得試驗結果更為準確、真實、可靠，更具工程應用價值。試驗設備的主要技術參數見表1。

表1 試驗設備主要技術參數

2 設備工作原理及結構特點

試驗設備采用液壓伺服閉環控制原理，通過電機帶動高壓油泵產生高壓油，高壓油經蓄能器平穩后，經過濾器和若干單向閥進入數字伺服閥。控制系統通過控制伺服閥內高壓油的進出精確推動作動器缸體內活塞（葉片）旋轉，并通過高壓油的流量和進油方向控制設備加載的扭轉角度或扭矩、頻率及所需的波形。用扭矩傳感器或角度傳感器反饋的信號進行扭矩或角度的載荷補償，作動器與夾有被測試樣的夾具通過機械連接，進而實現設備對被測樣實施扭轉的動/靜態高精度加載。

該設備主要用于評估與驗證海洋大氣環境服役下材料及構件的扭轉性能。為了保證試驗設備在海洋環境下長久、可靠地工作，設備采用立式布局，分為室外和室內兩部分。其中，伺服扭轉疲勞系統、信號檢測單元、動力系統等結構設置于可控溫控濕的室內密閉環境；主機框架、夾持機構、試樣夾具等位于密閉室外。設備安裝如圖1所示。

圖1 試驗設備安裝

試驗設備由主機框架、夾持機構、信號檢測單元、伺服扭轉疲勞系統、動力系統等組成。主機框架包括水平設置的底座和豎直設置的立柱，在立柱頂部設置有橫梁，中部設置有工作臺，底部設置有底座。工作臺、立柱與橫梁共同構成第一閉環框架，工作臺、立柱與底座共同構成第二閉環框架。夾持機構包括同軸線設置的上夾頭和下夾頭，上夾頭連接橫梁，下夾頭通過夾桿連接伺服扭轉疲勞系統。信號檢測單元包括用于檢測扭矩的扭矩傳感器和用于檢測扭轉角度的角度傳感器。伺服扭轉疲勞系統包括依次連接的波紋聯軸器、伺服閥、擺動缸和擺動作動器，波紋聯軸器連接夾桿，扭矩傳感器設置于波紋聯軸器與夾桿之間，角度傳感器連接擺動作動器，并與擺動作動器同軸設置，伺服閥連接液壓動力系統。液壓動力系統的壓力油經伺服閥出油口分別流入擺動作動器的兩組油腔，兩組油腔的壓差產生液壓力作用到雙葉片，進而推動活塞轉動產生扭矩，實現對試樣的靜態或動態扭轉試驗[14]。試驗設備結構如圖2所示，該設備安裝于海南萬寧試驗站，設備現場如圖3所示。

3 試驗分析

3.1 設備實用性分析

試驗設備采用分體式設計，通過特定結構布置、液壓動力系統和伺服扭轉疲勞系統的相互配合，使得試驗裝置的穩定性、協同性、防水性、可靠性等性能相當優異。試驗設備的室內和室外連接部位進行了防水處理，防水裝置對雙立柱表面進行迷宮式密封，防水裝置與密閉室頂部之間做水泥防水，有效保證了雨水不會從立柱與地下密閉控制室頂部銜接處漏進地下密閉控制室。通過將設備易腐蝕部分置于控溫、控濕的密閉控制室，避免了易腐蝕結構直接暴露于海洋大氣戶外環境中，有效保證試驗設備長久、可靠工作。試驗加載部分置于高溫、高濕、高鹽霧的海洋氣候環境中，保證試樣扭轉疲勞試驗和靜態暴露試驗始終處于潮濕海鹽離子的侵蝕、干/濕交替變化等嚴酷腐蝕環境中，實現海洋大氣環境腐蝕與扭轉疲勞載荷的有效耦合。

1-移動橫梁；2-夾持機構；3-夾桿；4-立柱；5-防水裝置；6-扭矩傳感器；7-波紋管聯軸器；8-工作臺；9-鎖緊缸；10-升降油缸；11-底座；12-伺服閥；13-擺動缸；14-擺動作動器；15-角度傳感器

圖3 耦合試驗現場

為了提高戶外環境中設備結構的耐蝕性，暴露于戶外環境的橫梁和立柱均采用316L不銹鋼。對設備橫梁表面進行鍍鉻，并噴涂耐海水有機涂料（涂層體系為TE55-80環氧富鋅底漆+TS55-80聚氨酯面漆）。對立柱表面進行鍍鉻并涂抹防銹油。對夾持機構進行鍍鋅，并在非承力部位噴涂耐海水有機涂料。

該試驗設備直接放置于海洋大氣戶外環境中，相對于實驗室模擬復雜多變的海洋氣候環境而言，腐蝕環境絕對真實。設備夾持間距可調，可對50~350 mm的材料及結構進行扭轉試驗和扭轉疲勞試驗，試驗的最大載荷為1000 N·m。

3.2 試驗樣品要求

海洋氣候環境-扭轉疲勞試驗設備適用于高強合金材料/工藝，試驗樣品推薦采用圓柱形。樣品總長度和夾持端尺寸應適應試驗機夾頭夾持，宜為50~350 mm，夾持端直徑宜為15~30 mm。

試驗應保證足夠的平行樣品數量，一般不少于3件，以確保檢測數據的可靠性。樣品的總數量應不少于每組平行樣品數量、預期檢測次數、試驗項目種類的乘積，建議樣品的總數量按式（1）計算：

=××+(1)

式中：為樣品總數量；為檢測周期數；為每組平行樣品數量；為試驗項目種類；為備用樣品數量。

3.3 可靠性分析

為了考核試驗設備的穩定性和可靠性，對總長度為120 mm、夾持端直徑為20 mm的30CrMnSiNi2A高強鋼試樣開展海洋氣候環境-扭轉疲勞載荷耦合試驗，試驗的平行樣為5件。預先設定扭轉疲勞加載試驗時間分別為10、20、30、45天，每天扭轉疲勞加載試驗1次，每次加載30 min，扭轉試驗角度范圍為－45°~45°。耦合試驗結束后，檢測其扭轉性能，對試樣進行扭轉試驗，直至扭斷為止。獲取試樣海洋氣候環境下扭轉性能隨環境腐蝕-扭轉載荷耦合作用時間的變化規律，試驗結果如圖4所示。

圖4 30CrMnSiNi2A高強鋼抗扭強度變化曲線

30CrMnSiNi2A高強鋼試樣海洋氣候環境-扭轉疲勞載荷耦合試驗總時間為210天，試驗期間，設備穩定可靠，未出現影響試驗進程的重大故障。試驗很好地模擬了海洋大氣環境中材料承受的實際服役工況，試驗結果充分反映了海洋大氣環境腐蝕與扭轉疲勞載荷對30CrMnSiNi2A高強鋼的耦合作用，真實表征了工作在海洋大氣環境中材料的扭轉性能。試驗結果真實、可靠，對于指導裝備的設計選材、腐蝕故障分析和日常維修保養等可參考性更強。綜上所述，新研發的試驗設備運轉的穩定性及試驗結果的可靠性都得到了有效保障。

4 結語

該設備適用于研究海洋大氣環境下服役并承受扭轉載荷工況的材料及構件的扭轉性能，為材料及構件扭轉性能試驗驗證與評估提供了一種新的技術手段。在海洋大氣戶外環境下，利用該設備開展海洋氣候環境-扭轉疲勞載荷耦合試驗，獲取材料及構件耦合作用下的腐蝕變化規律及機理。耦合試驗結果與靜態自然環境試驗和實驗室試驗相比，具有更高的實用性和工程應用價值，對于裝備的設計選材、壽命評估、維修方案制定等更具有指導意義。

[1] 張晏瑲. 和平時期的海洋軍事利用與海戰法的最新發展[J]. 東方法學, 2014(4): 67-74.

[2] 鄭義煒. 陸海復合型中國“海洋強國”戰略分析[J]. 東北亞論壇, 2018(2): 76-90.

[3] 何建新, 秦曉洲, 易平, 等. Q235鋼海洋大氣腐蝕暴露試驗研究[J]. 表面技術, 2006, 36(4): 21-23,

[4] 羅來正, 肖勇, 蘇艷, 等. 7050高強鋁合金在我國四種典型大氣環境下腐蝕行為研究[J]. 裝備環境工程, 2015, 12(4): 49-53.

[5] 閆杰, 何俊, 黃創綿, 等. 海洋裝備用電纜南海海洋環境加速試驗研究[J]. 環境技術, 2017, 35(2): 7-10.,

[6] 吳帥, 張津, 殷明, 等. 一種海洋氣候環境-摩擦載荷耦合試驗設備的研制[J]. 裝備環境工程, 2015, 12(2): 70-74,

[7] 羅來正, 肖勇, 王曉輝, 等. 海洋氣候環境-拉?壓?彎載荷耦合試驗設備及試驗方法: 中國, CN 109115593A [P]. 2018-07-12.

[8] PIDAPARTI R M, JAYANTI S, SOWERS C A, ea al. Classification, Distribution, and Fatigue Life of Pitting Corrosion for Aircraft Materials[J]. Journal of Aircraft, 2002, 39(3): 486-492.

[9] 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, 2006, 2(3): 83-87,

[10] 劉思宏. 艦載機典型機構腐蝕疲勞可靠性分析[D]. 西安: 西北工業大學, 2013,

[11] 蔡健平, 陸峰, 吳小梅. 我國航空材料的腐蝕與防護現狀與展望[J]. 航空材料學報, 2006, 26(3):271-275,

[12] 趙宏偉, 付祥祺, 白元元, 等. 拉伸預載荷下動態扭轉疲勞力學性能測試裝置: 中國, CNCN107703006A[P]. 2018-02-16.

[13] 張恒成, 李來風, 李山峰, 等. 一種材料扭轉及扭轉疲勞試驗裝置: 中國, CN106872294A[P]. 2017-06-20.

[14] 羅來正, 肖勇, 王曉輝, 等. 一種海洋氣候環境-扭轉載荷耦合試驗裝置及試驗方法: 中國, CN 109163986A [P]. 2018-05-22.

Development of a Kind of Torsion Fatigue Test Equipment for Marine Climatic Environment

FU Zhao-xu1, LI Xiao-feng2, LI Jing-yu1, LUO Lai-zheng1, XIAO Yong1, ZHOU Kun1, WANG Xiao-hui1

(1. No.59 Institute of China Ordnance Industry, Chongqing 400039, China; 2. Chongqing College of Electronic Engineering, Chongqing 401331, China)

To develop a kind of torsion fatigue test equipment for marine climatic environment.According to characteristics of the coupling effect of environmental corrosion and torsion load of equipment materials and structures serving in the marine environment, the hydraulic servo closed-loop control principle was used and specific configuration, hydraulic power system and servo torsion fatigue system were designed to develop a kind of torsion fatigue test equipment for marine climatic environment.Test parameters of torsion angle, torque and frequency of the equipment can be controlled accurately. And the torsion properties of materials and structures in the marine atmosphere accurate were characterized accurately.The newly developed equipment is suitable for testing and evaluating torsion properties of materials and structures in the marine atmosphere.

marine climatic environment; torsion; coupling effect; test equipment

10.7643/ issn.1672-9242.2019.04.010

TG172.5

A

1672-9242(2019)04-0055-04

2019-02-16；

2019-03-05

符朝旭（1987—），男，海南萬寧人，工程師，主要研究方向為環境試驗。

羅來正（1983—），男，江西玉山人，碩士，工程師，主要研究方向為環境試驗與環境適應性評價。