[实用新型]用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置

权利要求书

1.一种用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置，其特征在于：包括高频疲劳加载单元、低频疲劳加载单元、拉伸加载与检测单元、同步回转单元，其中，所述高频疲劳加载单元与低频疲劳加载单元分别安装在被测试件（4）两侧，拉伸加载与检测单元位于低频疲劳加载单元下方，安装在回转平台（23）上，同步回转单元安装在基座（28）上，通过回转平台电机（24）进行驱动；

所述的高频疲劳加载单元是：被测试件（4）螺纹连接于左右两侧的变幅杆（6），右侧的变幅杆与换能器（1）螺纹固定连接，固定在支架Ⅰ（2）上，左侧的变幅杆（6）串联力学传感器（8），固定在支架Ⅱ（7）上，并通过转接件（9）与低频疲劳测试单元刚性连接；在变幅杆（6）的机械振动驱动下，被测试件（4）进行超高频疲劳振动，光纤位移传感器（5）的检测部分置于左侧的变幅杆（6）前端探头，检测被测试件（4）的位移；套筒（3）固连于变幅杆（6），防护变幅杆（6）在高温疲劳试验中受到温度场的影响；

所述的低频疲劳加载单元是：压电陶瓷（10）安装在柔性铰链（11）的凹槽内，带动柔性铰链（11）在输出位移方向振动；柔性铰链（11）右端加工有梯形齿牙，与转接件（9）安装定位；转接件（9）与力学传感器（8）螺纹固定连接；压电陶瓷（10）、柔性铰链（11）、转接件（9）与力学传感器（8）串联布置以精确检测被测试件（4）所承受的载荷；柔性铰链（11）固定端通过螺钉固定在Z形支架（12）上；

所述的拉伸加载与检测单元由伺服电机（21）作为驱动源，采用蜗轮蜗杆传动，将蜗杆（16）横跨于丝杠（30）之上，两端经由轴承（19）安装在轴承座Ⅰ（18）上，轴承座Ⅰ（18）对称布置在蜗轮（17）两侧，由回转平台（23）上凹槽定位；蜗杆（16）经由蜗轮（17）将扭矩传递至固定在轴承座Ⅱ（29）的丝杠（30）；伺服电机（21）通过联轴器I（20）带动蜗杆（16）转动，再经由蜗轮（17）将扭矩传递至丝杠（30）；

所述的同步回转单元是：回转平台电机（24）通过联轴器Ⅱ（25）带动锥齿轮（26），锥齿轮（26）通过与回转平台（23）下方的锥形齿啮合，将扭矩传递至回转平台（23）从而实现回转，回转平台（23）通过推力轴承（32）安装在基座（28）圆形凹槽中，回转平台电机（24）通过回转平台电机座（27）固定在基座（28）上，与回转平台（23）不发生接触。

2.根据权利要求1所述的用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置，其特征在于：采用多级复合驱动技术，串并联相结合的驱动方式，其中，换能器（1）、被测试件（4）、变幅杆（6）、力学传感器（8）与压电陶瓷（10）串联式布置，从而高频与低频加载相结合，实现高低周疲劳试验；拉伸加载与检测单元则与上述部件并联式布置，实现了静动态耦合；拉伸加载与检测单元通过伺服电机（21）结合大减速比的蜗轮（17）、蜗杆（16）减速机构实现“减速增矩”和超低速“准静态”加载；采用具有凹槽结构的压电陶瓷（10）实现低频交变载荷，＜50Hz；采用伺服电机（21）实现小幅静态拉伸载荷，50N，30μm的精密驱动；在此基础上，基于串联传动拓扑结构，采用具有变幅杆结构的超声振子实现高频加载，20kHz，其中换能器（1）与变幅杆（6）刚性固定连接；即通过构建基于伺服电机（21）、压电驱动器、超声振子协同工作的多级复合驱动系统，实现基于任意初始静应力或应力比的疲劳加载模式。

3.根据权利要求1所述的用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置，其特征在于：所述的回转平台（23）通过推力轴承（32）安装在基座（28）的圆柱形凹槽中，为整套力学加载装置的支撑部件；回转平台电机（24）为力学加载单元回转运动的驱动动力源，从动盘式齿轮为同部回转单元的传动链末端；回转平台电机（24）通过由联轴器Ⅱ（25）连接的锥齿轮（26）与回转平台（23）上的从动盘齿轮相啮合，驱动回转平台（23）在水平面上进行转动；在回转平台电机（24）的驱动下，回转平台（23）与拉伸加载与检测单元、高频疲劳加载单元、低频疲劳加载单元同步回转，从而可实现同步辐射光源对样品进行实时动态的晶体衍射表征。

4.根据权利要求1所述的用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置，其特征在于：所述的被测试件（4）为端部呈圆柱状，中间变截面过渡，狗骨形板状试样；试样设计成狗骨形能获得较高的应力放大系数，同时使被测试件（4）中部产生最大应力，板状试样便于光学观测表征，可使该用于高频疲劳试验的多级静动态耦合力学加载装置集成光学显微镜后，实现原位材料力学性能测试；光纤位移传感器（5）的检测部分置于变幅杆(6)前端探头，从而实现检测试件位移的精确检测；通过预制双V缺口特征缺陷，实现被测试件（4）疲劳裂纹萌生位置的可控表征并构建拉-弯或拉-剪复合应力状态。