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(huán)境-扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)設(shè)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(yè)第五九研究所，重慶 400039；2.重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331）

研制一種海洋氣候環(huán)境-扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)設(shè)備。針對海洋環(huán)境下服役的裝備材料及結(jié)構(gòu)承受環(huán)境腐蝕-扭轉(zhuǎn)載荷耦合作用的特點(diǎn)，采用液壓伺服閉環(huán)控制原理，通過特定結(jié)構(gòu)布置、液壓動力系統(tǒng)和伺服扭轉(zhuǎn)疲勞系統(tǒng)的合理設(shè)計(jì)，研制一種海洋氣候環(huán)境-扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)設(shè)備。該設(shè)備可實(shí)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)角度、扭矩、頻率等試驗(yàn)參數(shù)的精確控制，準(zhǔn)確表征工作在海洋大氣環(huán)境中的材料及結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)性能。新研制的設(shè)備適用于海洋大氣環(huán)境下服役的材料及構(gòu)件扭轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)驗(yàn)證與評估。

海洋氣候環(huán)境；扭轉(zhuǎn)；耦合作用；試驗(yàn)設(shè)備

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

目前，國內(nèi)外對于海洋氣候環(huán)境-扭轉(zhuǎn)載荷耦合作用下的材料及結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)沒有專門的設(shè)備及標(biāo)準(zhǔn)，扭轉(zhuǎn)性能測試主要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。如CN107703006A公開的拉伸預(yù)載荷下扭轉(zhuǎn)疲勞的復(fù)合加載裝置，可實(shí)現(xiàn)電場、熱場及磁場耦合[12]；CN106872294A公開的材料扭轉(zhuǎn)及扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)裝置，包括疲勞試驗(yàn)機(jī)、真空杜瓦容器、控溫系統(tǒng)和夾具組件[13]。上述試驗(yàn)裝置主要是在實(shí)驗(yàn)室對電場、熱場、磁場或溫度進(jìn)行模擬，實(shí)現(xiàn)環(huán)境因素與扭轉(zhuǎn)疲勞的耦合，難以有效反映復(fù)雜海洋大氣腐蝕環(huán)境與扭轉(zhuǎn)疲勞的耦合作用。

文中在上述環(huán)境背景下，自主研制了一種海洋氣候環(huán)境-扭轉(zhuǎn)載荷耦合試驗(yàn)設(shè)備，并安裝于海南萬寧試驗(yàn)站海洋大氣戶外環(huán)境下。該設(shè)備可根據(jù)需求對扭轉(zhuǎn)角度、扭矩、載荷波形、加載頻率等試驗(yàn)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對被測樣實(shí)施扭轉(zhuǎn)的動/靜態(tài)高精度加載，達(dá)到被測樣同時遭受海洋氣候環(huán)境和扭轉(zhuǎn)載荷耦合作用的目的，有效驗(yàn)證與評估裝備材料及結(jié)構(gòu)在海洋大氣環(huán)境腐蝕與扭轉(zhuǎn)載荷耦合作用下的扭轉(zhuǎn)性能變化。

1 設(shè)備功能特點(diǎn)

海洋氣候環(huán)境-扭轉(zhuǎn)載荷耦合試驗(yàn)設(shè)備是一款可在海洋戶外環(huán)境下使用的電液伺服扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)設(shè)備，適用于海洋大氣戶外環(huán)境下承受扭轉(zhuǎn)工況載荷的材料及構(gòu)件扭轉(zhuǎn)性能的研究。該設(shè)備具有在海洋氣候戶外環(huán)境下對被試驗(yàn)樣品施加一定的扭轉(zhuǎn)動/靜態(tài)載荷的功能，能夠根據(jù)實(shí)際需要，對載荷類型、載荷量值、載荷波形、加載頻率等試驗(yàn)條件進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)在海洋氣候環(huán)境下對被測樣實(shí)施扭轉(zhuǎn)的動/靜態(tài)高精度加載。

該設(shè)備可在海洋大氣戶外環(huán)境下開展扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)海洋大氣環(huán)境腐蝕與扭轉(zhuǎn)疲勞載荷的有效耦合，特別適用于在海洋大氣環(huán)境中長期遭受環(huán)境腐蝕和扭轉(zhuǎn)靜/動載荷工況反復(fù)作用的材料及構(gòu)件的疲勞試驗(yàn)研究。相對于傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)而言，所得試驗(yàn)結(jié)果更為準(zhǔn)確、真實(shí)、可靠，更具工程應(yīng)用價值。試驗(yàn)設(shè)備的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 試驗(yàn)設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

2 設(shè)備工作原理及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

試驗(yàn)設(shè)備采用液壓伺服閉環(huán)控制原理，通過電機(jī)帶動高壓油泵產(chǎn)生高壓油，高壓油經(jīng)蓄能器平穩(wěn)后，經(jīng)過濾器和若干單向閥進(jìn)入數(shù)字伺服閥?？刂葡到y(tǒng)通過控制伺服閥內(nèi)高壓油的進(jìn)出精確推動作動器缸體內(nèi)活塞（葉片）旋轉(zhuǎn)，并通過高壓油的流量和進(jìn)油方向控制設(shè)備加載的扭轉(zhuǎn)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(jìn)行扭矩或角度的載荷補(bǔ)償，作動器與夾有被測試樣的夾具通過機(jī)械連接，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)備對被測樣實(shí)施扭轉(zhuǎn)的動/靜態(tài)高精度加載。

該設(shè)備主要用于評估與驗(yàn)證海洋大氣環(huán)境服役下材料及構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)性能。為了保證試驗(yàn)設(shè)備在海洋環(huán)境下長久、可靠地工作，設(shè)備采用立式布局，分為室外和室內(nèi)兩部分。其中，伺服扭轉(zhuǎn)疲勞系統(tǒng)、信號檢測單元、動力系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)設(shè)置于可控溫控濕的室內(nèi)密閉環(huán)境；主機(jī)框架、夾持機(jī)構(gòu)、試樣夾具等位于密閉室外。設(shè)備安裝如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)備安裝

試驗(yàn)設(shè)備由主機(jī)框架、夾持機(jī)構(gòu)、信號檢測單元、伺服扭轉(zhuǎn)疲勞系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等組成。主機(jī)框架包括水平設(shè)置的底座和豎直設(shè)置的立柱，在立柱頂部設(shè)置有橫梁，中部設(shè)置有工作臺，底部設(shè)置有底座。工作臺、立柱與橫梁共同構(gòu)成第一閉環(huán)框架，工作臺、立柱與底座共同構(gòu)成第二閉環(huán)框架。夾持機(jī)構(gòu)包括同軸線設(shè)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(zhuǎn)疲勞系統(tǒng)。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(zhuǎn)角度的角度傳感器。伺服扭轉(zhuǎn)疲勞系統(tǒng)包括依次連接的波紋聯(lián)軸器、伺服閥、擺動缸和擺動作動器，波紋聯(lián)軸器連接夾桿，扭矩傳感器設(shè)置于波紋聯(lián)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(shè)置，伺服閥連接液壓動力系統(tǒng)。液壓動力系統(tǒng)的壓力油經(jīng)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(chǎn)生液壓力作用到雙葉片，進(jìn)而推動活塞轉(zhuǎn)動產(chǎn)生扭矩，實(shí)現(xiàn)對試樣的靜態(tài)或動態(tài)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)[14]。試驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖2所示，該設(shè)備安裝于海南萬寧試驗(yàn)站，設(shè)備現(xiàn)場如圖3所示。

3 試驗(yàn)分析

3.1 設(shè)備實(shí)用性分析

試驗(yàn)設(shè)備采用分體式設(shè)計(jì)，通過特定結(jié)構(gòu)布置、液壓動力系統(tǒng)和伺服扭轉(zhuǎn)疲勞系統(tǒng)的相互配合，使得試驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性、協(xié)同性、防水性、可靠性等性能相當(dāng)優(yōu)異。試驗(yàn)設(shè)備的室內(nèi)和室外連接部位進(jìn)行了防水處理，防水裝置對雙立柱表面進(jìn)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(jìn)地下密閉控制室。通過將設(shè)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(jié)構(gòu)直接暴露于海洋大氣戶外環(huán)境中，有效保證試驗(yàn)設(shè)備長久、可靠工作。試驗(yàn)加載部分置于高溫、高濕、高鹽霧的海洋氣候環(huán)境中，保證試樣扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)和靜態(tài)暴露試驗(yàn)始終處于潮濕海鹽離子的侵蝕、干/濕交替變化等嚴(yán)酷腐蝕環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)海洋大氣環(huán)境腐蝕與扭轉(zhuǎn)疲勞載荷的有效耦合。

1-移動橫梁；2-夾持機(jī)構(gòu)；3-夾桿；4-立柱；5-防水裝置；6-扭矩傳感器；7-波紋管聯(lián)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(yàn)現(xiàn)場

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

該試驗(yàn)設(shè)備直接放置于海洋大氣戶外環(huán)境中，相對于實(shí)驗(yàn)室模擬復(fù)雜多變的海洋氣候環(huán)境而言，腐蝕環(huán)境絕對真實(shí)。設(shè)備夾持間距可調(diào)，可對50~350 mm的材料及結(jié)構(gòu)進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)的最大載荷為1000 N·m。

3.2 試驗(yàn)樣品要求

海洋氣候環(huán)境-扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)設(shè)備適用于高強(qiáng)合金材料/工藝，試驗(yàn)樣品推薦采用圓柱形。樣品總長度和夾持端尺寸應(yīng)適應(yīng)試驗(yàn)機(jī)夾頭夾持，宜為50~350 mm，夾持端直徑宜為15~30 mm。

試驗(yàn)應(yīng)保證足夠的平行樣品數(shù)量，一般不少于3件，以確保檢測數(shù)據(jù)的可靠性。樣品的總數(shù)量應(yīng)不少于每組平行樣品數(shù)量、預(yù)期檢測次數(shù)、試驗(yàn)項(xiàng)目種類的乘積，建議樣品的總數(shù)量按式（1）計(jì)算：

=××+(1)

式中：為樣品總數(shù)量；為檢測周期數(shù)；為每組平行樣品數(shù)量；為試驗(yàn)項(xiàng)目種類；為備用樣品數(shù)量。

3.3 可靠性分析

為了考核試驗(yàn)設(shè)備的穩(wěn)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(qiáng)鋼試樣開展海洋氣候環(huán)境-扭轉(zhuǎn)疲勞載荷耦合試驗(yàn)，試驗(yàn)的平行樣為5件。預(yù)先設(shè)定扭轉(zhuǎn)疲勞加載試驗(yàn)時間分別為10、20、30、45天，每天扭轉(zhuǎn)疲勞加載試驗(yàn)1次，每次加載30 min，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)角度范圍為－45°~45°。耦合試驗(yàn)結(jié)束后，檢測其扭轉(zhuǎn)性能，對試樣進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)，直至扭斷為止。獲取試樣海洋氣候環(huán)境下扭轉(zhuǎn)性能隨環(huán)境腐蝕-扭轉(zhuǎn)載荷耦合作用時間的變化規(guī)律，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 30CrMnSiNi2A高強(qiáng)鋼抗扭強(qiáng)度變化曲線

30CrMnSiNi2A高強(qiáng)鋼試樣海洋氣候環(huán)境-扭轉(zhuǎn)疲勞載荷耦合試驗(yàn)總時間為210天，試驗(yàn)期間，設(shè)備穩(wěn)定可靠，未出現(xiàn)影響試驗(yàn)進(jìn)程的重大故障。試驗(yàn)很好地模擬了海洋大氣環(huán)境中材料承受的實(shí)際服役工況，試驗(yàn)結(jié)果充分反映了海洋大氣環(huán)境腐蝕與扭轉(zhuǎn)疲勞載荷對30CrMnSiNi2A高強(qiáng)鋼的耦合作用，真實(shí)表征了工作在海洋大氣環(huán)境中材料的扭轉(zhuǎn)性能。試驗(yàn)結(jié)果真實(shí)、可靠，對于指導(dǎo)裝備的設(shè)計(jì)選材、腐蝕故障分析和日常維修保養(yǎng)等可參考性更強(qiáng)。綜上所述，新研發(fā)的試驗(yàn)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性及試驗(yàn)結(jié)果的可靠性都得到了有效保障。

4 結(jié)語

該設(shè)備適用于研究海洋大氣環(huán)境下服役并承受扭轉(zhuǎn)載荷工況的材料及構(gòu)件的扭轉(zhuǎn)性能，為材料及構(gòu)件扭轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)驗(yàn)證與評估提供了一種新的技術(shù)手段。在海洋大氣戶外環(huán)境下，利用該設(shè)備開展海洋氣候環(huán)境-扭轉(zhuǎn)疲勞載荷耦合試驗(yàn)，獲取材料及構(gòu)件耦合作用下的腐蝕變化規(guī)律及機(jī)理。耦合試驗(yàn)結(jié)果與靜態(tài)自然環(huán)境試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)相比，具有更高的實(shí)用性和工程應(yīng)用價值，對于裝備的設(shè)計(jì)選材、壽命評估、維修方案制定等更具有指導(dǎo)意義。

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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?yàn)榄h(huán)境試驗(yàn)。

羅來正（1983—），男，江西玉山人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榄h(huán)境試驗(yàn)與環(huán)境適應(yīng)性評價。