趙遠(yuǎn)征，白 爽，楊秀光，孫新蕾，于 明

(中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130103)

1 引 言

當(dāng)前，新材料的發(fā)展日新月異，復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)材料、陶瓷復(fù)合材料和金屬復(fù)合材料等廣泛用于軌道交通、能源、電力、航天航空等國(guó)家支柱產(chǎn)業(yè)。對(duì)于新材料的研究，完善的材料力學(xué)性能試驗(yàn)系統(tǒng)是至關(guān)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。隨著航天航空、核能等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)于服役于高溫與超高溫極端環(huán)境的結(jié)構(gòu)材料提出了更高的要求[1]，系統(tǒng)地評(píng)價(jià)材料在高溫下的力學(xué)性能、辨識(shí)材料失效破壞的主要因素，其意義重大。

高溫動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)是高溫與超高溫服役工況下高端材料力學(xué)性能測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵核心技術(shù)之一[2]。目前，國(guó)內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試領(lǐng)域配置的高溫應(yīng)變測(cè)量引伸計(jì)以進(jìn)口的為主，這嚴(yán)重制約了關(guān)鍵材料的研發(fā)制造工藝改進(jìn)和質(zhì)量嚴(yán)控。因此，開展高溫動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)的研究，開發(fā)高溫環(huán)境下材料力學(xué)性能測(cè)試裝備的關(guān)鍵核心測(cè)量部件——高溫動(dòng)態(tài)引伸計(jì)，用于最高1800℃條件下材料拉伸、壓縮和過零點(diǎn)疲勞測(cè)試，代替進(jìn)口，解決高溫與超高溫服役工況下高端力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)長(zhǎng)期依賴進(jìn)口的“卡脖子”問題，是面向國(guó)家重大戰(zhàn)略需求的迫切需要。

2 高溫動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量技術(shù)

2.1 基于電阻應(yīng)變測(cè)量原理

金屬電阻絲的電阻R與長(zhǎng)度L成正比，與其截面積S成反比。若金屬電阻絲的電阻率為ρ，可用公式表示為：

(1)

當(dāng)金屬電阻絲受到拉力F作用時(shí)，由于電阻應(yīng)變效應(yīng)，引起金屬絲電阻的改變。對(duì)式(1)做全微分，有：

(2)

用式(2)除以式(1)，得：

(3)

若電阻絲是圓形的，則S=πr2(r為電阻絲截面半徑)，金屬絲材料的泊松系數(shù)為μ，金屬絲的軸向應(yīng)變?yōu)棣舩，經(jīng)推導(dǎo)變換，可得電阻應(yīng)變表達(dá)式為：

(4)

(5)

式(5)中的KS是金屬絲的靈敏度系數(shù)，為單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化。

2.2 測(cè)量電橋的工作原理

直流電橋的基本形式如圖1所示。R1、R2、R3和R4為電橋的4個(gè)橋臂，RL為其負(fù)載。

圖1 直流電橋

當(dāng)RL→∞時(shí)，電橋的輸出電壓U0應(yīng)為：

(6)

當(dāng)電橋平衡時(shí)，U0=0，則有：

R1R4=R2R3

(7)

式(7)為電橋平衡條件[3]。應(yīng)變片測(cè)量電橋在工作之前，應(yīng)使電橋平衡。

電橋中的4個(gè)橋臂均接入應(yīng)變片，如圖2所示。工作時(shí)R1→R1+ΔR1，R2→R2-ΔR2，R3→R3-ΔR3，R4→R4+ΔR4，R1、R4臂受拉應(yīng)變時(shí)，R2、R3臂則受壓應(yīng)變。圖2中R1=R2=R3=R4=R,ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR，根據(jù)式(6)可得：

(8)

圖2 全橋差動(dòng)電路

電橋的輸出電壓U0與ΔR/R呈線性關(guān)系，且輸出電壓為單臂電橋的4倍，全橋差動(dòng)電路工作還能起到溫度補(bǔ)償?shù)淖饔谩?/p>

2.3 高溫動(dòng)態(tài)引伸計(jì)研制

高溫動(dòng)態(tài)引伸計(jì)是在高溫環(huán)境工況下測(cè)量構(gòu)件或其他物體兩點(diǎn)之間線變形的一種試驗(yàn)儀器。普通引伸計(jì)的頂桿無法承受較高的溫度，同時(shí)，在高溫環(huán)境下引伸計(jì)的測(cè)量元件易受到溫度影響，產(chǎn)生較大的測(cè)量誤差。

現(xiàn)在高溫工況測(cè)量材料變形的方式主要有兩種，一種是通過耐高溫繩將引伸計(jì)綁在試樣上，另一種是導(dǎo)軌引伸計(jì)。這兩種方式引伸計(jì)都是在高溫爐外面，試樣的變形通過高溫爐的開口由耐高溫的頂桿傳到引伸計(jì)進(jìn)行測(cè)量。第一種方式的缺點(diǎn)是安裝不方便，且高溫繩在高溫環(huán)境下存在緩慢拉伸變長(zhǎng)、斷裂情況，導(dǎo)致測(cè)量打滑，長(zhǎng)時(shí)試驗(yàn)存在誤差風(fēng)險(xiǎn)，更換頻繁。第二種方式的缺點(diǎn)是，受結(jié)構(gòu)限制，導(dǎo)軌引伸計(jì)隨樣機(jī)變形的適應(yīng)性不高，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)測(cè)量性能不佳，所以常用于高溫靜態(tài)拉伸、壓縮測(cè)試。

本文研制了一種高溫動(dòng)態(tài)引伸計(jì)(如圖3所示)，基于電阻應(yīng)變式測(cè)量和溫度補(bǔ)償技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下的材料變形高精度測(cè)量，且適用于動(dòng)態(tài)疲勞測(cè)試領(lǐng)域，包括多自由度支架、柔性夾持裝置、引伸計(jì)、多級(jí)過濾風(fēng)冷裝置等。

多級(jí)過濾風(fēng)冷裝置安裝在柔性夾持裝置上，為引伸計(jì)提供柔和的冷卻風(fēng)，既可消除引伸計(jì)測(cè)量單元受高溫輻射及熱傳遞的影響，又保證了吹風(fēng)產(chǎn)生的風(fēng)力不影響引伸計(jì)的測(cè)量。柔性夾持裝置安裝在多自由度支架上，可以有效抵消引伸計(jì)自重對(duì)測(cè)量精度的影響，可以抵消制造安裝過程中產(chǎn)生的誤差，如標(biāo)距誤差、安裝的水平和垂直誤差等。柔性夾持裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以有效地消除不利影響，保證引伸計(jì)的高精度動(dòng)態(tài)測(cè)量。

1.多自由度支架 2.柔性夾持裝置 3.引伸計(jì)4.多級(jí)過濾風(fēng)冷裝置 5.試樣6.高溫環(huán)境設(shè)備 7.試驗(yàn)設(shè)備鋁型材圖3 高溫動(dòng)態(tài)引伸計(jì)示意圖

多自由度支架安裝在試驗(yàn)設(shè)備鋁型材上，可以實(shí)現(xiàn)XYZ三個(gè)自由度的移動(dòng)和RZ轉(zhuǎn)動(dòng)，方便高溫引伸計(jì)與試樣的相對(duì)位置及夾持力的調(diào)節(jié)，操作便捷可靠，可以繞定位螺栓軸線旋轉(zhuǎn)。試驗(yàn)設(shè)備裝夾試樣時(shí)，與高溫動(dòng)態(tài)引伸計(jì)不干涉，給操作人員留有足夠的操作空間，也避免了多次試驗(yàn)需要拆卸引伸計(jì)并再次調(diào)整對(duì)測(cè)量精度的影響。

引伸計(jì)通過兩個(gè)耐高溫頂桿接觸試樣，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上通過合理布局空隙減少熱傳遞，并增加散熱效果。引伸計(jì)的測(cè)量單元采用高溫測(cè)量模塊，電路設(shè)計(jì)上具備溫度補(bǔ)償功能，測(cè)量單元與高溫爐之間設(shè)計(jì)有兩級(jí)隔熱保護(hù)，有效阻擋了高溫輻射對(duì)測(cè)量單元的影響，引伸計(jì)溫度適應(yīng)性更高，提高了高溫環(huán)境下的測(cè)量精度。引伸計(jì)結(jié)構(gòu)小巧，重量輕，合理的中心分布，配合錐形頂桿的柔性夾持裝置提供的夾持力接觸高溫環(huán)境設(shè)備中的試樣，實(shí)現(xiàn)高精度變形的動(dòng)態(tài)測(cè)量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

研制完成后，對(duì)高溫動(dòng)態(tài)引伸計(jì)樣機(jī)分別進(jìn)行了靜態(tài)測(cè)試和動(dòng)態(tài)測(cè)試，按JJG 762-2007引伸計(jì)檢定規(guī)程[4]，高溫動(dòng)態(tài)引伸計(jì)精度等級(jí)可以達(dá)到0.2級(jí)。在中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司生產(chǎn)的電液伺服試驗(yàn)設(shè)備上進(jìn)行基于高溫鎳鉻合金材料高溫低周疲勞試驗(yàn)測(cè)試，曲線光滑無毛刺，動(dòng)態(tài)性能優(yōu)良，如圖4所示。

圖4 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)及試驗(yàn)曲線

4 結(jié) 語

本文研制了一種高溫動(dòng)態(tài)引伸計(jì)，基于電阻應(yīng)變式測(cè)量原理和溫度補(bǔ)償技術(shù)，結(jié)合特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括多自由度支架、柔性夾持裝置、引伸計(jì)、多級(jí)過濾風(fēng)冷裝置等。經(jīng)過樣機(jī)測(cè)試，可以實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下的材料變形高精度測(cè)量，適用于動(dòng)態(tài)疲勞測(cè)試領(lǐng)域。該高溫動(dòng)態(tài)引伸計(jì)具有結(jié)構(gòu)精巧、操作便捷的特點(diǎn)，能夠保證引伸計(jì)在高溫條件下的正常使用，并具有較高的動(dòng)態(tài)測(cè)量精度。