[发明专利]超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置及控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及超高压自增强结构的强度与疲劳实验系统，具体是一种超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置及控制方法。

背景技术

工业上通常把超过100MPa的压力称为“超高压”，与之相应的承载结构称为超高压结构。对于化工高压管道、炮管等筒形承载结构，采用增加壁厚、提高材料强度等一般方法并不能满足超高压结构的高压力和高应力要求，而自增强预应力制造工艺是提高结构的高压力和高应力承载能力的重要措施，已成为超高压设备制造的核心技术之一。自增强（autofrettage，军工俗成“自紧”）最早应用于火炮的炮管，用来承受发射弹丸时的高温高压火药气体，后逐渐应用于超高压容器的设计制造，其基本思想是：在结构制造时进行预应力加载，使结构发生塑性变形，卸载后保留部分预应力（也称为残余应力），抵消部分工作应力，以提高结构的承载能力。超高压自增强结构在军工、冶金、化工生产、金属成型制造、核电、地质等工业生产中都普遍使用，如火炮炮管、超高压聚乙烯反应管、人造水晶和合成金刚石压釜、岩石实验的三轴仪等。超高压自增强结构在我国分布广、数量多、价格昂贵，其安全性对国民经济有重大影响。超高压自增强结构的工作条件和工作环境相当苛刻，通常要求承载能力在几百兆帕甚至上千兆帕，瞬态载荷一般在秒级，甚至毫秒级。比如，火炮发射时炮管要反复承受0～600MPa、10ms左右的膛内脉冲高压。超高压聚乙烯反应管反复承受开、停工以及介质分解反应时的冲击载荷，最大载荷范围在300MPa，载荷历程一般在1-2s。在瞬态冲击载荷下，自增强结构不仅内壁瞬间受到拉伸和压缩的交变应力，而且由于瞬间幅度很大的梯度应力，还可使结构材质发生相变和劣化，造成屈服强度降低。而在目前各类有关超高压自增强结构的实验系统中，尚无一种能够模拟瞬态冲击载荷下超高压自增强结构的残余应力稳定性和疲劳损伤的实验系统。为此有必要发明一种专用于模拟瞬态冲击载荷下超高压自增强结构的残余应力稳定性和疲劳损伤的实验系统。

发明内容

本发明为了解决目前尚无一种能够模拟瞬态冲击载荷下超高压自增强结构的残余应力稳定性和疲劳损伤的实验系统的问题，提供了一种超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置及控制方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：超高压自增强结构瞬态加载模拟试验装置，包括复合增速/调压缸、液压泵站、气液增压系统、试件定位夹持机构、聚亚安脂加载机构、测试传感器、以及控制系统；所述液压泵站包括后腔液压管路、前腔液压管路、电磁换向阀、增压器、主电机、压力表、单向阀、油箱、液压集成块、空气过滤器、齿轮泵、增速蓄能器、以及进油/回油口；主电机的转轴通过增压器与齿轮泵的泵轴连接；齿轮泵的进口与油箱连通；齿轮泵的出口和增速蓄能器的油路均依次通过单向阀、液压集成块、后腔液压管路与复合增速/调压缸的后腔连通；齿轮泵的出口和增速蓄能器的油路均依次通过单向阀、液压集成块、前腔液压管路与复合增速/调压缸的前腔连通；后腔液压管路和前腔液压管路交叉连通，且电磁换向阀安装于后腔液压管路和前腔液压管路的连通口上；压力表安装于齿轮泵的出口上；空气过滤器安装于进油/回油口上；进油/回油口开设于油箱的箱壁上；所述气液增压系统包括后腔气液管路、前腔气液管路、增压电磁阀、气液转换器、以及高压气瓶；高压气瓶通过增压电磁阀与气液转换器连通；气液转换器通过后腔气液管路与复合增速/调压缸的后腔连通；气液转换器通过前腔气液管路与复合增速/调压缸的前腔连通；所述试件定位夹持机构包括固定限位座、中心架、调节螺杆、卡爪、三爪卡盘、卡盘固定座、传动轴、伺服电机、直线导轨、试件夹持定位底板、试验台机座、轴套、轴承、以及滑块；固定限位座和直线导轨均安装于试验台机座上，且固定限位座位于直线导轨的后侧；滑块滑动安装于直线导轨上，且滑块螺纹套接于传动轴上；传动轴的两端分别支撑于直线导轨的前端面和后端面上；传动轴的前端与伺服电机的转轴连接；试件夹持定位底板安装于滑块的上表面；中心架安装于试件夹持定位底板的上表面后部；调节螺杆沿径向插设于中心架上；卡爪安装于三爪卡盘的后端面上；三爪卡盘的前端依次通过轴套、轴承安装于卡盘固定座上；卡盘固定座安装于试件夹持定位底板的上表面前部；所述聚亚安脂加载机构包括连杆、刚性环、聚亚安酯加压棒、压紧轴套、锁紧螺母、以及复合增速/调压缸的活塞杆；连杆的后端与复合增速/调压缸的活塞杆的前端连接；连杆的后端支撑于固定限位座上；刚性环的后端面与固定限位座的前端面紧贴；刚性环、聚亚安酯加压棒、压紧轴套自后向前依次套装于连杆上；锁紧螺母拧固于连杆的前端；所述测试传感器包括传感器安装座、激光位移传感器、以及应变片；传感器安装座安装于试件夹持定位底板上；激光位移传感器安装于传感器安装座上；所述控制系统包括工控机、以及PLC控制器；工控机的信号输入端分别连接激光位移传感器的信号输出端、应变片的信号输出端；工控机的信号输出端通过PLC控制器分别连接伺服电机的信号输入端、电磁换向阀的信号输入端、主电机的信号输入端、单向阀的信号输入端、增压电磁阀的信号输入端、气液转换器的信号输入端、增速蓄能器的信号输入端。