阅读说明：本技术 波纹管仿真疲劳试验装置及其试验方法 (Bellows simulation fatigue test device and test method thereof ) 是由 李正刚 王麒瑜 罗宏建 张�杰 于 2019-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种波纹管仿真疲劳试验装置,包括底板、运动模拟机构和测力机构,运动模拟机构包括固定于底板上的齿条、相对于底板可滑动的拖板、位于齿条上方且与其啮合的齿轮、以及固定于拖板上的驱动机构,驱动机构的输出轴与齿轮的中心轴固定连接；测力机构包括与底板滑动连接的传感器滑动支撑板、固定于底板上方的传感器固定支撑板以及测力传感器,传感器滑动支撑板的一侧安装有夹具以与试样的另一端固定连接,测力传感器的两端分别与传感器固定支撑板和传感器滑动支撑板连接。本发明提出的波纹管仿真疲劳试验装置,可真实模拟波纹管等部件全年或全天温度波动而引起疲劳损伤的试验,以研究波纹管疲劳损伤机理和疲劳寿命预测。(The invention discloses a corrugated pipe simulation fatigue test device which comprises a bottom plate, a motion simulation mechanism and a force measuring mechanism, wherein the motion simulation mechanism comprises a rack fixed on the bottom plate, a carriage capable of sliding relative to the bottom plate, a gear positioned above the rack and meshed with the rack, and a driving mechanism fixed on the carriage, and an output shaft of the driving mechanism is fixedly connected with a central shaft of the gear; the force measuring mechanism comprises a sensor sliding support plate, a sensor fixing support plate and a force measuring sensor, wherein the sensor sliding support plate is in sliding connection with the bottom plate, the sensor fixing support plate is fixed above the bottom plate, one side of the sensor sliding support plate is provided with a clamp so as to be fixedly connected with the other end of the sample, and two ends of the force measuring sensor are respectively connected with the sensor fixing support plate and the sensor sliding support plate. The simulation fatigue test device for the corrugated pipe can truly simulate the test of fatigue damage caused by annual or annual temperature fluctuation of parts such as the corrugated pipe and the like so as to research the fatigue damage mechanism and fatigue life prediction of the corrugated pipe.)

波纹管仿真疲劳试验装置及其试验方法

技术领域

本发明涉及电力设备应变疲劳测试技术领域，尤其涉及一种波纹管仿真疲劳试验装置及其试验方法。

背景技术

GIS（GAS insulated SWITCHGEAR，气体绝缘全封闭组合电器）设备金属波纹管膨胀节是在电气设备上用于连接两个管道之间的一个基本装置，主要用于补偿热胀冷缩引起的位移、吸收运行时发生轴向震动引起的能量等，其作用效果类似于弹簧，因此金属波纹管是在工业应用中保证整个电气安全和寿命的一个关键部件。

GIS设备金属波纹管膨胀节一般由以上构成：波纹管、接管、垫环、法兰、螺柱、螺母等部件。其中波纹管是核心部件，也是变形部件。金属波纹管多采用奥氏体不锈钢制造而成，金属波纹管在实际工况中会受到循环载荷作用，但其各个部位的受力并不均匀，有些局部区域的应力会比较集中，经常会处于塑性应力区，这样就会很可能在较低的循环次数下就会发生疲劳损伤，属于典型的低周大应变疲劳部件。因此，对波纹管的实际受力状态、材料损伤机理和疲劳损伤测试方法进行模拟和研究具有重要的现实意义和实际指导作用。

这种波纹管在一年四季温差变化时应力应变情况会完全不同，在一天之内，白天和晚上应力应变也会截然不同，因此，设计发明一种能够真实模拟一年四季和白天晚上温度变化而引起的波纹管疲劳损伤的测试的试验装置，对研究波纹管受力状态、疲劳损伤机理和疲劳寿命预测有重要的现实意义。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种波纹管仿真疲劳试验装置及其试验方法，旨在真实模拟波纹管等部件全年或全天温度波动而引起疲劳损伤的试验，以研究波纹管疲劳损伤机理和疲劳寿命预测。

为实现上述目的，本发明提供一种波纹管仿真疲劳试验装置，包括底板以及安装于底板上的运动模拟机构和测力机构，其中，

所述运动模拟机构包括固定于底板上的齿条、安装于底板上方且相对于其可滑动的拖板、位于齿条上方且与其啮合的齿轮、以及固定于拖板上的驱动机构，驱动机构的输出轴与齿轮的中心轴固定连接，拖板上安装有夹具以与试样的一端固定连接；

所述测力机构包括相对于底板可滑动的传感器滑动支撑板、固定于底板上方的传感器固定支撑板以及测力传感器，传感器滑动支撑板的一侧安装有夹具以与试样的另一端固定连接，测力传感器的两端分别与传感器固定支撑板和传感器滑动支撑板连接。

优选地，所述驱动机构包括固定于拖板上的电机和减速机，电机的输出轴与减速机连接，减速机的输出轴与齿轮的中心轴固定连接。

优选地，所述运动模拟机构还包括固定于拖板上的齿轮支撑板，齿轮的中心轴架设于齿轮支撑板一侧以减速机的输出轴固接。

优选地，所述减速机为L型减速机，减速机的输出轴与齿轮的中心轴同轴设置，减速机的输出轴与电机的输出轴垂直设置，齿条的长度方向与电机的输出轴平行。

优选地，所述运动模拟机构还包括固定于拖板上的夹具固定板，夹具固定板朝向试样的一端安装有夹具。

优选地，所述底板上方安装有凸出式的导轨，拖板的底端滑槽卡于导轨上与其滑动连接。

优选地，所述测力机构还包括固定于底板上方的测力传感器支撑台，测力传感器支撑台的上部通过导轨滑块与传感器滑动支撑板滑动连接，传感器固定支撑板固定于测力传感器支撑台上。

优选地，所述测力传感器支撑台上设有两条传感器滑动支撑板滑轨，测力传感器支撑台下部两端分别固定有一导轨滑块，导轨滑块的卡槽卡于传感器滑动支撑板滑轨上。

优选地，所述测力传感器的两端均通过螺栓与传感器固定支撑板和传感器滑动支撑板连接；测力传感器为S型测力传感器。

本发明进一步提出一种基于上述的波纹管仿真疲劳试验装置的试验方法，包括以下步骤：

在波纹管使用现场安装位移和载荷监测设备，现场采集波纹管预设时间段内的位移数据和载荷图谱，将波纹管预设时间段内的载荷图谱进行处理，使载荷图谱转变为驱动机构的控制脉冲；

将试样的两端与夹具固定后，调整测力传感器使其达到初始状态；

对驱动机构进行通电，设置预处理好的控制脉冲控制驱动机构的输出功率，通过齿轮与齿条啮合从而带动拖板按设定频率移动，试样在两端夹具的夹持下被拉伸和放松，往复运动，运行过程中记录测力传感器的数据。

本发明提出的波纹管仿真疲劳试验装置，通过驱动机构提供动力和控制，通过齿轮、齿条和拖板等部件的配合，实现实验需要的各类周期往复运动，可真实模拟波纹管等部件全年或全天温度波动而引起疲劳损伤的试验，便于研究波纹管受力状态、疲劳损伤机理和疲劳寿命预测等。拖板带动试样的往复运动可以模拟任意时间段内因温度引起的材料尺寸的变化。同时，通过测力传感器可以得到试样实验过程中的载荷状态，可以研究其疲劳机理并预测疲劳寿命。本波纹管仿真疲劳试验装置其结构简单、操作安全，可实现波纹管、弹簧等多种试样试验，成本较低且易于推广。

附图说明

图1为本发明波纹管仿真疲劳试验装置的立体结构示意图；

图2为本发明波纹管仿真疲劳试验装置的主视结构示意图；

图3为本发明波纹管仿真疲劳试验装置的左视结构示意图；

图4为本发明波纹管仿真疲劳试验装置的俯视结构示意图；

图5为本发明波纹管仿真疲劳试验装置中运动模拟机构的结构示意图。

图中，1-底板、2-传感器固定支撑板、3-加长螺栓、4-测力传感器、5-传感器滑动支撑板滑轨、6-传感器滑动支撑板、7-夹具、8-试样、9-夹具固定板9、10-减速机、11-电机、12-拖板、13-齿条、14-齿轮、15-齿轮支撑板15、16-导轨、17-测力传感器支撑台。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提出一种波纹管仿真疲劳试验装置。

参照图1至图5，本优选实施例中，一种波纹管仿真疲劳试验装置，包括底板1以及安装于底板1上的运动模拟机构和测力机构，其中，

运动模拟机构和测力机构分别位于底板1的两端，运动模拟机构包括固定于底板1上的齿条13（齿条13可通过螺栓连接固定于底板1上）、安装于底板1上方且相对于其可滑动的拖板12、位于齿条13上方且与其啮合的齿轮14、以及固定于拖板12上的驱动机构，驱动机构的输出轴与齿轮14的中心轴固定连接，拖板12上安装有夹具7以与试样8的一端固定连接；

参照图1和图2，测力机构包括与相对于底板1可滑动的传感器滑动支撑板6、固定于底板1上方的传感器固定支撑板2以及测力传感器4，传感器滑动支撑板6的一侧安装有夹具7以与试样8的另一端固定连接，测力传感器4的两端分别与传感器固定支撑板2和传感器滑动支撑板6连接。

具体地，参照图5，驱动机构包括固定于拖板12上的电机11（采用伺服电机）和减速机10，电机11的输出轴与减速机10连接，减速机10的输出轴与齿轮14的中心轴固定连接。

结合参照图3和图5，运动模拟机构还包括固定于拖板12上的齿轮支撑板15，齿轮14的中心轴架设于齿轮支撑板15一侧以减速机10的输出轴固接。减速机10为L型减速机，减速机10的输出轴与齿轮14的中心轴同轴设置，减速机10的输出轴与电机11的输出轴垂直设置，齿条13的长度方向与电机11的输出轴平行。

运动模拟机构还包括固定于拖板12上的夹具固定板9，夹具固定板9朝向试样8的一端安装有夹具7。夹具固定板9通过螺栓连接夹具7。

底板1上方安装有凸出式的导轨，拖板12的底端滑槽卡于导轨上与其滑动连接。

参照图1和图2，测力机构还包括固定于底板1上方的测力传感器支撑台17，测力传感器支撑台17的上部通过导轨滑块与传感器滑动支撑板6滑动连接，传感器固定支撑板2固定于测力传感器支撑台17上。测力传感器支撑台17通过螺栓固定于底板1上。

测力传感器支撑台17上设有两条传感器滑动支撑板滑轨5，测力传感器支撑台17下部两端分别固定有一导轨滑块，导轨滑块的卡槽卡于传感器滑动支撑板滑轨5上。传感器滑动支撑板滑轨5由螺栓连接固定于测力传感器支撑台17上，上部通过导轨滑块连接传感器滑动支撑板6。传感器滑动支撑板6通过螺栓连接夹具7。位于传感器滑动支撑板6和夹具固定板9的夹具7其结构相同。

参照图1，测力传感器4的两端均通过螺栓（采用加长螺栓3）与传感器固定支撑板2和传感器滑动支撑板6连接。测力传感器4采用S型测力传感器。通过调整螺栓，来控制测力传感器4调整到初始不受力的状态。

本波纹管仿真疲劳试验装置其工作原理如下。

首先预处理数据，根据波纹管使用环境下在预设时间段内（如全年或一天内）的温度变化曲线，通过计算机模拟获得波纹管在预设时间段内的载荷图谱和位移数据。将波纹管全年载荷数据进行处理，载荷谱转变为电机11的控制脉冲。

将波纹管制成四个波的局部试样，两端均通过夹具7夹持，夹具7分别安装在夹具固定板9和传感器滑动支撑板6上。滑动拖板12使其前后移动观察试样8及测力传感器4的状态是否合适。调整加长螺栓3使测力传感器4达到初始状态。

对电机11通电，设置预处理好的模拟波纹管在预设时间段内往复运动的控制脉冲，电机11启动通过减速机带动齿轮14转动，齿轮14与齿条13啮合从而带动整个拖板12按设定频率移动，试样8在两端夹具7的夹持下被拉伸和放松，往复运动，实验装置运行过程中记录测力传感器4的数据。实验结束后，断开电源，卸下夹具7及试样8，对设备各部件进行检查并清理实验现场。对实验所得数据进行计算和分析。

本实施例提出的波纹管仿真疲劳试验装置，通过驱动机构提供动力和控制，通过齿轮14、齿条13和拖板12等部件的配合，实现实验需要的各类周期往复运动，可真实模拟波纹管等部件全年或全天温度波动而引起疲劳损伤的试验，便于研究波纹管受力状态、疲劳损伤机理和疲劳寿命预测等。拖板12带动试样8的往复运动可以模拟任意时间段内因温度引起的材料尺寸的变化。同时，通过测力传感器4可以得到试样8实验过程中的载荷状态，可以研究其疲劳机理并预测疲劳寿命。本波纹管仿真疲劳试验装置其结构简单、操作安全，可实现波纹管、弹簧等多种试样试验，成本较低且易于推广。

本发明进一步提出一种波纹管仿真疲劳试验装置的试验方法。

本优选实施例中，一种波纹管仿真疲劳试验装置的试验方法，包括以下步骤：

步骤S10，在波纹管使用现场安装位移和载荷监测设备，现场采集波纹管预设时间段内的位移数据和载荷图谱，将波纹管预设时间段内的载荷图谱进行处理，使载荷图谱转变为驱动机构(即电机)的控制脉冲；

步骤S20，将试样的两端与夹具7固定后，调整测力传感器4使其达到初始状态；

步骤S30，对驱动机构进行通电，设置预处理好的控制脉冲控制驱动机构的输出功率，通过齿轮14与齿条13啮合从而带动拖板12按设定频率移动，试样在两端夹具7的夹持下被拉伸和放松，往复运动，运行过程中记录测力传感器4的数据。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。