高温超声疲劳试验系统设计及应用

2020-06-15万良友韩冬桂

武汉纺织大学学报 2020年2期

罗娟，万良友，韩冬桂，刘芳，燕怒

（武汉纺织大学机械工程与自动化学院，湖北武汉 430200）

0 引言

许多机械零部件如汽车、高速列车、航空飞机等的发动机在正常服役过程中，远远超出传统的 107周次疲劳的寿命设计范围。美国空军“发动机结构完整性大纲ENSIP(Engine Structural Integrity Program)”中规定“发动机部件的高周疲劳寿命最低应达到109循环周次”[1]。另一方面，航空发动机等关键零部件服役环境日益苛刻，除了要承受高达 1010～1011周次的循环载荷，还要在高温环境下长期工作。目前，超高周疲劳试验的常用方法之一是利用加载频率为20KHz的超声疲劳实验机来加速实现109周次甚至更高的疲劳循环加载[2]。常用的加载频率为100Hz的传统疲劳试验机，要实现109以上的疲劳循环加载，需要一个多月的时间，而超声疲劳试验机由于加载频率高，只需要约14个小时[3]。但是，现有的商用超声疲劳实验机只能开展常温下的超高周疲劳试验，无法满足高温条件下的实验要求，传统疲劳实验机可以满足高温环境要求但实验周期长，长时间高温环境会引起材料基材软化，导致材料抵抗变形能力降低，并且会促进裂纹的萌生和氧化膜的形成[4]，因此，开发具有高温设备的超声疲劳试验系统必要且重要。

目前国内外高温环境下的超声疲劳试验系统基本上以自主研发为主，近期有学者采用了在商用超声疲劳试验机的基础上增加感应加热设备的方法，很好地完成了高温环境下的超高周疲劳性能研究[5-6]，但是无法实现试样温度精准控制。为了便于开展复杂环境下材料超长寿命服役性能研究，急需研发能够在高温环境下运行的超声疲劳性能测试系统。因此，我们引入高频感应加热的方法设计开发了一套高温超声疲劳试验系统，同时使用非接触式红外温度传感器进行实时动态监测用于保障加温准确可靠。

1 实验系统概述

本实验系统以商用超声疲劳试验机为核心，外加测温模块、加热模块协同中心软件正常工作，具有较好的扩展改造能力，也可外加制冷模块和力学加载模块，实现不同工作环境和不同加载方式下的实验需求。本系统由常温超声疲劳试验机改进而成，采用高频感应加热设备进行试样加热，红外温度传感器准确测温。图1为高温超声疲劳试验系统示意图。

超声疲劳实验前，先需要根据试验材料的密度、动态弹性模量等参数设计出试样的形状和尺寸[7]；然后将研磨抛光后的试样通过螺纹连接在位移放大器末端，另一端悬空。在实验过程中，超声发生器将50Hz的电信号转换为20kHz频率的正弦波信号输出，通过换能器，将超声信号发生器产生的电信号转换为所需的高频机械振动信号；位移放大器根据疲劳加载应力水平，放大（或缩小）换能器输出的机械振动振幅[8]。高频感应加热设备主要是通过感应线圈给试件中间段加热，通过水循环对加热设备进行冷却降温。

2 高频感应加热系统

2.1 高频感应加热

高频感应加热设备基于电磁感应加热原理，主要工作原理是：将工频交流电流变换成为几千至几百千赫兹的中频或高频电流，将高压变成隔离的低压并进行阻抗匹配[9]。设备工作时，感应线圈中流过强大的高频交流电流产生交变磁场，交变磁场在试样内产生感应交变电流，从而实现试样的迅速均匀加热。

本系统可以实现PID自动控温，即自动控制试样的温度以及加热电源的输出功率，温度达到设定值后可保持恒温控制，进而实现温度的稳定控制，温度控制流程如图2所示，可实现实时读取外连接模块红外温度传感器的温度。预先设定一个低于设定温度50℃左右的温度值，系统会存在一个温度激增的过程，也就是过冲。红外温度传感器对试件中部的温度进行动态实时监测，加热电源根据当前温度控制试样的加热温度和电源的输出功率，等温度达到预先设定值后，系统保持恒温运行，再将温度调至期望的温度值。

PID控制器由比例单元(Proportion)、积分单元(Integration)和微分单元(Differentiation)组成[10]，控制原理如图3。

PID控制规律是一种较理想的控制规律，它在比例调节减小误差的基础上引入积分，消除系统稳态误差，结合微分作用，预测偏差变化的趋势并提前发生控制，提高了系统的动态稳定性[11]。

为了实现温度的稳定制，应选取适当的比例增益P值，控制加热速度。加热应答速度快，会造成温度过高，振荡明显；加热应答速度慢，不易达到设定温度[12]。正是由于PID控制规律在温度控制方面的优势，本实验系统可实现试样的迅速加热及快速还原试样的实际温度[13]，实现温度的恒定稳定控制。

图2 感应加热电源PID自动控制流程图

图3 PID动控制系统原理图

图4 红外温度传感器标定示意图

2.2 红外温度传感器

红外测温的原理是将物体表面发射的红外线具有的辐射能转变成电信号，红外线辐射能的大小与物体本身的温度相对应，根据转变成的电信号大小，确定物体的温度[14]。与传统的接触式热电偶测温相比，非接触式的红外测温优点更加明显，更适合在高温超声疲劳试验中测量试件表面的温度。

红外温度传感器测量结果受试样在不同温度下红外线发射率影响，为使红外温度传感器准确测得试件中间段表面的温度，在实验前应使用热电偶对其进行标定，如图4所示。本实验系统采用的是高精度红外温度传感器，精度为±0.1℃。测温的关键是确定试样表面的红外发射率[15]，使用和试样同种材料的圆棒，红外温度传感器距离物体为 20cm，热电偶探头与红外温度传感器的测温点应在同一水平截面上，主要目的是提高测温的准确性。调节加热感应线圈流过的电流大小，待测点温度达到目标值并稳定后，分别记录红外温度传感器的温度和热电偶显示温度，红外温度传感器测量结果受试样在不同温度下红外线发射率影响，在加热过程中以热电偶测量结果为标准对红外温度传感器测量结果进行校准，分温度段进行测量，最后采用插值法求得试样实际温度（热电偶显示温度对应的红外温度传感器显示温度）。在实验过程中，在高频感应加热设备电源的控制面板上输入插值得到的红外温度传感器温度，数值不一定与实际温度相等。

感应线圈主要对试样中间段加热，造成试样中间温度高，两端温度低，由于超声疲劳加载主要是保证试件中间段能与换能器具有相同的共振频率，只要保证试件中间段温度分布均匀就可以满足实验要求[16]。

3 实验结果

为了验证高温超声疲劳试验系统的可靠性，选取TC4钛合金为原材料，设计超声疲劳试验试样，并测试了高温超声疲劳性能，实验系统整体如图5所示。商用超声疲劳试验机在加了加热模块之后能正常完成循环载荷加载，需要注意的是高温实验前，需先将循环冷却水接通，红外温度传感器发射出的红外线必须保证在试样中间段表面处，通过加热电源控制面板输入标定过的目标温度值，红外温度传感器测得的温度实时反馈给加热系统控制中心，系统根据试样实际温度调整感应线圈的输出功率，从而实现试样温度的稳定控制。