[发明专利]一种隔膜压缩机金属薄膜片弯曲疲劳测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于实用金属材料疲劳试验技术领域，具体是一种隔膜压缩机金属薄膜片弯曲疲劳测量装置及方法。

背景技术

隔膜式压缩机又称膜式压缩机，是容积式压缩机中往复压缩机的一种类型，采用液力驱动膜片。由液压系统和气体压缩系统组成，正向移动的活塞使液压油对膜片底部产生冲击，挤压空腔，排出工艺气体。金属膜片被夹在两个精度高的夹具之间，周围是密封卷并用螺栓紧固，具有良好的密封性；膜腔中的气腔部分无需润滑，从而使被压缩气体不受污染；且可以实现高压压缩。现已被广泛应用在实验室研究、石油和气体工业、化学工业、冶金行业、制药行业和电力行业。其中的金属膜片是易损零件，其疲劳性能是决定膜片使用寿命的关键因素。膜片选材时，为了测试金属膜片的可靠性需要对其进行周期载荷试验。膜片在受到弯曲循环载荷时，表层为拉压循环载荷，但是拉压疲劳试验并不能替代弯曲疲劳。材料在受到弯曲载荷时应力随厚度变化，表层有着最大的应力；较厚弯曲的厚度方向有一定的切应力，膜片厚度较薄时，膜片应力状态为平面应力状态(上下表层为无应力的自由表面)。为了最大限度的模拟压缩机实际服役中的受力状态，有必要对金属膜片进行对称弯曲疲劳试验，利用弹性力学计算材料试验中应力状态，结合疲劳周次得到S-N曲线。

目前关于金属材料弯曲疲劳试验有三点、四点弯曲以及超声弯曲等。三点及四点相应的适用参考标准见GBT 232-1999、GBT 4337-2008，超声疲劳则是利用压电致伸原理高能超声波谐振技术的一种加速共振式的疲劳试样方法，测试评论远超常规测试。常规疲劳试验中三点弯曲试验不能实现R＝-1的对称弯曲载荷，而使用万能疲劳试样机进行的弯曲疲劳试验所使用的试样为圆柱试样；超声疲劳试样对样品尺寸也有着一定的要求，过薄的样品无法实现共振。对于薄膜片这样的特型材进行对称弯曲疲劳试验并没有现成的方法。

发明内容

为了有效解决上述问题，本发明提供一种隔膜压缩机金属薄膜片弯曲疲劳测量方法，填补超薄金属膜片弯曲疲劳性能测量方法上的空白。

一种隔膜压缩机金属膜片弯曲疲劳测量装置，所述测量装置包括试验测量部分、夹持部分及金属磨片试样，所述试验测量部分为拉压疲劳试验机，所述夹持部分包括上夹头及基座两个部分，所述上夹头固定在拉压疲劳试验机内部上端，所述基座固定在拉压疲劳试验机内部下端，所述金属磨片样品两端通过夹块固定在基座上部，所述金属磨片试样中部通过上夹头凸伸出的圆棒夹持。

进一步地，所述金属膜片样品设计为中间圆弧形。

进一步地，所述上夹头凸伸出的圆棒包括两部分，两部分圆棒通过弹簧垫片夹持与金属磨片样品两侧，并所述圆棒与金属磨片样品接触的界面具有圆倒角。

进一步地，所述拉压疲劳试验机能够记录瞬时拉压力f，与瞬间位移u值，通过设置最大位移U或固定最大力F即能分别达到应变控制及应力控制疲劳的目的。

一种隔膜压缩机金属膜片弯曲疲劳测量方法，所述方法应用上述的测量装置，所述方法包括以下步骤：

S1：设备调零，同时设定固定的位移幅与频率，拉压疲劳试验机的上夹头开始做上下周期运动，带动金属磨片试样循环弯曲，通过观察载荷幅变化即能判断样品是否断裂，此时对应的周次数据即为样品在特定位移幅下的疲劳寿命；

S2：首先假定形状为长宽分别是a、b的矩形试样，取夹持一端为坐标原点，长度方向为x方向，宽度方向为y方向，厚度方向z方向；厚度方向尺寸很小，为平面问题，设挠度函数函数w(x,y)，由受力条件可知w在x方向为是周期为a的周期函数，x(0,a)为一个周期；因此可把函数展开为三角级数可证于是w在x(0-a)范围可取三角级数：

式中m是正整数，Y_m(y)是待定函数；

S3：w_max＝ΔU/2为位移，h为样品厚度，Δσmax为膜片最大应力，C为与样品尺寸的常数，使用弹性力学方法计算得到位移、样品厚度、与膜片最大应力的关系：

Δσ_max＝C·h·w_max

根据上式确定应力与疲劳周次的关系。

进一步地，步骤S2中，式(1)代入薄板弯曲问题基本方程——即横向平衡方程求解，求出Y_m的通解为：

F为实验最大拉力，A_m、B_m由y＝±b/2边界条件确定，此时为自由边，边界条件为：

在这里ν取0.3，(1,2,3)式联立化简得：