[发明专利]变温拉扭复合载荷材料力学性能原位测试装置及方法

权利要求书

1.一种变温拉扭复合载荷材料力学性能原位测试装置，其特征在于：整体采用立式结构布置，包括拉伸单元、扭转单元、力和位移检测单元、高低温加载系统以及高低温密封腔（3）；拉伸单元和扭转单元对称的布置在高低温密封腔（3）的两侧，实现双向的拉伸-扭转，拉伸单元采用直流电机Ⅱ（47），经过减速器（46）减速增扭后，通过同步带Ⅰ、Ⅱ（16、38）带动同侧的丝杠Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（8、20、25、44）实现同步旋转运动，从而实现拉伸力的加载；扭转单元采用直流电机Ⅰ、Ⅲ（15、50），经过蜗轮（11）蜗杆（13）一级减速增扭后，实现扭矩的加载；力和位移检测单元采用拉扭力传感器（2）采集拉力及扭矩信号，采用光栅尺（5）、圆光栅、Ⅰ、Ⅱ（12、48）以及读数头Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（10、32、33）采集拉伸位移及扭转角信号；高低温加载系统采用氮气变温系统，可以实现-100℃~300℃的温度加载区间；高低温密封腔（3）置于两个拉扭单元之间，与拉扭单元通过销连接，试样置于高低温密封腔内，中子射线通过高低温密封腔的蓝宝石视窗对被测样品的力学行为和损伤机制进行动态原位观测；

所述的拉伸单元采用直流电机Ⅱ（47）提供驱动动力，通过减速器（46）减速并改变力矩的传递方向，将动力传递到同步轮Ⅲ（40）上，同步轮Ⅲ（40）通过同步带Ⅰ、Ⅱ（16、38）以及导向轮（39）的作用将动力传递到同步轮Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ（9、37、42）上，从而驱动同侧的丝杠Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（8、20、25、44）同步转动，丝杠螺母副将丝杠Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（8、20、25、44）的旋转运动变为螺母Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（31、35、45）的直线运动，螺母Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（31、35、45）与支撑板Ⅰ、Ⅲ（24、30）通过法兰连接，带动支撑板Ⅰ、Ⅲ（24、30）上下移动，从而实现拉伸力的加载；其中所述直流电机Ⅱ（47）通过拉伸电机支座（41）固定在支撑板Ⅳ（1），同步轮Ⅲ（40）通过平键安装到直流电机Ⅱ（47）的输出轴上；同步轮Ⅱ、Ⅳ（37、42）通过平键安装到丝杠Ⅲ、Ⅳ（25、44）上，丝杠Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（8、20、25、44）通过丝杠支座Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ（7、17、36、43）固定在两侧的支撑板Ⅳ（1）上；支撑板Ⅰ、Ⅲ（24、30）通过导轨Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（4、18、29）滑块Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ、Ⅴ（6、19、23、27）的导向作用，沿直线运动，导轨Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（4、18、29）安装到支撑板Ⅳ（1）上。

2.根据权利要求1所述的变温拉扭复合载荷材料力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的扭转单元采用直流电机Ⅰ、Ⅲ（15、50）提供驱动动力，所述直流电机Ⅰ、Ⅲ（15、50）通过扭转电机支座Ⅰ、Ⅱ（14、49）固连在支撑板Ⅰ（24）上，蜗杆通过键连接在直流电机Ⅲ（50）的输出轴上，蜗轮安装的扭矩的输出轴上；所述输出轴加工有销孔，与高低温密封腔（3）的腔体通过销连接；扭转单元整体固连在支撑板Ⅰ（24）上，随支撑板Ⅰ（24）上下移动，从而实现拉伸及扭转力的加载。

3.根据权利要求1所述的变温拉扭复合载荷材料力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的力和位移检测单元包括拉扭力传感器（2）、光栅尺、圆光栅Ⅰ、Ⅱ（12、48）以及读数头Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ（10、32、33）；所述拉扭力传感器（2）一端通过法兰盘与轴（51）固连，另一端通过法兰盘与上部的拉扭输出轴固连，通过控制轴的拉伸扭转，经由拉扭力传感器（2），带动拉扭输出轴的运动，从而实现力的测量；直线光栅位移传感器布置在侧面，光栅尺（5）固定在支撑板Ⅳ（1）上，读数头Ⅲ（33）布置在支撑板Ⅱ（26）上；圆光栅Ⅱ（48）安装在拉扭输出轴上，读数头Ⅱ（32）固连在支撑板Ⅱ（26）上，通过测量读数头Ⅱ（32）与圆光栅Ⅱ（48）之间的相对扭转角，实现扭转位移的测量；其中所述的支撑板Ⅱ（26）通过滑块Ⅲ、Ⅳ（21、22）导向作用，沿直线运动。

4.根据权利要求1所述的变温拉扭复合载荷材料力学性能原位测试装置，其特征在于：所述的高低温加载系统由液氮杜瓦（55）、加热器（52）、氮发生器及主储层液位探针（53）、电子流量控制器和液氮自动填充系统组成，所述液氮杜瓦（55）有两个液氮储液罐，液氮由液氮杜瓦（55）流出，经加热器（52）加热，最后在氮气喷嘴（54）喷出设定温度的氮气，在高低温密封腔内安装热电偶（64）。