浅析精密管生产用的疲劳测试装置

陈宇杰,张宏炜

嘉兴永励精密钢管有限公司，浙江省嘉兴市314000

摘要：在精密管道生产技术领域中，对于生产的同一批次的精密管道需要进行破坏性的试验，不断对其进行疲劳测试。测试精密管道的使用寿命，需要使用到相关的疲劳检测装置，但是现有的疲劳检测装置在使用时存在一定的弊端，在测试过程中不便于对其弯折程度进行调试，不同弯折程度需要使用不同测试装置进行，操作起来繁琐复杂，不便于使用。因此，针对现有的技术存在的以上现象和问题，我们在此进行探讨分析，以期设计出优化的精密管生产用的疲劳测试装置，解决在测试过程中不便于对其弯折程度进行调试的问题。

关键词：精密管道，管道生产，疲劳测试

前言

人类自古以来就有对材料测试的需求，从古人搭建木制房屋到现代人生产的钢制桥梁，无一不需要进行材料力学性能的测试1。古人的科学水平有限，只能以定性的方法研究材料的力学特性。随着科学技术的发展，现代人掌握了定量研究的方法。在精密管道生产技术领域中，对于产品的质量和使用寿命的检验就需要通过疲劳测试来进行。目前，市面上的疲劳检查装置与技术都已经得到了很大的发展，能满足大部分的使用情形，但是在对例如弯曲程度测试等方面仍存在缺陷，需要我们研究改进。

1.精密管道的生产加工

精密管道的生产流程一般分为以下几个步骤：1.材料准备：选择高质量的钢材，如碳素钢、合金钢等作为原材料，并进行化学成分和物理性能测试。2.热轧加工：采用热轧加工方式，将原材料热轧成管坯。3.清洗处理：对热轧后的管坯进行酸洗等清洗处理，以去除氧化皮、油漆和锈蚀物等有害物质。4.冷拔加工：将清洗后的管坯通过冷拔工艺逐步拉制成所需直径和长度的空心管子，同时检测其壁厚和直径尺寸精度，保证其符合标准要求。5.退火处理：对冷拔后管子进行退火处理，以消除内部应力，提高管道的强度和塑性。6.管道表面处理：可通过抛光或喷砂等方式对管道表面进行处理，以提高管道的光洁度和防腐蚀性能。7.最终检验：对成品管道进行最终检验，检查尺寸精度、圆度、壁厚等标准，以及力学性能和化学成分等2。

2.疲劳

疲劳是材料（金属）承受循环应力或应变作用时，结构性能下降，并最终导致破坏的现象3。从学科角度看，疲劳是固体力学的一个分支，主要研究材料或结构在交变荷载作用下的强度问题，研究材料或结构的应力状态与寿命的关系。当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限，甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变荷载重复作用下材料或结构的破坏现象就叫疲劳破坏4。疲劳失效是最常见的失效形式之一，据数据显示，各种机械中，疲劳失效的零件占失效零件的60%-70%。疲劳断裂失效原则上属于低应力脆断失效，疲劳中难以观察到明显的塑性变形，因为这是以局部塑性变形为主，且主要发生在结构的固有缺陷上。虽然频率对疲劳失效有一定影响，但多数情况下疲劳失效主要与循环次数有关。

3.疲劳测试

疲劳试验是可靠性测试一种，其利用橡胶、塑料试样或模拟机件在各种环境下，经受交变载荷而测定其疲劳性能判据，并研究其断裂过程的试验。金属疲劳试验是指通过金属材料实验测定金属材料的σ-1，绘制材料的S-N曲线，观察疲劳破坏现象和断口特征，进而学会对称循环下测定金属材料疲劳极限的方法5。实验设备一般有疲劳试验机和游标卡尺。

疲劳试验可以预测材料或构件在交变载荷作用下的疲劳强度。一般来说，这种试验周期长，所需设备复杂。但由于静电拉伸、硬度、冲击试验等一般机械试验不能在反复交变载荷作用下提供材料的性能，因此有必要对重要构件进行疲劳试验。

4.精密管生产用的疲劳测试装置

为了解决在测试过程中不便于对弯折程度进行调试的问题，本文提出一种精密管生产用的疲劳测试装置。这种精密管生产用的疲劳测试装置包括驱动组件和调节组件。驱动组件包括步进电机以及固定连接在电机输出轴上的往复丝杆。往复丝杆上螺纹连接有移动座，并且移动座上一体式成型设置有管套。调节组件包括调节滑轨以及与之滑动配合的管夹。管夹包括相互转动连接的上夹板和下夹板，并且下夹板的下部一体式成型设置的滑动杆，滑动杆上螺纹连接有限位螺栓。

具体的，往复丝杆的两端均转动连接在轴承座上，轴承座的下端固定连接在底板上，并且轴承座之间固定连接有限位滑轨。移动座一体式设置有配合限位滑轨的滑块，滑块与限位滑轨滑动连接，并且管套上套装有橡胶防护套。调节滑轨的下部固定连接在底板上。调节滑轨上设置的滑槽与滑动杆滑动连接，并且滑动杆上开设有螺纹孔。螺纹孔上螺纹连接的限位螺栓一端穿过调节滑轨侧壁上开设的滑槽，且限位螺栓与调节滑轨侧壁上的滑槽滑动连接。在调节滑轨的另一侧外壁上设置有刻度线，滑动杆朝向刻度线的一侧固定连接有指针。上夹板一端设置的外凸块通过转轴与下夹板一端开设的连接槽转动连接，上夹板和下夹板上均固定连接有橡胶垫块，并且上夹板和下夹板的另一端向外弯折延伸形成水平的连接座，连接座上开设有配合连接螺栓的连接孔。

图 1

5.精密管生产用的疲劳测试装置的优势

这种精密管生产用的疲劳测试装置利用转动的往复丝杆来驱动移动座移动，进而带动其上的管套移动，移动的管套来带动管道弯折，进而利用弯折管道的方式来实现管道疲劳测试操作，同时在调节滑轨上调试管夹的位置，便于固定不同长度的管道，并且可以通过改变固定管道长度的不同来实现管道弯折程度的调试。其中驱动组件上管套的往复移动距离不变，因此在改变管道的固定长度时，可以做到对其管道弯折程度的调试，结构简单，操作简单便捷，测试精度高。

6.精密管生产用的疲劳测试装置的使用实例

下面将以具体工作流程步骤结合附图实施例对这种精密管生产用的疲劳测试装置的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图2所示，驱动组件2包括步进电机207以及固定连接在电机输出轴上的往复丝杆201，便于步进电机运行带动往复丝杆转动，实现动力的传输。往复丝杆上螺纹连接有移动座203，并且移动座上一体式成型设置有管套205，利用转动的往复丝杆来驱动移动座移动，进而带动其上的管套移动，利用移动的管套来带动管道弯折，进而利用弯折管道的方式来实现管道疲劳测试操作。调节组件3包括调节滑轨301以及与之滑动配合的管夹302，便于在调节滑轨上调试管夹的位置和固定不同长度的管道，并且可以通过改变固定管道长度的不同来实现管道弯折程度的调试。其中驱动组件上管套的往复移动距离不变，因此在改变管道的固定长度时，可以做到对其管道弯折程度的调试。在此之上，管夹设有相互转动连接的上夹板3021和下夹板3022，便于快速地实现对管道的夹持固定。并且下夹板的下部一体式成型设置的滑动杆3024上螺纹连接有限位螺栓305，便于利用滑动杆在调节滑轨中滑动调试整个管夹的位置。在调试位置后可以利用限位螺栓将管夹稳定的限位在调节滑轨上。使用时，根据实际的使用需求在调节滑轨上滑动管夹到合适的位置处，并利用限位螺栓限位固定住，接着将管道穿过管套，管道的两端均固定到管套两侧的管夹上，完成管道的安置固定，随后，步进电机运行带动往复丝杆转动，通过往复丝杆带动移动座和管套一同移动，进而带动管道弯折完成疲劳测试操作。

图 2

如图3所示，在部分具体使用情况中，往复丝杆201的两端均转动连接在轴承座202上，且轴承座的下端固定连接在底板1上，便于将其往复丝杆稳定地限位在底板上，从而确保往复丝杆可以顺畅地转动，实现对其移动座203的驱动。并且轴承座之间固定连接有限位滑轨204，移动座一体式设置有配合限位滑轨的滑块，滑块与限位滑轨滑动连接，便于提升移动座往复移动的稳定性，确保可以稳定地带动管套205往复移动。另外，管套上套装有橡胶防护套206，橡胶防护套的设置便于降低管套与管道之间的磨损，有效地避免在测试过程中损坏管道，进而导致测试结果不精确，提升测试结果的准确性。

图 3

结语

20世纪七八十年代，电子技术和计算机技术的发展，使得试验机行业发生了历史性巨变。试验机的功能也变得更加丰富，加载精度也得到进一步的提高6。各种传感器、仪表显示器件在试验机上的应用，使得试验机的操作变得更加直观。近些年，计算机和伺服电机技术的发展，也使得疲劳试验的方式由以前的手动，半自动化向自动化方向迈进。而在未来，疲劳试验装置也必将依据各产业的具体要求进一步改良发展。我们相关企业必须跟上技术发展的脚步，提升研究开发的能力，以技术进步推动产业发展。

参考文献

[1]翟宇．电子式疲劳试验机控制系统研究与应用[D]．吉林：告林火学，2017．

[2]郭磊，李兴林，吴参，等．基于虚拟仪器的轴承加速疲劳试验测试系统[J]．电子测量技术，2012，35（8）：136－138．

[3]丁赛华．100kN机械式疲劳试验机的研究与应用[D]．古林：古林大学，2017．

[4]吴从好.不锈钢材料切削加工的难点分析与解决方法[J].电子世界，2012（10）：108-109.

[5]孙东．接勐，胡人鹏．疲劳试验机的发展研究[J]．科技经济市场，2017（09）：8-9

[6]汪魁.用于大口径薄壁管端面坡口加工的内撑工装[P].中国专利：CN106826324A,2017-06-13.