CN100588946C - 一种弹性元件蠕变试验方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种弹性元件蠕变试验方法及装置，按照省力杠杆的工作原理和砝码悬挂能自动加载的原理，采用机械式加载的弹性元件蠕变试验方法，通过砝码悬挂于省力杠杆上的机械结构作为试验加载装置，并以此加载于处于高低温环境试验箱内的试验品上进行蠕变试验。为了减轻砝码的加载负荷还可以通过动滑轮组增加砝码的作用力。在机架上设立一个杠杆的铰点，杠杆的横梁一端连接于机架的铰点上，杠杆的加载横梁可绕机架上铰链上下摆动。杠杆的另一端悬挂有加载砝码，而且砝码是通过一个动滑轮组和钢丝绳悬挂于杠杆横梁上的，动滑轮组可以是两组的。在杠杆横梁上另有一加载施力点，加载施力点位于杠杆的铰点与砝码悬挂点之间，在杠杆横梁加载施力点上连接有可调导向杆，并通过可调导向杆将加载砝码施加的加载力对试样进行加载。

Description

一种弹性元件蠕变试验方法及装置

所属领域

本发明是一种静力试验方法及装置，属于一种借助于测定材料的化学或物理性质来测试或分析材料特性的试验方法及装置，特别是指对弹性元件的抗蠕变疲劳性能进行试验的试验方法及装置。主要用于做弹性元件的压缩或剪切蠕变试验。

背景技术

国内目前许多厂家做弹性元件的蠕变试验是采用液压伺服试验系统进行，因蠕变试验的特殊性，液压伺服控制精度比较难保证，载荷有时有波动，试验结果不是很令人满意，而且试验运行成本很高，经济效益差。也有厂家采用电子万能试验机进行蠕变实验，但是电子万能试验机易受停电等外界因素的影响，设备造价和运行费用均比较高，且不适合长时间实验的需要。另外还有采用两级杠杆加载形式的蠕变试验机，力传递比较大，但试验工作行程比较小，不适合弹性体元件大形变的需要。通过查找“蠕变试验”、“杠杆试验”、“砝码试验”关键词方面的专利情况及其有关文章，未发现有弹性元件蠕变试验机的专利申请记录和相关论文。专利只查到专利号为ZL89107018.4，名称为“高温陶瓷蠕变试验机”和专利号为93208364.1名称为“塑料管材内压蠕变试验装置”两项，但这两种蠕变试验机根本不能用于做弹性元件的压缩或剪切蠕变试验。

然而，因现在高速列车以及城市轨道交通的迅速发展，为了对高速列车和城市轨道交通进行减振降噪、改善行车的舒适度，在高速列车和城市轨道交通上都大量地使用弹性元件。弹性元件中有些产品如轴箱弹簧、人字橡胶弹簧等在使用过程中的蠕变量是一项很重要的指标，蠕变量的大小往往会直接影响到车辆、设备的使用寿命和运行安全。由于弹性元件初始形变较大，在实际使用中其蠕变量非常明显，因此控制其蠕变量在工程实际使用中显得尤为重要。而且我们中国南北纬度相差大，温差也很大，尤其在冬季，南北温差甚至达到60摄氏度以上，北方冬季最低温度有时在零下30℃以下。弹性元件的性能对温度的变化又比较敏感，因此又必须对弹性元件进行高低温下的蠕变试验，以保证弹性元件在不同环境下使用都能满足设计要求。国外MTS和Instron等公司也有专门用于做弹性元件的蠕变试验机，他们主要是采用电子控制、电力驱动精密丝杆加载的形式，试验效果也很好，但是这些试验机的采购价格非常之昂贵，需要的投入很大，而且由于都是采用电动控制加载的，所以也存在着如果试验中断电，将造成整个试验失败的可能，而在我国目前的电力供应情况下，停电是经常可能发生的。鉴于我国目前这种情况，市场上的确需要有一种既加载可靠、精度高又运行成本低廉，适合于长时间实验需要的，能对弹性元件进行高低温下蠕变试验的蠕变试验方法和装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种加载稳定可靠，加载精度高，而且试验运行成本低廉，经济效益好，操作简单，维修方便，能进行高低温环境下蠕变试验的蠕变试验方法及装置。

蠕变(creep)是指在恒定载荷和温度作用下形变随时间延长而逐渐增加的过程。蠕变试验机(creeping testing machine)是指在给定的载荷和温度下，进行蠕变试验的静载荷材料试验机。在蠕变实验过程中，关键要保证所加载荷能保持很高的加载精度，并综合考虑环境温度对蠕变试验的影响。同时蠕变实验往往要求试验时间比较长，短则72小时，长则达半年甚至一年以上，因此在试验过程中，尽量降低试验运行成本、保证试验加载稳定可靠非常重要。蠕变通常用初始形变的百分率表示，初始形变x₀必须在所定义的初始时间t₀测量，这个时间要比施加形变所用时间长约10倍左右。

根据本发明的目的，结合弹性元件蠕变试验的特点，同时考虑到弹性元件绝大部分产品的使用工况是在压缩状态或剪切状态下工作，因此本发明的蠕变试验机主要是指进行压缩或剪切状态下的蠕变试验。本发明所采取的技术实施方案是：按照省力杠杆的工作原理和砝码悬挂能自动加载的原理，采用机械式加载的弹性元件蠕变试验方法，通过砝码悬挂于省力杠杆上的机械结构作为试验加载装置，并以此加载于处于高低温环境试验箱内的试验品上进行蠕变试验。蠕变试验是通过一个加载杠杆与砝码所组合的机械装置加载来进行蠕变试验的。其加载机构是一种由加载杠杆与带动滑轮组的砝码相结合的复合机械式加载结构，其蠕变试验的加载是由砝码通过动滑轮组加载到加载杠杆，再由加载杠杆将加载力通过加载点传给可调导向杆，并由可调导向杆向蠕变试样加载的。

其具体装置的结构是：在机架上设立一个加载杠杆的铰点，加载杠杆的横梁一端连接于机架的铰点上，加载杠杆的横梁可绕机架上铰链上下摆动。加载杠杆的另一端悬挂有砝码，而且砝码是通过一个动滑轮组和钢丝绳悬挂于加载杠杆的横梁上的，动滑轮组可以是两组的。在加载杠杆的横梁上另有一加载施力点，加载施力点位于加载杠杆的铰点与砝码悬挂点之间，在加载杠杆的横梁加载施力点上连接有可调导向杆，并通过可调导向杆将加载砝码施加的加载力对试样进行加载。

按照本发明所开发的弹性体蠕变试验机，主体是结构不太复杂的机械结构，制作完全可行。数据采集部分采用的数据采集软件相对比较简单，在软件业比较发达的今天，这种软件很容易实现。其性能不仅加载稳定可靠，加载精度高，而且试验运行成本很低，经济效益好，操作简单，维修方便，能进行高低温环境下的蠕变试验，能为弹性体产品蠕变试验的需要提供高性能低运行成本的试验设备。

附图及说明

图1为本发明的结构示意主视图；

图2为本发明的结构示意俯视图；

图3为本发明的结构示意左视图。

图中1、铰链；2、加载杠杆；3、动滑轮机构；4、可调导向杆；5、加载杠杆升降机构；6、机架；7、钢丝绳调整机构；8、高低温环境试验箱；9、防护栏；10、砝码；11、载荷传感器；12、蠕变试验加载机构；13、加载点；14、机架的底座；15、机架的立柱；16、钢丝绳；17、滑槽。

具体实施方式

附图给出了本发明的一个具体实施例，下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。从附图中可以看出，本弹性体蠕变试验机包括机架6、高低温环境试验箱8、蠕变试验加载机构12几部分，其特点是：蠕变试验是通过一个杠杆与砝码所组合的机械装置加载来进行蠕变试验的。其加载机构12是一种由加载杠杆2与砝码10相结合的复合机械式加载结构，其蠕变试验的加载是通过砝码10加载到加载杠杆2，再由加载杠杆2将加载力通过加载点13传给可调导向杆4，并由可调导向杆4向蠕变试样加载。具体结构是：在机架的底座14上安放有高低温环境试验箱8，高低温环境试验箱8内放有试验样品，同时在机架左立柱15上设有安装加载杠杆2的铰链1，铰链1与加载杠杆2活套相连，加载杠杆2可以以铰链1为铰点上下摆动，而在加载杠杆2的另一端通过钢丝绳16悬挂有可任意加载的砝码10。为了减少砝码10的加重负荷，还可以将悬挂砝码10的钢丝绳16经过一动滑轮机构3再与加载杠杆2相连。在钢丝绳16的末端还设有钢丝绳调整机构7，用于根据需要调节钢丝绳的长短。同时在机架的底座14上还安装有对钢丝绳及砝码部分进行防护的防护栏9。在机架右立柱15的上端开有让加载杠杆2上下摆动的滑槽17，滑槽17的下部装有调整加载杠杆2上下起始位置的加载杠杆升降机构5。此外，在可调导向杆4与高低温环境试验箱8之间还安装有载荷传感器11，载荷传感器11直接安装在压头上，而位移传感器和温度传感器根据试样具体定安装位置。可以将所采集的数据用传感器-电脑自动进行数据采集保存，再利用一套数据采集软件，将采集到的三个试验参量表示在纵坐标上，以时间表示横坐标。这样能方便对试验数据进行分析及分析各因素对蠕变试验的影响。

本发明装置的工作原理是：将一个可以任意加载的砝码10和加载杠杆2，通过动滑轮3连接起来，形成复合加载结构，并将力由砝码10传递给加载杠杆2，再由加载杠杆2经过与加载杠杆2相连的可调导向杆4将蠕变试验加载力传递给高低温环境试验箱8内的试验样品。该试验机的机架为自平衡机架，可以减少对安装平台的要求；滑轮-钢丝绳结构，采用了双滑轮，成倍减少了砝码的重量；砝码质量从1kg～500kg分梯度设计，可根据需要选用砝码个数；砝码一旦挂定后，在试验过程中不得变动砝码质量。加载杠杆跨距设计得比较大，这样在较小的俯仰角时，能使压头产生较大的位移。同时保证系统在试验过程中的加载精度。高低温环境试验箱可以用来做高低温状态下的蠕变试验，温度控制精度为±1℃。

本发明的的主要技术特点是：

(1)加载精度：考虑到蠕变试验机工作时间长，所加载荷要求保持稳定可靠，同时要考虑环境温度对蠕变的影响。采用了杠杆-滑轮-砝码式加载的试验机结构，这种结构能保证载荷能实时跟踪产品上载荷的变化，保证加载稳定可靠，加载精度高。另外采用滚动轴承可以尽可能的降低摩擦系数，减少摩擦阻力；选用调心滚子轴承，是因其径向承载能力大，且能承受适量轴向载荷，能保证长时间工作实用可靠，同时使结构更为紧凑。在本设计中，试验机的设计加载范围为20kN～150kN，试验机载荷加载精度在试验机满量程内可达到试验实际所加载荷的0.1％范围以内，系统测力的线性相关系数可达0.999以上，基本上不受杠杆俯仰的影响，足以满足试验需要。

(2)外界干扰：在试验过程中除数据采集部分需要电源外其余部分不需要电源，这样可以保证实验加载不受外界干扰，保证了试验的一次成功率。

(3)安装调试：为保证试样能顺利安装，试验机横梁自由端设计有升降机构，升降机构的升高量为200-280mm；同时考虑到安装时能方便调节安装高度，试验机可调导向杆处采用调整螺杆机构可以方便的进行试件安装。调整螺杆的调整高度为0～100mm。这样，本设计中的试验机压头设计成能升高220-260mm。另外对滑轮-钢丝绳部分也设计有调整机构，因设计中的试验机的载荷传递比设计约为1∶11，因此在安装试样时，若压头升高90mm，则砝码端需升高990mm，而试验机总高又不宜太高，钢丝绳长度也不一定做得刚刚适当，因此设计钢丝绳的调整机构能解决这方面的矛盾。

(4)安全性：为保证在试验过程中试验加载稳定可靠，避免有人碰、风吹等偶然因素影响加载质量，必须对钢丝绳及砝码部分进行防护，故在试验机这一部分设计有防护栏。同时设计防护栏也有利于防止其它安全事故的发生。

(5)自平衡机架：机架采用钢板焊接与螺栓连接相结合的形式，使其构成自平衡机架，可以减少对安装平台的要求。

(6)试验温度：考虑到有些试样有严格的试验环境温度要求，因此在此试验机上设计有安装高低温环境试验箱的空间，以便能进行高低温下的蠕变试验。

(7)试验数据采集：在蠕变试验过程中需要采集的试验数据有载荷、位移及温度等参数。在本试验机上载荷采用力传感器进行测量，位移量用位移传感器进行测量(也可以用百分表或高度尺进行人工测量)；温度用温度传感器进行测量(也可以用普通温度计进行人工测量)。为使试验机的自动化程度增高，减少试验员的工作量，我们开发了一套数据采集软件，用传感器-电脑自动进行数据采集保存，这样能方便对试验数据进行分析及分析各因素对蠕变试验的影响。将采集到的三个试验参量表示在纵坐标上，以时间表示横坐标。这样就可以非常明显的在曲线图上看出试样在各个时刻蠕变量的大小及外界温度和试验载荷的变化对蠕变量大小的影响。

Claims (6)

1、一种弹性元件蠕变试验方法，其特征在于：采用机械式加载的弹性元件蠕变试验方法，蠕变试验是通过一个加载杠杆与砝码所组合的机械装置加载来进行蠕变试验的；所述蠕变试验方法的蠕变试验加载机构是一种由加载杠杆与带动滑轮组的砝码相结合的复合机械式加载结构，所述蠕变试验方法的蠕变试验的加载是由砝码通过动滑轮组加载到加载杠杆，再由加载杠杆将加载力通过加载施力点传给可调导向杆，并由可调导向杆向蠕变试样加载的。

2、一种实现权利要求1所述一种弹性元件蠕变试验方法的弹性元件蠕变试验装置，包括机架、高低温实验箱、蠕变试验加载机构几部分，其特征在于：在机架的底座上安放有高低温实验箱，高低温实验箱内放有蠕变试样，在机架的一个立柱上设立一个安装加载杠杆的铰链，铰链与加载杠杆活套相连，加载杠杆的横梁一端连接于机架的铰链上，加载杠杆的横梁可绕机架上铰链上下摆动；加载杠杆的另一端悬挂有砝码，而且砝码是通过一个动滑轮组和钢丝绳悬挂于加载杠杆的横梁上的，在加载杠杆的横梁上另有一加载施力点，加载施力点位于铰链与砝码悬挂点之间，在加载杠杆的横梁加载施力点上连接有可调导向杆。

3、根据权利要求2所述的弹性元件蠕变试验装置，其特征在于：在钢丝绳的末端还设有钢丝绳调整机构。

4、根据权利要求2所述的弹性元件蠕变试验装置，其特征在于：在机架的底座上还安装有对钢丝绳及砝码部分进行防护的防护栏，在机架另一立柱的上端开有让加载杠杆上下摆动的滑槽。

5、根据权利要求4所述的弹性元件蠕变试验装置，其特征在于：滑槽的底部装有调整加载杠杆上下起始位置的加载杠杆升降机构。

6、根据权利要求2所述的弹性元件蠕变试验装置，其特征在于：在可调导向杆与高低温实验箱之间还安装有载荷传感器，载荷传感器直接安装在压头上，而位移传感器和温度传感器根据蠕变试样具体定安装位置。

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