CN101271052B - 平板弯曲疲劳试验机 - Google Patents

Abstract

一种小型平板弯曲疲劳试验机，是能动态监控、检测、试件(材料)的疲劳状况的基于声发射技术的平板弯曲疲劳试验机，它包括机械装置、载荷加载装置、检测装置、显示或记录装置等几个等部件：机械装置、载荷加载装置合为一体，机械装置及载荷加载装置采用偏心轮旋转机构和动载荷加载方式，检测装置包括载荷检测系统和试件检测系统两部分，载荷检测系统由接近开关和电子式累加计数器等组成，试件检测系统采用声发射传感电子技术和计算机技术，试件装在机械装置及载荷加载装置上，载荷加载装置对机械装置上的试件加压，试件上安装声发射传感器，声发射传感器连接载荷检测装置，信号输入到计算机技术，再由显示或记录装置得到材料弯曲疲劳测试结果。

Description

平板弯曲疲劳试验机

技术领域

本发明涉及一种金属材料的性能试验设备，特别是弯曲疲劳试验机。

背景技术

疲劳破坏是机器设备零部件失效的主要形式之一，目前预防疲劳破坏的有效方法主要是进行疲劳试验，估算出运动部件的疲劳寿命，以此确定机器及零部件的使用时效。疲劳试验机是材料疲劳性能研究中必不可少的设备。所以很多人设计了弯曲疲劳试验机，例如中国专利：“迭加载荷旋转弯曲疲劳试验机”(申请号为：87210621)，它由高频低幅加载机构和低频杠杆珐码加载机构及机座、主轴箱、夹头、试件腐蚀箱和电机等部件构成。它可以对金属材料试件进行腐蚀介质下旋转弯曲具有低频大幅、高频小幅迭加载荷的疲劳试验，是对金属材料旋转弯曲双频疲劳特性研究的必备设备。但是，本发明人认为，上述专利存在缺陷，它不能进行动态监控，而且对试件采用腐蚀介质，使试验机有所损伤。另一份中国专利：“一种基于声发射技术的旋转设备故障检测仪”(申请号为：200710063088)，它由声发射传感器、信号调理和自动增益放大模块、数字信号处理模块等三部分组成。信号调理和自动增益放大模块包括前置放大器(1)、数字电位器(2)、加法器(3)、单片机(5)和双路比较器(6)构成的增益自动调整闭合控制回路和陷波器(7)、低通滤波器(8)等几部分。数字信号处理模块包括DSP数字信号处理器(11)、Flash数据存储器(12)、RAM数据存储器(13)、RS232串口芯片(14)、可编程逻辑控制器(15)、键盘(16)、LCD显示器(17)等各部分组成。此仪器抗环境噪声干扰能力强、仪器检测实时性好、获取设备运行状态信息丰富、易于实现小型化。然而，该文献所述的检测仪体积较大，控制系统较复杂，成本较高。

发明内容

本发明的目的是通过充分的理论研究和实践的基础上，综合应用声发射检测技术、机电一体化技术及计算机技术，研制一种满足机器设备零部件(金属材料)对疲劳试验的要求，能动态监控、检测、试件(材料)的疲劳状况的，结构较简单的基于声发射技术的小型平板弯曲疲劳试验机。

本发明的技术方案如下：

小型平板弯曲疲劳试验机包括：机械装置、载荷加载装置、  检测装置、显示或记录装置等几个等部件，其特征在于：机械装置、载荷加载装置合为一体，机械装置及载荷加载装置采用偏心轮旋转机构和动载荷加载方式，检测装置包括载荷检测系统和试件检测系统两部分，载荷检测系统由接近开关和电子式累加计数器等组成，其主要作用是测定试件载荷值，累计循环载荷的次数，统计试件的疲劳寿命等；试件检测系统采用声发射传感电子技术和计算机技术，试件装在机械装置及载荷加载装置上，载荷加载装置对机械装置上的试件加载，试件上安装声发射传感器，声发射传感器连接检测装置，先将信号放大，再输入到计算机，最后由显示或记录装置得到材料弯曲疲劳测试结果。测试结果能够实时显示交变载荷循环次数、试件载荷值及输出转速(频率)。

以上所述的采用偏心轮旋转机构和动载荷加载方式的机械装置包括机架、夹具、驱动装置等，夹具安装在夹具支承座上，夹具支承座固定在机架上，夹具上设有夹板，试件装在夹板和驱动杆上，驱动杆通过连杆铰接块与连杆连接，连杆上安装偏心轮，偏心轮固定在转轴上，转轴上还安装齿轮或链轮，电动机输出轴通过齿轮或链条传递到齿轮或链轮上，系统的曲柄滑块机构将转轴的回转运动变成驱动杆的往复直线运动，给试件施加交变载荷，曲柄的长度可自由调节，试验振幅可根据试验需要通过改变曲柄的长度来调节，试验的激振频率通过改变转速来实现。

以上所述的试件检测系统包括声发射传感器和信号比较电路、信号放大电路(前置放大器)、稳压电路和输出电路(数据采集卡)，稳压电路将市电降压、整流、滤波，给检测装置提供稳定的电源；声发射传感器将信号输入到信号比较电路，经过比较和逻辑分析，经过信号放大电路和输出电路，传到计算机中，转变成材料弯曲疲劳数据，在显示器显示或打印。在试验过程中可以通过声发射信号的变化情况动态监控、检测试件的疲劳状况，循环次数、载荷值、输出转速(频率)等物理量可通过计算机等外设显示出来，具有停电保持功能，在试验过程中可实时存储和显示试件疲劳裂纹声发射信号，较好地监控判断试件(材料)的疲劳过程。

本发明的弯曲疲劳试验机可以进行三点弯曲疲劳试验以及悬臂弯曲疲劳试验，两种试验的机械装置和载荷加载装置除了夹具有所改变以外，也都采用偏心轮旋转机构和动载荷加载方式。

本发明的实质性特点和显著的进步是：

1.本发明的疲劳试验机属于技术密集型的测试装置，目前它已经涉及到机械、液压、电子、材料、测量、自动控制等许多技术领域，并且还综合了近代闭环伺服、数字显示、机电一体化以及电子计算机等高新技术，可以广泛应用于新材料开发、结构设计和机械、船舶、航空、航天、人体力学性能研究等方面。

2.本发明可全程监控试件的疲劳过程，在试验过程中，检测系统可通过检测试件加载过程的声发射信号的变化情况，全程监控试件的疲劳过程。

3.该装置结构简单、体积紧凑。控制系统简单，功率消耗小，工作可靠性较好、试验成本低。适应性广、检测精度高。特别是采用自动化技术，代替了试验人员的手工操作，减少了易引入操作性误差的人为参与环节，并且使精确度较高的复杂算法得以应用，显著的提高了疲劳试验的精确性。

附图说明

图1是弯曲疲劳试验机的部件以及连接结构示意图。

图2是载荷检测装置电路原理图。

图3是三点弯曲疲劳试验机的结构示意图。

图4是悬臂弯曲疲劳试验机的结构示意图。

图中部件名称：

机架1、防松螺母2、连杆铰接块3、连杆4、偏心轮5、驱动杆6、滑槽(导轨)7、夹具支承座8、轴承9、夹具10、试件11、试件夹板12、轴承13、转轴14、齿轮15、螺母16、压紧试件螺母17、试件18、夹具19。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明进一步说明。

通过使用不同的装夹夹具，可以分别完成三点弯曲疲劳试验和悬臂弯曲疲劳试验，夹具间的距离可以调节，适应不同尺寸平板试件的疲劳试验。

实施例1：完成三点弯曲疲劳试验。如附图2所示，本发明的机械装置包括机架1、防松螺母2、连杆铰接块3、连杆4、偏心轮5、驱动杆6、滑槽(导轨)7、夹具支承座8、轴承9、夹具10、试件11、试件夹板12、轴承13、转轴14、齿轮15、螺母16。机架1放置在试验场地上，驱动杆6固定在滑槽(导轨)7，下端用防松螺母2紧固，转轴14上安装有轴承13、齿轮15和螺母16，它们安装在机架1的侧面，试件11用试件夹板12安装在夹具10间，夹具10上有夹具支承座8和轴承9，驱动杆6和转轴14通过连杆4与偏心轮5铰接。

实施例2：完成悬臂弯曲疲劳试验。如附图3所示，本发明包括，机架1、防松螺母2、连杆铰接块3、连杆4、偏心轮5、驱动杆6、滑槽(导轨)7、试件夹板17、试件18、夹具19、轴承座11、轴承12、转轴13、齿轮14、螺母15，机架1放置在试验场地上，驱动杆6固定在滑槽(导轨)7，下端用防松螺母2紧固，转轴14上安装有轴承13、齿轮15和螺母16，它们安装在机架1的侧面，试件18用试件夹板17安装在夹具19间，驱动杆6和转轴14通过连杆4与偏心轮5铰接。

进行弯曲疲劳试验时：将平板试件安装在夹具上，转轴13带动偏心轮5旋转，与偏心轮5连接的连杆4将旋转运动转化成上下移动的往复运动，给平板试件施加动载荷，声发射传感器固定在平板试件上，声发射传感器捕捉到的信号经前置放大器放大后通过同轴电缆传输到数据采集卡(即声发射信号采集系统，由独立的采集模块和计算机系统相连组成)中进行处理，进而对试件的疲劳状况进行监控、检测，在试验过程中可以通过改变转轴转速和偏心距大小来改变加载的频率和振幅，试验结果可通过计算机显示、存储及打印(如附图4所示)。

试验方法：

将平板试件安装在夹具上，转轴带动偏心轮旋转，与偏心轮连接的连杆将旋转运动转化成上下移动的往复运动，给平板试件施加动载荷。声发射传感器固定在平板试件上，声发射传感器捕捉到的信号经前置放大器放大后通过同轴电缆传输到数据采集卡(即声发射信号采集系统，由独立的采集模块和计算机系统相连组成)中进行处理，进而对试件的疲劳状况进行监控、检测。

Claims (1)

1.一种小型平板弯曲疲劳试验机，包括：机械装置、载荷加载装置、检测装置、显示或记录装置，机械装置、载荷加载装置合为一体，机械装置及载荷加载装置采用偏心轮旋转机构和动载荷加载方式，其特征在于：检测装置包括载荷检测系统和试件检测系统两部分，载荷检测系统由接近开关和电子式累加计数器组成，试件检测系统采用声发射传感电子技术和计算机技术，试件装在机械装置及载荷加载装置上，载荷加载装置对机械装置上的试件加载，试件上安装声发射传感器，声发射传感器连接载荷检测装置，先将信号放大，再输入到计算机技术，最后由显示或记录装置得到材料弯曲疲劳测试结果；

所述的采用偏心轮旋转机构和动载荷加载方式的机械装置包括机架、夹具、驱动装置，夹具安装在夹具支承座上，夹具支承座固定在机架上，夹具上设有夹板，试件装在夹板和驱动杆上，驱动杆通过连杆铰接块与连杆连接，连杆上安装偏心轮，偏心轮固定在转轴上，转轴上还安装齿轮或链轮，电动机输出轴通过齿轮或链条传递到齿轮或链轮上，系统的曲柄滑块机构将转轴的回转运动变成驱动杆的往复直线运动，给试件施加交变载荷，曲柄的长度能够自由调节，试验振幅根据试验需要通过改变曲柄的长度来调节，试验的激振频率通过改变转速来实现；

所述的试件检测系统包括声发射传感器和信号比较电路、信号放大电路或前置放大器、稳压电路和输出电路或数据采集卡，稳压电路将市电降压、整流、滤波，给载荷检测装置提供稳定的电源；声发射信号采集系统，由独立的采集模块和计算机系统相连组成，声发射传感器固定在平板试件上，声发射传感器捕捉到的信号经前置放大器放大后通过同轴电缆传输到数据采集卡，输入到信号比较电路，经过比较和逻辑分析和输出电路，传到计算机中，转变成材料弯曲疲劳数据，在显示器显示或打印；在试验过程中通过声发射信号的变化情况动态监控、检测试件的疲劳状况，循环次数、载荷值、输出转速或频率通过计算机显示，具有停电保持功能，在试验过程中能够实时存储和显示试件疲劳裂纹声发射信号，监控判断试件和材料的疲劳过程。

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