CN101598647B - 一种钢丝微动疲劳试验机及方法 - Google Patents

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一种钢丝微动疲劳试验机及方法,试验机主要由水平加载装置,轴向夹紧、拉压装置构成;水平加载装置由凹形水平支座,导向支座,楔形滑块,加载钢丝,压力传感器,加载杆和锁紧螺母构成;轴向夹紧装置由轮辐式拉压传感器,与轮辐式拉压传感器相连的螺纹杆和固定在螺纹杆上的上夹持块构成;轴向拉压装置由油缸,连接在油缸活塞上的螺纹杆和固定在螺纹杆上的下夹持块构成。通过水平加载装置对轴向钢丝施加水平设定载荷,并通过轴向夹紧、拉压装置对钢丝试样作用轴向疲劳应力,实现对钢丝试样的微动磨损和轴向疲劳应力共同作用的微动疲劳试验。动态调整凹形水平支座使轴向疲劳钢丝不产生弯曲应力,振幅频率变动范围广,易于利用计算机程序控制和测量。

Description

一种钢丝微动疲劳试验机及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种试验机及方法,尤其是涉及一种用于研究钢丝微动疲劳状况的钢 丝微动疲劳试验机及方法。
背景技术
[0002] 钢丝绳具有良好的弯曲柔韧性和承载能力,因而被广泛用作运输机械的牵引缆 绳、矿山机械的提升缆绳、乘人索道的支撑缆绳、斜拉桥的承载钢索等,钢丝绳的承载强度 和服役寿命对于这些应用装备的安全运行都非常重要。在这些装备的运行过程中,钢丝绳 要经受反复的拉伸和弯曲以及动态载荷,使钢丝绳内部各股之间、钢丝与钢丝之间经受不 同微动振幅的微动磨损,而且还要承受交变应力。较小的微动振幅往往会引起钢丝微动接 触区的裂纹萌生、扩展与断裂,形成微动疲劳,加剧钢丝绳的疲劳破坏。微动疲劳作为微动 损伤的三种模式之一,是在微动损伤影响下的疲劳破坏,复合了微动磨损与轴向疲劳,严重 影响钢丝绳中钢丝的疲劳强度。因此,研制一种结构简单的微动疲劳试验机,来探讨钢丝的 微动疲劳现象、机理及影响因素,对钢丝绳由于微动疲劳引起的疲劳强度降低和早期断裂 进行预测,对提高钢丝绳的使用寿命有着重要意义。
[0003] 目前用于微动摩擦及疲劳方面的试验机有:专利号为200420080073. 8公开的一 种钢丝微动磨损试验机,凸轮推动悬臂弹性板使下钢丝试样产生微小振幅振动,实现上、下 钢丝试样的微动摩擦;专利号为200620125386. X公开的一种多功能微摩擦磨损试验机,实 现下试样的大振幅和微振幅往复直线运动,完成上、下试样的对磨;MTS810型液压伺服疲 劳试验机;专利号为200810196045. 5公开的一种疲劳试验机,可通过控制高温箱内的温度 对同时两组试样在不同温度条件下作不同频率的扭曲疲劳试验,可提高试验的工作效率; 专利号为2008103049¾. 3公开的一种对大直径轴类试件施加叠加磨损载荷的轴向疲劳实 验方法及装置,采用减速器结构,可对同时承受磨损载荷和疲劳载荷的试样疲劳断裂原因 和寿命预测有帮助。
[0004] 上述试验机中,试样的微动摩擦试验机和疲劳试验机均是单一形式的试验机,叠 加磨损载荷的轴向疲劳实验方法及装置是减速器结构,适用于轴类试件,而对于集钢丝间 微动摩擦磨损与轴向疲劳为一体、结构简单的试验机还没有。
发明内容
[0005] 技术问题:根据已有技术中存在的问题,本发明的目的是研制一种结构简单、集成 钢丝之间的微动磨损和钢丝轴向疲劳为一体的微动疲劳试验机。
[0006] 技术方案:本发明的钢丝微动疲劳试验机,包括支撑平台,设在支撑平台上的两根 支撑立柱,两根支撑立柱上设有对轴向钢丝施加水平方向力的水平加载装置,支撑立柱的 顶部设有承载梁,承载梁下端面上设有夹住轴向钢丝上端的轴向夹紧装置,支撑平台上端 面上设有夹住轴向钢丝下端的轴向拉压装置;所述水平加载装置包括凹形水平支座,凹形 水平支座上对称设有位于轴向钢丝两侧的导向支座,导向支座内对称设有楔形滑块,楔形滑块相对轴向钢丝一侧设有加载钢丝;轴向钢丝一侧导向支座内的楔形滑块连接有压力传 感器,另一侧导向支座内的楔形滑块连接有加载杆和调节加载杆的锁紧螺母,凹形水平支 座的两端分别设有将其固定于两根支撑立柱上的内外夹具。
[0007] 所述的楔形滑块端面开有半圆形凹槽,在凹槽末端开有将加载钢丝置于凹槽中的 通孔;所述的加载杆中间为四棱状;所述设在承载梁下端面的轴向夹紧装置由轮辐式拉压 传感器,与轮辐式拉压传感器相连的螺纹杆和固定在螺纹杆上的上夹持块构成;所述设在 支撑平台上的轴向拉压装置由油缸,连接在油缸活塞上的螺纹杆和固定在螺纹杆上的下夹 持块构成。
[0008] 本发明的钢丝微动疲劳试验方法:
[0009] a.将轴向钢丝穿过凹形水平支座的中心孔,并将轴向钢丝的两端分别固定于上夹 持块和下夹持块上;
[0010] b.收缩活塞,将轴向钢丝向下拉伸,此时,上夹持块上所受的力传递给轮辐式拉压 传感器,轮辐式拉压传感器输出信号的值为设定初始载荷时,停止活塞的动作;
[0011] C.移动凹形水平支座使加载钢丝接触轴向钢丝;
[0012] d.调整加载杆对楔形滑块施加载荷,楔形滑块在导向支座的楔形槽中移动,固定 在其上的加载钢丝与轴向钢丝点接触并产生压应力;
[0013] e.继续调整加载杆使加载钢丝与轴向钢丝之间的正压力增至设定载荷值,拧紧螺 母,防止实验过程中因加载杆的旋转而造成钢丝间正压力的变化;
[0014] f.控制活塞上下运动,使轴向钢丝在交变应力范围内伸缩变化,直至轴向钢丝的 微动疲劳断裂,轮辐式拉压传感器记录实验过程中轴向钢丝的交变力的变化。
[0015] 有益效果:本发明采用电液伺服驱动方式对钢丝试样施加轴向力,并采用对称的 导向支座和楔形滑块加载,整体式可浮动的凹形水平支座,可动态地调整水平支座使轴向 疲劳钢丝不产生弯曲应力,能够同时将微动磨损和轴向疲劳应力共同作用在轴向钢丝上, 可以实现轴向钢丝在不同接触载荷、不同微动振幅、不同应力幅、不同应力比、不同频率下 的微动疲劳,同时可以记录实验过程中轴向钢丝交变力的变化,这对研究钢丝由于微动磨 损引起的疲劳强度降低和断裂提供了有效的实验装备。其结构简单,驱动力大,实验参数变 动方便、易于计算机控制和测量。
附图说明
[0016] 图1是本发明的结构示意图。
[0017] 图2是图1的A-A视图。
[0018] 图中:1-固定螺母,2-上承载梁,3-支撑立柱,4-下夹持块,5-螺纹杆,6_活塞, 7-油缸,8-支撑平台,9-压力传感器,10-凹形水平支座,11-轴向钢丝,12-上夹持块, 13-螺纹杆,14-轮辐式拉压传感器,15-外夹具,16-内夹具,17-螺栓,18-锁紧螺母,19-加 载杆,20-导向支座,21-楔形滑块,22-加载钢丝。
具体实施方式
[0019] 下面结合附图对本发明的一个实施例作进一步的描述:
[0020] 本发明钢丝微动疲劳试验机,主要由支撑台架、水平加载装置和疲劳试验装置构成。支撑台架由固定螺母1、上承载梁2、支撑立柱3和支撑平台8组成,支撑立柱3固定在 支撑平台8上,上承载梁2由支撑立柱3支撑,通过固定螺母1连接。加载装置包括对称置 于轴向钢丝两侧的楔形滑块21,楔形滑块21端面铣有半圆形凹槽,在凹槽末端打有通孔, 加载钢丝22分别置于凹槽中,由两通孔中穿出并被固定住,两楔形滑块21分别置于带有楔 形槽的导向支座20中,导向支座20固定在凹形水平支座10上,其中一个楔形滑块21与加 载杆19接触,加载杆19中间为四棱状,加载杆19与凹形水平支座10—端螺纹连接,并由 锁紧螺母18锁死,另一个楔形滑块与压力传感器9连接,压力传感器9固定于凹形水平支 座10另一端,凹形水平支座10两端均加工有楔形滑块状,中间为一水平底板,凹形水平支 座10置于加工有楔形槽的内夹具16内,内夹具16、外夹具15固定在支撑立柱3上。疲劳 试验装置由轴向拉压装置和轴向夹紧装置构成,轴向拉压装置由油缸7,连接在油缸活塞6 上的螺纹杆5和固定在螺纹杆5上的下夹持块4构成;轴向夹紧装置由轮辐式拉压传感器 14,与轮辐式拉压传感器14相连的螺纹杆13和固定在螺纹杆13上的上夹持块12构成。轴 向钢丝11由凹形水平支座10的正中心孔穿过,轴向钢丝11固定于上夹持块12和下夹持 块4之间,上夹持块12通过螺纹杆13与轮辐式拉压传感器14连接,轮辐拉压传感器14固 定于上承载梁2下端面上,下夹持块4通过螺纹杆5与活塞6连接,活塞6置于油缸7内, 油缸7固定于支撑平台8上。
[0021] 实验方法:首先将轴向钢丝11固定于上夹持块12上,调整凹形水平支座10,使轴 向钢丝11竖直穿过凹形水平支座10的正中心孔,固定于下夹持块4上。然后,通过计算机 控制电液伺服系统使活塞6收缩,轴向钢丝11逐渐被拉直,通过上夹持块12的力传递,轮 辐式拉压传感器14承受拉力并产生信号输出,当轮辐式拉压传感器14的输出信号值达到 设定初始载荷时,活塞6停止动作。调整凹形水平支座10,使加载钢丝22接触轴向钢丝11 但不加载;用扳手拧加载杆19的四棱处,由于加载杆19和凹形水平支座10的螺纹配合,使 加载杆19向旋出凹形水平支座10螺纹孔的方向运动,加载杆19对楔形滑块20施加载荷, 楔形滑块20在导向支座20的楔形槽中右移使楔形滑块20上的加载钢丝与轴向钢丝11点 接触并产生压应力,轴向钢丝11对加载钢丝22施加压应力,通过加载钢丝22所在楔形滑 块的作用,压力传感器9受到压力作用产生信号输出被计算机采集处理,继续拧加载杆19 使信号输出值增至设定载荷值,将加载杆19上的固定螺母18拧到凹形水平支座10端面为 止,防止实验过程中因加载杆19的旋转而造成钢丝间正压力的变化。通过计算机控制电液 伺服液压系统使活塞6上下运动,使轴向钢丝11在交变应力范围内伸缩变化,直至轴向钢 丝11的微动疲劳断裂,轴向钢丝11所受的拉力变化由轮辐式拉压传感器14感应并通过计 算机软件识别和控制。在此过程中,轴向钢丝11由于疲劳应力的作用而产生微米级的形变 量(微振幅),所以轴向钢丝11与两侧对称的加载钢丝间产生了微动摩擦、磨损现象。在 疲劳试验过程中,凹形水平支座10会水平方向自动滑动,使轴向钢丝11与凹形水平支座 10的正中心孔对中,防止了轴向钢丝11的弯曲和钢丝间正压力的变化。通过计算机软件 控制液压伺服系统进油的流量速率和流量大小,改变钢丝的疲劳应力变化率和疲劳应力大 小,调整两条对称加载钢丝在楔形滑块中的位置来改变轴向钢丝11与加载钢丝间的交叉 角度,可以完成钢丝不同交叉角度的微动疲劳。

Claims (4)

1. 一种钢丝微动疲劳试验机,其特征在于:它包括支撑平台(8)、设在支撑平台(8)上 的两根支撑立柱(3),两根支撑立柱(3)上设有对轴向钢丝(11)施加水平方向力的水平加 载装置,支撑立柱C3)的顶部设有承载梁0),承载梁(¾下端面上设有夹住轴向钢丝(11) 上端的轴向夹紧装置,支撑平台(8)上端面上设有夹住轴向钢丝(11)下端的轴向拉压装 置;所述水平加载装置包括凹形水平支座(10),凹形水平支座(10)上对称设有位于轴向钢 丝(11)两侧的导向支座(20),导向支座00)内对称设有楔形滑块(21),楔形滑块相 对轴向钢丝(11) 一侧设有加载钢丝02);轴向钢丝(11) 一侧导向支座OO)内的楔形滑块 (21)连接有压力传感器(9),另一侧导向支座OO)内的楔形滑块连接有加载杆(19) 和加载杆(19)上的锁紧螺母(18),凹形水平支座(10)的两端分别设有将其固定于两根支 撑立柱C3)上的内外夹具(16、巧);所述设在支撑平台(8)上的轴向拉压装置由油缸(7)、 连接在油缸活塞(6)上的螺纹杆(¾和固定在螺纹杆(¾上的下夹持块(4)构成;所述设 在承载梁⑵下端面的轴向夹紧装置由轮辐式拉压传感器(14),与轮辐式拉压传感器(14) 相连的螺纹杆(1¾和固定在螺纹杆(1¾上的上夹持块(1¾构成。
2.根据权利要求1所述的钢丝微动疲劳试验机,其特征在于:所述的楔形滑块端 面开有半圆形凹槽,在凹槽末端开有将加载钢丝02)置于凹槽中的通孔。
3.根据权利要求1所述的钢丝微动疲劳试验机,其特征在于:所述的加载杆(19)中间 为四棱状。
4. 一种如权利要求1所述试验机的钢丝微动疲劳试验方法,其特征在于:a.将轴向钢丝(11)穿过凹形水平支座(10)的中心孔,并将轴向钢丝(11)的两端分别 固定于上夹持块(1¾和下夹持块(4)上;b.收缩油缸活塞(6),将轴向钢丝(11)向下拉伸,此时,上夹持块(1¾上所受的力传 递给轮辐式拉压传感器(14),轮辐式拉压传感器(14)输出信号的值为设定初始载荷时,停 止活塞(6)的动作;c.移动凹形水平支座(10)使加载钢丝(22)接触轴向钢丝(11);d.调整加载杆(19)对楔形滑块施加载荷,楔形滑块在导向支座OO)的楔 形槽中移动,固定在其上的加载钢丝02)与轴向钢丝(11)点接触并产生压应力,压力传感 器(9)受到压力作用产生的信号通过计算机采集处理;e.继续调整加载杆(19)使加载钢丝02)与轴向钢丝(11)之间的正压力增至设定载 荷值,拧紧螺母(18),防止实验过程中因加载杆(19)的旋转而造成钢丝间正压力的变化;f.控制活塞(6)上下运动,使轴向钢丝(11)在交变应力范围内伸缩变化,直至轴向钢 丝(11)的微动疲劳断裂,轮辐式拉压传感器(14)记录实验过程中轴向钢丝(11)的拉力的 变化。
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