CN102621015B

CN102621015B - 疲劳试验机

Info

Publication number: CN102621015B
Application number: CN 201210081588
Authority: CN
Inventors: 吉伯海; 徐声亮; 傅中秋; 刘荣; 田圆; 杨牧野; 前野裕文
Original assignee: Hohai University HHU
Current assignee: Hohai University HHU
Priority date: 2012-03-26
Filing date: 2012-03-26
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2032-03-26
Also published as: CN102621015A

Abstract

本发明公开了一种疲劳试验机，包括支架，在支架上设置有支承平台、环形框架、加载装置以及与用于连接试件的安装台，安装台和加载装置的一端连接在所述的环形框架上，安装台和加载装置的另一端则位于所述的支承平台上，加载装置包括加载架、电机以及由连接杆和加载配重组成的加载主体，加载架的上端面为加载平面，加载主体设置在加载平面上，电机设置在加载架的中部，在电机的输出端连接所述的连接杆，加载配重设置在所述的连接杆上，在所加载架的下端设置有移动滑轮。本发明采用由连接杆和加载配重的家载体作为周期荷载的加载设备，结构简单，原理清晰，且可以获得高频加载动力；此外，量化的偏心距可用于调节不同的峰值外荷载。

Description

疲劳试验机

技术领域

本发明涉及一种疲劳试验装置，属于材料结构性能实验的疲劳实验领域。

背景技术

在工程实际中，许多材料或构件在实际应用中受到动载荷作用，与受到静载荷作用时不同，这些材料或构件往往会在事先并未出现显著变形的情况下突然发生疲劳破坏，对结构的安全性能产生重大影响。

随着钢材等级的提高以及产量的大幅增长，钢结构的建筑与桥梁得以建设，几百年的发展，钢结构的强度与稳定问题得到了很好的解决，然而随着其结构形式以及荷载作用的日新月异，钢材的疲劳问题已成为钢结构耐久性与适用性的关键问题。而试验研究，是所有疲劳问题研究的基础。

在此之前材料疲劳性能的研究已持续多年，疲劳试验机的款型和功能不断增多，以满足不同材料疲劳试验的需求。疲劳试验机主要有液压伺服式、电磁式和机械式几种类型。其中液压伺服式疲劳试验机是一种较先进的测试装置，但价格高昂，低频工作状态下功率消耗大成本高。电磁式疲劳试验机平率高，主要用于疲劳性能较好的黑色金属疲劳性能测试。机械式疲劳试验机适用对频率要求不高的疲劳试验，功率小造价低。但以往机械式疲劳试验机，对于试验结束的判定条件繁杂，对于试验终止命令反应慢，且输出荷载范围较小等不足。

此外，在上世纪50、60年代曾采尝试采用偏心式加载体提供周期性疲劳荷载，然而在当时的技术环境下，该方案存在着几点致命性问题：

A. 偏心式加载体对任意方向均存在着周期性加载，故试样目标位置处的疲劳应力较为复杂，而非简单的正弦式波形应力；

B. 偏心式加载体转动时的输出荷载不稳定，这主要归结于电机自身不易调平以及偏心式加载体与电机的连接误差；

C. 偏心式加载体加速阶段与减速阶段的输出荷载均小于正常工作状态，且加载周期高于额定周期，前后的累积误差对试验的影响无法控制；

D. 监测设备落后，以至于疲劳裂纹无法在第一时间察觉，且察觉后采取相应控制措施的时间间隔较长，均影响了试验精度。

尽管整个试验设备简易且可操作性强，但上述短板使得该方法在试验精度要求提高后逐渐淘汰。然而利用偏心式加载体激振器，具有其他疲劳试验装备所没有的优势：

A. 加载频率的频谱较宽；

B. 输出疲劳荷载峰值幅度较广；

C. 对材料属性以及构件的尺寸效应不敏感，适用范围广；

D. 操作简便，试验成本低。

因此，在确保试验精度的基础上，选择效率高、成本低、操作简便的试验设备以及试验方法，成为材料疲劳试验研究关注的焦点。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种操作简便、成本低且效率高的疲劳试验机。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种疲劳试验机，包括支架，其特征在于：在所述的支架上设置有支承平台、环形框架、加载装置以及与用于连接试件的安装台，所述的安装台和加载装置的一端连接在所述的环形框架上，安装台和加载装置的另一端则位于所述的支承平台上，所述的加载装置包括加载架、电机以及由连接杆和加载配重组成的加载主体，所述的加载架的上端面为加载平面，所述的加载主体设置在加载平面上，所述的电机设置在加载架的中部，在所述电机的输出端连接所述的连接杆，所述的加载配重设置在所述的连接杆上，在所述的加载架的下端设置有移动滑轮。

在所述的环形框架的第一侧面上设置有第一纵向支承滑块，在所述的环形框架的第二侧面上设置有第二纵向支承滑块，所述的第一侧面与第二侧面相对，所述的第一纵向支承滑块在所述的第一侧面上沿垂直于该第一侧面的方向上滑移，所述的第二纵向支承滑块在所述的第二侧面沿框架方向滑移，所述的安装台设置在第一纵向支承滑块上，所述的加载装置设置在第二纵向支承滑块上。

在所述的环形框架的第三侧面还设置有一纵向支承滑块，在所述的纵向支承滑块上和试件上分别设置有接触装置，在所述的加载架的两侧设置有磁铁。

所述的接触装置包括底座、电磁继电器和粘滞阻尼器，所述的粘滞阻尼器设置在底座的上端面上。

在所述的试件两端设置有声发射探头。

与现有技术相比，本发明具有以下几个特点：

A. 采用由连接杆和加载配重的家载体作为周期荷载的加载设备，结构简单，原理清晰，且可以获得高频加载动力；此外，量化的偏心距可用于调节不同的峰值外荷载。

B. 加载平面为水平面，避免了偏心式配重自重对试样的影响，且扩大了试样的物理尺寸，具有较大的灵活性；

C. 设置侧向支承体系，避免了偏心偏心式配重对试样的多向加载，确保试验的可靠性；

D. 由双电路控制的电磁继电器，确保了偏心偏心式配重在稳定状态下对试样的加载，且可以在切断偏心偏心式配重电源的瞬间停止对试样的加载，避免了惯性力以及加速阶段对试验的影响；

E. 试样两端设置的“声发射”检测设备，对疲劳裂纹发生的第一瞬间极为敏感，可精确控制试验的发展；

F. 智能化的控制系统，使得诸多设备具有良好的合作，进一步确保了试验的精确性与可操作性。

附图说明

图1是发明的结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1的A-A剖视图。

图4是图1的B-B剖视图。

图5是图3的C-C剖视图。

图6是图4的D-D剖视图。

图7为本发明加载装置结构示意图。

图8为图7的E-E剖视图。

图9是图8的F部放大示意图。

图10为本发明接触装置结构示意图。

图11为图10的俯视图。图12目标位置周期应力分布对比图，其中上面的曲线为本发明的曲线，下面的曲线为改进前的应力分布曲线。

其中：1、支架，2、支承平台，3、环形框架，4、加载装置，41、加载架，42、电机，43、转向体，44、连接杆，441、凹槽，45、加载配重，46、螺母，47、移动滑轮，48、磁铁，49、润滑层，5、安装台，6、试件，7、地基，8、润滑层，9、接触装置，91、底座，92、电磁继电器，93、粘滞阻尼器，10、第一侧向支承滑块，101、加强筋，102、滑轮，103、横隔板，104、限位槽，11、第二侧向支承滑块，12、纵向支承滑块，13、控制台，14、声发射探头。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细说明：

加载设备

疲劳试验的本质是通过加载设备对目标试件提供稳定的周期性荷载，与目前常用的液压设备、电磁设备以及杠杆加载设备相比，偏心式加载体加载不仅可以提供高频率的疲劳荷载（其取决于电机的转速），并且可以获得较高的峰值荷载。依据经典动力学方程，峰值向心力可用下式表示：

Figure 2012100815889100002DEST_PATH_IMAGE001

因此，利用偏心式加载体作为加载设备时，不仅需要控制其加载频率，还必须对峰值荷载予以控制。

为适应卧式加载需要，并提供分级加载功能，对加载设备进行如下设计：

A. 联动轴通过转向块与电机相连，并可以绕转向块旋转90°（如图所示），以用于砝码的安装与拆除；

B. 联动轴上设置等间距的凹槽，与砝码上槽型齿轮相对应；

C. 砝码依据其质量不同分为若干等级，每个砝码上均设有槽型齿轮，并在砝码外缘设有控制按钮——当按钮按下时，槽型齿轮回缩，此时，砝码可以在联动轴上自由滑行；当松开按钮时，砝码也可以在联动轴上滑行，但当遇到凹槽时，即处于锁定状态，此时，砝码不能自由滑动。利用该方法实现砝码在联动轴上安装与拆卸。

D. 在联动轴端部设有大尺寸的螺帽，防止在加载过程中砝码的意外脱离。

此外，在砝码与加载台面间，涂有1~2mm的润滑层（多为润滑油），以减少摩擦对输出荷载的影响（主要是输出荷载的稳定性）；并且为协调加载设备与触控设备之间的作用，加载设备的外缘采用强铁磁性材料制作。

触控设备

为减少、避免加载设备在启动、减速阶段所输出的不稳定疲劳荷载，本发明设计了一套触控设备：通过电路控制，实现加载设备短时间内对试样的加载与卸载，触控设备如图所示。

触控设备主要由底座、电磁继电器以及粘滞阻尼器组成。当触控设备中电磁继电器所在线路接通时，即可产生较大的磁场，进而吸附加载设备；当触控设备的线路断开时，磁场随即消失，此时，触控设备与加载设备间无相互作用。

尽管在试验准备阶段，加载设备与触控设备的间距较小，但考虑到两者接触瞬间可能产生的撞击对试件的影响，触控设备中部设有粘滞阻尼器，使接触过程中对试件的周期荷载较为稳定：在接触前，粘滞阻尼器的外置探头均伸出接触平面约10mm；在完全接触后，外置探头均压缩至接触平面以下；当加载设备与触控设备分离时，探头又恢复原有状态。

触控设备底座设有两排螺孔，其与目标试件或固定用加载架通过螺栓连接。

支承体系

为克服偏心式加载体对任意方向均产生周期性荷载，本产品通过设计两组边界条件以解决：试样与“试件安装结构”相连，加载设备通过连接槽钢与侧向支承结构连接，所有连接均通过螺栓连接。加载期间，试件仅承受纵向周期荷载，水平力均由侧向支承结构承担。其中，各个部件的设计概念如下所述。

（1）第一侧向支承滑块

设置于主加载架左侧，主体结构为钢箱梁，并贯穿主加载架的环形箱梁，用于连接试件的安装台固定在该第一侧向支承滑块上；环形箱梁在被贯穿部分设有横隔板；第一侧向支承滑块在贯穿部分通过滑轮与环形箱梁连接，在垂直环形箱梁方向可以自由滑行，其中滑轮固定于安装台上；环形箱梁的横隔板上设有限位槽，避免滑轮在滑行时出现侧移。此外，环形箱梁横隔板后设有三角加劲肋。

（2）第二侧向支承滑块

设置于主加载架右侧，包括一个封闭箱室与一个开口箱室。封闭箱室外包于环形箱梁上，之间通过滑轮支承，以确保侧向支承结构可以沿环形箱梁方向自由移动。其中，滑轮固定于该结构的封闭箱室上，在环形箱梁外缘相应位置设有限位槽，以防止滑轮的侧移。

侧向支承结构的开口箱室也为钢箱梁，在其腹板处设有多排孔道，用于调节加载设备的位置，固定时仅锚固两排即可。

侧向支承结构主要在试验过程中提供侧向水平支承作用，并在试验准备阶段，用于调节加载设备水平位置。

（3）纵向支承结构

设置于主加载架上部，可沿着环形箱梁方向自由移动，其内部构造措施与安装台、侧向支承结构类似。该结构主要用于加载前调节加载设备的位置，并在加载设备启动、减速阶段固定加载设备用。

控制系统

本产品采用自行编写程序，对试验设备、检测仪器以进行全程自动化控制。程序运行思路如下所示：

A．准备阶段：

Figure 2012100815889100002DEST_PATH_IMAGE002

设定偏心式加载体稳定转动所需要的时间T₁；

Figure 2012100815889100002DEST_PATH_IMAGE003

设定该次疲劳试验循环所需要的时间T₀；

B．加载阶段：确定启动；

接通A线路

Figure 2012100815889100002DEST_PATH_IMAGE004

T₁时间后，断开A线路，并接通B线路；

C．评判阶段：若声发射设备在监控期间未出现损伤报警，则在T₀时间后，B线路自动断开，A线路接通；若声发射设备在期间出现损伤报警，则在该时间B线路断开，A线路接通；

D．数据采集：

程序自动获取B线路接通的时间；

正弦式应变仪获取试验期间目标位置的应变数据（若循环周期数目较大时，可自行编写控制程序，每间隔T2时间读取Δt时段内目标位置的应变）。

Claims

1.一种疲劳试验机，包括支架，其特征在于：在所述的支架上设置有支承平台、环形框架、加载装置以及与用于连接试件的安装台，所述的安装台和加载装置的一端连接在所述的环形框架上，安装台和加载装置的另一端则位于所述的支承平台上，所述的加载装置包括加载架、电机以及由连接杆和加载配重组成的加载主体，所述的加载架的上端面为加载平面，所述的加载主体设置在加载平面上，所述的电机设置在加载架的中部，在所述电机的输出端连接所述的连接杆，所述的加载配重设置在所述的连接杆上，在所述的加载架的下端设置有移动滑轮。

2.根据权利要求1所述的疲劳试验机，其特征在于：在所述的环形框架的第一侧面上设置有第一纵向支承滑块，在所述的环形框架的第二侧面上设置有第二纵向支承滑块，所述的第一侧面与第二侧面相对，所述的第一纵向支承滑块在所述的第一侧面上沿垂直于该第一侧面的方向上滑移，所述的第二纵向支承滑块在所述的第二侧面沿框架方向滑移，所述的安装台设置在第一纵向支承滑块上，所述的加载装置设置在第二纵向支承滑块上。

3.根据权利要求2所述的疲劳试验机，其特征在于：在所述的环形框架的第三侧面还设置有一第三纵向支承滑块，在第三纵向支承滑块上和试件上分别设置有接触装置，在所述的加载架的两侧设置有磁铁。

4.根据权利要求3所述的疲劳试验机，其特征在于：所述的接触装置包括底座、电磁继电器和粘滞阻尼器，所述的粘滞阻尼器设置在底座的上端面上。

5.根据权利要求1或2所述的疲劳试验机，其特征在于：在所述的试件两端设置有声发射探头。