CN102650581A - 一种用于片状弹簧常温及高温应力松弛测试的设备 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于片状弹簧常温及高温应力松弛测试的设备，主要包括底座、限制器、上板、压力传感器、压头、前侧板和后侧板，底座的前后侧分别固定前侧板和后侧板，压力传感器的下端固定压头，上端固定在上板上，上板位于底座的正上方，通过两个限制器将上板和底座固定一起，待测片状弹簧试样的一端通过螺栓固定在前侧板的上侧，另一端至于后侧板上侧所开的凹槽中，前侧板的上侧面和后侧板的凹槽底面位于同一水平面，压头与试样线接触。本发明设备设计简便，易于加工，不需要确定应力和挠度的关系，测量简单，测试数据获取简单，并保证了应力测试结果的准确性、可重复性和再现性，提高了测量数据的精度。

Description

一种用于片状弹簧常温及高温应力松弛测试的设备

技术领域

本发明属于常温及高温片状弹簧应力松弛测试技术领域，具体涉及一种应用于片状弹簧常温及高温应力应力松弛测试的设备。

背景技术

弹性元件长期使用及贮存状态下由于拉伸、压缩、弯曲和扭转载荷作用下的主要失效模式之一为应力松弛，应力松弛即在总应变恒定的条件下，应力随时间下降的现象，这种失效模式几乎存在于所有的弹性件。针对弹性件应力松弛试验方法主要原理为评定其在规定时间内初始弹性应变转变为非弹性应变的特性。拉伸应力松弛和弯曲应力松弛试验方法是评定材料及其制件的应力松弛性能的主要方法。其中环状试样法和悬臂梁式弯曲应力松弛是弯曲应力松弛试验方法中主要的试验方法，大多基于美国ASTME328-78“材料和结构的应力松弛试验标准推荐方法”，但是环状试样法不能直接反应试验材料的应力松弛性能，且试验件难以加工。基于美国标准采用的弯曲状态簧片应力松弛数据的测量常用的方法是给试样施加各种挠度水平时，用应变仪获得一条应变-挠度曲线，用轴向拉伸试验确定材料的应力应变特性，利用这一特性建立弯曲挠度，产生所要求的施加应力。将受力试样放入设定温度使之应力松弛一定时间，然后把试样从夹具上移开，用光学比较仪测量所产生的永久变形，用初始挠度换算成初始应力的相似方法，把永久度变形换算成损失应力。目前通用的采用螺栓加载测量方法通过螺栓加载，然后将螺栓固定在底座上。该测试设备和方法自动化程度较低，误差相对较大，而且不能实现带温测量，由于装置本身的局限性，需要通过其他固定装置将其固定，很大程度上增大了劳动量，增加了装置的复杂性和不稳定性。

发明内容

本发明针对现有技术中片状弹簧常温和高温应力松弛测试设备存在自动化程度低、测量误差较大的问题，提供一种用于片状弹簧常温及高温应力松弛测试的设备。

本发明提出的用于片状弹簧常温及高温应力松弛测试的设备，主要包括底座、限制器、上板、压力传感器、压头、前侧板和后侧板。上板平置于底座的正上方，底座与上板的中心位置垂直对应，上板的中心位置开有中心通孔，在中心通孔左右对称的位置开有左通孔和右通孔，底座上垂直对应上板的左通孔和右通孔的位置开有左沉孔和右沉孔。在底座的左沉孔和上板的左通孔之间安装有左限制器，在底座的右沉孔和上板的右通孔之间安装有右限制器。左、右限制器的两端带外螺纹，限制器上端分别通过螺栓固定在上板的左通孔或右通孔上，下端分别固定在底座的左沉孔或右沉孔中。压力传感器和压头位于底座和上板之间。压力传感器通过传感器引线与数据显示仪表连接。压力传感器的上端固定在上板的中心通孔上，下端固定有压头，压头与待测片状弹簧接触，具体压头与待测片状弹簧的中间位置线接触，且压头的宽度大于试样的宽度。前侧板和后侧板分别固定在底座的前侧和后侧，前侧板、后侧板以及底座三者的下侧面的中心位于同一条竖直水平线上。前侧板的上侧的中心开有沉孔，用于固定待测片状弹簧开孔的一端；后侧板上侧的中间位置开有凹槽，用于放置待测片状弹簧的另一端。所述后侧板的凹槽的底部与前侧板的上侧面处于同一水平面。

本发明的优点和积极效果在于：

(1)本发明设备设计简便，易于加工，且相对于目前常用的确定应力和挠度的关系的方法，本发明不需要确定应力和挠度的关系，测量简单。另外，目前常用测量方法是将试样放到设定的温度，放置一定时间，然后把试样从其夹具上移开，用光学比较仪测量产生的永久变形，然后把永久变形换算成损失应力。而使用本发明测试装置不需要将永久变形换算成损失应力，测试数据获取简单、准确。

(2)本发明设备采用了高精度压力测量传感器和高灵敏度的数字显示装置，试验过程中不用将试样拿出测试，不用更换试样，影响数据波动的因素较少，不需要对试样测量若干次取平均值，因而提高了工作效率，避免了因循环测量记录带来的误差。保证了应力测试结果的准确性、可重复性和再现性，从而提高了测量数据的精度。

(3)本发明设备中的压力测量传感器可以根据实际使用要求，采用耐高温压力传感器，实现所需温度范围内的连续测量目的。

(4)在压力传感器和试样之间设置安装一个压头，避免了压力传感器螺栓直接和试样接触造成的应力分布不均，也避免了金属高温软化后粘连压力传感器，造成压力传感器使用寿命和试验精度下降的问题。且压头的线接触的形状优点，避免了圆柱状压头作用下，产生的试样卷边问题。

(5)在压力传感器外螺纹头部和压头相连接部分设置一段光杆，避免由于反复使用造成螺纹磨损而引起两者之间接触的间隙，进而影响测试精度的问题。

(6)为了使本发明设备具有通用性，设计两块垫块I、II，只要加工一系列垫块I，就可得到所要求的载荷。不同长度的试样，只要添加垫块II便可满足要求。

附图说明

图1为本发明的测试设备的总装配图的正视图；

图2为本发明的测试设备的总装配图的后视图；

图3为本发明的测试设备中上板的示意图：a为俯视图，b为A-A方向剖面图；

图4为本发明的测试设备中底座的示意图：a为俯视图，b为B-B方向剖面图，c为前视图或后视图；

图5为本发明的测试设备中前侧板的结构示意图：a为主视图，b为俯视图；

图6为本发明的测试设备中后侧板的结构示意图：a为主视图，b为俯视图；

图7为本发明的测试设备中限制器的结构示意图；

图8为本发明的测试设备中压力传感器的结构示意图；

图9为本发明的测试设备中压头的结构示意图：a为主视图，b为侧视图；

图10为本发明的测试设备中垫块的结构示意图；

图11为本发明待测片状弹簧的试样形状图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行的详细的说明。

本发明提供一种用于片状弹簧常温及高温应力松弛测试的设备，如图1和图3所示，主要包括如下几个模块：底座1、限制器2、上板3、压力传感器4、压头5、前侧板6和后侧板7。

如图1和2所示，上板3平置于底座1的正上方，底座1与上板3的中心位置相对应。底座1和上板3通过左右两个限制器2固定一起。在上板3的相对底座1的一侧的中心位置上固定有压力传感器4，压力传感器4的另一端固定有压头5。压力传感器4通过传感器引线8与外置数据显示仪表连接，将测量的压头5的压力传输给外置数据显示仪表。在底座1的前后两侧分别固定有前侧板6和后侧板7，待测片状弹簧的两端分别放置在前侧板6和后侧板7上。在测试时候，将待测片状弹簧放置好后，压头5位于待测片状弹簧的正中间位置。

如图3的a和b所示，上板3上的中心位置开有通孔32，用于固定压力传感器4，在中心通孔32左右对称的位置各开有一个通孔31，用于装配限制器2。如图3的a所示的左、右两个通孔31的中心位于过中心通孔10的横向水平线上。

如图4的a和b所示，底座1的上侧，垂直对应上板3的左、右通孔31的位置各开有两个沉孔11，用于将固定限制器2的一端固定在下板1上，保证下板1平整。如图4的c所示，底座1的前后侧各开有两个孔12，用于固定前侧板6和后侧板7。

上板3和底座1都为平板，由镀铬材料、不锈钢或者其他耐高温、耐腐蚀材料制造，进行高度抛光，具有较高的表面光洁度、平行度和刚度。

如图5的a所示，在前侧板6的侧面开有两个通孔61，两个通孔61的位置对应底座1前侧所开的两个孔12，通过螺钉可将前侧板6固定在底座1上。如图5的b所示，在前侧板6的上侧的中心位置开有沉孔62，用于固定待测片状弹簧的一端。为了使待测片状弹簧在试验时更加稳固，在靠近沉孔62的一周上还均匀开有4个沉孔63，用于固定待测片状弹簧。在固定待测片状弹簧时，用一个垫块III放置在待测弹簧开孔一端上，通过螺栓将垫块III、待测片状弹簧和前侧板6固定在一起。垫块III的结构如图10所示。

如图6中a所示，后侧板7的侧面开有两个通孔71，两个通孔71的位置对应底座1后侧所开的两个孔12，通过螺钉可将后侧板7固定在底座1上。如图6中b所示，后侧板7的上侧开有凹槽72，用于放置待测片状弹簧的另一端，凹槽72的宽度略大于待测片状弹簧端部的宽度，待测片状弹簧能够放置在凹槽72中，避免试验中试样发生左右移动。后侧板7上所开的凹槽72的底面与前侧板6的上侧面处于同一水平面上。

如图7所示，限制器2的两端带外螺纹，在上的一端穿过上板3左边或者右边的通孔31，并用螺母将限制器2与上板3固定，限制器2在下的一端固定在下板1上的垂直对应上板3左边或者右边的通孔31的沉孔11中。限制器2采用不锈钢材料制成，其高度根据片簧的挠度变形率来决定，用以保证试样压缩到规定的高度值，产生恒定的形变，其高度允许公差为0.02mm。

如图8所示，压力传感器4的两端带外螺纹，压力传感器4在上的一端穿过上板3的中心通孔11，并通过螺母固定在上板3上，在下的一端安装了一个压头5，用于避免压力传感器4的螺栓直接和待测片状弹簧接触，造成应力分布不均，以及避免待测片状弹簧高温软化后粘连压力传感器4，造成压力传感器4使用寿命和试验精度下降的问题。压力传感器4与压头5相连接的一端的头部为光杆，设置一段光杆是为了避免下面情况：由于反复使用造成螺纹磨损从而引起压力传感器4与压头5之间接触的间隙，进而影响测试精度。本发明测试设备中所选用的压力传感器的规格为kzβk-1，准确度级别为0.001，输出灵敏度为2.248mV/V，温度范围为0℃～150℃，量程为980N。压力传感器4通过传感器引线8连接的数据显示仪表外供电源输入端透明线为正极，黑色为负极，仪表输入端黄线为正极，白线为负极。本发明的测试设备中的压力传感器4测量精度达千分之一，温漂小而且可以在高温下保持良好的精度。

如图9所示，压头5通过内螺纹固定在压力传感器4上。对应于压力传感器4一端设置的光杆，压头5中的内螺纹也同样存在一段光滑段，如图9的a中所示。本发明实施例中设置压力传感器一端的光杆为3-5mm，同样，对应压头5中内螺纹处于底部的位置设置3-5mm的光滑段。另外，针对测试对象为片状弹簧，压头5与弹簧为线接触，使得被测片状弹簧受力位置为一条线，且压头5与被测片状弹簧接触的部位的宽度大于被测片状弹簧的宽度，避免弹簧由于试验造成卷边等问题，使得试验更加准确。

为使本发明设备具有通用性，设计三种垫块I、II和III，如图10所示，为一矩形，中心开有通孔，在通孔的圆周方向上还均匀开有四个通孔。垫块I用于辅助设置所要求的载荷，设置垫块I的中心通孔的直径大于限制器2上端直径，根据试验的需要，在两个限制器2的上端与上板3相接处，套上相同厚度的垫块I，改变压头5给待测片状弹簧所施加的压力。垫块II用于调整前侧板6和后侧板7之间的间距。垫块II的中心通孔的直径大于连接前侧板6或后侧板7连接底座1的通孔的直径。在前侧板6或后侧板7连接底座1的位置分别垫上相同厚度的垫块II，以适应不同长度的待测片状弹簧。垫块III的中心通孔的直径与前侧板6上侧的中心沉孔62的直径、待测片状弹簧开孔端所开的孔的直径相同，在安装待测片状弹簧时，将垫块III放置在待测片状弹簧开孔端的上面，通过螺栓将垫块III和待测片状弹簧开孔端固定在前侧板6上侧。

如图11所示，为采用本发明测试设备所用的待测片状弹簧的形状。待测片状弹簧的一端开有孔，用于通过螺母将弹簧和前侧板6上侧的中心沉孔62固定在一起，限定待测片状弹簧的位置。待测片状弹簧的另一端置于后侧板7的上侧的凹槽72中。国标推荐一般采用拉伸应力松弛或者是弯矩环状试样。本发明所采用的试样的要求更加符合本发明所提供的测试设备，如图11所示，本发明所采用的试样的设计的准则为：该试样为等应力片形试样。除试样两个端头受力不均匀外，在标距范围内各截面所受应力相等。而且根据美国ASTME328一78标准的要求，采用宽片试样时，要保证只受轴向应力而不产生侧向弯曲，试样宽度至少是厚度的10倍。试样长度选择原则：使试样弯曲变形时产生的挠度容易测量。若挠度太小则不易测量。试样标距超过一定尺寸后，才能避免夹持加载时，端头效应带的影响。若标距太长，会产生表面法向误差。本发明采用的试样的关于中心线对称的，可以选取对称位置进行对比分析。

通过本发明提供的测试设备，在测试过程中，通过控制限制器2与侧板6、7的高度差使待测片状弹簧产生恒定弯曲形变，另外通过调节前后侧板6、7与底座1连接处的垫块II的厚度测量不同长度的试样。利用压力传感器4监测待测片状弹簧在不同温度和初始应力情况下随着时间的延长应力值的变化，进而计算片状簧片弯曲应力松弛。采用本发明提供的测试设备进行测量片状弹簧常温、高温的应力松弛变化情况，具有测试简单易操作、可靠、测量精度较高、通用性强等优点。

Claims (9)

1.一种用于片状弹簧常温及高温应力松弛测试的设备，其特征在于，该设备包括：底座(1)、限制器(2)、上板(3)、压力传感器(4)、压头(5)、前侧板(6)和后侧板(7)；

上板(3)平置于底座(1)的正上方，底座(1)与上板(3)的中心位置垂直对应，上板(3)的中心位置开有中心通孔(32)，在中心通孔(32)左右对称的位置开有左通孔(31)和右通孔(31)，底座(1)上垂直对应上板(3)上左通孔(31)和右通孔(31)的位置开有左沉孔(11)和右沉孔(11)；在底座(1)的左沉孔(11)和上板(3)左通孔(31)之间安装有左限制器(2)，在底座(1)的右沉孔(11)和上板(3)的右通孔(31)之间安装有右限制器(2)；左、右限制器(2)的两端带外螺纹，限制器(2)上端分别通过螺栓固定在上板(3)左通孔(31)或右通孔(31)上，下端分别固定在底座(1)的左沉孔(11)或右沉孔(11)中；压力传感器(4)和压头(5)位于底座(1)和上板(3)之间；压力传感器(4)通过传感器引线(8)与数据显示仪表连接，压力传感器(4)的上端固定在上板(3)的中心通孔(32)上，下端固定有压头(5)；压头(5)与待测片状弹簧接触；前侧板(6)和后侧板(7)分别固定在底座(1)的前侧和后侧，前侧板(6)、后侧板(7)以及底座(1)，三者的下侧面的中心位于同一竖直水平线上；

前侧板(6)的上侧的中心开有沉孔(62)，用于固定待测片状弹簧开孔的一端；后侧板(7)上侧的中间位置开有凹槽(72)，用于放置待测片状弹簧的另一端，所述后侧板(7)的凹槽(72)的底部与前侧板(6)的上侧面处于同一水平面。

2.根据权利要求1所述的一种用于片状弹簧常温及高温应力松弛测试的设备，其特征在于，所述的压力传感器(4)两端带外螺纹，压力传感器(4)的上端穿过上板(3)的中心通孔(32)，并通过螺母固定在上板(3)上，压力传感器(4)下端的头部设置有一端光杆。

3.根据权利要求2所述的一种用于片状弹簧常温及高温应力松弛测试的设备，其特征在于，所述的压头(5)通过内螺纹固定在压力传感器(4)上，对应于压力传感器(4)一端设置的光杆，压头(5)中的内螺纹也存在一段光滑段。

4.根据权利要求1所述的一种用于片状弹簧常温及高温应力松弛测试的设备，其特征在于，所述的底座(1)的前后两侧各开有两个孔(12)，前侧板(6)或后侧板(7)对应底座(1)前侧或后侧所开孔(12)的位置也开有两个通孔(61，71)，通过螺钉将前侧板(6)或后侧板(7)与底座(1)固定一起。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种用于片状弹簧常温及高温应力松弛测试的设备，其特征在于，所述的设备还包括两种垫块I、II和III，三种垫块的形状相同，整体为一矩形，中心位置开有通孔，在中心位置的通孔的圆周方向上还均匀开有四个通孔；垫块I的中心通孔的直径大于限制器(2)上端的直径，设置在限制器(2)上端与上板(3)的相接处，在限制器(2)上端套上相同厚度的垫块I，改变压头(6)给待测片状弹簧所施加的压力；垫块II的中心通孔的直径大于前侧板(6)或后侧板(7)上连接底座(1)处的通孔(61，71)的直径，在前侧板(6)或后侧板(7)连接底座(1)的位置分别垫上相同厚度的垫块II，以适应不同长度的待测片状弹簧；垫块III的中心通孔的直径与前侧板(6)上侧的中心沉孔(62)的直径、待测片状弹簧开孔端所开的孔的直径相同，在安装待测片状弹簧时，将垫块III放置在待测片状弹簧开孔端的上面，通过螺栓将垫块III和待测片状弹簧开孔端固定在前侧板(6)上侧。

6.根据权利要求1所述的一种用于片状弹簧常温及高温应力松弛测试的设备，所述的压力传感器(4)的规格为kzβk-1，输出灵敏度为2.248mV/V，温度范围为0℃～150℃，量程为980N。

7.根据权利要求1所述的一种用于片状弹簧常温及高温应力松弛测试的设备，其特征在于，所述的压头(5)，与待测片状弹簧的中间位置线接触，且压头的宽度大于试样的宽度。

8.根据权利要求1所述的一种用于片状弹簧常温及高温应力松弛测试的设备，其特征在于，所述的前侧板(6)，在其中心沉孔(62)的圆周方向上均匀开有四个沉孔(63)。

9.根据权利要求1所述的一种用于片状弹簧常温及高温应力松弛测试的设备，其特征在于，所述的待测片状弹簧，为等应力片形试样，除试样两个端头受力不均匀外，在标距范围内各截面所受应力相等；试样的宽度至少是厚度的10倍。

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