CN103018118A - 一种硬质塑料件的高频扭转疲劳测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硬质塑料件的高频扭转疲劳测试装置及测试方法，包括：固定装置、多组夹具装置单元、传动单元、扭力及环境监测单元、PLC单元、角度及频率控制单元、驱动单元和电源供应单元。将多根硬质塑料件分别夹持于夹具装置单元上；电源供应单元给驱动单元提供电力；驱动单元驱动传动单元沿滑轨作往复运动，带动夹具装置单元上装载的硬质塑料件试样的一端扭转；由扭力及环境监测单元采集硬质塑料件的扭矩以及环境的温度、湿度；PLC单元接收扭力及环境监测单元采集的模拟量信号，并输出疲劳曲线。本发明不仅可以同时高频测试多组试样，还可以将各参数直接通过系统换算成疲劳强度曲线图而显示给使用者，并支持实时打印，提高了测试效率。

Description

一种硬质塑料件的高频扭转疲劳测试方法及装置

技术领域

本发明涉及一种疲劳测试装置，特别是可以同时测试多组试样并且同时输出疲劳曲线的高频测试装置。

背景技术

目前市场上的疲劳测试机主要是针对测试金属材料的，少数专门针对塑料材料的疲劳测试机也只是多功能单样条的。极少有专门针对塑料等材料的单一功能、多样条、只作扭转却又简单实用的测试机。已知的疲劳测试装置通常一种疲劳测试装置一次只能测试一个试样，而且无法直接反映出待测物的疲劳曲线。一般测试一个测试物需要测几个甚至更多才能较准确的反映出其疲劳特性，所以，对一般的疲劳测试机来说，测一个待测物就需要测量多次，非常耗时，效率较低。有的疲劳测试机测完测试物并不可以直接反映出测试物的疲劳曲线，需要测试完的试样再测力学性能来表征，这样不仅耗时费力也不经济。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明的目的是提供一种针对硬质塑料件的疲劳测试方法及装置，以解决上述疲劳测试机的问题，提高测试效率。

本发明提出一种硬质塑料件的高频扭转疲劳测试装置，其特征是，包括：

一固定装置，其上设有滑轨；

多组夹具装置单元，用于装载硬质塑料件试样并调节硬质塑料件初始扭转角度；

驱动单元，

传动单元，由驱动单元驱动在滑轨上作往复运动，并带动夹具装置单元上装载的硬质塑料件试样扭转；

扭力及环境监测单元，采集硬质塑料件的扭矩以及环境的温度、湿度；

PLC单元，与所述扭力及环境监测单元连接，接收扭力及环境监测单元采集的模拟量信号，输出疲劳曲线；

角度及频率控制单元，分别设于夹具装置单元和驱动单元上，用于控制测试角度及工作频率；

电源供应单元，给所述驱动单元提供电力。

固定装置用以固定各个其他单元以及起到承载作用。夹具装置单元设在固定装置上的支架上，包含上夹具和下夹具两个部分，上夹具可以根据测试试样的长短调节高低，下夹具则可以根据需要调节被测物扭转时的初始角度。扭力及环境监测单元连接于上夹具，可以监测出工作过程中的扭力变化以及当时的环境温度、湿度等，根据这些可以发映出试样再测试过程中的疲劳特性。根据各个参数之间的关系通过PLC可以直接输出疲劳曲线。角度和频率控制单元分别可以控制测试过程中的初始角度和驱动单元的工作频率，达到测试中需要的不同效果。驱动单元为测试提供动力，驱动传动单元使下夹具作往复转动达到不停扭转的效果，而电源供应则是这些所有要素可以正常运作的前提条件。

其中，夹具装置单元包含上夹具和下夹具，连接扭力传感器和传动单元。测试时将试样即硬质塑料件夹持在上下夹具之间。上夹具可调节地设置在一支架上，支架固定于固定装置上。下夹具固定于固定装置上，该下夹具中包含一可活动件，该可活动件与传动单元连接，由传动单元驱动进行轴向转动，其转动范围为-60°至60°。下夹具的主要部分是一个轴承，可以调节扭转时的初始角度。

其中，传动单元包含曲杆、与曲杆连接的导杆、滑块、设置于导杆上的多根传动杆，曲杆连接驱动单元，由驱动单元带动曲杆，曲杆推动导杆，导杆推动传动杆达到传动的目的。驱动单元通过此曲杆带动导杆及其上的传动杆沿滑轨作往复运动；传动杆与下夹具中的可活动件连接，由传动杆带动可活动件在一定的角度内作往复性的圆周运动。

其中，扭力及环境监测单元包含扭力传感器和环境监测器，连接于上夹具，扭力传感器可以反应出试样在检测过程由于扭转产生的扭矩，并且监测出工作过程的环境温度、湿度等，由此可以客观的反应出该试样再不同温度、湿度等环境下的疲劳特性。

其中，PLC单元作为数据接收整理再到输出的设备，测试过程中接收扭力传感器和环境监测器以及设定的频率、工作的时间这些数据进行整合，最后直接输出疲劳曲线。

其中，角度及频率控制单元包含多个可调分度盘和一个频率控制器，角度控制单元设于下夹具上，根据需要的实验效果的不同可以调节试样的初始扭转角度，而频率控制器则是连接于驱动单元中变频马达上，可以调节所需的不同工作频率。这样就可以满足不同的实验需要，使得测试不再单一，调节范围为1Hz-3Hz之间。

其中，驱动和电源供应单元包含一个电机，以及一个由电机驱动的凸轮结构，凸轮结构驱动传动单元作往复运动。电机设于固定装置上，为设备提供动力支持，电机带动凸轮结构转动，凸轮结构可以带动曲杆作往复运动。电源供应单元为整个设备提供电源。

其中，本发明的疲劳测试装置的上下夹具还分别包含一个销子，用于试样的固定夹持。

硬质塑料件的高频扭转疲劳测试方法，其特征在于，包含以下步骤：

将多根硬质塑料件分别夹持于夹具装置单元上；

电源供应单元给驱动单元提供电力；

由驱动单元驱动传动单元沿固定装置上的滑轨作往复运动；

由传动单元带动夹具装置单元上装载的硬质塑料件试样的一端扭转；并由设于夹具装置单元和驱动单元上的角度及频率控制单元控制测试角度及工作频率；

由扭力及环境监测单元采集硬质塑料件的扭矩以及环境的温度、湿度；

PLC单元接收扭力及环境监测单元采集的模拟量信号，并输出硬质塑料件的疲劳曲线。

所述夹具装置单元包含上夹具和下夹具；

所述上夹具固定地夹持硬质塑料件的一端；

所述下夹具可转动的夹持硬质塑料件的另一端，该下夹具中包含一可活动件，该可活动件与传动单元连接，由所述传动单元驱动进行轴向转动，其转动范围为-60°至60°。

承上所述，本发明的高频扭转疲劳测试装置，具有以下优点：

（1）此高频疲劳扭转测试装置可以根据测试需要设定不同的测试频率，满足不同的条件。

（2）此高频疲劳测试装置可以一次测多组试样，由于疲劳测试都非常耗时，一次测多组试样可以大大地提高测试效率。

（3）此高频疲劳测试装置只作扭转疲劳，并且每根样条都有扭矩记录，简单实用，还可以通过改变环境温度、湿度，达到不同的测试要求。

附图说明

图1为本发明的高频扭转疲劳测试装置的示意图；

图2为本发明的高频扭转疲劳测试装置的导杆与下夹具局部示意图；

图3为本发明的高频扭转疲劳测试装置的变频马达与曲杆局部示意图；

图4为实施例1测试的疲劳曲线图；

图5为实施例2测试的疲劳曲线图；

图中，

1：平面固定装置              11：支架                       2：可调连接杆     

21：上夹具                     22：试验试样                 23：下夹具        

24：轴承                        3：曲杆                         31：导杆          

32：传动杆                     33：滑轨                       34：滑块          

35：销子                        4：扭力及环境监测单元    5：PLC单元          

6：角度及频率控制单元    61：可调分度盘               7：变频马达      

71：凸轮                        72：电源供应单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

请参阅图1，本发明的高频扭转疲劳测试装置的整体结构示意图，高频扭转疲劳测试装置包含一个平面固定装置1、多组夹具装置单元、多组传动单元、扭力及环境监测单元4、PLC单元5、角度及频率控制单元6、驱动单元和电源供应单元72。

多组夹具装置单元、多组传动单元都设于平面固定装置1上。平面固定装置1上设置有滑轨33。平面固定装置上还连接有一支架11。

夹具装置单元包含上夹具21、下夹具23、可调连接杆2。试验试样22夹持于上夹具21与下夹具23之间，下夹具23内包含一可以转动的活动件，底端固定于平面固定装置1上，活动件连接传动单元，由传动单元驱动在一定角度内作往复转动，转动范围为-60°至60°；上夹具21固定在支架11上不动。当传动杆32推动下夹具23转动时，试验试样22产生扭转变形，如此往复可以测得试样的疲劳特性。可调连接杆2可以根据试验试样22的长短进行上下调节。较佳地方式是，下夹具23中的活动件采用轴承24，由轴承24夹持试验试样22实现转动。

驱动单元包括变频马达7与凸轮71。角度及频率控制单元6中包含一频率控制器和一可调分度盘61。通过频率控制器可以调节变频马达7的工作频率。本发明装置的工作频率范围为1-30Hz。

传动单元包含曲杆3、导杆31、滑块34、传动杆32，曲杆3连接驱动单元，被转动的凸轮71驱动，而与曲杆3连接的导杆31两端设有滑块34，滑块34可以沿滑轨33自由滑动。导杆31上设置多根传动杆32，每根传动杆32连接一下夹具23。由驱动单元驱动曲杆3运动，曲杆3运动时带动导杆31在滑轨33上滑动，导杆31运动时推动传动杆32作往复运动。传动杆32连接着下夹具23，使下夹具23在一定角度内作往复转动。

请参阅图2所示，变频马达7与凸轮71连接，变频马达7工作时带动凸轮71转动，由凸轮71驱动曲杆3，使得曲杆3作往复运动，即整个传动单元开始运动。

请参阅图3所示，图中为下夹具23与传动单元的连接部分。下夹具23中的轴承24外围设置可调分度盘61，测试时根据需要可以调节扭转的初始角度。传动杆32通过一个销子35与轴承24相连，传动杆32的往复运动可以带动轴承24在一定角度内作往复转动。

扭力及环境监测单元4、PLC单元5连接于可调连接杆2上。

扭力及环境监测单元4包含扭力传感器和环境监测器。工作过程中，试样扭转变形的特征可以通过扭力传感器接收到的静态扭力的变化来表征；环境监测器可以即时反应出当时的环境变化，如温度、湿度等，能反映出这些条件的变化对试样实验结果的分析有很大帮助。

PLC单元5作为数据接收整理再到输出的设备，测试过程中接收扭力传感器、环境监测器、设定的频率、工作的时间等数据并进行整合，最后直接输出疲劳曲线。

电源供应单元72为其他各个单元提供工作电源。

实例1：

以下是具体的实例：

将4根材料为丙纶的80×10×4mm的标准样条置于上夹具21与下夹具23之间，调节测试的温度和湿度，使其达到标准状态，打开装置电源开关，设置工作频率为3Hz，疲劳时间设置为48h。获得疲劳特性曲线图如图4所示，纵坐标为样条内应力,横坐标为疲劳次数。图中A、B、C、D点分别为0、1000、10000、200000次。

下表为样条疲劳前后的拉伸强度（表中，A代表疲劳前，B代表疲劳后）：

表1

样品	拉伸强度 （MPa）	样品	拉伸强度（MPa）
				A1	31.82	B1	26.37
A2	32.35	B2	27.03
				A3	31.46	B3	26.52
A4	32.21	B4	26.74

实例2：

将实施例1中的样条规格换成125×13×13mm的标准样条，按照与实施例1中同样的操作方法，获得疲劳曲线如图5所示，纵坐标为样条内应力,横坐标为疲劳次数。图中A、B、C、D点分别为0、1000、10000、200000次。

下表为样条疲劳前后的拉伸强度（表中，A代表疲劳前，B代表疲劳后）：

表2

样品	拉伸强度 （MPa）	样品	拉伸强度（MPa）
				A1	79.22	B1	63.85
A2	80.07	B2	63.67
				A3	78.48	B3	64.44
A4	81.23	B4	65.19

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种硬质塑料件的高频扭转疲劳测试装置，其特征是，包括：

一固定装置，其上设有滑轨；

多组夹具装置单元，用于装载硬质塑料件试样并调节硬质塑料件初始扭转角度；

驱动单元，

传动单元，由驱动单元驱动在滑轨上作往复运动，并带动夹具装置单元上装载的硬质塑料件试样扭转；

扭力及环境监测单元，采集硬质塑料件的扭矩以及环境的温度、湿度；

PLC单元，与所述扭力及环境监测单元连接，接收扭力及环境监测单元采集的模拟量信号，输出疲劳曲线；

角度及频率控制单元，分别设于夹具装置单元和驱动单元上，用于控制测试角度及工作频率；

电源供应单元，给所述驱动单元提供电力。

2.如权利要求1项所述的高频扭转疲劳测试装置，其特征在于，所述夹具装置单元包含可夹持硬质塑料件的上夹具和下夹具。

3.如权利要求2项所述的高频扭转疲劳测试装置，其特征在于，

所述上夹具可调节地设置在一支架上，所述支架固定于所述固定装置上；

所述下夹具固定于所述固定装置上，该下夹具中包含一可活动件，该可活动件与传动单元连接，由所述传动单元驱动进行轴向转动，其转动范围为-60°至60°。

4.如权利要求2或3项所述的高频扭转疲劳测试装置，其特征在于，所述扭力及环境监测单元包含扭力传感器和环境监测器。

5.如权利要求4项所述的高频扭转疲劳测试装置，其特征在于，所述扭力传感器设置于下夹持具上，测试工作过程中的扭矩变化。

6.如权利要求3项所述的高频扭转疲劳测试装置，其特征在于，所述的传动单元包含曲杆、与所述曲杆连接的导杆、设置于所述导杆上的多根传动杆；

所述曲杆连接驱动单元，驱动单元通过此曲杆带动导杆及其上的传动杆沿所述滑轨作往复运动；所述传动杆与下夹具中的可活动件连接，由传动杆带动可活动件在一定的角度内作往复性的圆周运动。

7.如权利要求2或3项所述的高频扭转疲劳测试装置，其特征在于，所述的驱动单元包含：

一个电机，以及一个由所述电机驱动的凸轮结构，所述凸轮结构驱动传动单元作往复运动。

8. 如权利要求7项所述的高频扭转疲劳测试装置，其特征在于，所述的角度与频率控制单元包含：

多个置于所述下夹具上的可调分度盘，用于调节疲劳测试装置工作时的初始角度；以及一个与所述驱动单元连接、可以调节驱动单元运动频率的频率控制器。

9. 基于权利要求1的硬质塑料件的高频扭转疲劳测试方法，其特征在于，包含以下步骤：

将多根硬质塑料件分别夹持于夹具装置单元上；

电源供应单元给驱动单元提供电力；

由驱动单元驱动传动单元沿固定装置上的滑轨作往复运动；

由传动单元带动夹具装置单元上装载的硬质塑料件试样的一端扭转；并由设于夹具装置单元和驱动单元上的角度及频率控制单元控制测试角度及工作频率；

由扭力及环境监测单元采集硬质塑料件的扭矩以及环境的温度、湿度；

PLC单元接收扭力及环境监测单元采集的模拟量信号，并输出硬质塑料件的疲劳曲线。

10. 如权利要求9所述的硬质塑料件的高频扭转疲劳测试方法，其特征在于，所述夹具装置单元包含上夹具和下夹具；

所述上夹具固定地夹持硬质塑料件的一端；

所述下夹具可转动的夹持硬质塑料件的另一端，该下夹具中包含一可活动件，该可活动件与传动单元连接，由所述传动单元驱动进行轴向转动，其转动范围为-60°至60°。

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