CN103293058B - 一种裂纹监测装置 - Google Patents

Abstract

一种裂纹监测装置及监测方法。测量机构中的滑动标尺通过一对滑块安装在支架的两个导杆上，测量机构中的数字显微镜固定在所述滑动标尺上。在该滑动标尺表面粘贴有介面电路，用于配合电子读数模块进行位移显示。本发明实现了对斜裂纹的监测，并提高了监测精度，具有结构简单、使用方便的特点。

Description

一种裂纹监测装置

技术领域

本发明涉及一种裂纹监测装置，特别是一种安装于疲劳试验机上夹头，可以调整数字显微镜在X、Y、Z三个方向位移的，能够使数字显微镜沿裂纹方向移动并将位移数值通过数字屏幕精确显示的裂纹监测装置。 

背景技术

结构的疲劳裂纹扩展试验作为一种试验方法，在新材料、新工艺的研究与验证阶段，在结构的安全性、经济性设计过程中等多个领域得到了广泛的应用。在试验过程中，需要每隔一定的试验周期进行裂纹长度的测量。目前，测量裂纹长度的方法主要有以下几种：1、直读法，2、柔度法，3、涡流检测法，4、疲劳勾线法。 

目前疲劳试验机自带的测量方式主要是柔度法，它是在试件上安装引伸计，通过测量相关参数，利用公式计算得到裂纹长度。但是此种方法存在诸多不足，首先，此方法为间接测量，测量结果与试验真实结果之间存在误差，测量数据往往在业界受到怀疑；其次，当试件结构复杂，存在多条裂纹同时扩展时，此方法不可用；再次，当试件较大，无法安装引伸计时，此方法亦不可用。 

涡流检测法是通过涡流检测设备根据疲劳裂纹尖端的涡流信号检测得出，此方法存在的问题是：1、涡流检测设备昂贵；2、涡流检测精度有待提高；3、存在多条裂纹同时扩展时，需多台检测设备或根本不可检。 

疲劳勾线法是在试验过程中，通过修改疲劳载荷谱以在疲劳断口上留下疲劳勾线，继而通过试件断口判读得到裂纹扩展数据的方法。此方法是一种破损检测方法，同时，载荷谱的修改对整个试验研究有不利影响。 

直读法是疲劳试验中广泛使用的方法。现有的直读法主要使用读数显微镜实施，首先，疲劳试验机一般不提供放置读数显微镜的平台，需要使用者自行设计制造；其次，进行疲劳裂纹测量时，试验人员必须贴近显微镜目镜进行观察，一般要对读数显微镜上的游标或测微鼓轮进行两次读数，将其相减得到裂纹长度，测量方法繁琐且不便；此外，现有的测量方法无法保证显微镜物镜与试验件表面完全垂直，这样在测量过程中不可避免地要引入误差。 

在公开号为CN201615857U的实用新型专利中公开了一种带读数显微镜的疲劳 试验机，该试验机将裂纹监测装置固定于试验机立柱上，通过移动四边形支架调整读数显微镜位置，从而进行裂纹监测。对于这种疲劳试验机上的裂纹监测装置存在以下不足：1、使用读数显微镜进行裂纹监测，测量方法繁琐且不便；2、当试验机夹头扭转一定角度使用时，显微镜运动轨迹无法与试验件观测平面保持平行，无法进行裂纹的监测。 

发明内容

为克服现有技术中存在的测量结果与试验真实结果之间存在误差、不适于存在多条裂纹同时扩展时的测量，以及测量方法繁琐且不便的不足，本发明提出了一种裂纹监测装置及监测方法。 

本发明包括支架和测量机构。测量机构中的滑动标尺通过一对滑块安装在支架的两个导杆上，测量机构中的数字显微镜固定在所述滑动标尺上。在该滑动标尺表面粘贴有介面电路，用于配合电子读数模块进行位移显示。 

所述支架包括固定半环、拉紧半环和两个导杆。固定半环的一侧表面有疲劳试验机上夹头的半径相同半圆形凹槽。拉紧半环的半径与疲劳试验机上夹头的半径相同。在所述拉紧半环半圆环的两端分别有连接片，通过该连接片，将所述拉紧半环固定在固定半环的侧边上，使固定半环与拉紧半环组合成为完整的圆形夹圈。 

所述的测量机构包括滑动标尺、两个滑块、标尺支撑块、标尺导引块和数字显微镜。两个滑块分别套装在两个导杆上；数字显微镜通过显微镜支架固定在所述滑动标尺的中部。滑动标尺的两端分别安装在标尺支撑块和标尺导引块内，并通过标尺导引块的齿轮带动滑动标尺水平移动。滑动标尺为齿条状，其侧边有齿，该滑动标尺的表面有刻度。在滑动标尺的中部固定有调节杆支撑块。 

所述固定半环上的半圆形凹槽槽口两侧分别有一个固定拉紧半环的螺纹孔，并且该螺纹孔的中心线垂直于固定半环的侧表面。 

两个导杆分别安装在所述固定半环上的导杆安装通孔内。两个导杆的外径与滑块上的导杆安装通孔的内径相同，并使所述两个导杆与滑块之间滑动配合。两个导杆的表面有表示滑块高度的刻度。 

所述标尺支撑块固定在一个滑块上。在该标尺支撑块内部有水平的标尺的移动槽，标尺与所述的标尺移动槽之间滑动配合。所述标尺导引块固定在另一个滑块上。标尺导引块内部亦有标尺的移动槽。在标尺导引块内部有齿轮，并且该齿轮与滑动标尺啮 合。所述齿轮的齿轮轴的一端延伸至标尺导引块的外表面，并在所述齿轮轴的轴端安装有旋钮。 

所述支撑块有调节杆安装孔，该调节杆安装孔的中心线垂直于滑动标尺的表面。调节杆安装在所述调节杆安装孔内，一端穿过位于滑动标尺上的调节杆过孔，从所述标尺的外表面延伸至该标尺的内表面。显微镜支架固定在所述调节杆位于标尺内表面的一端。调节杆支撑块上有定位螺栓孔，该定位螺栓孔的中心线垂直并过调节杆安装孔的中心线。 

本发明中，首先在装置的安装固定中解决了安装在疲劳试验机现有部件之上且避免机器的震动影响的问题。现有技术中，疲劳试验机用于夹持试验件的夹头一般为圆柱形，采用上夹头固定、下夹头加载的形式，且上夹头均有用于安装吊环的前后两个螺栓孔。因此，试验机上夹头是一个震动影响较小且能提供安装位置的部件，本发明使用螺栓将前后两个夹圈固定于试验机上夹头上，作为整个裂纹监测装置的基础支撑部件。 

其次，为观察用的显微镜提供X、Y、Z三个方向的位移。本发明设计了两个固定在夹圈上的立柱，立柱上分别连接有能上下调节的滑块；标尺支撑块和标尺导引块连接在两滑块上，标尺支撑块和标尺导引块之间通过滑动标尺连接，滑动标尺可以左右滑动；滑动标尺上设有导杆槽，导杆槽中装有可前后移动的导杆，由导杆提供显微镜的支持。上述部件中，滑块的上下移动提供了Z方向的位移，滑动标尺的左右移动提供了X方向的位移，导杆的前后移动提供了Y方向的位移。 

第三，在很多的试验件构型下裂纹的扩展方向并不是水平的。为实现对斜裂纹的监测，本发明将标尺支撑块和标尺导引块通过螺栓连接在滑块上，标尺支撑块和标尺导引块可与滑块相对转动。滑块连接立柱，主要控制Z方向的位移；标尺支撑块和标尺导引块之间连接滑动标尺，主要控制滑动标尺的运动方向。使用时，根据需要的滑动标尺偏转角度将两滑块设置成不同的高度，滑动标尺的约束作用即可使标尺支撑块和标尺导引块相对于滑块偏转，从而使滑动标尺倾斜，使显微镜可沿斜裂纹的扩展方向移动。 

最后，为提供方便、准确的读数，本发明在导杆上安装的显微镜为数字显微镜，将观察的图像通过数据线实时传输到计算机屏幕上；2、滑动标尺上粘贴有介面电路， 标尺导引块上内嵌有相应的电子装置，可以在任意位置定义零点，导尺的相对位移能通过数字显示屏精确显示。 

本发明具有的有益效果为： 

（1）整套裂纹监测装置通过两个夹圈以及相应的螺栓安装于疲劳试验机上，拆卸方便，且不改变疲劳试验机的结构，不影响试验机的正常使用； 

（2）整个裂纹监测装置固定于疲劳试验机上夹头，上夹头相对于地面固定，既省去了设计放置显微镜的工作平台，又能避免试验机震动对试验监测的影响； 

（3）当监测装置安装于上夹头上，两者即连为一体，即使试验机夹头扭转一定的角度使用，也可以保证显微镜与试验件的相对位置保持不变，保证了显微镜的运动轨迹与试验件表面的平行关系，更有益于监测精度的提高； 

（4）标尺支撑块和标尺导引块可相对于滑块转动，根据需要把两滑块高度设置成不同时，可以使滑动标尺的滑动方向倾斜需要的角度，从而实现斜裂纹的监测； 

（5）观测显微镜使用数字显微镜，观测的影像可以实时地传输到计算机屏幕，从而实现了实时监控，操作人员无需贴近显微镜目镜观察，减轻了工作负担； 

（6）通过电子读数装置，能在任意位置上定义零点，并能通过数字显示屏精确显示出滑动标尺的位移，避免了需两次读数相减才能得出位移长度，提高了读数效率。 

附图说明

图1为疲劳试验机裂纹监测装置与疲劳试验机配合示意图。 

图2为疲劳试验机裂纹监测装置的结构示意图。 

图3为标尺导引块的局部结构剖面图图。 

图4为进行斜裂纹监测时的实施方案示意图。图中： 

1.试验机立柱；2.试验机上梁；3.试验机上夹头；4.固定半环；5.拉紧半环；6.导杆；7.紧固螺帽；8.滑块旋紧螺丝；9.紧固螺栓；10.显微镜支架；11.调节杆；12.滑块；13.滑块固定螺栓；14.旋钮；15.标尺导引块；16.电子读数模块；17.电池仓；18.电子模块开关；19.清零按钮；20.数字显示屏；21.螺栓卡槽；22.齿轮；23.齿轮轴；24.滑动标尺；25.固紧螺丝；26.调节杆支撑块；27.标尺支撑块。 

具体实施方式

实施例1 

如图1所示，本实施例是一种裂纹监测装置，包括支架和测量机构。测量机构的标尺通过一对滑块12安装在支架的两个导杆6上，数字显微镜固定在所述标尺上，并随着标尺的移动而移动。 

所述支架包括固定半环4、拉紧半环5和两个导杆6。固定半环4为矩形板状，该固定半环4的一侧为半圆形凹槽，该凹槽的半径与疲劳试验机上夹头的半径相同；所述固定半环4的另一侧的两个角上分别有导杆6的安装通孔。所述固定半环上的半圆形凹槽槽口两侧分别有一个固定拉紧半环5的螺纹孔，并且该螺纹孔的中心线垂直于固定半环4的侧表面。 

拉紧半环5为半圆环带状，用铝合金或钢制成，本实施例中，所述拉紧半环5用铝合金制成。拉紧半环5的半径与疲劳试验机上夹头的半径相同。在所述拉紧半环5半圆环的两端分别有连接片，通过该连接片，将所述拉紧半环5固定在固定半环的侧边上，使固定半环4与拉紧半环5组合成为完整的圆形夹圈。所述组合后的完整夹圈的内径与疲劳试验机上夹头的外径相同。 

在所述组合后的完整夹圈上分布有紧固螺栓9，通过所述紧固螺栓9将完整夹圈与疲劳试验机上夹头之间固紧。 

两个导杆6分别安装在所述固定半环4上的导杆安装通孔内，并通过紧固螺帽7固紧。两个导杆6的外径与滑块12上的导杆安装通孔的内径相同，并使所述两个导杆与滑块之间滑动配合。两个导杆6的表面设有刻度，通过该刻度，便于控制安装在该导杆上的滑块12的高度。 

拉紧半环5的圆弧长度均略小于被夹紧的上夹头的半圆周长度。在进行安装时，首先拧紧紧固螺栓9，将固定半环4和拉紧半环5固定于试验机上夹头上。拧紧位于拉紧半环5和固定半环4连接处的螺栓，将拉紧半环5固紧在固定半环4上。在螺栓的固定与摩擦力作用下，固定半环4和拉紧半环5与上夹头3连为一体。 

所述的测量机构包括滑动标尺24、两个滑块12、标尺支撑块27、标尺导引块15和数字显微镜。两个滑块12分别套装在两个导杆上，并通过滑块旋紧螺丝8将所述的两个滑块12分别与导杆固紧，以限制两个滑块在各导杆上的高度。数字显微镜通过显微镜支架10固定在所述滑动标尺24的中部，使该数字显微镜能够随标尺移动。滑动标尺24的两端分别安装在标尺支撑块27和标尺导引块15内，并通过标尺导引块15的齿轮带动滑动标尺24水平移动。 

滑动标尺24为齿条，其侧边有齿，该滑动标尺的表面有刻度。在该滑动标尺24的外表面粘贴有介面电路，用于配合电子读数模块16进行位移显示。 

标尺支撑块27通过滑块固定螺栓固定在一个滑块上。所述标尺支撑块27为块状。在该标尺支撑块内部有水平方向贯通的矩形槽，为标尺的移动槽。标尺与所述的标尺移动槽之间滑动配合，通过所述标尺支撑块27限定滑动标尺24的水平位置。 

标尺导引块15通过滑块固定螺栓固定在另一个滑块上。所述标尺导引块15亦为块状。标尺导引块15内部亦有水平方向贯通的矩形槽，为标尺的移动槽。在标尺导引块15内部安装有齿轮22，并且该齿轮22与滑动标尺24啮合。所述齿轮的齿轮轴23的一端延伸至标尺导引块15的外表面，并在所述齿轮轴23的轴端安装有旋钮14。当旋转所述旋钮时，带动齿轮旋转，进而带动与齿轮啮合的标尺水平移动。在所述标尺导引块15上内嵌有电子读数模块16，并且所述电子读数模块16的位置与位于所述标尺移动块内部的滑动标尺24相对应。 

在滑动标尺24的中部固定有调节杆支撑块26。该支撑块有调节杆安装孔，该调节杆安装孔的中心线垂直于滑动标尺24的表面。调节杆11安装在所述调节杆安装孔内，一端穿过位于滑动标尺24上的调节杆过孔，从所述标尺的外表面延伸至该标尺的内表面。调节杆11与调节杆安装孔之间滑动配合。显微镜支架10固定在所述调节杆11位于标尺内表面的一端，用于安放数字显微镜。调节杆支撑块26上有定位螺栓孔，该定位螺栓孔的中心线垂直并过调节杆安装孔的中心线，通过安装在所述定位螺栓安装孔内的螺栓，实现调节杆11的定位。 

使用时，通过调节杆11调节数字显微镜的焦距，并通过定位螺栓固定。 

如图1所示，疲劳试验机的上梁2通过立柱1支撑，上夹头3固定在上梁2上。在进行裂纹扩展试验时，固定半环4和拉紧半环5分别通过紧固螺栓9固定在上夹头3圆周上的螺栓孔上。通过调节每根导杆6上滑块的高度，从而实现显微镜沿导杆轴向的位置。 

两个滑块12的一侧均设有旋紧螺丝8，当滑块到达设定高度时，拧紧旋紧螺丝8，使螺丝头部顶紧于立柱6上，将滑块位置锁死。标尺支撑块27通过滑块固定螺栓与一个滑块连接，并以该滑块固定螺栓为轴，相对于滑块12转动。同样，标尺导引块15亦通过滑块固定螺栓与另一个滑块12连接，并以该滑块固定螺栓为轴，相对于滑块12转动。 

本实施例中所述滑块固定螺栓13的头部形状为长条形，目的是增大对标尺支撑块27和标尺导引块15的约束力，使其与滑块12贴紧。 

标尺支撑块27内部与标尺导引块15内部均设有滑轨槽，滑动标尺24能在所述标尺支撑块27和标尺导引块15的滑轨槽内滑动。当标尺支撑块27与标尺导引块15高度不同时，由于滑动标尺的约束作用，上述标尺支撑块与标尺导引块的倾斜角度是一致的。 

滑动标尺24的外表面粘贴有介面电路，用于配合电子读数模块16进行位移显示；滑动标尺24的上侧为齿轮槽结构，配合旋钮14进行滑动标尺的位移调节。滑动标尺24中部设置有调节杆支撑块26，在调节杆支撑块26上开有前后方向的圆孔。调节杆11为一圆杆，圆杆直径比调节杆支撑块26上的圆孔孔径略小，能在圆孔内前后滑动，控制显微镜在前后方向的位移，由固紧螺丝25控制调节杆的锁死。显微镜支架10与调节杆11是一个整体，显微镜支架10为U形结构，用于固定数字显微镜。 

图3为标尺导引块15的局部结构剖面图。螺栓卡槽21可以卡住螺栓13，防止螺栓13与标尺导引块15相对转动。旋钮14控制齿轮轴23的转动，进而控制齿轮22的转动，齿轮22与滑动标尺24上侧的齿轮槽配合，控制滑动标尺的左右滑动，从而控制显微镜在左右方向的位移。电子读数模块16装嵌于标尺导引块15内，主要包括电池仓17，电子模块开关18，清零按钮19和数字显示屏20，电子读数模块16与滑动标尺24外表面上的介面电路相配合，就可以显示出滑动标尺的滑动位移。所述电子读数模块16采用现有技术。 

实施例2 

本实施例是利用上述裂纹监测装置进行等幅载荷谱下铝合金中心孔试验件水平裂纹扩展全过程监测的方法，具体过程是： 

步骤1，安装裂纹监测装置 

使用紧固螺栓9将固定半环4和拉紧半环5分别固定于疲劳试验机上夹头3上，使用螺栓将拉紧半环5和固定半环4相连，使裂纹监测装置与疲劳试验机上夹头3约束在一起；将数字显微镜安装于显微镜支架10上，并将数字显微镜与电脑连接。 

步骤2，调试裂纹监测装置 

调节滑块12的高度以及滑动标尺的位移，使数字显微镜对准监测部位，根据导杆6上的刻度尺，保证两个滑块12的高度一致，使滑动标尺能够水平移动。拧紧两个滑块的旋紧螺丝8，将两个滑块的高度固定。拧紧滑块固定螺栓13的螺母，使标尺支撑块27和标尺导引块15与滑块固连，增大整体刚度。调整调节杆11的前后位置并拧紧固紧螺丝25，调节数字显微镜的焦距，使试件表面的图像在计算机显示器上清晰的显示出来。 

步骤3，试件加载与裂纹监测 

采用常规的疲劳试验方法对试件进行等幅谱加载。当在显示器上观察到裂纹萌生时，停止加载，记录自加载开始到停止时的等幅谱载荷循环周期数，并进行第一次裂纹长度测量。在进行第一次裂纹长度测量时：在显示器任意位置确定一条垂直的参考线；调节旋钮14，调整显微镜的水平位移，使所述参考线对准裂纹起始位置，按动清零按钮19；调节旋钮14，使上述参考线对准裂纹尖端位置，此时，数字显示屏20所显示的数值即为当前裂纹长度，对其进行记录。 

测量结束后，继续进行疲劳加载，裂纹随之扩展。在第一次测量裂纹长度的等幅谱载荷循环周期数的基础上，增加500个等幅谱载荷循环周期时，停止加载，记录此时的载荷循环数，并进行第二次裂纹长度测量。所述第二次裂纹长度测量的过程与第一次裂纹长度测量的过程相同。 

二次裂纹长度测量结束后，继续进行疲劳加载，裂纹随之扩展。在第二次测量裂纹长度的等幅谱载荷循环周期数的基础上，增加500个等幅谱载荷循环周期时，停止加载，记录此时的载荷循环数，并进行第三次裂纹长度测量。所述第三次裂纹长度测量的过程与第一次裂纹长度测量的过程相同。 

依次类推，每增加500个等幅谱载荷循环周期，即停止加载，记录此时的载荷循环数，并进行下一次裂纹长度的测量。 

重复所述疲劳加载－停止加载－记录此时的载荷循环数－裂纹长度测量的过程，直至试件断裂，整个裂纹监测过程结束，得到裂纹长度随载荷周期的变化规律。 

实施例3 

本实施例是利用上述裂纹监测装置进行斜裂纹监测的方法，具体过程是： 

步骤1，安装裂纹监测装置 

使用紧固螺栓9将固定半环4和拉紧半环5分别固定于疲劳试验机上夹头3上，使用螺栓将拉紧半环5和固定半环4相连，使裂纹监测装置与疲劳试验机上夹头3约束在一起；将数字显微镜安装于显微镜支架10上，并将数字显微镜与电脑连接。 

步骤2，调试裂纹监测装置 

本实施例中，调试裂纹监测装置的方法与实施例1中的调试方法相同，但由于本实施例是斜裂纹的监测，故两个滑块12的高度之间有高度差。所述高度差的确定过程是：按常规方法确定斜裂纹倾斜角α，所述的斜裂纹倾斜角α为斜裂纹扩展方向与水平方向的夹角。两个滑块固定螺栓13轴线之间的水平距离为L，两个滑块的高度差H为L×cotα。当两个滑块的高度差H确定后，通过调节标尺支撑块27和标尺导引块15，调节两个滑块12的高度以及滑动标尺的水平位移，使数字显微镜对准试件的最大应力集中处，同时保证两个滑块12的高度差为H。拧紧滑块固定螺栓13的螺母，增大滑块刚度，此时，滑动标尺即可按裂纹扩展方向移动，数字显微镜即可对整个斜裂纹扩展过程进行监测。 

步骤3，试件加载与裂纹监测 

所述试件加载与裂纹监测的过程与实施例1中的试件加载与裂纹监测过程相同。数字显示屏20所示的数值为滑动标尺沿导轨槽的位移值，即裂纹长度。 

Claims (6)

1.一种裂纹监测装置，其特征在于，包括支架和测量机构；测量机构中的滑动标尺通过一对滑块安装在支架的两个导杆上，测量机构中的数字显微镜固定在所述滑动标尺上；在该滑动标尺表面粘贴有介面电路，用于配合电子读数模块进行位移显示；所述支架包括固定半环、拉紧半环和两个导杆；固定半环的一侧表面有与疲劳试验机上夹头的半径相同的半圆形凹槽；拉紧半环的半径与疲劳试验机上夹头的半径相同；在所述拉紧半环半圆环的两端分别有连接片，通过该连接片，将所述拉紧半环固定在固定半环的侧边上，使固定半环与拉紧半环组合成为完整的圆形夹圈。

2.如权利要求1所述一种裂纹监测装置，其特征在于，所述的测量机构包括滑动标尺、两个滑块、标尺支撑块、标尺导引块和数字显微镜；两个滑块分别套装在两个导杆上；数字显微镜通过显微镜支架固定在所述滑动标尺的中部；滑动标尺的两端分别安装在标尺支撑块和标尺导引块内，并通过标尺导引块的齿轮带动滑动标尺水平移动；滑动标尺为齿条状，其侧边有齿，该滑动标尺的表面有刻度；在滑动标尺的中部固定有调节杆支撑块。

3.如权利要求1所述一种裂纹监测装置，其特征在于，所述固定半环上的半圆形凹槽槽口两侧分别有一个固定拉紧半环的螺纹孔，并且该螺纹孔的中心线垂直于固定半环的侧表面。

4.如权利要求1所述一种裂纹监测装置，其特征在于，两个导杆分别安装在所述固定半环上的导杆安装通孔内；两个导杆的外径与滑块上的导杆安装通孔的内径相同，并使所述两个导杆与滑块之间滑动配合；两个导杆的表面有表示滑块高度的刻度。

5.如权利要求2所述一种裂纹监测装置，其特征在于，所述标尺支撑块固定在一个滑块上；在该标尺支撑块内部有水平的标尺的移动槽，标尺与所述的标尺移动槽之间滑动配合；所述标尺导引块固定在另一个滑块上；标尺导引块内部亦有标尺的移动槽；在标尺导引块内部有齿轮，并且该齿轮与滑动标尺啮合；所述齿轮的齿轮轴的一端延伸至标尺导引块的外表面，并在所述齿轮轴的轴端安装有旋钮。

6.如权利要求2所述一种裂纹监测装置，其特征在于，所述支撑块有调节杆安装孔，该调节杆安装孔的中心线垂直于滑动标尺的表面；调节杆安装在所述调节杆安装孔内，一端穿过位于滑动标尺上的调节杆过孔，从所述标尺的外表面延伸至该标尺的内表面；显微镜支架固定在所述调节杆位于标尺内表面的一端；调节杆支撑块上有定位螺栓孔，该定位螺栓孔的中心线垂直并过调节杆安装孔的中心线。