CN103900916A - 一种拉弯扭多轴加载疲劳试验机 - Google Patents

Abstract

一种拉弯扭多轴加载疲劳试验机，其主要是：设在机架上的步进电机A通过丝杠和空心拉伸轴与卡盘A一侧相连，可检测试件拉伸疲劳；步进电机B与偏心轴相连，偏心轴上设偏心轮、弯曲连杆及弯曲施力机构，其可检测试件弯曲疲劳；偏心轴上还设另一偏心轮和扭转连杆，其通过连接杆、过渡连杆和扭转摇杆与空心扭转轴连接，该空心扭转轴与卡盘B相连，可检测试件扭转疲劳。本发明具有机械结构简单，易于操作，步进电机功率小等优点，可以完成对试件材料从拉伸、弯曲、扭转单一到多轴不同组合加载情况下的疲劳性能的测试。

Description

一种拉弯扭多轴加载疲劳试验机

技术领域

本发明涉及一种机械加工的检测设备，特别是疲劳试验机。

背景技术

疲劳性能是评价材料性能的重要参数。疲劳试验机是检测材料、零部件、结构疲劳性能的重要仪器设备，是材料行业和各级质监部门对材料性能检测最常用的设备之一，其应用领域涉及机械、冶金、航空航天、建筑等各行业。现有的疲劳试验机主要有拉压疲劳试验机、扭转疲劳试验机、旋转弯曲疲劳试验机、平面弯曲疲劳试验机等。目前对于多轴加载情况下的疲劳性能测试，主要采用分别测出材料的拉伸、弯曲、扭转疲劳强度，再运用等强度理论估算出多轴加载作用下的疲劳寿命，这种试验方法不仅精度差、效率低而且无法得到实际工况下的真实数据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能实现拉伸、弯曲、扭转组合加载情况下的多轴加载疲劳试验机。本发明主要是将拉伸组件、弯曲组件和扭转组件有机地结合成一体，既能完成各自的工作又能相互组合。

本发明通过以下技术方案加以实现：

本发明主要是在机架上设步进电机、丝杠、卡盘、偏心轴、偏心轮、拉伸组件、弯曲连杆组件和扭转连杆组件。其中，拉伸组件主要包括：支承座、空心拉伸轴、丝杠和联轴器。固定在机架上的支承座内设两端贯通的空腔，在该支座的空腔内设有空心拉伸轴，两者通过花键连接，使空心拉伸轴既可轴向移动又不能周向转动。空心拉伸轴一端设有圆环形堵板，该堵板的中心螺孔与丝杠啮合，该丝杠设在空心拉伸轴内，并与其同轴，该丝杠一端通过联轴器与步进电机A相连，该空心拉伸轴的另一端与卡盘A非设卡爪一侧相连，该卡盘A另一侧设卡爪，其可夹持试件一端。最好拉伸支撑座与卡盘A之间设限位传感器。试件的的另一端可装夹在卡盘B的夹爪上。该卡盘B的卡爪与卡盘A相对并同轴线。卡盘B非设卡爪一侧与扭转组件的空心扭转轴一端相连，该扭转组件主要包括：空心扭转轴、支承座、扭转摇杆、过渡连杆、连杆、直线导轨、扭转连杆、偏心轴、偏心轮和底座。上述空心扭转轴通过滚动轴承设在支座内两端贯通的腔内可周向转动，该支承座固定在机架上。空心扭转轴上设有螺孔，其与竖直的扭转摇杆下端螺纹连接，该扭转摇杆上端与水平的过渡连杆和竖直的连接杆铰接呈门字形，连接杆的下端与扭转连杆的直杆部分一端铰接，该扭转连杆的直杆部分穿过设在机架上的一个直线导轨，另一端与扭转连杆圆环部分外设凸块上的叉爪铰接，该扭转连杆圆环部分的中心通孔通过滚动轴承套接在偏心轮上，该塔式偏心轮的中心通孔套接在偏心轴上。该偏心轴穿过偏心轮及扭转连杆的一端通过滚动轴承置于固定在机架上的底座内，偏心轴的另一端穿过弯曲连杆、另一偏心轮及底座腔内的滚动轴承，另一端与步进电机B转轴自由端相连，上述底座固定在机架上。上述弯曲连杆组件主要包括：底座、偏心轮、弯曲连杆、直线导轨及弯曲施力机构。该弯曲连杆及与其对应的偏心轮、底座及直线导轨的结构均与扭转连杆所对应的偏心轮、底座及直线导轨的结构相同，该弯曲连杆组件的直杆部分端顶设有夹爪式弯曲施力机构，其可紧固在试件上。

本发明的工作过程简述如下：拉弯扭多轴加载疲劳试验机由机架上的步进电机A提供拉伸载荷动力，驱动滚珠丝杠实现拉伸疲劳检测；步进电机B驱动偏心轴形成一个旋转偏心量，为试件提供弯曲力和扭矩，设在偏心轴上的扭转连杆驱动空心扭转轴及与其相连的卡盘B转动，为试件提供扭矩，实现扭转疲劳检测。设在偏心轴上的弯曲连杆组件的弯曲施力机构紧固在试件上，为试件提供弯矩，实现弯曲疲劳检测。在试件上粘贴电阻应变片传感器，将应变信号传输到动态应变仪和示波器，对拉伸、弯曲和扭转的应变波形实现在线监测。利用计数传感器记录疲劳断裂时试件的寿命，描述出试件材料的S-N曲线，从而为材料多轴疲劳加载下的许用疲劳强度提供基础数据。

本发明具有机械结构简单，易于操作，步进电机功率小等优点，可以完成对试件材料从拉伸、弯曲、扭转单一到多轴不同组合加载情况下的疲劳性能的测试，也可通过偏心量的设定实现弯曲行程0-10毫米，扭转角0-12.5度之间的任意调节，通过步进电机A实现拉伸力从0-10000牛顿之间的任意设定，测试频率范围为1-800次/分钟。

附图说明

图1为本发明立体示意简图。

图2为本发明俯视示意简图。

图3为本发明实施例实验结果拟合的弯曲疲劳正应力与扭转疲劳切应力之间关系曲线图。

图4为本发明实施例理论推导下的弯曲疲劳正应力与扭转疲劳切应力之间关系曲线图。

图中：1步进电机B，2底座，3偏心轴，4偏心轮，5弯曲连杆组件，6扭转连杆组件，7底座，8直线导轨，9连接杆，10支撑座，11摇杆，12空心扭转轴，13过渡连杆，14卡盘B，15试件，16弯曲施力机构，17卡盘A，18空心拉伸轴，19丝杠，20支承座，21步进电机A，22机架。

具体实施方式

在图1和图2所示的一种拉弯扭多轴加载疲劳试验机中，固定在机架上的支承座内设两端贯通的空腔，在该支座的空腔内设有空心拉伸轴，两者通过花键连接。空心拉伸轴一端设有圆环形堵板，该堵板的中心螺孔与丝杠啮合，该丝杠设在空心拉伸轴内，并与其同轴，该丝杠一端通过联轴器与步进电机A相连，该空心拉伸轴的另一端与卡盘A非设卡爪一侧相连，该卡盘A另一侧设卡爪，其夹持试件一端。拉伸支撑座与卡盘A之间设限位传感器。试件的的另一端装夹在卡盘B的夹爪上。该卡盘B的卡爪与卡盘A相对并同轴线。卡盘B非设卡爪一侧与扭转组件的空心扭转轴一端相连，上述空心扭转轴通过滚动轴承设在支座内两端贯通的腔内可周向转动，该支承座固定在机架上。空心扭转轴上设有螺孔，其与竖直的扭转摇杆下端螺纹连接，该扭转摇杆上端与水平的过渡连杆和竖直的连接杆铰接呈门字形，连接杆的下端与扭转连杆的直杆部分一端铰接，该扭转连杆的直杆部分穿过设在机架上的一个直线导轨，另一端与扭转连杆圆环部分外设凸块上的叉爪铰接，该扭转连杆圆环部分的中心通孔通过滚动轴承套接在偏心轮上，该塔式偏心轮的中心通孔套接在偏心轴上。该偏心轴穿过偏心轮及扭转连杆的一端通过滚动轴承置于固定在机架上的底座内，偏心轴的另一端穿过弯曲连杆、另一偏心轮及底座腔内的滚动轴承，另一端与步进电机B转轴自由端相连，上述底座固定在机架上。弯曲连杆及与其对应的偏心轮、底座及直线导轨的结构均与扭转连杆所对应的偏心轮、底座及直线导轨的结构相同，该弯曲连杆组件的直杆部分端顶设有夹爪式弯曲施力机构，其可紧固在试件上。

下面是采用本发明的疲劳试验机检测试件的实施例

以45钢为例，根据实际要求，让卡盘A离开限位传感器1毫米，将试件贴好应变片并安装在卡盘上夹紧，将弯曲施力机构安装在试件中间。利用数控编程，调节两个偏心轮与偏心轴之间的夹角，使其达到扭转角和弯曲幅值的要求，把弯曲与扭转的频率设定好，将计数传感器清零。按下启动按钮设备开始启动运行，同步的弯扭组合对称循环交变应力作用在试件上，通过在试件上粘贴电阻应变片传感器，将应变信号传输到动态应变仪和示波器，对弯曲和扭转的应变波形实现在线监测，将得到的数据经过处理得到弯曲和扭转应力。当试件发生断裂的时候，卡盘接触到限位传感器，系统停止工作，这时计数传感器上显示的数据就是该应力下试件的疲劳寿命。通过实验可以确定材料的弯曲疲劳应力、扭转疲劳应力和疲劳寿命三者之间的S-N曲线，并通过S-N曲线得到弯曲和扭转疲劳极限的关系曲线图，如图3所示。

另采用理论推导，在已知弯曲疲劳正应力和扭转疲劳切应力下得到的二者之间的关系式为

${\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{rb}}}{{\mathrm{\σ}}_{-1}}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{rt}}}{{\mathrm{\τ}}_{-1}}\right)}^2=1$

其中：σ_-1是单一的弯曲对称循环疲劳极限

τ_-1是单一的扭转对称循环疲劳极限。根据上述公式可得到理论推导下的弯曲疲劳正应力与扭转疲劳切应力之间关系曲线图，从图3和图4对比可以看出，该理论推导值与本发明的检验结果值的变化规律相近，更反映出材料在应力变化时的一些真实的细节变化规律。

Claims (2)

1.一种拉弯扭多轴加载疲劳试验机，其特征在于：固定在机架上的支承座内设两端贯通的空腔，在该支座的空腔内设有空心拉伸轴，两者通过花键连接，空心拉伸轴一端设有圆环形堵板，该堵板的中心螺孔与丝杠啮合，该丝杠设在空心拉伸轴内，并与其同轴，该丝杠一端通过联轴器与步进电机A相连，该空心拉伸轴的另一端与卡盘A非设卡爪一侧相连，该卡盘A另一侧设卡爪，其可夹持试件一端，试件的的另一端可装夹在卡盘B的夹爪上，该卡盘B的卡爪与卡盘A相对并同轴线，卡盘B非设卡爪一侧与扭转组件的空心扭转轴一端相连，上述空心扭转轴通过滚动轴承设在支座内两端贯通的腔内，该支承座固定在机架上，空心扭转轴上设有螺孔，其与竖直的扭转摇杆下端螺纹连接，该扭转摇杆上端与水平的过渡连杆和竖直的连接杆铰接呈门字形，连接杆的下端与扭转连杆的直杆部分一端铰接，该扭转连杆的直杆部分穿过设在机架上的一个直线导轨，另一端与扭转连杆圆环部分外设凸块上的叉爪铰接，该扭转连杆圆环部分的中心通孔通过滚动轴承套接在偏心轮上，该塔式偏心轮的中心通孔套接在偏心轴上，该偏心轴穿过偏心轮及扭转连杆的一端通过滚动轴承置于固定在机架上的底座内，偏心轴的另一端穿过弯曲连杆、另一偏心轮及底座腔内的滚动轴承，另一端与步进电机B转轴自由端相连，上述底座固定在机架上，弯曲连杆及与其对应的偏心轮、底座及直线导轨的结构均与扭转连杆所对应的偏心轮、底座及直线导轨的结构相同，该弯曲连杆组件的直杆部分端顶设有夹爪式弯曲施力机构，其可紧固在试件上。

2.根据权利要求1所述的拉弯扭多轴加载疲劳试验机，其特征在于：拉伸支撑座与卡盘A之间设限位传感器。

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