CN103983520A - 一种单电机多通插销试验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单电机多通插销试验机，包括驱动电机和多个加载单元，多个加载单元连接在电机的转动轴上，多个加载单元之间通过联轴器连接，其中加载单元包括轴、安装在轴上的自动夹紧机构、大皮带轮和安装在轴上的加载机构，其中自动夹紧机构和大皮带轮通过皮带传动，大皮带轮安装在加载机构上。本发明利用自动夹紧机构实现了一台电机驱动多个加载机构，可以根据需要增加、减少加载机构数量，效率高、成本低、操作方便、减小装置的重量和体积。

Description

一种单电机多通插销试验机

技术领域

本发明属于插销试验机领域，特别涉及一种插销试验机。

背景技术

插销试验主要用于定量地研究焊接冷裂纹的敏感性，也可用于研究再热裂纹和层状撕裂等。插销试验机就是用来进行插销实验的设备，一般的插销试验机由一台控制系统和一台加载机构成。实验过程分为加载和保载两个阶段，加载过程通常可在数分钟内完成，而保载过程需等到试件断裂为止，具体时间从半小时左右至二十几小时不等，存在一定程度的不确定性。实际研究中，为了评价焊接冷裂纹的敏感性，通常需要做多次试验，一般的插销试验机就显得耗时耗力、效率低。

为了提高插销试验机的效率，哈尔滨焊接研究所研制出了HCL-2型多头插销试验机。杨文佩、杨书田等人重新设计了插销试验机的主机部分和加载装置，采用一台控制系统控制五台加载机构，每台加载机构对应一台电机，五头并联，可同时进行五个试件的实验；采用电动加载，自动记录断裂时间及当试件断裂后自动切断电源。这种方案节省了人力，提高了试验效率，然而这种方案的五个加载机构并不是真正的“并联”，实际情况是五台加载机构公用一个加载(卸载)线路，每一头控制线路之间都有互锁，也就是说每次只能加载一台。由于加载过程通常可在数分钟内完成，因而这种设计并不会影响实验效率，相反，可以保证加载力的准确控制和系统的可靠性。既然并不会出现多台电机同时工作的情况，使用多台电机就不是一种最优的设计方案。若能采用一台电动机根据需要驱动多个加载机构，将能够降低成本、减小设备的体积和重量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单电机多通插销试验机，该试验机不仅可以实现一台电机对多个加载机构的驱动，还可以根据需要增加、减少加载机构数量，并且自动化程度高，操作性好。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种单电机多通插销试验机，包括驱动电机和多个加载单元，多个加载单元连接在电机的转动轴上，多个加载单元之间通过联轴器连接，其中加载单元包括轴、安装在轴上的自动夹紧机构、大皮带轮和安装在轴上的加载机构，其中自动夹紧机构和大皮带轮通过皮带传动，大皮带轮安装在加载机构上。

优选的，所述的轴为阶梯轴。

优选的，自动夹紧机构安装在所述的阶梯轴上；自动夹紧机构包括小皮带轮、电磁离合、隔磁环、衔铁和齿圈；小皮带轮通过轴承安装在轴上，齿圈通过螺栓固定安装在小皮带轮上；电磁离合包括磁轭和线圈，磁轭沿轴向上设有多个带弹簧的顶针，磁轭和隔磁环通过键固定在轴的同一阶梯上，隔磁环安装在磁轭和小皮带轮之间；衔铁套装在隔磁环上，能够沿隔磁环轴向运动，衔铁轴向一侧设有与齿圈相配合的圆柱凹槽，在弹簧的作用下顶针和衔铁另一侧面接触，圆柱凹槽设有与齿圈相匹配的内齿状结构，齿圈处于圆柱凹槽内。

优选的，圆柱凹槽深度大于齿圈的齿厚度，所述的内齿状结构设在圆柱凹槽内壁外侧；衔铁右侧面处于和磁轭接触状态时，圆柱凹槽的内齿状结构和齿圈啮合；圆柱凹槽底部处于和齿圈右侧面接触状态时，圆柱凹槽的内齿状结构和齿圈脱离。

优选的，所述的隔磁环材料为非磁性材料。

优选的，所述的轴为气胀轴，轴上设有气嘴和多个活动的键条。

优选的，自动夹紧机构安装在所述的气胀轴上；小皮带轮为和气胀轴套筒一体的结构，气胀轴主体部分的两端各安装一个轴套和轴承，带套筒的小皮带轮安装在轴承上，套筒内壁与气胀轴主体部分留有间隙；轴承端盖通过螺钉固定在小皮带轮的套筒上。

优选的，气胀轴处于充气状态时，键条向外凸出，压紧小皮带轮的套筒；气胀轴处于放气状态时，键条复位，脱离小皮带轮的套筒。

优选的，还包括控制系统，该控制系统包括计算机、数据采集卡、温度传感器、拉力传感器、继电电路和变频器；温度传感器和拉力传感器设置在加载机构上；温度传感器和拉力传感器的输出端连接数据采集卡；数据采集卡的输出端连接继电电路，继电电路通过变频器连接电动机；继电电路还连接多个加载机构的电磁离合；数据采集卡连接计算机。

优选的，控制系统选择加载机构后，计算机通过采集卡向继电电路输出一个数字信号，使与所选择的加载机构对应的电磁离合接合；随后，计算机再通过采集卡向继电电路输出一个数字信号，该信号传输到变频器，通过变频器启动电动机，加载开始。

优选的，温度传感器和拉力传感器获取的温度和拉力信号通过采集卡传输给计算机，然后通过计算机比较采集到的拉力值与用户的设定值,以此调整采集卡输出，改变变频器的等效输出电压,进而控制电动机的转速,使加载过程平稳。

优选的，当拉力达到设定值后,计算机通过采集卡输出数字信号，控制继电电路切断电源,变频器停止工作，进而使电动机停止工作，进入保载阶段。

优选的，插销拉断后，计算机通过采集卡向继电电路输出一个数字信号，使与所选择的加载机构对应的电磁离合接合；随后计算机再通过采集卡输出数字信号控制变频器,使电动机反转,即加载机构复位，完成卸载。

优选的，控制系统进行通道选择时，同时选择2～5个加载机构，同时输入相同组数的控制参数；控制系统自动逐次进行加载。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

本发明所述的插销试验机加载装置结构简单，单个加载装置可以通过联轴器连接，实现了一台电机根据需要分别驱动多个加载机构，将能够降低成本、减小设备的体积和重量。

进一步，加载装置设有自动夹紧机构，设计方案更合理，自动化程度高，操作性好。

进一步，自动夹紧机构可以为电动或气动锁紧方式，使该加载装置应用更广泛。

附图说明

图1是插销试验机加载装置结构图。

图2是采用电磁离合的自动夹紧机构的结构图。

图3是采用气胀轴的自动夹紧机构的结构图。

图4是插销试验机原理示意图。

图5是本发明单电机多通插销试验机的控制系统原理框图。

图6是本发明单电机多通插销试验机的工作流程图。

图7是继电电路的电路原理图。

其中：1、电动机；2、轴；3、自动夹紧机构；4、大皮带轮；5、小皮带轮；6、加载机构；7、轴承；8、螺栓；9、齿圈；10、衔铁；11、隔磁环；12、线圈；13、圆柱凹槽；14、顶针；15、磁轭；16、螺钉；17、轴套；18、键条；19、轴承端盖；20、气嘴；21、计算机；22、数据采集卡；23、温度传感器；24、取样电阻；25、拉力传感器；26、放大器；27、继电电路；28、变频器；29、电磁离合。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1至图3所示，一种单电机多通插销试验机，包括驱动电机1和多个加载单元，多个加载单元连接在电机1的转动轴上，多个加载单元之间通过联轴器连接，其中加载单元包括轴2、安装在轴2上的自动夹紧机构3、大皮带轮4和安装在轴2上的加载机构6，其中自动夹紧机构3和大皮带轮4通过皮带传动，大皮带轮4安装在加载机构6上。轴2并非一根轴，而是由多段图3中的阶梯轴或图4中的气胀轴通过联轴器相连构成。

如图2为本发明的一种实施方式，插销试验机加载装置的轴2为阶梯轴，自动夹紧机构3安装在所述的阶梯轴2上；自动夹紧机构3包括小皮带轮5、电磁离合、隔磁环11、衔铁10和齿圈9；小皮带轮5通过轴承7安装在轴2上，齿圈9通过螺栓8固定安装在小皮带轮5上；电磁离合包括磁轭15和线圈12，磁轭15沿轴向上设有多个带弹簧的顶针14，磁轭15和隔磁环11通过键固定在轴2的同一阶梯上，隔磁环11安装在磁轭15和小皮带轮5之间；衔铁10套装在隔磁环11上，能够沿隔磁环11轴向运动，衔铁10轴向一侧设有与齿圈9相配合的圆柱凹槽13，在弹簧的作用下顶针14和衔铁10另一侧面接触，圆柱凹槽13设有与齿圈9相匹配的内齿状结构，齿圈9处于圆柱凹槽13内。圆柱凹槽13深度大于齿圈9的齿厚度，所述的内齿状结构设在圆柱凹槽13内壁外侧；衔铁10右侧面处于和磁轭15接触状态时，圆柱凹槽13的内齿状结构和齿圈9啮合；圆柱凹槽13底部处于和齿圈9右侧面接触状态时，圆柱凹槽13的内齿状结构和齿圈9脱离。当衔铁10运动至磁轭15时，衔铁10和齿圈9内啮合，当衔铁10运动至齿圈9时，衔铁10和齿圈9脱离。隔磁环11是一个由非导磁材料做成的轴套，它确定了小皮带轮5和磁轭15的相对位置。工作时，对线圈12通电，电流作用下磁轭15会产生磁场，衔铁10在磁场作用下向右移动，与齿圈9啮合，从而使小皮带轮5随阶梯轴2一起运动；对线圈12断电，磁场消失，衔铁10在带有弹簧的顶针14的作用下向左移动，与齿圈9分离，小皮带轮5不再随阶梯轴2一起运动。

如图3为本发明的另一种实施方式，插销试验机加载装置的轴2为气胀轴，轴2上设有气嘴20和多个活动的键条18。自动夹紧机构3安装在所述的气胀轴2上；小皮带轮5为和气胀轴套筒一体的结构，气胀轴2主体部分的两端各安装一个轴套17和轴承7，带套筒的小皮带轮5安装在轴承7上，套筒内壁与气胀轴2主体部分留有间隙；轴承端盖19通过螺钉16固定在小皮带轮5的套筒上。工作时，向气嘴20内充气，活动的键条18向外凸出，压紧小皮带轮5的套筒，从而使小皮带轮5随气胀轴2一起运动；对气嘴20放气，活动的键条18复位，退回气胀轴2内部，不再压紧小皮带轮5的套筒，小皮带轮5不再随气胀轴2一起运动。

试验机工作时，电机1根据需要分别驱动多个加载机构，电动机1将力和扭矩输出到轴2，通过控制系统选择需要进行加载的机构6后对相应的自动夹紧机构3进行通电(或充气)夹紧，从而使小皮带轮5随轴2一起运动，再经皮带将力和扭矩传递给大皮带轮4，大皮带轮4将力和扭矩输入到加载机构6中，完成对多个试验件的加载。

在图4中,将被测定的金属材料加工成一定形状的插销试棒,试验时把插销插入底板中，使插销顶端与底板上表面平齐，然后在底板上通过插销端部位置堆焊一道试验焊缝，选择焊接规范并控制熔深，使缺口位于靠近熔合线的粗晶区内。缺口离表面的距离和焊接规范有关，对于新材料则应根据给定的焊接规范进行金相检查，确定合适的缺口距离。当焊缝冷却到100～150℃时，对插销施加规定的拉伸载荷,并保持这一载荷直至插销断裂。拉伸应力越小，插销承载的时间越长。一般所加载荷越小，延续时间越长，当载荷小到某一临界值时，插销不会发生断裂，这一载荷即为该材料在该试验条件下的临界断裂应力值，从而可以评判该材料的冷裂纹敏感性。

请参阅图5所示,本发明一种单电机多通插销试验机，还包括控制系统，该控制系统包括计算机21、数据采集卡22、温度传感器23、取样电阻24、拉力传感器25、放大器26、继电电路27、变频器28。

温度传感器23和拉力传感器25设置在对应加载机构上，用于检测试验时对应插销的受力与温度；温度传感器23和拉力传感器25的输出端连接数据采集卡22；数据采集卡22的输出端连接继电电路27，继电电路27通过变频器28连接电动机1；继电电路27还连接多个加载机构6的电磁离合29；数据采集卡22连接计算机21。

控制系统选择加载机构6后，计算机21通过数据采集卡22向继电电路27输出一个数字信号，使与所选择的加载机构6对应的电磁离合29接合；随后，计算机21再通过采集卡22向继电电路27输出一个数字信号，该信号传输到变频器28，通过变频器28启动电动机1，加载开始。

温度传感器23和拉力传感器25获取的温度和拉力信号分别经取样电阻24、放大器26处理后通过采集卡22传输给计算机21，然后通过计算机21比较采集到的拉力值与用户的设定值,以此调整采集卡22输出,改变变频器28的等效输出电压,进而控制电动机1的转速,使加载过程平稳。

当拉力达到设定值后,计算机21通过采集卡22输出数字信号，控制继电器切断电源,变频器28停止工作，进而使电动机1停止工作，进入保载阶段。

插销拉断后,计算机21通过采集卡22向继电电路27输出一个数字信号，使与所选择的加载机构6对应的电磁离合29接合；随后计算机21再通过采集卡22输出数字信号控制变频器28,使电动机1反转,即加载机构6复位，完成卸载。

控制系统通过软件实现了各通道之间的“互锁”，即同一时刻只能有一台正处于加载或卸载过程中。选择加载机构的同时需要输入此次试验的控制参数。进行通道选择时，可同时选择2～5个加载机构，同时输入相同组数的控制参数；控制系统自动逐次进行加载。

数据采集卡22选用研华公司生产的PCL-818L型采集卡，其分辨率为12位，采样频率40KHz，数字量输入、输出信号各16路，16位单端模拟输入信号或8位差分输入信号,1路模拟量输出信号,基本时钟基准频率为10MHz。

变频器28选用日本富士公司生产的通用变频器，型号为FVR0.4E11S-4JE，该变频器体积小，性能高，低速范围内转矩脉动小，且具有PID控制、维护和保护功能等。

温度传感器23(温度变送器)型号HB-SWBZ，输入信号K型，测量范围0～1300℃，输出信号4～20mA，供电电源为24VDC。

取样电阻24的阻值取250Ω，与温度传感器23所输出的电流信号并接，从而将4～20mA的电流信号转换为1～5V的电压信号。

拉力传感器25型号BLR-ZSA，量程0～5t，传感器精度0.5％FS。

有源放大器26型号为SY-2C-V3-D，放大器精度0.1％FS，放大器输出1～5VDC，供电电源为24VDC。

请参阅图7所示，是一台电动机四个加载机构时控制系统的继电电路图。4个通道需要8路单端模拟输入量信号(AI),用以接收从各加载机构的温度传感器和压力传感器传输而来的温度和压力信号；1路模拟输出量信号(AO),用来向变频器输出模拟信号从而实现变频控制电机转速；6路数字输出量信号,其中2路用来通过变频器控制电机的正反转,另外4路用来控制相对应的4个电磁离合的接合与否。所以，所选采集卡PCL-818L能够满足应用要求。即仅使用一块采集卡可以满足4个加载机构的全部模拟输入端口号的要求以及控制电机转向的开关数字量的端口号要求。J1～J6为6个5V的继电器，YC1～YC4为4个电磁离合，J01～J04为对应的电磁离合的24V的电磁继电器。

上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种单电机多通插销试验机，其特征在于：包括驱动电机(1)和多个加载单元，多个加载单元连接在电机(1)的转动轴上，多个加载单元之间通过联轴器连接，其中加载单元包括轴(2)、安装在轴(2)上的自动夹紧机构(3)、大皮带轮(4)和安装在轴(2)上的加载机构(6)，其中自动夹紧机构(3)上的小皮带轮(5)和大皮带轮(4)通过皮带连接，大皮带轮(4)安装在加载机构(6)上。

2.根据权利要求1所述的一种单电机多通插销试验机，其特征在于：所述的轴(2)为阶梯轴；自动夹紧机构(3)安装在所述的阶梯轴(2)上；自动夹紧机构(3)包括小皮带轮(5)、电磁离合、隔磁环(11)、衔铁(10)和齿圈(9)；小皮带轮(5)通过轴承(7)安装在轴(2)上，齿圈(9)通过螺栓(8)固定安装在小皮带轮(5)上；电磁离合包括磁轭(15)和线圈(12)，磁轭(15)沿轴向上设有多个带弹簧的顶针(14)，磁轭(15)和隔磁环(11)通过键固定在轴(2)的同一阶梯上，隔磁环(11)安装在磁轭(15)和小皮带轮(5)之间；衔铁(10)套装在隔磁环(11)上，能够沿隔磁环(11)轴向运动，衔铁(10)轴向一侧设有与齿圈(9)相配合的圆柱凹槽(13)，在弹簧的作用下顶针(14)和衔铁(10)另一侧面接触，圆柱凹槽(13)设有与齿圈(9)相匹配的内齿状结构，齿圈(9)处于圆柱凹槽(13)内。

3.根据权利要求2所述的一种单电机多通插销试验机，其特征在于：所述的圆柱凹槽(13)深度大于齿圈(9)的齿厚度，所述的内齿状结构设在圆柱凹槽(13)内壁外侧；衔铁(10)右侧面处于和磁轭(15)接触状态时，圆柱凹槽(13)的内齿状结构和齿圈(9)啮合；圆柱凹槽(13)底部处于和齿圈(9)右侧面接触状态时，圆柱凹槽(13)的内齿状结构和齿圈(9)脱离。

4.根据权利要求1所述的一种单电机多通插销试验机，其特征在于：所述的轴(2)为气胀轴，轴(2)上设有气嘴(20)和多个活动的键条(18)；自动夹紧机构(3)安装在所述的气胀轴(2)上；小皮带轮(5)为和气胀轴套筒一体的结构，气胀轴(2)主体部分的两端各安装一个轴套(17)和轴承(7)，带套筒的小皮带轮(5)安装在轴承(7)上，套筒内壁与气胀轴(2)主体部分留有间隙；轴承端盖(19)通过螺钉(16)固定在小皮带轮(5)的套筒上；气胀轴(2)处于充气状态时，键条(18)向外凸出，压紧小皮带轮(5)的套筒；气胀轴(2)处于放气状态时，键条(18)复位，脱离小皮带轮(5)的套筒。

5.根据权利要求2所述的一种单电机多通插销试验机，其特征在于：还包括控制系统，该控制系统包括计算机(21)、数据采集卡(22)、温度传感器(23)、取样电阻(24)、拉力传感器(25)、放大器(26)、继电电路(27)和变频器(28)；温度传感器(23)和拉力传感器(25)设置在加载机构上；温度传感器(23)的输出端与取样电阻24并接后连接数据采集卡(22)；拉力传感器(25)的输出端经放大器(26)连接数据采集卡(22)；数据采集卡(22)的输出端连接继电电路(27)，继电电路(27)通过变频器(28)连接电动机(1)；继电电路(27)还连接多个加载机构(6)的电磁离合(29)；数据采集卡(22)连接计算机(21)。

6.根据权利要求5所述的一种单电机多通插销试验机，其特征在于，控制系统选择加载机构(6)后，计算机(21)通过采集卡(22)向继电电路(27)输出一个数字信号，使与所选择的加载机构(6)对应的电磁离合(29)接合；随后，计算机(21)再通过采集卡(22)向继电电路(27)输出一个数字信号，该信号传输到变频器(28)，通过变频器(28)启动电动机(1)，加载开始。

7.根据权利要求6所述的一种单电机多通插销试验机，其特征在于，温度传感器(23)采集到的电流信号与取样电阻(24)并接后转换为电压信号和拉力传感器(25)获取的拉力信号经放大器(26)放大后通过采集卡(22)传输给计算机(21)，然后通过计算机(21)比较采集到的拉力值与用户的设定值,以此调整采集卡(22)输出，改变变频器(28)的等效输出电压,进而控制电动机(1)的转速,使加载过程平稳。

8.根据权利要求6所述的一种单电机多通插销试验机，其特征在于，当拉力达到设定值后,计算机(21)通过采集卡(22)输出数字信号，控制继电电路(27)切断电源,变频器(28)停止工作，进而使电动机(1)停止工作，进入保载阶段。

9.根据权利要求6所述的一种单电机多通插销试验机，其特征在于：插销拉断后，计算机(21)通过采集卡(22)向继电电路(27)输出一个数字信号，使与所选择的加载机构(6)对应的电磁离合(29)接合；随后计算机(21)再通过采集卡(22)输出数字信号控制变频器(28),使电动机(1)反转,即加载机构(6)复位，完成卸载。

10.根据权利要求6所述的一种单电机多通插销试验机，其特征在于，控制系统进行通道选择时，同时选择2～5个加载机构，同时输入相同组数的控制参数；控制系统自动逐次进行加载。