CN103994934A - 一种供n个金属试样同时做疲劳试验的机械联动测试机 - Google Patents

Abstract

一种供N个金属试样同时做疲劳试验的机械联动测试机，N为正整偶数，包括电机(1)、第一联轴器(2)、蜗轮蜗杆减速器(3)、第二联轴器器(4)、小齿轮(5)、大齿轮(6)、偏心装置(7)、试样夹(8)、摆轴(9)、载荷传感器(10)、从动轴(17)以及主动轴(18)，偏心装置含传动轴(12)、法兰盘(13)、偏心轮(14)、摆臂(15)以及轴承(16)，以电动机为动力源，以涡轮减速器、主动齿轮、从动齿轮组成试验机传动系统，带动机械联动测试机运行，结构简单，工作效率高相当于N台常规疲劳试验机，对十个金属试样(11)进行测试时其消耗的功率仅为每4KW/小时。

Description

一种供N个金属试样同时做疲劳试验的机械联动测试机

技术领域

本发明属于疲劳试验机技术领域，尤其涉及到一种供N个金属试样同时做疲劳试验的机械联动测试机，所述N为正整偶数。

背景技术

疲劳试验机主要用于模拟金属材料在实际使用过程中的受力状态，并针对金属材料所制成的试样结构进行疲劳检测试验，其目的就是检测其疲劳强度，从而用于评估该金属材料的实际使用寿命。

目前，国内外生产的疲劳试验机种类较多，尤以电液伺服疲劳试验机和高频疲劳试验机为主，前者主要是利用伺服阀，将数字模拟和模拟数字等电信号转变成液压信号，从而控制试验机进行疲劳试验。后者主要是利用谐振电路和感应线圈所产生的电磁振荡原理控制试验机，并进行高频疲劳试验。

上述试验机又根据加载方式的不同，分为轴向、旋转弯曲、悬臂弯曲、扭转等多种形式的试验机。还有一些单位结合自身行业特点与试验机厂家联合，制作出了适合于对自身产品进行疲劳寿命检测的专用疲劳试验机。

上所述试验机存在如下问题：

1、结构复杂，对于电液伺服疲劳试验机而言，整个试验机分三部分组成，主机系统、液压系统、电气控制系统。高频疲劳试验机主要分为两个部分，主机系统和电气控制系统；

2、能源消耗大，对于疲劳试验而言，从试验样品上机直到其破坏失效，所用时间周期较长。对于电液伺服疲劳试验机而言，即便是小吨位的，其功率也得几十千瓦；

3、一机一样，上述疲劳试验机在试验时，每次只能装卡一个试研样品；

4、对于高频试验机而言虽然能源消耗不大，但试验时产生的高频噪音对试验人员造成的伤害较大；

5、价格昂贵，即便是国产的疲劳试验机，也得几十万元。

怎样才能制作出一台即便宜又节能又省时的疲劳试验机？从降低造价的角度出发，机械疲劳试验机无疑是最好的选择。

制作机械疲劳试验机存在以下难点：

一、动力传动系统如何实现？

二、N个金属试样如何夹持固定？

三、试验应力如何施加？

四、试验频率如何实现？

五、施加在金属试样上的应力如何检测等。

船舶常年航行于海上，使得船体结构钢也常年处在海浪的颠簸和冲击之下，这种颠簸和冲击，久而久之就会造成船体钢板的疲劳损伤。而模拟船用钢板在海况条件下的疲劳检测试验，从而评估其使用寿命，这就要求被测材料试样的尺寸要足够大，同时考虑到海浪对船体的颠簸和冲击为每分钟12周次，换算成频率就是0.2Hz/秒，这样也就使得其疲劳试验极为耗时。对于一般小吨位的疲劳试验机，无法进行大尺寸试样的疲劳试验，用大吨位的疲劳试验机进行试验，在频率为0.2Hz/秒的情况下，水电的消耗将是极大的。而且对于一次只能装一个材料试样的电业伺服疲劳试验机而言其试验周期也是相当长的。

发明内容

为了便于对船用钢板的N个同类金属试样同时进行疲劳试验，本发明设计了一种供N个金属试样同时做疲劳试验的机械联动测试机，该机械联动测试机结构简单，同时能装卡N个同类材料试样，没有复杂的液压循环系统和电气控制系统，只由一台电动机提供动力，既节省了能耗，又提高工了作效率，可以实现船用钢板及焊缝在低频率状态下的疲劳寿命检测，从而验证和模拟船用钢板在受到弯曲应力或弯曲应变状态下的疲劳寿命，也为我国船舶工业以及国防科技建设提供了准确可靠的试验依据。

 为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种供N个金属试样同时做疲劳试验的机械联动测试机，所述N为正整偶数，该机械联动测试机包括电机、第一联轴器、蜗轮蜗杆减速器、第二联轴器、小齿轮、大齿轮、偏心装置、试样夹、摆轴、载荷传感器、从动轴以及主动轴，其中偏心装置含传动轴、法兰盘、偏心轮、摆臂以及轴承。蜗轮蜗杆减速器通过小齿轮与大齿轮实行两级传动；

根据海浪对船体的颠簸和冲击次数为每分钟12周次，设定疲劳试验机的试验频率为0.2Hz/秒，所述试验频率反映在偏心装置的设定转速r=12转/min，金属试样所能承受的最大作用力设定为F，偏心装置的最大调整间距设定为L，设定N个试样夹具，总传动效率设定为η，则电机功率P=N×                                                ×n/9550η，其中：蜗轮蜗杆减速器设定的速比为，小齿轮的齿数设定为，大齿轮的齿数设定为，小齿轮的模数与大齿轮的模数匹配，传动比=/，电机转速n=r××，扭矩T=F×L；

本发明的特征如下：

在上述相关设计参数的配合下，每个相同的偏心装置中，摆臂通过轴承与偏心轮联接，偏心轮上设置有四个相互对称且能调节法兰盘偏心量的长腰形孔，通过长腰形孔及螺栓将法兰盘与偏心轮联接，在法兰盘的中心线上联接有传动轴，被联接在法兰盘的传动轴与偏心轮的偏心量L控制在0~0.012m，传动轴与摆轴的一端联接且在其联接处配装载荷传感器，载荷传感器的最大力值＞F且载荷传感器的输出线与计算机联接，摆轴的另一端联接试样夹，且试样夹用于夹持金属试样，共设N个试样夹；

将每两个偏心装置并排设置且在两个偏心装置中间配置一个大齿轮并将其配对为一组，共配对N/2组，将N/2组配对的大齿轮通过从动轴的串接联接一起，与每个大齿轮相啮合的小齿轮通过主动轴被串接联接，主动轴通过第二联轴器与蜗轮蜗杆减速器的输出轴联接，蜗轮蜗杆减速器的输入轴通过第一联轴器与电机联接，从动轴、主动轴、蜗轮蜗杆减速器以及电机均通过各自匹配的支架被固定在机械联动测试机工作平台的相关位置上，N个摆轴和N个试样夹同样均通过各自匹配的支架被固定在机械联动测试机工作平台的相关位置上。

试样夹的夹持部位其洛氏硬度不低于42。

由于采用如上所述技术方案，本发明产生如下积极效果：

1、本发明结构简单，以电动机作为机械联动测试机的动力源，以涡轮减速器、主动齿轮、从动齿轮组成试验机传动系统，带动机械联动测试机运行。

2、工作效率高，该机械联动测试机一次能够同时安装N个金属材料试样进行测试，相当于N台常规疲劳试验机。

3、能源消耗低，在一次同时对十个金属试样进行测试时，其消耗的功率仅为每4KW/小时。

附图说明

图1是本发明的结构设计原理简图。

图2是偏心装置的结构示意简图。

图3是偏心轮上长腰形孔的局部结构示意简图。

上述图中：1-电机；2-第一联轴器；3-蜗轮蜗杆减速器；4-第二联轴器；5-小齿轮；6-大齿轮；7-偏心装置；8-试样夹；9-摆轴；10-载荷传感器；11-材料试样；12-传动轴；13-法兰盘；14偏心轮；15-摆臂；16-轴承；17-从动轴；18-主动轴；19-长腰形孔。

具体实施方式

本发明是一种供N个金属试样同时做疲劳试验的机械联动测试机，所述N为正整偶数，该机械联动测试机专门用于船体金属钢板在低频率条件下的检测，所述频率为0.2Hz/秒，船体金属钢板或为45﹟钢板，或为Φ50mm圆钢，或为Ф40mm轴承钢，对其它金属材料具有同样借鉴作用，以下金属试样均取自船用钢板，不在另述。

金属试样的最大长度可以达到735㎜，金属试样的最大宽度可以达到130㎜，金属试样的有效宽度可以达到80㎜，金属试样的最大厚度可以达到20㎜，金属试样的形状结构应符合国家标准的相关规定。

试样夹的结构形状可根据现有卡具并结合上述参数同比放大即可，要求试样夹的夹持部位其洛氏硬度不低于42。

根据海浪对船体的颠簸和冲击次数为每分钟12周次，设定疲劳试验机的试验频率为0.2Hz/秒，所述试验频率反映在偏心装置的设定转速r=12转/min。

下面设定的各项参数仅供参考：

每个金属试样所能承受的最大作用力F=20000N，偏心装置的最大调整间距假设为L=0.012m，设定N=10个试样夹，试样夹按现有结构并参照上述材料试样的尺寸进行同比放大即可，总传动效率设定为η，其中：蜗轮蜗杆减速器设定的速比为=40:1，小齿轮的齿数设定为=21，大齿轮的齿数设定为=75，小齿轮的模数与大齿轮的模数匹配，传动比=/=75/21，电机转速n=r××=12×40×(75/21)=1714r/min，扭矩T=F×L=20000×0.012=240 Nm则电机功率P=N××n/9550η≈4KW。

结合图1-3，在上述相关设计参数的配合下，每个相同的偏心装置7中，摆臂15通过轴承16与偏心轮14联接，偏心轮14上设置有四个相互对称且能调节法兰盘13偏心量的长腰形孔19，通过长腰形孔19及螺栓将法兰盘13与偏心轮14联接，在法兰盘13的中心线上联接有传动轴12，被联接在法兰盘13的传动轴12与偏心轮14的偏心量L控制在0~0.012m，传动轴12与摆轴9的一端联接且在其联接处配装载荷传感器10，载荷传感器10的最大传感力＞F且载荷传感器的输出线与计算机联接，摆轴9的另一端联接试样夹8且试样夹用于夹持金属试样11，共设N个试样夹8，试样夹8的夹持部位其洛氏硬度不低于42。

如果长腰形孔19按其长度方向处于垂直即上或下位置时，则被联接在法兰盘13的传动轴12在工作时做垂直即上或下偏心运动；如果长腰形孔19按其长度方向处于水平即左或右位置时，则被联接在法兰盘13的传动轴12在工作时做水平即左或右运动。

将每两个偏心装置7并排设置且在两个偏心装置中间配置一个大齿轮6并将其配对为一组，共配对N/2组，将N/2组配对的大齿轮6通过从动轴17的联接在一起，与每个大齿轮6相啮合的小齿轮5通过主动轴18被串接联接，主动轴18通过第二联轴器4与蜗轮蜗杆减速器3的输出轴联接，蜗轮蜗杆减速器3的输入轴通过第一联轴器2与电机1联接，从动轴、主动轴、蜗轮蜗杆减速器以及电机均通过各自匹配的支架被固定在机械联动测试机工作平台的相关位置上，N个摆轴和N个试样夹同样均通过各自匹配的支架被固定在机械联动测试机工作平台的相关位置上，大齿轮通过健联接在从动轴上，小齿轮通过健联接在主动轴上。

机械联动测试机的工作原理：当电机工作时通过第一联轴器带动蜗轮蜗杆减速器转动，蜗轮蜗杆减速器又通过第二联轴器带动主动轴[在N=10时主动轴长度可达3400㎜]转动，主动轴上的五个小齿轮又分别带动五个大齿轮转动，此时从动轴又带动10个偏心轮转动，10个偏心轮转动的同时带动摆臂往复运动，从而拖动金属试样进行疲劳测试。

机械联动测试机的工作步骤如下：

1）安装金属试样：当每一个金属试样被试样夹装卡固定完毕后，调节与之对应偏心轮的偏心量，通过调整观察载荷传感器的输出，当载荷传感器的输出达到测试技术参数要求时，将法兰盘固定；

2）电机通电，测试开始；

3）机械联动测试机运行的同时通过计算机记录开机日期、时间及相关测试参数。

通过对多种牌号船用钢板及焊缝进行的机械联动测试证明：机械联动测试机在以电机作为动力的同时，整个传动系统是成功有效的，所产生0.2Hz/秒的低频率是可靠的。

Claims (2)

1.一种供N个金属试样同时做疲劳试验的机械联动测试机，所述N为正整偶数，该机械联动测试机包括电机(1)、第一联轴器(2)、蜗轮蜗杆减速器(3)、第二联轴器器(4)、小齿轮(5)、大齿轮(6)、偏心装置(7)、试样夹(8)、摆轴(9)、载荷传感器(10)、从动轴(17)以及主动轴(18)，其中偏心装置(7)含传动轴(12)、法兰盘(13)、偏心轮(14)、摆臂(15)以及轴承(16)，蜗轮蜗杆减速器(3)通过小齿轮(5)与大齿轮(6)实行两级传动；

根据海浪对船体的颠簸和冲击次数为每分钟12周次，设定疲劳试验机的试验频率为0.2Hz/秒，所述试验频率反映在偏心装置(7)的设定转速r=12转/min，金属试样(11)所能承受的最大作用力设定为F，偏心装置(7)的最大调整间距设定为L，设定N个试样夹(8)，总传动效率设定为η，则电机(1)功率P=N×                                                ×n/9550η，其中：蜗轮蜗杆减速器(3)设定的速比为，小齿轮(5)的齿数设定为，大齿轮(6)的齿数设定为，小齿轮(5)的模数与大齿轮(6)的模数匹配，传动比=/，电机(1)转速n=r××，扭矩T=F×L；其特征是：

在上述相关设计参数的配合下，每个相同的偏心装置(7)中，摆臂(15)通过轴承(16)与偏心轮(14)联接，偏心轮(14)上设置有四个相互对称且能调节法兰盘(13)偏心量的长腰形孔(19)，通过长腰形孔(19)及螺栓将法兰盘(13)与偏心轮(14)联接，在法兰盘(13)的中心线上联接有传动轴(12)，被联接在法兰盘(13)的传动轴(12)与偏心轮(14)的偏心量L控制在0~0.012m，传动轴(12)与摆轴(9)的一端联接且在其联接处配装载荷传感器(10)，载荷传感器(10)的最大力值＞F且载荷传感器(10)的输出线与计算机联接，摆轴(9)的另一端联接试样夹(8)且试样夹(8)用于夹持金属试样(11)，共设N个试样夹(8)；

将每两个偏心装置(7)并排设置且在两个偏心装置(7)中间配置一个大齿轮(6)并将其配对为一组，共配对N/2组，将N/2组配对的大齿轮(6)通过从动轴(17)的串接联接一起，与每个大齿轮(6)相啮合的小齿轮(5)通过主动轴(18)被串接联接，主动轴(18)通过第二联轴器器(4)与蜗轮蜗杆减速器(3)的输出轴联接，蜗轮蜗杆减速器(3)的输入轴通过第一联轴器(2)与电机(1)联接，从动轴(17)、主动轴(18)、蜗轮蜗杆减速器(3)以及电机(1)均通过各自匹配的支架被固定在机械联动测试机工作平台的相关位置上，N个摆轴(9)和N个试样夹(8)同样均通过各自匹配的支架被固定在机械联动测试机工作平台的相关位置上。

2.根据权利要求1所述一种供N个金属试样同时做疲劳试验的机械联动测试机，其特征是：试样夹(8)的夹持部位其洛氏硬度不低于42。