CN104132857A - 多轴疲劳试验机 - Google Patents

Abstract

一种多轴疲劳试验机，采用驱动装置提供循环动力，通过传力臂、滑动装置以及传力弹簧将循环作用力传至试件，使试件处于多轴疲劳应力状态。采用选择驱动装置连接不同位置的螺栓孔的方式，调节试件所承受的多轴应力幅荷载；采用更换不同劲度系数的传力弹簧的方式，调节试件所承受的应力幅荷载；采用改变固定装置在滑道内的移动位移大小，施加不同大小的单向初始应力或者多向初始应力；由此可知，本发明所述的多轴疲劳试验机可以根据不同的受力环境，选择合理的应力幅大小以及初始应力大小，进行构件的多轴疲劳试验。

Description

多轴疲劳试验机

技术领域

本发明涉及一种结构多轴试验机，属于结构试验领域。

背景技术

金属疲劳破坏是个十分普遍的现象，在航空航天、海洋及陆地运输、房屋建筑以及核能化工等领域中都是最主要的失效模式之一。据近一百多年来的数据统计，金属部件中有占80％以上的损坏是由于疲劳而引起。在工程实际中，大多数机械和工程结构承受多轴循环载荷作用，即使在单轴外载荷的作用下，由于工程结构几何形状比较复杂，其局部仍为多轴应力状态，相应地，其失效类型也属于多轴疲劳失效。

疲劳理论从发展之初，人们仅仅在单轴疲劳方面进行着深入而全面的研究。由于试验条件和知识水平的局限，对多轴疲劳的研究始终比较缓慢。目前针对多轴疲劳研究，大多基于理论研究即损伤模型的建立与预测。主要包括3类：等效应力应变法，能量法和临界平面法。早期的解决多轴疲劳问题方法是基于单轴疲劳问题研究的成果，以应力（高循环疲劳）或应变（低循环疲劳）组合量来作为多轴疲劳的损伤参数，但预测结果往往与实际往往差别较大。能量法认为多轴疲劳损伤与材料循环塑性变形及塑性应变能密切相关，精度较高，但其推导过程复杂，不易实际应用。临界平面法是在物理观察的基础上提出的一种新的方法，现已经被认为是解决多轴疲劳问题最有效的方法，但限于目前多轴疲劳实验条件的限制，许多多轴损伤参数仍需进一步探讨以及实验验证。

由此可知，有必要提出一种多轴疲劳试验机。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种多轴疲劳试验机，其通过对构件施加多向循环荷载，并采用应力幅调节的方式模拟不同受力情况下构件，从而为多轴疲劳研究人员提供了一种有效的研究方法。

为实现以上的技术目的，本发明将采取以下的技术方案：

一种多轴疲劳试验机，用于构件的多轴疲劳实验，包括驱动装置、传力臂、滑动装置、固定装置、传力弹簧、固定弹簧、试件机架、滑道、数显式测力计；试件位于各滑道交汇处，并固定在试件机架上，试件一侧通过传力弹簧与数显式测力计相连，数显式测力计另一端与滑动装置相连，两滑动装置分别位于互相垂直的两滑道内；此外，两滑动装置还与传力臂相连，传力臂一侧与驱动装置相连；当驱动装置产生循环动力时，分别带动两滑动装置同时运动；与滑动装置相对应的是两固定装置，两固定装置分别位于与滑动装置相对应的两滑道内，并通过固定弹簧、数显式测力计与试件相连；固定装置与滑道底部之间的距离足够大，并且固定装置底部、滑道底部分别设置一永久性磁铁、电磁铁。

所述驱动装置包括转动电机、转动轴、转动刚片①、转动刚片②；转动电机与转动轴相连，转动轴通过焊接与转动刚片①相连，转动刚片①再通过螺栓与转动刚片②相连。其原理是通过转动电机提供循环作用力依次传递至转动轴、转动刚片①、转动刚片②、传力臂，并最终将循环作用力传至试件。

所述传力臂通过螺栓分别与两个滑动装置相连。

所述两固定装置分别与两固定弹簧相连，两固定弹簧还与数显式测力计相连。

所述固定装置包括滑体、滑轮、永久磁铁、电磁铁以及滑轮导槽等；滑体两边分别设置滑轮，滑墙中部设置滑槽，滑轮置于滑槽内；永久磁铁置于滑体内部底端，并在滑体正下方滑槽底部设置电磁铁，当电磁铁接通电源时电磁铁与永久磁铁产生磁场，在磁场的作用下滑体受压，使滑轮与滑槽之间的摩擦力增大，以固定的滑体；断开电磁铁两端电源即可使其与永久磁铁间的磁场消失，使滑块可以沿着滑道内自由移动。

所述滑动装置是一种简化的固定装置，包括滑体、滑轮、滑墙以及滑轮导槽等。

所述滑体两边分别设置滑轮，滑墙中部设置滑槽，滑轮置于滑槽内；两滑动装置可在互相垂直的滑道内自由移动。

所述传力臂上分别设置了一定数量的螺栓孔，每个螺栓孔均可通过螺栓与驱动装置连接。

所述固定装置底部与滑道底部之间的距离足够大。

由此可知，一种多轴疲劳试验机，利用所述驱动装置内设转动电机提供循环动力，通过转动刚片将力传至传力臂，传力臂将力传至滑动装置，滑块通过传力弹簧再将循环作用力传至试件，使试件处于多轴循环受力状态。

根据以上的技术方案，相对于现有技术，本发明具有以下的优点：

（1）当应力幅不满足要求时，可根据实际构件需要，选择不同劲度系数的传力弹簧，使得在相同的弹簧伸长量情况下，可以施加不同的疲劳应力幅荷载。

（2）由于两固定装置分别与两固定弹簧相连，两固定弹簧又与分别与数显式测力计相连。随着固定装置（未通电）的自由移动，使试件初始受力状态改变，可进行具有单向或双向初始应力状态下的多轴疲劳实验，并且初始应力可由数显式测力计控制。

（3）驱动装置连接不同位置的螺栓孔时，传力臂可以获得不同转动半径，使滑动装置在所述滑道内的滑动位移改变，并导致试件的受力大小改变，最终可以施加不同大小的应力幅荷载。

由此可知，本发明提供的多轴疲劳试验机，即可模拟由单项初始应力状态下的多轴疲劳实验，又可模拟多向初始应力状态下的多轴疲劳实验，还可以模拟不同应力幅荷载状态下的多轴疲劳实验。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明多轴疲劳实验机示意图；

图2为本发明多轴疲劳实验机驱动装置示意图；

图3为本发明多轴疲劳实验机固定装置俯视图；

图4为本发明多轴疲劳实验机固定装置A-A剖面图；

图5为本发明多轴疲劳实验机固定装置B-B剖面图；

图6为本发明多轴疲劳实验机滑动装置示意图；

图7为为本发明多轴疲劳实验机实验机架；

图1中，（1）驱动装置；（2）传力臂；（3）电磁铁区域；（4）固定装置；（5）固定弹簧；（6）传力弹簧；（7）数显式测力计；（8）螺栓①；（9）滑动装置；（10）试件机架；（11）滑道；

图2中，（1a）转动机；（1b）转动轴；（1c）转动刚片①；（1d）转动刚片②；（1e）螺栓②；

图3中，（4a）滑体；（4b）滑轮；（4c）滑墙；

图4中，（4d）永久磁铁；（4e）电磁铁；（4f）实验机底座；（4g）导线；（4f）电源；

图5中，（4i）滑轮导槽

图7中，（10a）实验台；（10a）支架；（10a）螺栓③。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明多轴疲劳试验机，用于构件的多轴疲劳实验，包括驱动装置（1）、传力臂（2）、滑动装置（9）、固定装置（4）、固定弹簧（5）、传力弹簧（6）、数显式测力计（7）、实验机架（10）以及滑道（11），其中：

所述试件位于各滑道（11）交汇处，并固定在试件机架（10）上，试件一侧通过传力弹簧（6）与数显式测力计（7）相连，数显式测力计（7）另一端与滑动装置（9）相连，两滑动装置（9）分别位于互相垂直的两滑道（11）内，同时两滑动装置（9）与传力臂（2）相连，传力臂（2）一侧与驱动装置（1）相连；

如图2所示，所述驱动装置（1）主要由转动电机（1a）、转动轴（1b）、转动刚片①（1c）、转动刚片②（1d）、螺栓（1e）等组成。所述转动电机（1a）与转动轴（1b）相连，转动轴（1b）与转动刚片①（1c）相连，转动刚片①（1c）再与转动刚片②（1d）相连，转动刚片②（1d）通过螺栓（1e）与传力臂（2）相连。所述转动电机（1a）提供循环动力，并依次带动转动轴（1b）、转动刚片①（1c）、转动刚片②（1d）以及传力臂（2）作往复运动，最终通过传力弹簧（6）使试件循环受力。

如图1所示，所述传力臂（2）上分别设置了一定数量的螺栓孔，该螺栓孔均可通过螺栓与驱动装置（1）连接，当驱动装置（1）连接不同位置的螺栓孔时，传力臂（2）可以获得不同转动半径，使滑动装置（9）在所述滑道（11）内的滑动位移改变，从而使构件的受力改变；由此可知，通过选择传力臂（2）上的螺栓孔，可调节试件所受的应力幅荷载，选择远离滑动装置（9）一端的螺栓孔可增大应力幅荷载，选择靠近滑动装置（9）一端的螺栓孔可减小应力幅荷载。

如图3、4、5所示，所述固定装置（4）包括滑体（4a）、滑轮（4b）、永久磁铁（4d）、电磁铁（4e）以及滑轮导槽（4i）（下面简称滑槽）；滑体（4a）两边分别设置滑轮（4b），滑墙（4c）中部设置滑槽（4i），滑轮（4b）置于滑槽（4i）内；永久磁铁（4d）置于滑体（4a）内部底端，并在滑体（4a）正下方滑槽（4i）底部设置电磁铁（4e），所述固定装置（4）底部与滑道（11）底部之间的距离足够大；当电磁铁（4e）接通电源（4h）时电磁铁（4e）与永久磁铁（4d）产生磁场，在磁场的作用下滑体（4a）受压，使滑轮（4b）与滑槽（4i）之间的摩擦力增大，以固定的滑体（4a）；断开电磁铁（4e）两端电源（4h）即可使其与永久磁铁（4d）间的磁场消失，使滑体（4a）可以沿着滑道内自由移动；所述固定装置（4）还通过固定弹簧（5）、数显式测力计与试件相连，利用固定装置在滑道（11）内的移动位移将力分别传至固定弹簧（5）、数显式测力计，并最终传至试件，以施加试件的初始应力，具体初始应力大小可通过数显式测力计控制。由此可知，通过改变两固定装置（4）在滑道（11）内的移动距离，既可以单向施加不同大小的初始应力，又可以多向施加不同大小的初始应力。

如图6所示，所述滑动装置（9）是一种简化的固定装置，包括滑体、滑轮以及滑轮导槽。滑体两边分别设置滑轮，并在滑墙中部设置滑槽，同时滑轮置于滑槽内；两滑动装置可在互相垂直的滑道内自由移动。所述滑动装置（9）与传力弹簧（6）相连，传力弹簧（6）与试件相连。所述传力弹簧（6）可更换，当应力幅荷载不满足要求时，可更换成劲度系数更小或者更高的传力弹簧（6），以获得更小或者更大的应力幅荷载。由此可知，通过更换不同劲度系数的传力弹簧（6）可调节试件所受的应力幅荷载。

如图7所示，试件位于各滑道（11）交汇处，并固定在试件机架（10）上，所述试件机架主要由实验台（10a）、支架（10b）以及螺栓③（10c）组成，支架（10b）上端通过螺栓（10c）与实验台（10a）相连，支架（10b）下端通过螺栓③（10c）与地基相连。其所述支架（10b）可更换，以满足不同高度的试件。实验过程中，首先利用夹片或者螺栓等固定机具将试件于实验台上，然后根据试件的受力环境选择合理高度的支架，最后分别用螺栓将支架两端固定，保证了试件在实验过程中试件受力的相对稳定。

Claims (5)

1.一种多轴疲劳试验机，包括驱动装置、传力臂、滑动装置、固定装置、传力弹簧、固定弹簧、试件机架、滑道、数显式测力计；其特征在于：试件位于各滑道交汇处，并固定在试件机架上，试件一侧通过传力弹簧与数显式测力计相连，数显式测力计另一端与滑动装置相连，两滑动装置分别位于互相垂直的两滑道内；此外，两滑动装置还与传力臂相连，传力臂一侧与驱动装置相连；与滑动装置相对应的是两固定装置，两固定装置分别位于与滑动装置相对应的两滑道内，并通过固定弹簧、数显式测力计与试件相连；固定装置与滑道底部之间的距离足够大，固定装置底部、滑道底部分别设置一永久性磁铁、电磁铁；

所述驱动装置包括转动电机、转动轴、转动刚片①、转动刚片②；转动电机与转动轴相连，转动轴通过焊接与转动刚片①相连，转动刚片①再通过螺栓与转动刚片②相连；

所述传力臂通过螺栓分别与两个滑动装置相连；

所述两固定装置分别与两固定弹簧相连，两固定弹簧还与数显式测力计相连；

所述固定装置包括滑体、滑轮、永久磁铁、电磁铁以及滑轮导槽；滑体两边分别设置滑轮，滑墙中部设置滑槽，滑轮置于滑槽内；永久磁铁置于滑体内部底端，并在滑体正下方滑槽底部设置电磁铁。

2.根据权利要求1所述，一种多轴疲劳试验机，其特征在于：所述滑动装置是一种简化的固定装置，包括滑体、滑轮、滑墙以及滑轮导槽。

3.根据权利要求2所述，一种多轴疲劳试验机，其特征在于：所述滑体两边分别设置滑轮，滑墙中部设置滑槽，滑轮置于滑槽内。

4.根据权利要求1所述，一种多轴疲劳试验机，其特征在于：所述传力臂上分别设置了一定数量的螺栓孔，每个螺栓孔均可通过螺栓与驱动装置连接。

5.根据权利要求1所述，一种多轴疲劳试验机，其特征在于：所述固定装置底部与滑道底部之间的距离足够大。