CN105890979B - 用于复合载荷材料力学性能测试的预紧式机械装夹机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于复合载荷材料力学性能测试的预紧式机械装夹机构，属于材料测试技术领域。利用楔形块的自锁性质，采用楔形块预紧方式，使试件夹持可靠，可同时满足拉伸、弯曲、扭转等多种加载方式的单独或复合作用时的夹持要求。通过氮化硅加热片与试件夹持端两侧接触进行热传导加热来改变试验温度。通过对试件通入可控电流实现电场加载。通过可控电磁铁实现对试件施加磁场环境。物理场和机械载荷的复合加载，使材料测试试验在更接近服役条件下进行。结构简单紧凑，操作方便，能同时提供较大的初始夹紧力和较高夹持稳定性，并在测试之前消除预紧力带来的原始压缩力，使测试结果更准确，具有很高的应用价值。

Description

用于复合载荷材料力学性能测试的预紧式机械装夹机构

技术领域

本发明涉及材料测试技术领域，特别涉及一种用于复合载荷材料力学性能测试的预紧式机械装夹机构。用于对试件施加拉伸、弯曲、扭转载荷时对试件的夹持。

背景技术

在实际工程应用中，任何机械部件通常在不同的物理环境和复合载荷条件下服役，通常存在拉伸、压缩、扭转、弯曲等不同形式的外力单独或同时作用。例如轴类零件同时受到拉力和扭矩复合作用，高速列车轮对在运行过程中温度相对较高，同时受到弯曲和扭矩的复合作用。在航空航天领域，航天器暴露在磁场和温度场同时作用的环境中，同时受到拉伸、扭矩和弯曲复合作用。传统的材料性能测试方法，单纯通过拉伸、扭转或者在单一的温度场下进行的单一载荷材料力学测试，已经不能满足现代新材料在实际工作条件下力学性能测试的需求。因此，在多物理场环境下利用复合载荷材料力学性能测试装置测试固体材料接近服役条件的力学性能具有很大的实际意义。

常见的单一载荷试验机夹具多采用液压式，通过液压缸推动楔形块直接夹紧试件。液压缸通常结构复杂，尺寸较大，无法满足原位观测的需要。而且，需要整套液压系统提供动力，在不采用液压加载方式的试验机中不适用。在使用过程中液压缸中油孔易被液压油中杂质堵塞，维修过程麻烦，对环境要求高，不适于高温环境中。

现有的机械式夹具通过楔形块自锁提供拉力或者通过螺纹预紧提供扭矩，中国专利文献公开号为CN200972439于2007年11月7日公开了“楔形杠杆式拉伸夹具”，它包括楔形钳口和夹具体，在试件受力拉伸时有自锁作用，适用于非金属小试件拉伸夹持问题。但它功能单一，无法满足压缩试验和复合载荷加载试验的需求；夹持力小，对于大的拉伸力实验过程，试件与夹具产生相对滑动，影响测量结果的准确性。

基于以上分析，现有夹具存在一定的局限性，无法满足多种物理场作用下的复合载荷材料力学性能测试的需要，因此，设计一种结构紧凑，工作可靠，能同时提供较大的初始夹紧力和较高夹持稳定性且可用于多种物理场环境的夹持装置具有重要意义，同时也是十分紧迫的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于复合载荷材料力学性能测试的预紧式机械装夹机构，解决了现有技术存在的上述问题。本发明具有结构简单，夹持可靠的特点。采用预紧式夹持方式，克服普通杠杆式楔形夹具初始夹持力小的问题，同一套夹持装置可满足复合载荷同时作用的材料力学性能测试试验，试件装夹方便。同时，预紧方式作用在试件上的初始压缩力，可以通过复合载荷材料力学性能测试装置进行补偿，提高测试结果的准确性，减小测试装置由夹具产生的误差。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

用于复合载荷材料力学性能测试的预紧式机械装夹机构，用于对试件施加拉伸、弯曲、扭转载荷时对试件的夹持。同时配合电场加载模块、温度场加载模块、磁场加载模块实现对试验条件的改变，在更接近服役条件下进行材料性能测试。包括电场加载模块、温度场加载模块、磁场加载模块及一对构造相同的夹具，所述一对构造相同的夹具中的一个包括水冷连接法兰1、夹持部分、预紧部分，所述夹持部分、预紧部分和水冷连接法兰1通过仿形夹具体5连接到一起，水冷连接法兰1通过与仿形夹具体5和拉伸扭转复合传感器连接，水冷连接法兰1与拉伸扭转复合传感器之间通过云母片14隔离，并在接触拉伸扭转复合传感器的一端均匀涂上高温绝缘涂层。

所述的夹持部分由仿形夹具体5、导向块10、导向块螺钉11、夹持楔形块9、轴Ⅰ6、轴Ⅱ16、张合拨片7、复位弹簧和垫片8，所述仿形夹具体5中设置一对夹持楔形块9，在夹持楔形块9上面与夹持楔形块边缘平行地设有矩形滑槽901，矩形滑槽901沿着导向块10的凸起滑动，导向块10通过导向块螺钉11安装仿形夹具体5内；张合拨片7通过轴Ⅰ6和轴Ⅱ16与仿形夹具体5连接，由张合拨片7、轴Ⅰ6、轴Ⅱ16组成的杠杆结构带动两个夹持楔形块9彼此分开，放入试件夹持端，松开张合拨片7后，通过放置在轴Ⅱ16上的复位弹簧使夹持楔形块9复位、夹紧试件；利用仿形夹具体5提供的反作用力，产生夹持力。

所述的预紧部分包括支撑板3、支撑螺栓2、支撑轴套4、预紧螺栓12、预紧楔形块15，所述支撑板3和支撑轴套4通过两个支撑螺栓2固定在仿形夹具体5上，构成预紧螺栓12的支撑，预紧螺栓12和支撑板3构成一个螺纹副，通过旋转预紧螺栓12，带动安装在预紧螺栓12底端的预紧楔形块15上下移动，利用仿形夹具体5的反作用力对夹持楔形块9施加预紧力。

所述的夹持楔形块9与试件的形状相配合。

所述的仿形夹具体5下部开有两个平行于仿形夹具体斜面的夹持块螺钉滑槽502，轴Ⅰ6穿过仿形夹具体5的轴孔Ⅰ503作为一个支点，与轴Ⅱ16、张合拨片7构成杠杆；螺栓穿过仿形夹具体5的夹具体安装孔501及水冷连接法兰1的法兰连接孔102，将仿形夹具体5与水冷连接法兰1连接。

所述的电场加载模块是：导向块10同时作为电极，导向块螺钉11采用铜质螺钉，两个夹具的导向块分别与可控电源的正极和负极相连，安装试件后构成闭合回路。

所述的温度场加载模块是：两片氮化硅加热片13分别通过两个螺钉固定在夹持楔形块9上，与试件夹持端充分接触对试件进行传导加热；通过单独的加热控制电源进行加热温度设定和控制；水冷连接法兰1的冷却液通道101中持续通过冷却液。

所述的磁场加载模块是：两个电磁铁垂直或平行于试件轴线方向放置。

所述的仿形夹具体5、夹持楔形块9、导向块10、预紧楔形块15、支撑板3采用奥氏体不锈钢材质。

本发明的有益效果在于：与现有技术相比，本发明结构紧凑，操作方便，实用性强。采用预紧式装夹方法，预紧力可调，一次装夹便能实现不同类型载荷或复合载荷材料力学性能测试。装夹可靠，能同时提供较大的初始夹紧力和较高夹持稳定性，并在测试之前消除预紧力带来的原始压缩力，大大提高了测试结果的准确性。在不同物理场环境中，减少环境对传感器数据采集的影响，获得材料在接近服役条件下更准确的力学性能参数，对材料测试的工程应用有很大意义。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的剖面图；

图3为本发明的水冷连接法兰的结构示意图；

图4为本发明的仿形夹具体的结构示意图；

图5为本发明的预紧部分的结构示意图；

图6为本发明的夹持楔形块的结构示意图；

图7、8为本发明的夹持楔形块另外两种形式的结构示意图；

图9为本发明的预紧方法的原理图；

图10为本发明的初始压缩力消除程序框图；

图11为本发明的电场加载原理示意图；

图12为本发明的温度场加载原理示意图；

图13为本发明的磁场加载原理示意图。

图中：1、水冷连接法兰；101、冷却液通道；102、法兰连接孔；2、支撑螺栓；3、支撑板；4、支承轴套；5、仿形夹具体；501、夹具体连接孔；502、夹持块螺钉滑槽；503、轴孔Ⅰ；6、轴Ⅰ；7、张合拨片；8、垫片；9、夹持楔形块；901、矩形滑槽；902、轴孔Ⅱ； 10、导向块； 11、导向块螺钉；12、预紧螺栓；13、氮化硅加热片；14、云母片；15、预紧楔形块；16；轴Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图13所示，本发明的用于复合载荷材料力学性能测试的预紧式机械装夹机构，包括电场加载模块、温度场加载模块、磁场加载模块、一对构造相同的夹具，所述一对构造相同的夹具中的一个包括水冷连接法兰1、夹持部分、预紧部分，所述夹持部分、预紧部分和水冷连接法兰1通过仿形夹具体5连接到一起，结构紧凑，缩小了夹持装置的整体尺寸。水冷连接法兰1通过与仿形夹具体5和拉伸扭转复合传感器连接，在不同温度环境下材料力学性能测试试验中，使拉伸扭转复合传感器一直处在适合的工作温度下，减少温度对传感器采集数据的影响。水冷连接法兰1与拉伸扭转复合传感器之间通过一定厚度的云母片14隔离，并在接触拉伸扭转复合传感器的一端均匀涂上高温绝缘涂层，在电场环境下进行材料力学性能测试试验中，保护传感器和整个测试装置不受电场干扰。

参见图6及图7所示，所述的夹持部分由仿形夹具体5、导向块10、导向块螺钉11、夹持楔形块9、轴Ⅰ6、轴Ⅱ16、张合拨片7、复位弹簧和垫片8，所述仿形夹具体5中设置一对夹持楔形块9，在夹持楔形块9上面与夹持楔形块边缘平行地设有矩形滑槽901，矩形滑槽901沿着导向块10的凸起滑动，导向块10通过导向块螺钉11安装仿形夹具体5内；张合拨片7通过轴Ⅰ6和轴Ⅱ16与仿形夹具体5连接，且在轴Ⅰ6、轴Ⅱ16与仿形夹具体5之间分别设置垫片8；由张合拨片7、轴Ⅰ6、轴Ⅱ16组成的杠杆结构带动两个夹持楔形块9彼此分开，放入试件夹持端，松开张合拨片7后，通过放置在轴Ⅱ16上的复位弹簧使夹持楔形块9复位、夹紧试件；利用仿形夹具体5提供的反作用力，产生夹持力。

参见图5及图6所示，所述的预紧部分包括支撑板3、支撑螺栓2、支撑轴套4、预紧螺栓12、预紧楔形块15，所述支撑板3和支撑轴套4通过两个支撑螺栓2固定在仿形夹具体5上，构成预紧螺栓12的支撑，预紧螺栓12和支撑板3构成一个螺纹副，通过旋转预紧螺栓12，带动安装在预紧螺栓12底端的预紧楔形块15上下移动，利用仿形夹具体5的反作用力对夹持楔形块9施加预紧力，使夹持楔形块9夹紧，所以支撑螺栓2和支撑板3承受很小的反作用力。同时，利用扳手就可以施加预紧力，方便省力。

参见图5所示，在仿形夹具体5上表面，与试件垂直的方向钻两个M6的螺纹孔。将支撑板3和支撑轴套4通过两个支撑螺栓2固定在夹具体上，构成预紧螺栓12的支撑。在支撑板3上钻M10的螺纹孔，旋转预紧螺栓12，带动预紧楔形块15上下移动，从而调节施加的预紧力大小。随着预紧楔形块15不断向下移动，利用楔形块的斜面和夹具体自身，使夹持楔形块9不断夹紧试件。

参见图6至图8所示，所述的夹持楔形块9与试件的形状相配合，可选择不同形式成对替换，针对板状试件，可选择平面夹持楔形块；针对圆柱形试件，可选择半圆弧面夹持楔形块。针对不同夹持端的试件，更换夹具方便。

参见图3及图4所示，所述的仿形夹具体5下部开有两个平行于仿形夹具体斜面的夹持块螺钉滑槽502，轴Ⅰ6穿过仿形夹具体5的轴孔Ⅰ503作为一个支点，与轴Ⅱ16、张合拨片7构成杠杆；螺栓穿过仿形夹具体5的夹具体安装孔501及水冷连接法兰1的法兰连接孔102，将仿形夹具体5与水冷连接法兰1连接，方便可靠；仿形夹具体5去除多余材料，尽量减小多余尺寸，去除多余棱角并作倒角处理。夹持部分和预紧部分集成于同一夹具体上，结构紧凑。

所述的电场加载模块是：导向块10同时作为电极，导向块螺钉11采用铜质螺钉，两个夹具的导向块分别与可控电源的正极和负极相连，安装试件后构成闭合回路。

所述的温度场加载模块是：两片氮化硅加热片13分别通过两个螺钉固定在夹持楔形块9上，与试件夹持端充分接触对试件进行传导加热；通过单独的加热控制电源进行加热温度设定和控制；水冷连接法兰1的冷却液通道101中持续通过冷却液，并在水冷连接法兰1和拉伸扭转复合传感器之间放置一定厚度的云母片14增大温度梯度，降低热传导速率，减少温度对拉扭复合传感器的影响。

所述的磁场加载模块是：两个特殊定制的电磁铁，根据不同试验条件垂直或平行于试件轴线方向放置。

所述的仿形夹具体5、夹持楔形块9、导向块10、预紧楔形块15、支撑板3采用奥氏体不锈钢材质，减小磁场对试验结果的影响。

参见图10所示，本发明施加预紧力后带来的初始压缩力的消除办法如下：

步骤1：开机预热并打开测试装置控制程序软件；

步骤2：点击传感器清零按钮；

步骤3：安装试件并预紧；

步骤4：拉伸电机上电，以缓慢的速度进行拉伸，直到拉伸力传感器示数为零时停止；

步骤5：开始材料力学性能测试试验。

预紧部分的原理如图6所示，现分析在竖直方向施加预紧力F的时候，水平方向试件受到的预紧力R是多大。F为通过预紧螺栓作用在预紧楔形块上的力；设F1为预紧楔形块对夹具体的作用力；F2为预紧楔形块对夹持楔形块的作用力；R为预紧楔形块在水平方向上对夹持楔形块的作用力。θ1为预紧楔形块与夹具体接触面的摩擦角；θ2为预紧楔形块与夹持楔形块之间的摩擦角。

水平方向的平衡方程为：

(1)

从而，

(2)

竖直方向的平衡方程为：

(3)

将公式（2）代入公式（3），整理后得

(4)

故 (5)

(6)

将公式（5）代入公式（6），得

(7)

当θ1和θ2为固定值时，F越大，R越大。而且，在0°﹤θ1，θ2﹤90°时成立。故采用这种预紧方式，使作用在竖直方向的预紧力传递到水平方向的试件上时得到放大，可以实现对试件可靠的预紧夹持，满足设计要求。

考虑到在施加预紧力的同时，会在开始测试之前引入对试件的初始压缩应力。故在测试前需要进行应力消除，利用复合载荷材料力学性能测试试验机的控制系统，消除初始压缩应力的控制程序框图如图10所示。

所述的夹持楔形块如图7及图8所示，轴Ⅱ14安装在轴孔Ⅱ902中，当拨动张合拨片时，轴Ⅱ带动夹持楔形块分开。轴Ⅱ上安装回形弹簧，可以使夹持楔形块自行复位。夹持楔形块包括多种形式以适应不同形状的夹持端，在夹持面刻划出沟槽以增大摩擦力，如图7所示。

所述的水冷连接法兰1一端通过M10的螺纹与夹具体连接，另一端通过6个均布的孔与拉扭传感器连接。在水冷连接法兰与拉扭传感器之间放置绝缘垫片，保护传感器不被电场环境损坏以及避免在测试过程中对测量数值的影响。两个夹具之间留有足够的空间，以便对试件施加磁场环境。

所述的电场加载模块中导向块10同时作为电极，导向块螺钉采用铜质螺钉。两个夹具的导向块分别与可控电源的正极和负极相连，安装试件后构成闭合回路。在水冷连接法兰和传感器之间利用厚云母片进行绝缘。

所述的温度场加载模块由两片氮化硅加热片13分别通过两个螺钉固定在夹持楔形块9上，与试件夹持端充分接触对试件进行传导加热。通过单独的加热控制电源进行加热温度设定和控制。水冷连接法兰1中持续通过冷却液，并在水冷连接法兰和传感器之间放置一定厚度的云母板14增大温度梯度，降低热传导速率，减少温度对拉扭复合传感器的影响。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于复合载荷材料力学性能测试的预紧式机械装夹机构，其特征在于：包括电场加载模块、温度场加载模块、磁场加载模块及一对构造相同的夹具，所述一对构造相同的夹具中的一个包括水冷连接法兰（1）、夹持部分、预紧部分，所述夹持部分、预紧部分和水冷连接法兰（1）通过仿形夹具体（5）连接到一起，水冷连接法兰（1）通过与仿形夹具体（5）和拉伸扭转复合传感器连接，水冷连接法兰（1）与拉伸扭转复合传感器之间通过云母片（14）隔离，并在接触拉伸扭转复合传感器的一端均匀涂上高温绝缘涂层；

所述的夹持部分由仿形夹具体（5）、导向块（10）、导向块螺钉（11）、夹持楔形块（9）、轴Ⅰ（6）、轴Ⅱ（16）、张合拨片（7）、复位弹簧和垫片（8），所述仿形夹具体（5）中设置一对夹持楔形块（9），在夹持楔形块（9）上面与夹持楔形块边缘平行地设有矩形滑槽（901），矩形滑槽（901）沿着导向块（10）的凸起滑动，导向块（10）通过导向块螺钉（11）安装在仿形夹具体（5）内；张合拨片（7）通过轴Ⅰ（6）和轴Ⅱ（16）与仿形夹具体（5）连接，由张合拨片（7）、轴Ⅰ（6）、轴Ⅱ（16）组成的杠杆结构带动两个夹持楔形块（9）彼此分开，放入试件夹持端，松开张合拨片（7）后，通过放置在轴Ⅱ（16）上的复位弹簧使夹持楔形块（9）复位、夹紧试件；利用仿形夹具体（5）提供的反作用力，产生夹持力；

所述的预紧部分包括支撑板（3）、支撑螺栓（2）、支撑轴套（4）、预紧螺栓（12）、预紧楔形块（15），所述支撑板（3）和支撑轴套（4）通过两个支撑螺栓（2）固定在仿形夹具体（5）上，构成预紧螺栓（12）的支撑，预紧螺栓（12）和支撑板（3）构成一个螺纹副，通过旋转预紧螺栓（12），带动安装在预紧螺栓（12）底端的预紧楔形块（15）上下移动，利用仿形夹具体（5）的反作用力对夹持楔形块（9）施加预紧力；

所述的电场加载模块是：导向块（10）同时作为电极，导向块螺钉（11）采用铜质螺钉，两个夹具的导向块分别与可控电源的正极和负极相连，安装试件后构成闭合回路；

所述的温度场加载模块是：两片氮化硅加热片（13）分别通过两个螺钉固定在夹持楔形块（9）上，与试件夹持端充分接触对试件进行传导加热；通过单独的加热控制电源进行加热温度设定和控制；水冷连接法兰（1）的冷却液通道（101）中持续通过冷却液；

所述的磁场加载模块是：两个电磁铁垂直或平行于试件轴线方向放置。

2.根据权利要求1所述的用于复合载荷材料力学性能测试的预紧式机械装夹机构，其特征在于：所述的夹持楔形块（9）与试件的形状相配合。

3.根据权利要求1所述的用于复合载荷材料力学性能测试的预紧式机械装夹机构，其特征在于：所述的仿形夹具体（5）下部开有两个平行于仿形夹具体斜面的夹持块螺钉滑槽（502），轴Ⅰ（6）穿过仿形夹具体（5）的轴孔Ⅰ（503）作为一个支点，与轴Ⅱ（16）、张合拨片（7）构成杠杆；螺栓穿过仿形夹具体（5）的夹具体安装孔（501）及水冷连接法兰（1）的法兰连接孔（102），将仿形夹具体（5）与水冷连接法兰（1）连接。

4.根据权利要求1所述的用于复合载荷材料力学性能测试的预紧式机械装夹机构，其特征在于：所述的仿形夹具体（5）、夹持楔形块（9）、导向块（10）采用奥氏体不锈钢材质。

5.根据权利要求1所述的用于复合载荷材料力学性能测试的预紧式机械装夹机构，其特征在于：所述的预紧楔形块（15）、支撑板（3）采用奥氏体不锈钢材质。