CN106370532B - 一种高寒气候户外环境-拉、压、弯载荷耦合试验装置 - Google Patents

Abstract

采用本发明的一种高寒气候户外环境‑拉、压、弯载荷耦合试验装置，包括机箱（12）及位于机箱（12）内的测试装置，在所述机箱（12）的顶面设置有两根相对的立柱（6）且分别位于所述机箱（12）顶面的两端，在两根立柱（6）的上部套设有上横梁（2），在所述上横梁（2）的外侧面上安装有静载加荷机构（1），在所述上横梁（2）的内侧面上安装有夹具（3），还包括设置在高寒气候户外环境下的隔离室（18），所述上横梁（2）、静载加荷机构（1）和所述夹具（3）位于所述隔离室（18）外，所述机箱（12）及机箱内的测试装置位于所述隔离室（18）内。采用本发明的实验装置，能够测试出材料在高寒气候户外环境下真正的力学性能。

Description

一种高寒气候户外环境-拉、压、弯载荷耦合试验装置

技术领域：

本发明涉及材料力学性能试验领域，特别涉及一种可在高寒气候户外环境开展材料拉、压、弯载荷疲劳试验的试验设备。

背景技术：

随着我国战略需求的转变，高寒边疆环境早已成为装备服役的热点区域，高寒、大温差、太阳辐射等严酷的高寒气候环境对装备环境适应性提出了严峻的考验。高寒气候环境服役的装备材料，由于长时间的复杂高寒气候环境与反复的拉伸、压缩、弯曲等工况载荷的耦合作用，导致装备关键结构件和部分功能件提前腐蚀/老化失效，装备整体性能急剧下降，严重影响装备的可靠安全服役。因此，提供先进、有效的试验装置研究高寒气候环境与拉、压、弯工况载荷耦合作用下的装备材料力学性能变化已经成为保障装备高寒气候环境服役必不可少的基本要求。

目前，国内外对于高寒气候环境与拉、压、弯工况载荷耦合作用下的材料力学性能试验没有有效的方法，也没有相关的标准和设备。为了掌握环境因素与拉、压、弯工况载荷相互作用下材料性能变化，研究人员在普通疲劳试验装置基础上增加能够实验室模拟温度、湿度等环境因素的环境箱，如中国专利“深冷环境材料力学性能检测试验装置（CN102798573 A）”公开了一种可实现从常温到液氮温度的材料疲劳试验装置，中国专利“液氮温区材料三点弯曲多试样连续测试装置（CN 103900914 A）”公开了一种低温下多试样自动换样、一次装样可连续测试多个试样的三点弯曲测试装置。目前，已有的疲劳试验装置，仅仅是将普通疲劳试验装置增加能够实验室模拟温度、湿度等环境因素的环境箱，通常仅能进行单一环境条件的模拟。高寒气候环境下装备服役过程中，除遭受反复的拉、压、弯工况载荷影响外，装备构件材料尤其是高分子材料，通常是在太阳辐射、高寒、大温差、湿度等多种环境因素综合作用下腐蚀/老化失效。因此，现有的疲劳试验装置由于仅仅是实验室条件下模拟单一环境因素对材料的影响，不能真实反映复杂的高寒气候环境与拉、压、弯工况载荷耦合作用下的疲劳力学性能变化，且现有的疲劳试验装置本身能否在高寒气候户外环境下工作也没有相关报道。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种能够在高寒气候户外环境下开展材料拉、压、弯载荷疲劳试验等力学性能检测的设备，克服现有疲劳试验装置仅能在实验室模拟单一环境因素对材料性能影响存在的不足，填补疲劳试验装置在气候环境-工况载荷耦合试验技术方面的空白。

为了达到上述目的，本发明是这样实现的：一种高寒气候户外环境-拉、压、弯载荷耦合试验装置，包括机箱及位于机箱内的测试装置，在所述机箱的顶面设置有两根相对的立柱且分别位于所述机箱顶面的两端，在两根立柱的上部套设有上横梁，在所述上横梁的外侧面上安装有静载加荷机构，在所述上横梁的内侧面上安装有夹具，所述静载加荷机构与所述夹具的一端连接，在所述夹具的另一端连接有撑杆，所述撑杆与所述机箱内的测试装置连接，其特征在于：还包括设置在高寒气候户外环境下的隔离室，所述上横梁、静载加荷机构和所述夹具位于所述隔离室外，所述机箱及机箱内的测试装置位于所述隔离室内。采用上述方式设置的试验设备，能够真实地测试出材料在高寒环境下的力学性能。使得测试结果更加真实、可靠、精确、准确。其中、所述立柱、撑杆、静载荷加载机构、夹具等可采用耐寒材料。其中，所述上横梁的外侧面是指所述上横梁朝向所述立柱延伸的那一面，相反的一面为内侧面。

为了进一步方便操作，所述隔离室部分位于地面之下，部分位于地面之上。采用这样的设置还能提高试验装置的稳定性和可靠性。

为了进一步提高效率，所述夹具有多个，每一个夹具都与一个撑杆的上端部连接，每一个撑杆的下端部均与下横梁连接，所述下横梁与所述机箱内的测试装置连接。

为了进一步提高测力精度，在每一个撑杆的下端均套设有温度补偿传感器。

进一步地，所述下横梁与所述机箱内的振幅加载机构连接。

为了进一步提高测试的稳定性，所述振幅加载机构包括与所述下横梁连接的运动部件，所述运动部件下部通过曲柄滑块机构驱动，所述曲柄滑块机构通过伺服电机驱动，在所述运动部件的两侧设置有直线导轨。

为了进一步提高曲柄滑块机构调节精度，在所述曲柄滑块机构上还设置有振幅调整垫块。具体为在曲柄的台阶和滑块之间垫入有严格公差要求的不同厚度垫块。

进一步地，在所述机箱的两侧设置有支承座，所述支撑座与所述机箱两侧面连接。

为了进一步提高测试结果的准确性，在所述机箱的底面设置有角度调整机构，所述角度调整机构由至少一个可拆卸地角度架组成，在所述角度架底面设置有支座。

优选地，所述角度架为两个且可拆卸的安装在所述支座与所述机箱的底面之间，其中一个角度架为15°，另一个角度架为30°。

采用本发明的有益效果为：

1. 本发明的试验装置可在高寒气候户外环境下耐久工作，实现材料在高寒气候环境-拉、压、弯载荷耦合作用下的疲劳试验；

2. 本发明的试验装置上半部分曝露在高寒气候户外环境中，包括上横梁、立柱、夹具和试样等，保证了试样在真实的自然环境中进行拉、压、弯载荷疲劳试验；

3. 本发明的试验装置下半部分固定在钢筋混凝土基础内，包括电机、传动机构、力传感器、计算机、振幅调节机构及其它电器元件，避免了试验装置不耐寒部分直接暴露于高寒气候户外环境中，可有效保证试验装置长久工作；

4. 本发明的试验装置设计了摆角调整机构，试验装置可根据需求调整到与水平面成30°、45°、15°、90°等角度，试样可以接收不同角度的光照、雨雪等自然环境条件腐蚀/老化的影响；

5. 本发明的试验装置设有短信报警功能，在试样断裂或设备发生异常时向事先设定的手机号码发送信息，有效确保试验的正常运行与事故的及时处理；

6. 本发明的实验装置测试出的材料的力学性能更真实可靠、准确度和精度更高。

附图说明：

图1 为实施例中高寒气候环境材料力学性能试验装置；

图2为不含隔离室的试验装置主视图；

图3为图2的轴测图；

图4为机箱及测试装置剖视图；

图5为拉伸夹具结构图；

图6为压缩夹具结构图；

图7为弯曲夹具结构图。

标号说明：1静载加荷机构；2上横梁；3夹具；4试件；5温度补偿传感器；6立柱；7直线导轨；8运动部件；9支撑座；10振幅调整垫块；11曲柄滑块机构；12机箱；13角度调整机构；14传动机构；15伺服电机；16主轴系统；17撑杆；18隔离室；19下横梁；20角度架；21支座；22试件；31拉伸夹具；311夹嘴部；32压缩夹具，322压盘；33弯曲夹具；331压头；332夹具体。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，但本发明并不局限于这些实施方式，任何在本实施例基本精神上的改进或代替，仍属于本发明权利要求所要求保护的范围。

实施例：如图1-7所示，一种高寒气候户外环境-拉、压、弯载荷耦合试验装置，包括机箱12及位于机箱12内的测试装置，在所述机箱12的顶面设置有两根相对的立柱6且分别位于所述机箱12顶面的两端，在两根立柱6的上部套设有上横梁2，在所述上横梁2的外侧面上安装有静载加荷机构1，在所述上横梁2的内侧面上安装有夹具3，所述静载加荷机构1与所述夹具3的一端连接，在所述夹具3的另一端连接有撑杆17，所述撑杆17与所述机箱12内的测试装置连接，还包括设置在高寒气候户外环境下的隔离室18，所述上横梁2、静载加荷机构1和所述夹具3位于所述隔离室18外，所述机箱12及机箱内的测试装置位于所述隔离室18内。其中，所述上横梁2的外侧面是指所述上横梁2朝向所述立柱6延伸的那一面，相反的一面为内侧面。而且所述上横梁2套设在所述立6柱上之后，可以通过锁紧螺钉进行定位锁紧，立柱6下端与所述机箱12之间可通过涨紧套锁紧。使得上横梁2、立柱6与机箱12之间形成一个封闭的受力框架。另外，所述隔离室18可以全部位于地面下、可全部位于地面上、也可部分位于地面之下部分位于地面之上。本实施例中采用或者，即所述隔离室18部分位于地面上部分位于地面下，这样一来，一是能够提高试验装置的稳定性，避免其被强、台风影响，二是能够方便操作人员进入隔离室中进行操作。

另外，所述夹具3可以为单个和多个，比如说3个、4个、8个、10个等等。但在本实施例中，所述夹具3具有5个且沿所述上横梁2的轴向均匀排列。且每一个夹具3都与一个撑杆17的上端部连接，每一个撑杆17的下端部均与下横梁19连接，所述下横梁与19所述机箱12内的测试装置连接。并且，在每一个撑杆17的下端均套设有温度补偿传感器5。

其中，所述测试装置包括设置在所述机箱12内的振幅加载机构、传感器及其他电器元件等。所述下横梁19与所述机箱12内的振幅加载机构连接，所述振幅加载机构包括与所述下横梁19连接的运动部件8，所述运动部件8下部通过曲柄滑块机构11驱动，所述曲柄滑块机构11通过伺服电机15驱动，在所述运动部件8的两侧设置有直线导轨7。其中，所述伺服电机15设置在所述机箱内的一侧，所述伺服电机15通过传动机构14（比如说皮带机构或齿轮机构等）将动力传递到主轴系统16，所述主轴系统16驱动所述曲柄滑块机构11，所述曲柄滑块机构11在将动力传递给运动部件8，所述运动部件8上下直线运动，并将动力传递给下横梁19，进而传递待测试的工件，对待测试的工件进行振幅的加载。并且，在所述运动部件8的两侧设置的直线导轨7能保证所述运动部件8直线运动。另外，在所述曲柄滑块机构11上还设置有振幅调整垫块10。具体结构为：曲柄与旋转主轴相连，滑块与直线导轨相连，整个机构将旋转运动转化为直线往复运动；当曲柄的台阶和滑块之间垫入有严格公差要求的不同厚度垫块时，滑块产生相对数值的偏心距离，曲柄转动时与滑块连接的直线运动机构产生对应的振幅。

在本实施例中，所述试验装置通过在所述机箱12的两侧设置支承座9进行支撑。所述支撑座9与所述机箱12两侧面连接。其中连接方式可以为螺钉连接、铰接、焊接等等。在本实施例中，在所述机箱12的两侧设置有向外凸出的圆柱体，在所述支撑座9的顶部设置有上下两垫块，在所述上下两垫块之间设置有与所述圆柱体相配合的通孔，所述圆柱体位于所述通孔内，且所述上下两垫块之间通过螺钉连接。

另外，在所述机箱12的底面设置有角度调整机构，所述角度调整机构13包括设置在所述机箱12底面的至少一个角度架20，另外，在所述角度调整机构的底面还设置有用于支撑的支座21，所述角度架20可拆卸地连接在所述机箱12底面与所述支座21顶面之间。在本实施例中，所述角度架12为两个，其中一个角度架12为15°，另一个角度架12为30°。其中任意一个角度架12均由相互具有角度的两平板构成，在两平板之间设置有加强筋，并且在两平板上且沿其外围均设置有通孔或者螺纹孔，以便于将平板与所述机箱12的底面、支座21的顶面或者其他角度架12的平板连接。所以在调整试件22的角度时，只需通过调整角度架20即可达到。如当仅使用30°的角度架时，所述试件22与水平面呈60°夹角，当仅使用15°的角度架时，所述试件22与水平面呈75°夹角，当同时使用30°和15°的角度架时，所述试件22与水平面呈45°夹角。当然还可以增加各种角度的角度架20，各个角度架20之间可相互组合以调节所述试件22与水平面的夹角。

另外，在本实施例中，所述夹具至少具有三种，分别为拉伸夹具31、压缩夹具32和弯曲夹具33。其中，所述拉伸夹具31由上下两个夹嘴部311组成，试件22位于上下两夹嘴部311之间，上夹嘴部通过锁紧螺母与所述静载加荷机构1连接，下夹嘴部通过锁紧螺钉与所述撑杆17连接。所述压缩夹具32有上下两个压盘321组成，试件22位于上下两个压盘321之间，其中上压盘与静载加荷机构1连接，下压盘与所述撑杆17连接。所述弯曲夹具33由压头331和夹具体332组成，其中压头331与所述静载加荷机构1连接，夹具体332与所述撑杆17连接。

采用本实施例的高寒气候环境材料力学性能试验装置，在试验过程中，将试件22装上夹角3，并通过静载加荷机构1调整试件22的预载荷，然后将所述试验装置的静载加荷机构1、试件22及部分立柱6和撑杆17从所述隔离室18的顶部伸出到户外，然后采用封闭板将所述隔离室18的顶部封闭，其中所述封闭板为可调整的多块，且所述封闭板可以为独立设置，也可套设在所述立柱6与撑杆17之间。将所述隔离室18封闭之后，操作人员可启动测试装置，使得振幅加载机构对试件22进行力的加载，并采用传感器和计算机计算试件的力学性能。而且本实施例的试验装置设有短信报警功能，在试样断裂或设备发生异常时向事先设定的手机号码发送信息，有效确保试验的正常运行与事故的及时处理。

采用本实施例的试验装置，能够在高寒气候户外环境下耐久工作，实现材料在高寒气候环境-拉、压、弯载荷耦合作用下的疲劳试验。并且本实施例的试验装置上半部分曝露在高寒气候户外环境中，包括上横梁2、立柱6、夹具3和试件22等，保证了试件22在真实的自然环境中进行拉、压、弯载荷疲劳试验；试验装置下半部分固定在钢筋混凝土基础内，包括电机、传动机构、力传感器、计算机、振幅调节机构及其它电器元件，避免了试验装置不耐寒部分直接暴露于高寒气候户外环境中，可有效保证试验装置长久工作。

而且，本实施例的试验装置设计了角度调整机构13，试验装置可根据需求调整到与水平面成15°、30°、45°、90°等角度，试样可以接收不同角度的光照、雨雪等自然环境条件腐蚀/老化的影响。最后采用本实施例的实验装置测试出的材料的力学性能更真实可靠、准确度和精度更高。

Claims (10)

1.一种高寒气候户外环境-拉、压、弯载荷耦合试验装置，包括机箱（12）及位于机箱（12）内的测试装置，在所述机箱（12）的顶面设置有两根相对的立柱（6）且所述立柱（6）分别位于所述机箱（12）顶面的两端，在两根立柱（6）的上部套设有上横梁（2），在所述上横梁（2）的外侧面上安装有静载加荷机构（1），在所述上横梁（2）的内侧面上安装有夹具（3），所述静载加荷机构（1）与所述夹具（3）的一端连接，在所述夹具（3）的另一端连接有撑杆（17），所述撑杆（17）与所述机箱（12）内的测试装置连接，其特征在于：还包括设置在高寒气候户外环境下的隔离室（18），所述上横梁（2）、静载加荷机构（1）和所述夹具（3）位于所述隔离室（18）外，所述机箱（12）及机箱内的测试装置位于所述隔离室（18）内。

2.如权利要求1所述的高寒气候户外环境-拉、压、弯载荷耦合试验装置，其特征在于：所述隔离室（18）部分位于地面之下，部分位于地面之上。

3.如权利要求1或2所述的高寒气候户外环境-拉、压、弯载荷耦合试验装置，其特征在于：所述夹具（3）有多个，每一个夹具（3）都与一个撑杆（17）的上端部连接，每一个撑杆（17）的下端部均与下横梁（19）连接，所述下横梁（19）与所述机箱（12）内的测试装置连接。

4.如权利要求3所述的高寒气候户外环境-拉、压、弯载荷耦合试验装置，其特征在于：在每一个撑杆（17）的下端均套设有温度补偿传感器（5）。

5.如权利要求4所述的高寒气候户外环境-拉、压、弯载荷耦合试验装置，其特征在于：所述下横梁（19）与所述机箱（12）内的振幅加载机构连接。

6.如权利要求5所述的高寒气候户外环境-拉、压、弯载荷耦合试验装置，其特征在于：所述振幅加载机构包括与所述下横梁（19）连接的运动部件（8），所述运动部件（8）下部通过曲柄滑块机构（11）驱动，所述曲柄滑块机构（11）通过伺服电机驱动，在所述运动部件（8）的两侧设置有直线导轨（7）。

7.如权利要求6所述的高寒气候户外环境-拉、压、弯载荷耦合试验装置，其特征在于：在所述曲柄滑块机构（11）上还设置有振幅调整垫块（10）。

8.如权利要求7所述的高寒气候户外环境-拉、压、弯载荷耦合试验装置，其特征在于：在所述机箱（12）的两侧面分别连接有支承座（9）。

9.如权利要求1、2和4-8中任一项所述的高寒气候户外环境-拉、压、弯载荷耦合试验装置，其特征在于：在所述机箱（12）的底面设置有角度调整机构（13），所述角度调整机构（13）由至少一个可拆卸地角度架（20）组成，在所述角度架（20）底面设置有支座（21）。

10.如权利要求9所述的高寒气候户外环境-拉、压、弯载荷耦合试验装置，其特征在于：所述角度架（20）为两个且可拆卸的安装在所述支座（21）与所述机箱（12）的底面之间，其中一个角度架为15°，另一个角度架为30°。

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