CN106680202B - 一种改进型多试件粘接接头湿热循环与交变载荷耦合动态试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种改进型多试件粘接接头湿热循环与交变载荷耦合动态试验装置，由多试件粘接接头疲劳实验加载装置、高低温湿热环境箱、总控制器三大部分组成。本发明装置采用单个动力装置，通过多级杠杆结构对多个试件并联加载，每个试件受摩擦影响一致，保证试件所受载荷大小相等方向相同。该发明装置能实现对粘接试件进行不同温度湿度下的疲劳试验，建立与车窗胶接剂实际作用环境和受力情况近似等效的试验工况，方便后期对车窗胶接剂的疲劳和老化特性进行研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种多试件粘接接头疲劳试验装置，能对多个粘接试件同时进行交变载荷与温度湿度循环耦合的动态试验装置，能够有效模拟粘接结构在复杂环境和应力状态下的受力机理和疲劳特性。
背景资料
目前，高速动车技术高速发展，车用胶接剂在高速动车组车窗玻璃上应用广泛。车窗粘接结构在一定使用寿命后，车窗胶接剂的强度还能否达到使用要求与乘客的生命安全直接相关，因此非常有必要对车窗胶粘剂的疲劳老化特性进行研究，疲劳老化特性能够通过疲劳试验进行验证分析。
结合实际车窗粘接结构的作用环境和受力情况进行分析，车窗胶接剂主要受温度湿度和交变载荷的影响。一、高度动车组运行范围广，往往从北方运行到南方，温度湿度变化大，车窗胶接剂易受温度湿度变化引起的环境疲劳。二、当高速动车组在高速行驶时高速气流导致车窗受负压，车窗胶接剂受垂直于窗体的拉伸载荷作用；当车体静止时车窗内外气压平衡，车窗胶接剂不受垂直于窗体的拉伸载荷作用。车窗正负气压的交替变化，导致车窗胶接剂受垂直于窗体的拉伸交变载荷作用。因此动车在运行的整个过程中车窗胶接剂主要受温度湿度变化和垂直于窗体的拉伸交变载荷的影响。
在研究车窗胶接剂疲劳和老化特性时，由于无法直接对整个动车车窗粘接结构进行受力分析，只能通过粘接试件代替车窗粘接结构来模拟其受力(交变载荷)和工作环境(温度湿度)因素的影响。
发明团队为了对粘接试件进行疲劳试验，申请了发明专利201510598834.1，公布了一种多试件粘接接头蠕变实验加载装置，该装置采用弧形杠杆和杠杆支座组件，可以对多个粘接试件同时串联加载。装置对硬脂胶粘接接头适用，当对软脂胶进行试验时，由于在试验过程中所有试件采用串联加载，试件变形会有一定叠加，变形叠加导致最后试件偏转角度过大，试件受力受影响，且该装置没有说明能进行高低温湿热循环试验。为了针对软脂胶粘接接头变形大的问题，发明团队申请了发明专利201610403941.9，公布了一种多试件湿热循环与交变载荷耦合动态试验装置，可以实现对粘接试件进行交变载荷和湿热循环实验，通过钢丝绳和滑轮进行加载，避免了软脂胶变形大对其他试件的影响。当设计出实物时发现，当对十几个粘接接头进行不同温度湿度的载荷施加时，即使滑轮配有石墨轴承，载荷一定程度上还会受滑轮摩擦力的影响，导致钢丝绳传递的载荷会逐级递减，第一个试件与最后一个试件受力相差在10％左右，每个粘接试件所受的载荷无法同时完全保持一致。
现有疲劳试验装置，有明显的缺点和不足：一是试件加载过程中，受力易受加载结构的重量和摩擦力影响，试验过程中受力不稳定，导致每个试件受力不相等。二是对作用于粘接试件的载荷无法进行实时测量，无法排除结构部件的重量和摩擦力对试件作用力的影响，不确定试件所受载荷是否等于实验方案计划载荷。
为了保证每个试件受力一致，避免试件受加载结构摩擦力影响，且能对作用于粘接试件的载荷进行实时测量，避免结构部件的重量和摩擦力对试件作用力的影响，需要设计一种疲劳试验装置，能对多个试件加载相同大小和方向的力，且能对作用于粘接试件的载荷进行实时测量，确保试件载荷等于实验方案计划载荷。
发明内容
本发明的目的是针对现有粘接剂疲劳实验技术存在的不足，发明一种结构紧凑、可靠性高，能对多个试件粘接接头进行交变载荷与温度湿度循环耦合疲劳试验装置。
本发明疲劳试验装置及方法能对多个粘接试件同时进行加载，实现多个粘接试件在不同环境温度湿度下所受的交变或恒定载荷一样且载荷与试验设定值一致。该试验装置及控制方法能实现对粘接试件进行不同温度湿度下的疲劳试验，建立与车窗胶接剂实际作用环境和受力情况近似等效的试验工况，方便后期对车窗胶接剂的疲劳和老化特性进行研究。
根据附图，说明如下：
一种改进型多试件粘接接头湿热循环与交变载荷耦合动态试验装置，主要由多试件粘接接头疲劳实验加载装置、高低温湿热环境箱、总控制器三大部分组成；
所述的多试件粘接接头疲劳实验加载装置放置于高低温湿热环境箱2的内部，包括对应平行放置的上固定加载板9和下固定加载板20，上、下两个固定加载板之间固定连接多根支撑柱21支撑，加载支撑板10固定安装在上固定加载板9下表面，加载支撑板10、上U形连接件11、粘接试件12、下U形连接件13依次铰接；下U形连接件13与杠杆Ⅲ14一端铰接，杠杆Ⅲ14另一端对应连接相同的一组试件；U形连接件Ⅱ15上端与杠杆Ⅲ14中部铰接，U形连接件Ⅱ15下端与杠杆Ⅱ16一端铰接，杠杆Ⅱ16另一端对应连接相同的一组试件；U形连接件Ⅰ17上端与杠杆Ⅱ16中部铰接，U形连接件Ⅰ17下端与杠杆Ⅰ18一端铰接，杠杆Ⅰ18另一端对应连接相同的一组试件，杠杆Ⅰ18中间与动力装置连接件19铰接；
动力装置8位于高低温湿热环境箱2的外部，动力装置8与动力装置连接件19固定相连，滑套7连接动力装置8和上固定加载板9；
拉力传感器4放置于高低温湿热环境箱2外侧，通过拉力传感器固定架5对其固定，支撑管3位于拉力传感器固定架5和上固定加载板9之间，拉力传感器4使用预紧件6下的钢丝绳穿过支撑管3连接拉力传感器连接件22，拉力传感器连接件22与其中一个下U形连接件13铰接。通过多级杠杆将拉力传感器连接件22与多个粘接试件12并联连接。
总控制器1与动力装置8、高低温湿热环境箱2、拉力传感器4连接形成闭环控制，总控制器1监控调节高低温湿热环境箱2，能够根据读取的拉力传感器4数值调节控制动力装置8对粘接试件施加不同大小和频率的工作载荷。
所述的上固定加载板9设置通孔，加载支撑板10上部为螺纹孔，侧面有销孔，通过螺钉连接上固定加载板9。
所述U形连接件两端有凹槽和销孔，上、下U形连接件的上销孔和下销孔轴线相互垂直，能形成类万向节结构，可以防止粘接试件受弯矩和扭矩的作用。
可利用多级杠杆对多个粘接试件12进行加载，其中一根杠杆Ⅲ14的一端连接拉力传感器4，另一端连接粘接试件12，其余所有杠杆Ⅲ的两端连接粘接试件12。对1个试件进行加载时，需要1级杠杆；对3个试件进行加载时，需要2级杠杆；对7个试件进行加载时，需要3级杠杆；对N个试件进行加载时，假设需要M级杠杆，2M＝N+1，则需要M＝log2(N+1)级杠杆，动力装置8通过U形连接件和多级杠杆对粘接试件施加交变或恒定拉伸载荷，若对N个粘接试件施加拉伸载荷P，则动力装置Ⅰ出力为(N+1)×P。
有益效果：
1、本发明一种改进型多试件粘接接头湿热循环与交变载荷耦合动态试验装置，通过多级杠杆结构对N个试件同时以并联工作方式进行加载，各杠杆倾角不会出现叠加情况，避免软脂胶加载时试件偏转角度过大，防止试件变形对其他试件产生影响。加载结构之间摩擦阻力很小且每个试件受摩擦的影响一致，各试件所受摩擦力不会出现叠加情况，每个试件受力相等方向相同，保证了实验数据的可靠性，可极大地缩短试验周期。
2、本发明一种改进型多试件粘接接头湿热循环与交变载荷耦合动态试验装置，拉力传感器与粘接试件并联加载，拉力传感器间接测得粘接试件所受载荷，拉力传感器测得力＝粘接试件所受载荷，通过拉力传感器对作用于试件上的力进行实时监控，当拉力传感器测得的力等于实验设定力时对粘接试件进行疲劳试验，避免结构的重量和动力传递过程中的摩擦力对粘接试件受力的影响。
3、本发明一种改进型多试件粘接接头湿热循环与交变载荷耦合动态试验装置，通过滑套和支撑管将环境箱内加载装置与外界动力装置连接，动力装置加载时整个实验装置受内力，载荷不传递到高低温湿热环境箱上，避免实验过程中施加的载荷对环境箱造成破坏。
4、本发明一种改进型多试件粘接接头湿热循环与交变载荷耦合动态试验装置，通过单个动力装置对多个粘接试件施加交变或恒定的疲劳载荷，避免了采用多个动力装置时施加载荷不同的情况，减少动力装置的数量和占用环境箱空间容量，既降低了设备成本又收到了节能的效果，降低试验成本。
附图说明
图1为本发明一种改进型多试件粘接接头湿热循环与交变载荷耦合动态试验装置结构示意图；
图2为本发明多试件粘接接头疲劳实验加载装置结构示意图；
图3为本发明动力装置(8)、动力装置连接件(19)、滑套(7)、上固定加载板(9)、支撑柱(21)、下固定加载板(20)、杠杆、U形连接件的结构示意图；
图4为本发明加载支撑板(10)的结构示意图；
图5为本发明U形连接件的结构示意图；
图6为本发明杠杆的结构示意图；
图7为本发明拉力传感器(4)的结构示意图；
图8为本发明粘接试件(12)、上U形连接件(11)、下U形连接件(13)的结构示意图。
其中，1、总控制器 2、高低温湿热环境箱 3、支撑管 4、拉力传感器 5、拉力传感器固定架 6、预紧件 7、滑套 8、动力装置 9、上固定加载板10、加载支撑板 11、上U形连接件12、粘接试件 13、下U形连接件 14、杠杆Ⅲ 15、U形连接件Ⅱ 16、杠杆Ⅱ 17、U形连接件Ⅰ18、杠杆Ⅰ 19、动力装置连接件 20、下固定加载板 21、支撑柱 22、拉力传感器连接件
具体实施方法
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
本发明实例假定本发明能够同时对7个粘接试件进行不同温度湿度下的交变载荷实验。
一种改进型多试件粘接接头湿热循环与交变载荷耦合动态试验装置，主要由多试件粘接接头疲劳实验加载装置、高低温湿热环境箱、总控制器三大部分组成。
如图2所示，所述的多试件粘接接头疲劳实验加载装置，其组成包括：上固定加载板9、下固定加载板20、支撑柱21、加载支撑板10、上U形连接件11、下U形连接件13、粘接试件12、U形连接件Ⅰ17、U形连接件Ⅱ15、动力装置8、动力装置连接件19、杠杆Ⅰ18、杠杆Ⅱ16、杠杆Ⅲ14、拉力传感器连接件22、拉力传感器4、拉力传感器固定架5、支撑管3、预紧件6、滑套7、销轴、螺钉、螺母。
上固定加载板9和下固定加载板20对应平行放置，两个加载板之间放置多根支撑柱21，固定加载板和支撑柱用螺母连接，加载支撑板10通过螺钉安装在上固定加载板9。上U形连接件11通过销轴铰接加载支撑板10，粘接试件12的上端销孔通过销轴与上U形连接件11连接，下端销孔通过销轴与下U形连接件13连接，下U形连接件13通过销轴与杠杆Ⅲ14一端相连。杠杆Ⅲ14另一端对应连接相同的一组试件；杠杆Ⅲ14中间通过销轴与U形连接件Ⅱ15上端铰接，U形连接件Ⅱ15下端通过销轴与杠杆Ⅱ16一端铰接，杠杆Ⅱ16另一端通过销轴对应连接相同的一组试件；杠杆Ⅱ16中间通过销轴与U形连接件Ⅰ17上端铰接，U形连接件Ⅰ17下端通过销轴与杠杆Ⅰ18一端铰接，杠杆Ⅱ18另一端通过销轴对应连接相同的一组试件；杠杆Ⅰ18中间通过销轴与动力装置连接件19铰接。动力装置8与动力装置连接件19相连，滑套7连接动力装置8和上固定加载板9。拉力传感器4放置于环境箱外侧，通过拉力传感器固定架5对其固定，支撑管3位于拉力传感器固定架5和上固定加载板9之间。拉力传感器4使用预紧件6下的钢丝绳连接拉力传感器连接件22，拉力传感器连接件22通过销轴与下U形连接件13铰接。
上固定加载板9设置通孔，加载支撑板10上部为螺纹孔，侧面有销孔，通过螺钉安装在上固定加载板9。
上U形连接件11和下U形连接件13，两端有凹槽和销孔。上、下U形连接件的上销孔和下销孔轴线相互垂直，能形成类万向节结构，可以防止粘接试件受弯矩和扭矩的作用。
粘接试件12由上铝合金试棒、粘接胶层、下铝合金试棒构成，上铝合金试棒和下铝合金试棒的上面各有一个销孔。
动力装置连接件19下端通过销轴与杠杆Ⅰ18中间铰接，上端与动力装置8连接，动力装置8放置于高低温湿热环境箱2外侧。滑套7连接动力装置8和上固定加载板9，防止动力装置8的加载杆过长失稳，动力装置加载时结构受内力，载荷不传递到高低温湿热环境箱2上，避免实验过程中施加的载荷对环境箱造成破坏。
拉力传感器4放置于环境箱外侧，通过拉力传感器固定架5对其固定。拉力传感器4使用预紧件6和钢丝绳连接拉力传感器连接件22，拉力传感器连接件22通过销轴与下U形连接件13铰接。拉力传感器4两端都有螺纹孔，拉力传感器4下面的预紧件6螺纹能和拉力传感器4的螺纹孔配合，通过调节预紧件6可将钢丝绳拉紧。实验开始前，先通过调节预紧件6将钢丝绳拉紧，给拉力传感器4一定的预紧力。拉力传感器4和粘接试件12并联连接，传感器接线端与总控制器1相连，总控制器能够实时显示拉力传感器上的力，拉力传感器4的力读数等于每个粘接试件所受的力。
支撑管3下端接触上固定加载板9上表面，上端接触拉力传感器固定架5下表面，整个加载装置受内力，载荷不传递到高低温湿热环境箱2上，避免实验过程中施加的载荷对环境箱造成破坏。高低温湿热环境箱2上的孔使用密封塞堵住，阻止环境箱内的热气湿气溢出，防止环境箱内温度湿度达不到设定值。
通过加载装置，可利用多级杠杆对多个粘接试件12进行加载，其中一根杠杆Ⅲ14的一端连接拉力传感器4，另一端连接粘接试件12，其余所有杠杆Ⅲ的两端连接粘接试件12。假定需要对N个试件进行施加载荷，对1个试件进行加载时，需要1级杠杆；对3个试件进行加载时，需要2级杠杆；对7个试件进行加载时，需要3级杠杆；对N个试件进行加载时，假设需要M级杠杆，2M＝N+1,则需要M＝log2(N+1)级杠杆。动力装置8通过U形连接件和多级杠杆对粘接试件施加交变或恒定拉伸载荷，若对N个粘接试件施加拉伸载荷P，则动力装置Ⅰ出力为(N+1)×P。
若想对粘接试件施加交变载荷1000N，控制调节动力装置8，当总控制器1监测的拉力传感器4的读数为1000N时，动力装置8工作功率为4500W，则以工作功率4500W对粘接试件加载1000N交变载荷。总控制器1控制高低温湿热环境箱2进行温度湿度循环，同时通过控制动力装置8给粘接试件12一定的交变载荷，对粘接试件12的疲劳老化特性进行研究。能够建立与车窗胶接剂实际作用环境和受力情况近似等效的试验工况，方便后期对车窗胶接剂的疲劳和老化特性进行研究。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
控制方法：
总控制器1与动力装置8、高低温湿热环境箱2、拉力传感器4连接形成闭环控制。总控制器1能够监控高低温湿热环境箱2以恒温恒湿或变温变湿的方式运行，能够根据读取的拉力传感器4数值调节控制动力装置8对多个粘接试件施加相同大小和频率的工作载荷。
实验开始前，先通过调节预紧件6将钢丝绳拉紧，给拉力传感器4一定的预紧力。拉力传感器4和粘接试件12并联连接，传感器接线端与总控制器1相连，总控制器能实时显示拉力传感器4上的力，拉力传感器的力读数等于每个粘接试件所受的力。
拉力传感器4位于环境箱外侧，通过拉力传感器固定架5对其固定，下部通过钢丝绳连接拉力传感器连接件22。通过拉力传感器4对加载装置的载荷进行实时监控，拉力传感器4和粘接试件12并联连接，拉力传感器测得力＝粘接试件作用力，动力装置8作用力平均分配到粘接试件12和拉力传感器4，通过拉力传感器间接测得动力装置8施加给试件的载荷，能够避免结构的重量和动力传递过程中的摩擦力对粘接试件所受载荷的影响。
若想对粘接试件施加交变载荷F，控制调节动力装置8，当总控制器1监测的拉力传感器4的读数为F时，则以当前动力装置8工作功率对粘接试件进行加载。总控制器1控制高低温湿热环境箱2进行温度湿度循环，同时通过控制动力装置8给粘接试件12一定的交变或恒定载荷F。通过对粘接试件12的疲劳老化特性进行研究，建立与车窗胶接剂实际作用环境和受力情况近似等效的试验工况，方便后期对车窗胶接剂的疲劳和老化特性进行研究。
Claims (4)
1.一种改进型多试件粘接接头湿热循环与交变载荷耦合动态试验装置，主要由多试件粘接接头疲劳实验加载装置、高低温湿热环境箱、总控制器三大部分组成；
其特征在于：所述的多试件粘接接头疲劳实验加载装置放置于高低温湿热环境箱(2)的内部，包括对应平行放置的上固定加载板(9)和下固定加载板(20)，上、下两个固定加载板之间固定连接多根支撑柱(21)支撑，加载支撑板(10)固定安装在上固定加载板(9)下表面，加载支撑板(10)、上U形连接件(11)、粘接试件(12)、下U形连接件(13)依次铰接；下U形连接件(13)与杠杆Ⅲ(14)一端铰接，杠杆Ⅲ(14)另一端对应连接相同的一组试件；U形连接件Ⅱ(15)上端与杠杆Ⅲ(14)中部铰接，U形连接件Ⅱ(15)下端与杠杆Ⅱ(16)一端铰接，杠杆Ⅱ(16)另一端对应连接相同的一组试件；U形连接件Ⅰ(17)上端与杠杆Ⅱ(16)中部铰接，U形连接件Ⅰ(17)下端与杠杆Ⅰ(18)一端铰接，杠杆Ⅰ(18)另一端对应连接相同的一组试件，杠杆Ⅰ(18)中间与动力装置连接件(19)铰接；
动力装置(8)位于高低温湿热环境箱(2)的外部，动力装置(8)与动力装置连接件(19)固定相连，滑套(7)连接动力装置(8)和上固定加载板(9)；
拉力传感器(4)放置于高低温湿热环境箱(2)外侧，通过拉力传感器固定架(5)对其固定，支撑管(3)位于拉力传感器固定架(5)和上固定加载板(9)之间，拉力传感器(4)使用预紧件(6)下的钢丝绳穿过支撑管(3)连接拉力传感器连接件(22)，拉力传感器连接件(22)与其中一个下U形连接件(13)铰接，通过多级杠杆将拉力传感器连接件(22)与多个粘接试件(12)并联连接，总控制器(1)与动力装置(8)、高低温湿热环境箱(2)、拉力传感器(4)连接形成闭环控制，总控制器(1)监控调节高低温湿热环境箱(2)，能够根据读取的拉力传感器(4)数值调节控制动力装置(8)对粘接试件施加不同大小和频率的工作载荷。
2.根据权利要求1所述的一种改进型多试件粘接接头湿热循环与交变载荷耦合动态试验装置，其特征在于：所述的上固定加载板(9)设置通孔，加载支撑板(10)上部为螺纹孔，侧面有销孔，通过螺钉连接上固定加载板(9)。
3.根据权利要求1所述的一种改进型多试件粘接接头湿热循环与交变载荷耦合动态试验装置，其特征在于：所述U形连接件两端有凹槽和销孔，上、下U形连接件的上销孔和下销孔轴线相互垂直，能形成类万向节结构，可以防止粘接试件受弯矩和扭矩的作用。
4.根据权利要求1所述的一种改进型多试件粘接接头湿热循环与交变载荷耦合动态试验装置，其特征在于：可利用多级杠杆对多个粘接试件(12)进行加载，其中一根杠杆Ⅲ(14)的一端连接拉力传感器(4)，另一端连接粘接试件(12)，其余所有杠杆Ⅲ的两端连接粘接试件(12)；对1个试件进行加载时，需要1级杠杆；对3个试件进行加载时，需要2级杠杆；对7个试件进行加载时，需要3级杠杆；对N个试件进行加载时，需要M级杠杆，2M＝N+1，则需要M＝log2(N+1)级杠杆，动力装置(8)通过U形连接件和多级杠杆对粘接试件施加交变或恒定拉伸载荷，若对N个粘接试件施加拉伸载荷P，则动力装置Ⅰ出力为(N+1)×P。
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