CN106885729A - 一种平板试件的高温拉压疲劳试验夹具及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平板试件的高温拉压疲劳试验夹具及方法，实现对平板试件在高温试验时的夹持，进而可以在高温条件下进行平板试件的拉压疲劳试验。疲劳机液压夹头夹紧中心轴的光棒端，并通过套筒与连杆相连，中心轴上有固定螺母，用于限制套筒向下的位移；连杆与套筒通过螺丝固定；连杆与楔形夹身通过螺纹连接；中心轴穿过连杆中间的通孔，轴端与导向台连接；导向台位于两个楔形夹块之间的凹槽中，用于引导楔形夹块的上下移动；试件由楔形夹身中的楔形夹块夹持，楔形夹块底部被导向台顶端顶住，两侧与楔形夹身内部的楔形平面接触，限制夹块向上的位移；从楔形夹身两侧螺纹孔中伸出的锁紧螺纹顶端与方形夹块接触，使方形夹块顶住夹块两侧，限制楔形夹块向下的位移。

Description

一种平板试件的高温拉压疲劳试验夹具及方法
技术领域
本发明涉及金属材料疲劳性能试验设备，特别是一种平板试件的高温拉压疲劳试验夹具及方法，属于是金属材料的单轴高温拉伸疲劳试验夹具的设计制造领域。
背景技术
对于需要进行反复拉压的试验要求，例如动静万能疲劳试验，普通的楔形夹具不能满足试验要求，因为这种夹具只能承受单方向的拉伸力，不能承受反向压缩试验力，否则试样会被松开。查阅了已有专利文献，并未发现可以能够解决上述问题的平板试件高温夹具，因此有必要设计一种适用于平板试件的高温拉伸/压缩疲劳试验夹具。
实用新型CN205898563U设计了一种用于薄壁平板试件高频疲劳试验液压夹持装置，利用液压推动撑杆，使弧面楔形滑块压紧板状试件。该专利针对电动液压机设计，通用性较差，而且平板试件尺寸受夹头盖直径限制。
发明专利CN105115819A设计了一种疲劳试验夹具，利用锁紧套的移动推动楔形结构夹块压紧平板试件，用于测试小试件疲劳性能。该夹具设计方案不能满足施加压缩载荷的需要，未考虑长期疲劳试验后锁紧套松动的影响。
实用新型CN205426656U设计了一种高频疲劳试验机两用自动夹具，通过采用组装形式和丝杠螺母机构，实现对板材和棒材试件的自动夹紧工作。该夹具设计方案需要对应的试验机机体改造，适用范围较小。且不能提供压缩载荷，未考虑高温试验条件的影响。
实用新型CN201488914U设计了一种板材疲劳试验夹具，利用带斜面的夹具主体与夹块配合，避免了试验过程中夹紧力松弛。该夹具设计方案不能满足施加压缩载荷的需要，未考虑高温试验条件的影响。
综上，现有技术不能满足平板试件在高温条件下的拉伸/压缩疲劳试验需求。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种平板试件的高温拉压疲劳试验夹具及方法，能够稳定夹持平板试件，并且满足平板试件在高温环境下(高温800℃)的拉伸/压缩疲劳试验需求。
本发明的技术解决方案是：一种平板试件的高温拉压疲劳试验夹具，包括：中心轴(1)、左旋螺母(2)、右旋螺母(3)、套筒杆(4)、套筒(5)、连杆(6)、导向台(7)、挡片(8)、方形夹块(9)、锁紧螺栓(10)、楔形夹身(11)、沉头螺栓(12)、楔形夹块(13)和平板试件(14)；
中心轴(1)的光棒端被疲劳机液压夹头夹紧；中心轴(1)通过螺纹与导向台(7)连接；中心轴(1)套入套筒(5)内，套筒(5)与连杆(6)之间为螺纹连接；左旋螺母(2)和右旋螺母(3)与中心轴(1)连接，用于限制套筒(5)向下的位移；套筒杆(4)与套筒(5)之间为螺纹连接，用以旋转套筒(5)带动导向台(7)上下移动；连杆(6)与楔形夹身(11)之间为螺纹连接；平板试件(14)由两个位于楔形夹身(11)中的楔形夹块(13)夹紧，楔形夹块(13)与导向台(7)之间通过凹槽连接，并被导向台(7)顶住，上面两侧与楔形夹身(11)内部的楔形平面接触，限制楔形夹块(13)向上的位移；楔形夹块(13)下方侧面被两个方形夹块(9)顶住，锁紧螺栓(10)穿过楔形夹身(11)上的螺栓孔并顶住两个方形夹块(9)，限制夹块向下的位移；四个挡片(8)通过四个沉头螺栓(12)与楔形夹身(11)螺纹连接，防止夹块脱出。
在拉伸/压缩疲劳试验中的拉伸部分，拉力通过疲劳机夹头传递给中心轴(1)，并通过轴上的凸台将拉力传给套筒(5)；套筒(5)与连杆(6)通过螺纹连接，从而将拉力传递给了连杆(6)；连杆(6)通过螺纹连接将拉力传递给楔形夹身(11)；楔形夹身(11)中的凹槽侧壁与楔形夹块(13)接触，使得楔形夹块(13)保持压紧的状态；楔形夹块(13)与平板试件(14)接触，通过摩擦力保证平板试件(14)不发生打滑，从而实现了拉伸/压缩疲劳试验中拉伸载荷的施加。
在拉伸/压缩疲劳试验中的压缩部分，压力通过疲劳机夹头传递给中心轴(1)，并进通过与中心轴(1)螺纹连接的右旋螺母(3)和套筒(5)之间的接触，将压力传给套筒(5)，左旋螺母(2)与右旋螺母(3)旋向相反，形成自锁，防止疲劳试验中右旋螺母(3)松动；套筒(5)与连杆(6)通过螺纹连接，从而将压力传递给了连杆(6)；连杆(6)通过螺纹连接将压力传递给楔形夹身(11)；楔形夹身(11)与方形夹块(9)端面接触，使得方形夹块(9)保持压紧的状态；同时与楔形夹身(11)螺纹连接的锁紧螺栓(10)也限制了方形夹块(9)的移动；楔形夹块(13)与平板试件(14)接触，通过摩擦力保证平板试件(14)不发生打滑，从而将压力传给平板试件(14)，从而实现了拉伸/压缩疲劳试验中压缩载荷的施加。
所述中心轴(4)光棒端附近有两段旋向不同的螺纹，其中分别为左旋螺纹和右旋螺纹，右旋螺母(3)和套筒(5)接触以消除螺纹间隙，左旋螺母(2)与右旋螺母(3)互相接触且旋向相反，形成自锁，防止疲劳试验中右旋螺母(3)松动，保证拉伸/压缩疲劳试验中的压缩部分通过中心轴(1)-套筒(5)-连杆(6)-楔形夹身(11)-方形夹块(9)传递到平板试件(14)上。
利用上述的平板试件的高温拉压疲劳试验夹具进行拉伸/压缩疲劳试验的方法，步骤如下：
步骤1：在拉伸/压缩疲劳试验中的拉伸部分，拉力通过疲劳机夹头传递给中心轴(1)，并通过轴上的凸台将拉力传给套筒(5)；
步骤2：套筒(5)与连杆(6)通过螺纹连接，从而将拉力传递给了连杆(6)；
步骤3：连杆(6)通过螺纹连接将拉力传递给楔形夹身(11)；
步骤4：楔形夹身(11)中的凹槽侧壁与楔形夹块(13)接触，使得楔形夹块(13)保持压紧的状态；
步骤5：楔形夹块(13)与平板试件(14)接触，通过摩擦力保证平板试件(14)不发生打滑，从而实现了拉伸/压缩疲劳试验中拉伸载荷的施加。
步骤6：在拉伸/压缩疲劳试验中的压缩部分，压力通过疲劳机夹头传递给中心轴(1)，并进通过与中心轴(1)螺纹连接的右旋螺母(3)和套筒(5)之间的接触，将压力传给套筒(5)；右旋螺母(3)使得中心轴(1)凸台下表面与套筒(5)内平台上表面压紧接触，用左旋螺母(2)限制右旋螺母(3)松动，两个螺母旋向相反，右旋螺母(3)松动时会使左旋螺母(2)进一步旋紧，从而形成自锁，防止疲劳试验中右旋螺母(3)松动；
步骤7：套筒(5)与连杆(6)通过螺纹连接，从而将压力传递给了连杆(6)；
步骤8：连杆(6)通过螺纹连接将压力传递给楔形夹身(11)；
步骤9：楔形夹身(11)与方形夹块(9)端面接触，使得方形夹块(9)保持压紧的状态；同时与楔形夹身(11)螺纹连接的锁紧螺栓(10)也限制了方形夹块(9)的移动；
步骤10：楔形夹块(13)与平板试件(14)接触，通过摩擦力保证平板试件(14)不发生打滑，从而将压力传给平板试件(14)，从而实现了拉伸/压缩疲劳试验中压缩载荷的施加。
本发明与现有疲劳试验夹具方案相比的优点在于：
(1)本发明实现了对平板试件在高温试验时的夹持，进而可以在高温条件下进行平板试件的拉压疲劳试验。疲劳机液压夹头夹紧中心轴的光棒端，并通过套筒与连杆相连，中心轴上有固定螺母，用于限制套筒向下的位移；连杆与套筒通过螺丝固定；连杆与楔形夹身通过螺纹连接；中心轴穿过连杆中间的通孔，轴端与导向台连接；导向台位于两个楔形夹块之间的凹槽中，用于引导楔形夹块的上下移动；试件由楔形夹身中的楔形夹块夹持，楔形夹块底部被导向台顶端顶住，两侧与楔形夹身内部的楔形平面接触，限制夹块向上的位移；从楔形夹身两侧螺纹孔中伸出的锁紧螺纹顶端与方形夹块接触，使方形夹块顶住夹块两侧，限制楔形夹块向下的位移。本发明满足多种尺寸的平板试件的稳定夹持，并实现其在高温条件下的单轴拉伸、拉伸/压缩疲劳。
(2)本发明可用于平板试件在室温至高温800℃的温度范围内的拉伸/压缩疲劳试验；采用感应线圈加热的方式加热平板试件，这样夹具其他位置的热量全部来自于热传递，由于夹具各部件均采用金属材料制造，在高温下也有较高的材料性能，并且部件尺寸相对较大，可以在疲劳载荷下保持较低的应力水平，因此不会在高温疲劳试验时发生疲劳破坏。试验证明，在800℃下进行高温合金疲劳试验时，夹具可以满足使用要求。
(3)本发明采用了合理的螺纹自锁结构，在进行拉伸/压缩疲劳试验时夹具部件不会发生松动使得试件打滑。在拉伸/压缩疲劳试验中的压缩部分，压力通过疲劳机夹头传递给中心轴，并进通过与中心轴螺纹连接的右旋螺母和套筒之间的接触，将压力传给套筒；套筒与连杆通过螺纹连接，从而将压力传递给了连杆；连杆通过螺纹连接将拉力传递给楔形夹身；楔形夹身与方形夹块端面接触，使得方形夹块保持压紧的状态；同时与楔形夹身螺纹连接的锁紧螺栓也限制了方形夹块向下的移动；楔形夹块与平板试件接触，通过摩擦力将压力传给平板试件，从而实现了拉伸/压缩疲劳试验中压缩载荷的施加。此时右旋螺母上表面与套筒下表面接触传递压力。而在拉伸载荷部分，则是中心轴凸台下表面与套筒内平台上表面接触，如果要进行拉伸/压缩疲劳试验，必须保证两个接触表面之间无间隙，因此需要通过右旋螺母使得中心轴凸台下表面与套筒内平台上表面压紧接触，由于疲劳试验时右旋螺母会发生松动，因此用左旋螺母限制右旋螺母松动，两个螺母旋向相反，右旋螺母松动时会使左旋螺母进一步旋紧，从而形成自锁。解决了拉伸/压缩载荷循环施加时夹具部件松动的问题。
(4)本发明的形式简单，加工方便，同时，由于加热位置位于平板试件，传导至夹具中心轴光棒端的热量很少，在进行高温疲劳实验时可减少不必要的热量传递给疲劳机。
附图说明
图1为本发明夹具的结构示意图；
图2为本发明夹具的中心轴示意图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为右视图；
图3为本发明夹具的左旋螺母示意图；其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为右视图；
图4为本发明夹具的右旋螺母示意图，其中(a)为外观图；(b)为左视图；(c)为俯视图；(d)为右视图；
图5为本发明夹具的套筒杆示意图，其中(a)外观图；(b)左视图；(c)俯视图；(d)右视图；
图6为本发明夹具的套筒示意图，其中(a)外观图；(b)外观图；(c)左视图；(d)俯视图；
图7为本发明夹具的连杆示意图，其中(a)外观图；(b)左视图；(c)俯视图；(d)右视图；
图8为本发明夹具的导向台示意图，其中(a)外观图；(b)左视图；(c)俯视图；(d)右视图；
图9为本发明夹具的挡片示意图，其中(a)外观图；(b)前视图；(c)俯视图；(d)右视图；
图10为本发明夹具的方形夹块示意图，其中(a)外观图；(b)左视图；(c)俯视图；(d)右视图；
图11为本发明夹具的锁紧螺栓示意图，其中(a)外观图；(b)左视图；(c)俯视图；(d)右视图；
图12为本发明夹具的楔形夹身示意图，其中(a)外观图；(b)左视图；(c)前视图；(d)俯视图；
图13为本发明夹具的沉头螺栓示意图，其中(a)外观图；(b)左视图；(c)俯视图；(d)右视图；
图14为本发明夹具的楔形夹块示意图，其中(a)外观图；(b)俯视图；(c)前视图；(d)左视图；
图15为本发明中夹具组装在疲劳机上进行试验的总图。
图16为本发明结构剖视图；
图17-25分别为组装上、下夹具过程图。
具体实施方式
本发明主要针对适用于平板试件的可进行拉伸/压缩试验的高温疲劳夹具进行了设计。实际上试验时，整套夹具包括两个本发明夹具，分为上夹具和下夹具，完整安装的总图见图15。
夹具包括以下部件：中心轴1、左旋螺母2、右旋螺母3、套筒杆4、套筒5、连杆6、导向台7、挡片8、方形夹块9、锁紧螺栓10、楔形夹身11、沉头螺栓12、楔形夹块13。
其中，如图1所示，各个组成部件之间的静态位置关系为：楔形夹身11与连杆6之间为螺纹连接，连杆6粗端的上表面与楔形夹身11的下表面接触；中心轴1的细端从连杆6的粗端穿过连杆6中心的通孔，中心轴1顶端通过螺纹与导向台7连接；套筒5从中心轴1光棒端穿入，套筒5内部平台的上表面与中心轴1凸台的下表面接触，套筒5与连杆6之间为螺纹连接；套筒杆4位于套筒5两侧，与套筒5之间螺纹连接；右旋螺母3从中心轴1光棒端穿入，与中心轴1螺纹连接，右旋螺母3上表面与套筒5下表面接触；左旋螺母2从中心轴1光棒端穿入，与中心轴1螺纹连接，左旋螺母2上表面与右旋螺母3下表面接触；两个楔形夹块13下半部分有凹槽，与导向台7之间通过凹槽连接，导向台7上表面与凹槽的上表面接触，楔形夹块13上面两侧与楔形夹身11内部的楔形平面接触；两个方形夹块9放入楔形夹身11内两侧的方形凹槽内，侧面与两个楔形夹块13下方侧面接触；锁紧螺栓10穿过楔形夹身11上的螺栓孔，顶端与两个方形夹块9的侧面接触；四个挡片8通过四个沉头螺栓12与楔形夹身11螺纹连接，挡片的后表面分别与两个方形夹块9和两个楔形夹块13的前表面接触。
分别组装上、下夹具，如图17-25所示，首先组装上夹具，顺序如下：
1.连杆6的细端通过螺纹与与楔形夹身11的螺纹拧紧连接，如图17所示；
2.将中心轴1细端穿过连杆6中心的通孔，并将导向台7从中心轴1顶端套入，通过螺纹与中心轴1拧紧连接，如图18所示；
3.然后将两个楔形夹块13的凹槽对准导向台7放入，如图19所示；
4.接着在楔形夹块13两侧的凹槽中放入两个方形夹块9，如图20所示；
5.再通过四个沉头螺栓12将四个挡片9固定在楔形夹身11上，防止楔形夹块13和方形夹块9脱出，如图21所示；
6.然后将套筒5穿过中心轴1的光棒端，使中心轴1的凸台与套筒5内平台接触，套筒5与连杆6通过螺纹连接，此时无需拧紧，如图22所示；
7.将套筒杆4通过螺纹与套筒拧紧连接，如图23所示；
8.最后，将锁紧螺栓10通过螺纹与楔形夹身11连接，此时锁紧螺栓10无需拧紧，如图24所示；
9.将右旋螺母3和左旋螺母2先后通过螺纹与中心轴1连接，无需拧紧。此时即完成了上夹具的组装，如图25所示。
下夹具的结构与上夹具的结构相同，组装过程相同。首先组装夹具。连杆6的细端通过螺纹与与楔形夹身11的螺纹拧紧连接，然后将中心轴1细端穿过连杆6中心的通孔，并将导向台7从中心轴1顶端套入，通过螺纹与中心轴1拧紧连接，然后将两个楔形夹块13的凹槽对准导向台7放入，接着在楔形夹块13两侧的凹槽中放入两个方形夹块9，再通过四个沉头螺栓12将四个挡片9固定在楔形夹身11上，防止楔形夹块13和方形夹块9脱出。然后将套筒5穿过中心轴1的光棒端，使中心轴1的凸台与套筒5内平台接触，套筒5与连杆6通过螺纹连接，此时无需拧紧，并将套筒杆4通过螺纹与套筒拧紧连接。最后，将锁紧螺栓10通过螺纹与楔形夹身11连接，此时锁紧螺栓10无需拧紧，将右旋螺母3和左旋螺母2先后通过螺纹与中心轴1连接，无需拧紧。此时完成下夹具的组装
完成上、下夹具的组装后，分别将上、下夹具中的接头放入疲劳机液压夹头夹块中，然后夹紧疲劳机夹块。完成夹具的安装。
将平板试件分别放入上、下夹具中的楔形夹块13之间，然后扳动套筒杆4使套筒5带动连杆6和楔形夹身11下降，使楔形夹块13之间的距离减小，与平板试件14接触，通过摩擦力夹紧平板试件14。此时拧紧锁紧螺钉10使其顶端与方形夹块9接触，顶紧楔形夹块13，限制楔形夹块13向下的位移。然后拧紧右旋螺母3使之顶紧套筒5，限制套筒5向下的位移，最后拧紧左旋螺母2顶住右旋螺母3，由于两个螺母螺纹旋向不同，形成自锁，可以防止右旋螺母3松动。此时完成了试件的安装。至此整套夹具的安装完成。
利用感应线圈加热平板试件，使考核段温度保持在800℃，开展高温合金疲劳试验，频率f＝0.5Hz，应力比R＝-0.5，最大拉力载荷T＝50kN，累积开展超过107次循环的疲劳试验，夹具状况良好，说明本发明夹具能够满足平板试件在高温下的拉压疲劳试验。
从上述具体实施过程可以发现，本发明夹具可以进行平板试件在高温下的拉伸/压缩试验。当然地，本发明夹具可用于常温下的拉伸/压缩试验。
提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.一种平板试件的高温拉压疲劳试验夹具，其特征在于：包括中心轴(1)、左旋螺母(2)、右旋螺母(3)、套筒杆(4)、套筒(5)、连杆(6)、导向台(7)、挡片(8)、方形夹块(9)、锁紧螺栓(10)、楔形夹身(11)、沉头螺栓(12)、楔形夹块(13)和平板试件(14)；
中心轴(1)的一端即光棒端与疲劳机相连，另一端通过螺纹与导向台(7)连接；中心轴(1)套入套筒(5)内，套筒(5)与连杆(6)之间为螺纹连接；左旋螺母(2)通过右旋螺母(3)与中心轴(1)连接，套筒杆(4)与套筒(5)之间为螺纹连接；连杆(6)与楔形夹身(11)之间为螺纹连接；平板试件(14)由两个位于楔形夹身(11)中的楔形夹块(13)夹紧，楔形夹块(13)与导向台(7)之间通过凹槽连接；楔形夹块(13)下方侧面被两个方形夹块(9)顶住，锁紧螺栓(10)穿过楔形夹身(11)上的螺栓孔并顶住两个方形夹块(9)；四个挡片(8)通过四个沉头螺栓(12)与楔形夹身(11)螺纹连接。
2.根据权利要求1所述的平板试件高温拉压疲劳试验夹具，其特征在于：所述方形夹块(9)与楔形夹块(13)的侧面压紧，限制楔形夹块(13)向下的位移，防止平板试件(14)在承受压力时打滑。
3.根据权利要求1所述的平板试件高温拉压疲劳试验夹具，其特征在于：所述左旋螺母(2)和右旋螺母(3)螺纹旋向相反，形成自锁效果，限制套筒(5)向下的位移。
4.根据权利要求1所述的平板试件高温拉压疲劳试验夹具，其特征在于：所述楔形夹块(13)夹持面为平面，与方形夹块(9)和楔形夹身(11)接触的接触面为两个斜面，限制楔形夹块(13)向下和向上的位移。
5.一种利用权利要求1所述的平板试件的高温拉压疲劳试验夹具进行拉伸/压缩疲劳试验的方法，其特征在于步骤如下：
步骤1：在拉伸/压缩疲劳试验中的拉伸部分，拉力通过疲劳机夹头传递给中心轴(1)，并通过轴上的凸台将拉力传给套筒(5)；
步骤2：套筒(5)与连杆(6)通过螺纹连接，从而将拉力传递给了连杆(6)；
步骤3：连杆(6)通过螺纹连接将拉力传递给楔形夹身(11)；
步骤4：楔形夹身(11)中的凹槽侧壁与楔形夹块(13)接触，使得楔形夹块(13)保持压紧的状态；
步骤5：楔形夹块(13)与平板试件(14)接触，通过摩擦力保证平板试件(14)不发生打滑，从而实现了拉伸/压缩疲劳试验中拉伸载荷的施加。
步骤6：在拉伸/压缩疲劳试验中的压缩部分，压力通过疲劳机夹头传递给中心轴(1)，并进通过与中心轴(1)螺纹连接的右旋螺母(3)和套筒(5)之间的接触，将压力传给套筒(5)；右旋螺母(3)使得中心轴(1)凸台下表面与套筒(5)内平台上表面压紧接触，用左旋螺母(2)限制右旋螺母(3)松动，两个螺母旋向相反，右旋螺母(3)松动时会使左旋螺母(2)进一步旋紧，从而形成自锁，防止疲劳试验中右旋螺母(3)松动；
步骤7：套筒(5)与连杆(6)通过螺纹连接，从而将压力传递给了连杆(6)；
步骤8：连杆(6)通过螺纹连接将压力传递给楔形夹身(11)；
步骤9：楔形夹身(11)与方形夹块(9)端面接触，使得方形夹块(9)保持压紧的状态；同时与楔形夹身(11)螺纹连接的锁紧螺栓(10)也限制了方形夹块(9)的移动；
步骤10：楔形夹块(13)与平板试件(14)接触，通过摩擦力保证平板试件(14)不发生打滑，从而将压力传给平板试件(14)，从而实现了拉伸/压缩疲劳试验中压缩载荷的施加。
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