CN107192605A - 一种旋转弯曲疲劳的变幅加载试验控制装置 - Google Patents

一种旋转弯曲疲劳的变幅加载试验控制装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种旋转弯曲疲劳的变幅加载试验控制装置，包括控制试件旋转的旋转装置，在所述试件上安装有可旋转的试件夹具，所述试件夹具通过弹性件连接有固定负载块，其特征在于，还包括利用电磁特性将指定重量反复加载至所述固定负载块上的自动加载装置。本发明通过自动加载装置可以实现对材料在变幅加载下的低周、高周和超高周疲劳性能测试。整个装置切合工程实际，其测试结果对工程设计有较大的参考价值。本发明结构简单，操作简便，可得到规范化的实验结果。

Description

一种旋转弯曲疲劳的变幅加载试验控制装置
技术领域
本发明涉及材料疲劳实验技术领域，具体涉及一种在对试件进行旋转弯曲疲劳试验时能够自动加载预定负载的实验装置。
背景技术
在航空航天、铁路交通、生物医学等众多领域，机械结构和零部件经常会伴随有拉压、旋转弯曲或扭转的疲劳问题，并且往往会承受变幅的交变载荷。目前，在疲劳实验技术领域，对试样的变幅加载多采用轴向加载的控制系统，对旋转弯曲的变幅加载尚未有报道。
随着现代工业的发展，机械结构和零部件在工作中承受的交变载荷周次可达到107甚至1010以上，属于超高周疲劳范畴。如采用手动更换砝码进行旋转弯曲疲劳下的变载荷实验，将会耗费大量的精力，如每隔105更换一次砝码，达到108就要更换1000次，即对于52.5Hz的旋转弯曲疲劳试验机来说，要在22天内每隔32分钟更换一次砝码，这几乎是很难完成的，所以急需一种用于旋转弯曲疲劳试验机的自动控制变幅加载试验装置。
此外，关于旋转弯曲疲劳阶梯加载下的裂纹萌生机理和恒幅加载有何异同尚未有研究，研制一种旋转弯曲疲劳变幅加载试验控制装置有利于开展该方面的工作，而且是非常必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种在对试件进行旋转弯曲疲劳试验时能够自动加载变幅负载的实验系统。
特别地，本发明一个实施方式提供一种旋转弯曲疲劳的变幅加载试验控制装置，包括控制试件旋转的旋转装置，在所述试件上安装有可旋转的试件夹具，所述试件夹具通过弹性件连接有固定负载块，其特征在于，还包括利用电磁特性将指定重量反复加载至所述固定负载块上的自动加载装置。
在本发明的一个实施方式中，所述自动加载装置包括安装在所述固定负载块下方受定时器控制的电吸盘，和间隔放置在所述电吸盘下方的变幅负载块。
在本发明的一个实施方式中，所述定时器与所述电吸盘通过线缆连接，并对所述电吸盘采用循环断电的控制方式，使所述电吸盘利用磁力周期吸附所述变幅负载块。
在本发明的一个实施方式中，在所述变幅负载块的下方设置有支撑并调节所述变幅负载块与所述电吸盘之间距离的升降台。
在本发明的一个实施方式中，所述固定负载块、所述电吸盘和所述变幅负载块分别为中心对称形状。
在本发明的一个实施方式中，在所述固定负载块和所述电吸盘的轴心处设置有通孔。
在本发明的一个实施方式中，所述弹性件为弹簧。
在本发明的一个实施方式中，在所述弹性件的下端连接有吊装所述固定负载块的吊杆，所述吊杆的下端为螺纹端，所述吊杆利用螺纹端穿过设置在所述固定负载块轴心处的通孔后，利用螺帽将所述固定负载块限定在所述吊杆的下端。
在本发明的一个实施方式中，所述电吸盘通过内螺纹孔拧在所述吊杆穿过所述固定负载块后的端部。
在本发明的一个实施方式中，所述定时器设置的循环周期包括多组不同时间间隔组成的循环周期，和单组不同时间间隔组成的循环周期，所述试件夹具、弹性件、吊杆、固定负载块、螺帽和电吸盘构成所述试件承受的低应力，加载所述变幅负载块后为所述试件承受的高应力。
本发明利用电吸盘构成的磁力吸附结构实现对材料在变幅加载下的低周、高周和超高周疲劳性能测试。该装置切合工程实际，其测试结果对工程设计有较大的参考价值。本发明结构简单，操作简便，可得到规范化的实验结果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的变幅加载试验控制装置结构示意图；
图2为本发明可实现的变幅加载应力-寿命示意图；
图3为特殊的变幅加载应力-寿命示意图；
图4为实例1的变幅加载应力-寿命示意图；
图例说明，1、旋转装置；2、试件；3、试件夹具；4、弹性件；5、吊杆；6、固定负荷块；7、定时器；8、电吸盘；9、变幅负载块；10、升降台；11、螺帽；12、线缆；nL1、nH1、nL2、nH2、nL3、nH3、nLm、nHm分别为1、2、3、m组低、高应力间隔周次，nL、nH分别为低、高应力间隔周次。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示，在本发明的一个实施方式中公开一种变幅加载试验控制装置，一般性地包括控制试件旋转的旋转装置，在试件上安装有可旋转的试件夹具，试件夹具通过弹性件连接有固定负载块，还包括利用电磁特性将指定重量反复加载至固定负载块上的自动加载装置。
旋转装置1通过旋转电机来夹持试件，其通过安装在试件2上且可圆周转动的试件夹具3来加载试件2承受的指定重量，同时在试件2承受指定重量的情况下再承受变幅加载的预定重量，然后测试在上述状态下的试件2的旋转弯曲疲劳问题。
本实施方式利用电磁的吸附特性，根据预定的通电间隔可以在指定重量的基础上自动实现变幅重量的加载，解决现有手动加载预定重量的繁琐和疲劳强度大等问题，从而轻易实现对试件2在变幅加载下的低周、高周和超高周疲劳性能测试。本实施方式切合工程实际，其测试结果对工程设计有较大的参考价值，而且结构简单，操作简便，可得到规范化的实验结果。
在本发明的一个实施方式中，提供一种具体的自动加载装置的结构，包括与旋转电机的试件夹具3连接的弹性件4，在弹性件4的下端吊装加载指定重量的固定负载块6，在固定负载块6的下方安装受定时器7控制的电吸盘8，在电吸盘8的下方间隔放置预定加载重量的变幅负载块9。
本实施方式中的固定负载块6即为试件2增加的指定重量，该指定重量为试件2在旋转过程中持续承受的重量，一直保持不变。而变幅负载块9则为试件2循环增加的预定重量，该预定重量根据设定的时间加载到试件2上，再离开相应的时间，然后再加载到试件2上，循环上述过程至指定的周期。采用弹性件4可以在加载变幅负载块9时提供相应的缓冲，以减少电吸盘8吸附时的震动影响。定时器7用于设置电吸盘8通电的时间，电吸盘8在通电后产生磁性，而将变幅负载块9吸附起来成为试件2承受的重量，而电吸盘8断电后则失去磁性而使变幅负载块9脱离，使试件2回复到原承受的重量下，因此，通过控制定时器7的时间间隔，即可实现试件2循环加载预定重量的周期性行为。这里定时器7设定的通电时间和断电时间可以一致，也可以不一致。
本申请中的定时器7间歇循环断电的最小定时单位至少需要达到0.1秒，定时器7与电吸盘8通过线缆12连接。具体的弹性件4可以是弹簧一类可实现弹性伸缩的部件。
在本发明的一个实施方式中，为方便调节变幅负载块9与电吸盘8之间的距离，可以在变幅负载块9的下方设置支撑并可调节高度的升降台10，升降台10可以采用现有具备垂直高度调节功能的相应结构，如液压式升降台、丝杆式升降台。
在本发明的一个实施方式中，该固定负荷块6、电吸盘8和变幅负载块9可以分别为中心对称形状，如圆形。采用中心对称形状，可以使试件2承受的重心位于同一轴线上。
为方便安装，可以在固定负载块6和电吸盘8的轴心处设置通孔，弹性件4可以穿过通孔将固定负载块6和电吸盘8固定在下端。
在本发明的一个实施方式中，提供另一种具体的连接结构，在弹性件4的下端可以连接吊装固定负载块6的吊杆5，吊杆5的下端为螺纹端，吊杆5利用螺纹端穿过设置在固定负载块6轴心处的通孔后，利用螺帽11将固定负载块6限定在吊杆5的下端。在更换固定负载块6时，可以直接将吊杆5连带固定负载块6进行一体更换，也可以以将固定负载块6由吊杆5上取下单独更换。
进一步地，该电吸盘8可以通过内螺纹孔拧在吊杆5穿过固定负荷块6后的端部。该结构可以减少连接结构，维持重心稳定。
在进行变幅加载实验时，其中试件夹具3、弹性件4、吊杆5、固定负载块6、螺帽11和电吸盘8的总质量为试件2承受的低应力，而加载变幅负载块9后的质量为试件承受的高应力，即变幅负载块的质量为高应力与低应力之差。
下面介绍如何使用变幅加载试验控制装置，包含步骤如下：
1)、将试件2一端装夹在旋转装置1上，另一端通过轴连接试件夹具3，弹性件4、吊杆5、固定负载块6、电吸盘8依次连接在试件夹具3上并自然下垂，变幅负载块9在升降台10的支撑下间隔位于电吸盘8的下方；
2)、调节升降台10的高度，使变幅负载块9位于电吸盘8的磁力范围内，以保证电吸盘8在通电时能够将其吸起；
3)、启动旋转电机；
4)、定时器7启动，定时器7的最小定位单位为0.1秒，定时器7提供间歇定时通断电信号，电吸盘8可产生相应的循环电磁力。当电吸盘8将变幅负载块9吸起时，试件2承受高应力。在电吸盘8断电后，变幅负载块9与电吸盘8脱离而回落到升降台10上，此时试件2又重新承受低应力，如此循环往复实现变幅循环加载。
如图2所示，为一般情况的变幅加载示意图，其中有m组高、低应力周次间隔为一个加载循环，每组的高、低应力周次间隔都可以设置为不同的时间。如取m＝1，则施加的循环载荷示意图如图3所示，为特殊的两阶阶梯加载。
实施例1：
如图4所示，对试件2施加m＝4组循环载荷。例如，对最小直径为4mm的试件2施加高应力为1000MPa、低应力为800MPa的变幅循环载荷，其中旋转装置加载频率为52.5Hz。设置如表1所示的4组不同的高、低应力周次间隔为一个循环进行4组循环加载。首先，通过弯曲应力计算公式可得到高、低应力对应下的重量分别为14.201kg和11.361kg，即试件夹具3、弹性件4、吊杆5、固定负载块6、螺帽11和电吸盘8的总质量应为11.361kg，而变幅负载块9的质量为两者之差2.840kg。其次，计算高、低应力周次间隔所对应的时间如表2所示，即可按照4组通断电时间设置定时器7，如此循环即可形成如图4所示的循环加载。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种旋转弯曲疲劳的变幅加载试验控制装置，其特征在于，包括控制试件旋转的旋转装置，在所述试件上安装有可旋转的试件夹具，所述试件夹具通过弹性件连接有固定负载块，还包括利用电磁特性将指定重量反复加载至所述固定负载块上的自动加载装置。
2.根据权利要求1所述的变幅加载试验控制装置，其特征在于，
所述自动加载装置包括安装在所述固定负载块下方受定时器控制的电吸盘，和间隔放置在所述电吸盘下方的变幅负载块。
3.根据权利要求2所述的变幅加载试验控制装置，其特征在于，
所述定时器与所述电吸盘通过线缆连接，并对所述电吸盘采用循环断电的控制方式，使所述电吸盘利用磁力周期吸附所述变幅负载块。
4.根据权利要求2所述的变幅加载试验控制装置，其特征在于，
在所述变幅负载块的下方设置有支撑并调节所述变幅负载块与所述电吸盘之间距离的升降台。
5.根据权利要求2所述的变幅加载试验控制装置，其特征在于，
所述固定负载块、所述电吸盘和所述变幅负载块分别为中心对称形状。
6.根据权利要求5所述的变幅加载试验控制装置，其特征在于，
在所述固定负载块和所述电吸盘的轴心处设置有通孔。
7.根据权利要求6所述的变幅加载试验控制装置，其特征在于，
所述弹性件为弹簧。
8.根据权利要求7所述的变幅加载试验控制装置，其特征在于，
在所述弹性件的下端连接有吊装所述固定负载块的吊杆，所述吊杆的下端为螺纹端，所述吊杆利用螺纹端穿过设置在所述固定负载块轴心处的通孔后，利用螺帽将所述固定负载块限定在所述吊杆的下端。
9.根据权利要求8所述的变幅加载试验控制装置，其特征在于，
所述电吸盘通过内螺纹孔拧在所述吊杆穿过所述固定负载块后的端部。
10.根据权利要求9所述的变幅加载试验控制装置，其特征在于，
所述定时器设置的循环周期包括多组时间间隔组成的循环周期，和单组时间间隔组成的循环周期，所述试件夹具、弹性件、吊杆、固定负载块、螺帽和电吸盘构成所述试件承受的低应力，加载所述变幅负载块后为所述试件承受的高应力。
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