CN107843422B - 一种可施加轴向预张力的疲劳试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可施加轴向预张力的疲劳试验装置及方法，该装置包括疲劳加载装置、作动器、第一连接件、试件固定支撑装置、试件、第二连接件、力传感器、轴向加力装置和轴向加力固定支撑装置；试件的一端通过第一连接件与疲劳加载装置连接，疲劳加载装置在作动器的作用下往复运动；试件的另一端通过第二连接件与力传感器相连，力传感器与轴向加力装置相连；当作动器无动力输出时，疲劳加载装置的轴线、试件轴线和轴向加力装置的轴线位于同一直线上，并与水平面平行。通过该装置，可同时提供轴向预张力和疲劳载荷，并且该装置整体结构简单、测量方便，可提高交变荷载频率。
Description
技术领域
本发明涉及疲劳试验领域，更具体地，涉及一种可施加预张力的疲劳试验装置及方法。
背景技术
统计分析表明，断裂、磨损和腐蚀是机械零件的主要失效形式，其中断裂具有突发性，常常会造成严重的事故。根据理论研究和实践，人们认识到机械零件在承受交变载荷时，会出现疲劳现象，积累达到一定程度时零件将发生断裂破坏。造成机械零件发生断裂的众多因素中，由金属疲劳引起的机械零件的断裂失效占80％以上。
一般以机械零件的交变载荷次数为106～107次为基准次数，定义交变载荷的大小为疲劳强度。疲劳强度的大小，与机械零件的材质、加工方式、几何形状、荷载类型均紧密相关。
因此对于承受交变载荷的复杂形状的结构而言，通过理论方法计算得到疲劳强度是非常困难的，因此多采用实验方法测定结构的疲劳情况。一般而言，首先根据结构的使用工况，定义得到交变荷载的参数，其次根据结构的设计使用寿命和交变载荷的频率，施加106～107次交变载荷，观察结构的断裂情况。如果结构没有出现裂纹，则认为该结构在该试验交变载荷下不发生疲劳断裂，即该结构的疲劳强度大于该试验交变载荷对应的应力。
张紧式阴极保护系统中的电缆在海水中，风浪流频繁的冲击运动导致电缆受到循环载荷的作用，同时，由于阴极保护系统上集成的辅助阳极，其轴向尺寸远大于电缆直径，刚度与电缆刚度差距很大，因此在辅助阳极和电缆接触的地方容易发生局部疲劳破坏，同时，张紧式阴极保护系统存在预张力。因此，对于疲劳试验设备而言，必须能同时对电缆部件施加预张力和交变弯矩载荷。
目前的实验设备中，如何保证弯曲载荷的方向、便于计算端部施加的弯矩及提高弯曲载荷加载频率是一个难点。有仅能施加对单一的交变荷载类型的，如拉压疲劳试验机、扭转疲劳试验机以及疲劳试验机(三点弯曲)等，这类实验设备无法提供同时预张力和交变弯矩载荷。还有一类是面向具体机械零部件的，这类实验设备与电缆的荷载工况与固定方式不一致，无法直接使用。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种可施加预张力的疲劳试验装置及方法，达到可提供预张力、交变荷载施加频率高、测量方便、设备简单等目的。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种可施加轴向预张力的疲劳试验装置，其特征在于，包括疲劳加载装置、第一连接件、作动器、试件固定支撑装置、试件、第二连接件、力传感器、轴向加力装置和轴向加力固定支撑装置；
所述试件通过所述试件固定支撑装置被固定；
所述轴向加力装置通过所述轴向加力固定支撑装置被固定；
所述试件的一端通过所述第一连接件与所述疲劳加载装置连接，所述疲劳加载装置在所述作动器的作用下在所述滑箱内往复运动；
所述试件的另一端通过所述第二连接件与所述力传感器相连，所述力传感器与所述轴向加力装置相连；
当所述作动器无动力输出时，所述疲劳加载装置的轴线、所述试件轴线和所述轴向加力装置的轴线位于同一直线上，并与水平面平行。
优选地，所述疲劳加载装置包括滑箱和滑车，所述滑箱为箱体结构，其前侧面中心位置开有纵向的滑车伸出缝，上侧面为可拆卸的挡板，在前侧面内部设有两条关于滑车伸出缝对称的滑轨；所述滑车包括滑车主体和滑轮，在所述滑车主体的中心安装有垂直于所述滑车主体平面的水平伸出杆，所述滑车主体通过所述滑轮与所述滑轨紧密结合，所述水平伸出杆通过滑车伸出缝伸出所述滑箱，并与试件相连。
优选地，所述滑车主体为工字框架，所述滑轮的数量为四个，所述四个滑轮分别通过轴承安装在所述工字框架的四个端点。
优选地，所述滑箱的后侧面为方形盲板法兰，其尺寸大于所述滑箱的前侧面。
优选地，所述滑轨的横截面为凸出圆弧，所述滑轮与所述滑轨接触的表面为凹陷圆弧，所述滑轨与所述滑轮相匹配；或所述滑轨的横截面为凹陷圆弧，所述滑轮与所述滑轨接触的表面为凸出圆弧，所述滑轨与所述滑轮相匹配。
优选地，所述作动器与所述水平伸出杆相连接。
优选地，所述疲劳加载装置还与位移计相连接。
优选地，所述位移计与所述水平伸出杆相连接。
优选地，所述轴向加力装置包括T形丝杠、垫圈和螺帽。
本发明还公开了一种可施加轴向预张力的疲劳试验方法，其特征在于，包括：
S1：将试件安装在试件固定支撑装置上；
S2：利用轴向加力装置对试件施加一定值的轴向预张力；
S3：给定试件的弯矩幅值及载荷循环次数；
S4：根据轴向预张力、试件的弯矩幅值、试件尺寸及作动器的位置，计算作动器的行程；
S5：按步骤S4得到的作动器的行程设置作动器，并设置作动器的频率，通过作动器驱动疲劳加载装置，进行疲劳试验。
优选地，步骤S4中，所述作动器的行程的计算公式为：
其中，v为作动器的行程，M为辅助阳极固定端的弯矩幅值，F为施加的预张力大小，L1为辅助阳极长度，L2为辅助阳极未固定端至作动器的长度。
从上述技术方案可以看出，本发明通过轴向加力装置对试件施加轴向预张力，同时通过作动器驱动疲劳加载装置对试件施加交变弯矩载荷，可以达到同时提供轴向预张力和交变弯矩载荷的目的；通过设计滑车和滑箱结合的疲劳加载装置，并通过滑箱的滑轨与滑车的滑轮之间的连接，保证滑车仅产生一个方向的位移，并且降低滚动摩擦力，可提高交变荷载频率，整体结构简单，测量方便；通过理论计算，将想要施加的交变弯矩载荷的幅值转化为作动器行程，根据对作动器行程的测量来保证交变弯矩载荷的正确性，减少了测量难度。因此，本发明具有显著特点。
附图说明
图1是本发明一具体实施例中的一种可施加轴向预张力的疲劳试验装置的结构示意图；
图2是本发明一具体实施例中的疲劳加载装置的结构示意图；
图3是图2所示的疲劳加载装置的俯视图；
图4是图2所示的疲劳加载装置的侧视图；
图5是图2所示的疲劳加载装置中的滑车的主视图。
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的详细说明。
需要说明的是，在下述的具体实施方式中，在详述本发明的实施方式时，为了清楚地表示本发明的结构以便于说明，特对附图中的结构不依照一般比例绘图，并进行了局部放大、变形及简化处理，因此，应避免以此作为对本发明的限定来加以理解。
在以下本发明的具体实施方式中，请参阅图1，图1是本发明一具体实施例中的一种可施加轴向预张力的疲劳试验装置的结构示意图。如图1所示，一种可施加轴向预张力的疲劳试验装置，包括滑箱2、滑车3、第一连接件4、作动器5、试件固定支撑装置6、试件7、第二连接件8、力传感器9、轴向加力装置和轴向加力固定支撑装置11，滑箱2和滑车3构成疲劳加载装置，滑箱2固定在剪力墙1上。
在本实施例中，试件为一辅助阳极7封装到一根复合电缆13上，辅助阳极7的左端通过试件固定支撑装置6被固定。在试件7的左端提供一轴向预张力，具体地，试件7的左端通过第二连接件8与力传感器9相连，力传感器9与轴向加力装置相连，在本实施例中，轴向加力装置为T形丝杠14、垫圈和螺帽15，通过拧紧螺帽15施加轴向预张力，通过力传感器9可以精确测量轴向预张力的大小，T形丝杠14通过轴向加力固定支撑装置11被固定，在本实施例中，轴向加力固定支撑装置11为一具有固定支撑架10的地墩，T形丝杠14的通孔挡板通过螺栓固定到固定支撑架10上，地墩通过水平台固定在地面上。对试件施加一定的轴向预张力后，在试件7的右端施加弯曲疲劳载荷，在本实施例中，通过作动器5驱动滑车3在滑箱2内做上下往复运动，从而带动试件7产生弯矩。弯曲疲劳载荷的方向也可以沿水平方向，改变滑箱的固定方向即可。
请参考图2，图2为本实施例中弯曲疲劳加载装置的结构示意图。疲劳加载装置由滑箱2和滑车3构成，滑箱2为箱体结构，后侧面21被固定在剪力墙上，具体地，后侧面21可以为方形盲板法兰，尺寸大于前侧面22，通过使用螺丝/螺帽固定在剪力墙上，前侧面22的中心位置开有纵向的滑车伸出缝23，在前侧面22的内部设有两条关于滑车伸出缝23对称的滑轨24(参阅图3)，在本实施例中，滑轨24的横截面为凸出圆弧。滑箱的上侧面为可拆卸的挡板，用来安装滑车，在挡板的中间留出一定宽度的缝隙，可以便于观察滑车，同时方便为滑轮添加润滑剂。请参阅图3～图5，滑车3包括一个滑车主体31和四个等尺寸的滑轮32，滑车主体31包括一工字框架34，以及在工字框架34中心固定安装的垂直于工字框架平面的水平伸出杆33，四个滑轮32分别通过轴承安装在工字框架的四个端点，滑车主体31通过滑轮32与滑箱2内的滑轨24紧密结合，水平伸出杆33通过滑车伸出缝23伸出滑箱。在本实施例中，滑轮32为凹陷圆弧，凹陷圆弧的半径与滑轨24的凸出圆弧的半径相等，以使滑轮与滑轨紧密结合，并且由于是圆弧结构，滚动摩擦力小，便于提升加载频率。或者滑轨的横截面为凹陷圆弧，滑轮与滑轨接触的表面为凸出圆弧，凹陷圆弧与凸出圆弧的半径相等。
作动器5安装在水平伸出杆33的下方，具体地，在作动器的末端固定一具有开口的环状结构，在开口处有连接螺栓的延长部分，环状结构的形状与水平伸出杆的截面形状匹配，将环状结构套在水平伸出杆的根部，并通过螺栓与水平伸出杆固定连接。作动器通过水平伸出杆33带动滑车3往复运动。为了精确测量滑车3的位移大小，还可以在水平伸出杆33的前端安装一位移计12，如图1所示。
当作动器5无动力输出时，滑车3的轴线、水平伸出杆33的轴线、试件7的轴线和轴向加力装置的轴线位于同一直线上，并与水平面平行。
利用上述装置对进行施加轴向预张力的试件进行弯曲疲劳试验的方法，主要包括以下步骤：
S1：将试件安装在试件固定支撑装置上。
在本实施例中，试件7为电缆13及辅助阳极7组成的部件，将电缆13的一端通过第一连接件4连接到滑车主体的水平伸出杆33上，另一端通过第二连接件8连接到力传感器8上，通过试件固定装置6将辅助阳极7固定；力传感器8连接到轴向加力装置上。
S2：利用轴向加力装置对试件施加一定值的轴向预张力。
具体地，调整轴向加力装置，并读取力传感器8的数据，将轴向预张力设置为指定值。
S3：给定试件的弯矩幅值及载荷循环次数。
S4：根据轴向预张力、试件的弯矩幅值、试件尺寸及作动器的位置，计算作动器的行程，对试件施加弯矩。
具体地，调整滑车的初始位置，使滑车的水平伸出杆的轴线、试件轴线和轴向加力装置的轴线位于同一直线上。作动器行程与轴向预张力、设定的弯矩幅值、试件尺寸及作动器的位置存在如下关系：
其中，v为作动器的行程，M为辅助阳极固定端的弯矩幅值，F为施加的预张力大小，L1为辅助阳极长度，L2为辅助阳极未固定端至作动器的长度。
S5：按步骤S4得到的作动器的行程设置作动器，并设置作动器的频率，通过作动器驱动疲劳加载装置，进行弯曲疲劳试验。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种可施加轴向预张力的疲劳试验装置，其特征在于，包括疲劳加载装置、作动器、第一连接件、试件固定支撑装置、试件、第二连接件、力传感器、轴向加力装置和轴向加力固定支撑装置；
所述试件通过所述试件固定支撑装置被固定；
所述轴向加力装置通过所述轴向加力固定支撑装置固定；
所述试件的一端通过所述第一连接件与所述疲劳加载装置连接，所述疲劳加载装置在所述作动器的作用下往复运动；
所述试件的另一端通过所述第二连接件与所述力传感器相连，所述力传感器与所述轴向加力装置相连；
所述疲劳加载装置包括水平伸出杆，
所述试件包括电缆及辅助阳极，将所述电缆的一端通过所述第一连接件连接到滑车主体的水平伸出杆上，另一端通过所述第二连接件连接到所述力传感器上，通过所述试件固定装置将所述辅助阳极固定；
当所述作动器无动力输出时，所述疲劳加载装置的轴线、所述试件轴线和所述轴向加力装置的轴线位于同一直线上，并与水平面平行；
所述疲劳加载装置包括滑箱和滑车，所述滑箱为箱体结构，其前侧面中心位置开有纵向的滑车伸出缝，上侧面为可拆卸的挡板，在前侧面内部设有两条关于滑车伸出缝对称的滑轨；所述滑车包括滑车主体和滑轮，在所述滑车主体的中心安装有垂直于所述滑车主体平面的水平伸出杆，所述滑车主体通过所述滑轮与所述滑轨紧密结合，所述水平伸出杆通过所述滑车伸出缝伸出所述滑箱，并与试件相连。
2.根据权利要求1所述的一种可施加轴向预张力的疲劳试验装置，其特征在于，所述滑车主体为工字框架，所述滑轮的数量为四个，所述四个滑轮分别通过轴承安装在所述工字框架的四个端点。
3.根据权利要求1所述的一种可施加轴向预张力的疲劳试验装置，其特征在于，所述滑箱的后侧面为方形盲板法兰，其尺寸大于所述滑箱的前侧面。
4.根据权利要求1所述的一种可施加轴向预张力的疲劳试验装置，其特征在于，所述滑轨的横截面为凸出圆弧，所述滑轮与所述滑轨接触的表面为凹陷圆弧，所述滑轨与所述滑轮相匹配；或所述滑轨的横截面为凹陷圆弧，所述滑轮与所述滑轨接触的表面为凸出圆弧，所述滑轨与所述滑轮相匹配。
5.根据权利要求1所述的一种可施加轴向预张力的疲劳试验装置，其特征在于，所述作动器与所述水平伸出杆相连接。
6.根据权利要求1所述的一种可施加轴向预张力的疲劳试验装置，其特征在于，所述疲劳加载装置还与位移计相连接。
7.根据权利要求6所述的一种可施加轴向预张力的疲劳试验装置，其特征在于，所述位移计与所述水平伸出杆相连接。
8.一种利用权利要求1～7任意一项所述的装置进行可施加轴向预张力的疲劳试验方法，其特征在于，包括
S1：将试件安装在试件固定支撑装置上；
S2：利用轴向加力装置对试件施加一定值的轴向预张力；
S3：给定试件的弯矩幅值及载荷循环次数；
S4：根据轴向预张力、试件的弯矩幅值、试件尺寸及作动器的位置，计算作动器的行程，对试件施加弯矩；
S5：按步骤S4得到的作动器的行程设置作动器，并设置作动器的频率，通过作动器驱动疲劳加载装置，进行疲劳试验。
9.根据权利要求8所述的一种可施加轴向预张力的疲劳试验方法，其特征在于，步骤S4中，所述作动器的行程的计算公式为：
其中，v为作动器的行程，M为辅助阳极固定端的弯矩幅值，F为施加的预张力大小，L1为辅助阳极长度，L2为辅助阳极未固定端至作动器的长度。
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