CN108037025A - 一种测试材料疲劳强度的多次冲击落锤装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明创造涉及一种测试材料疲劳强度的多次冲击落锤装置和方法，利用曲柄运动原理，其特征在于，包括由电动机驱动的惯性轮、落锤、锤架和侧边轨道，锤架与惯性轮通过连接杆连接，落锤与锤架通过锤架导轨在侧边轨道内滑动，落锤的中心轴处设置加速度传感器，试件的背面设置应变计；该装置可以弥补现有落锤技术中无法施加往复荷载的技术缺陷，在往复弯曲荷载下，该装置可以通过使用特定质量和速度来获得疲劳寿命。
Description
技术领域：
本发明创造涉及一种测试材料疲劳强度的多次冲击落锤装置和方法，该装置可以弥补现有落锤技术中无法施加往复荷载的技术缺陷，在落锤多次冲击的往复弯曲荷载下，该装置可以通过已知的特定质量和速度来获得疲劳寿命。
背景技术：
往复冲击载荷的抗力是每种材料强度的特征值，并且，重要的是阐明材料在往复冲击弯曲载荷下的疲劳寿命，往复冲击载荷下的金属强度已经有很多不同的作者从不同的角度进行了研究，然而，在往复冲击弯曲载荷下对脆性材料如混凝土和岩石尚未有如此之多的研究。
由于测试方法和估算方法尚未规范，因此尚未有确定脆性材料疲劳寿命的方法，通过先前的研究，我们发现往复冲击荷载下材料的疲劳寿命随冲击速度而变化是合理的。
因此，通过用不同质量的落锤，来实现对试件的往复冲击，发明了测试材料疲劳强度的多次冲击落锤装置和方法。
发明内容：
本发明创造为了解决现有实验装置和方法中没有考虑用落锤施加往复荷载从而估计疲劳寿命的缺陷，提供了一种在往复弯曲荷载下估计脆性材料疲劳强度的新型装置和方法，其可以实现用不同质量的落锤对试件施加往复荷载。
为解决上述技术问题，本发明创造提供了一种测试材料疲劳强度的多次冲击落锤装置，其特征在于：包括由电动机驱动的惯性轮(200V—400W)、落锤、锤架和侧边轨道，锤架与惯性轮通过连接杆连接，利用曲柄运动原理，落锤与锤架通过锤架导轨在侧边轨道内滑动，落锤的中心轴处设置加速度传感器(容量：1000g，频率响应：0～20kHz)，用于测量落锤的加速度，试件的背面设置应变计，通过应变计在试件的背面测量试件的应变。
进一步的，落锤设置有突出物进入锤架的通孔，使得落锤与锤架通过锤架导轨一起在侧边轨道内滑动，并同时满足落锤与锤架间存在一定范围内的相对滑动，使得落锤撞击试件后回弹时有一段缓冲。
进一步的，落锤的形状是正方形，落锤撞击侧具有弯曲的边缘。
一种测试材料疲劳强度的多次冲击落锤方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：打开驱动惯性轮(200V—400W)转动的发动机开关，使发动机开始工作，发动机驱动惯性轮转动，使落锤被缓慢抬高，惯性轮通过连接杆带动锤架和落锤作往复运动，落锤至最低点时，落锤以一定的速度冲击试件中部，试件被支撑在一段弯曲跨度上，由橡胶带固定住；
步骤二：发动机继续工作，使得惯性轮转动，从而使得落锤再次被缓慢抬高；
步骤三：重复以上步骤1和2的操作，对试件施加往复荷载；
步骤四：通过加速度传感器测量落锤的加速度，通过应变计在试件的背面测量试件的应变，动态应变放大器将加速度和应变的响应记录在数据记录器中，将记录的数据存储在微型计算机中，计算疲劳寿命。
冲击水平S表示公式如下见式(1)：
S＝M(V0-V1) (1)
式中：M是落锤的质量，V0是落锤的击打前的速度，V1是落锤的反弹后的速度。
冲击水平S是从锤击行程的加速度曲线获得的特征值，也是表示由锤的冲程造成的试样的大小损伤的措施。
落锤加速度变化的性质几乎与试件应变的性质一致，使得落锤的加速度曲线可以用作表示试件的冲击载荷随时间变化的量度。
重复冲击荷载下试件的疲劳寿命频率分布可以作为对数正态分布，当Y(N)表示以锤击次数N断裂的试件的数量时，Y(N)和疲劳寿命的对数之间的关系可以被视为正态分布，对于每个冲击水平，可以在有序统计量理论的基础上获得在锤击次数N上的试件的破坏概率P(N∈)，在本文中，疲劳寿命是不同冲击水平下试件的代表值，P(N∈)—Log N∈的关系用正态概率图绘制，然后将疲劳寿命作为从线P(N∈)—Log N∈中获得的P(N)＝50％的数。
从曲线可以获得在特定质量、特定速度的落锤的冲击下试件的疲劳寿命
弯曲点之前公式(2)如下：
弯曲点之后公式(3)如下：
当落锤以特定速度V0、以特定质量M的重复打击试件时，通过在替换MX和VOX之后求解公式(2)和公式(3)的联立方程式来获得疲劳寿命
进一步的，通过使用动量作为单位来表现冲击水平，使得结果可以考虑到打击和反弹的方向、荷载的大小以及脉冲加载时间，动量是在锤击过程中通过加速度传感器得到的加速度曲线而获得的特征值。
进一步的，惯性轮的转速为25～75rpm。
进一步的，落锤为2kg、3kg、4kg、5kg，分别使用不同重量的落锤进行冲击试件。
本发明所达到的有益效果：本发明涉及提供了一种在往复弯曲荷载下估计脆性材料疲劳强度的新型装置和方法，其可以实现用不同质量的落锤对试件施加往复荷载。
附图说明：
图1本发明创造装置示意图；
图2本发明创造装置工作状态一；
图3本发明创造装置工作状态二；
图4本发明创造装置工作状态三；
图5本发明创造装置工作状态四；
图6本发明创造装置测量系统。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
下面结合实例对本发明作更进一步的说明。
如图1至图5所示，一种测试材料疲劳强度的多次冲击落锤装置，其特征在于：包括由电动机驱动的惯性轮1、落锤2、锤架3和侧边轨道，锤架3与惯性轮通过连接杆4连接，落锤与锤架通过锤架导轨在侧边轨道内滑动，落锤的中心轴处设置加速度传感器，试件槽内试件5的背面设置应变计。
进一步的，落锤设置有突出物进入锤架的通孔，使得落锤与锤架通过锤架导轨一起在侧边轨道内滑动，并同时满足落锤与锤架间存在一定范围内的相对滑动。
进一步的，落锤的形状是正方形，落锤撞击侧具有弯曲的边缘。
一种测试材料疲劳强度的多次冲击落锤方法，其特征在于：包括以下步骤：打开驱动惯性轮(200V—400W)转动的发动机开关，使发动机开始工作，驱动惯性轮转动，使落锤被缓慢抬高落锤至最低点时，落锤以一定的速度冲击试件中部，试件被支撑在一段弯曲跨度上，由橡胶带固定住
步骤一：打开驱动惯性轮(200V—400W)转动的发动机开关，使发动机开始工作，发动机驱动惯性轮转动，惯性轮通过连接杆带动锤架和落锤作往复运动，使落锤被缓慢抬高，至最高点时即为图2工作状态，之后发动机继续工作，惯性轮转动使得落锤处于图3工作状态，之后落锤以一定的速度冲击试件中部，即图4所示工作状态，试件被支撑在一段弯曲跨度上，由橡胶带固定住，落锤以给定的速度敲击在试件的中部；
步骤二：发动机继续工作，使得惯性轮转动，即为图5所示工作状态，从而使得落锤再次被缓慢抬高；
步骤三：重复以上步骤1和2的操作，对试件施加往复荷载；
步骤四：如图6所示，通过加速度传感器测量落锤的加速度，通过应变计在试件的背面测量试件的应变，动态应变放大器将加速度和应变的响应记录在数据记录器中，将记录的数据存储在微型计算机中，计算。
进一步的，通过使用动量作为单位来表现冲击水平，动量是在锤击过程中通过加速度传感器得到的加速度曲线而获得的特征值。
进一步的，惯性轮的转速为25～75rpm。
进一步的，落锤为2kg、3kg、4kg、5kg，分别使用不同重量的落锤进行冲击试件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种测试材料疲劳强度的多次冲击落锤装置，其特征在于：包括由电动机驱动的惯性轮、落锤、锤架和侧边轨道，锤架与惯性轮通过连接杆连接，落锤与锤架通过锤架导轨在侧边轨道内滑动，落锤的中心轴处设置加速度传感器，试件的背面设置应变计。
2.根据权利要求1所述的一种测试材料疲劳强度的多次冲击落锤装置，其特征在于：落锤设置有突出物进入锤架的通孔，使得落锤与锤架通过锤架导轨一起在侧边轨道内滑动，并同时满足落锤与锤架间存在一定范围内的相对滑动。
3.根据权利要求1所述的一种测试材料疲劳强度的多次冲击落锤装置，其特征在于：落锤的形状是正方形，落锤撞击侧具有弯曲的边缘。
4.一种测试材料疲劳强度的多次冲击落锤方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：发动机驱动惯性轮转动，惯性轮通过连接杆带动锤架和落锤作往复运动，落锤至最低点时，落锤以一定的速度冲击试件中部；
步骤二：发动机继续工作，使得惯性轮转动，从而使得落锤再次被缓慢抬高；
步骤三：重复以上步骤1和2的操作，对试件施加往复荷载；
步骤四：通过加速度传感器测量落锤的加速度，通过应变计在试件的背面测量试件的应变，动态应变放大器将加速度和应变的响应记录在数据记录器中，将记录的数据存储在微型计算机中，计算疲劳寿命。
5.根据权利要求4所述的一种测试材料疲劳强度的多次冲击落锤方法，其特征在于：通过使用动量作为单位来表现冲击水平，动量是在锤击过程中通过加速度传感器得到的加速度曲线而获得的特征值。
6.根据权利要求4所述的一种测试材料疲劳强度的多次冲击落锤方法，其特征在于：惯性轮的转速为25〜75 rpm。
7.根据权利要求4所述的一种测试材料疲劳强度的多次冲击落锤方法，其特征在于：落锤重量分别为2kg、3kg、4kg、5kg，分别使用不同重量的落锤进行冲击试件。
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