CN108362555B - 一种材料轴向疲劳可调对中试验夹具及其载荷分配方法 - Google Patents

一种材料轴向疲劳可调对中试验夹具及其载荷分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种材料轴向疲劳可调对中试验夹具及其试验加载确定方法。传统的材料轴向疲劳试验设备及夹具很难保证试验时试验件较高的对中性，影响疲劳试验数据的准确性。本夹具可以通过调整中间调整块位置，消除试验设备导致的不对中性，从而使得试验件受力状态为二力杆状态，试验时试样件仅受纯轴向载荷，保证疲劳试验数据的高准确性。本发明采用载荷分配法加载，通过上、下压块将轴向载荷分别作用在试验件和陪试件上，通过改变试验件和陪试件到夹具中心的距离，实现载荷的准确分配。本发明最大优点在于：可避免传统夹具以及试验设备的不对中性对材料轴向载荷疲劳试验数据的影响，极大提高轴向载荷疲劳试验数据的准确性。

Description

一种材料轴向疲劳可调对中试验夹具及其载荷分配方法
技术领域
本发明涉及夹具领域，尤其涉及一种材料轴向疲劳可调对中试验夹具及其载荷分配方法。
背景技术
材料或由其加工而成的构件、设备在载荷的反复作用下都会产生疲劳损伤。据统计，约有50%~90%的机械结构破坏属于疲劳破坏。疲劳尤其是材料的疲劳是RV减速器、轨道交通、航空、航天等工程领域关注的问题，学者们利用试验来确定材料的疲劳性能。
疲劳性能的主要衡量指标是疲劳寿命，即：在某一载荷下疲劳破坏时的载荷循环次数，或至断裂的时间。目前评定材料疲劳性能的基本方法就是通过试验测定其S-N曲线（疲劳曲线），即：建立最大应力σ max或应力振幅σ a与相应的断裂循环周次N之间的曲线关系。
目前，针对材料尤其金属材料的疲劳特性曲线的试验大部分都在高、低频疲劳机等试验设备上开展，试验中，被测材料通常制成棒状或板状。
高、低频疲劳试验设备开展材料轴向载荷疲劳试验时，夹具通常采用简单的单轴式结构。这种传统夹具难以保证夹具与试验机主轴良好的同轴性（对中性），并实现试验件的纯轴向受载状态。如果试验设备不对中或者夹具同轴度较差时，试样件就会承受额外的附加载荷，将会对试验结果产生较大影响，导致试验数据的不精确性。
发明内容
本发明针对传统夹具的缺陷，提出一种操作方便、分配载荷准确并且能调整试验件对中的可调对中试验夹具，可以保证夹具良好的对中性，从而极大地提高材料轴向疲劳试验数据的准确性。
本发明的技术方案为：
一种材料轴向疲劳可调对中试验夹具，包括上压块组件、下压块组件、中间调整块和试件连接装置。
所述上压块组件与所述下压块组件同轴对置，布置方向相反。
所述中间调整块沿周向均布大于螺栓直径的通孔。
所述中间调整块位于上压块组件和下压块组件之间，与下压块组件螺栓连接。
圆柱试验件、陪试件或板材试验件通过所述试件连接装置上、下两部分与上压块组件和中间调整块固定连接。
优选地，所述试件连接装置为棒材试验件和陪试件连接装置，其由第一上固定块、第二上固定块、第一下固定块、第二下固定块、第一连接螺母、第二连接螺母、第三连接螺母、第四连接螺母、第一连接套筒、第二连接套筒、第三连接套筒和第四连接套筒组成；
所述第一上固定块和第二上固定块与上述上压块组件螺栓连接，所述第一下固定块和第二下固定块与上述中间调整块螺栓连接；
所述第一连接螺母和第二连接螺母分别与圆柱试验件两端通过螺纹连接，所述第三连接螺母和第四连接螺母分别与陪试件的两端通过螺纹连接；
所述第一连接套筒的内螺纹与所述第一上固定块的外螺纹连接固定第一连接螺母，所述第二连接套筒的内螺纹与所述第一下固定块的外螺纹连接固定第二连接螺母，从而固定圆柱试验件；所述第三连接套筒的内螺纹与所述第二上固定块的外螺纹连接固定第三连接螺母，所述第四连接套筒的内螺纹与所述第二下固定块的外螺纹连接固定第四连接螺母，从而固定陪试件。
优选地，上述上压块组件的底部端面和中间调整块的上端面上沿直径均有突出的滑动导向机构，且两滑动导向机构正相对；
上述第一上固定块和第二上固定块的一端端面上开有滑动槽，与上压块组件的底部端面突出的滑动导向机构相配合；
上述第一下固定块和第二下固定块一端端面上开有滑动槽，与中间调整块的上端面突出的滑动导向机构相配合；
上述第一上固定块的另一端面有突出的滑动导向机构，与第一连接螺母上的槽相配合；
上述第二上固定块的另一端面有突出的滑动导向机构，与第三连接螺母上的槽相配合；
上述第一下固定块的另一端面有突出的滑动导向机构，与第二连接螺母上的槽相配合；
上述第二下固定块的另一端面有突出的滑动导向机构，与第四连接螺母上的槽相配合。
优选地，所述试件连接装置为板材试验件连接装置，其由上夹紧圆柱、下梯形夹块、下夹紧圆柱、下连接滑块、上梯形夹块和上连接滑块组成；
所述下连接滑块与上述中间调整块螺栓连接，所述上连接滑块与上述上压块组件螺栓连接；
所述下梯形夹块和上梯形夹块均由左右对称的两部分组成，板材试验件夹持在所述两部分之间；
所述上夹紧圆柱与所述上连接滑块螺栓连接固定所述上梯形夹块，所述下夹紧圆柱与所述下连接滑块螺栓连接固定所述下梯形夹块，从而固定板材试验件。
优选地，上述上压块组件的底部端面和中间调整块的上端面上沿直径均有突出的滑动导向机构，且两滑动导向机构正相对；
上述下连接滑块与中间调整块相对的端面有滑动槽，该滑动槽与中间调整块上端面突出的滑动导向机构相配合；上述上连接滑块与上压块组件相对的端面有滑动槽，该滑动槽与上压块组件底部端面突出的滑动导向机构相配合。
优选地，上述下连接滑块与下连接滑块相对的端面有圆形突起结构，上述上连接滑块与上连接滑块相对的端面有圆形突起结构。
优选地，上述上压块组件和下压块组件均为一体式结构，上压块组件的上端和下压块组件的下端连接试验设备。
优选地，上述中间调整块沿周向均布的通孔为腰型孔。
一种调整试验件对中性和试验件准确施加载荷的方法，具体步骤如下：
1）上压块组件通过螺纹连接到试验设备上压头连接螺纹孔，拧紧固定；
2）上固定块/上连接滑块通过螺栓与上压块组件连接固定；
3）用试件连接装置固定试验件和陪试件，并使试件末端伸出连接螺母/梯形夹块1-2mm，以保证试件端面可以直接和上-下固定块或者上-下连接滑块接触，载荷施加方式采用分载施加，试验件和陪试件分别处于夹具中心的两侧，试验件和陪试件的位置通过调整与夹具中心的距离确定，实现载荷准确分配，试验件和陪试件所受轴向载荷比为其到夹具中心距离的反比（即试验设备施加的总载荷按距离反比关系分配到试验件和陪试件）；
4）中间调整块通过螺栓和下压块组件连接，中间调整块所开孔为比螺栓直径大的腰孔，通过调整中间调整块在试验设备的位置，实现试验件的对中性；
5）下压块组件通过螺纹连接到试验设备下压头连接螺纹孔，拧紧固定。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明通过材料轴向疲劳可调对中试验夹具大大降低试验设备不对中性对轴向疲劳试验的影响，提高了试验数据的准确性；
（2）本发明通过调整接口连接结构，实现了棒材和板材试验件在同一套夹具上的轴向疲劳试验，兼容性高；
（3）本发明提出通过控制距离实现分载受力的思想（即改变试验件和陪试件至夹具中心的距离实现试验件精确受载控制的方法），实现载荷的准确分配；
（4）本发明较传统材料轴向疲劳试验夹具操作方便，便于维护。
附图说明
图1为棒材试验件和陪试件夹具结构示意图；
图2为棒材试验件和陪试件连接装置示意图；
图3为板材试验件夹具结构示意图；
图4为板材试验件连接装置示意图；
图中，1-上压块组件，2-第一连接套筒，4-第二连接套筒， 8-第三连接套筒，10-第四连接套筒，3-圆柱试验件，5-中间调整块，6-第一下固定块，11-第二下固定块，7-下压块组件，9-陪试件，12-第一上固定块，15-第二上固定块，13-第一连接螺母，14-第二连接螺母，16-第三连接螺母，17-第四连接螺母，18-上夹紧圆柱，19-板材试验件，20-下梯形夹块，21-下夹紧圆柱块，22-下连接滑块，23-上梯形夹块，24-上连接滑块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示的棒材试验件和陪试件夹具结构，包括上压块组件1、中间调整块5、棒材试验件和陪试件连接装置及下压块组件7。
上压块组件1和下压块组件7均为“土”字形的一体式结构。
上压块组件1和下压块组件7同轴对置且布置方向相反，上压块组件1的上端和下压块组件7的下端连接试验设备。
中间调整块5位于上压块组件1和下压块组件7之间，其周向均布腰型孔用于与下压块组件7螺栓连接，腰形孔大于螺栓直径用以保证试验件的对中调整，实现试验件的纯轴向载荷受力状态。
圆柱试验件3或陪试件9通过棒材试验件和陪试件连接装置上、下两部分进行固定，棒材试验件和陪试件连接装置上部分与上压块组件1的底部端面螺栓连接，棒材试验件和陪试件连接装置下部分与中间调整块5的上端面螺栓连接，上压块组件1的底部端面和中间调整块5的上端面上沿直径均有突出的滑动导向机构，且两滑动导向机构正相对。
如图2所示的试验件和陪试件连接装置，包括：第一上固定块12、第二上固定块15、第一下固定块6、第一下固定块11、第一连接螺母13、第二连接螺母14、第三连接螺母16、第四连接螺母17、第一连接套筒2、第二连接套筒4、第三连接套筒8和第四连接套筒10；
第一上固定块12和第二上固定块15的一端端面上开有滑动槽，与上压块组件1的底部端面突出的滑动导向机构相配合；第一下固定块6和第二下固定块11一端端面上开有滑动槽，与中间调整块5的上端面突出的滑动导向机构相配合；
第一上固定块12的另一端面有突出的滑动导向机构，与第一连接螺母13上的槽相配合；
第二上固定块15的另一端面有突出的滑动导向机构，与第三连接螺母16上的槽相配合；
第一下固定块6的另一端面有突出的滑动导向机构，与第二连接螺母14上的槽相配合；
第二下固定块11的另一端面有突出的滑动导向机构，与第四连接螺母17上的槽相配合；
第一连接螺母13和第二连接螺母14分别与圆柱试验件3两端通过螺纹连接，第三连接螺母16和第四连接螺母17分别与陪试件9的两端通过螺纹连接；
第一连接套筒2的内螺纹与第一上固定块12的外螺纹连接固定第一连接螺母13，第二连接套筒4的内螺纹与第一下固定块6的外螺纹连接固定第二连接螺母14，从而固定圆柱试验件3；第三连接套筒8的内螺纹与第二上固定块15的外螺纹连接固定第三连接螺母16，第四连接套筒10的内螺纹与第二下固定块11的外螺纹连接固定第四连接螺母17，从而固定陪试件9。
陪试件9较圆形试验件3直径大，能够保证足够的刚度和强度。当试验设备提供轴向压载荷时，压载荷通过上压块组件1传到第一上固定块12和第二上固定块15，保证试验能按预先加载进行工作，第一上固定块12直接传递到圆形试验件3，第二上固定块15直接传递到陪试件9；当试验设备施加轴向拉载荷时，通过上压块组件1传到第一上固定块12和第二上固定块15，第一上固定块12通过螺纹连接传到第一连接套筒2，第二上固定块15通过螺纹连接传到第三连接套筒8，第一连接套筒2通过面接触传到第一连接螺母13，第三连接套筒8通过面接触传到第三连接螺母16，第一连接螺母13通过螺纹连接传到圆形试样件3，第三连接螺母16通过螺纹连接传到陪试件9，从而使试验件受到轴向拉载荷。
如图3及图4所示的板材试验件连接装置，包括：上连接滑块24、下连接滑块22、上夹紧圆柱18、下夹紧圆柱21、上梯形夹块23和下梯形夹块20。
下连接滑块22的一端端面上有滑动槽，与中间调整块5上端面突出的滑动导向机构相配合；上连接滑块24的一端端面上有滑动槽，与上压块组件1底部端面突出的滑动导向机构相配合。
下连接滑块22和上连接滑块24相对各自滑动槽面的另一端面上均有圆形突起结构。下连接滑块22与中间调整块5螺栓连接，上连接滑块24与上压块1螺栓连接。
下梯形夹块20和上梯形夹块23均由左右对称的两部分组成，板材试验件19夹持在两部分之间，板材试验件19的两端面分别与下连接滑块22和上连接滑块24的圆形突起端面接触。
上夹紧圆柱18与上连接滑块24螺栓连接固定上梯形夹块23，下夹紧圆柱21与下连接滑块22螺栓连接固定下梯形夹块20，从而固定板材试验件19。
当试验设备提供轴向压载荷时，压载荷通过上压块组件1传到上滑块24，保证试验能按预先加载进行工作，上滑块24的圆形突起将压载荷直接传递给板材试验件19；当试验设备施加轴向拉载荷时，通过上滑块24传到上夹紧圆柱18，上夹紧圆柱18传至上梯形夹块23进而使板材试验件19受到轴向拉载荷。
上压块组件1和中间调整块5上沿滑动导向机构两侧开的用于连接试件连接装置的螺纹孔位置由加载方法确定。
此外也可沿着上压块组件1和中间调整块5的滑动导向机构两侧，上下对应地均匀开螺纹孔，按照装置连接需要使用对应的螺纹孔。
一种调整试验件对中性和试验件准确施加载荷的方法如下：
1）上压块组件通过螺纹连接到试验设备上压头连接螺纹孔，拧紧固定；
2）上固定块/上连接滑块通过螺栓与上压块组件连接固定；
3）用试件连接装置固定试验件和陪试件，并使试件末端伸出连接螺母/梯形夹块1-2mm，以保证试件端面可以直接和上-下固定块或者上-下连接滑块接触，载荷施加方式采用分载施加，试验件和陪试件分别处于夹具中心的两侧，试验件和陪试件的位置通过调整与夹具中心的距离确定，实现载荷准确分配，试验件和陪试件所受轴向载荷比为其到夹具中心距离的反比（即试验设备施加的总载荷按距离反比关系分配到试验件和陪试件）；
4）中间调整块通过螺栓和下压块组件连接，中间调整块所开孔为比螺栓直径大的腰孔，通过调整中间调整块在试验设备的位置，实现试验件的对中性；
5）下压块组件通过螺纹连接到试验设备下压头连接螺纹孔，拧紧固定。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将本说明书视为具有示范性，而且为非限制性。本发明的范围由所附权利要求，而不是上述说明限定。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，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种材料轴向疲劳可调对中试验夹具，其特征在于，包括：上压块组件（1）、中间调整块（5）、下压块组件（7）和试件连接装置；
上压块组件（1）与下压块组件（7）同轴对置，布置方向相反；
中间调整块（5）沿周向均布大于螺栓直径的通孔；
中间调整块（5）位于上压块组件（1）和下压块组件（7）之间，与下压块组件（7）螺栓连接；
圆柱试验件（3）及陪试件（9）通过所述试件连接装置上、下两部分与上压块组件（1）和中间调整块（5）固定连接;
所述试件连接装置为棒材试验件和陪试件连接装置，其由第一上固定块（12）、第二上固定块（15）、第一下固定块（6）、第二下固定块（11）、第一连接螺母（13）、第二连接螺母（14）、第三连接螺母（16）、第四连接螺母（17）、第一连接套筒（2）、第二连接套筒（4）、第三连接套筒（8）和第四连接套筒（10）组成；
第一上固定块（12）和第二上固定块（15）与上压块组件（1）螺栓连接，第一下固定块（6）和第二下固定块（11）与中间调整块（5）螺栓连接；
第一连接螺母（13）和第二连接螺母（14）分别与圆柱试验件（3）两端通过螺纹连接，第三连接螺母（16）和第四连接螺母（17）分别与陪试件（9）的两端通过螺纹连接；
第一连接套筒（2）的内螺纹与第一上固定块（12）的外螺纹连接固定第一连接螺母（13），第二连接套筒（4）的内螺纹与第一下固定块（6）的外螺纹连接固定第二连接螺母（14），从而固定圆柱试验件（3）；第三连接套筒（8）的内螺纹与第二上固定块（15）的外螺纹连接固定第三连接螺母（16），第四连接套筒（10）的内螺纹与第二下固定块（11）的外螺纹连接固定第四连接螺母（17），从而固定陪试件（9）。
2.根据权利要求1所述的一种材料轴向疲劳可调对中试验夹具，其特征在于，上压块组件（1）的底部端面和中间调整块（5）的上端面上沿直径均有突出的滑动导向机构，且两滑动导向机构正相对；
第一上固定块（12）和第二上固定块（15）的一端端面上开有滑动槽，与上压块组件（1）的底部端面突出的滑动导向机构相配合；第一下固定块（6）和第二下固定块（11）一端端面上开有滑动槽，与中间调整块（5）的上端面突出的滑动导向机构相配合；
第一上固定块（12）的另一端面有突出的滑动导向机构，与第一连接螺母（13）上的槽相配合；
第二上固定块（15）的另一端面有突出的滑动导向机构，与第三连接螺母（16）上的槽相配合；
第一下固定块（6）的另一端面有突出的滑动导向机构，与第二连接螺母（14）上的槽相配合；
第二下固定块（11）的另一端面有突出的滑动导向机构，与第四连接螺母（17）上的槽相配合。
3.根据权利要求1或2所述的一种材料轴向疲劳可调对中试验夹具，其特征在于，上压块组件（1）和下压块组件（7）均为一体式结构，上压块组件（1）的上端和下压块组件（7）的下端连接试验设备。
4.根据权利要求1或2所述的一种材料轴向疲劳可调对中试验夹具，其特征在于，中间调整块（5）沿周向均布的通孔为腰型孔。
5.一种权利要求1所述材料轴向疲劳可调对中试验夹具的载荷分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）上压块组件通过螺纹连接到试验设备上压头连接螺纹孔，拧紧固定；
2）上固定块/上连接滑块通过螺栓与上压块组件连接固定；
3）用试件连接装置固定圆柱试验件和陪试件，并使圆柱试验件末端伸出连接螺母1-2mm，以保证圆柱试验件端面可以直接和上-下固定块接触，载荷施加方式采用分载施加，圆柱试验件和陪试件分别处于夹具中心的两侧，圆柱试验件和陪试件的位置通过调整与夹具中心的距离确定，实现载荷准确分配，圆柱试验件和陪试件所受轴向载荷比为其到夹具中心距离的反比；
4）中间调整块通过螺栓和下压块组件连接，中间调整块所开孔为比螺栓直径大的腰孔，通过调整中间调整块在试验设备的位置，实现圆柱试验件的对中性；
5）下压块组件通过螺纹连接到试验设备下压头连接螺纹孔，拧紧固定。
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