CN108387508A - 一种具有金属疲劳与摩擦性能检测功能的试验装置 - Google Patents

一种具有金属疲劳与摩擦性能检测功能的试验装置 Download PDF

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张亚峰
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Abstract

提供一种具有金属疲劳与摩擦性能检测功能的试验装置，包括底座，底座上端面两侧垂直设有立柱，立柱上部固定安装支撑座，安装支撑座下部弹性连接转动夹体装置，安装支撑座上部固定有通过转动夹体装置驱动被测试样下压及旋转的加载装置，底座上端面设有容器体，容器体内底面固定有摩擦副，摩擦副上端面为水平平面，摩擦副上端面制有与被测试样下端形状适配的凹槽，摩擦副下端面固定应变片传感器Ⅰ，被测试样上设应变片传感器Ⅱ。本发明适用于不同金属材料的检测试样，通用型强，使用范围广，能进行高频率的试验，提高疲劳试验装置的性能，能对被测试样和摩擦副的应力、应变计弹性模量进行实时数据采集，使人们直观清楚的了解到被测试样的力学参数性能，提高试验效率。

Description

一种具有金属疲劳与摩擦性能检测功能的试验装置
技术领域
本发明属力学测量领域，具体涉及一种具有金属疲劳与摩擦性能检测功能的试验装置。
背景技术
金属材料的使用是现代社会发展的基础，为明确金属材料的使用性能，通常在使用前都要对材料进行各种测试试验。特别是对于植入人体的医用金属材料，其性能的好坏，寿命的长短，直接影响着病人的身体安危，所以要求医用金属材料不仅应具有良好的静态力学性能，还应具有良好的抗疲劳特性。现在常见的生物医用金属材料主要包括：医用钛及钛合金、钴基合金、不锈钢等，因其具有优良的综合力学性能、加工性能和生物相容性，在人工关节、牙种植体等人体承力植入件上获得广泛应用。以人工关节金属植入假体为例，病人在行走过程中，假体在循环压压和扭转应力的综合作用下，在局部会逐渐出现永久性的累积损伤，经过一定循环次数加载后，会产生磨削、裂纹或完全断裂，增加二次手术翻修率，给病人和家属不仅带来了巨大的身心痛苦，还要承担高额的医疗费用。所以医用金属材料的疲劳性能和寿命试验是直接关系到患者性命的重要技术参数。现在用于进行金属材料疲劳试验的装置的夹持体为斜面，只能针对带柄股骨接头处为斜面的部件进行试验，不能用于其他结构的部件试验，使用范围小。因此有必要提出改进。
发明内容
本发明解决的技术问题：提供一种具有金属疲劳与摩擦性能检测功能的试验装置，本发明适用于不同结构材料的检测试样，通用型强，使用范围广；能够进行高频率的试验，提高疲劳试验装置的性能；能对被测试样、摩擦副及其结合界面处各典型区域的力学参数变化情况实时记录监测计算，及时将试验检测数据输送到计算机并绘制出应力—时间、应变—时间和模量—时间等关系曲线图，使人们直观清楚的了解到被测试样的力学参数性能，提高试验效率。
本发明采用的技术方案：具有金属疲劳与摩擦性能检测功能的试验装置，包括底座，所述底座上端面两侧垂直设有立柱，所述立柱上部横向水平固定有安装支撑座，所述安装支撑座下部弹性连接有对被测试样进行夹持的转动夹体装置，所述安装支撑座上部固定有与转动夹体装置上输入端连接并通过转动夹体装置驱动被测试样下压和旋转的加载装置，所述底座上端面及两立柱之间设有容器体，所述容器体内部设有持续流动的模拟液体，所述容器体内部底面上固定有摩擦副，所述摩擦副上端面为水平平面，所述摩擦副上端面制有与被测试样下端形状适配的凹槽，所述摩擦副下端面固定有应变片传感器Ⅰ，所述被测试样上设有应变片传感器Ⅱ。
其中，所述加载装置包括伺服电机，所述伺服电机通过螺栓固定于安装支撑座上端面，所述伺服电机输出轴穿过安装支撑座。
进一步地，所述转动夹体装置包括轴承座、转体和夹具，所述轴承座上端面与安装支撑座下端面之间通过弹性体弹性连接，所述轴承座和安装支撑座之间通过竖直导向杆竖直导向，所述转体通过轴承转动支撑于轴承座内部，所述转体上端通过连接法兰与伺服电机输出轴固定连接，所述转体下端连接有对被测试样进行夹持的夹具。
其中，所述摩擦副采用超高分子量聚乙烯材料制成，所述摩擦副上端面的凹槽是与被测试样端头适配的半球形结构。
进一步地，所述容器体上开口通过盖子盖合，所述盖子中心设有供被测试样穿过的中心孔，所述容器体上部一侧壁上设有流体进口，所述容器体底部一侧壁上设有流体出口。
本发明与现有技术相比的优点：
1、本方案中将摩擦副上端面制成水平平面，在摩擦副水平平面上制有与被测试样下端形状适配的凹槽，被测试样通过上部的转动夹体装置进行夹持，本发明对被测试样的夹持结构及被测试样与摩擦副的结合界面结构，使疲劳试验装置能够适用于不同结构材料的疲劳试验，通用型强，使用范围广；
2、本疲劳试验装置结构可使试验循环加载次数设计到10的七次方，使加载频率可设计到5Hz，这是现有医用材料疲劳试验装置所不能达到的，能够进行高频率的试验，提高疲劳试验装置的性能；
3、本方案在摩擦副和被测试样上固定有与计算机连接的应变片传感器，应变片传感器能够对被测试样、摩擦副及其结合界面处各典型区域的力学参数变化情况实时记录并监测计算，应变片传感器能够对被测试样和摩擦副的应力、应变和弹性模量值进行实时采集，能及时的将试验检测数据输送到计算机并绘制出应力—时间、应变—时间和模量—时间等关系曲线图，使人们能够直观清楚的了解到被测试样的力学参数性能，提高试验效率。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图1描述本发明的实施例。
具有金属疲劳与摩擦性能检测功能的试验装置，如图1所示，包括底座1，所述底座1上端面两侧垂直设有立柱8，所述立柱8上部横向水平固定有安装支撑座9，所述安装支撑座9下部弹性连接有对被测试样20进行夹持的转动夹体装置19。具体的，所述转动夹体装置19包括轴承座13、转体14和夹具17，所述轴承座13上端面与安装支撑座9下端面之间通过弹性体18弹性连接，所述轴承座13和安装支撑座9之间通过竖直导向杆21导向，所述转体14通过轴承15转动支撑于轴承座13内部，所述转体14上输入端通过连接法兰16与加载装置10输出轴固定连接，所述转体14下端连接有对被测试样20进行夹持的夹具17。所述安装支撑座9上部固定有与转动夹体装置19上端连接并通过转动夹体装置19驱动被测试样20下压和旋转的加载装置10，具体的，所述加载装置10包括伺服电机11，所述伺服电机11通过螺栓12固定于安装支撑座9上端面，所述伺服电机11输出轴穿过安装支撑座9与转体14上端连接。
所述底座1上端面及两立柱8之间设有容器体2，所述容器体2内部设有持续流动的模拟液体7，模拟液体7在模拟人体植入适用材料时，需要将模拟液体7保持在37℃。所述容器体2上开口通过盖子3盖合，所述盖子3中心设有供被测试样20穿过的中心孔301，所述容器体2上部一侧壁上设有流体进口5，所述容器体2底部一侧壁上设有流体出口6，通过流体进口5和流体出口6不断地流进和流出，使容器体2内的模拟液体7始终处于持续流动通风状态。
所述容器体2内部底面上固定有摩擦副4，所述摩擦副4采用超高分子量聚乙烯材料制成。所述摩擦副4上端面为水平平面，所述摩擦副4上端面制有与被测试样20下端形状适配的凹槽401，所述摩擦副4上端面的凹槽401是与被测试样20端头适配的半球形结构。
上述所述的被测试样20的夹持结构及被测试样20与摩擦副4的结合界面结构，使本疲劳试验装置能够对不同金属材料的试样进行疲劳试验，通用型强，使用范围广。
所述摩擦副4下端面固定有应变片传感器Ⅰ5，所述被测试样20上设有应变片传感器Ⅱ21，所述应变片传感器Ⅰ5和应变片传感器Ⅱ21均与计算机连接，应变片传感器Ⅰ5和应变片传感器Ⅱ21能够对被测试样20、摩擦副4及其结合界面处各典型区域的力学参数变化情况进行实时记录监测计算，能够及时的将试验检测数据输送到计算机并绘制出相关曲线图，使人们直观清楚的了解到被测试样的力学参数性能，提高试验效率。
疲劳试验过程：首先选用三种成分相同的钛合金材料作为被测试样20进行三组疲劳试验测试，被测试样20的规格均为直径15mm，长度150mm,试样头部加工成直径为15mm的半球形，而与其接触的摩擦副4上的凹槽401为直径16mm的半球体。在室温和模拟液体7中，根据静态压缩试验测试的钛基材的E、RP等力学参数，设计选择RP的20％为上限值开展超长加载条件下的压扭疲劳试验，设计要求循环加载次≤1.5×107，频率设定≤5Hz,扭转角度≤180度。
疲劳试验实施例一：采用第一个钛基材作为被测试样20进行试验，选定加载载荷为800KN/㎡，循环加载次设计为0.8ⅹ107，频率设定为3Hz,扭转角度180度；接着开始试验，将第一个钛基材的被测试样20夹在夹具17上，使第一个被测试样20下端穿过盖子3的中心孔301伸入容器体2的模拟液体7中，并且被测试样20下端的半球体结构与摩擦副4的半球体凹槽401适配，启动伺服电机11，伺服电机11通过转体14给第一个被测试样20一恒定下压力和扭转力，即开始了第一个被测试样20与摩擦副4接触界面的循环压压及扭转加载疲劳试验。试验进行一段时间后，如果第一个被测试样20因磨损沿垂直加载方向磨损位移超过3mm时，停止测试，从夹具17上取下被测试样20。应变片传感器Ⅰ5和应变片传感器Ⅱ21将第一个钛基材被测试样20的应力、应变数据信号输送给计算机。
疲劳试验实施例二：采用第二个钛基材作为被测试样20进行试验，选定加载载荷为980KN/㎡，循环加载次设计为1.0ⅹ107，频率设定为3.5Hz,扭转角度180度；开始试验，将第二个钛基材的被测试样20夹在夹具17上，使第二个被测试样20下端穿过盖子3的中心孔301伸入容器体2的模拟液体7中，并且第二个被测试样20下端的半球体结构与摩擦副4的半球体凹槽401适配。启动伺服电机11，伺服电机11转动通过转体14给第二个被测试样20一恒定下压力和扭转力，即开始了第二个被测试样20与摩擦副4接触界面的循环压压及扭转加载疲劳试验。试验进行一段时间后，如果第二个被测试样20因磨损沿垂直加载方向位移超过3mm时，停止测试，从夹具17上取下被测试样20。应变片传感器Ⅰ5和应变片传感器Ⅱ21将第二个钛基材被测试样20的应力、应变数据信号输送给计算机。
疲劳试验实施例三：采用第三个钛基材作为被测试样20进行试验，选定加载载荷为1120KN/㎡，循环加载次设计为1.3ⅹ107，频率设定为4.4Hz,扭转角度180度；开始试验，将第三个钛基材的被测试样20夹在夹具17上，使第三个被测试样20下端穿过盖子3的中心孔301伸入容器体2的模拟液体7中，并且第三个被测试样20下端的半球体结构与摩擦副4的半球体凹槽401适配。启动伺服电机11，伺服电机11转动通过转体14给第三个被测试样20一恒定的下压力和扭转力，即开始了第三个被测试样20与摩擦副4接触界面的循环压压及扭转加载疲劳试验。试验进行一段时间后，如果第三个被测试样20因磨损沿垂直加载方向位移超过3mm时，停止测试，从夹具17上取下被测试样20。应变片传感器Ⅰ5和应变片传感器Ⅱ21将第三个钛基材被测试样20的应力、应变数据信号输送给计算机。
计算机通过应变片传感器Ⅰ5和应变片传感器Ⅱ21采集到上述三个被测试样20的应力、应变数据信号，然后通过应力、应变数据计算分析得出弹性模量，根据应力、应变及弹性模量值绘制出应力-时间、应变-时间及弹性模量-时间的关系曲线图，从而能够直观的显示出对钛基材被测试样20和摩擦副4材料表界面的摩擦磨损形貌、磨屑数量及自身力学参数变化规律，提高疲劳试验装置的性能，试验效率高。另外，本实验装置可使试验循环加载次数设计到10的七次方，使加载频率可设计到5Hz，从而能够进行高频率的试验，提高设备的试验性能。
上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种具有金属疲劳与摩擦性能检测功能的试验装置，包括底座(1)，所述底座(1)上端面两侧垂直设有立柱(8)，所述立柱(8)上部横向水平固定有安装支撑座(9)，其特征在于：所述安装支撑座(9)下部弹性连接有对被测试样(20)进行夹持的转动夹体装置(19)，所述安装支撑座(9)上部固定有与转动夹体装置(19)上输入端连接并通过转动夹体装置(19)驱动被测试样(20)下压和旋转的加载装置(10)，所述底座(1)上端面及两立柱(8)之间设有容器体(2)，所述容器体(2)内部设有持续流动的模拟液体(7)，所述容器体(2)内部底面上固定有摩擦副(4)，所述摩擦副(4)上端面为水平平面，所述摩擦副(4)上端面制有与被测试样(20)下端形状适配的凹槽(401)，所述摩擦副(4)下端面固定有应变片传感器Ⅰ(5)，所述被测试样(20)上设有应变片传感器Ⅱ(21)。
2.根据权利要求1所述的具有金属疲劳与摩擦性能检测功能的试验装置，其特征在于：所述加载装置(10)包括伺服电机(11)，所述伺服电机(11)通过螺栓(12)固定于安装支撑座(9)上端面，所述伺服电机(11)输出轴穿过安装支撑座(9)。
3.根据权利要求2所述的具有金属疲劳与摩擦性能检测功能的试验装置，其特征在于：所述转动夹体装置(19)包括轴承座(13)、转体(14)和夹具(17)，所述轴承座(13)上端面与安装支撑座(9)下端面之间通过弹性体(18)弹性连接，所述轴承座(13)和安装支撑座(9)之间通过竖直导向杆(21)导向，所述转体(14)通过轴承(15)转动支撑于轴承座(13)内部，所述转体(14)上端通过连接法兰(16)与伺服电机(11)输出轴固定连接，所述转体(14)下端连接有对被测试样(20)进行夹持的夹具(17)。
4.根据权利要求1所述的具有金属疲劳与摩擦性能检测功能的试验装置，其特征在于：所述摩擦副(4)采用超高分子量聚乙烯材料制成，所述摩擦副(4)上端面的凹槽(401)是与被测试样(20)端头适配的半球形结构。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的具有金属疲劳与摩擦性能检测功能的试验装置，其特征在于：所述容器体(2)上开口通过盖子(3)盖合，所述盖子(3)中心设有供被测试样(20)穿过的中心孔(301)，所述容器体(2)上部一侧壁上设有流体进口(5)，所述容器体(2)底部一侧壁上设有流体出口(6)。
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