CN108982212B - 一种复合材料轴拉压、弯曲、扭转、振动综合性能测试平台 - Google Patents

一种复合材料轴拉压、弯曲、扭转、振动综合性能测试平台 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种复合材料轴拉压、弯曲、扭转、振动综合性能测试平台，包括拉压单元、弯曲单元、扭转单元、振动单元；夹持装置的固定端固定在工作台上；本发明集拉压、弯曲、扭转三种单一载荷加载与多载荷复合加载的静态测试于一体，并能在拉压、弯曲、扭转任意组合状态下实现旋转运动，从而进行振动测试，模拟实际生产中的不同工况，建立了复合载荷加载的载荷空间耦合模型，为研究多种载荷对材料性能的影响以及其他性能参数的变化规律提供了有效的测试平台，在一定程度上推动了对实际复杂工况下材料的变形损伤机制的探究，解决了现在技术存在的操作复杂、兼容性差等问题，具有操作简单、集成度高、结构紧凑、测试模式多样化、可提供的测试内容丰富等特点。

Description

一种复合材料轴拉压、弯曲、扭转、振动综合性能测试平台
技术领域
本发明涉及测试技术领域，具体是一种轴拉压、弯曲、扭转、振动综合性能测试平台。
背景技术
从人类文明诞生以来，材料便与人类生活息息相关。随着工业科技的迅猛发展，材料不仅渗透到人们的日常生活中，而且在航空航天、海洋工程、生物医学工程、机电一体化、微电子等领域得到了广泛的应用。由于对材料在实际使用条件下的损伤机理和性能演变规律研究不足，导致因材料选用不当或维护不及时等情况而产生材料失效时有发生，由此引发的重大事故也不胜枚举，不但阻碍了资源的有效利用，也严重威胁着人民群众的生命财产安全。
在压力波动、频繁间歇操作、复杂的外力等不同工况下，设备的寿命不仅取决于材料拉压、扭转、弯曲、振动的单方向静态性能或动态性能，也取决于拉压、弯曲、扭转、振动的交互作用。在复杂工况负荷作用下的静、动态材料性能，直接关系到现代工业设备的安全。因此，为保证材料稳定可靠的使用，在各类材料的产品质量检测、生产过程质量控制、材料科学研究和教学试验中都需要进行材料的力学性能测试，以及对材料进行拉压、弯曲、扭转、振动复合状态及疲劳交互作用下的研究。
目前大多数材料性能测试仪器，仅局限于对单一力学特性，或静态与动态加载分别进行的基础上测试，传统的测试手段并不能充分研究材料在实际复杂工况下的使用性能，因此研究材料在拉压、弯曲、扭转、振动复合载荷作用下的力学性能和损伤机制，模拟不同工况下材料的应力状态，并为材料的应用提供理论依据的综合性能测试，对材料的应用有着重要的指导作用，在一定程度上推动了对实际复杂工况下材料的变形损伤机制的探究，对社会和经济的发展也将产生积极的作用。解决了现在技术存在的操作复杂、兼容性差等问题，具有操作简单、集成度高、结构紧凑、测试模式多样化、可提供的测试内容丰富等特点。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种复合材料轴拉压、弯曲、扭转、振动综合性能测试平台，具体技术方案如下：
一种复合材料轴拉压、弯曲、扭转、振动综合性能测试平台，其特征在于：包括拉压单元、弯曲单元、扭转单元、振动单元；夹持装置的固定端100固定在工作台10上；夹持装置的活动端200固定在扭转单元上；扭转单元与活动端200的拉压支撑座13固定；拉压单元包括拉压支撑座13，所述拉压支撑座13下部设置螺纹孔，所述螺纹孔与第一丝杠21配合，所述第一丝杠21与蜗轮22同轴转动，所述蜗轮22与蜗杆23啮合，所述蜗杆23与拉压电机24的输出端固定；所述扭转单元包括扭转电机4，扭转电机4的输出轴与主动轮3固定，主动轮3与惰轮2啮合，惰轮2与从动轮1啮合，从动轮1与所述夹持装置的活动端200固定；所述弯曲单元包括弯曲支座7，所述弯曲支座7下部设置螺纹孔，所述螺纹孔与第二丝杠16配合，所述第二丝杠16与手动蜗轮15同轴转动，所述弯曲支座7的上方设置通孔，通孔内设置轴承，弯曲卡盘5固定在卡盘座6上，所述卡盘座6设置在轴承孔内；所述振动单元的振动是上面所述的弯曲单元造成的工件9偏心转动所引起的；所述活动端200的拉压支撑座13与工件9间设置轮辐拉压力传感器20用于检测拉力或压力，还包括激光位移传感器19用于测量工件9拉压时的轴向长度变化，所述激光位移传感器19固定在支撑架8上，所述支撑架8固定在工作台10上；扭矩传感器11设置在夹持装置的固定端100，用于检测扭转产生的扭矩；微型位移传感器17设置在弯曲卡盘5上，用于检测弯曲挠度；振动通过扫描式激光多普勒测振仪18测量，所述扫描式激光多普勒测振仪18设置在支撑架8上；所述夹持装置的固定端100及活动端200的拉压支撑座13内均设置轴承29，两端的拉压连接轴12均固定在所述轴承29上，拉压连接轴12的另外一端与夹具体14固定，工件9固定在两个夹具体14上。
所述手动蜗轮15与手动蜗杆25啮合，手动蜗杆25的一端设置手柄26。
所述弯曲卡盘5上设置四个卡爪，其中一个为驱动卡爪503，所述驱动卡爪503可以沿弯曲卡盘5的径向运动；与所述驱动卡爪503对应的为定位卡爪501，驱动卡爪503、定位卡爪501的定位面与工件9外形匹配；其余两个为平衡卡爪502，平衡卡爪502上设置活动的平衡块用于抵消弯曲卡盘5所带来的振动；所述卡爪的外侧设置可拆卸的胀紧套用于保持弯曲所造成的形变。
夹持装置的固定端100的拉压连接轴12上设置电磁离合器28，所述电磁离合器28闭合时限制拉压连接轴12的转动；固定端100的拉压连接轴12上还设置扭矩限制器27，所述扭矩限制器27一侧与工件9连接，另外一侧与扭矩传感器11连接，所述扭矩传感器11与电磁离合器28连接，所述电磁离合器28与工作台10固定。
夹持装置的活动端200的拉压连接轴12由两部分组成，分别为轴承连接轴121和工件连接轴122，所述轮辐拉压力传感器20设置在所述轴承连接轴121与工件连接轴122之间，滑环32固定在轮辐拉压力传感器20上,所述滑环32的转子输出线连接轮辐拉压力传感器20引线。
所述工件连接轴122的一端设置螺纹，螺纹与旋动卡头30配合；所述旋动卡头30与夹具体14转动连接；所述夹具体14内有楔形块31，楔形块31的外侧与夹具体14的内侧抵接。
本发明的优点是：提供集拉压、弯曲、扭转三种单一载荷加载与多载荷复合的加载的静态测试于一体，并能在拉压、弯曲、扭转任意组合状态下实现旋转运动，从而进行振动测试，模拟实际生产中的不同工况，建立了复合载荷加载的载荷空间耦合模型，为研究多种载荷对材料性能的影响以及其他性能参数的变化规律提供了有效的测试平台，在一定程度上推动了对实际复杂工况下材料的变形损伤机制的探究，解决了现在技术存在的操作复杂、兼容性差等问题，具有操作简单、集成度高、结构紧凑、测试模式多样化、可提供的测试内容丰富等特点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为弯曲单元的结构示意图；
图3为卡盘结构示意图；
图4为夹持装置的固定端结构示意图；
图5为为夹持装置的活动端结构示意图；
图中，100.夹持装置的固定端；200.夹持装置的活动端；1.从动轮；2.惰轮；3.主动轮；4.扭转电机；5.弯曲卡盘；6.卡盘座；7.弯曲支座；8.支撑架；9.工件；10.工作台；11.扭矩传感器；12.拉压连接轴；13.拉压支撑座；14.夹具体；15.手动蜗轮；16.第二丝杠；17.微型位移传感器；18.扫描式激光多普勒测振仪；19.激光位移传感器；20.轮辐拉压力传感器；21.第一丝杠；22.蜗轮；23.蜗杆；24.拉压电机；25.手动蜗杆；26.手柄；501.定位卡爪；502.平衡卡爪；503.驱动卡爪；504.碟形齿轮；505.伞齿轮；27.扭矩限制器；28.电磁离合器；29.轴承；30.旋动卡头；31.楔形块；32.滑环；121.轴承连接轴；122.工件连接轴。
具体实施方式
下面结合附图具体说明本发明，如图所示本发明一种复合材料轴拉压、弯曲、扭转、振动综合性能测试平台，包括拉压单元、弯曲单元、扭转单元、振动单元；夹持装置的固定端100固定在工作台10上；夹持装置的活动端200固定在扭转单元上；扭转单元与活动端200的拉压支撑座13固定；拉压单元包括拉压支撑座13，所述拉压支撑座13下部设置螺纹孔，所述螺纹孔与第一丝杠21配合，所述第一丝杠21与蜗轮22同轴转动，所述蜗轮22与蜗杆23啮合，所述蜗杆23与拉压电机24的输出端固定。由于拉伸或压缩过程中，工件9内部会形成回复力，而蜗轮蜗杆传动可以实现回复方向上的自锁，保证了测试精度。所述扭转单元包括扭转电机4，扭转电机4的输出轴与主动轮3固定，主动轮3与惰轮2啮合，惰轮2与从动轮1啮合，从动轮1与所述夹持装置的活动端200固定，因此，从动轮的转动带动活动端的夹头旋转，进而带动工件的一端旋转，而工件的另外一端的夹头受到扭矩限制器27及电磁离合器28的限制；所述弯曲单元包括弯曲支座7，所述弯曲支座7下部设置螺纹孔，所述螺纹孔与第二丝杠16配合，所述第二丝杠16与手动蜗轮15同轴转动，这样可通过手动蜗轮的旋转，带动弯曲支座7沿第二丝杠的轴向运动，进而调整工件的受力点；所述弯曲支座7的上方设置通孔，通孔内设置轴承，弯曲卡盘5固定在卡盘座6上，所述卡盘座6设置在所述轴承孔内，弯曲卡盘5上设置四个卡爪，其中一个为驱动卡爪503，所述驱动卡爪503可以沿弯曲卡盘5的径向运动；驱动方式为手动，即手动扳手通过螺杆带动驱动卡爪上的螺块沿轴向运动，螺块上设置驱动卡爪，该结构类似普通车床上的卡盘，只不过是仅仅驱动一个卡爪运动；
所述振动单元的振动是上面所述的弯曲单元造成的工件9偏心转动所引起的。
所述活动端200的拉压支撑座13与工件9间设置轮辐拉压力传感器20可将压力量转化为电信号，用于检测拉力或压力，还包括激光位移传感器19用于测量工件9拉压时的轴向长度变化，所述激光位移传感器19固定在支撑架8上，所述支撑架8固定在工作台10上；扭矩传感器11设置在夹持装置的固定端100，用于检测扭转产生的扭矩；微型位移传感器17设置在弯曲卡盘5上，用于检测弯曲挠度；振动通过扫描式激光多普勒测振仪18测量，所述扫描式激光多普勒测振仪18设置在支撑架8上；所述夹持装置的固定端100及活动端200的拉压支撑座13内均设置轴承29，两端的拉压连接轴12均固定在所述轴承29上，在测试中，所述轴承29主要承受轴向拉伸或压缩力且能实现旋转运动，故选用承受轴向载荷能力较好的推力调心滚子轴承，用以模拟实际工况中承受拉压载荷的旋转轴的受力情况；所述拉压连接轴12的另外一端与夹具体14固定，工件9固定在两个夹具体14上。
所述手动蜗轮15与手动蜗杆25啮合，手动蜗杆25的一端设置手柄26，方便手动调整弯曲加载点，实现轴向任意位置的加载。
所述弯曲卡盘5上设置四个卡爪，其中一个为驱动卡爪503，所述驱动卡爪503可以沿弯曲卡盘5的径向运动；与所述驱动卡爪503对应的为定位卡爪501，驱动卡爪503、定位卡爪501的定位面与工件9外形匹配；其余两个为平衡卡爪502，平衡卡爪502上设置活动的平衡块用于抵消弯曲卡盘5所带来的振动；驱动卡爪503的驱动还可以是由电动扳手转动弯曲卡盘5侧面的四方孔，经过弯曲卡盘5内部的伞齿轮505、伞齿轮505与碟形齿轮504的下部啮合，碟形齿轮504的上部设置螺旋型排列的齿型506，所述螺旋型排列的齿型506与驱动卡爪下部的齿条507啮合，碟形齿轮504上部螺旋型排列的齿型506与驱动卡爪下部的齿条507的自锁效果使驱动卡爪503顶弯工件9后不会松动，所述弯曲卡盘5和卡盘座6内均设置通孔以穿过工件9，且通孔直径能满足工件9弯曲形变极限值。当达到所需的弯曲效果时，定位卡爪501卡紧工件，为避免旋转时的滑脱，所述卡爪的外侧设置可拆卸的胀紧套用于保持弯曲所造成的形变，胀紧套的直径仅由卡爪和工件9的尺寸决定。
夹持装置的固定端100的拉压连接轴12上设置电磁离合器28，所述电磁离合器28闭合时限制拉压连接轴12的转动；固定端100的拉压连接轴12上还设置扭矩限制器27，所述扭矩限制器27一侧与工件9连接，另外一侧与扭矩传感器11连接，所述扭矩传感器11与电磁离合器28连接，所述电磁离合器28与工作台10固定。进行静态扭转试验时，连接电磁离合器28，扭矩限制器27不工作，旋转电机4与减速器相连，减速器输出轴通过齿轮副对工件9实现扭矩加载；探究动态性能时，在上述动作基础上，调节扭矩限制器27的扭矩阈值，当加载超过该阈值后，工件9扭矩保持不变，实现扭转后的旋转运动。
夹持装置的活动端200的拉压连接轴12由两部分组成，分别为轴承连接轴121和工件连接轴122，所述轮辐拉压力传感器20设置在所述轴承连接轴121与工件连接轴122之间，由于旋转状态下，轮辐拉压力传感器20的引线会发生缠绕，采用滑环32装置解决这一问题。滑环32固定在轮辐拉压力传感器20上,所述滑环32的转子输出线连接轮辐拉压力传感器20引线，所述滑环32的定子输出线连接上位机。
所述工件连接轴122的一端设置螺纹，螺纹与旋动卡头30配合；所述旋动卡头30与夹具体14转动连接；所述夹具体14内有楔形块31，楔形块31的外侧与夹具体14的内侧抵接；所述旋动卡头30的旋转带动夹具体14轴向移动，工件连接轴122挤压楔形块31，从而使工件9夹紧；由于楔形结构的自锁性，随着拉伸过程中载荷的增加，夹持力也在增加，夹持的可靠性得到了保证；在所述楔形块31的内侧加工出与工件9夹持部分形状相似的凹槽，能在旋转运动、弯扭加载等复杂工况下，更好地确保工件的同轴度。
本发明的部分市购零件规格及厂家如下：
轮辐拉压力传感器——大洋传感系统工程有限公司，型号：DYLF-102
激光位移传感器——松下HG-C1400
微型位移传感器——深圳市斯铭威科技有限公司，SKRC微型位移传感器(内置弹簧型)，型号：SKRC-50mm
扭矩传感器——合肥博通电子技术有限公司，TH48031A-200N.m(500r/min)-K1-V2-B
扫描式激光多普勒测振仪——德国Polytec公司，PSV-500
扭矩限制器：上海海能传动机械有限公司，TL-CX型扭矩限制器,TL700-2CX
电磁离合器：天津机床电器有限公司，DLM3系列湿式多片电磁离合器
滑环：杭州百旋动力科技有限公司，HSR80180系列。

Claims (6)

1.一种复合材料轴拉压、弯曲、扭转、振动综合性能测试平台，其特征在于：包括拉压单元、弯曲单元、扭转单元、振动单元；夹持装置的固定端(100)固定在工作台(10)上；夹持装置的活动端(200)固定在扭转单元上；扭转单元与活动端(200)的拉压支撑座(13)固定；拉压单元包括拉压支撑座(13)，所述拉压支撑座(13)下部设置螺纹孔，所述螺纹孔与第一丝杠(21)配合，所述第一丝杠(21)与蜗轮(22)同轴转动，所述蜗轮(22)与蜗杆(23)啮合，所述蜗杆(23)与拉压电机(24)的输出端固定；所述扭转单元包括扭转电机(4)，扭转电机(4)的输出轴与主动轮(3)固定，主动轮(3)与惰轮(2)啮合，惰轮(2)与从动轮(1)啮合，从动轮(1)与所述夹持装置的活动端(200)固定；所述弯曲单元包括弯曲支座(7)，所述弯曲支座(7)下部设置螺纹孔，所述螺纹孔与第二丝杠(16)配合，所述第二丝杠(16)与手动蜗轮(15)同轴转动，通过手动蜗轮(15)的旋转，带动弯曲支座(7)沿第二丝杠(16)的轴向运动，进而调整工件的受力点；所述弯曲支座(7)的上方设置通孔，通孔内设置轴承，弯曲卡盘(5)固定在卡盘座(6)上，所述卡盘座(6)设置在轴承孔内；所述振动单元的振动是上面所述的弯曲单元造成的工件(9)偏心转动所引起的；所述活动端(200)的拉压支撑座(13)与工件(9)间设置轮辐拉压力传感器(20)用于检测拉力或压力，还包括激光位移传感器(19)用于测量工件(9)拉压时的轴向长度变化，所述激光位移传感器(19)固定在支撑架(8)上，所述支撑架(8)固定在工作台(10)上；扭矩传感器(11)设置在夹持装置的固定端(100)，用于检测扭转产生的扭矩；微型位移传感器(17)设置在弯曲卡盘(5)上，用于检测弯曲挠度；振动通过扫描式激光多普勒测振仪(18)测量，所述扫描式激光多普勒测振仪(18)设置在支撑架(8)上；所述夹持装置的固定端(100)及活动端(200)的拉压支撑座(13)内均设置轴承(29)，两端的拉压连接轴(12)均固定在所述轴承(29)上，拉压连接轴(12)的另外一端与夹具体(14)固定，工件(9)固定在两个夹具体(14)上。
2.根据权利要求1所述的复合材料轴拉压、弯曲、扭转、振动综合性能测试平台，其特征在于：所述手动蜗轮(15)与手动蜗杆(25)啮合，手动蜗杆(25)的一端设置手柄(26)。
3.根据权利要求1所述的复合材料轴拉压、弯曲、扭转、振动综合性能测试平台，其特征在于：所述弯曲卡盘(5)上设置四个卡爪，其中一个为驱动卡爪(503)，所述驱动卡爪(503)可以沿弯曲卡盘(5)的径向运动；与所述驱动卡爪(503)对应的为定位卡爪(501)，驱动卡爪(503)、定位卡爪(501)的定位面与工件(9)外形匹配；其余两个为平衡卡爪(502)，平衡卡爪(502)上设置活动的平衡块用于抵消弯曲卡盘(5)所带来的振动；所述卡爪的外侧设置可拆卸的胀紧套用于保持弯曲所造成的形变。
4.根据权利要求1所述的复合材料轴拉压、弯曲、扭转、振动综合性能测试平台，其特征在于：夹持装置的固定端(100)的拉压连接轴(12)上设置电磁离合器(28)，所述电磁离合器(28)闭合时限制拉压连接轴(12)的转动；固定端(100)的拉压连接轴(12)上还设置扭矩限制器(27)，所述扭矩限制器(27)一侧与工件(9)连接，另外一侧与扭矩传感器(11)连接，所述扭矩传感器(11)与电磁离合器(28)连接，所述电磁离合器(28)与工作台(10)固定。
5.根据权利要求1所述的复合材料轴拉压、弯曲、扭转、振动综合性能测试平台，其特征在于：夹持装置的活动端(200)的拉压连接轴(12)由两部分组成，分别为轴承连接轴(121)和工件连接轴(122)，所述轮辐拉压力传感器(20)设置在所述轴承连接轴(121)与工件连接轴(122)之间，滑环(32)固定在轮辐拉压力传感器(20)上,所述滑环(32)的转子输出线连接轮辐拉压力传感器(20)引线。
6.根据权利要求5所述的复合材料轴拉压、弯曲、扭转、振动综合性能测试平台，其特征在于：所述工件连接轴(122)的一端设置螺纹，螺纹与旋动卡头(30)配合；所述旋动卡头(30)与夹具体(14)转动连接；所述夹具体(14)内有楔形块(31)，楔形块(31)的外侧与夹具体(14)的内侧抵接。
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