CN109580136B - 一种用于测量弹簧低温弹性性能的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于测量弹簧低温弹性性能的装置及方法，包括低温恒温器和弹簧弹性性能测试系统，所述弹簧弹性性能测试系统纵向设置在所述低温恒温器内部上方，所述低温恒温器包括样品室、低温腔和绝热夹层、绝热容器外壁，所述样品室、低温腔和绝热容器外壁均为中空圆柱形结构，且所述低温腔纵向套设在所述绝热容器外壁内部。本发明的有益效果是：本发明提供的测量弹簧低温弹性性能的装置，利用液氮作为冷介质降低弹簧测试温度，通过改变液氮储罐内的气压，可以实现测试温度从室温到液氮温度范围内的连续调节；本发明提供的测量弹簧低温弹性性能的装置可以使被测样品的更换与安装更加简便、方便操作，适用于大量样品的测试。

Description

一种用于测量弹簧低温弹性性能的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测量装置，具体为一种用于测量弹簧低温弹性性能的装置及方法，属于弹簧弹性性能测量装置应用技术领域。

背景技术

低温装置广泛应用于航空航天、工业、科研以及医疗领域。弹簧作为低温装置中的压紧传热零部件，需要在低温环境中满足一定的力学性能，弹簧在低温下的弹性性能直接影响到低温装置是否可以正常运行。

目前的弹簧性能测试装置在使用时仍然存在着许多不足之处，目前的弹簧性能测试装置仅针对常温力学测试，无法在液氮温度进行调节和测试，且测量弹簧低温弹性性能的装置其推杆结构对样品测试空间的热负荷大，不利于稳定样品空间的温度，且现有的弹簧性能测试装置对弹簧测量弹性性能的冷量损失大，且现有的测量弹簧低温弹性性能的装置不便于被测样品的更换与安装，且不适用于大量样品的测试。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决目前的弹簧性能测试装置仅针对常温力学测试，无法在液氮温度进行调节和测试，且测量弹簧低温弹性性能的装置其推杆结构对样品测试空间的热负荷大，不利于稳定样品空间的温度，且现有的弹簧性能测试装置对弹簧测量弹性性能的冷量损失大，且现有的测量弹簧低温弹性性能的装置不便于被测样品的更换与安装，且不适用于大量样品的测试的问题，而提出一种用于测量弹簧低温弹性性能的装置及方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：一种用于测量弹簧低温弹性性能的装置，包括低温恒温器和弹簧弹性性能测试系统，所述弹簧弹性性能测试系统纵向设置在所述低温恒温器内部上方；

所述低温恒温器包括样品室、低温腔和绝热夹层、绝热容器外壁，所述样品室、低温腔和绝热容器外壁均为中空圆柱形结构，且所述低温腔纵向套设在所述绝热容器外壁内部，所述低温腔中部纵向套设所述样品室，所述弹簧弹性性能测试系统与所述样品室接触，且所述低温腔上方一端纵向设置有低温液体注入口，所述低温腔上方另一端纵向设置有排气口，排气口可连接抽机系统对低温腔减压，从而调节低温液体温度，且所述低温腔顶部一侧纵向设置有安全阀，所述样品室顶部一侧纵向设置有航空插座；

其中，所述样品室底部两端分别安装有加热器和温度传感器，加热器和温度传感器的引线从航空插座引出。通过加热器可对样品室升温，从而调节样品测试温度。通过温度传感器可读取样品测试温度；

所述低温腔与所述绝热容器外壁之间设置有绝热夹层，且所述绝热容器外壁侧壁贯穿设置有真空抽口和爆破膜，通过真空抽口可对绝热夹层抽真空，爆破膜可避免低温液体泄漏至绝热夹层中导致装置爆炸的风险；

所述弹簧弹性性能测试系统包括弹簧形变测试机构、弹簧弹力传感器、推杆机构，所述弹簧弹力传感器设置在所述弹簧形变测试机构与所述推杆机构之间，弹簧发生形变产生的弹力可以通过该弹簧弹力传感器读取；

其中，所述弹簧形变测试机构包括精密调节螺母、精密调节螺杆、支撑平台、左支撑杆和右支撑杆，所述左支撑杆和右支撑杆分别纵向设置在所述弹簧形变测试机构两端，所述左支撑杆与右支撑杆之间上方水平套设有支撑平台，支撑平台使用螺栓固定于左支撑杆、右支撑杆且所述支撑平台中部纵向贯穿设置有圆柱形的精密调节螺杆，所述精密调节螺杆上端通过螺纹套接精密调节螺母，旋动精密调节螺母可以调节螺杆的位移，从而对所述弹簧弹力传感器和推杆机构施力，使弹簧发生形变。通过读取精密调节螺母和螺杆上的刻度可以计算弹簧形变量；

所述推杆机构包括密封螺母、施力杆和样品杆，且所述施力杆设置在所述精密调节螺杆下方，所述施力杆下方套设有样品杆，推杆机构既可以通过所述的施力杆对弹簧施加压力，也可通过施力杆和样品杆将弹簧拉出样品室进行更换。

本发明的进一步技术改进方案在于：所述低温液体注入口和排气口均为中空圆柱形结构，且低温液体注入口和排气口与低温腔内部之间均相互连通，且低温液体注入口、排气口和安全阀两两之间均呈平行设置。

本发明的进一步技术改进方案在于：所述加热器与温度传感器呈电性连接，且加热器和温度传感器的引线贯穿航空插座。

本发明的进一步技术改进方案在于：所述真空抽口和爆破膜一端均连接到绝热夹层内部，且真空抽口和爆破膜贯穿绝热夹层并连接到绝热容器外壁。

本发明的进一步技术改进方案在于：所述左支撑杆和右支撑杆底部分别垂直焊接在绝热容器外壁上端面两侧，且左支撑杆、右支撑杆和精密调节螺杆两两之间均呈平行设置。

本发明的进一步技术改进方案在于：所述施力杆下方连接到样品室内部，且所述施力杆与绝热容器外壁上端面的连接处套设有密封锁母，且弹簧安装在样品杆下方。

一种用于测量弹簧低温弹性性能的方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：将真空泵机组与真空抽口连接，对绝热夹层抽真空至一定真空度，然后将真空抽口保持密封状态。

步骤二：将温度采集仪连接至航空插座以采集温度传感器的温度信号；将低压直流源连接至航空插座，调节测试温度时，向加热器加载电流，升高样品测试温度。

步骤三：将液氮从低温液体注入口向低温腔内注入液氮，注入过程中，排气口保持开放。当温度传感器采集的温度信号维持稳定时，停止注液，将低温液体注入口关闭。

步骤四：将排气口连接至真空泵机组，当需要调节测试温度时，可启动真空泵机组，对低温腔内的低温液体减压降温。

步骤五：通过连接至排气口的真空泵机组和加热器，将样品温度稳定至目标测试温度。

步骤六：对弹簧施加压力前，施力杆的底部正好与弹簧上侧的螺母接触。通过精密调节螺母和螺杆的读数，记录初始的弹簧位置。然后旋转精密调节螺母至一定位置，使螺杆向下移动，同时推动弹簧弹力传感器和施力杆对弹簧施加压力。然后记录弹簧弹力传感器的读数。通过精密调节螺母和螺杆的读数，可以得到弹簧的变形量，弹簧弹力传感器的读数即为弹簧在发生该形变时产生的弹力。

步骤七：重复上一步骤，可得到多组弹簧的形变量和弹力的数据，可计算某温度下该弹簧的弹性系数。

步骤八：该弹簧样品测试完成后，可更换样品进行测试：将支撑平台和左右支撑杆之间的上侧连接螺栓取下、将精密调节螺母松开，将支撑平台、精密调节螺母和螺杆取下。将弹簧弹力传感器从推杆机构上移走。

步骤九：握住施力杆，并将其拔出。参见图4，拔出施力杆的过程中，样品杆上方的外螺纹与施力杆下方的内螺纹段接触，样品杆会随施力杆一起被拔出样品室。在样品杆上，将样品杆下侧的螺母松开、取下，将弹簧安装于样品杆，再将弹簧下侧的螺母锁紧(弹簧上侧的螺母可沿样品杆活动)。

步骤十：在施力杆上做临时标记，使其插入样品室后，施力杆的底部正好与施力杆上侧的螺母接触。如：密封锁母的上端面到样品室底面的高度为H，弹簧的上侧螺母上端面到下侧螺母下端面的高度为h，则在距离施力杆下端面为H-h的位置做标记。

步骤十一：将安装好弹簧的推杆机构从密封锁母处插入样品室，直到施力杆的标记达到密封锁母的上端面，此时施力杆的底部正好与弹簧上侧的螺母接触。然后依次安装好弹簧弹力传感器、弹簧形变测试机构。

步骤十二：待样品温度稳定至目标测试温度后，重复步骤六、步骤七，即可完成另一样品的弹簧弹性性能测试。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明提供的测量弹簧低温弹性性能的装置，利用液氮作为冷介质降低弹簧测试温度，通过改变液氮储罐内的气压，可以实现测试温度从室温到液氮温度范围内的连续调节。其温度调节方式简便快速、对装置的结构要求简单。

2.本发明提供的测量弹簧低温弹性性能的装置其推杆结构对样品测试空间的热负荷小，有利于稳定样品空间的温度，减少冷量损失。

3.本发明提供的测量弹簧低温弹性性能的装置可以使被测样品的更换与安装更加简便、方便操作，适用于大量样品的测试。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的外部结构示意图。

图2为本发明图1在低温恒温器外壁内侧的结构示意图。

图3为本发明图1中A-A的截面示意图。

图4为本发明图3中的细节放大示意图。

图5为本发明的弹簧形变测试机构的立体结构示意图。

图中：1、低温恒温器；11、样品室；12、低温腔；13、绝热夹层；14、绝热容器外壁；15、低温液体注入口；16、排气口；17、安全阀；18、航空插座；101、真空抽口；102、爆破膜；103、加热器；104、温度传感器；2、弹簧弹性性能测试系统；21、弹簧形变测试机构；22、弹簧弹力传感器；23、推杆机构；201、精密调节螺母；202、精密调节螺杆；203、支撑平台；204、左支撑杆；205、右支撑杆；206、密封锁母；207、施力杆；208、样品杆；3、弹簧。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-5所示，一种用于测量弹簧低温弹性性能的装置，包括低温恒温器1和弹簧弹性性能测试系统2，弹簧弹性性能测试系统2纵向设置在低温恒温器1内部上方；

低温恒温器1包括样品室11、低温腔12和绝热夹层13、绝热容器外壁14，样品室11、低温腔12和绝热容器外壁14均为中空圆柱形结构，且低温腔12纵向套设在绝热容器外壁14内部，低温腔12中部纵向套设样品室11，弹簧弹性性能测试系统2与样品室11接触，且低温腔12上方一端纵向设置有低温液体注入口15，低温腔12上方另一端纵向设置有排气口16，排气口16可连接抽机系统对低温腔减压，从而调节低温液体温度，且低温腔12顶部一侧纵向设置有安全阀17，样品室11顶部一侧纵向设置有航空插座18；

其中，样品室11底部两端分别安装有加热器103和温度传感器104，加热器103和温度传感器104的引线从航空插座18引出。通过加热器103可对样品室11升温，从而调节样品测试温度。通过温度传感器104可读取样品测试温度；

低温腔12与绝热容器外壁14之间设置有绝热夹层13，且绝热容器外壁14侧壁贯穿设置有真空抽口101和爆破膜102，且真空抽口101设置在爆破膜102下方，通过真空抽口101可对绝热夹层13抽真空，爆破膜102可避免低温液体泄漏至绝热夹层中导致装置爆炸的风险；

弹簧弹性性能测试系统2包括弹簧形变测试机构21、弹簧弹力传感器22、推杆机构23，弹簧弹力传感器22设置在弹簧形变测试机构21与推杆机构23之间，弹簧3发生形变产生的弹力可以通过该弹簧弹力传感器22读取；

其中，弹簧形变测试机构21包括精密调节螺母201、精密调节螺杆202、支撑平台203、左支撑杆204和右支撑杆205，左支撑杆204和右支撑杆205分别纵向设置在弹簧形变测试机构21两端，左支撑杆204与右支撑杆205之间上方水平套设有支撑平台203，支撑平台203使用螺栓固定于左支撑杆204、右支撑杆205且支撑平台203中部纵向贯穿设置有圆柱形的精密调节螺杆202，精密调节螺杆202上端通过螺纹套接精密调节螺母201，旋动精密调节螺母201可以调节螺杆202的位移，从而对弹簧弹力传感器22和推杆机构23施力，使弹簧3发生形变。通过读取精密调节螺母201和螺杆202上的刻度可以计算弹簧形变量；

推杆机构23包括密封螺母206、施力杆207和样品杆208，且施力杆207设置在精密调节螺杆202下方，施力杆207下方套设有样品杆208，推杆机构23既可以通过的施力杆207对弹簧3施加压力，也可通过施力杆207和样品杆208将弹簧3拉出样品室11进行更换。

作为本发明的一种技术优化方案，低温液体注入口15和排气口16均为中空圆柱形结构，且低温液体注入口15和排气口16与低温腔12内部之间均相互连通，且低温液体注入口15、排气口16和安全阀17两两之间均呈平行设置。

作为本发明的一种技术优化方案，加热器103与温度传感器104呈电性连接，且加热器103和温度传感器104的引线贯穿航空插座18。

作为本发明的一种技术优化方案，真空抽口101和爆破膜102一端均连接到绝热夹层13内部，且真空抽口101和爆破膜102贯穿绝热夹层13并连接到绝热容器外壁14。

作为本发明的一种技术优化方案，左支撑杆204和右支撑杆205底部分别垂直焊接在绝热容器外壁14上端面两侧，且左支撑杆204、右支撑杆205和精密调节螺杆202两两之间均呈平行设置，保证该装置上的各部件在工作时更加稳固牢靠，且测量工作精度更加精准。

作为本发明的一种技术优化方案，施力杆207下方连接到样品室11内部，且施力杆207与绝热容器外壁14上端面的连接处套设有密封锁母206，且弹簧3安装在样品杆208下方。

一种用于测量弹簧低温弹性性能的方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一：将真空泵机组与真空抽口101连接，对绝热夹层13抽真空至一定真空度，然后将真空抽口保持密封状态。

步骤二：将温度采集仪连接至航空插座18以采集温度传感器104的温度信号；将低压直流源连接至航空插座18，在需要调节测试温度时，可向加热器103加载电流，使其升高样品测试温度。

步骤三：将液氮从低温液体注入口15向低温腔12内注入液氮，注入过程中，排气口16保持开放。当温度传感器104采集的温度信号维持稳定时，停止注液，将低温液体注入口15关闭。

步骤四：将排气口16连接至真空泵机组，当需要调节测试温度时，可启动真空泵机组，对低温腔12内的低温液体减压降温。

步骤五：通过连接至排气口16的真空泵机组和加热器103，将样品温度稳定至目标测试温度。

步骤六：对弹簧施加压力前，施力杆207的底部正好与弹簧3上侧的螺母接触。通过精密调节螺母201和螺杆202的读数，记录初始的弹簧位置。然后旋转精密调节螺母201至一定位置，使螺杆202向下移动，同时推动弹簧弹力传感器22和施力杆207对弹簧施加压力。然后记录弹簧弹力传感器22的读数。通过精密调节螺母201和螺杆202的读数，可以得到弹簧的变形量，弹簧弹力传感器22的读数即为弹簧在发生该形变时产生的弹力。

步骤七：重复上一步骤，可得到多组弹簧的形变量和弹力的数据，可计算某温度下该弹簧的弹性系数。

步骤八：该弹簧样品测试完成后，可更换样品进行测试：将支撑平台203和左支撑杆204、右支撑杆205之间的上侧连接螺栓取下、将精密调节螺母201松开，将支撑平台203、精密调节螺母201和螺杆202取下。将弹簧弹力传感器22从推杆机构23上移走。

步骤九：握住施力杆207，并将其拔出。参见图4，拔出施力杆207的过程中，样品杆208上方的外螺纹与施力杆207下方的内螺纹段接触，样品杆208会随施力杆207一起被拔出样品室11。在样品杆208上，将样品杆208下侧的螺母松开、取下，将弹簧3安装于样品杆208，再将弹簧3下侧的螺母锁紧(弹簧3上侧的螺母可沿样品杆208活动)。

步骤十：在施力杆207上做临时标记，使其插入样品室后，施力杆207的底部正好与弹簧3上侧的螺母接触。如：密封锁母206的上端面到样品室11底面的高度为H，弹簧3的上侧螺母上端面到下侧螺母下端面的高度为h，则在距离施力杆207下端面为H-h的位置做标记。

步骤十一：将安装好弹簧的推杆机构23从密封锁母206处插入样品室11，直到施力杆207的标记达到密封锁母206的上端面，此时施力杆207的底部正好与弹簧3上侧的螺母接触。然后依次安装好弹簧弹力传感器22、弹簧形变测试机构21。

步骤十二：待样品温度稳定至目标测试温度后，重复步骤六、步骤七，即可完成另一样品的弹簧弹性性能测试。

以上公开的本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明。优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。

Claims (1)

1.一种用于测量弹簧低温弹性性能的装置，其特征在于：包括低温恒温器（1）和弹簧弹性性能测试系统（2），所述弹簧弹性性能测试系统（2）纵向设置在所述低温恒温器（1）内部上方；

所述低温恒温器（1）包括样品室（11）、低温腔（12）和绝热夹层（13）、绝热容器外壁（14），所述样品室（11）、低温腔（12）和绝热容器外壁（14）均为中空圆柱形结构，且所述低温腔（12）纵向套设在所述绝热容器外壁（14）内部，所述低温腔（12）中部纵向套设所述样品室（11），所述弹簧弹性性能测试系统（2）与所述样品室（11）接触，且所述低温腔（12）上方一端纵向设置有低温液体注入口（15），所述低温腔（12）上方另一端纵向设置有排气口（16），且所述低温腔（12）顶部一侧纵向设置有安全阀（17），所述样品室（11）顶部一侧纵向设置有航空插座（18）；

其中，所述样品室（11）底部两端分别安装有加热器（103）和温度传感器（104）；

所述低温腔（12）与所述绝热容器外壁（14）之间设置有绝热夹层（13），且所述绝热容器外壁（14）侧壁贯穿设置有真空抽口（101）和爆破膜（102）；

所述弹簧弹性性能测试系统（2）包括弹簧形变测试机构（21）、弹簧弹力传感器（22）、推杆机构（23），所述弹簧弹力传感器（22）设置在所述弹簧形变测试机构（21）与所述推杆机构（23）之间；

其中，所述弹簧形变测试机构（21）包括精密调节螺母（201）、精密调节螺杆（202）、支撑平台（203）、左支撑杆（204）和右支撑杆（205），所述左支撑杆（204）和右支撑杆（205）分别纵向设置在所述弹簧形变测试机构（21）两端，所述左支撑杆（204）与右支撑杆（205）之间上方水平套设有支撑平台（203），且所述支撑平台（203）中部纵向贯穿设置有圆柱形的精密调节螺杆（202），所述精密调节螺杆（202）上端通过螺纹套接精密调节螺母（201）；

所述推杆机构（23）包括密封锁母（206）、施力杆（207）和样品杆（208），且所述施力杆（207）设置在所述精密调节螺杆（202）下方，所述施力杆（207）下方套设有样品杆（208）；

所述低温液体注入口（15）和排气口（16）均为中空圆柱形结构，且低温液体注入口（15）和排气口（16）与低温腔（12）内部之间均相互连通，且低温液体注入口（15）、排气口（16）和安全阀（17）两两之间均呈平行设置；

所述加热器（103）与温度传感器（104）呈电性连接，且加热器（103）和温度传感器（104）的引线贯穿航空插座（18）；

所述真空抽口（101）和爆破膜（102）一端均连接到绝热夹层（13）内部，且真空抽口（101）和爆破膜（102）贯穿绝热夹层（13）并连接到绝热容器外壁（14）；

所述左支撑杆（204）和右支撑杆（205）底部分别垂直焊接在绝热容器外壁（14）上端面两侧，且左支撑杆（204）、右支撑杆（205）和精密调节螺杆（202）两两之间均呈平行设置；

所述施力杆（207）下方连接到样品室（11）内部，且所述施力杆（207）与绝热容器外壁（14）上端面的连接处套设有密封锁母（206），且弹簧（3）安装在样品杆（208）下方；

该用于测量弹簧低温弹性性能的方法，具体包括以下步骤：

步骤一：将真空泵机组与真空抽口（101）连接，对绝热夹层（13）抽真空，然后将真空抽口（101）保持密封状态；

步骤二：将温度采集仪连接至航空插座（18）采集温度传感器（104）的温度信号，将低压直流源连接至航空插座（18），调节测试温度时，向加热器（103）加载电流，升高样品测试温度；

步骤三：将液氮从低温液体注入口（15）向低温腔（12）内注入液氮，注入过程中，排气口（16）保持开放，当温度传感器（104）采集的温度信号维持稳定时，停止注液，将低温液体注入口（15）关闭；

步骤四：将排气口（16）连接至真空泵机组，调节测试温度时，启动真空泵机组，对低温腔（12）内的低温液体减压降温；

步骤五：通过连接至排气口（16）的真空泵机组和加热器（103），将样品温度稳定至目标测试温度；

步骤六：对弹簧（3）施加压力前，施力杆（207）的底部与弹簧（3）上侧的螺母接触，通过精密调节螺母（201）和精密调节螺杆（202）的读数，记录初始的弹簧（3）位置，然后旋转精密调节螺母（201），将精密调节螺杆（202）向下移动，同时推动弹簧弹力传感器（22）和施力杆（207）对弹簧（3）施加压力，然后记录弹簧弹力传感器（22）的读数，通过精密调节螺母（201）和精密调节螺杆（202）的读数，得到弹簧（3）的变形量，弹簧弹力传感器（22）的读数即为弹簧（3）在发生该形变时产生的弹力；

步骤七：重复步骤六，得到多组弹簧的形变量和弹力的数据，计算某温度下该弹簧的弹性系数；

步骤八：该弹簧样品测试完成后，更换样品进行测试：将支撑平台（203）和左支撑杆（204）、右支撑杆（205）之间的上侧连接螺栓取下，将精密调节螺母（201）松开，将支撑平台（203）、精密调节螺母（201）和精密调节螺杆（202）取下，将弹簧弹力传感器（22）从推杆机构（23）上移走；

步骤九：握住施力杆（207），并将施力杆（207）拔出，拔出施力杆（207）的过程中，样品杆（208）上方的外螺纹与施力杆（207）下方的内螺纹段接触，样品杆（208）随施力杆（207）一起被拔出样品室（11），在样品杆（208）上，将样品杆（208）下侧的螺母松开、取下，将弹簧（3）安装于样品杆（208），再将弹簧（3）下侧的螺母锁紧；

步骤十：在施力杆（207）上做临时标记，使其插入样品室（11）后，施力杆（207）的底部刚好与弹簧（3）上侧的螺母接触；

步骤十一：将安装好弹簧（3）的推杆机构（23）从密封锁母（206）处插入样品室（11），直到施力杆（207）的标记达到密封锁母（206）的上端面，此时施力杆（207）的底部与弹簧（3）上侧的螺母接触，然后依次安装好弹簧弹力传感器（22）、弹簧形变测试机构（21）；

步骤十二：待样品温度稳定至目标测试温度后，重复步骤六、步骤七，即可完成另一样品的弹簧弹性性能测试。

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