CN109765100B - 一种检测纤维强度的夹具及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测纤维强度的夹具及方法，包括上下对称设置的两个夹具本体、柱形连接座和传力螺杆，所述柱形连接座稳定插入拉拔试验机的支撑套筒内；所述上下两个夹具本体分别通过两个柱形连接座连接拉拔试验机的上端和下端支撑套筒；所述夹具本体包括U型钢框、刚度支撑和绕丝辊轴，所述U型钢框由一个底板和两端对称设置的两个侧板组成，所述两侧板中部连接刚度支撑，所述两侧板上部连接绕丝辊轴；所述绕丝辊轴外活动套设环形卡具；所述上下两个夹具本体之间竖直设置引伸计，该夹具通过缠绕的方式进行锁紧，适用于纤维或金属丝等不易夹持又易断的试样，各个环节协调性好，能提高测试效率，保证测试的准确性。

Description

一种检测纤维强度的夹具及方法

技术领域

本发明一种检测纤维强度的夹具及方法，属于纤维动态拉伸夹具技术领域。

背景技术

纤维丝的强度和伸长性能及其均匀性是目前研究和测量的重要内容。由于纤维极细，特别是柔性纤维截面积极小，直径一般为微米级，要成功进行拉伸性能测试存在难度。柔性纤维在试验中一般不能直接夹持，纤维的脆性往往使得其在夹持过程中就发生断裂，即使夹持成功，夹持端会对纤维产生损伤，而使纤维的断裂发生在钳口处，所测数据不能反映纤维的真实特性。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了一种检测纤维强度的夹具，该夹具设计合理，通过缠绕的方式进行锁紧，适用于纤维或金属丝等不易夹持又易断的试样，各个环节协调性好，能提高测试效率，保证测试的准确性。

本发明通过以下技术方案实现：

一种检测纤维强度的夹具，包括上下对称设置的两个夹具本体、柱形连接座和传力螺杆，所述柱形连接座为带销孔的中空圆柱体，所述柱形连接座的外径与拉拔试验机的支撑套筒的内径为配套设置，使柱形连接座稳定插入拉拔试验机的支撑套筒内；

所述柱形连接座的销孔内穿设定位插销，所述柱形连接座一端底面开设有螺孔，所述螺孔内连接传力螺杆，所述传力螺杆为竖直设置的双头螺纹杆，一端螺纹连接柱形连接座，另一端螺纹连接夹具本体，所述传力螺杆与夹具本体连接处还设置有紧固螺母；

所述夹具本体包括U型钢框、刚度支撑和绕丝辊轴，所述U型钢框由一个底板和两端对称设置的两个侧板组成，所述侧板的上部、中部、底部均设有组装螺孔，所述底板中心设有传力螺杆孔，所述底板两侧均设有组装螺孔，所述底板两侧的组装螺孔与所述侧板底部的组装螺孔位置对应，所述底板和两个侧板通过对应的组装螺孔采用螺栓连接拼接构成U型钢框；所述底板中心的传力螺杆孔通过螺纹连接传力螺杆；所述两块侧板上部和中部的组装螺孔设置于对称位置，所述两侧板中部的组装螺孔通过螺纹连接刚度支撑，所述两侧板上部的组装螺孔通过螺纹连接绕丝辊轴；

所述绕丝辊轴为水平设置的高强双头螺丝杆，所述绕丝辊轴中部光面，两端设有长距螺纹，所述绕丝辊轴的两端穿过U型钢框的侧板上部螺孔后使用锁紧螺母锁死；

所述绕丝辊轴外活动套设环形卡具，所述环形卡具横截面为C型，与所述绕丝辊轴贴合，所述环形卡具上设置有锁紧螺栓，所述环形卡具通过锁紧螺栓压紧绕丝辊轴；

所述上下两个夹具本体之间竖直设置引伸计，所述引伸计的上下两端分别连接上下两个夹具本体同一侧的侧板。

所述上下两个夹具本体对称设置，所述下面的夹具本体的U型钢框呈U型设置，绕丝辊轴设置于U型结构上部，所述上面的夹具本体的U型钢框呈倒U型设置，绕丝辊轴设置于倒U型结构下部；

所述上下两个夹具本体分别通过柱形连接座与拉拔试验机的上端支撑套筒和下端支撑套筒连接。

所述环形卡具内壁设置有橡胶垫层。

所述刚度支撑为水平设置的支撑板或支撑柱。

所述刚度支撑数量为一个或多个。

所述拉拔试验机可以被万能材料试验机代替。

采用所述的夹具检测纤维强度的方法，包括如下步骤：

步骤一、将夹具装配完整，将分别与两个夹具连接的柱形连接座分别插入拉拔试验机的上下端支撑套筒内，当柱形连接座的销孔和试验机支撑套筒销孔对准后，将定位插销插入销孔；

步骤二、制备纤维试样长度为100-150mm的待测试样，其中，纤维试样的上下端为缠绕段，上下缠绕段长度各为30-70mm，使得试样对应的有效标距长度L₀分别为5-50mm，用记号笔对纤维试样的标距段进行涂色以作为标记；

步骤三、将纤维试样上缠绕段紧绕于上夹具本体的上绕丝辊轴，绕出端为标距段和下缠绕段，手动操作拉拔试验机控制盒调整移动横梁高度以使上夹头移动到合适位置，即上下夹具本体的辊轴边缘间距恰好为纤维的有效标距长度，留出标距段后，将纤维试样下缠绕段紧绕于下夹具本体的绕丝辊轴相应位置处；并且保证定位后的纤维试样标距段与拉拔试验机所施加的拉力作用线重合于同一直线；

步骤四、绕丝完成后，拧紧位于绕丝辊轴两端螺纹处的锁紧螺母，避免绕丝辊轴再发生转动，并移动环型卡具位于绕丝辊轴的纤维缠绕部位后，拧紧锁紧螺栓使卡具夹紧以提高橡胶垫层与纤维缠绕段间的摩阻力，保证试验过程中纤维缠绕段不因拉力而发生滑移；

步骤五、安装完成后，将引伸计轻轻卡入上下两套夹具本体的侧板之间，使引伸计保持稳定；

其中，引伸计量测试验过程中纤维的伸长量L，拉拔试验机所集成的力传感器量测试验过程中纤维的受拉载荷F，引伸计与力传感器所量测的实时数据均实时传输至电脑，并自动绘制力-变形（F-L）曲线；

步骤六、开动拉拔试验机，调整拉伸速度后，开始加载拉力，将试样拉伸至断裂，从自动绘图设备上得出纤维拉伸过程的力-变形（F-L）曲线，换算得出纤维拉伸过程的应力-应变（

）曲线。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明利用拉拔试验机针对多种纤维，包括钢纤维、柔性纤维等，进行单丝拉拔试验、多丝拉拔试验。

本发明所述夹具采用缠绕夹紧方式，可避免传统平板夹紧方式在试验过程中出现的纤维丝滑移以及夹具端口纤维先断的现象。

本夹具具有有序缠绕、环抱挤压、平滑绕出等特征；其中，有序排列缠绕可保证纤维缠绕环之间不发生堆叠和挤压，保证紧固装置能够锁紧；通过环状卡具实现在有序排列缠绕的基础上实现环抱挤压，可以高效率地实现卡具和纤维之间的大摩阻力；弧线平滑绕出可避免纤维在拉伸过程中由于夹头位置应力集中导致的剪切破坏。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明整体结构示意图；

图2a为环型卡具安装示意图，2b为图2a的A-A向剖视图；

图3为U型钢框的顶板和侧板螺孔位置示意图；

图4为实验操作流程图。

图中，1-定位插销，2-柱形连接座，3-传力螺杆，4-U型刚框，5-绕丝辊轴，6-紧固螺母，7-刚度支撑，9-引伸计，10-环形卡具，11-拉拔试验机，15-纤维，16-螺孔，17-锁紧螺母，41-底板，42-侧板，43-传力螺杆孔，44-组装螺孔，101-锁紧螺栓，102-橡胶垫层。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步的详细说明，但是本发明的保护范围并不限于这些实施例，凡是不背离本发明构思的改变或等同替代均包括在本发明的保护范围之内。

1.1一种检测纤维强度的夹具实施例

一种检测纤维强度的夹具，包括上下对称设置的两个夹具本体、柱形连接座2和传力螺杆3，所述柱形连接座2为带销孔的中空圆柱体，所述柱形连接座2的外径与拉拔试验机的支撑套筒的内径为配套设置，使柱形连接座2稳定插入拉拔试验机的支撑套筒内；

所述柱形连接座2的销孔内穿设定位插销1，所述柱形连接座2一端底面开设有螺孔，所述螺孔内连接传力螺杆3，所述传力螺杆为竖直设置的双头螺纹杆，一端螺纹连接柱形连接座2，另一端螺纹连接夹具本体，所述传力螺杆3与夹具本体连接处还设置有紧固螺母6；

所述夹具本体包括U型钢框4、刚度支撑7和绕丝辊轴5，所述U型钢框4由一个底板41和两端对称设置的两个侧板42组成，所述侧板42的上部、中部、底部均设有组装螺孔44，所述底板41中心设有传力螺杆孔43，所述底板41两侧均设有组装螺孔44，所述底板两侧的组装螺孔44与所述侧板底部的组装螺孔44位置对应，所述底板41和两个侧板42通过对应的组装螺孔采用螺栓连接拼接构成U型钢框4；所述底板41中心的传力螺杆孔43通过螺纹连接传力螺杆3；所述两块侧板42上部和中部的组装螺孔设置于对称位置，所述两侧板中部的组装螺孔通过螺纹连接刚度支撑7，所述两侧板上部的组装螺孔通过螺纹连接绕丝辊轴5；

所述绕丝辊轴5为水平设置的高强双头螺丝杆，所述绕丝辊轴5中部光面，两端设有长距螺纹，所述绕丝辊轴5的两端穿过U型钢框的侧板上部螺孔后使用锁紧螺母17锁死；

所述绕丝辊轴5外活动套设环形卡具10，所述环形卡具10横截面为C型，与所述绕丝辊轴5贴合，所述环形卡具上设置有锁紧螺栓101，所述环形卡具10通过锁紧螺栓101压紧绕丝辊轴5；

所述上下两个夹具本体之间竖直设置引伸计9，所述引伸计9的上下两端分别连接上下两个夹具本体同一侧的侧板。

所述上下两个夹具本体对称设置，所述下面的夹具本体的U型钢框呈U型设置，绕丝辊轴设置于U型结构上部，所述上面的夹具本体的U型钢框呈倒U型设置，绕丝辊轴设置于倒U型结构下部。

所述上下两个夹具本体分别通过柱形连接座2与拉拔试验机的上端支撑套筒和下端支撑套筒连接。

所述环形卡具10内壁设置有橡胶垫层102。

所述刚度支撑7为水平设置的支撑板或支撑柱。

所述刚度支撑7数量为一个或多个。

采用所述的夹具检测纤维强度的方法，包括如下步骤：

步骤一、将夹具装配完整，将分别与两个夹具连接的柱形连接座分别插入拉拔试验机的上下端支撑套筒内，当柱形连接座的销孔和试验机支撑套筒销孔对准后，将定位插销插入销孔；

步骤二、制备纤维试样长度为110mm（或100、115、120、125、130、135、140、145、150mm等）的待测试样。其中，纤维试样的上下端为缠绕段，上下缠绕段长度各50mm（或30、35、40、45、55、60、65、70mm等），调整试样对应的有效标距长度L₀分别为10mm（或5、15、20、25、30、35、40、45、50mm等），用记号笔对纤维试样的标距段进行涂色以作为标记。

步骤三、将纤维试样上缠绕段紧绕于上夹具本体的上绕丝辊轴，绕出端为标距段和下缠绕段，手动操作拉拔试验机控制盒调整移动横梁高度以使上夹头移动到合适位置（即上下夹具本体的辊轴边缘间距恰好为纤维的有效标距长度），留出标距段后，将纤维试样下缠绕段紧绕于下夹具本体的绕丝辊轴相应位置处。注意绕出位置以保证定位后的纤维试样标距段与拉拔试验机所施加的拉力作用线重合于同一直线；

步骤四、绕丝完成后，拧紧位于绕丝辊轴两端螺纹处的锁紧螺母，避免绕丝辊轴再发生转动，并移动环型卡具位于绕丝辊轴的纤维缠绕部位后，拧紧锁紧螺栓使卡具夹紧以提高橡胶垫层与纤维缠绕段间的摩阻力，保证试验过程中纤维缠绕段不至因拉力而发生滑移。

步骤五、安装完成后，将引伸计轻轻卡入上下两套夹具本体的侧板之间，使引伸计保持稳定；

其中，引伸计可量测试验过程中纤维的伸长量L，拉拔试验机所集成的力传感器可量测试验过程中纤维的受拉载荷F。引伸计与力传感器所量测的实时数据均可实时传输至电脑，并自动绘制力-变形（F-L）曲线。

步骤六、开动拉拔试验机，调整拉伸速度（其速度可在0.5-10mm/min内选择）后开始加载，将试样拉伸至断裂，从自动绘图设备上得出纤维拉伸过程的力-变形（F-L）曲线。同理，可换算得出纤维拉伸过程的应力-应变（σ-ε）曲线。

其中，单根纤维截面积A₀的测定按照GB3364的规定执行；单根纤维的抗拉强度

，拉应变

。

1.2 使用所述夹具检测纤维强度的方法，具体通过如下步骤实现：

第1步．将锁紧螺栓101松扣的环型卡具10套在绕丝辊轴上；

第2步．采用内六角螺栓将U型刚框的侧板、U型刚框的底板以及绕丝辊轴（其外套有松扣的环型卡具10）拼接成一体，使绕丝辊轴固定保持水平状态；

第3步．将锁紧螺母17安装于绕丝辊轴两端螺纹处；在两侧板中部对称位置的螺孔处，通过螺栓连接刚度支撑7，当刚度支撑为板状时，侧板上设置多个螺孔，每个刚度支撑板通过多个螺孔和螺栓进行固定，并保持水平；当刚度支撑为多个柱状时，互相平行或交叉，并固定锁紧；组成两套夹具本体；

第4步．传力螺杆为两端具有螺纹的刚性短杆，将两套夹具本体的顶板中心的螺孔通过螺纹连接传力螺杆一端，并通过紧固螺母进行固定，该传力螺杆另一端拧入柱形连接座2底部的螺孔内，拧紧，固定；该传力螺杆3的两端头分别拧入U型刚框和柱形连接座2的螺孔，并将二者连接成一体；

与其中一套夹具本体连接的的柱形连接座2插入拉拔试验机的上端支撑套筒内，与另一套夹具本体连接的的柱形连接座2插入拉拔试验机的下端支撑套筒内，当该柱形连接座的销孔和试验机支撑套筒销孔对准后，将定位插销插入销孔，固定；保证此时两套夹具本体连接的两个传力螺杆均为竖直状态，绕丝辊轴均保持水平状态；

第5步．将长纤维一端缠绕于其中一个夹具本体的绕丝辊轴，另一端绕出，并注意使纤维的绕出位置与拉拔设备的拉力作用线位于同一直线；

第6步．重复第5步，将长纤维的绕出端继续缠绕于另一个夹具本体的绕丝辊轴相应位置处，并使定位后的纤维标距段与拉拔设备的拉力作用线重合于同一直线，纤维的标距段长度根据试验要求而定，纤维的标距段长度为3mm-20mm；

第7步．绕丝完成后，拧紧位于绕丝辊轴两端螺纹处的锁紧螺母，并移动环型卡具位于绕丝辊轴的纤维缠绕部位后，拧紧锁紧螺栓锁紧卡具，锁死，避免发生转动。

第8步．在上下两套夹具本体的侧板之间连接引伸计，量测试验过程中纤维的断后伸长量，启动拉拔试验机，进行纤维强度试验。

本发明利用拉拔试验机针对多种纤维，包括钢纤维、柔性纤维等，进行单丝拉拔试验、多丝拉拔试验。

本发明所述夹具采用缠绕夹紧方式，可避免传统平板夹紧方式在试验过程中出现的纤维丝滑移以及夹具端口纤维先断的现象。

其他可用的夹具，如板材拉伸所采用的平板式夹头难以对超小直径的单根纤维提供足够的摩阻力，在试验过程中纤维试验夹持端发生滑移而导致试验结果不准确；在拉伸过程中，平板式夹头尖锐的边缘极易导致纤维在该位置处由于应力集中导致剪切破坏。而少数线绳试验所采用的简易缠绕式夹具难以实现超小直径的纤维有序缠绕及绕出端的平滑绕出，无法高效提供摩阻力导致纤维拉伸过程中缠绕段易发生滑移，特别是当试验过程中，纤维轻微偏离试验机拉力作用线后，纤维将会由于夹头处引起的应力集中而迅速发生剪切破坏。

本夹具具有有序缠绕、环抱挤压、平滑绕出等特征；其中，有序排列缠绕可保证纤维缠绕环之间不发生堆叠和挤压，保证紧固装置能够锁紧；通过环状卡具实现在有序排列缠绕的基础上实现环抱挤压，可以高效率地实现卡具和纤维之间的大摩阻力；弧线平滑绕出可避免纤维在拉伸过程中由于夹头位置应力集中导致的剪切破坏。

本发明不会限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽范围。

Claims (6)

1.一种检测纤维强度的夹具，其特征在于，包括上下对称设置的两个夹具本体、柱形连接座（2）和传力螺杆（3），所述柱形连接座（2）为带销孔的中空圆柱体，所述柱形连接座（2）的外径与拉拔试验机的支撑套筒的内径为配套设置，使柱形连接座（2）稳定插入拉拔试验机的支撑套筒内；

所述柱形连接座（2）的销孔内穿设定位插销（1），所述柱形连接座（2）一端底面开设有螺孔，所述螺孔内连接传力螺杆（3），所述传力螺杆为竖直设置的双头螺纹杆，一端螺纹连接柱形连接座（2），另一端螺纹连接夹具本体，所述传力螺杆（3）与夹具本体连接处还设置有紧固螺母（6）；

所述夹具本体包括U型钢框（4）、刚度支撑（7）和绕丝辊轴（5），所述U型钢框（4）由一个底板（41）和两端对称设置的两个侧板（42）组成，所述侧板（42）的上部、中部、底部均设有组装螺孔（44），所述底板（41）中心设有传力螺杆孔（43），所述底板（41）两侧均设有组装螺孔（44），所述底板两侧的组装螺孔（44）与所述侧板底部的组装螺孔（44）位置对应，所述底板（41）和两个侧板（42）通过对应的组装螺孔采用螺栓连接拼接构成U型钢框（4）；所述底板（41）中心的传力螺杆孔（43）通过螺纹连接传力螺杆（3）；所述两个 侧板（42）上部和中部的组装螺孔设置于对称位置，所述两个 侧板中部的组装螺孔通过螺纹连接刚度支撑（7），所述两个 侧板上部的组装螺孔通过螺纹连接绕丝辊轴（5）；

所述绕丝辊轴（5）为水平设置的高强双头螺丝杆，所述绕丝辊轴（5）中部光面，两端设有长距螺纹，所述绕丝辊轴（5）的两端穿过U型钢框的侧板上部组装螺孔后使用锁紧螺母（17）锁死；

所述绕丝辊轴（5）外活动套设环形卡具（10），所述环形卡具（10）横截面为C型，与所述绕丝辊轴（5）贴合，所述环形卡具上设置有锁紧螺栓（101），所述环形卡具（10）通过锁紧螺栓（101）压紧绕丝辊轴（5）；

所述上下两个夹具本体之间竖直设置引伸计（9），所述引伸计（9）的上下两端分别连接上下两个夹具本体同一侧的侧板；

所述上下两个夹具本体分别通过柱形连接座（2）与拉拔试验机的上端支撑套筒和下端支撑套筒连接。

2.根据权利要求1所述的一种检测纤维强度的夹具，其特征在于，所述环形卡具（10）内壁设置有橡胶垫层（102）。

3.根据权利要求1所述的一种检测纤维强度的夹具，其特征在于，所述刚度支撑（7）为水平设置的支撑板或支撑柱。

4.根据权利要求1所述的一种检测纤维强度的夹具，其特征在于，所述刚度支撑（7）数量为一个或多个。

5.采用权利要求1-4任一所述的夹具检测纤维强度的方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤一、将夹具装配完整，将分别与两个夹具连接的柱形连接座分别插入拉拔试验机的上下端支撑套筒内，当柱形连接座的销孔和试验机支撑套筒销孔对准后，将定位插销插入销孔；

步骤二、制备纤维试样长度为100-150mm的待测试样，其中，纤维试样的上下端为缠绕段，上下缠绕段长度各为30-70mm，使得试样对应的有效标距长度

分别为5-50mm，用记号笔对纤维试样的标距段进行涂色以作为标记；

步骤三、将纤维试样上缠绕段紧绕于上夹具本体的上绕丝辊轴，绕出端为标距段和下缠绕段，手动操作拉拔试验机控制盒调整移动横梁高度以使上夹头移动到合适位置，即上下夹具本体的辊轴边缘间距恰好为纤维的有效标距长度，留出标距段后，将纤维试样下缠绕段紧绕于下夹具本体的绕丝辊轴相应位置处；并且保证定位后的纤维试样标距段与拉拔试验机所施加的拉力作用线重合于同一直线；

步骤四、绕丝完成后，拧紧位于绕丝辊轴两端螺纹处的锁紧螺母，避免绕丝辊轴再发生转动，并移动环型卡具位于绕丝辊轴的纤维缠绕部位后，拧紧锁紧螺栓使卡具夹紧以提高橡胶垫层与纤维缠绕段间的摩阻力，保证试验过程中纤维缠绕段不至因拉力而发生滑移；

步骤五、安装完成后，将引伸计轻轻卡入上下两套夹具本体的侧板之间，使引伸计保持稳定；

其中，引伸计量测试验过程中纤维的伸长量L，拉拔试验机所集成的力传感器量测试验过程中纤维的受拉载荷F，引伸计与力传感器所量测的实时数据均实时传输至电脑，并自动绘制力-变形曲线，即F-L曲线；

步骤六、开动拉拔试验机，调整拉伸速度后，开始加载拉力，将试样拉伸至断裂，从自动绘图设备上得出纤维拉伸过程的力-变形曲线，即F-L曲线，换算得出纤维拉伸过程的应力-应变曲线，即

曲线。

6.根据权利要求5所述的检测纤维强度的方法，其特征在于，所述拉拔试验机可以被万能材料试验机代替。

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