CN109827897A - 一种基于杠杆的慢拉伸应力腐蚀实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于杠杆的慢拉伸应力腐蚀实验装置，包括杠杆平衡系统、腐蚀试验系统和反馈调节系统；杠杆平衡系统包括杠杆和用于支撑杠杆的杠杆支架，杠杆的左端连接有腐蚀试验系统，杠杆的右端设有砝码装置；腐蚀试验系统包括电化学腐蚀缸，电化学腐蚀缸用于模拟腐蚀环境并固定试样，电化学腐蚀缸连接在杠杆的左端；反馈调节系统连接在杠杆平衡系统和腐蚀试验系统之间，反馈调节系统用于调节杠杆的平衡；本发明可通过杠杆结构放大砝码的载荷，减轻杆件承受的附加应力，通过实验前加载不同载荷或移动砝码位置可提供多种蠕变应力拉伸条件，本装置简单，测量精确，易实现恒力下的蠕变应力及位移的实时监测。

Description

一种基于杠杆的慢拉伸应力腐蚀实验装置

技术领域

本发明涉及检测设备技术领域，具体涉及一种基于杠杆的慢拉伸应力腐蚀实验装置。

背景技术

蠕变是指固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。机械式蠕变试验机常用于测定金属的蠕变持久性能，现有的蠕变试验机较多的采用杠杆式加荷，老式的杠杆式蠕变试验机多采用人为加载砝码施加拉力，对于恒力的控制精确度较低，所测量的实验数据误差较大。

现有的杠杆结构蠕变试验机大多未考虑试样拉伸后杠杆倾斜的瞬间所导致的力方向的改变引起的恒力波动，且通常采用的调平装置大多为手轮调节精确度不高，也很少有蠕变试验机采用蠕变应力与腐蚀环境相结合的实验装置，对于工程上特殊环境下的材料适用性有所差异。在现有专利中“一种杠杆式蠕变试验机”，其缺点当杠杆失去平衡后通过调节高度调平，在调平过程中，无法保持恒力的大小，缺少对试样拉伸断裂的保护措施，性能较为单一。“一种可实现自动精确加载的机械式高温蠕变试验机”，其缺点是调平过程中没有控制方向的措施，施力大小受到影响，适用环境的范围较为局限。“基于慢拉伸应力腐蚀试验机的间浸腐蚀试验方法及装置”，其缺点是较侧重于电化学腐蚀实验方法，与慢拉伸的结合不够紧密，实用性不够完善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于杠杆的慢拉伸应力腐蚀实验装置，以解决现有技术中导致的上述多项缺陷或缺陷之一。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

一种基于杠杆的慢拉伸应力腐蚀实验装置，包括杠杆平衡系统、腐蚀试验系统和反馈调节系统；杠杆平衡系统包括杠杆和用于支撑杠杆的杠杆支架，杠杆的左端连接有腐蚀试验系统，杠杆的右端设有砝码装置；腐蚀试验系统包括电化学腐蚀缸，电化学腐蚀缸用于模拟腐蚀环境并固定试样，电化学腐蚀缸连接在杠杆的左端；反馈调节系统连接在杠杆平衡系统和腐蚀试验系统之间，反馈调节系统用于调节杠杆的平衡。杠杆支架左侧的杠杆为矩形杠杆，杠杆支架右侧的杠杆为带槽杠杆，砝码装置包括砝码固定架，砝码固定架滑动连接带槽杠杆上，砝码固定架用于使带槽杠杆产生向下的力；杠杆上设有用于驱动砝码固定架移动的驱动装置。

本发明的优点在于：

1、该装置可通过杠杆结构放大砝码的载荷，减轻杆件承受的附加应力，通过实验前加载不同载荷或移动砝码位置可提供多种蠕变应力拉伸条件；

2、试样慢拉伸伸长过程中引起的杠杆倾斜通过万向节可调整施力方向始终向下；

3、本装置还装有完整的反馈调节系统，载荷能够连续恒定输出，结合腐蚀试验系统可实现材料在各种自然模拟环境下的慢拉伸应力腐蚀实验；

4、本装置对材料蠕变拉伸的适用性极强，装置简单，测量精确，成本较低，易实现恒力下的蠕变应力及位移的实时监测。

附图说明

图1为本发明具体实施方式实验装置的整体结构示意图；

图2为本发明具体实施方式中伺服电机和第一丝杠的连接示意图；

图3为本发明具体实施方式中三角玻璃外壳的连接示意图；

图4为本发明具体实施方式中万向节的连接示意图；

图5为本发明具体实施方式中杠杆及杠杆支架连接示意图；

图6为本发明具体实施方式中砝码固定架的结构示意图；

图7为本发明具体实施方式中磁力元件箱及其连接部的结构示意图。

其中：1、伺服电机；2、第一轴承；3、滑块；4、第一丝杠；5、滑槽；6、三角玻璃外壳；7、输入孔；8、下端夹具；9、电极槽；10、上端夹具；11、通孔；12、输出孔；131、第一陶瓷钢管；132、第二陶瓷钢管；14、螺钉；15、三角支撑钢板；16、第一圆柱销；17、万向节；18、矩形杠杆；19、限位框架；20、第二圆柱销；21、第二轴承；22、杠杆支架；23、第二丝杠；24、带槽杠杆；25、滑孔；26、砝码钩；27、承载架；28、第三轴承；29、铁管；30、第一磁铁块；31、磁力元件箱；32、支撑台；33、第二磁铁块；34、支撑杆；35、第二万向节。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

如图1至图7所示，一种基于杠杆的慢拉伸应力腐蚀实验装置，包括：杠杆平衡系统、腐蚀试验系统和反馈调节系统，杠杆平衡系统包括杠杆和用于支撑杠杆的杠杆支架22，杠杆的左端连接有腐蚀试验系统，杠杆的右端设有砝码装置；腐蚀试验系统包括电化学腐蚀缸，电化学腐蚀缸用于模拟腐蚀环境并固定试样，电化学腐蚀缸连接在杠杆的左端；反馈调节系统连接在杠杆平衡系统和腐蚀试验系统之间，反馈调节系统用于调节杠杆的平衡。

在杠杆平衡系统中，杠杆支架22的顶端为U型槽状，将杠杆放置在杠杆支架22的U型槽处，杠杆支架22和杠杆的连接处均设通孔，通孔内固定有第二轴承21，通过第二圆柱销20将杠杆支架22和杠杆连接，杠杆能够在杠杆支架22处转动。杠杆支架22将杠杆分为一体成型的矩形杠杆18和带槽杠杆24，矩形杠杆18位于杠杆支架22的左侧，带槽杠杆24位于杠杆支架22的右侧，杠杆取1:10的力臂置放杠杆支架22，杠杆支架22处上端面的杠杆上焊有可将小型电机固定在内的限位框架19。

带槽杠杆24上连接有砝码固定装置，砝码固定装置包括砝码固定架，砝码固定架包括承载架27和连接架，连接架固定在承载架27上方，连接架和承载架27可一体成型也可固定连接，连接架上端为棱台状，连接架下端为长方体状，棱台状连接架处设有螺孔，长方体状连接架处设有和所述带槽杠杆24相适配的滑孔25。具体的，带槽杠杆24前后两侧设有向内凹的滑槽，滑孔25内设有凸起，砝码固定架通过滑孔25连接在带槽杠杆24上，并能在带槽杠杆24上滑动。

承载架27上还设有悬挂砝码的砝码钩26，砝码钩26和承载架27的设置，砝码固定架在运动的过程中不会导致装载的砝码掉落。砝码固定架的设置是为了给带槽杠杆24向下的力，由于矩形杠杆18和带槽杠杆24位一体成型，且支点在杠杆支架22处，所以矩形杠杆18会产生向上的拉力。

限位框架19内固定有小型伺服电机，第二丝杠23的一端以联轴器连接小型伺服电机，另一端以第三轴承28固定于带槽杠杆24的右端部。保证了小型伺服电机在转动时第二丝杠23能够转动。棱台状连接架上的螺孔内设有和第二丝杠23相适配的螺纹，第二丝杠23在转动时能够带动砝码固定架沿带槽杠杆24上的滑槽移动。

在腐蚀试验系统中，电化学腐蚀缸为透明圆柱形缸体，便于观测内部试验的情况。电化学腐蚀缸上端面圆心处开有通孔11，电化学腐蚀缸的侧面上设有用于腐蚀液流通的输入孔7和输出孔12，输入孔7的水平位置低于输出孔12的水平位置，外部管路和输入孔7、输出孔12相连接，腐蚀液从输入孔7中流入，从输出孔12中流出，可形成对流模拟态，有效防止腐蚀液溢出电化学腐蚀缸。缸体内部设有两对称的电机槽9，可模拟对流环境下多种自然腐蚀环境，实现腐蚀环境下的实时蠕变检测。

电化学腐蚀缸内部顶端设有用于夹持试样的上端夹具10，电化学腐蚀缸内部底端设有用于夹持试样的下端夹具8。试样夹持在上端夹具10和下端夹具8之间，两端夹具的设置保证了试样的稳定。下端夹具8的下方设有连接有载荷传感器，载荷传感器能够记录试样的载荷数，载荷传感器和外部PLC控制系统相连接，PLC控制系统上连接有显示装置，显示装置用于显示试样的载荷数。为了防止电化学腐蚀缸出现漏液或破裂现象，将电化学腐蚀缸设于三角玻璃外壳6内。三角玻璃外壳6棱边均采用高强度钢焊接，杠杆支架22固定在三角玻璃外壳6顶面的一角上，连接处为三角支撑钢板15通过螺钉14固定在三角玻璃外壳6上。

在反馈调节系统中，反馈调节系统包括电机调节系统和磁力调节系统，反馈调节系统和磁力调节系统共同作用，保证了杠杆左右两端的平衡。

电机调节系统包括伺服电机1和两个互相垂直连接的万向节17，两个互相垂直的万向节17通过第一圆柱销16相连接。其中一个万向节17连接在矩形杠杆18的左端，另一个万向节17通过第一陶瓷钢管131和电化学腐蚀缸顶端相连接。第一陶瓷钢管131贯穿电化学腐蚀缸顶部的通孔11和电化学腐蚀缸内的上端夹具10相连接。

伺服电机1固定在底座上，底座固定在底座缸内，三角玻璃外壳6固定在底座缸上。伺服电机1的输出轴和底座之间设有第一轴承。伺服电机1的输出轴上螺纹连接有第一丝杠4，第一丝杠4上螺纹连接有滑块3，滑块3上连接有第二陶瓷钢管132，第二陶瓷钢管132和电化学腐蚀缸的底端相连接。具体的，滑块3左右两侧设有调平导向滑槽，调平导向滑槽由两个长方体开对称方形滑槽放置于底座上，同滑槽相配合的滑块3中心铣有螺纹孔与第一丝杠4螺纹连接，当伺服电机1工作时，第一丝杠4向下运动调平杠杆时，滑槽可控制滑块3的周转并抑制其周向力，则滑块3仅在竖直方向移动调平。

第二陶瓷钢管132贯穿电化学腐蚀缸并和其内部的下端夹具8相连接；第二陶瓷钢管132和电化学腐蚀缸的接触处设有橡胶垫圈，防止腐蚀液漏出。载荷传感器连接连接在电化学腐蚀缸下方的第二陶瓷钢管132上。第一陶瓷钢管131相连接的万向节17上设有位移传感器，位移传感器的反馈信号能控制伺服电机1工作。具体的，伺服电机1和位移传感器之间设有反馈系统，当试样发生蠕变伸长时，杠杆左端向上移动，位移传感器检测出试样位移的变化并通过信号传递至伺服电机1，并控制伺服电机1启动，伺服电机1旋转带动第二陶瓷钢管132向下运动，由于电化学腐蚀缸和第二陶瓷钢管132相连接，所以电化学腐蚀缸会向下移动，进一步使杠杆平衡。

磁力调节系统固定在带槽杠杆24的右端，磁力调节系统包括磁力元件箱31、支撑杆34和两个互相垂直连接的第二万向节35，支撑杆34的底端和底座缸相连接，顶端和磁力元件箱31相连接，支撑杆34为磁力元件箱提供支撑力保证了磁力元件箱31的稳定，并提供承载试样拉伸断裂瞬间产生的杠杆失稳力。带槽杠杆24的右端和其中一个第二万向节35相连接，另一个第二万向节35上连接有铁管29；磁力元件箱31内部底端设有第二磁铁块33，磁力元件箱31内部顶端设有第一磁铁块30，第一磁铁块30和第二磁铁块33之间设有支撑台32。

铁管29贯穿到磁力元件箱31内部和第一磁铁块30相连接，磁力元件箱31内部的铁管29上设有线圈，位移传感器的反馈信号能控制线圈通入电流的大小。具体的，位移传感器传递连续的电压信号至高精度的电子天平测量仪，该测量仪采用电磁力反馈平衡零位法将电压信号作用于磁力元件箱31内的线圈耦合产生感应电流，改变磁力大小调节万向节17，使其恢复初始位置，进一步使杠杆平衡。支撑台32的设置能够支撑第一磁铁块30，试样在拉伸过程中断裂产生瞬间失稳时支撑台32起到承载的作用。通过磁力调节系统和电机调节系统共同作用保证了杠杆两端的平衡。

操作过程如下：所用试样采用易失效于慢拉伸应力腐蚀环境的不同材料结合本装置进行试验，杠杆总长2000mm，杠杆支架22与杠杆连接试样端长度固定为200mm，以1：8的力臂启动小型电机带动第二丝杠23调整砝码固定架的位置，采用1000N砝码，即可获得8000N的拉力作用于试样上，选取L=50mm，d=15mm的试样，将试样上端螺纹连接至中空的第一陶瓷钢管131，下端通过下端夹具8与第一丝杠4连接，电化学腐蚀缸通过螺纹连接将底端与第一丝杠4固定，采用橡胶垫圈防止漏液，腐蚀缸上端开有d=30mm通孔11供第一陶瓷钢管131通过，上端采取不固定的安装方式使得腐蚀缸不受拉伸时第一丝杠4移动带来的影响，腐蚀缸内对称电极槽9内插入甘汞电极，铂电极，将流动的3.5%NaCl腐蚀液自输入孔7注入电化学腐蚀缸，由于输入孔7高度低于输出孔12，可形成浸入式动态循环腐蚀，另外，输出孔12距离电化学腐蚀缸上端有一定距离，有效的防止了腐蚀液的渗漏，腐蚀缸外部有固定在底座缸上的三角玻璃外壳6，若腐蚀缸有破裂渗漏现象可及时观测并修复。

试样在恒力作用下拉伸后发生蠕变伸长，杠杆发生倾斜，竖直方向的位移变化通过连接矩形杠杆18和第一陶瓷钢管131的万向节17调整第一陶瓷钢管131受力方向始终向下，万向节17上连接的位移传感器传递连续的电压信号给高精度的电子天平测量仪，该测量仪采用电磁力反馈平衡零位法将电压信号作用于磁力元件箱内的线圈耦合产生感应电流，改变磁力大小调节万向节恢复初始位置，使杠杆平衡。同时，位移传感器将恢复初始位置的位移反馈给试样底端第一丝杠4连接的伺服电机1，伺服电机1带动第一丝杠4下移相应位移，完成杠杆反馈调平，下移过程中，由于第一丝杠4穿过放置于底座内部的调平导向滑槽，同滑槽相配合的方形滑块3中心铣有螺纹孔与第一丝杠4形成螺纹连接，当反馈系统工作时，第一丝杠4向下运动调平杠杆时，滑槽可控制滑块3的周转并抑制其周向力，则滑块3仅在竖直方向移动调平。在试样进行连续的蠕变和杠杆不断的调平过程中，位移传感器和下端夹具8下方的载荷传感器通过与数字显示屏连接，PLC系统监控，自动记录试样的承载荷数，位移变化数值，实现了实时监测的目的，将数据导入数据采集器，记录分析。

实验证明采用以下标准本发明效果更佳：

位移传感器精度：直线量程3~6mm，精度±1.5%，分辨率1.5μm~3μm，频响800Hz,工作温度-55℃~180℃。

载荷传感器：型号：FCL，量程：100N~50KN，材料：不锈钢，测力类型:压式，额定输出：1.5mV/V，非重复性：0.1% of R.O，激励电压：5~15V，其它：可根据要求定制。

由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

Claims (10)

1.一种基于杠杆的慢拉伸应力腐蚀实验装置，其特征在于，包括：

杠杆平衡系统：所述杠杆平衡系统包括杠杆和用于支撑所述杠杆的杠杆支架（22），所述杠杆的左端连接有腐蚀试验系统，所述杠杆的右端设有砝码装置；

腐蚀试验系统：所述腐蚀试验系统包括电化学腐蚀缸，所述电化学腐蚀缸用于模拟腐蚀环境并固定试样，所述电化学腐蚀缸连接在所述杠杆的左端；

反馈调节系统：所述反馈调节系统连接在所述杠杆平衡系统和腐蚀试验系统之间，所述反馈调节系统用于调节所述杠杆的平衡。

2.根据权利要求1所述的一种基于杠杆的慢拉伸应力腐蚀实验装置，其特征在于，所述杠杆支架（22）左侧的杠杆为矩形杠杆（18），所述杠杆支架（22）右侧的杠杆为带槽杠杆（24），所述砝码装置包括砝码固定架，所述砝码固定架滑动连接所述带槽杠杆（24）上，所述砝码固定架用于使所述带槽杠杆（24）产生向下的力；所述杠杆上设有用于驱动所述砝码固定架移动的驱动装置。

3.根据权利要求2所述的一种基于杠杆的慢拉伸应力腐蚀实验装置，其特征在于，所述反馈调节系统包括电机调节系统；

所述电机调节系统包括伺服电机（1）和两个互相垂直连接的万向节（17），其中一个所述万向节（17）连接在所述矩形杠杆（18）的左端，另一个所述万向节（17）通过第一陶瓷钢管（131）和所述电化学腐蚀缸顶端相连接；所述伺服电机（1）的输出轴上螺纹连接有第一丝杠（4），所述第一丝杠（4）上螺纹连接有滑块（3），所述滑块（3）上连接有第二陶瓷钢管（132），所述第二陶瓷钢管（132）和所述电化学腐蚀缸的底端相连接；

所述第一陶瓷钢管（131）相连接的万向节（17）上设有位移传感器，所述位移传感器的反馈信号能控制所述伺服电机（1）工作。

4.根据权利要求3所述的一种基于杠杆的慢拉伸应力腐蚀实验装置，其特征在于，所述反馈调节系统还包括磁力调节系统；

所述磁力调节系统固定在所述带槽杠杆（24）的右端，所述磁力调节系统包括磁力元件箱（31）、支撑所述磁力元件箱（31）的支撑杆（34）和两个互相垂直连接的第二万向节（35），所述带槽杠杆（24）的右端和其中一个所述第二万向节（35）相连接，另一个所述第二万向节（35）上连接有铁管（29）；

所述磁力元件箱（31）内部底端设有第二磁铁块（33），所述磁力元件箱（31）内部顶端设有第一磁铁块（30），所述第一磁铁块（30）和所述第二磁铁块（33）之间设有支撑台（32），所述铁管（29）贯穿到磁力元件箱（31）内部和所述第一磁铁块（30）相连接，所述磁力元件箱（31）内部的所述铁管（29）上设有线圈，所述位移传感器的反馈信号能控制所述线圈通入电流的大小。

5.根据权利要求2所述的一种基于杠杆的慢拉伸应力腐蚀实验装置，其特征在于，所述驱动装置包括限位框架（19）和第二丝杠（23），所述限位框架（19）位于所述杠杆支架（22）的上方，限位框架（19）内设有电机，所述第二丝杠（23）的一端和所述电机的输出轴相连接，另一端转动连接在带槽杠杆（24）上，所述第二丝杠（23）和所述砝码固定架螺纹连接；所述第二丝杠（23）转动带动所述砝码固定架沿所述带槽杠杆（24）移动。

6.根据权利要求5所述的一种基于杠杆的慢拉伸应力腐蚀实验装置，其特征在于，所述砝码固定架为包括承载架（27）和连接架，所述连接架固定在所述承载架（27）上方，所述连接架上端为棱台状，所述连接架下端为长方体状，棱台状连接架处设有和所述第二丝杠（23）相适配的螺孔，长方体状连接架处设有和所述带槽丝杆（24）相适配的滑孔（25）。

7.根据权利要求2所述的一种基于杠杆的慢拉伸应力腐蚀实验装置，其特征在于，所述矩形杠杆（18）和带槽杠杆的长度之比为1:10。

8.根据权利要求1所述的一种基于杠杆的慢拉伸应力腐蚀实验装置，其特征在于，所述电化学腐蚀缸为圆柱形，所述电化学腐蚀缸的侧面上设有用于腐蚀液流通的输入孔（7）和输出孔（12），所述输入孔（7）的水平位置低于所述输出孔（12）的水平位置，所述电化学腐蚀缸内部顶端设有用于夹持试样的上端夹具（10），所述电化学腐蚀缸内部底端设有用于夹持试样的下端夹具（8）。

9.根据权利要求8所述的一种基于杠杆的慢拉伸应力腐蚀实验装置，其特征在于，所述下端夹具（8）下方连接有载荷传感器，所述载荷传感器和外部PLC控制系统相连接，PLC控制系统上连接有显示装置。

10.根据权利要求1所述的一种基于杠杆的慢拉伸应力腐蚀实验装置，其特征在于，所述电化学腐蚀缸为透明缸体，所述电化学腐蚀缸外部设有三角玻璃外壳（6）。