CN110006611B - 一种高效率振动疲劳试验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种高效率振动疲劳试验装置，该装置包括振动台(3)、应变仪(4)和主控计算机(5)，以及设置在振动台(3)上的用于夹装试样的夹具，其特征在于：该夹具包括一个位于振动台(3)中心处的圆形中心卡盘(1)，在圆形中心卡盘(1)的外围环绕一个环状支撑架(2)，环状支撑架(2)由立柱(7)支撑固定，圆形中心卡盘(1)与环状支撑架(2)的圆心重合，沿圆形中心卡盘(1)的径向，将呈放射状排列的试样(6)安装在圆形中心卡盘(1)、环状支撑架(2)之间，该装置大幅度提高了试验效率，降低了试验成本。

Description

一种高效率振动疲劳试验装置
技术领域
本发明是一种高效率振动疲劳试验装置，属于力学性能测试技术领域。
背景技术
对于工程材料来说，疲劳断裂失效是一种十分常见的失效模式，针对工程材料开展疲劳性能测试并获得性能数据，这对于工程结构件的设计和寿命预测具有重要意义。振动是工程结构中常见的载荷形式，也是引起工程结构和材料疲劳失效的重要原因，因此振动疲劳测试是获取材料和结构件在振动条件下的疲劳性能的重要测试手段。
通常，振动疲劳测试采用单根试样逐个加载的方式，即对所测试样逐个装夹、加载和拆卸，这种方式的稳定性和可靠性较高，但是测试效率偏低。振动疲劳对试样数量需求通常较多，试验周期较长，特别是对于超高周振动疲劳测试而言，所要求的疲劳循环数较高，通常达到了107到109循环数，单根试样的测试周期甚至可能长达数十天，一条完整的S-N曲线(含30根试样)的测试周期甚至可耗费数月。目前为了提高测试效率，普遍使用的手段是提高试样的加载频率，但振动疲劳通常在共振状态下进行加载，而试样形状和尺寸已经限定了其共振频率，除了改变试样形式外，很难寻求有效办法提高加载频率。基于上述考虑，亟需寻找更加有效的试验装置和方法来提高试验效率，满足针对大数量试样的振动疲劳测试需求。
发明内容
本发明正是针对上述现有技术中存在的不足而设计提供了一种高效率振动疲劳试验装置，其目的是简便、高效率地获取材料的振动疲劳性能数据。
本发明的技术解决方案如下：
该种高效率振动疲劳试验装置，该装置包括振动台3、应变仪4和主控计算机5，以及设置在振动台3上的用于夹装试样的夹具，其特征在于：该夹具包括一个位于振动台3中心处的圆形中心卡盘1，在圆形中心卡盘1的外围环绕一个环状支撑架2，环状支撑架2由立柱7支撑固定，圆形中心卡盘1与环状支撑架2的圆心重合，沿圆形中心卡盘1的径向，将呈放射状排列的试样6安装在圆形中心卡盘1、环状支撑架2之间，安装方式为：
试样6的一端通过方形基座8固定安装在圆形中心卡盘1的上表面；
试样6的另一端通过活动夹具9安装环状支撑架2的上表面并能够随圆形中心卡盘1的上、下振动进行转动和滑动以防止试样6沿径向发生形变。
所述活动夹具9包括一个与环状支撑架2固定连接的三角形基座10，三角形基座10上带有一个转动块11，转动块11与三角形基座10之间通过转动轴承12连接，转动块11上安装一个滑块13，滑块13与试样6固定连接，转动块11相对于三角形基座10的转动面与圆形中心卡盘1的径向重合，滑块13相对于转动块11的滑动轨迹所形成的滑动面也与圆形中心卡盘1的径向重合。
进一步，在圆形中心卡盘1的中心上表面处设置一个可调节高度的凸台14，该凸台14表面与试样6上表面保持在同一水平面上，该凸台14与连接在主控计算机5上的激光位移传感器15相配合以测量试样6的振幅。
进一步，所述应变仪为多通道应变仪4以确定每一个试样6的应变值。
进一步，在圆形中心卡盘1的上表面设置有加速度传感器16与主控计算机5连接。
本发明具有的特点及有益效果如下：
本发明装置是在现有振动台基础上提出了一种配套的试验装置，通过在振动台上设置圆形中心卡盘1和其周围的环状支撑架2，使得多个试样能够沿振动台面径向呈放射状分布，实现多个试样的同步加载测试。此外，针对试样的振动疲劳试验的特点，设计了一端固定，另一端可以可实现滑动和转动的夹具，确保试样在振动测试过程中，实现可靠夹持的同时只承受弯曲形变，避免了径向形变，使之满足振动疲劳试验要求。本发明对测试设备要求低，降低了试验成本，大幅提高了测试效率，在材料的振动疲劳性能测试方面具有重要的应用价值。
附图说明
图1为本发明试验装置的结构示意图
图2为本发明装置中夹具的结构示意图
图3为本发明装置中活动夹具的结构示意图
图4为本发明装置中试样的形状示意图
具体实施方式
以下将结合附图实施例对本发明装置作进一步地详述：
参见附图1～3所示，该种高效率振动疲劳试验装置与现有装置相比，同样包括振动台3、应变仪和主控计算机5，以及设置在振动台3上的用于夹装试样的夹具，所述应变仪为多通道应变仪4以确定每一个试样6的应变值，在圆形中心卡盘1的上表面设置有加速度传感器16与主控计算机5连接；所述夹具包括一个位于振动台3中心处的圆形中心卡盘1，在圆形中心卡盘1的中心上表面处设置一个可调节高度的凸台14，该凸台14的表面与试样6上表面保持在同一水平面上，该凸台14与连接在主控计算机5上的激光位移传感器15相配合以测量试样6的振幅；在圆形中心卡盘1的外围环绕一个环状支撑架2，环状支撑架2由立柱7支撑固定，圆形中心卡盘1与环状支撑架2的圆心重合，沿圆形中心卡盘1的径向，将呈放射状排列的试样6安装在圆形中心卡盘1、环状支撑架2之间，安装方式为：
试样6的一端通过方形基座8固定安装在圆形中心卡盘1的上表面；
试样6的另一端通过活动夹具9安装环状支撑架2的上表面并能够随圆形中心卡盘1的上、下振动进行转动和滑动以防止试样6沿径向发生形变。
所述活动夹具9包括一个与环状支撑架2固定连接的三角形基座10，三角形基座10上带有一个转动块11，转动块11与三角形基座10之间通过转动轴承12连接，使得转动块11可以绕轴自由转动，转动块11上安装一个滑块13，滑块13嵌装在转动块11的内置滑槽内，滑块13与试样6固定连接，转动块11相对于三角形基座10的转动面与圆形中心卡盘1的径向重合，滑块13相对于转动块11的滑动轨迹所形成的滑动面也与圆形中心卡盘1的径向重合。
采用发明装置进行振动疲劳试验的步骤如下：
1、试验准备：采用TC4钛合金试样，数量为四个，试样形状和尺寸如图4所示，通过水准仪对环形支撑架2进行水平度校准，通过转动环形支撑架2的立柱7的内置螺母，以调节垫脚高度，来保证环形支撑架的水平度；
2、输入试验参数：在正式加载前，将加载频率f＝200Hz、最大振幅A＝5.12mm和最大循环数Nf＝107输入主控计算机，其中最大振幅A值的确定是基于试验预定应力值S＝450MPa，按照航空标准《发动机叶片及材料振动疲劳试验方法》(HB5277-1984)要求另行试验确定得到；
3、装卡试样：分别将四根TC4钛合金振动疲劳试样6的一端固定于环形支撑架2的活动夹具9的滑块13上，另一端固定于中心卡盘1的方形基座8，调节中心卡盘1上的凸台14，使得凸台14上表面与试样4上表面处于同一水平面上。并分别在四个试样6的疲劳危险区安装一个应变片17，并分别将四个应变片17的输出导线与多通道动态应变仪4输入端连接；
4、试验加载：开机对四个试样进行振动加载，通过主控计算机5控制试验，使得振幅和激振频率达到预定值。在加载过程中，四个试样同时进行振动，并保持相同的振幅和频率，同时监控通过应变片17输出的动态应变值，当输出的四个应变值近似相等时，继续试验，否则停机，并调整环形支撑架2的水平度，然后再加载，直到四个应变片的输出值近似相等为止；
5、试验过程监控：监控加载过程，当其中有一个试样发生疲劳断裂，主控计算机5记录循环数8.39×105，随着加载持续进行，其他三个试样也将相应发生疲劳断裂，主控计算机5分别记录循环数1.23×106、5.23×106和8.72×106，试验结束。

Claims (5)

1.一种高效率振动疲劳试验装置，该装置包括振动台(3)、应变仪和主控计算机(5)，以及设置在振动台(3)上的用于夹装试样的夹具，其特征在于：该夹具包括一个位于振动台(3)中心处的圆形中心卡盘(1)，在圆形中心卡盘(1)的外围环绕一个环状支撑架(2)，环状支撑架(2)由立柱(7)支撑固定，圆形中心卡盘(1)与环状支撑架(2)的圆心重合，沿圆形中心卡盘(1)的径向，将呈放射状排列的试样(6)安装在圆形中心卡盘(1)、环状支撑架(2)之间，安装方式为：
试样(6)的一端通过方形基座(8)固定安装在圆形中心卡盘(1)的上表面；
试样(6)的另一端通过活动夹具(9)安装环状支撑架(2)的上表面并能够随圆形中心卡盘(1)的上、下振动进行转动和滑动以防止试样(6)沿径向发生形变。
2.根据权利要求1所述的高效率振动疲劳试验装置，其特征在于：所述活动夹具(9)包括一个与环状支撑架(2)固定连接的三角形基座(10)，三角形基座(10)上带有一个转动块(11)，转动块(11)与三角形基座(10)之间通过转动轴承(12)连接，转动块(11)上安装一个滑块(13)，滑块(13)与试样(6)固定连接，转动块(11)相对于三角形基座(10)的转动面与圆形中心卡盘(1)的径向重合，滑块(13)相对于转动块(11)的滑动轨迹所形成的滑动面也与圆形中心卡盘(1)的径向重合。
3.根据权利要求1所述的高效率振动疲劳试验装置，其特征在于：在圆形中心卡盘(1)的中心上表面处设置一个可调节高度的凸台(14)，该凸台(14)表面与试样(6)上表面保持在同一水平面上，该凸台(14)与连接在主控计算机(5)上的激光位移传感器(15)相配合以测量试样(6)的振幅。
4.根据权利要求1所述的高效率振动疲劳试验装置，其特征在于：所述应变仪为多通道应变仪(4)以确定每一个试样(6)的应变值。
5.根据权利要求1所述的高效率振动疲劳试验装置，其特征在于：在圆形中心卡盘(1)的上表面设置有加速度传感器(16)与主控计算机(5)连接。
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