CN110220785A - 一种凝胶拉伸装置 - Google Patents
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Abstract
一种凝胶拉伸装置，包括呈矩形阵列的第一立柱、第二立柱、第三立柱和第四立柱；所述第一立柱、第二立柱、第三立柱和第四立柱上端面固定有支撑顶板；所述支撑顶板下侧面固定有拉伸机构，所述拉伸机构包括设置于支撑顶板下侧的两个相平行的光轴导轨，所述两个光轴导轨上分别套设有滑块和固定块，滑块与固定块的下侧固定有结构一致的夹持组件，夹持组件用于夹持凝胶；所述支撑顶板下还设置有用于驱动夹持组件的丝杆传动组件和拉力传动组件，所述拉伸机构的下端设置有升降台，升降台上固定有水槽。本发明不仅能够对于凝胶进行拉伸处理，还可监测拉伸过程中应力和应力方向上应变的变化，并实现在空气及液体多种环境下的拉伸，以及多组样品的同时拉伸。
Description
技术领域
本发明涉及拉伸试验检测技术和拉伸工艺处理的领域，尤其涉及到一种凝胶拉伸装置。
背景技术
拉伸不仅可用作一种检测材料力学性质的方法，还可作为一种对材料的结构、外观以及功能进行改善的加工工艺。试验和生产中的拉伸处理，一般通过拉伸设备/机械来完成。较早的拉伸试验机多采用纯机械式加载和示值显示结构，如弹簧拉伸试验机，它采用手动加载或者砝码加载，示值部件采用测力弹簧和指针实现。当前的拉伸试验机，主要采用加载电机和液压伺服控制装置，通过电子计算机可使用程序来操纵和监测拉伸过程。
凝胶是一种独特的软物质材料，为溶胶或溶液中的胶体粒子或高分子在一定条件下互相连接形成空间网状结构，结构空隙中充满了作为分散介质的液/气体。凝胶具有较好的生物相容性、应激性、合适的粘弹性，在食品加工、生物医药、仿生材料方等面有着广阔的探索前景和重要的应用价值。目前凝胶力学性质的检测常参考于国标GB/T1040系列的拉伸标准，使用电子拉伸试验机进行拉伸。该设备也用于实验室研究和小型生产加工阶段中凝胶拉伸工艺的处理。
在不同的拉伸环境拓展方面，目前常见的材料拉伸仪器多为竖直结构，或底座在下拉伸而材料在上的拉伸的结果，如公开号为：CN 20705118U，专利名称为：一种测试高分子材料拉伸性能的装置，公开号为CN 204101379 U，专利名称为：材料拉伸蠕变试验装置，公开号为：CN 208383595 U，专利名称为：一种塑性材料拉伸试验夹具，公开号为：CN208366711 U，专利名称为：软质材料拉伸性能试验的夹持装置，公开号为：CN 204116138U，专利名称为：一种用于低强度高脆性试样室温拉伸性能试验的装夹卡具，上述公开的专利中，其自身的框架结构限制了其在液体环境下拉伸的拓展；在拉伸材料的夹持方面，现有夹持技术多采用一点式挤压，仅可适用于单个样品的一端夹持，但限于所受压力的均匀问题不利于一次进行多个样品夹子为了批量化的拉伸处理样品。
上述所提及的装置都存在夹持效率低下，结构或者处理方法复杂以及在液体环境中拉伸受限的问题，现有专业型的拉伸设备，结构复杂，造价成本高，拉伸效率低，基于凝胶的处理，不适用于实验室以及小型的生产的需要；在拉伸过程试验数据采集方面，除了专业拉伸设备外，上述提到的拉伸装置缺乏对于拉伸过程中位移改变和拉力变化的测量，少数发明虽然涉及相关距离和力学参数的测定，但是难以实现对于拉伸过程的动态监测和精准测量。
本发明就是为了解决以上问题而进行的改进。
发明内容
本发明的目的是提供一种拉力可调、拉伸距离可控的简单结构，不仅能够对于凝胶进行拉伸处理，还可监测拉伸过程中应力和应力方向上应变的变化，并实现在空气及液体多种环境下的拉伸，以及多组样品的同时拉伸。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种凝胶拉伸装置，包括呈矩形阵列的第一立柱、第二立柱、第三立柱和第四立柱。
所述第一立柱、第二立柱、第三立柱和第四立柱上端面固定有支撑顶板；所述支撑顶板下侧面固定有拉伸机构，所述拉伸机构包括设置于支撑顶板下侧的两个相平行的光轴导轨，所述两个光轴导轨上分别套设有滑块和固定块，所述滑块与固定块的下侧固定有结构一致的夹持组件；所述夹持组件包括固定于滑块下侧的滑块连接板，所述滑块连接板下侧设置有外夹具固定板，所述滑块连接板与外夹具固定板的外侧端固定有外夹具支撑板；所述滑块连接板与外夹具固定板之间设有外夹具活动板，所述滑块连接板上旋接有若干锁紧螺栓，所述锁紧螺栓延伸至外夹具活动板；所述外夹具固定板上穿设有若干固定螺栓，所述固定螺栓贯穿外夹具活动板并旋接于滑块连接板内；所述外夹具活动板下侧面与外夹具固定板的上侧面嵌设有夹持凝胶的内夹具；所述支撑顶板下还设置有用于驱动滑块的丝杆传动组件和拉力传动组件，所述拉伸机构的下端设置有升降台，所述升降台上固定有水槽。
进一步的，所述支撑顶板的下侧面固定有呈矩形阵列并顺时针排列的第一导轨支架连接座、第二导轨支架连接座、第三导轨支架连接座和第四导轨支架连接座，所述第一导轨支架连接座与第四导轨支架连接座相对设置，所述第二导轨支架连接座与第三导轨支架相对设置；所述两个光轴导轨分别固定于第一导轨支架连接座与第四导轨支架连接座之间以及第二导轨支架连接座与第三导轨支架之间。
进一步的，所述丝杆传动组件包括固定于支撑顶板下侧面的两个相对设置的丝杆支撑座，所述两个丝杆支撑座之间固定有丝杆，所述丝杠上套设有丝杠滑块，所述丝杠滑块下侧固定有滑块连接块，所述滑块连接块与滑块下侧的滑块连接板之间设置有连接板，所述连接板通过连接螺栓固定于滑块连接块与滑块连接板的内侧面上。
进一步的，所述第一立柱、第二立柱、第三立柱和第四立柱呈顺时针排列，所述第一立柱与第四立柱相对设置，所述第二立柱与第三立柱相对设置；所述第一立柱与第二立柱之间固定有定滑轮支撑板，所述第三立柱与第四立柱之间固定有上载板和下载板，所述定滑轮支撑板的内侧面与第一导轨支架连接座、第二导轨支架连接座的外侧面相贴合，所述上载板的内侧面与第三导轨支架连接座、第四导轨支架连接座的外侧面相贴合。
进一步的，所述拉力传动组件包括固定于定滑轮支撑板下侧面的两个定滑轮安装片，所述两个定滑轮安装片之间固定有定滑轮，所述定滑轮上套设有刚性光滑连接绳，所述刚性光滑连接绳的一端与滑块下侧的滑块连接板的外侧面活动连接，所述刚性光滑连接绳的另一端与钩码活动连接；所述支撑顶板的一侧旋接有用于悬挂钩码的暂挂螺栓。
进一步的，所述上载板上固定有激光距离传感器，所述激光距离传感器与连接板相对应；所述上载板与下载板之间旋接有传感器可调固定端，所述传感器可调固定端上套设有电阻应变应力传感器，所述电阻应变应力传感器的感应端与固定块下侧的滑块连接板的外侧相连接。
进一步的，所述丝杆的一端固定有用于驱动丝杆的丝杆手轮或丝杆电机。
更进一步的，所述内夹具分为上内夹具和下内夹具，且都呈矩形结构，所述上内夹具嵌设于外夹具活动板的下侧，所述下内夹具嵌设于外夹具固定板的上侧，所述上内夹具的下侧面与下内夹具的上侧面开设有上下交错的长条槽。
本发明的优点在于：
1.本发明提出的一种凝胶拉伸装置能够借助于简单的机械结构来确保拉伸的精准控制，包括控制不同的拉伸距离进行拉伸，并结合位置可调节式拉力传感器和非接触式激光距离传感器，得到拉伸过程中被拉伸凝胶在拉力方向上应变和应力变化的精准数值；该装置的主体结构为水平倒挂式的拉伸设计，即将拉伸凝胶倒挂于拉伸机构中，该设计易于在被拉伸凝胶下方放置调节水槽，且通过调节水槽的高度，可解决当前大部分拉伸装置难以在液体环境中进行拉伸的问题，实现液体和空气多种环境下的拉伸；该装置中的夹持组件能够进行多批量的样品拉伸处理，解决了当前大部分拉伸装置拉伸处理样品效率低下的问题；
2.该装置的恒定拉力和恒定拉伸距离这两种拉伸方式的转换，可通过连接螺栓进行丝杆传动组件和拉力传动组件的简单切换完成；在拉力传动组件中，通过定滑轮与不同的钩码组合，可实现对拉力的控制；
3.该装置相比于现有的拉伸设备，其操作简便、结构简单，可满足在拉伸试验研究以及小型生产加工中的需要；该装置中恒定拉力和恒定拉伸距离下拉伸的转变，确保了拉伸的精准控制，包括恒定应拉力下的拉伸和恒定拉伸距离下的拉伸；该装置相比于现有的拉伸装置，该装置结合拉力和距离传感器能够对拉伸过程中应变和应力变化进行动态监控；该装置的设计，实现了既可在空气环境中对凝胶进行拉伸，又可将凝胶样品浸入液体环境中拉伸，解决了当前大部分拉伸装置难以在不同体系环境中进行拉伸的问题。
附图说明
图1是本发明提出的一种凝胶拉伸装置的结构示意图；
图2是该装置中夹持组件的结构示意图；
图3是该装置中丝杆传动组件的结构示意图；
图4是该装置中拉力传动组件的结构示意图；
图5是该装置中上内夹具和下内夹具的结构示意图。
具体实施方式
为了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，下面结合图示与具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1至图5所示，本发明提出的一种凝胶拉伸装置包括呈矩形阵列的第一立柱1、第二立柱2、第三立柱3和第四立柱4；所述第一立柱1、第二立柱2、第三立柱3和第四立柱4上端面固定有支撑顶板5；所述支撑顶板5下侧面固定有拉伸机构，所述拉伸机构包括设置于支撑顶板5下侧的两个相平行的光轴导轨6，所述两个光轴导轨6上分别套设有滑块7和固定块8，所述滑块7与固定块8的下侧固定有结构一致的夹持组件；所述夹持组件包括固定于滑块7下侧的滑块连接板9，所述滑块连接板9下侧设置有外夹具固定板10，所述滑块连接板9与外夹具固定板10的外侧端固定有外夹具支撑板11；所述滑块连接板9与外夹具固定板10之间设有外夹具活动板101，所述滑块连接板9上旋接有若干锁紧螺栓12，所述锁紧螺栓延伸至外夹具活动板101；所述外夹具固定板10上穿设有若干固定螺栓13，所述固定螺栓13贯穿外夹具活动板101并旋接于滑块连接板9内；所述外夹具活动板101下侧面与外夹具固定板10的上侧面嵌设有夹持凝胶的内夹具14；所述支撑顶板5下还设置有用于驱动滑块7的丝杆传动组件和拉力传动组件，所述拉伸机构的下端设置有升降台15，所述升降台15上固定有水槽16。所述升降台为市面上常见的升降装置，所述水槽内部呈空心结构，上侧面为开口结构，其内部用于储存放置液体。
通过采用上述技术方案，通过两个夹持组件中的内夹具对凝胶进行夹持，然后通过螺栓调节外夹具活动板将上下两个内夹具进行压紧，然后通过丝杆传动组件或拉力传动组件对凝胶进行拉伸。
本发明的进一步设置为：所述支撑顶板5的下侧面固定有呈矩形阵列并顺时针排列的第一导轨支架连接座17、第二导轨支架连接座、第三导轨支架连接座和第四导轨支架连接座，所述第一导轨支架连接座17与第四导轨支架连接座相对设置，所述第二导轨支架连接座与第三导轨支架相对设置；所述两个光轴导轨6分别固定于第一导轨支架连接座17与第四导轨支架连接座之间以及第二导轨支架连接座与第三导轨支架之间。
本发明的进一步设置为：所述丝杆传动组件包括固定于支撑顶板5下侧面的两个相对设置的丝杆支撑座18，所述两个丝杆支撑座18之间固定有丝杆19，所述丝杠19上套设有丝杠滑块，所述丝杠滑块下侧固定有滑块连接块20，所述滑块连接块20与滑块7下侧的滑块连接板9之间设置有连接板21，所述连接板21通过连接螺栓固定于滑块连接块20与滑块连接板9的内侧面上。通过采用上述技术方案，通过丝杆带动丝杆滑块、滑块连接块以及连接板，通过连接板与相近的滑块连接板的连接，从而使得丝杆传动组件驱动滑块下的夹持组件进行移动。
本发明的进一步设置为：所述第一立柱1、第二立柱2、第三立柱3和第四立柱4呈顺时针排列，所述第一立柱1与第四立柱4相对设置，所述第二立柱2与第三立柱3相对设置；所述第一立柱1与第二立柱2之间固定有定滑轮支撑板22，所述第三立柱3与第四立柱4之间固定有上载板23和下载板24，所述定滑轮支撑板22的内侧面与第一导轨支架连接座17、第二导轨支架连接座的外侧面相贴合，所述上载板23的内侧面与第三导轨支架连接座、第四导轨支架连接座的外侧面相贴合。
本发明的进一步设置为：所述拉力传动组件包括固定于定滑轮支撑板22下侧面的两个定滑轮安装片，所述两个定滑轮安装片之间固定有定滑轮25，所述定滑轮25上套设有刚性光滑连接绳26，所述刚性光滑连接绳26的一端与滑块7下侧的滑块连接板9的外侧面活动连接，所述刚性光滑连接绳26的另一端与钩码27活动连接；所述支撑顶板5的一侧旋接有用于悬挂钩码27的暂挂螺栓。所述刚性光滑连接绳26的一端固定有吊环螺钉，所述吊环螺钉能旋接于连接板21内；所述刚性光滑连接绳26的另一端固定有用于悬挂钩码的挂钩。通过采用上述技术方案，通过将吊环螺钉旋接于连接板内，然后将连接板与滑块连接块之间的螺栓取出，再通过悬挂钩码，使得驱动滑块7下侧的夹持组件。
本发明的进一步设置为：所述上载板23上固定有激光距离传感器28，所述激光距离传感器28与连接板21相对应；所述上载板23与下载板24之间旋接有传感器可调固定端29，所述传感器可调固定端29上套设有电阻应变应力传感器30，所述电阻应变应力传感器30的感应端与固定块8下侧的滑块连接板9的外侧相连接。所述传感器可调固定端通过外侧两个螺母将其固定于上载板23和下载板24内，所述电阻应变应力传感器30的固定端通过一个吊环螺钉套设于传感器可调固定端29中部，调节感器可调固定端29中的螺母使电阻应变应力传感器30的固定端上下移动并保持电阻应变应力传感器30水平，所述电阻应变应力传感器30的感应端旋接于固定块8下侧的滑块连接板9内。通过采用上述技术方案，在拉伸过程中，电阻应变应力传感器所测的应力值的大小，即可等效为拉伸凝胶的拉伸应力。打开激光距离传感器，激光光斑落在连接板一侧，根据激光光斑的落点与激光距离传感器发射端面的距离对其进行校准和调零。在拉伸过程中，激光距离传感器所测距离为激光距离传感器发射端面到连接板一侧的距离，即为凝胶沿着拉力方向的相对形变量。
本发明的进一步设置为：所述丝杆19的一端固定有用于驱动丝杆19的丝杆手轮31或丝杆电机。通过采用上述技术方案，通过丝杆手轮31或丝杆电机进行驱动丝杠，更加方便和快捷。
本发明的进一步设置为：所述内夹具14分为上内夹具和下内夹具，且都呈矩形结构，所述上内夹具嵌设于外夹具活动板101的下侧，所述下内夹具嵌设于外夹具固定板10的上侧，所述上内夹具的下侧面与下内夹具的上侧面开设有上下交错的长条槽141。通过采用上述技术方案，上下交错的长条槽的设计，使得凝胶的夹持更加稳固。
本发明的工作原理：
将待拉伸凝胶两端通过内夹具进行预夹持，然后将内夹具置于外夹具固定板上端面的凹槽内，内夹具与外夹具固定板均留有参考定位槽，以确保凝胶沿着导轨滑块移动方向被拉伸。外夹具固定螺栓可限制外夹具活动板水平方向的移动，通过拧动外夹具锁紧螺栓调节外夹具活动板在竖直方向上的位置，进而压迫内夹具达到最终夹紧凝胶的作用；
然后通过电阻应变应力传感器和其距离较近的滑块连接板连接，调节应力传感器可调固定端中的螺母使电阻应变应力传感器保持水平，打开电阻应变应力传感器进行调零校准；在拉伸过程中，电阻应变应力传感器所测的应力值的大小，即可等效为拉伸凝胶的拉伸应力；打开激光距离传感器，激光光斑落在连接板一侧，根据激光光斑的落点与激光距离传感器发射端面的距离对其进行校准和调零；在拉伸过程中，激光距离传感器所测距离为激光距离传感器发射端面到连接板的一侧的距离，即为凝胶沿着拉力方向的相对形变量；
在使用丝杠传动组件时，首先将刚性光滑连接绳一端与连接板的连接断开，并将另一端所连接的钩码暂置于钩码暂挂螺栓处；待凝胶夹持完成后，摇动丝杠手轮转动同时带动丝杠转动，丝杠转动又带动滑块连接块移动，再通过滑块连接块和连接板带动滑块下的夹持组件滑动，最终使得被拉伸凝胶的两端的夹具产生相对位移对凝胶进行拉伸，通过摇动丝杠手轮的转动圈数可控制拉伸距离；
在使用拉力传动组件时，将刚性光滑连接绳一端与连接板相连接，待凝胶夹持完成后，拧动连接螺栓，使得滑块连接块与连接板断开连接。摇动丝杠手轮将丝杠滑块推移至与连接板相离的最大位移处；在刚性光滑连接绳另一端挂上钩码，此时因钩码重力作用在刚性光滑绳的一端产生竖直方向的拉力，经定滑轮改变拉力方向为水平，再由刚性光滑连接绳将拉力传递到连接板上，最终对所夹持的凝胶起到拉伸作用。通过更换不同质量的钩码可调控拉力的大小；
再通过升降台调节水槽高度，使得被拉伸的凝胶可处于液体环境中或者置于空气环境中。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让本领域的技术人员了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种凝胶拉伸装置，包括呈矩形阵列的第一立柱(1)、第二立柱(2)、第三立柱(3)和第四立柱(4)，其特征在于：
所述第一立柱(1)、第二立柱(2)、第三立柱(3)和第四立柱(4)上端面固定有支撑顶板(5)；所述支撑顶板(5)下侧面固定有拉伸机构，所述拉伸机构包括设置于支撑顶板(5)下侧的两个相平行的光轴导轨(6)，所述两个光轴导轨(6)上分别套设有滑块(7)和固定块(8)，所述滑块(7)与固定块(8)的下侧固定有结构一致的夹持组件；所述夹持组件包括固定于滑块(7)下侧的滑块连接板(9)，所述滑块连接板(9)下侧设置有外夹具固定板(10)，所述滑块连接板(9)与外夹具固定板(10)的外侧端固定有外夹具支撑板(11)；所述滑块连接板(9)与外夹具固定板(10)之间设有外夹具活动板(101)，所述滑块连接板(9)上旋接有若干锁紧螺栓(12)，所述锁紧螺栓延伸至外夹具活动板(11)；所述外夹具固定板(10)上穿设有若干固定螺栓(13)，所述固定螺栓(13)贯穿外夹具活动板(101)并旋接于滑块连接板(9)内；所述外夹具活动板(101)下侧面与外夹具固定板(10)的上侧面嵌设有夹持凝胶的内夹具(14)；所述支撑顶板(5)下还设置有用于驱动滑块(7)的丝杆传动组件和拉力传动组件，所述拉伸机构的下端设置有升降台(15)，所述升降台(15)上固定有水槽(16)。
2.根据权利要求1所述的一种凝胶拉伸装置，其特征在于：所述支撑顶板(5)的下侧面固定有呈矩形阵列并顺时针排列的第一导轨支架连接座(17)、第二导轨支架连接座、第三导轨支架连接座和第四导轨支架连接座，所述第一导轨支架连接座(17)与第四导轨支架连接座相对设置，所述第二导轨支架连接座与第三导轨支架相对设置；所述两个光轴导轨(6)分别固定于第一导轨支架连接座(17)与第四导轨支架连接座之间以及第二导轨支架连接座与第三导轨支架之间。
3.根据权利要求1所述的一种凝胶拉伸装置，其特征在于：所述丝杆传动组件包括固定于支撑顶板(5)下侧面的两个相对设置的丝杆支撑座(18)，所述两个丝杆支撑座(18)之间固定有丝杆(19)，所述丝杠(19)上套设有丝杠滑块，所述丝杠滑块下侧固定有滑块连接块(20)，所述滑块连接块(20)与滑块(7)下侧的滑块连接板(9)之间设置有连接板(21)，所述连接板(21)通过连接螺栓固定于滑块连接块(20)与滑块连接板(9)的内侧面上。
4.根据权利要求3所述的一种凝胶拉伸装置，其特征在于：所述第一立柱(1)、第二立柱(2)、第三立柱(3)和第四立柱(4)呈顺时针排列，所述第一立柱(1)与第四立柱(4)相对设置，所述第二立柱(2)与第三立柱(3)相对设置；所述第一立柱(1)与第二立柱(2)之间固定有定滑轮支撑板(22)，所述第三立柱(3)与第四立柱(4)之间固定有上载板(23)和下载板(24)，所述定滑轮支撑板(22)的内侧面与第一导轨支架连接座(17)、第二导轨支架连接座的外侧面相贴合，所述上载板(23)的内侧面与第三导轨支架连接座、第四导轨支架连接座的外侧面相贴合。
5.根据权利要求4所述的一种凝胶拉伸装置，其特征在于：所述拉力传动组件包括固定于定滑轮支撑板(22)下侧面的两个定滑轮安装片，所述两个定滑轮安装片之间固定有定滑轮(25)，所述定滑轮(25)上套设有刚性光滑连接绳(26)，所述刚性光滑连接绳(26)的一端与滑块(7)下侧的滑块连接板(9)的外侧面活动连接，所述刚性光滑连接绳(26)的另一端与钩码(27)活动连接；所述支撑顶板(5)的一侧旋接有用于悬挂钩码(27)的暂挂螺栓。
6.根据权利要求4所述的一种凝胶拉伸装置，其特征在于：所述上载板(23)上固定有激光距离传感器(28),所述激光距离传感器(28)与连接板(21)相对应；所述上载板(23)与下载板(24)之间旋接有传感器可调固定端(29)，所述传感器可调固定端(29)上套设有电阻应变应力传感器(30)，所述电阻应变应力传感器(30)的感应端与固定块(8)下侧的滑块连接板(9)的外侧相连接。
7.根据权利要求3所述的一种凝胶拉伸装置，其特征在于：所述丝杆(19)的一端固定有用于驱动丝杆(19)的丝杆手轮(31)或丝杆电机。
8.根据权利要求1所述的一种凝胶拉伸装置，其特征在于：所述内夹具(14)分为上内夹具和下内夹具，且都呈矩形结构，所述上内夹具嵌设于外夹具活动板(101)的下侧，所述下内夹具嵌设于外夹具固定板(10)的上侧，所述上内夹具的下侧面与下内夹具的上侧面开设有上下交错的长条槽(141)。
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