CN110231231B - 金属材料轴向变应力比的振动疲劳试验装置及其安装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种金属材料轴向变应力比的振动疲劳试验装置，包括框架底板、框架、质量块、副试样以及锁紧块，其中框架底板固定安装于一振动台上，框架安装于框架底板上，框架顶部安装有锁紧块，副试样竖直安装于框架底板上，副试样上端安装有质量块，质量块与锁紧块之间安装试样；框架整体呈倒U形，倒U形顶部设有用于安装锁紧块的开口；倒U形底部两侧分别通过第一螺钉与框架底板固连；锁紧块外观为T形圆台，T形圆台上部外沿通过第二螺钉与框架连接；T形圆台设有中心孔，中心孔内设有用于固定试样的台肩。本发明同时兼具改变试验应力比的功能，实现应力比的任意调节，面对不同的试验频率要求时可通过调节几个参数实现对试验频率的控制。

Description

金属材料轴向变应力比的振动疲劳试验装置及其安装方法

技术领域

本发明涉及一种振动疲劳试验设备，具体为一种金属材料轴向变应力比的振动疲劳试验装置及其安装方法。

背景技术

疲劳失效是机械产品的典型失效模式之一，零部件在承受一定的较低周期性载荷时，即可能发生疲劳失效。

目前零件疲劳寿命的预估方式大致为：首先分析零件所承受的载荷历程；随后根据Miner准则，结合试验获得的材料S-N曲线数据以及各修正参数，计算出一定时间内的零件疲劳损伤；最终即可根据疲劳损伤计算出零件的预估寿命。

而材料S-N曲线的获取，一般通过在疲劳试验机上对材料试样进行疲劳试验来实现。目前常用的单轴疲劳试验机的加载方式为对试样两端进行拉压加载，控制方式一般为力控制或者位移控制。但是在实际服役中，零件受载时所产生的应力不是一成不变的，其可能受到零件自身特性的变化而改变，比如当零件产生一定微裂纹时其动力学特性将随之改变，因此最初所得的应力将不再准确。

此外，目前广泛使用的疲劳试验机的工作频率在几十到一百赫兹左右。假设试验频率为50Hz，要想完成10⁷次循环，总试验时间大概需要两天半；如果进行超高周疲劳试验，则需要更长的时间，由此来看，普通疲劳试验需要的时间成本较高。

从另一个角度来说，多数零件在工作中会承受较高频率的载荷，而普通疲劳试验机往往达不到这样的高频输出，因此试验结果同实际工作寿命可能存在有一定的差异性，因此需要改变原有的疲劳试验的加载方式，提升载荷频率，以便达到试验同实际工况的等效性要求。

发明内容

针对现有技术中普通疲劳试验机达不到高频输出、试验结果同实际工作寿命存在有一定的差异性等不足，本发明要解决的问题是提供一种提升载荷频率以便达到试验同实际工况的等效性要求的金属材料轴向变应力比的振动疲劳试验装置及其安装方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

本发明一种金属材料轴向变应力比的振动疲劳试验装置，包括框架底板、框架、质量块、副试样以及锁紧块，其中框架底板固定安装于一振动台上，框架安装于框架底板上，框架顶部安装有锁紧块，副试样竖直安装于框架底板上，副试样上端安装有质量块，质量块与锁紧块之间安装试样。

框架整体呈倒U形，倒U形顶部设有用于安装锁紧块的开口；倒U形底部两侧分别通过第一螺钉与框架底板固连。

锁紧块外观为T形圆台，T形圆台上部外沿通过第二螺钉与框架连接；T形圆台设有中心孔，中心孔内设有用于固定试样的台肩。

T形圆台上部外沿同心圆圆周位置设有多个圆弧形安装孔。

框架底板与副试样、副试样与质量块、质量块与试样的连接界面处均安装有防松螺母。

副试样与试样的材料相同，副试样比试样直径粗、长度长。

本发明一种金属材料轴向变应力比的振动疲劳试验装置的安装方法，包括以下步骤：

1)使用螺钉联接框架底板与框架，并将框架底板安装在振动台上，同时检验安装的垂直度；

2)在试样上粘贴应变片，需保证应变片的方向与试样轴向方向一致；

3)将防松螺母旋入副试样两端的螺纹上，并将副试样旋入质量块的螺纹中，锁紧防松螺母，使得螺母自由侧与副试样的螺纹终线重合；

4)将防松螺母旋入试样两端的螺纹上，并将试样旋入质量块的另一侧螺纹中，锁紧防松螺母，使得螺母自由侧与试样的螺纹终线重合；

5)将防松螺母旋入副试样螺纹上，再将试样、副试样及质量块倾斜移至框架内，并将副试样下端螺纹旋入框架底板中心螺孔内，锁紧防松螺母，使得防松螺母自由侧与副试样的螺纹终线重合；

6)将锁紧块嵌入框架上端开口并旋入试样上端螺纹中，调整锁紧块上的拧紧力矩，直到试样上的应变片获取的应力数据达到试验所要求的平均应力水平，拧紧锁紧块上方的第二螺钉；

7)开始试验。

步骤6)中，锁紧块带有圆弧形孔，操作者在任何对齐角度下将锁紧块与框架连接，以保证试样上施加预紧力水平的连续性。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明振动疲劳试验装置，使借助振动台进行疲劳试验成为了可能，同时兼具改变试验应力比的功能，通过设计了相关结构来对试样施加预紧力来实现应力比的任意调节，面对不同的试验频率要求时可通过调节几个参数实现对试验频率的控制。

2.本装置可借助于振动台来进行疲劳试验，改变了现有的疲劳试验力控制的加载方式，通过在质量块两端同时布置两个试样，实现了预应力的加载，因此能够对振动试验过程中试样上的最大最小应力进行控制，从而实现了可调应力比的功能，可以按照常规疲劳试验的要求进行加载，具有更贴近实际工况、试验频率更高、试验时间短的优势。

3.本发明具有可改变试样上的应力比的功能，可按照常规疲劳试验的参数进行试验，可以基于现有疲劳表征方法相关理论进行试验。

附图说明

图1为本发明试验装置的整体结构示意图；

图2为本发明试验装置结构局部剖视图；

图3为本发明试验装置的整体俯视图；

图4A为本发明试验装置中的锁紧块结构俯视图；

图4B为图4A的右视图。

其中，1为框架底板，2为框架，3为锁紧块，4为试样，5为质量块，6为副试样，7为防松螺母，8为第一螺钉，9为第二螺钉。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明作进一步阐述。

如图1所示，本发明一种可实现金属材料轴向变应力比的振动疲劳试验装置，包括框架底板1、框架2、质量块5、副试样6以及锁紧块3，其中框架底板1固定安装于一振动台上，框架2安装于框架底板1上，框架2顶部安装有锁紧块3，副试样6竖直安装于框架底板1上，副试样6上端安装有质量块5，质量块5与锁紧块3之间安装试样4。

如图2～3所示，框架2整体呈倒U形，倒U形顶部设有用于安装锁紧块3的开口；倒U形底部两侧分别通过第一螺钉9与框架底板1固连。

如图4A～4B所示，锁紧块3外观为T形圆台，T形圆台上部外沿通过第二螺钉8与框架2连接；T形圆台设有中心孔，中心孔内设有用于固定试样4的台肩；T形圆台上部外沿同心圆圆周位置设有多个圆弧形安装孔；框架底板1与副试样6、副试样6与质量块5、质量块5与试样4的连接界面处均安装有防松螺母7。

为了降低加工难度，本发明的框架部分采用了分体结构设计，框架底板1为适用于振动台台面的厚板结构，其上按照振动台的标准布置有沉头孔，使得其能够安装在振动台台面上。框架主体与框架底板1之间通过六个第一螺钉9相联接，框架2上部与锁紧块3之间通过圆周排布的若干第二螺钉8相连接。

本实施例中，框架底板1上沿正负45度方向布置有八个用于安装螺钉的沉头孔，这些螺钉(图中未画出)将框架底板1固定至振动台表面，另通过六根第一螺钉9从下方将框架底板1与框架2连接起来。框架2整体呈倒U形，框架2上部与锁紧块3相连接的地方带有一较大圆形孔，以便锁紧块3安装进来。副试样6与试样4分布在质量块5的上下两侧，其中试样4为按照国标GB/T3075-1982设计的两端带有螺纹的标准圆棒疲劳试样，副试样6是参考试样4形状、按照一定延长疲劳寿命的方法设计的，其结构可以在振动时实现相较于试样4更低的应力均值与应力幅值，从而保证了其试验中的疲劳寿命比试样4的更长。为防止在振动试验过程中出现松动，框架底板1与副试样6、副试样6与质量块5、质量块5与试样4的连接界面处均安装有防松螺母7。试样4上端联接在锁紧块3的中心螺纹内，螺纹上方同样安装有防松螺母7，锁紧块3通过四根第二螺钉8与框架2相联接。

本试验装置设计在系统的一阶轴向固有频率下振动，当试验对频率或者应力水平有一定要求时，可通过改变质量块5的质量、改变副试样6的截面积等参数来调节系统固有频率，一般情况下，质量块5质量越大、副试样6截面积越小，则系统的固有频率越低；其他参数不变的情况下，质量块5的质量越大，试样4所受的应力也就越大。

该装置通过改变试验的应力均值和幅值来实现应力比的改变，应力均值由施加在试样上的预紧力提供，幅值则由振动动应力提供，应力比即应力均值与幅值的差(最小应力)比上应力均值与幅值的和(最大应力)。

当进行试验时，受试验要求所限，试样4上的应力达到要求的均值时，锁紧块3对应的安装角度可能处于任意角度，如图4所示的带有四个圆弧孔的结构可以保证锁紧块3在任何安装角度下均可使用四根第二螺钉8固定至框架上。

本实施例使用的试样为两端带有螺纹的标准疲劳试样，该结构借助螺纹的特征保证了良好的对中性，降低了安装的难度；在重要的螺纹联接处均设计有防松螺母，使用双螺母的原理以防止在振动试验过程中出现螺纹松动。

本实施例中的锁紧块3带四个圆弧形安装孔，该结构使得操作者可以在任何对齐角度下均能将锁紧块与框架使用螺钉联接起来，保证了试样上可施加预紧力水平的连续性。

试验时使用振动台对该装置施加一个竖直方向的振动激励，通过调节试样上的预紧力与振动台的激励水平，即可在试样中产生一定要求下的循环载荷，从而得以进行疲劳试验。

本发明在结构设计上尽量减小了除试样自身以外的结构中的应力水平。为使试样在最初能够承受一个预拉力，在质量块的另一侧设计了一个副试样，在副试样的尺寸参数确定上参考了疲劳的相关理论，在结构中应力幅值越小、平均应力水平越低则疲劳寿命越高。在该结构中试样和副试样在装夹后承受了同样的拉力，但其上所产生的应力水平还与截面直径有关，直径越大则应力越小；而在承受振动台的振动激励时，若忽略质量块自身的形变，将其视为一个质点，则试样与副试样之间的伸长量之和是一个定值，即副试样的伸长量等于试样的压缩量，不考虑压缩模量与拉伸模量之间的差异，则刚度越小的一侧应力越小，由于副试样与试样的材料相同，因此可理解为副试样长度越长，动应力水平也就越低。因此，副试样的结构与试样相比，直径更粗、长度更长。

本发明的基本原理为：副试样6、质量块5和试样4组成一个结构如k-m-k的单自由度振动系统，通过框架2为该系统提供了两端固支的约束。通过振动台的动态输出，激发该振动系统的一阶固有振型，使得质量块5在副试样6和试样4的约束下进行上下往复运动，从而在副试样6与试样4中产生一定水平的动态应力。试验设计在系统的一阶轴向固有频率上进行，该频率与试件的刚度、尺寸、质量块重量有关，在面对不同的试验频率要求时可通过调节这几个参数实现对试验频率的控制。

利用本发明装置进行振动疲劳试验，通过振动台对该装置施加一垂向振动载荷来进行。具体装夹方法及步骤如下：

1)使用六根第一螺钉9联接框架底板1与框架2，并将框架底板1安装在振动台上，同时检验安装的垂直度；

2)在试样4上粘贴应变片，需保证应变片的方向与试样4轴向方向一致。

3)将防松螺母旋入副试样6两端的螺纹上，并将副试样6旋入质量块5的螺纹中，锁紧防松螺母，使得防松螺母自由侧与副试样6的螺纹终线大致重合。

4)将防松螺母旋入试样4两端的螺纹上，并将试样旋入质量块的另一侧螺纹中，锁紧防松螺母，使得螺母自由侧与试样4的螺纹终线大致重合。

5)将防松螺母旋入副试样螺纹上，再将试样4、副试样6及质量块5倾斜移至框架内，并将副试样6下端螺纹旋入框架底板1中心螺孔内，锁紧防松螺母，使得防松螺母自由侧与副试样6的螺纹终线大致重合。

6)将锁紧块3嵌入框架2上端开口并旋入试样上端螺纹中，调整锁紧块3上的拧紧力矩，直到试样4上的应变片获取的应力数据达到试验所要求的平均应力水平，拧紧锁紧块3上方的四根第二螺钉8。

7)开始试验。

本发明具有可改变试样上的应力比的功能，可按照常规疲劳试验的参数进行试验。该功能通过在开始振动之前预先给试样提供一定的预紧拉力来实现，借助应变片获取试样上的应力水平，该应力即为试验过程中的平均应力；而质量块在振动台的激励下按照一定的频率上下往复运动，在试样中对应产生往复循环的应力，其应力幅值即对应于最大应力与最小应力之间的幅值。

Claims (5)

1.一种金属材料轴向变应力比的振动疲劳试验装置，其特征在于：包括框架底板、框架、质量块、副试样以及锁紧块，其中框架底板固定安装于一振动台上，框架安装于框架底板上，框架顶部安装有锁紧块，副试样竖直安装于框架底板上，副试样上端安装有质量块，质量块与锁紧块之间安装试样；

框架整体呈倒U形，倒U形顶部设有用于安装锁紧块的开口；倒U形底部两侧分别通过第一螺钉与框架底板固连；

锁紧块外观为T形圆台，T形圆台上部外沿通过第二螺钉与框架连接；T形圆台设有中心孔，中心孔内设有用于固定试样的台肩；

副试样是参考试样形状、按照一定延长疲劳寿命的方法设计的，副试样与试样的材料相同，副试样比试样直径粗、长度长。

2.根据权利要求1所述的金属材料轴向变应力比的振动疲劳试验装置，其特征在于：T形圆台上部外沿同心圆圆周位置设有多个圆弧形安装孔。

3.根据权利要求1所述的金属材料轴向变应力比的振动疲劳试验装置，其特征在于：框架底板与副试样、副试样与质量块、质量块与试样的连接界面处均安装有防松螺母。

4.一种金属材料轴向变应力比的振动疲劳试验装置的安装方法，其特征在于包括以下步骤：

1)使用螺钉联接框架底板与框架，并将框架底板安装在振动台上，同时检验安装的垂直度；

2)在试样上粘贴应变片，需保证应变片的方向与试样轴向方向一致；

3)将防松螺母旋入副试样两端的螺纹上，并将副试样旋入质量块的螺纹中，锁紧防松螺母，使得螺母自由侧与副试样的螺纹终线重合；

4)将防松螺母旋入试样两端的螺纹上，并将试样旋入质量块的另一侧螺纹中，锁紧防松螺母，使得螺母自由侧与试样的螺纹终线重合；

5)将防松螺母旋入副试样螺纹上，再将试样、副试样及质量块倾斜移至框架内，并将副试样下端螺纹旋入框架底板中心螺孔内，锁紧防松螺母，使得防松螺母自由侧与副试样的螺纹终线重合；

6)将锁紧块嵌入框架上端开口并旋入试样上端螺纹中，调整锁紧块上的拧紧力矩，直到试样上的应变片获取的应力数据达到试验所要求的平均应力水平，拧紧锁紧块上方的第二螺钉；

7)开始试验。

5.根据权利要求4所述的金属材料轴向变应力比的振动疲劳试验装置的安装方法，其特征在于步骤6)中，锁紧块带有圆弧形孔，操作者在任何对齐角度下将锁紧块与框架连接，以保证试样上施加预紧力水平的连续性。

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