CN110455638A - 一种材料应力特性分析综合实验平台及实验方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种材料应力特性分析综合实验平台及实验方法，利用大输出力的双出杆油缸和大输出扭矩的摆动油缸联接起来成为新装置，两个缸分别控制，控制双出杆缸获得力和位移，位移可以作为调节装置来适应不同的试样，也可以作为工作行程；控制摆动油缸可以获得角位移和扭矩，角位移可用以调节，也可以作为工作行程；可以逻辑同时控制，获得工作需要的行程、角位移、力和扭矩。该装置占地空间小，可以进行拉伸应力分析、压缩应力分析、剪切应力分析、综合应力分析、各种单项疲劳应力分析和综合疲劳应力分析、各种对称和非对称疲劳应力分析，能够满足多种测试的要求，应用范围广。

Description

一种材料应力特性分析综合实验平台及实验方法

技术领域

本发明涉及一种实验平台，特别涉及一种材料应力特性分析综合实验平台及实验方法。

背景技术

材料应力特性分析是对新材料研究或特定批次、特定工艺生产的材料研究非常重要的一环，是工程技术人员设计的依据。材料应力特性的分析是基础性研究，基础性研究对建立在材料基础上的各种应用是非常重要。我国科技发展错过了老牌工业化国家对基础材料应力特性研究积累阶段，好多材料的数据只是借鉴了国外同类产品的数据，由于材料的成分、工艺不同，使得实际数据可能和标准的数据有较大差别，这在工程应用中有时是危险的，有时会造成不必要的浪费，造成这种局部的原因是多方面的，其中一个主要原因是分析设备额昂贵，测试手段不多。

发明内容

为解决现有技术中材料应力测试的缺陷，本发明提供一种测试平台，该平台可以配合不同的液压控制，形成多种的测试方式，满足材料在各种工况下的应力测试。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案为：

一种材料应力特性分析综合实验平台，包括机架、测试油缸、液压源、控制台，测试油缸安装于机架，测试油缸通过液压管路及液压元件与液压源形成液压回路，控制台通过可编程控制程序控制液压回路，所述测试油缸由一个摆动油缸和一个双出杆油缸同轴连接组成，双出杆油缸与摆动油缸间通过花键同轴连接。

进一步地，双出杆油缸的上伸出杆上安装有花键或者直接加工出一段花键，摆动油缸的输出端连接有花键套， 双出杆油缸的上伸出杆在花键套内上下滑动，花键套内径大于上伸出杆的外径，花键套的底部末端加工出于花键配合的花键环，上伸出杆的顶端设有限位台阶，双出杆油缸向下伸出时，限位台阶与花键环间形成轴向限位。

进一步地，所述机架顶部可设置顶板，摆动油缸通过法兰竖直向下安装于机架的顶板；所述机架中部设置有固定平台，双出杆油缸竖直朝下支承于固定平台。

进一步地，所述摆动油缸包括壳体，壳体上设有液压油进、出口，壳体内安装有活塞、传动套筒以及转动轴，传动套筒同轴套于转动轴的外侧，活塞同轴套于传动套筒的外侧，活塞的内齿与传动套筒的外齿啮合，传动套筒的内齿与转动轴的外齿啮合，形成双级齿轮传动。

进一步地，所述摆动油缸与双出杆油缸分别连接独立的液压源，摆动油缸或直线油缸与液压源之间的管路上至少串接电磁阀、压力表。

进一步地，所述花键套与转动轴为一体件。

该材料应力特性分析综合实验平台的实验方法为：

（1）在进行拉伸、压缩及剪切综合测试时，分别选择摆动油缸和双出杆油缸的进油口和回油口，与各进油口连接的管路上的进油电磁阀开启且回油电磁阀关闭，与各回油口连接的管路上的回油电磁阀开启且进油电磁阀关闭，启动液压源加载，进行测试；

（2）在进行拉伸或者压缩测试时，关闭与摆动油缸连接的所有管路的电磁阀，选择双出杆油缸的进油口和回油口，与进油口连接的管路上的进油电磁阀开启且回油电磁阀关闭，与回油口连接的管路上的回油电磁阀开启且进油电磁阀关闭，启动液压源加载，进行测试；

（3）在进行剪切测试时，关闭与双出杆油缸连接的所有管路的电磁阀，选择摆动油缸的进油口和回油口，与进油口连接的管路上的进油电磁阀开启且回油电磁阀关闭，与回油口连接的管路上的回油电磁阀开启且进油电磁阀关闭，启动液压源加载，进行测试；

（4）在进行疲劳强度测试时，摆动油缸或双出杆油缸的两个油口对应管路循环交替进油和回油，当一个油口进油时，其对应管路上的进油电磁阀开启，回油电磁阀关闭，另一油口对应管路上的进油电磁阀关闭，回油电磁阀开启；通过多个电磁阀的控制，两个油口交替进油和回油，摆动油缸来回转动，形成循环剪切，双出杆油缸循环伸缩，形成循环拉伸或压缩;

（5）在进行疲劳强度测试时，调节减压阀，完成多个应力或扭矩下的疲劳强度测试，调节单个油口对应的减压阀，完成非对称应力或扭矩下的疲劳强度测试。

采取以上技术方案后，本发明的有益效果为：

利用大输出力的双出杆油缸和大输出扭矩的摆动油缸联接起来成为新装置，两个缸分别控制，控制双出杆缸获得力和位移，位移可以作为调节装置来适应不同的试样，也可以作为工作行程；控制摆动油缸可以获得角位移和扭矩，角位移可用以调节，也可以作为工作行程；可以逻辑同时控制，获得工作需要的行程、角位移、力和扭矩。该装置占地空间小，可以进行拉伸应力分析、压缩应力分析、剪切应力分析、综合应力分析、各种单项疲劳应力分析和综合疲劳应力分析、各种对称和非对称疲劳应力分析，能够满足多种测试的要求，应用范围广。

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2为本发明的左剖视图；

图3为双出杆油缸伸出状态图；

图4为双出杆油缸缩回状态图；

图5为间断压力保持测试液压原理图；

图6为疲劳测试的液压原理图；

图7为综合实验液压原理图。

图中：机架1，顶板2，固定平台3，摆动油缸4，壳体41，活塞42，传动套筒43，转动轴44，双出杆油缸5，法兰6，下伸出杆7，上伸出杆8，花键套9，花键环10，限位台阶11。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式做进一步详述：

如图所示，材料应力特性分析综合实验平台，包括机架1、测试油缸、液压源、控制台等。机架1顶部可设置顶板2或者横梁，用于安装测试油缸。机架1的中部有固定平台3。测试缸体固定安装于顶板2底部中心，可以通过焊接，螺栓连接等常规的连接方式形成固定连接。测试油缸由一个摆动油缸4和一个双出杆油缸5同轴连接组成。摆动油缸5通过法兰6竖直向下安装于机架1的顶板2；该法兰6通过一体铸造的方式铸造于缸体外壳体上。双出杆油缸5的缸体竖直固定支承在机架的固定平台3上，可以通过焊接或者螺栓连接的方式形成固定。双出杆油缸4的下伸出杆7竖直向下伸出固定平台3。双出杆油缸5与摆动油缸4间通过花键同轴连接，双出杆油缸的上伸出杆8上安装有花键或者直接加工出一段花键，摆动油缸4的输出端连接有花键套9， 双出杆油缸5的上伸出杆8在花键套9内上下滑动，当摆动油缸4的输出端旋转时，花键配合带动双出杆油缸的上、下伸出杆转动传递扭矩。

摆动油缸4为双齿轮副摆动油缸，包括壳体41，壳体41内安装有活塞42、传动套筒43以及转动轴44，传动套筒43同轴套与转动轴44的外侧，活塞42同轴套于传动套筒43的外侧，活塞42的内齿与传动套筒43的外齿啮合，传动套筒43的内齿与转动轴44的外齿啮合，形成双级齿轮传动。壳体41上有分布于活塞两侧的液压油进、出口，当液压源的高压油推动活塞42直线运动时，活塞42带动传动套筒43转动，传动套筒43驱动转轴44转动，输出扭矩。本发明的摆动油缸采用两级齿轮副的设计，同时优化的齿形和传动比，实现小角度产生大扭矩，用以承受大扭矩和疲劳设计的要求。为了更好地传递扭矩，本发明将花键套9与转动轴44设置为一体件，通过一体成型加工，保证了传动精度，提高了可靠性。

摆动油缸4与双出杆油缸5分别连接独立的液压源，摆动油缸或双出杆油缸与液压源之间的管路上可以根据需要串接电磁阀、单向阀、溢流阀、保压阀等常规的液压元件，并由控制台控制独立工作或者同时工作。控制可以采用常规的PLC等本领域的常规控制技术，本申请中不做赘述。

摆动油缸输出正反向的小角度摆动，摆动角度与活塞的行程以及两级齿轮的传动比相关。双出杆油缸的伸出杆做上下运动，其行程与活塞的行程及上伸出杆花键的行程相关。为了避免双出杆油缸5脱离出花键套9，花键套9内径大于上伸出杆8的外径，在花键套9的底部末端加工出于花键配合的花键环10，上伸出杆8的顶端设计出限位台阶11，在双出杆油缸5伸出至极限位置时，限位台阶11与花键环间形成轴向限位。

为了满足用户测试的需求，可以在双出杆油缸的下伸出杆上安装应力测试仪及对应的夹具，在固定平台的正下方固定安装测试台及对应的夹具。

由于双出杆液压缸输出力和输入压力成关于内部摩擦力的线性关系，摆动油缸输出扭矩和输入压力成关于内部摩擦力矩的线性关系，可以通过应用程序或查表，根据液压系统中的压力表来间接确定力和扭矩，利用市场化的相对经济的数字压力表，可以获得相对精准压力，进而推算出相对精准的力或扭矩。

本发明中由于将摆动油缸和双出杆油缸通过联轴器固定，两个油缸搭配使用时可以对被测样品进行如下测试：如拉伸弹性应力分析、屈服应力分析、压缩弹性应力分析、剪切弹性应力分析、剪切屈服应力分析、拉伸疲劳试验或疲劳曲线实验、压缩疲劳试验、剪切疲劳应力分析、对称或非对称疲劳应力分析、拉伸/压缩和剪切同时加载综合应力分析等。

以下对本发明的测试方法的具体实施做说明：

实施例一：拉伸、压缩、剪切

如图5所示，将摆动油缸可以和平衡阀相结合，利用缸体的摩擦力和平衡阀几乎零泄漏的特点，在压力源停止供压的情况下，依然对工件保持拉伸/压缩力或保持扭矩，便于对试样不间断观察。平衡阀1用于保持扭矩摆动油缸的扭矩，平衡阀2用于拉伸/压缩缸的加载保持。压力表1、2 用于显示扭矩摆动油缸的压力或查表所得的扭矩，压力表3、4用于显示拉伸/压缩的压力或查表所得的拉力/压缩力。

实施例二：疲劳强度测试

疲劳强度对于本发明来说是一个压力信号，没有流量，较小的液压泵站就可以完成测试，非常节能。由于只是压力信号，交替压力信号主要受制于电磁阀的响应时间50ms左右，以正一反一个周期需要100ms，应力频率为10Hz,运行100万次循环需要28个小时左右。疲劳载荷可以非对称或对称的，载荷幅度可以由压力阀无级调节。

如图6所示，应力和全谱疲劳测试液压原理图，图中电磁阀的控制由PLC完成，中间没有中间继电器，电磁阀1、电磁阀2和电磁阀12配合，就可以通过减压阀1和减压阀2就能完成疲劳剪切应力在一个方向（定义为正方向）区间上的疲劳剪切应力的循环加载；电磁阀1和电磁阀3，与配对的电磁阀12和电磁阀11协同，通过减压阀1和减压阀3就可以形成剪切正反应力的循环加载；压力表1/2/3/4 用于校核减压阀1/2/3/4提供的压力或查表所得剪切应力。同理，电磁阀5、6、7、8和配套的电磁阀13、14，通过减压阀5、6、7、8及压力表 5、6、7、8就可对拉伸/压缩缸进行各种疲劳循环加载和各种应力的加载。可以根据设计的应用情况，综合利用所有的电磁阀、电控减压阀，通过编程控制实现更为复杂的体现真实应用需要的加载或疲劳测试。所以我们称之为具有全谱疲劳测试功能的实验平台，该平台功能全，液压回路相对复杂，需要PLC 编程或其他可编程控制器的快速切换来获取短时间内完成疲劳实验需要的循环。对于重点型号或安全系数要求较高的，可以采用这种模式，本发明提供了可供选择的解决方案。

实施例3：拉压和剪切的复合加载试验

加载幅度可以无级调节，能够完全同时复制实际工况，为具体应用提供保障。这个比目前的用偏心轮加载的剪切应力的方法，操作简单，能对实际工件进行加载，同时能够加上其他的拉/压应力，跟实际应用更贴近，实验的结果不需要计算模拟或计算延伸假定，直接反映真实的工况。

如图7所示，摆动油缸与双出杆油缸分别连接独立的油压源，各油路上设置减压阀、压力表和电磁阀，通过减压阀控制油压，通过电磁阀控制油路的换向、保持等，通过压力表读取压力值，当两个油缸同时控制是，可以实现加载幅度无极调节的拉压和剪切的复合加载试验。

Claims (7)

1.一种材料应力特性分析综合实验平台，包括机架、测试油缸、液压源、控制台，测试油缸安装于机架，测试油缸通过液压管路及液压元件与液压源形成液压回路，控制台通过可编程控制程序控制液压回路，其特征在于，所述测试油缸由一个摆动油缸和一个双出杆油缸同轴连接组成，双出杆油缸与摆动油缸间通过花键同轴连接。

2.根据权利要求1所述的一种材料应力特性分析综合实验平台，其特征在于，双出杆油缸的上伸出杆上安装有花键或者直接加工出一段花键，摆动油缸的输出端连接有花键套，双出杆油缸的上伸出杆在花键套内上下滑动，花键套内径大于上伸出杆的外径，花键套的底部末端加工出于花键配合的花键环，上伸出杆的顶端设有限位台阶，双出杆油缸向下伸出时，限位台阶与花键环间形成轴向限位。

3.根据权利要求1所述的一种材料应力特性分析综合实验平台，其特征在于，所述机架顶部可设置顶板，摆动油缸通过法兰竖直向下安装于机架的顶板；所述机架中部设置有固定平台，双出杆油缸竖直朝下支承于固定平台。

4.根据权利要求1所述的一种材料应力特性分析综合实验平台，其特征在于，所述摆动油缸包括壳体，壳体上设有液压油进、出口，壳体内安装有活塞、传动套筒以及转动轴，传动套筒同轴套于转动轴的外侧，活塞同轴套于传动套筒的外侧，活塞的内齿与传动套筒的外齿啮合，传动套筒的内齿与转动轴的外齿啮合，形成双级齿轮传动。

5.根据权利要求1-4任意一项所述的一种材料应力特性分析综合实验平台，其特征在于，所述摆动油缸和双出杆油缸各自的两个油口均分别经过至少一条减压进油油路与液压源的输出端联通，以及一条回油油路与液压源的油箱联通；所述减压进油油路包括经管道串联的减压阀、压力表和进油电磁阀；所述回油油路上串接有回油电磁阀。

6.根据权利要求2或4所述的一种材料应力特性分析综合实验平台，其特征在于，所述花键套与转动轴为一体件。

7.权利要求1所述的一种材料应力特性分析综合实验平台的实验方法，其特征在于：

（1）在进行拉伸、压缩及剪切综合测试时，分别选择摆动油缸和双出杆油缸的进油口和回油口，与各进油口连接的管路上的进油电磁阀开启且回油电磁阀关闭，与各回油口连接的管路上的回油电磁阀开启且进油电磁阀关闭，启动液压源加载，进行测试；

（2）在进行拉伸或者压缩测试时，关闭与摆动油缸连接的所有管路的电磁阀，选择双出杆油缸的进油口和回油口，与进油口连接的管路上的进油电磁阀开启且回油电磁阀关闭，与回油口连接的管路上的回油电磁阀开启且进油电磁阀关闭，启动液压源加载，进行测试；

（3）在进行剪切测试时，关闭与双出杆油缸连接的所有管路的电磁阀，选择摆动油缸的进油口和回油口，与进油口连接的管路上的进油电磁阀开启且回油电磁阀关闭，与回油口连接的管路上的回油电磁阀开启且进油电磁阀关闭，启动液压源加载，进行测试；

（4）在进行疲劳强度测试时，摆动油缸或双出杆油缸的两个油口对应管路循环交替进油和回油，当一个油口进油时，其对应管路上的进油电磁阀开启，回油电磁阀关闭，另一油口对应管路上的进油电磁阀关闭，回油电磁阀开启；通过多个电磁阀的控制，两个油口交替进油和回油，摆动油缸来回转动，形成循环剪切，双出杆油缸循环伸缩，形成循环拉伸或压缩;

（5）在进行疲劳强度测试时，调节减压阀，完成多个应力或扭矩下的疲劳强度测试，调节单个油口对应的减压阀，完成非对称应力或扭矩下的疲劳强度测试。