CN111982727A - 适用于实验室和野外测试的双立柱双横梁便携式压入仪 - Google Patents

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Abstract

一种适用于实验室和野外测试的双立柱双横梁便携式压入仪，保护罩安装于便携式压入仪的外部，用于保护压入仪内部结构，保护罩的正面设有可开关的窗口，方便使用人员对压入仪内部结构进行检查和操作；压入仪主机包括提手、上横梁、左立柱、右立柱、音圈电机模组、下横梁、压头组件、燕尾槽移动平台、压紧装置以及压入仪底座，提手通过螺栓连接安装在上横梁上，上横梁中间设有四个螺纹孔用于连接音圈电机模组，两侧开有阶梯孔用于安装固定左、右两立柱，立柱上端通过螺母与上横梁刚性连接，下端通过六角螺母与燕尾移动平台的滑台连接。本发明机架柔度小、测试稳定性好同时集成三维可微调的原位观测系统和测点位置可调整的移动平台，能在实验室和野外/现场工况下对被测结构进行连续在线无损检测。

Description

适用于实验室和野外测试的双立柱双横梁便携式压入仪
技术领域
本发明属于材料力学性能测试领域，具体涉及一种适用于实验室和野外测试的双立柱双横梁便携式压入仪。
背景技术
仪器化压入技术是在传统布氏硬度和维氏硬度试验基础上发展起来的一种新的材料力学性能测试技术。在压入试验中，该技术实时测量并记录作用于试样上的压入载荷与压入深度，结合相应的力学分析方法，计算出被测材料的相关力学参数。比如弹性模量、硬化指数、屈服应力等。和传统硬度试验相比，仪器化压入技术能够获取材料更多的力学性能，为识别材料基本力学参数提供了重要的技术手段。
近年来，仪器化压入仪器在不断发展。该类仪器主要可分为台式压入仪和便携式压入仪。其中，台式压入仪仅适用于环境干扰较小的实验室，不能随意搬运，无法适应野外/现场工况(如压力容器和油气管道)的在线检测。为实现对大型结构或设备的力学性能和寿命的在线检测和评估，研制适用于野外/现场工况的便携式压入仪就成为了一种趋势。
从结构上分类，现有的便携式压入仪可分为单立柱悬臂梁、双立柱单横梁以及双立柱悬臂梁结构。压入仪在对大型结构或设备进行现场测试时，通常需要对其施加较大的压入载荷以获取较大压入深度处的数据，从而保证测试结果的可靠性。然而，若压入载荷较大，悬臂梁式的便携式压入仪受机架柔度的影响较大，难以保证压入深度测量的准确性。单横梁结构的便携式压入仪的测量稳定性相对较差，同样无法保证压入测试的准确性。
从功能上来讲，在针对工程现场或野外作业时，现有的便携式压入仪由于其主机位置无法进行调整，在安装过程中必须确保压头对准测试区域。然而，若测试区域较小，该类压入仪的安装操作就会十分繁琐。并且，该类压入仪仅能对被测结构进行一次压入测试，测试效率低下。进一步，现有的便携式压入仪不具备方便可靠的原位显微观测系统。此类设备在完成一次压入测试后，需要卸掉压入仪主机，重新安装显微观测系统进行压痕形貌分析。如果进行多次压入测试并对残余压痕进行观测，则需多次重复上述步骤，导致测试效率低下、操作繁琐。
发明内容
为了克服现有的便携式压入仪机架柔度大、测试稳定性差、难以实现快速原位观测和连续测试的不足，本发明提供了一种机架柔度小、测试稳定性好、能适用于野外/现场工况测试的便携式压入仪。本发明通过集成燕尾槽移动平台，可在待测区域内进行测点位置调整，实现连续的压入测试；采用双立柱双横梁结构并集成X、Y、Z方向上可微调的原位观测系统，以便实现在连续压入测试的基础上进行压痕形貌的快速观测，从而简化操作步骤，避免反复拆装，提高测试效率，对野外/现场检测被测结构的力学性能具有重大意义。
本发明所采用的技术方案是：
一种适用于实验室和野外测试的双立柱双横梁便携式压入仪，所述压入仪包括保护罩、压入仪主机以及光学显微系统，所述保护罩安装于便携式压入仪的外部，用于保护压入仪内部结构，保护罩的正面设有可开关的窗口，方便使用人员对压入仪内部结构进行检查和操作；所述压入仪主机包括提手、上横梁、左立柱、右立柱、音圈电机模组、下横梁、压头组件、燕尾槽移动平台、压紧装置以及压入仪底座，所述提手通过螺栓连接安装在上横梁上，所述上横梁中间设有四个螺纹孔用于连接音圈电机模组，两侧开有阶梯孔用于安装固定左、右两立柱，所述立柱上端通过螺母与上横梁刚性连接，下端通过六角螺母与燕尾槽移动平台的滑台连接。
进一步，所述光学显微系统包括单筒光学显微镜、X-Y移动平台以及安装夹具，X-Y移动平台配合光学显微系统自身的高度调节机构用于调整显微镜镜头在X、Y、Z方向的位置，方便对残余压痕进行观察和测量，安装夹具为“Z”型，一端安装在下横梁上，另一端与X-Y移动平台固定连接。
优选的，所述左立柱、右立柱下端设有方形凸台。
再进一步，所述音圈电机模组包括直线音圈电机、电机托架、模组支座、光栅尺位移传感器、电机输出轴、限位插销以及悬挂弹簧调节装置，所述直线音圈电机的动子与电机托架以及电机输出轴刚性连接，构成电机轴上下移动的加载机构，所述光栅尺位移传感器安装在模组支座上，用于记录直线音圈电机的位移，所述电机输出轴的上端与直线音圈电机连接，下端与载荷传感器连接，用于传递输出载荷，电机输出轴上对称的开设有键槽，与所述限位插销进行配合，防止电机在竖直悬挂状态下上下震动，所述悬挂弹簧调节装置由连接销钉、弹簧、调节螺栓以及锁紧螺母组成，悬挂弹簧上端与模组支座连接，下端与电机托架连接，通过调节螺栓可调节弹簧的张紧程度。
优选的，所述悬挂弹簧调节装置为两个，且对称安装在音圈电机模组的两侧。
所述悬挂弹簧的轴线与电机输出轴的轴线处于同一平面。
所述直线音圈电机未工作时，悬挂弹簧能将电机托架及其下方悬挂部分平衡在音圈电机初始位置。
所述下横梁通过左、右立柱支撑，通过六角螺栓与立柱的凸台锁紧，下横梁中间开有通孔用于让电机输出轴通过。下横梁在压入过程中不受力，其作用为稳定压入仪主机并支撑光学显微系统。
所述压头组件包括载荷传感器、连接块、压线块一、压线块二、压杆、压头夹具、金刚石压头、防松螺母、滑动轴承、参比针导杆、参比针、光栅尺夹具、锁紧螺母、光栅尺以及读数头，所述连接块上开设有通孔，用于安装压杆、参比针导杆以及光栅尺的读数头，连接块上端通过压杆的轴肩定位，下端通过防松螺母定位并锁紧，所述压杆上端与载荷传感器通过螺纹连接，下端通过所述压头夹具与金刚石压头连接用于传递输出载荷。所述参比针导杆下端与所述参比针连接，上端与所述光栅尺夹具连接并通过所述锁紧螺母进行锁紧，所述压线块用于压紧载荷传感器以及光栅尺的读数头的线缆，防止线缆对光栅尺读数头产生干扰。
进一步的，压头压入试样过程中，所述光栅尺夹具带着光栅尺与压头形成相对运动，相对运动形成的位移即为压头压入试样的深度，并通过所述读数头实时记录该位移数据。
所述燕尾槽移动平台由燕尾槽底座和滑台组成，燕尾槽底座通过螺栓与压入仪底座固定，滑台与立柱的底部平台连接。
进一步的，通过转动移动平台的旋钮来实现对压入仪主机的位置调整，从而实现连续压入测试的目的。
所述压紧装置包括压板、凸轮式锁紧手柄、拉杆以及防松螺母，所述压板开有方形孔，套在立柱的方形凸台外侧，并通过六角螺栓与立柱以及燕尾槽移动平台上的滑台进行固定，压板外侧开有两个通孔用于安装所述拉杆，所述拉杆从下到上贯穿压入仪底座以及压板，其上端与所述凸轮式锁紧手柄通过铆钉铆接，下端与防松螺母连接，所述凸轮式锁紧手柄外缘与压板面相切，使用者能够通过旋转手柄使其凸轮部分向下压紧压板，从而压紧立柱与滑台间的空隙，减小装配误差。
进一步的，双立柱双横梁的机架结构配合左、右两个压紧装置，保证了便携式压入仪具有良好的测量稳定性和较小的机架柔度，从而确保深度测量的可靠性。
所述压入仪底座中间开有长方形槽孔作为压入区域，长方形槽孔两侧有螺纹孔，用于安装适用于实验室环境的样品台，压入仪底座下方设有两个支座，用于安装适用于现场/野外工况的管道夹具。
本发明的有益效果主要表现在：本发明仪器采用双立柱双横梁结构设计，减小了机架柔度，提高了测量稳定性。本发明仪器集成X、Y、Z方向上可微调的原位观测系统，实现对待测区域测试前后的显微观测。本发明仪器通过燕尾槽移动平台，可在待测区域内进行测点位置调整，实现连续的压入测试，从而提高检测效率。本发明仪器通过在底座上安装样品台，能够在实验室环境对平板试样进行压入测试；或者通过在底座上安装与被测结构匹配的固定夹具，能够实现在野外/现场工况下对被测结构进行在线无损检测。
附图说明
图1为便携式压入仪在保护罩下的正视图。
图2为便携式压入仪在保护罩下的后视图。
图3为便携式压入仪在去掉保护罩下的正视图。
图4为便携式压入仪的压头组件装置的整体结构图。
图5为便携式压入仪的压头组件装置的爆炸图。
图6为便携式压入仪的压紧装置的爆炸图。
图7为便携式压入仪底座上安装样品台的整体外观图。
图8为样品台的三维轴测图。
图9为便携式压入仪底座上安装管道夹具的整体外观图。
图10为图9的轴侧图。
其中，保护罩-1，压入仪主机-2，光学显微系统-3，窗口-4，单筒显微镜-5，X-Y移动平台-6，安装夹具-7，提手-8，上横梁-9，左立柱-10，右立柱-11，音圈电机模组-12，下横梁-13，压紧装置-14，燕尾槽移动平台-15，压头组件-16，压入仪底座-17，载荷传感器-18，参比针导杆-19，锁紧螺母-20，压线块一-21，连接块-22，读数头-23，光栅尺-24，光栅尺夹具-25，滑动轴承-26，参比针-27，金刚石压头-28，压头夹具-29，防松螺母一-30，压线块二-31，压杆-32，凸轮式锁紧手柄-33，拉杆-34，压板-35，防松螺母二-36，模组支座-37，直线音圈电机-38，悬挂弹簧调节装置-39，电机托架-40，光栅尺位移传感器-41，电机输出轴-42，限位插销-43，样品台-44，燕尾槽移动滑台-45，样品台底座-46，螺杆-47，调节旋钮-48，管道夹具-49，圆形钢管-50。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1～图10，一种适用于实验室和野外测试的双立柱双横梁便携式压入仪，包括保护罩1，压入仪主机2以及光学显微系统3，所述保护罩1安装于便携式压入仪主机2的外部，用于保护压入仪内部结构；所述保护罩1的正面设有可开关的窗口4，方便使用人员对压入仪的内部结构进行检查和操作。
所述压入仪主机2包括提手8、上横梁9、左立柱10、右立柱11、音圈电机模组12、下横梁13、压紧装置14、燕尾槽移动平台15、压头组件16以及压入仪底座17，所述提手8为两个，通过螺栓连接安装在上横梁9上，上横梁9中间设有四个螺纹孔用于连接音圈电机模组12，上横梁9两侧开有阶梯孔用于安装固定左、右两立柱，立柱10上端通过螺母与上横梁9刚性连接，下端通过六角螺母与燕尾槽移动平台的15滑台连接。
优选的，左立柱10、右立柱11下端设有方形凸台。
所述音圈电机模组12包括模组支座37、直线音圈电机38、电机托架40、光栅尺位移传感器一41、电机输出轴42、限位插销43以及悬挂弹簧调节装置39，直线音圈电机38的动子与电机托架40以及电机输出轴42刚性连接，构成电机轴上下移动的加载机构，光栅尺位移传感器41安装在模组支座37上，用于记录音圈电机38的位移，电机输出轴42的上端与音圈电机38连接，下端与载荷传感器18连接，用于传递输出载荷。电机输出轴42上对称的开设有键槽，与限位插销43进行配合，防止电机在竖直悬挂状态下上下震动，悬挂弹簧调节装置39由连接销钉、弹簧、调节螺栓以及锁紧螺母组成，悬挂弹簧调节装置39的上端与模组支座37连接，下端与电机托架40连接，通过调节螺栓可调节弹簧的张紧程度。
优选的，所述悬挂弹簧调节装置39为两个，且对称安装在音圈电机模组12两侧。
进一步的，所述悬挂弹簧调节装置39的轴线与电机输出轴42的轴线处于同一平面。
进一步的，所述直线音圈电机38未工作时，悬挂弹簧能将电机托架40及其下方悬挂部分平衡在音圈电机38的初始位置。
所述下横梁13通过左、右立柱支撑，通过六角螺栓与立柱的凸台锁紧，下横梁13中间开有通孔用于让电机输出轴42通过。所述下横梁13在压入过程中不受力，其作用主要为稳定压入仪主机2并且支撑光学显微系统3。
所述压头组件16包括载荷传感器18、连接块22、压线块一21、压线块二31、压杆32、金刚石压头28、压头夹具29、防松螺母30、参比针导杆19、参比针27、滑动轴承26、光栅尺夹具25、锁紧螺母20、读数头23以及光栅尺24，连接块22上开设有通孔，用于安装压杆32、参比针导杆19以及光栅尺读数头23，连接块22上端通过压杆32的轴肩定位，下端通过防松螺母30定位并锁紧，压杆32上端与载荷传感器18进行螺纹连接，下端通过压头夹具29与金刚石压头28连接用于传递输出载荷，参比针导杆19下端与参比针27连接，上端与光栅尺夹具25连接并通过锁紧螺母20进行锁紧，压线块21用于压紧载荷传感器18以及光栅尺读数头23的线缆，防止线缆对光栅尺读数头23产生干扰。
进一步的，压头压入试样过程中，光栅尺夹具25带着光栅尺24与金刚石压头28形成相对运动，相对运动形成的位移即为压头压入试样的深度，并通过读数头23实时记录该数据。
所述燕尾槽移动平台15由燕尾槽底座和滑台组成，燕尾槽底座通过螺栓与压入仪底座固定，滑台与立柱的底部平台连接。
进一步的，通过转动移动平台的旋钮来实现对压入仪主机的位置调整，从而实现连续压入测试的目的。
所述压紧装置14包括压板35、凸轮式锁紧手柄33、拉杆34以及防松螺母36。压板35上开有方形孔，套在立柱10的方形凸台外侧，并通过六角螺栓与立柱10以及燕尾槽移动平台15上的滑台进行固定。压板35外侧开有两个通孔用于安装拉杆34。拉杆34从下到上贯穿压入仪底座17以及压板35，拉杆34上端与凸轮式锁紧手柄33通过铆钉铆接，下端与防松螺母36连接。凸轮式锁紧手柄33的外缘与压板面相切，能够通过旋转手柄33使其凸轮部向下压紧压板35，从而压紧立柱10与滑台间的空隙，减小装配间隙。
进一步的，双立柱双横梁的机架结构配合左、右两个压紧装置，保证了便携式压入仪具有良好的测量稳定性和较小的机架柔度，从而确保深度测量的可靠性。
所述压入仪底座17中间开有长方形槽孔作为压入区域，长方形孔槽压入仪底座17两侧开设有螺纹孔，用于安装样品台44。样品台44包括燕尾移动滑台45、样品台底座46、螺杆47以及调节旋钮48。样品台底座46上开设有6个螺纹孔，通过螺栓与压入仪底座17固定。燕尾移动滑台45上开设有螺纹孔，与螺杆47以及调节旋钮48配合，实现压入位置的调整。压入仪底座17下方设有两个支座，支座用于安装管道夹具49，用于野外环境下对圆形钢管50的力学性能检测。
本发明仪器集成X、Y、Z方向上可微调的原位观测系统，实现对待测区域测试前后的显微观测。本发明仪器通过燕尾槽移动平台，可在待测区域内进行测点位置调整，实现连续的压入测试，从而提高检测效率。本发明仪器通过在底座上安装样品台，能够实现在实验室环境对平板试样进行压入测试；或者通过在底座上安装与被测结构匹配的固定夹具，能够实现在野外/现场工况下对被测结构进行在线无损检测。

Claims (10)

1.一种适用于实验室和野外测试的双立柱双横梁便携式压入仪，其特征在于，所述压入仪包括保护罩、压入仪主机以及光学显微系统，所述保护罩安装于便携式压入仪的外部，用于保护压入仪内部结构，保护罩的正面设有可开关的窗口，方便使用人员对压入仪内部结构进行检查和操作；所述压入仪主机包括提手、上横梁、左立柱、右立柱、音圈电机模组、下横梁、压头组件、燕尾槽移动平台、压紧装置以及压入仪底座，所述提手通过螺栓连接安装在上横梁上，所述上横梁中间设有四个螺纹孔用于连接音圈电机模组，两侧开有阶梯孔用于安装固定左、右两立柱，所述立柱上端通过螺母与上横梁刚性连接，下端通过六角螺母与燕尾移动平台的滑台连接。
2.如权利要求1所述的适用于实验室和野外测试的双立柱双横梁便携式压入仪，其特征在于，所述光学显微系统包括单筒光学显微镜、X-Y移动平台以及安装夹具，X-Y移动平台配合光学显微系统自身的高度调节机构用于调整显微镜镜头在X、Y、Z方向的位置，方便对残余压痕进行观察和测量，安装夹具为“Z”型，一端安装在下横梁上，另一端与X-Y移动平台固定连接。
3.如权利要求1或2所述的适用于实验室和野外测试的双立柱双横梁便携式压入仪，其特征在于，所述音圈电机模组包括直线音圈电机、电机托架、模组支座、光栅尺位移传感器、电机输出轴、限位插销以及悬挂弹簧调节装置，所述直线音圈电机的动子与电机托架以及电机输出轴刚性连接，构成电机轴上下移动的加载机构，所述光栅尺位移传感器安装在模组支座上，用于记录直线音圈电机的位移，所述电机输出轴的上端与直线音圈电机连接，下端与载荷传感器连接，用于传递输出载荷，电机输出轴上对称的开设有键槽，与所述限位插销进行配合，防止电机在竖直悬挂状态下上下震动，所述悬挂弹簧调节装置由连接销钉、弹簧、调节螺栓以及锁紧螺母组成，悬挂弹簧上端与模组支座连接，下端与电机托架连接，通过调节螺栓可调节弹簧的张紧程度。
4.如权利要求3所述的适用于实验室和野外测试的双立柱双横梁便携式压入仪，其特征在于，所述悬挂弹簧调节装置为两个，且对称安装在音圈电机模组的两侧，所述悬挂弹簧的轴线与电机输出轴的轴线处于同一平面，所述直线音圈电机未工作时，悬挂弹簧能将电机托架及其下方悬挂部分平衡在音圈电机初始位置。
5.如权利要求1或2所述的适用于实验室和野外测试的双立柱双横梁便携式压入仪，其特征在于，所述下横梁通过左、右立柱支撑，通过六角螺栓与立柱的凸台锁紧，下横梁中间开有通孔用于让电机输出轴通过。下横梁在压入过程中不受力，其作用为稳定压入仪主机并支撑光学显微系统。
6.如权利要求1或2所述的适用于实验室和野外测试的双立柱双横梁便携式压入仪，其特征在于，所述压头组件包括载荷传感器、连接块、压线块一、压线块二、压杆、压头夹具、金刚石压头、防松螺母、滑动轴承、参比针导杆、参比针、光栅尺夹具、锁紧螺母、光栅尺以及读数头，所述连接块上开设有通孔，用于安装压杆、参比针导杆以及光栅尺的读数头，连接块上端通过压杆的轴肩定位，下端通过防松螺母定位并锁紧，所述压杆上端与载荷传感器通过螺纹连接，下端通过所述压头夹具与金刚石压头连接用于传递输出载荷。所述参比针导杆下端与所述参比针连接，上端与所述光栅尺夹具连接并通过所述锁紧螺母进行锁紧，所述压线块用于压紧载荷传感器以及光栅尺的读数头的线缆，防止线缆对光栅尺读数头产生干扰。
7.如权利要求6所述的适用于实验室和野外测试的双立柱双横梁便携式压入仪，其特征在于，压头压入试样过程中，所述光栅尺夹具带着光栅尺与压头形成相对运动，相对运动形成的位移即为压头压入试样的深度，并通过所述读数头实时记录该位移数据。
8.如权利要求1或2所述的适用于实验室和野外测试的双立柱双横梁便携式压入仪，其特征在于，所述燕尾槽移动平台由燕尾槽底座和滑台组成，燕尾槽底座通过螺栓与压入仪底座固定，滑台与立柱的底部平台连接。
9.如权利要求1或2所述的适用于实验室和野外测试的双立柱双横梁便携式压入仪，其特征在于，所述压紧装置包括压板、凸轮式锁紧手柄、拉杆以及防松螺母，所述压板开有方形孔，套在立柱的方形凸台外侧，并通过六角螺栓与立柱以及燕尾移动平台上的滑台进行固定，压板外侧开有两个通孔用于安装所述拉杆，所述拉杆从下到上贯穿压入仪底座以及压板，其上端与所述凸轮式锁紧手柄通过铆钉铆接，下端与防松螺母连接，所述凸轮式锁紧手柄外缘与压板面相切，使用者能够通过旋转手柄使其凸轮部分向下压紧压板，从而压紧立柱与滑台间的空隙，减小装配误差。
10.如权利要求1或2所述的适用于实验室和野外测试的双立柱双横梁便携式压入仪，其特征在于，所述压入仪底座中间开有长方形槽孔作为压入区域，长方形槽孔两侧有螺纹孔，用于安装适用于实验室环境的样品台，压入仪底座下方设有两个支座，用于安装适用于现场/野外工况的管道夹具。
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