CN112748024A - 一种原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置，属于力学性能测量技术领域。该装置由驱动加载单元、剪切单元、装置固定单元、荷载位移检测单元和电气控制单元组成。驱动加载单元包括直流电动机，凸轮和从动轮。剪切单元包括从动支架及摆杆和剪切压头。荷载位移检测单元包括位移传感器和荷载传感器。从动支架及摆杆一端与荷载传感器相接，另一端装有剪切压头。带减速的直流齿轮马达驱动凸轮旋转，凸轮结构将旋转运动转换为平移运动，使从动支架及摆杆围绕荷载传感器的接触点向右摆动，实现加载。该装置改进了双孔微剪切测试装置的一些缺陷，将支爪拆除，加载方式由剪切加载改为弯曲剪切加载，大大降低了实验结果的误差。

Description

一种原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置

技术领域

本发明专利涉及一种金属材料的力学性能测定装置与方法，具体涉及一种用于现役设备材料的力学性能原位测定装置，本发明隶属于力学性能测量技术领域。

背景技术

对于在高温、高压和腐蚀等环境中服役的设备，如管道、压力容器、支撑构件、大型锻件等而言，恶劣的工作环境以及长期的疲劳损耗会使其材料的抗拉强度、屈服强度等力学性能参数降低，因此需要定期对在役结构材料的力学性能进行测定，以确保设备的安全运行。

常用的现场检验方法，如射线检测、超声波检测、涡流检测等只能找出设备宏观尺寸的缺陷，而无法定量地表征设备材料当前的力学性能参数；常规的取样试验方法，单轴拉伸试验、小冲杆试验等，它们需要在结构的危险部位取样，这会对设备造成一定的损伤。1999年D.A.LaVan用微拉伸法对焊接金属的力学性能进行试验，它从被测材料上切取袖珍试样，用拉伸试样测定材料的力学性能。此方法是一个可信的方法，但是制备试样的过程复杂，且无法在被测设备上直接进行测定。2006年朱亮等人提出双孔微剪切法，它在被测材料区域打两个孔，直接进行剪切试验，记录加载过程中的荷载-位移曲线，并根据拉伸机械性能和剪切机械性能之间的关系，转换得到常规力学性能参数。双孔微剪切法无需制备小试样，但在方法和测试设备上仍存在一定的缺点和不足。测试曲线与测试材料的本构关系之间的相关性并不准确，且并未考虑双孔间微小的厚度变化对其测试曲线的影响。通过实验发现，双孔间隙厚度的微小变化对荷载-位移曲线有明显的可测影响。此外，双孔微剪切测试设备不能完全被固定在钻孔上，且刚度不足，使得加载过程和试验结果均受到严重影响。

发明内容

本发明旨在针对目前双孔微剪切测试设备不能完全被固定在钻孔上，且刚度不足，使得加载过程和试验结果均受到严重影响的技术问题，提供一种原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置。

本发明采用以下技术方案。

一种原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置，包括：驱动加载单元、弯曲剪切单元、装置固定单元和荷载位移检测单元，其中驱动加载单元包括直流电动机12、凸轮15和从动轮26，所述直流电动机12与所述凸轮15轴相连，所述凸轮15与从动轮26点接触；所述弯曲剪切单元包括从动支架及摆杆23和剪切压头29，所述，剪切压头29安装于从动支架及摆杆23末端；所述装置固定单元包括荷载传感器连接部件接头11、凸轮外壳13、支架左固定块14、固定圆柱20、从动支架及摆杆固定块27；所述固定圆柱20安装于凸轮外壳13的下部端面，凸轮15安装于支架左固定块14上的右部，从动轮26固定安装于从动支架及摆杆固定块27的左部；所述支架左固定块14固定安装于所述凸轮外壳13上的右部，所述从动支架及摆杆固定块27固定设置于所述从动支架及摆杆23的左部，所述直流电动机12设置于所述凸轮外壳13和从动支架及摆杆23之间；所述荷载位移检测单元包括位移传感器8和荷载传感器21，所述位移传感器8的探头伸入从动支架及摆杆23装有刀头一端的预留孔中；荷载传感器21的左右两侧分别与荷载传感器连接部件接头11、从动支架及摆杆23相接，所述从动支架及摆杆23的一端固定，安装所述剪切压头29的另一端能够向右摆动。

进一步地，所述支架左固定块14和所述从动支架及摆杆固定块上27分别采用黄铜独立制作。

进一步地，所述支架左固定块14与凸轮15通过螺钉连接成为一体结构。

进一步地，所述从动支架及摆杆固定块27与所述从动支架及摆杆23通过螺钉连接成为一体结构。

进一步地，所述荷载传感器连接部件接头11通过弹簧10与所述凸轮外壳13配合形成铰链。

进一步地，所述装置还包括电气控制单元，所述电气控制单元包括按钮3和航空插座18，所述航空插座18设置于所述凸轮外壳13上，所述装置还包括控制面板，所述按钮3设置于所述控制面板上。

进一步地，所述凸轮15设计分为两段，第一段0°到330°，其初始扬高0.00mm，终极扬高为0.80mm，做等速运动。第二段330°到360°，其初始扬高0.80mm，终极扬高为0.00mm，做简谐曲线位移运动。

进一步地，从动轮26采用曲面滚轮。

进一步地，所述剪切压头29采用碳化钨材料。

本发明所取得的有益技术效果：

该装置改进了双孔微剪切测试装置的一些缺陷，将支爪拆除，加载方式由剪切加载改为弯曲剪切加载，大大降低了实验结果的误差。另一方面，将双孔材料厚度的影响也考虑在内，提出了基于人工神经网络的材料性能与微弯剪试验荷载-位移曲线的相关关系。这种原位检测的方法操作简单，而且经济实用。该新装置由驱动加载单元、剪切单元、装置固定单元、荷载位移检测单元和电气控制单元组成。驱动加载单元包括直流电动机，凸轮和从动轮。剪切单元包括从动支架及摆杆和剪切压头。荷载位移检测单元包括位移传感器和荷载传感器。从动支架及摆杆一端与荷载传感器相接，另一端装有剪切压头。带减速的直流齿轮马达驱动凸轮旋转，凸轮结构将旋转运动转换为平移运动，使从动支架及摆杆围绕荷载传感器的接触点向右摆动，实现加载。

附图说明

图1是具体实施例提供的微弯剪试验装置的三维模型图；

图2a是具体实施例提供的微弯剪试验装置的轴视图；

图2b是具体实施例提供的微弯剪试验装置的向视图与局部放大图；

图3a是具体实施例提供的微弯剪试验装置的主视图；

图3b是具体实施例提供的微弯剪试验装置的剖视图；

图3c是具体实施例提供的微弯剪试验装置的剖视图的局部详图；

图4是具体实施例提供的微弯剪试样盲孔位置示意图；

图5是具体实施例提供的装置中从动支架及摆杆固定块结构以及从动轮结构示意图；其中5（a）为从动支架及摆杆固定块结构示意图；5（b）为从动轮结构示意图；

图6是具体实施例提供的装置中支架左固定块结构以及凸轮结构示意图；其中6（a）为支架左固定块结构示意图；6（b）为凸轮结构示意图；

图中标记：1—塑料控制面板，2—螺钉，3—按钮，4—沉头螺钉，5—螺钉，6－下部塑料板，7—薄螺母1，8—位移传感器，9—薄螺母2，10—弹簧，11—荷载传感器连接部件接头，12—直流电机，13—凸轮外壳，14—支架左固定块，15—凸轮，16—螺钉，17—垫片，18—航空插座，19—垫圈，20—固定圆柱，21—荷载传感器，22—支撑柱1，23—从动支架及摆杆，24—支撑柱2，25—螺钉，26—从动轮，27—从动支架及摆杆固定块，28—螺母，29—剪切压头，30—三孔试样，31—螺钉，32—螺钉，33—固定孔，34—第一放置槽，35—第二放置槽，36—从动轮的轴，37—从动轮的轮，38—凸轮的轴，39—第三放置槽。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步地说明。

本发明提供的一种原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置整个运行过程大致为：带减速的直流齿轮马达驱动凸轮旋转，凸轮结构将旋转运动转换为平移运动，使从动支架及摆杆围绕荷载传感器的接触点向右摆动。

以下详细说明本发明的具体实施方式。

实施例1：一种原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置，如图1-图3，所述微弯剪试验装置包括：驱动加载单元、弯曲剪切单元、装置固定单元和荷载位移检测单元，其中驱动加载单元包括直流电动机12、凸轮15和从动轮26，所述直流电动机12与所述凸轮15轴相连，所述凸轮15与从动轮26点接触；所述弯曲剪切单元包括从动支架及摆杆23和剪切压头29，所述剪切压头29安装于从动支架及摆杆23末端；所述装置固定单元包括荷载传感器连接部件接头11、凸轮外壳13、支架左固定块14、固定圆柱20、从动支架及摆杆固定块27；所述固定圆柱20安装于凸轮外壳13的下部端面，凸轮15安装于支架左固定块14上的右部，从动轮26安装于从动支架及摆杆固定块上27的左部；所述支架左固定块14固定安装于所述凸轮外壳13的右部，所述从动支架及摆杆固定块27固定设置于所述从动支架及摆杆23的左部，所述直流电动机12设置于所述凸轮外壳13和从动支架及摆杆23之间；所述荷载位移检测单元包括位移传感器8和荷载传感器21，所述位移传感器8的探头伸入从动支架及摆杆23装有刀头一端的预留孔中；荷载传感器21的左右两侧分别与荷载传感器连接部件接头11、从动支架及摆杆23相接，所述从动支架及摆杆23的一端固定，安装所述剪切压头29的另一端能够向右摆动。

可选地支架左固定块14与凸轮15通过M416螺钉连接，使其共属一体，从动轮26和从动支架及摆杆固定块27间的连接与之类似。可选地荷载传感器连接部件接头11通过与弹簧10、凸轮外壳13配合形成铰链。在剪切压头29向桥间小桥施加力的过程中，会产生一个向下的分力，这个分力会导致装置发生移动。所以在荷载传感器连接部件接头11与凸轮外壳13的接触处放置了一个弹簧10，这个弹簧10可以让两个曲面铰链夹紧。在压头向小孔桥施加力的过程中，会产生一个向下的分力，这个分力会导致装置发生移动，所以在荷载传感器连接接头11与凸轮外壳13 的接触处放置了一个弹簧10，这个弹簧10可以让两个曲面铰链夹紧。另一方面，它只是一个内力，对测试结果并不会产生影响。从另一方面来说，它只是一个内力，对测试结果并不会产生影响。整个实验设备轻巧、易于携带、试验简单易行，而且测试周期短，能够较准确的采集荷载和位移信号，适用于各种场合。可选地位移传感器8选用分体式电涡流传感器，将传感器探头伸入从动支架及摆杆23装有剪切压头29一端的预留孔中，检测剪切压头29的移动距离，得到位移数据。

驱动加载单元包括直流电动机12，它是整个装置实施加载的动力来源。直流电动机12位于整个装置的上半部分，其轴安装于凸轮15的空心轴中，可选地可由电气控制单元来控制其正转、停止和复位。

驱动加载单元还包括凸轮15和从动轮26组成加载传动构件。凸轮15设计分为两段，第一段0°到330°，其初始扬高0.00mm，终极扬高为0.80mm。第二段330°到360°，其初始扬高0.80mm，终极扬高为0.00mm。是0-330度间弧度慢慢增加，330度-360度间弧度骤减，而从动轮26设计的是一个曲面滚轮。当直流电机12转动带动凸轮15在0-330度转动的过程中，由于凸轮15的弧度慢慢增加，会与从动轮26实现点接触，随之挤压从动轮26，从而带动与从动轮26相连的从动支架及摆杆23向右摆动。而且保证从动轮的受力方向不变。在330-360度间，因为弧度骤减，所以使得从动支架及摆杆23和剪切压头 29迅速回到初始位置，从而完成试样的剪切及回位。

凸轮和从动轮及其放置槽的结果如图5和图6所示，从动支架及摆杆固定块27起固定从动轮26的作用，其设置了用于放置从动轮的轮37的第二放置槽35，以及用于放置从动轮的轴36的第一放置槽34。支架左固定块14设置了放置凸轮的轴38的第三放置槽39以及能够容纳凸轮的轮的空间。

本实施例中装置固定单元还包括薄螺母17和薄螺母29。固定圆柱20安装于凸轮外壳13的下部端面，用于固定试样。在进行微弯剪双孔试验前，将固定圆柱放入事前打好的试样固定孔中，剪切时使得试样不发生偏移，保证试验的精确度。凸轮15是安装在支架左固定块14里面的，支架左固定块14起固定凸轮15的作用。同样，从动支架及摆杆固定块27起固定从动轮26的作用。薄螺母17和薄螺母29是用来将位移传感器8固定在凸轮外壳13上。

可选地，所述支架左固定块14和所述从动支架及摆杆固定块上27分别采用黄铜独立制作。

剪切压头29可以根据使用情况设定特定形状及大小，满足所需剪切要求。另外，具体实施例中剪切压头附近设计时左半部分高度要比右半部分低一些，这样设计的原因是因为圆心的位置垂直下来会处于刀头的右侧，而圆心左侧那部分在绕着圆心转动时会有向下的位移分量，会和被测材料表面干涉。为避免干涉问题，所以专门使整个装置接触小孔表面的只有刀头右半部分高的那部分。曲面滚轮的设计是为了形成点接触，使得无论从动支架及摆杆23摆动到任何角度，也能保证凸轮15对它施加力的位置不变。可选地所述剪切压头29采用碳化钨材料。

位移传感器8选用的是分体式传感器，此传感器属于电涡流位移传感器，其内部线圈会产生一个高频率振荡磁场。因为从动支架及摆杆23和剪切压头 29都是金属，所以在它们的表面会产生电涡流。电涡流的强度是随着传感器与金属间的距离变化而变化的。在从动支架及摆杆23带动剪切压头 29移动一段距离后，会影响传感器线圈的阻抗，使得传感器输出一个与距离成单值函数的直流电压信号，从而检测到位移。荷载传感器21的左边与荷载传感器连接部件接头11相连，右边与从动支架及摆杆23相连，中心是其受力点。就从动支架及摆杆23而言，它除了受凸轮15对它向左的力、还受凸轮外壳13对它向右的拉力以及三孔试样30对其向右的阻力，具体实施例提供的微弯剪试样盲孔位置示意图如图4所示。而荷载传感器21检测得到的是凸轮外壳13对从动支架及摆杆23的拉力，通过计算，就可以得到所需荷载数据。

本实施例的原理为：驱动直流电机12转动，以摩擦力的方式带动加载传动单元里的凸轮15，再由凸轮15挤压从动轮26，使得从动轮26带动从动支架及摆杆23以及剪切压头29进行剪切工作。另外，位移传感器8与从动支架及摆杆23感应、接触来实时获取微弯剪双孔试验过程中的荷载和位移数据。装置中各部分各司其职却又相互配合，最终完成整个剪切试验过程。

为使装置更加小巧，电机与凸轮间的动力传递采用了摩擦力传递的方式。本实施例中凸轮传动机构能够提供足够的加载能力，剪切压头的设计也以与孔间小桥接触更为贴切为目标，使得测试精度有了一定的保证。从动轮的设计是形成了点接触，使得无论摆杆摆动到任何角度，也能保证凸轮对它施加力的位置不变。整个实验设备轻巧易于携带、试验简单易行，而且测试周期短，能够较准确的采集荷载和位移信号，适用于各种场合。

实施例2：在以上实施例的基础上进一步可选地，本实施例中提供的原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置还包括电气控制单元，所述电气控制单元包括按钮3和航空插座18。按钮3用于直流电机启/停的控制，航空插座18用于装置内外线路的联通。本实施例中装置固定单元还包括垫片17、垫圈19和螺母28垫片17、垫圈19以及螺母28是用来将航空插座18固定在凸轮外壳13上。

在本实施例中，为达到产品化的要求，直接将控制按钮与指示灯安装在了装置上。要进行试验时，只需要按下装置启动按钮，程序会得到指令由数据采集卡的数字输出口向直流电机驱动模块输出控制电机正转的信号。装置中的电机就会按要求进行转动，带动剪切部件中的剪切压头进行微弯切双孔试验，荷载位移检测单元就会得到相应的荷载、位移数据。因此本实施例提供的装置除了具有不需要事先制备试样的优点以外，具有试验操作简便的特点。

具体实施例中，采用本发明提供的原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置进行微弯剪试验包括以下步骤：

首先，进行以下准备工作。一、如图4所示，在材料被测区域钻直径为6mm、深度为5mm的三个孔。二、在LabVIEW控制采集系统中输入采样频率、数据存储位置等。三、驱动直流电动机使凸轮回到初始位置位移传感器示值为0。四、精确测量双孔间隙厚度由图4所示，从左往右数，第一孔为固定孔，双孔间隙指的是第二孔和第三个孔之间的材料。

其次，进行微弯剪试验。将装置的固定圆柱20、剪切压头29分别放入第一孔、第二孔，然后按下启动按钮，控制程序接受到指令，电机开始正转。电机的轴经M3顶丝固定，从而带动凸轮15转动，凸轮因其独特设计带动与之点接触的从动轮26，从而使得从动支架及摆杆23向右摆动，而从动支架及摆杆23末端装有压头，最终完成两孔间间隙的弯曲剪切过程。

最后，根据微弯剪试验的荷载位移曲线以及双孔材料厚度值，得到基于人工神经网络的双孔材料性能与微弯剪试验荷载-位移曲线的相关关系，实现材料力学性能的测定。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置，其特征在在于，包括：驱动加载单元、弯曲剪切单元、装置固定单元和荷载位移检测单元，其中驱动加载单元包括直流电动机（12）、凸轮（15）和从动轮（26），所述直流电动机（12）与所述凸轮（15）轴相连，所述凸轮（15）与从动轮（26）点接触；所述弯曲剪切单元包括从动支架及摆杆（23）和剪切压头（29），所述，剪切压头（29）安装于从动支架及摆杆（23）末端；所述装置固定单元包括荷载传感器连接部件接头（11）、凸轮外壳（13）、支架左固定块（14）、固定圆柱（20）、从动支架及摆杆固定块（27）；所述固定圆柱（20）安装于凸轮外壳（13）的下部端面，凸轮（15）安装于支架左固定块（14）上的右部，从动轮（26）安装于从动支架及摆杆固定块上（27）的左部；所述支架左固定块（14）固定安装于所述凸轮外壳（13）的右部，所述从动支架及摆杆固定块（27）固定设置于所述从动支架及摆杆（23）的左部，所述直流电动机（12）设置于所述凸轮外壳（13）和从动支架及摆杆（23）之间；所述荷载位移检测单元包括位移传感器（8）和荷载传感器（21），所述位移传感器（8）的探头伸入从动支架及摆杆（23）装有刀头一端的预留孔中；荷载传感器（21）的左右两侧分别与荷载传感器连接部件接头（11）、从动支架及摆杆（23）相接，所述从动支架及摆杆（23）的一端固定，安装所述剪切压头（29）的另一端能够向右摆动。

2.根据权利要求1所述的一种原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置，其特征在在于，所述支架左固定块（14）和所述从动支架及摆杆固定块上（27）分别采用黄铜独立制作。

3.根据权利要求1所述的一种原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置，其特征在在于，所述支架左固定块（14）与凸轮（15）通过螺钉连接成为一体结构。

4.根据权利要求1所述的一种原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置，其特征在在于，所述从动支架及摆杆固定块（27）与所述从动支架及摆杆（23）通过螺钉连接成为一体结构。

5.根据权利要求1所述的一种原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置，其特征在在于，所述荷载传感器连接部件接头（11）通过弹簧（10）与所述凸轮外壳（13）配合形成铰链。

6.根据权利要求1所述的一种原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置，其特征在在于，所述装置还包括电气控制单元，所述电气控制单元包括按钮（3）和航空插座（18），所述航空插座（18）设置于所述凸轮外壳（13）上，所述装置还包括控制面板，所述按钮（3）设置于所述控制面板上。

7.根据权利要求1所述的一种原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置，其特征在在于，所述凸轮（15）设计分为两段，第一段0°到330°，其初始扬高0.00mm，终极扬高为0.80mm，做等速运动；第二段330°到360°，其初始扬高0.80mm，终极扬高为0.00mm，做简谐曲线位移运动。

8.根据权利要求1所述的一种原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置，其特征在在于，从动轮（26）采用曲面滚轮。

9.根据权利要求1所述的一种原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置，其特征在在于，所述剪切压头（29）采用碳化钨材料。

10.根据权利要求1所述的一种原位测定钢力学性能的微弯剪试验装置，其特征在在于，采用所述装置进行微弯剪试验时只有所述述剪切压头（29）的部分端部接触小孔表面。

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