CN113834723A - 具有自调节能力的四点弯曲试验夹具及其应用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了具有自调节能力的四点弯曲试验夹具及其应用方法，所述试验夹具连接在加载设备的加载端与四点弯曲试验设备的短工字梁之间，包括与加载端固定连接的摆块、与短工字梁固定连接的箱体，摆块在箱体内竖向间隙配合且周向间隙配合，箱体包括可拆卸连接的下部连接板和上部压圈，下部连接板的上部设置有第一球面结构，摆块的下部设置有与第一球面结构转动配合的第二球面结构，摆块挡止设置在下部连接板和上部压圈之间；所述应用方法包括组装、放置试验板和施加载荷三个步骤，即可实现自动调节。本发明结构及操作简单，通用性强，可保证试验时自动对试验件施加垂直方向力，解决了试验时施加载荷端不水平导致的垂直方向受力不均匀问题。

Description

具有自调节能力的四点弯曲试验夹具及其应用方法

技术领域

本发明涉及多点弯曲试验技术领域，特别是指具有自调节能力的四点弯曲试验夹具及其应用方法。

背景技术

四点弯曲试验是用于测量材料多种力学行为参数的常规试验，是材料机械性能试验的基本方法之一。采用四点弯曲试验测量材料弯曲性能时，将条状试样平放于弯曲试验夹具中，形成简支梁形式，支撑试样的两个下支撑点间的距离视试样长度可调，试样上方有两个对称的加载点。

虽然现有技术中有多种试验设备，但是目前所用到的多点弯试验四点弯曲试验设备的加载端都是固定的刚性连接。如申请公布日为2021.02.19、申请公布号为CN112378780A的发明专利申请：一种复合材料三点/四点弯曲疲劳测试方法及装置，所述装置包括：上加载辊，用于约束试验件在加载方向上，竖直向上的法向偏移；下支撑辊，用于约束试验件在加载方向上，竖直向下的法向偏移；横向挡板，用于约束试验件沿长度方向的横向偏移；侧挡板，用于约束试验件沿宽度方向的纵向偏移，同时固定上加载辊和下支撑辊；下支撑底座，用于支撑下支撑辊；下支撑块，设置在下支撑底座和下支撑辊之间，通过更换下支撑块的大小，改变下支撑辊与上加载辊之间的距离；下底板，所述下底板用于支撑下支撑底座和横向挡板；位移计，所述位移计固定连接在下底板上，本发明通过位移计测量试验件弯曲变形。

上述专利申请所公开的技术方案虽然可以用于多点弯曲试验，但是加载端都是固定的刚性连接的，由于试验设备加工、装配等过程产生的不可避免的误差存在，导致水平面上的两个加载点不平行，两个加载点不能同时与试件接触，不能同时加载，从而影响试验结果。

发明内容

针对上述背景技术中的不足，本发明提出具有自调节能力的四点弯曲试验夹具及其应用方法，解决了在使用现有四点弯曲试验设备进行试验时因加载点不平行造成试样受力不均匀而影响实验结果的技术问题。

本发明的技术方案是这样实现的：具有自调节能力的四点弯曲试验夹具，连接在加载设备的加载端与四点弯曲试验设备的短工字梁之间，包括与加载端固定连接的摆块、与短工字梁固定连接的箱体，摆块在箱体内竖向间隙配合且周向间隙配合，在受到外力时，摆块与箱体之间会发生相对运动。箱体包括可拆卸连接的下部连接板和上部压圈，下部连接板的上部设置有第一球面结构，所述摆块的下部设置有与第一球面结构转动配合的第二球面结构，摆块挡止设置在下部连接板和上部压圈之间。即摆块下部与第一球面结构滑动配合，若无其他结构挡止，摆块与第一球面结构之间可以相互任意偏转，而由于上部压圈的存在，摆块与第一球面结构之间只可以在有限的范围内相互偏转。即当短工字梁受力不平衡时会产生力矩，力矩传递至摆块与箱体时，箱体会相对摆块偏转，进而使短工字梁下部的受力处达到平衡。

进一步地，所述摆块与下部连接板之间设置有球面垫块，所述第一球面结构设置在球面垫块的顶部，既便于第一球面结构的加工，又可以提高整个装置的精度。

进一步地，所述第一球面结构为第一凸球面，所述第二球面结构为第一凹球面，第一凸球面与第一凹球面直径相同且均为光滑球面，在受到外力时两者可以朝向任意方向偏转，适用范围广；或者所述第一球面结构为第二凹球面，所述第二球面为第二凸球面，第二凹球面与第二凸球面直径相同且均为光滑球面。无论凸球面和凹球面如何设置，也无论设置有多个对，只要两者通过球面结构转动配合就可，优选只有一对相互配合的球面结构。

进一步地，所述摆块的下部设置有凸缘，摆块通过凸缘挡止设置在下部连接板和上部压圈之间。凸缘的结构既便于加工，又具有各向对称的优点，既满足了竖向方向的挡止需求，又有助于摆块与球面垫块之间的球面转动配合。

进一步地，所述凸缘的上表面设置有第一锥形面，所述上部压圈的内环处设置有与第一锥形面间隙配合的第二锥形面或第二球形面。选择锥形面与锥形面配合时，加工简单且配合精度高；选择锥面与球面配合时，加工较为复杂，精度略低，但是偏转响应效果更好。

或者所述凸缘的上表面设置有第一球形面，所述上部压圈的内环处设置有与第一球形面间隙配合的第二锥形面或第二球形面。选择锥形面与球面面配合时，加工简单且配合精度较高；选择球面与球面配合时，加工较为复杂，精度略低，但是偏转响应效果较好。

进一步地，所述摆块的轴心处设置有过渡通孔，与过渡通孔连通设置有与第二球面相连的螺栓沉头固定槽，穿过过渡通孔设置有与加载设备的加载端固定连接的主螺栓或主螺钉。装配时，主螺栓或主螺钉的端部固定在螺栓沉头固定槽内，其螺纹段与加载端固定连接。

进一步地，所述下部连接板上设置有大螺纹通孔、小螺纹通孔和连接板过渡通孔，连接板过渡通孔与螺栓沉头固定槽上下对应且直径等于或大于其直径，球面垫块上设置有与连接板过渡通孔相同的垫块过渡通孔，所述上部压圈上设置有与大螺纹通孔匹配的压圈过渡通孔，与大螺纹通孔和压圈过渡通孔匹配设置有连接螺钉或连接螺栓，所述短工字梁通过螺钉或螺栓与小螺纹通孔相连。

进一步地，所述摆块过渡通孔、压圈过渡通孔、连接板过渡通孔、垫块过渡通孔均为内壁光滑的通孔，所述大螺纹通孔、小螺纹通孔均呈环形布置且均设置有若干个，连接板过渡通孔位于下部连接板的中心。

具有自调节能力的四点弯曲试验四点弯曲试验设备的应用方法，包括以下步骤：

①组装，使用主螺栓或主螺钉将摆块通过摆块过渡通孔与上方的加载设备的加载端连接，使摆块与加载设备的加载端完全固定，再使用螺钉或螺栓将四点弯曲试验设备的短工字梁通过小螺纹通孔与下部连接板固定连接，再使用连接螺钉或连接螺栓通过压圈过渡通孔和大螺纹通孔将上部压圈与下部连接板固定连接，四点弯曲试验设备的长工字梁通过连接座固定在工作台上；

②放置试验板，分别调整短工字梁和长工字梁上的连接块的位置，连接块带动压辊座改变位置，压辊座调整到位后将试验板放置在长工字梁上的两个压辊上方，对试验板的下方的两点进行定位，由于结构、安装等误差，短工字梁上的两个压辊会产生高度误差，误差导致上方两个压辊的加载点不在同一水平线上；

③施加载荷，启动加载设备，加载设备的加载端会通过所述连接件带动短工字梁向下运动，短工字梁上的两个压辊会逐渐与试验板接触，由于试验板上方的两个压辊高低不平，两个压辊中的一个首先与试验板接触而产生一个力矩，由于短工字梁与下部连接板和上部压圈组成的箱体固定连接而摆块与箱体内的第一球面结构滑动配合，所述力矩会使短工字梁和所述箱体产生一个相对摆块的小幅度摆动，通过小幅度摆动，试验板上方未接触试验板的另一个压辊快速接触到试验板，从而使试验板上方的两个压辊对试验板同时加载。

本发明的有益效果包括：

（1） 整套装置的零件（除标准件）只有摆块、上部压圈、下部连接板、球面垫块四个零件，不仅成本低、结构简单，而且经久耐用；

（2）在使用时只需与加载设备的夹持端和四点弯试验设备固定，即可试验，拆装方便；

（3）本发明装置在使用时只需将装置安装在加载机夹持端和四点弯设备上，试验时该装置会自适应水平调节，无需人工干预。

（4）多次进行重复试验时或在不同试验机上使用时，该装置具有自适应能力，不需对摆块、上部压圈、下部连接板和球面垫块进行对中调节。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的结构剖视图；

图2为四点弯曲设备；

图3为本发明的实施例的装配模型图；

图4为图3的剖视图；

图5为球面垫块的剖视图；

图6为上部压圈的剖视图；

图7为下部连接板的俯视图；

图8为摆块的剖视图；

图中：

1-摆块、15-凹球面、16-螺栓沉头固定槽、17-摆块过渡通孔、18-凸缘、19-第一锥形面；

2-上部压圈、21-压圈过渡通孔、22-第二锥形面；

3-下部连接板、31-大螺纹通孔、32-小螺纹通孔、33-连接板过渡通孔；

4-球面垫块、41-凸球面、42-垫块过渡通孔；

5-连接螺钉、6-短工字梁、7-主螺栓、8-连接块、9-挡板、10-试验板、11-长工字梁、12-连接座、13-压辊座、14-压辊。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1，具有自调节能力的四点弯曲试验夹具，如图1所示，连接在加载设备的加载端与四点弯曲试验设备的短工字梁6之间，包括与加载端固定连接的摆块1、与短工字梁6固定连接的箱体，摆块1在箱体内竖向间隙配合且周向间隙配合，在受到外力时，摆块1与箱体之间会发生相对运动。箱体包括可拆卸连接的下部连接板3和上部压圈2，下部连接板3的上部设置有第一球面结构，所述摆块1的下部设置有与第一球面结构转动配合的第二球面结构，摆块1挡止设置在下部连接板3和上部压圈2之间。即摆块1下部与第一球面结构滑动配合，若无其他结构挡止，摆块1与第一球面结构之间可以相互任意偏转，而由于上部压圈2的存在，摆块1与第一球面结构之间只可以在有限的范围内相互偏转。即当短工字梁6受力不平衡时会产生力矩，力矩传递至摆块1与箱体时，箱体会相对摆块1偏转，进而使短工字梁6下部的受力处达到平衡。

具体地，如图1、图3、图4和图5所述摆块1与下部连接板3之间设置有球面垫块4，所述第一球面结构设置在球面垫块4的顶部，既便于第一球面结构的加工，又可以提高整个装置的精度。所述第一球面结构为第一凸球面41，所述第二球面结构为第一凹球面15，第一凸球面41与第一凹球面15直径相同且均为光滑球面，在受到外力时两者可以朝向任意方向偏转，适用范围广；或者所述第一球面结构为第二凹球面，所述第二球面为第二凸球面，第二凹球面与第二凸球面直径相同且均为光滑球面。无论凸球面和凹球面如何设置，也无论设置有多个对，只要两者通过球面结构转动配合就可，优选只有一对相互配合的球面结构。

如图8、图1所示，所述摆块1的下部设置有凸缘18，摆块1通过凸缘18挡止设置在下部连接板3和上部压圈2之间。凸缘18的结构既便于加工，又具有各向对称的优点，既满足了竖向方向的挡止需求，又有助于摆块1与球面垫块4之间的球面转动配合。

所述凸缘18的上表面设置有第一锥形面19，如图6所示，所述上部压圈2的内环处设置有与第一锥形面19间隙配合的第二锥形面22或第二球形面。选择锥形面与锥形面配合时，加工简单且配合精度高；选择锥面与球面配合时，加工较为复杂，精度略低，但是偏转响应效果更好。或者所述凸缘18的上表面设置有第一球形面，所述上部压圈2的内环处设置有与第一球形面间隙配合的第二锥形面22或第二球形面。选择锥形面与球面面配合时，加工简单且配合精度较高；选择球面与球面配合时，加工较为复杂，精度略低，但是偏转响应效果较好。

所述摆块1的轴心处设置有过渡通孔17，与过渡通孔17连通设置有与第二球面相连的螺栓沉头固定槽16，穿过过渡通孔17设置有与加载设备的加载端固定连接的主螺栓7或主螺钉。装配时，主螺栓7或主螺钉的端部固定在螺栓沉头固定槽16内，其螺纹段与加载端固定连接。

进一步地，如图7所示，所述下部连接板3上设置有大螺纹通孔31、小螺纹通孔32和连接板过渡通孔33，连接板过渡通孔33与螺栓沉头固定槽16上下对应且直径等于或大于其直径。球面垫块4上设置有与连接板过渡通孔33相同的垫块过渡通孔42。所述上部压圈2上设置有与大螺纹通孔31匹配的压圈过渡通孔21，与大螺纹通孔31和压圈过渡通孔21匹配设置有连接螺钉5或连接螺栓，所述短工字梁6通过螺钉或螺栓与小螺纹通孔32相连。

进一步地，所述摆块过渡通孔17、压圈过渡通孔21、连接板过渡通孔33、垫块过渡通孔42均为内壁光滑的通孔，所述大螺纹通孔31设置有六个、小螺纹通孔32设置有四个，且均呈环形布置，连接板过渡通孔33位于下部连接板3的中心。

实施例2，具有自调节能力的四点弯曲试验四点弯曲试验设备的应用方法，将所述试验夹具连接在加载设备的加载端与四点弯曲试验设备的短工字梁6之间，四点弯曲试验设备如图2所示，试验板10上方的压辊座13、挡板9、连接块8、短工字梁6是对上方两压辊14起到连接定位和传递载荷的作用。试验板10下方的压辊座13、挡板9、连接块8、长工字梁11是对下方两压辊14和试验板10起到支撑定位和传递载荷的作用。

所述应用方法的具体步骤包括：

①组装，使用主螺栓7或主螺钉将摆块1通过摆块过渡通孔17与上方的加载设备的加载端连接，使摆块1与加载设备的加载端完全固定，再使用螺钉或螺栓将四点弯曲试验设备的短工字梁6通过小螺纹通孔32与下部连接板3固定连接，再使用连接螺钉5或连接螺栓通过压圈过渡通孔21和大螺纹通孔31将上部压圈2与下部连接板3固定连接，四点弯曲试验设备的长工字梁11通过连接座12固定在工作台上；

②放置试验板，分别调整短工字梁6和长工字梁11上的连接块8的位置，连接块8带动压辊座13改变位置，压辊座13调整到位后将试验板10放置在长工字梁11上的两个压辊14上方，对试验板10的下方的两点进行定位，由于结构、安装等误差，短工字梁6上的两个压辊14会产生高度误差，误差导致上方两个压辊14的加载点不在同一水平线上。

③施加载荷，启动加载设备，加载设备的加载端会通过所述连接件带动短工字梁6向下运动，短工字梁6上的两个压辊14会逐渐与试验板10接触，由于试验板10上方的两个压辊14高低不平，两个压辊14中的一个首先与试验板10接触而产生一个力矩，由于短工字梁6与下部连接板3和上部压圈2组成的箱体固定连接而摆块1与箱体内的第一球面结构滑动配合，所述力矩会使短工字梁6和所述箱体产生一个相对摆块1的小幅度摆动，通过小幅度摆动，试验板10上方未接触试验板10的另一个压辊14快速接触到试验板10，从而使试验板10上方的两个压辊14对试验板10同时加载。

具体地过程为：所述球面垫块4支撑在下部连接板3的上方，由于球面摆块4上方与摆块1球面配合，球面垫块4会与箱体一起产生一个相对摆块1的小幅度的摆动，通过该小幅度摆动，试验板10上方两压辊14其中未接触试验板10的一个接触到试验板10，从而能使压辊14对试验板10同时加力，从而达到转动调节的目的。

需要注意的是，摆块1与加载端固定连接，为完全固定，不会产生摆动；四点弯设备各零件之间均为固定连接，从而才能保证力矩能够传递至本试验夹具。

本实施例的结构与实施例1相同。

本发明未详尽之处均为本领域技术人员所公知的常规技术手段。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.具有自调节能力的四点弯曲试验夹具，连接在加载设备的加载端与四点弯曲试验设备的短工字梁（6）之间，其特征在于：包括与加载端固定连接的摆块（1）、与短工字梁（6）固定连接的箱体，摆块（1）在箱体内竖向间隙配合且周向间隙配合，箱体包括可拆卸连接的下部连接板（3）和上部压圈（2），下部连接板（3）的上部设置有第一球面结构，所述摆块（1）的下部设置有与第一球面结构转动配合的第二球面结构，摆块（1）挡止设置在下部连接板（3）和上部压圈（2）之间。

2.根据权利要求1所述的具有自调节能力的四点弯曲试验夹具，其特征在于：所述摆块（1）与下部连接板（3）之间设置有球面垫块（4），所述第一球面结构设置在球面垫块（4）的顶部。

3.根据权利要求2所述的具有自调节能力的四点弯曲试验夹具，其特征在于：所述第一球面结构为第一凸球面（41），所述第二球面结构为第一凹球面（15），第一凸球面（41）与第一凹球面（15）直径相同且均为光滑球面；或者所述第一球面结构为第二凹球面，所述第二球面为第二凸球面，第二凹球面与第二凸球面直径相同且均为光滑球面。

4.根据权利要求2或3所述的具有自调节能力的四点弯曲试验夹具，其特征在于：所述摆块（1）的下部设置有凸缘（18），摆块（1）通过凸缘（18）挡止设置在下部连接板（3）和上部压圈（2）之间。

5.根据权利要求4所述的具有自调节能力的四点弯曲试验夹具，其特征在于：所述凸缘（18）的上表面设置有第一锥形面（19），所述上部压圈（2）的内环处设置有与第一锥形面（19）间隙配合的第二锥形面（22）或第二球形面。

6.根据权利要求4所述的具有自调节能力的四点弯曲试验夹具，其特征在于：所述凸缘（18）的上表面设置有第一球形面，所述上部压圈（2）的内环处设置有与第一球形面间隙配合的第二锥形面（22）或第二球形面。

7.根据权利要求2、3、5、6任一项所述的具有自调节能力的四点弯曲试验夹具，其特征在于：所述摆块（1）的轴心处设置有过渡通孔（17），与过渡通孔（17）连通设置有与第二球面相连的螺栓沉头固定槽（16），穿过过渡通孔（17）设置有与加载设备的加载端固定连接的主螺栓（7）或主螺钉。

8.根据权利要求7所述的具有自调节能力的四点弯曲试验夹具，其特征在于：所述下部连接板（3）上设置有大螺纹通孔（31）、小螺纹通孔（32）和连接板过渡通孔（33），连接板过渡通孔（33）与螺栓沉头固定槽（16）上下对应且直径等于或大于其直径，球面垫块（4）上设置有与连接板过渡通孔（33）相同的垫块过渡通孔（42），所述上部压圈（2）上设置有与大螺纹通孔（31）匹配的压圈过渡通孔（21），与大螺纹通孔（31）和压圈过渡通孔（21）匹配设置有连接螺钉（5）或连接螺栓，所述短工字梁（6）通过螺钉或螺栓与小螺纹通孔（32）相连。

9.根据权利要求8所述的具有自调节能力的四点弯曲试验夹具，其特征在于：所述摆块过渡通孔（17）、压圈过渡通孔（21）、连接板过渡通孔（33）、垫块过渡通孔（42）均为内壁光滑的通孔，所述大螺纹通孔（31）、小螺纹通孔（32）均呈环形布置且均设置有若干个，连接板过渡通孔（33）位于下部连接板（3）的中心。

10.根据权利要求9所述的具有自调节能力的四点弯曲试验四点弯曲试验设备的应用方法，其特征在于包括以下步骤：

①组装，使用主螺栓（7）或主螺钉将摆块（1）通过摆块过渡通孔（17）与上方的加载设备的加载端连接，使摆块（1）与加载设备的加载端完全固定，再使用螺钉或螺栓将四点弯曲试验设备的短工字梁（6）通过小螺纹通孔（32）与下部连接板（3）固定连接，再使用连接螺钉（5）或连接螺栓通过压圈过渡通孔（21）和大螺纹通孔（31）将上部压圈（2）与下部连接板（3）固定连接，四点弯曲试验设备的长工字梁（11）通过连接座（12）固定在工作台上；

②放置试验板，分别调整短工字梁（6）和长工字梁（11）上的连接块（8）的位置，连接块（8）带动压辊座（13）改变位置，压辊座（13）调整到位后将试验板（10）放置在长工字梁（11）上的两个压辊（14）上方，对试验板（10）的下方的两点进行定位，由于结构、安装等误差，短工字梁（6）上的两个压辊（14）会产生高度误差，误差导致上方两个压辊（14）的加载点不在同一水平线上；

③施加载荷，启动加载设备，加载设备的加载端会通过所述连接件带动短工字梁（6）向下运动，短工字梁（6）上的两个压辊（14）会逐渐与试验板（10）接触，由于试验板（10）上方的两个压辊（14）高低不平，两个压辊（14）中的一个首先与试验板（10）接触而产生一个力矩，由于短工字梁（6）与下部连接板（3）和上部压圈（2）组成的箱体固定连接而摆块（1）与箱体内的第一球面结构滑动配合，所述力矩会使短工字梁（6）和所述箱体产生一个相对摆块（1）的小幅度摆动，通过小幅度摆动，试验板（10）上方未接触试验板（10）的另一个压辊（14）快速接触到试验板（10），从而使试验板（10）上方的两个压辊（14）对试验板（10）同时加载。

Images