CN114858586B - 一种受力轴可自行对正的残余应力测量标定装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种受力轴可自行对正的残余应力测量标定装置，包括固定部以及转动铰接在固定部一端的活动部，固定部与活动部之间设置有挤压装置与拉伸装置，挤压装置带动活动部绕着铰接处朝向靠近固定部的方向压缩转动，拉伸装置带动活动部绕着铰接处朝向远离固定部的方向拉伸转动；固定部的两端分别对应设置有第一标样夹具与第二标样夹具，第一标样夹具与第二标样夹具之间铰接有带有应变片的标样；在活动部转动时，第一标样夹具远离标样的一端与固定部远离活动部的一端沿圆弧滑动连接，第二标样夹具远离标样的一端与活动部沿圆弧滑动连接；本发明能够借助标样受到的应力，使得标样夹具自行滑动至同轴对正的状态。

Description

一种受力轴可自行对正的残余应力测量标定装置

技术领域

本发明属于应力标定装置的技术领域，具体涉及一种受力轴可自行对正的残余应力测量标定装置。

背景技术

在材料制备、材料成形、材料加工等过程中，总会在材料上产生或大或小、不同方向的残余应力。过大、过深的残余应力是有害的，会导致材料加工过程中、加工终了的零组件变形甚至开裂，拉应力还会导致零组件的疲劳寿命大幅降低，造成服役期间的失效，产生严重的后果。而有些残余应力是工程上想要获得的，例如材料加工终了状态的表面残余压应力，有助于减少表面裂纹的萌生和扩展，从而提高零组件的疲劳寿命。因此，通过测量获取准确的材料残余应力值在工程实践上具有重要意义。

目前，测量材料残余应力的方法主要有小孔法、X射线法、中子衍射法、压痕法、超声波法、轮廓法、剥层法等等，但是无论采用何种方法，总需要在测量前对测量方法进行标定，或对测量结果进行校准，以提高测量的精度和可信度。在进行标定/校准时，需要先在特定形状、特定热处理状态的试件上加载已知大小的应力，再通过所需的测量方法进行测量，最终将测量值与预应力值进行比较，得到测量修正量。

现已有多种用于预应力的夹持装置发明。第一类是不具备自身加载能力的预应力夹持装置，其需要配合现成的拉伸试验机使用，如专利号为CN204881931U、CN203203867U的专利。这类设计不能适用于X射线法、中子衍射法的标定/校准，因为目前已知的拉伸试验机体积、占地大，不能放置于X射线或中子衍射残余应力测试设备中进行测试；此外，常见的拉伸试验机其受测试样垂直于地面，在采用小孔法测量残余应力时，不便于操作人员进行钻孔等操作。但其优点是可利用拉伸试验机的测力、加载装置，不需要应变片、应变仪以及加载机构，且受益于试验机的固有结构，加载载荷同轴度易于保证。第二类是具备自身加载能力的预应力夹持装置，如专利号为CN105067187、CN106153458B、KR100932454B1的专利，这类装置通过优化设计，具备装入X射线、中子衍射残余应力测试仪中进行测量的可能，适用范围较广、较为灵活。但这类设计因需要自带加载机构，为确保加载的同轴度付出了极大成本。

当标样夹具处于非对正轴向加载应力时，会造成标样的应力分布极不均匀，无法用于残余应力测量的标定。上述第二类预应力装置设计中，采用了两种方法解决加载轴对正的问题。第一种方法是将加载机构置于中心位置，同时在周边采用多个导向框架进行载荷传递并保持轴对正，如专利号为CN106153458B的专利中公开了类似结构。这种方法导致预应力装置结构复杂，在不改变标样尺寸下整个装置的尺寸难以控制。过大的尺寸会使该装置难以应用于X射线或中子衍射残余应力测试设备中进行测试，而这本应是自带加载机构预应力装置的核心优势。第二种方法是将加载机构与标样合二为一，在加载结构上进行预应力标定，如专利号为CN105067187、KR100932454B1的专利。以专利号为CN105067187的专利为例，其应力加载结构虽然小巧，但加载结构本身就是标样，导致标样结构复杂加工过程繁琐；同时，螺栓加载过程中还存在扭矩，会对预制的轴向应力产生干扰，而专利号为KR100932454B1的专利产生的预应力场本身就不均匀；更重要的是，为抵抗扭矩，标样的厚度有一定要求，这种厚度的一些材料无法被X射线穿透，也就不能用于那些采用X射线透射方式的残余应力测量的校准。

发明内容

本发明的目的在于提供一种受力轴可自行对正的残余应力测量标定装置，能够对标样便捷施加载荷，同时借助标样受到的应力使得标样夹具自行滑动至同轴对正的状态。

本发明通过下述技术方案实现：

一种受力轴可自行对正的残余应力测量标定装置，包括固定部以及转动铰接在固定部一端的活动部，所述固定部与活动部之间设置有挤压装置与拉伸装置，所述挤压装置带动活动部绕着铰接处朝向靠近固定部的方向压缩转动，所述拉伸装置带动活动部绕着铰接处朝向远离固定部的方向拉伸转动；所述固定部的两端分别对应设置有第一标样夹具与第二标样夹具，所述第一标样夹具与第二标样夹具之间铰接有带有应变片的标样；在活动部转动时，所述第一标样夹具远离标样的一端与固定部远离活动部的一端沿圆弧滑动连接，所述第二标样夹具远离标样的一端与活动部沿圆弧滑动连接。

进行拉应力标定时，通过拉伸装置带动活动部绕着铰接处朝向远离固定部的方向拉伸转动，此时第二标样夹具远离标样的一端伴随活动部进行移动，使得第二标样夹具远离标样的一端在活动部上沿圆弧进行滑动。同时通过标样将力传递第一标样夹具，进而使得第一标样夹具远离标样的一端在固定部上沿着圆弧进行滑动。此时，第一标样夹具和第二标样夹具受到的拉应力即使不同轴，伴随着第一标样夹具与第二标样夹具沿着圆弧滑动，在拉应力作用下，第一标样夹具与第二标样夹具会自动沿着圆弧滑动至轴对正重合的位置，使得第一标样夹具、第二标样夹具、标样这三者的轴向与拉应力自动同轴重合。

同理，进行压应力标定时，通过拉伸装置带动活动部绕着铰接处朝向靠近固定部的方向压缩转动，此时第二标样夹具远离标样的一端伴随活动部进行移动，使得第二标样夹具远离标样的一端在活动部上沿圆弧进行滑动。同时通过标样将力传递第一标样夹具，进而使得第一标样夹具远离标样的一端在固定部上沿着圆弧进行滑动。此时，第一标样夹具和第二标样夹具受到的压应力即使不同轴，伴随着第一标样夹具与第二标样夹具沿着圆弧滑动，在压应力作用下，第一标样夹具与第二标样夹具会自动沿着圆弧滑动至轴对正重合的位置，使得第一标样夹具、第二标样夹具、标样这三者的轴向与压应力自动同轴重合。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述固定部远离活动部的一端上以及活动部上对应设置有活动槽，所述活动槽的内槽面为滑动圆弧面，所述第一标样夹具远离标样的一端与固定部上的活动槽的滑动圆弧面滑动连接，所述第二标样夹具远离标样的一端与活动部上的的活动槽的滑动圆弧面滑动连接。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述活动槽包括两个相对的第一侧壁与第二侧壁，所述第一侧壁上设置有拉伸圆弧面，所述第二侧壁上设置有挤压圆弧面，所述第一标样夹具远离标样的一端在活动部进行压缩转动时沿着固定部上的挤压圆弧面滑动，所述第二标样夹具远离标样的一端在活动部进行压缩转动时沿着活动部上的挤压圆弧面滑动；所述第一标样夹具远离标样的一端在活动部进行拉伸转动时沿着固定部上的拉伸圆弧面滑动，所述第二标样夹具远离标样的一端在活动部进行拉伸转动时沿着活动部上的拉伸圆弧面滑动。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述固定部的中间位置设置有用于容纳标样的测试腔，所述测试腔的两端分别同轴设置有导向套，所述第一标样夹具远离标样的一端穿过导向套并与固定部上的滑动圆弧面滑动连接，所述第二标样夹具远离标样的一端穿过导向套并与活动部上的滑动圆弧面滑动连接。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述导向套的内壁与第一标样夹具以及第二标样夹具的顶部端面以及底部端面贴合设置，所述导向套的内壁与第一标样夹具以及第二标样夹具的侧面之间设置有活动间隙。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述第一标样夹具的夹持端与第二标样夹具的夹持端上对应设置有夹持口，所述夹持口的内侧顶部与内侧底部平行于水平面设置有对标样的端部进行夹持的夹持面。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述夹持面与标样之间设置有调平垫片。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述挤压装置包括挤压螺栓与挤压螺母，所述挤压螺母固定设置在固定部靠近活动部的一端上，所述挤压螺栓与活动部转动卡接，所述挤压螺栓的螺纹段与挤压螺母螺纹连接。

为了更好地实现本发明，进一步的，所述拉伸装置包括拉伸螺栓与拉伸螺母，所述拉伸螺母固定设置在固定部与活动部之间，所述拉伸螺栓与活动部转动卡接，所述拉伸螺栓的螺纹段与拉伸螺母螺纹连接。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明通过在固定部与活动部之间设置挤压装置与拉伸装置，通过挤压装置带动活动部靠近固定部转动进而对标样施加压应力，通过拉伸装置带动活动部远离固定部转动进而对标样施加拉应力，即通过装置本身即可便捷对标样施加应力，不需要额外设置应力加载装置，有效减小装置体积，能够适应更多的应力检测场合；

（2）本发明通过在标样的两端侧置第一标样夹具与第二标样夹具作为应力传递装置，同时利用挤压圆弧面和拉伸圆弧面传导应力，进而避免设置导向框架结构，使得整个应力标定装置结构更加紧凑；

（3）本发明针对压应力标定，使得第一标样夹具与第二标样夹具均沿着挤压圆弧面滑动，进而使得第一标样夹具与第二标样夹具在压应力作用下自动滑动至同轴对正的状态；针对拉应力标定，使得第一标样夹具与第二标样夹具均沿着拉伸圆弧面滑动，进而使得第一标样夹具与第二标样夹具在拉应力作用下自动滑动至同轴对正的状态；进而使得标样受到的应力均匀一致，同时避免了调节应力同轴对正的过程，提高了应力检测标定效率。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的剖视结构示意图；

图3为压应力测试示意图；

图4为拉应力测试示意图。

其中：1-固定部；2-活动部；3-挤压装置；4-拉伸装置；5-标样；001-第一标样夹具；002-第二标样夹具；111-拉伸圆弧面；222-挤压圆弧面。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的一种受力轴可自行对正的残余应力测量标定装置，如图1和图2所示，包括固定部1以及转动铰接在固定部1一端的活动部2，所述固定部1与活动部2之间设置有挤压装置3与拉伸装置4，所述挤压装置3带动活动部2绕着铰接处朝向靠近固定部1的方向压缩转动，所述拉伸装置4带动活动部2绕着铰接处朝向远离固定部1的方向拉伸转动；所述固定部1的两端分别对应设置有第一标样夹具001与第二标样夹具002，所述第一标样夹具001与第二标样夹具002之间铰接有带有应变片的标样5；在活动部2转动时，所述第一标样夹具001远离标样5的一端与固定部1远离活动部2的一端沿圆弧滑动连接，所述第二标样夹具002远离标样5的一端与活动部2沿圆弧滑动连接。

活动部2通过连接轴与固定部1一端转动铰接，同时在活动部2与固定部1之间设置有可拆卸的挤压装置3与拉伸装置4。第一标样夹具001与第二标样夹具002分别对应设置在固定部1的两端，且第二标样夹具002远离标样5的一端与活动部2沿着圆弧滑动连接，第一标样夹具001远离标样5的一端与固定部1远离活动部2的一端沿着圆弧滑动连接。

测试拉应力时，将挤压装置3拆卸，然后通过拉伸装置4带动活动部2绕着连接轴朝向远离固定部1的方向转动。此时活动部2带动第二标样夹具002拉伸标样5，同时使得第二标样夹具002远离标样5的一端沿着圆弧滑动。同时通过标样5将拉应力传递至第一标样夹具001，进而带动第一标样夹具001远离标样5的一端沿着圆弧滑动。在拉应力的作用下，使得第一标样夹具001与第二标样夹具002最终滑动至同轴的状态，此时第一标样夹具001、第二标样夹具002、标样5的轴线均与拉应力的方向同轴重合，进而完成拉应力实验下的自动轴对正。

测试压应力时，将拉伸装置4拆卸，然后通过挤压装置3带动活动部2绕着连接轴朝向靠近固定部1的方向转动。此时活动部2带动第二标样夹具002挤压标样5，同时使得第二标样夹具002远离标样5的一端沿着圆弧滑动。同时通过标样5将压应力传递至第一标样夹具001，进而带动第一标样夹具001远离标样5的一端沿着圆弧滑动。在压应力的作用下，使得第一标样夹具001与第二标样夹具002最终滑动至同轴的状态，此时第一标样夹具001、第二标样夹具002、标样5的轴线均与压应力的方向同轴重合，进而完成压应力实验下的自动轴对正。

实施例2：

本实施例在实施例1的基础上做进一步优化，如图1和图2所示，所述固定部1远离活动部2的一端上以及活动部2上对应设置有活动槽，所述活动槽的内槽面为滑动圆弧面，所述第一标样夹具001远离标样5的一端与固定部1上的活动槽的滑动圆弧面滑动连接，所述第二标样夹具002远离标样5的一端与活动部2上的的活动槽的滑动圆弧面滑动连接。

进一步的，所述活动槽包括两个相对的第一侧壁与第二侧壁，所述第一侧壁上设置有拉伸圆弧面111，所述第二侧壁上设置有挤压圆弧面222，所述第一标样夹具001远离标样5的一端在活动部2进行压缩转动时沿着固定部1上的挤压圆弧面222滑动，所述第二标样夹具002远离标样5的一端在活动部2进行压缩转动时沿着活动部2上的挤压圆弧面222滑动；所述第一标样夹具001远离标样5的一端在活动部2进行拉伸转动时沿着固定部1上的拉伸圆弧面111滑动，所述第二标样夹具002远离标样5的一端在活动部2进行拉伸转动时沿着活动部2上的拉伸圆弧面111滑动。

第一标样夹具001远离标样5的一端设置有第一传力销轴，第二标样夹具002远离标样5的一端设置有第二传力销轴。第一传力销轴设置在固定部1上的活动槽内，第二传力销轴设置在活动部2上的活动槽内。

如图4所示，拉应力实验时，第一传力销轴与固定部1上的活动槽内第一侧壁上的拉伸圆弧面111接触并在拉应力的作用下沿着拉伸圆弧面111滑动，同时第一传力销轴与固定部1上的活动槽内第二侧壁上的挤压圆弧面222分离。第二传力销轴与活动部2上的活动槽内第一侧壁上的拉伸圆弧面111接触并在拉应力的作用下沿着拉伸圆弧面111滑动，同时第二传力销轴与活动部2上的活动槽内第二侧壁上的挤压圆弧面222分离。直到第一标样夹具001、第二标样夹具002、标样5的轴线与拉应力的方向同轴。

如图3所示，压应力实验时，第一传力销轴与固定部1上的活动槽内第一侧壁上的拉伸圆弧面111分离，第一传力销轴与固定部1上的活动槽内第二侧壁上的挤压圆弧面222接触并在压应力的作用下沿着挤压圆弧面222滑动。第二传力销轴与活动部2上的活动槽内第一侧壁上的拉伸圆弧面111分离，第二传力销轴与活动部2上的活动槽内第二侧壁上的挤压圆弧面222接触并在压应力的作用下沿着挤压圆弧面222滑动。直到第一标样夹具001、第二标样夹具002、标样5的轴线与压应力的方向同轴。

进一步的，所述第一传力销轴的外侧套装有轴承，所述第二传力销轴的外侧套装有轴承，通过轴承与拉伸圆弧面111或挤压圆弧面222滑动接触，有效减少摩擦力带来的误差。

本实施例的其他部分与实施例1相同，故不再赘述。

实施例3：

本实施例在上述实施例1或2的基础上做进一步优化，如图1所示，所述固定部1的中间位置设置有用于容纳标样5的测试腔，所述测试腔的两端分别同轴设置有导向套，所述第一标样夹具001远离标样5的一端穿过导向套并与固定部1上的滑动圆弧面滑动连接，第二标样夹具002远离标样5的一端穿过导向套并与活动部2上的滑动圆弧面滑动连接。

第一标样夹具001的夹持端与第二标样夹具002的夹持端均延伸至测试腔中，第一标样夹具001的夹持端通过连接销钉与标样5的一端铰接，第二标样夹具002的夹持端通过连接销钉与标样5的另一端铰接。测试腔的内壁与标样5之间预留有足够的活动空间，避免标样5受到拉应力或压应力活动时与测试腔的内壁干涉。

进一步的，所述导向套的内壁与第一标样夹具001以及第二标样夹具002的顶部端面以及底部端面贴合设置，导向套的内孔的顶部内壁与第一标样夹具001的顶部端面或第二标样夹具002的顶部端面贴合，导向套的内孔的底部内壁与第一标样夹具001的底部端面或第二标样夹具002的底部端面贴合，进而实现对第一标样夹具001与第二标样夹具002进行竖直方向的限位，使得第一标样夹具001与第二标样夹具002只能在平行于水平面的平面中摆动而不能上下窜动。

所述导向套的内壁与第一标样夹具001以及第二标样夹具002的侧面之间设置有活动间隙，同时预留活动间隙，使得第一标样夹具001以及第二标样夹具002在拉应力或压应力的作用下在平面内摆动时不会与导向套的内壁发生干涉。

本实施例的其他部分与上述实施例1或2相同，故不再赘述。

实施例4：

本实施例在上述实施例1-3任一项的基础上做进一步优化，如图2所示，所述第一标样夹具001的夹持端与第二标样夹具002的夹持端上对应设置有夹持口，所述夹持口的内侧顶部与内侧底部平行于水平面设置有对标样5的端部进行夹持的夹持面。

上下两侧的夹持面上设置有连接销钉，通过夹持面构成的夹持口对标样5的端部进行夹持，并使得标样5保持平行于水平面的状态进行摆动。

进一步的，所述夹持面与标样5之间设置有调平垫片，通过调整调平垫片，进而调节标样5与水平面之间的水平度，使得标样5与水平面严格平行。

本实施例的其他部分与上述实施例1-3任一项相同，故不再赘述。

实施例5：

本实施例在上述实施例1-4任一项的基础上做进一步优化，如图3所示，所述挤压装置3包括挤压螺栓与挤压螺母，所述挤压螺母固定设置在固定部1靠近活动部2的一端上，所述挤压螺栓与活动部2转动卡接，所述挤压螺栓的螺纹段与挤压螺母螺纹连接。

挤压螺栓的端部与活动部2上设置的连接孔转动卡接，同时连接孔的直径大于挤压螺栓的直径，使得挤压螺栓线性移动时有足够的空间满足活动部2的转动。

本实施例的其他部分与上述实施例1-4任一项相同，故不再赘述。

实施例6：

本实施例在上述实施例1-5任一项的基础上做进一步优化，如图4所示，所述拉伸装置4包括拉伸螺栓与拉伸螺母，所述拉伸螺母固定设置在固定部1与活动部2之间，所述拉伸螺栓与活动部2转动卡接，所述拉伸螺栓的螺纹段与拉伸螺母螺纹连接。

拉伸螺栓的端部与活动部2上设置的连接孔转动卡接，同时连接孔的直径大于拉伸螺栓的直径，使得拉伸螺栓线性移动时有足够的空间满足活动部2的转动。

本实施例的其他部分与上述实施例1-5任一项相同，故不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种受力轴可自行对正的残余应力测量标定装置，包括固定部（1）以及转动铰接在固定部（1）一端的活动部（2），其特征在于，所述固定部（1）与活动部（2）之间设置有挤压装置（3）与拉伸装置（4），所述挤压装置（3）带动活动部（2）绕着铰接处朝向靠近固定部（1）的方向压缩转动，所述拉伸装置（4）带动活动部（2）绕着铰接处朝向远离固定部（1）的方向拉伸转动；所述固定部（1）的两端分别对应设置有第一标样夹具（001）与第二标样夹具（002），所述第一标样夹具（001）与第二标样夹具（002）之间铰接有带有应变片的标样（5）；在活动部（2）转动时，所述第一标样夹具（001）远离标样（5）的一端与固定部（1）远离活动部（2）的一端沿圆弧滑动连接，所述第二标样夹具（002）远离标样（5）的一端与活动部（2）沿圆弧滑动连接；

所述固定部（1）远离活动部（2）的一端上以及活动部（2）上对应设置有活动槽，所述活动槽的内槽面为滑动圆弧面，所述第一标样夹具（001）远离标样（5）的一端与固定部（1）上的活动槽的滑动圆弧面滑动连接，所述第二标样夹具（002）远离标样（5）的一端与活动部（2）上的的活动槽的滑动圆弧面滑动连接；所述活动槽包括两个相对的第一侧壁与第二侧壁，所述第一侧壁上设置有拉伸圆弧面（111），所述第二侧壁上设置有挤压圆弧面（222），所述第一标样夹具（001）远离标样（5）的一端在活动部（2）进行压缩转动时沿着固定部（1）上的挤压圆弧面（222）滑动，所述第二标样夹具（002）远离标样（5）的一端在活动部（2）进行压缩转动时沿着活动部（2）上的挤压圆弧面（222）滑动；所述第一标样夹具（001）远离标样（5）的一端在活动部（2）进行拉伸转动时沿着固定部（1）上的拉伸圆弧面（111）滑动，所述第二标样夹具（002）远离标样（5）的一端在活动部（2）进行拉伸转动时沿着活动部（2）上的拉伸圆弧面（111）滑动。

2.根据权利要求1所述的一种受力轴可自行对正的残余应力测量标定装置，其特征在于，所述固定部（1）的中间位置设置有用于容纳标样（5）的测试腔，所述测试腔的两端分别同轴设置有导向套，所述第一标样夹具（001）远离标样（5）的一端穿过导向套并与固定部（1）上的滑动圆弧面滑动连接，所述第二标样夹具（002）远离标样（5）的一端穿过导向套并与活动部（2）上的滑动圆弧面滑动连接。

3.根据权利要求2所述的一种受力轴可自行对正的残余应力测量标定装置，其特征在于，所述导向套的内壁与第一标样夹具（001）以及第二标样夹具（002）的顶部端面以及底部端面贴合设置，所述导向套的内壁与第一标样夹具（001）以及第二标样夹具（002）的侧面之间设置有活动间隙。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种受力轴可自行对正的残余应力测量标定装置，其特征在于，所述第一标样夹具（001）的夹持端与第二标样夹具（002）的夹持端上对应设置有夹持口，所述夹持口的内侧顶部与内侧底部平行于水平面设置有对标样（5）的端部进行夹持的夹持面。

5.根据权利要求4所述的一种受力轴可自行对正的残余应力测量标定装置，其特征在于，所述夹持面与标样（5）之间设置有调平垫片。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种受力轴可自行对正的残余应力测量标定装置，其特征在于，所述挤压装置（3）包括挤压螺栓与挤压螺母，所述挤压螺母固定设置在固定部（1）靠近活动部（2）的一端上，所述挤压螺栓与活动部（2）转动卡接，所述挤压螺栓的螺纹段与挤压螺母螺纹连接。

7.根据权利要求1-3任一项所述的一种受力轴可自行对正的残余应力测量标定装置，其特征在于，所述拉伸装置（4）包括拉伸螺栓与拉伸螺母，所述拉伸螺母固定设置在固定部（1）与活动部（2）之间，所述拉伸螺栓与活动部（2）转动卡接，所述拉伸螺栓的螺纹段与拉伸螺母螺纹连接。