CN114910340A - 一种用于非金属材料微型试件变比例双轴加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双轴应力状态效果领域，具体涉及一种用于非金属材料微型试件变比例双轴加载装置；包括上端盖与下端盖，所述上端盖与下端盖之间设有反力筒，还包括设于反力筒内的第二加载单元和第一加载单元，通过第二加载单元和第一加载单元对试件分别施加竖向加载力、横向加载力；本发明通过设置动力齿轮、第一从动齿轮及第二从动齿轮的传动比进而来控制双向拉伸或压缩加载，使得试件受力更精确可测，双轴载荷比例可通过更换齿轮自由调节，也适用于动态应变率加载。

Description

一种用于非金属材料微型试件变比例双轴加载装置

技术领域

本发明涉及双轴应力状态效果领域，具体涉及一种用于非金属材料微型试件变比例双轴加载装置。

背景技术

为满足对材料性能的深入了解，单轴拉伸或压缩已经被广泛的用于材料力学性能研究中。但是在单轴试验中，有些材料在无约束边界会发生颈缩现象，表明材料此时呈双向应力状态，而此时使用单轴加载方式得到的本构关系式与真实应力状态下的失效模式相比会造成较大偏差；

通过查阅资料，目前国内外对于非金属材料多轴加载试验的研究，主要分为双轴、准双轴以及三轴等方面进行研究，对材料进行拉伸或者压缩试验，所用试件形状多为平板十字形。现有的双轴夹具一般都是多个夹具或驱动装置组合工作，不仅结构复杂，拉力传动比误差也较大，不适合单轴拉伸试验机使用。对于拉伸比例可调式双轴拉伸夹具，如发明专利“拉伸比例可调式双轴拉伸夹具”(申请号201510586604.3)。但该类装置只能实现双轴拉伸加载，且只适用于宏观大型双轴拉伸机。现有的双轴夹具在功能上较为单一，而且各类连接结构较多，未考虑同时拉压等特殊状态，且不能有效的匹配微型试件。

发明内容

针对现有技术中提到的问题，本发明提出一种用于非金属材料微型试件变比例双轴加载装置，可以同时满足拉伸、压缩、拉压等一系列加载模式，而且加载比例可调的双轴夹具，以便对一些低强度非金属材料进行双轴力学性能的研究。

本发明一种用于非金属材料微型试件变比例双轴加载装置，包括上端盖与下端盖，所述上端盖与下端盖之间设有反力筒，还包括从上至下依次设于反力筒内的第二加载单元和第一加载单元，通过第二加载单元和第一加载单元对试件分别施加竖向加载力、横向加载力，从而对试件进行力学性能试验分析。

优选地，所述第一加载单元包括纵向导向齿条、横向导向齿条、驱动夹台、下夹块、动力齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮、长齿轮轴、短齿轮轴、圆柱导轨、导轨滑块、滑动夹台以及左右夹块，所述驱动夹台包括相连的第一夹持台与第二夹持台，所述第一夹持台上设有凸台，所述第二夹持台上设有凸板，且第一夹持台与第二夹持台之间还有间隙；所述空隙两端分别设有纵向导向齿条，其中纵向导向齿条与动力齿轮相啮合，动力齿轮另一端与从动齿轮相啮合，所述动力齿轮套设于短齿轮轴上，第一从动齿轮套设于长齿轮轴上，其中短齿轮轴与长齿轮轴一端与第二夹持台相连，另一端与第一夹持台相连，且所述长齿轮轴贯穿第一夹持台设置，所述凸板上还设有下夹块，且下夹块与第二夹持台之间通过夹具螺钉相连；所述圆柱导轨沿水平方向贯穿凸台设置，且圆柱导轨两端上分别套设有导轨滑块，所述滑动夹台分别设于凸台两端设置，且滑动夹台还与第一夹持台相接触，其中滑动夹台表面还与导轨滑块相连，底部与横向导向齿条相连，所述横向导向齿条还与导轨滑块相连，其中长齿轮轴贯穿第一夹持台一端上还套设有第二从动齿轮，所述第二从动齿轮与横向导向齿条相啮合；所述下夹块上设有左右夹块，左右夹块与滑动夹台之间通过夹具螺钉固定相连。

优选地，所述凸台上还连接有紧固螺钉，所述紧固螺钉与圆柱导轨相接触。

优选地，所述左右夹块与滑动夹台一一对应，且左右夹块与滑动夹台的中心轴线位于同一水平面。

优选地，所述第二加载单元包括上夹台、上夹块、螺杆夹套、松紧套筒及松紧螺帽，所述上夹台包括垂直相连的第一面板和第二面板，所述第一面板上固定设有螺杆，其螺杆上套设有螺杆夹套，螺杆夹套贯穿上端盖设置，所述螺杆夹套贯穿上端盖的部分上依次螺纹连接有松紧套筒与松紧螺帽，所述上夹块与第二面板之间通过夹具螺钉相连。

优选地，所述上夹台设于左右夹块顶部，所述上夹块设于滑动夹台顶部。

优选地，所述上端盖中部开设有与螺杆夹套相适应的内螺纹通孔，所述上端盖表面上设有环形凸起，所述环形凸起与反力筒之间通过装配螺钉相连。

优选地，所述下端盖表面上设有多个长条形凸起，所述长条形凸起与反力筒之间通过装配螺钉相连。

优选地，所述反力筒、左右夹块及滑动夹台均采用有机玻璃制成，所述反力筒为圆柱形。

本发明相对于现有技术，取得了以下的技术效果：

本装置可以利用单轴加载试验机实现双轴加载试验，加载轴头可适配于较多细观观测试验机，便于更换。

本发明通过设置动力齿轮、第一从动齿轮及第二从动齿轮的传动比进而来控制双向拉伸或压缩加载，使得试件受力更精确可测，双轴载荷比例可通过更换齿轮自由调节，也适用于动态应变率加载。

本发明中设置的反力筒，可在充压或温控环境下进行试验，更有利于材料力学性能研究，且装置中关键部位材料为非金属有机玻璃，对于扫描电镜、微CT等细观扫描设备能量穿透无影响，方便后续成像与重构，提高了试验效率与可靠性。

附图说明

图1为本发明整体结构示意图；

图2为本发明去掉反力筒的内部示意图；

图3为本发明去掉反力筒的内部另一角度示意图；

图4为本发明去掉反力筒正视图；

图5为本发明驱动夹台示意图；

图6为本发明驱动夹台另一角度示意图；

图7为本发明左右夹块示意图；

图8为本发明上夹台示意图；

图9为本发明螺杆夹套示意图；

图10为本发明上端盖示意图；

图11为本发明松紧螺帽示意图；

图12为本发明松紧套筒示意图；

图13为本发明微型试件示意图；

图14为本发明下端盖示意图；

图15为本发明滑动夹台示意图。

附图标记：1、反力筒；2、紧固螺钉；3、装配螺钉；4、夹具螺钉；5、动力齿轮；6、导轨滑块；7、第一从动齿轮；8、短齿轮轴；9、长齿轮轴；10、圆柱导轨；11、驱动夹台；12、横向导向齿条；13、下夹块；14、滑动夹台；15、左右夹块；16、上端盖；17、上夹台；18、上夹块；19、螺杆夹套；20、松紧套筒；21、松紧螺帽；23、下端盖；24、纵向导向齿条；25、微型试件。

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。

实施例1

本发明一种用于非金属材料微型试件变比例双轴加载装置，如图1所示，包括上端盖16与下端盖23，所述上端盖16与下端盖23之间设有反力筒1，还包括设于反力筒1内的第二加载单元和第一加载单元，通过第二加载单元和第一加载单元对试件分别施加竖向加载力、横向加载力，从而对试件进行力学性能试验分析。

如图2与图3所示，所述第一加载单元包括纵向导向齿条24、横向导向齿条12、驱动夹台11、下夹块13、动力齿轮5、第一从动齿轮7、第二从动齿轮、长齿轮轴9、短齿轮轴8、圆柱导轨10、导轨滑块6、滑动夹台14以及左右夹块15，所述驱动夹台11包括第一夹持台与第二夹持台，所述第一夹持台上设有凸台，所述第二夹持台上设有凸板，且第一夹持台与第二夹持台之间还有间隙，如图5和图6所示，本实施例中的驱动夹台11为一体成型，其中第一夹持台设置在凸板上，且凸板底部还设有联接柱，本实施例中联接柱用于与实验设备的夹头相连；第一夹持台与第二夹持台之间的间隙用于夹持位于左右两端的纵向导向齿条24；其中纵向导向齿条24与动力齿轮5相啮合，动力齿轮5另一端与从动齿轮相啮合，所述动力齿轮5套设于短齿轮轴8上，第一从动齿轮7套设于长齿轮轴9上，其中短齿轮轴8与长齿轮轴9一端与第二夹持台相连，另一端与第一夹持台相连，且所述长齿轮轴9贯穿第一夹持台设置，所述凸板上还设有下夹块13，且下夹块13与第二夹持台之间通过夹具螺钉4相连，如图5所示，短齿轮轴8与长齿轮轴9一端与位于第二夹持台上的通孔相连，另一端与对应的第一夹持台上的通孔相连，本实施例中的长齿轮轴9长度长于短齿轮轴8，因此长齿轮轴9穿出第一夹持台设置，且穿出的部分上套设有第二从动齿轮，下夹块13设在第二夹持台的凸板上并与设在第一夹持台上的螺纹孔通过夹具螺钉4相连，用于夹持微型试件底部。

所述圆柱导轨10沿水平方向贯穿凸台设置，如图6和图3所示，圆柱导轨10穿过凸台位于两侧面的通孔，贯穿后的圆柱导轨10两端上分别套设有导轨滑块6，所述滑动夹台14分别设于凸台两端设置，滑动夹台14一端与第一夹持台相接触，另一端与导轨滑块6相连，滑动夹台14底部还相连有横向导向齿条12，如图3所示，滑动夹台14和横向导向齿条12均与导轨滑块6相连，本实施例中滑动夹台14、导轨滑块6及横向导向齿条12之间采用粘连或是焊接方式，通过横向导向齿条12传动带动滑动夹台14在第一夹持台上作定向滑动；其中长齿轮轴9贯穿第一夹持台一端上还套设有第二从动齿轮，所述第二从动齿轮与横向导向齿条12相啮合；所述下夹块13上设有左右夹块15，左右夹块15与滑动夹台14之间通过夹具螺钉4固定相连。

所述凸台上还连接有紧固螺钉2，所述紧固螺钉2与圆柱导轨10相接触。如图3所示，凸台上设有螺纹孔，螺纹孔与紧固螺钉2相配合，从而对圆柱导轨10位置调节与进行固定。

所述左右夹块15与滑动夹台14一一对应，且左右夹块15与滑动夹台14的中心轴线位于同一水平面。本实施例如图2或图3所示，左右夹块15与滑动夹台14分别夹持在微型试件两边。

所述第二加载单元包括上夹台17、上夹块18、螺杆夹套19、松紧套筒20及松紧螺帽21，所述上夹台17包括垂直相连的第一面板和第二面板，如图8所示，所述第一面板上固定设有螺杆，其螺杆上套设有螺杆夹套19，螺杆夹套19贯穿上端盖16设置，所述螺杆夹套19贯穿上端盖16的部分上依次螺纹连接有松紧套筒20与松紧螺帽21，所述上夹块18与第二面板之间通过夹具螺钉4相连。所述上夹台17设于左右夹块15顶部，所述上夹块18设于滑动夹台14顶部。本实施例如图4所示，上夹台17与上夹块18用来夹持微型试件顶部。所述上端盖16中部开设有与螺杆夹套19相适应的内螺纹通孔，如图10所示，所述上端盖16表面上设有环形凸起，所述环形凸起与反力筒1之间通过装配螺钉3相连。所述下端盖23表面上设有多个长条形凸起，如图14所示，所述长条形凸起与反力筒1之间通过装配螺钉3相连。

实施例2

本实施例与实施例1基本相同，本实施例是在实施例1的基础上做的改进。如图1所示，所述反力筒1、左右夹块15及滑动夹台14均采用有机玻璃制成，所述反力筒1为圆柱形。本实施例中反力筒1、左右夹块15及滑动夹台14均采用有机玻璃，这样在通过扫描电镜、微CT等细观扫描设备能量穿透无影响，提高了试验效率与可靠性。

本装置装配时，在将微型试件的底边和左右两边的三个方向的接头分别与驱动夹台11与下夹块13、滑动夹台14与左右夹块15进行夹紧固定，在调节时通过动力齿轮5在纵向导向齿条24上移动，通过相连的第一从动齿轮7与第二从动齿轮之间进行齿轮传动，从而适配不同大小的微型试件，固定后用上夹台17与上夹块18将微型试件上边接头进行装配夹紧固定，整个固定完成后，将反力筒1安装于上端盖16与下端盖23上，通过旋转设在螺杆夹套19上松紧套筒20来调节合适高度，高度固定后，再通过松紧螺帽21对调整好高度的螺杆夹套19进行预夹紧装配，从而完成整个装配工作。

装配完成后，将驱动夹台11联接柱夹紧固定于实验设备测试平台内的动力夹头上方，可依靠实验设备测试平台内可上下运动的动力夹头就能够带动该装置的驱动夹台11作上下的直线运动，同时通过下端盖23与实验设备测试平台适配，并通过紧固螺钉2能够将本装置固定在实验设备上面，这样方便拆装；调节并使微型试件的中心区域在整个试验过程中不会偏离出实验设备观测的窗口区域，设定好后实验设备测试台内动力夹头的位移行程，此位移就是驱动夹台11与微型试件在竖直方向位移，开始启动试验设备，通过设定的位移行程就可以完成对整个试验过程的加载与记录。

Claims (9)

1.一种用于非金属材料微型试件变比例双轴加载装置，包括上端盖与下端盖，其特征在于，所述上端盖与下端盖之间设有反力筒，还包括从上至下依次设于反力筒内的第二加载单元和第一加载单元，通过第二加载单元和第一加载单元对试件分别施加竖向加载力、横向加载力，从而对试件进行力学性能试验分析。

2.根据权利要求1所述一种用于非金属材料微型试件变比例双轴加载装置，其特征在于，所述第一加载单元包括纵向导向齿条、横向导向齿条、驱动夹台、下夹块、动力齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮、长齿轮轴、短齿轮轴、圆柱导轨、导轨滑块、滑动夹台以及左右夹块，所述驱动夹台包括相连的第一夹持台与第二夹持台，所述第一夹持台上设有凸台，所述第二夹持台上设有凸板，且第一夹持台与第二夹持台之间还有间隙；

所述空隙两端分别设有纵向导向齿条，其中纵向导向齿条与动力齿轮相啮合，动力齿轮另一端与从动齿轮相啮合，所述动力齿轮套设于短齿轮轴上，第一从动齿轮套设于长齿轮轴上，其中短齿轮轴与长齿轮轴一端与第二夹持台相连，另一端与第一夹持台相连，且所述长齿轮轴贯穿第一夹持台设置，所述凸板上还设有下夹块，且下夹块与第二夹持台之间通过夹具螺钉相连；

所述圆柱导轨沿水平方向贯穿凸台设置，且圆柱导轨两端上分别套设有导轨滑块，所述滑动夹台分别设于凸台两端设置，且滑动夹台还与第一夹持台相接触，其中滑动夹台表面还与导轨滑块相连，底部与横向导向齿条相连，所述横向导向齿条还与导轨滑块相连，

其中长齿轮轴贯穿第一夹持台一端上还套设有第二从动齿轮，所述第二从动齿轮与横向导向齿条相啮合；所述下夹块上设有左右夹块，左右夹块与滑动夹台之间通过夹具螺钉固定相连。

3.根据权利要求2所述一种用于非金属材料微型试件变比例双轴加载装置，其特征在于，所述凸台上还连接有紧固螺钉，所述紧固螺钉与圆柱导轨相接触。

4.根据权利要求2所述一种用于非金属材料微型试件变比例双轴加载装置，其特征在于，所述左右夹块与滑动夹台一一对应，且左右夹块与滑动夹台的中心轴线位于同一水平面。

5.根据权利要求1所述一种用于非金属材料微型试件变比例双轴加载装置，其特征在于，所述第二加载单元包括上夹台、上夹块、螺杆夹套、松紧套筒及松紧螺帽，所述上夹台包括垂直相连的第一面板和第二面板，所述第一面板上固定设有螺杆，其螺杆上套设有螺杆夹套，螺杆夹套贯穿上端盖设置，所述螺杆夹套贯穿上端盖的部分上依次螺纹连接有松紧套筒与松紧螺帽，所述上夹块与第二面板之间通过夹具螺钉相连。

6.根据权利要求5所述一种用于非金属材料微型试件变比例双轴加载装置，其特征在于，所述上夹台设于左右夹块顶部，所述上夹块设于滑动夹台顶部。

7.根据权利要求1所述一种用于非金属材料微型试件变比例双轴加载装置，其特征在于，所述上端盖中部开设有与螺杆夹套相适应的内螺纹通孔，所述上端盖表面上设有环形凸起，所述环形凸起与反力筒之间通过装配螺钉相连。

8.根据权利要求1所述一种用于非金属材料微型试件变比例双轴加载装置，其特征在于，所述下端盖表面上设有多个长条形凸起，所述长条形凸起与反力筒之间通过装配螺钉相连。

9.根据权利要求1～8任意所述一种用于非金属材料微型试件变比例双轴加载装置，其特征在于，所述反力筒、左右夹块及滑动夹台均采用有机玻璃制成，所述反力筒为圆柱形。

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