CN116558992B - 一种落锤冲击试验的试样定位及双轴加载冲击装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种落锤冲击试验的双轴试样定位及加载冲击装置，包括试验台，试验台上设有垂直设置的两组试样定位拉紧机构，试样定位拉紧机构对试样进行定位并在冲击试验时对试样提供拉力，试样定位拉紧机构包括固定部分和移动部分，移动部分设有拉力传感器，试样所在上方设有冲击块，冲击块上设有冲击块传感器。本装置通过修改试样夹紧方式，能准确的反应实际工况，真实反应材料在实际运用过程中的固定方式，受到冲击力以后材料性能的变化，能为后续材料的改进和研究提供可靠的数据支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种采用机械应力测试固体材料的强度技术领域，尤其涉及一种落锤冲击试验的相关部件，更具体的，尤其是涉及复合材料领域的一种新的试样定位装置和加载冲击实验模型，以及带有上述试样定位和加载冲击装置的落锤冲击试验机，以及试验方法。
背景技术
落锤冲击试验（drop-weight test），又称落重试验，是材料性能的一种冲击试验方法。试验时，采用相关的装置固定试样（片、薄膜、制品等），使重锤或冲击块从不同高度或者不同重量落到试样上，求取落下高度或重量与试样破坏率的关系。通常用破坏率为50%时的落下高度来表示试样的抗冲击能力，主要试验装置为落锤试验机。
现有的落锤冲击试验方法中，通常是将试样固定在夹具上，采用冲击块冲击试样，测得有关数据，检验材料的性能。如CN201803892U公开了一种落锤冲击试验机试样定位装置，包括冲头、杯样、砧座，在砧座上安有定位板，所述定位板中间开有定位孔，杯样放在定位孔中，定位孔的中心与冲头中心在一条垂直线上，定位孔直径与试验用杯样直径相适应，定位板一侧有把手。在试验过程中，杯样从低温槽中取出，迅速放入定位孔中，在杯样放入定位孔的瞬间释放冲头，冲击试验在3秒之内结束。以解决目前落锤冲击试验时冲头与试样难以在3秒内对中的问题。CN216559984U公开了一种用于落锤冲击试验的冲击加载装置，包括顶板和底座，顶板和底座之间通过两根立柱连接，构成刚性机架，两根立柱之间转动安装有丝杠，丝杠上配合套设有丝杠螺母，丝杠螺母的外围固定套接有滑动座，滑动座的顶部固设有横梁，横梁的底部固设有电磁铁，电磁铁的下方设置有落锤组件，落锤组件包括有导管、导向块、配重块组以及锤头，可以根据待测试样的规格即时调整冲击力的大小和起始间距，锤头由电磁铁释放并限制在导管内移动，保证瞬时释放及垂直跌落。
但上述装置均采用传统的夹具固定方式，冲击块直接冲击试样，测得冲击力数据，但是在实际试验过程中试样固定方式还要受到XY轴方向的固定，还需要一定的涨紧力，上述固定方式就不能很好的反应实际工况，对材料性能检测造成一定误差，且采用电磁铁等装置增加了机构的复杂程度和不稳定性，实验数据有偏差，不能提供很好的数据支撑。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种落锤冲击试验的试样定位及双轴加载冲击装置，以及带有上述试样定位和加载冲击装置的落锤冲击试验机，以及试验方法。采用了新的试样定位装置和加载冲击实验模型，拓展了材料的试验范围，使试验过程更加接近产品工装，能真实的反应材料的性能和指标，为产品的研发和生产提供可靠的数据支撑。
本发明完整的技术方案包括：
一种落锤冲击试验的双轴试样定位及加载冲击装置，包括试验台，所述试验台为“十”字形，所述试验台上设有垂直设置的第一试样定位拉紧机构和第二试样定位拉紧机构，所述第一试样定位拉紧机构和第二试样定位拉紧机构对试样进行定位并在冲击试验时对试样提供拉力。所述试样定位拉紧机构采用伺服电机驱动。所述试样定位拉紧机构通过试样夹紧块对试样进行固定和夹持。所述试样定位拉紧机构包括固定部分和移动部分。所述固定部分位于试验台上的固定板上。所述移动部分通过试验台上的导轨滑块移动。所述固定部分设有拉力传感器。
进一步的， 所述第一试样定位拉紧机构包括在试验台下方设置的伺服电机，伺服电机连接并带动减速机，减速机与丝杠通过键连接，丝杠连接并带动丝杠导套运动；试验台台面上设有移动座，移动座设于导轨滑块上并可沿x轴方向移动，丝杠导套与移动座通过螺栓连接，移动座前方设有加长杆，通过加长杆与夹紧块连接，夹紧块前方设有试样夹紧块，试样夹紧块与试样连接并能对试样进行夹紧。
所述第一试样定位拉紧机构在试样的另一侧所在台面上设有固定座，固定座与试验台的固定板通过螺栓连接，第一拉力传感器通过螺栓固定在固定座上，拉力传感器通过加长杆、以及夹紧块和试样夹紧块和试样连接，并能对试样进行夹紧。
进一步的，所述第二试样定位拉紧机构包括在试验台下方设置的伺服电机，伺服电机连接并带动减速机，减速机与丝杠通过键连接，丝杠连接并带动丝杠导套运动；试验台台面上设有移动座，移动座设于导轨滑块上并可沿y轴方向移动，丝杠导套与移动座通过螺栓连接，移动座前方设有加长杆，通过加长杆与夹紧块连接，夹紧块前方设有试样夹紧块，试样夹紧块与试样连接并能对试样进行夹紧。
所述第二试样定位拉紧机构在试样的另一侧所在台面上设有固定座，固定座与试验台的固定板通过螺栓连接，第二拉力传感器通过螺栓固定在固定座上，拉力传感器通过加长杆、以及夹紧块和试样夹紧块和试样连接，并能对试样进行夹紧。
进一步的，试样所在上方设有冲击块。所述冲击块上设有冲击块传感器，能测得冲击过程力的变化。
进一步的，在进行冲击试验时，首先第一试样定位拉紧机构和第二试样定位拉紧机构，把试样通过试样夹紧块从四个面进行夹紧固定，随后启动第一试样定位拉紧机构和第二试样定位拉紧机构的伺服电机把试样拉紧，第一和第二拉力传感器上显示相应拉力，使试样的拉紧力保持在一定水平，随后利用冲击块进行冲击试验。
进一步的，进行冲击试验时，第一试样定位拉紧机构和第二试样定位拉紧机构的伺服电机采用相同的拉力，即使第一和第二拉力传感器数值相同，进行冲击试验。
进一步的，进行冲击试验时，第一试样定位拉紧机构和第二试样定位拉紧机构的伺服电机采用不同的拉力，即使第一和第二拉力传感器数值不同，进行冲击试验。
进一步的，在试样夹紧块和试样的各接触面上均设置一个压力传感器，并设置夹紧力阈值。
进一步的，所述夹紧力阈值以材料受力形变特性作为设定依据。
本发明的有益效果是：通过修改试样夹紧方式，采用了全新的布局和驱动方式，能准确的反应实际工况，真实反映材料在实际运用过程中的固定方式，受到冲击力以后材料性能的变化，为后续材料的改进和研究提供可靠的数据支撑。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为本发明装置的又一结构示意图。
图中：1-固定板，2-移动座，3-加长杆，4-夹紧块，5-固定座，6-拉力传感器，7-试样夹紧块，8-试样，9-冲击块，10-伺服电机，11-减速机，12-丝杠，13-丝杠导套，14-导轨滑块。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例，对本申请的实施方式中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施方式仅仅是作为例示，并非用于限制本申请。
如图1-2所示，本发明装置包括试验台，所述试验台大致呈十字形设置，台面上设有固定板1，所述试验台下方设有伺服电机10，伺服电机10连接并带动减速机11，减速机11与丝杠12通过键连接，丝杠12连接并带动丝杠导套13运动；试验台“十字形”的一条边所在的台面上设有移动座2，丝杠导套13与移动座2通过螺栓连接，移动座2过加长杆3与夹紧块4连接，夹紧块4通过试样夹紧块7与试样8连接。
试验台“十字形”的另一条边所在的台面上设有固定座5，固定座5与固定板1通过螺栓连接，拉力传感器6通过螺栓固定在固定座5上，拉力传感器6通过加长杆夹紧块4试样夹紧块7和试样8连接。
试样所在上方设有冲击块9，冲击块9上设有传感器，可以测得冲击过程力的变化。
通过试样夹紧块7在四个面上把试样8固定，伺服电机10通过一系列运动把试样拉紧，拉力传感器6上显示相应拉力，使试样8的拉紧力保持在一定数值，当冲击块9冲击试样8时，冲击块9上的传感器力值有变化，拉力传感器6上的力值也有变化，这样状况下，拉力传感器6上的拉力不同，冲击块9上的传感器力值就不会相同，可以测得不同情况下，试样8的不同数据。
以上结构还可以拓展，增加试验范围和方式。如图1所示，在XY轴上，X轴一端是拉紧机构，一端是测力机构，可以增加为两端都是拉紧机构，都设有测量力数据的拉力传感器6。
本发明装置包括试验台，所述试验台大致呈十字形设置，台面上设有固定板1，试验台上沿x轴和y轴方向，设有两组垂直设置的试样定位和拉紧机构，两组机构结构相同，现以其中一组为例进行说明，试验台下方设有伺服电机10，伺服电机10连接并带动减速机11，减速机11与丝杠12通过键连接，丝杠12连接并带动丝杠导套13运动；试验台“十字形”的一条边（例如x轴方向）所在的台面上设有移动座2，移动座2设于导轨滑块14上并可沿x轴方向移动，丝杠导套13与移动座2通过螺栓连接，移动座2前方设有加长杆3，通过加长杆3与夹紧块4连接，夹紧块4前方设有试样夹紧块7，试样夹紧块7与试样8连接并可对试样8进行夹紧。
试样8位于试验台“十字形”的交叉处，在试验台“十字形”的同一条边（x轴方向），试样8的另一侧所在的台面上设有固定座5，固定座5与固定板1通过螺栓连接，拉力传感器6通过螺栓固定在固定座5上，拉力传感器6通过加长杆、以及夹紧块4和试样夹紧块7和试样8连接，并可对试样8进行夹紧。
同样的，在试验台“十字形”的另一条边（例如y轴方向）上设有同样的试样定位和拉紧机构。
试样所在上方设有冲击块9，冲击块9上设有冲击块传感器，可以测得冲击过程力的变化。
在进行冲击试验时，首先通过x轴和y轴方向的试样定位和拉紧机构，把试样8通过试样夹紧块7从四个面进行夹紧固定，随后启动两套机构的伺服电机，通过一系列运动把试样拉紧，拉力传感器6上显示相应拉力，使试样8的拉紧力保持在一定水平。随后利用冲击块进行冲击试验，当冲击块9冲击试样8时，冲击块9上的传感器力值有变化，拉力传感器6上的力值也有变化，这样状况下，拉力传感器6上的拉力不同，冲击块9上的传感器力值就不会相同，可以测得不同情况下，试样8的不同数据。本发明上述测试方法，可以试验复合材料、铝合金壳体或纤维材料等试样，用以表征上述材料在用作如飞机蒙皮、高铁或汽车等部件，在实际服役过程中受到拉力作用的情况下，模拟受到飞鸟、石子或其他物体的撞击或冲击情况下，材料的强度表现。
在其中一种优选的实施方式中，进行冲击试验时，x轴方向和y轴方向的伺服电机采用相同的拉力，即使x轴方向和y轴方向的拉力传感器6数值相同，进行冲击试验。这种情况一般适用于材料在实际使用过程中各方向受力相同的情况。在另一种情况下，材料在实际使用过程中各方向受力不同，即受力各向异性时，可以使x轴方向和y轴方向的伺服电机采用不同的拉力，即使x轴方向和y轴方向的拉力传感器6数值不同且分别对应材料实际使用时的受力数据，进行冲击试验，该方式进一步准确的反映了材料的实际工况，能真实反应材料在实际运用过程中的固定方式，以及受到冲击力以后材料性能的变化，为后续材料的改进和研究提供可靠数据支撑。
此外，在实际冲击试验中发现，由于试样表面摩擦系数不同，某些拉力较大的情况下，夹紧并拉紧过程中，试样夹紧块7对试样8表面施加的夹紧力即压力也会增大，在压力过大的时候，这种夹紧力本身就会对试样8内部结构造成破坏，此时即使进行冲击试验，冲击块传感器显示的数据也会不准确，因此经过分析，并对各类材料进行实测研究后，设计在试样夹紧块7和试样8的各接触面上均设置一个压力传感器，根据该传感器的数据来判断是否夹紧器过大，并针对不同材料设置对应的夹紧力阈值，经过分析，选择以材料受力后的形变特性作为夹紧力阈值的判断标准，即在数值上满足σ＜kσbc，式中σ为试样夹紧块7和试样8的接触面上所允许施加的最大应力，σbc为材料的抗压强度。k为系数，对于金属材料（尤其是脆性金属），取值为0.7~0.85，对于无机非金属材料（如石材、陶瓷等），取值范围为0.2~0.4，对于高分子或复合材料，取值为0.7~0.9。
以上申请的仅为本申请的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请创造构思的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些都属于本申请的保护范围。
Claims (3)
1.一种落锤冲击试验的双轴试样定位及加载冲击装置，其特征在于，包括试验台，
所述试验台为“十”字形，所述试验台上设有垂直设置的第一试样定位拉紧机构和第二试样定位拉紧机构，所述第一试样定位拉紧机构和第二试样定位拉紧机构对试样进行定位并在冲击试验时对试样提供拉力；所述试样定位拉紧机构采用伺服电机驱动；所述试样定位拉紧机构通过试样夹紧块对试样进行固定和夹持；所述试样定位拉紧机构包括固定部分和移动部分；所述固定部分位于试验台上的固定板上；所述移动部分通过试验台上的导轨滑块移动；所述固定部分设有拉力传感器；
所述第一试样定位拉紧机构包括在试验台下方设置的伺服电机，伺服电机连接并带动减速机，减速机与丝杠通过键连接，丝杠连接并带动丝杠导套运动；试验台台面上设有移动座，移动座设于导轨滑块上并可沿x轴方向移动，丝杠导套与移动座通过螺栓连接，移动座前方设有加长杆，通过加长杆与夹紧块连接，夹紧块前方设有试样夹紧块，试样夹紧块与试样连接并能对试样进行夹紧；
所述第一试样定位拉紧机构在试样的另一侧所在台面上设有固定座，固定座与试验台的固定板通过螺栓连接，第一拉力传感器通过螺栓固定在固定座上，拉力传感器通过加长杆、以及夹紧块和试样夹紧块和试样连接，并能对试样进行夹紧；
所述第二试样定位拉紧机构包括在试验台下方设置的伺服电机，伺服电机连接并带动减速机，减速机与丝杠通过键连接，丝杠连接并带动丝杠导套运动；试验台台面上设有移动座，移动座设于导轨滑块上并可沿y轴方向移动，丝杠导套与移动座通过螺栓连接，移动座前方设有加长杆，通过加长杆与夹紧块连接，夹紧块前方设有试样夹紧块，试样夹紧块与试样连接并能对试样进行夹紧；
所述第二试样定位拉紧机构在试样的另一侧所在台面上设有固定座，固定座与试验台的固定板通过螺栓连接，第二拉力传感器通过螺栓固定在固定座上，拉力传感器通过加长杆、以及夹紧块和试样夹紧块和试样连接，并能对试样进行夹紧；
试样所在上方设有冲击块；所述冲击块上设有冲击块传感器，能测得冲击过程力的变化；
在进行冲击试验时，首先第一试样定位拉紧机构和第二试样定位拉紧机构，把试样通过试样夹紧块从四个面进行夹紧固定，随后启动第一试样定位拉紧机构和第二试样定位拉紧机构的伺服电机把试样拉紧，第一和第二拉力传感器上显示相应拉力，使试样的拉紧力保持在一定水平，随后利用冲击块进行冲击试验；
在试样夹紧块和试样的各接触面上均设置一个压力传感器，并设置夹紧力阈值，所述夹紧力阈值以材料受力形变特性作为设定依据；即在数值上满足δ＜kδbc，式中δ为试样夹紧块和试样的接触面上所允许施加的最大应力，δbc为材料的抗压强度，k为系数，对于金属材料，取值为0.7~0.85，对于无机非金属材料，取值范围为0.2~0.4，对于高分子或复合材料，取值为0.7~0.9。
2.根据权利要求1所述一种落锤冲击试验的双轴试样定位及加载冲击装置，其特征在于，进行冲击试验时，第一试样定位拉紧机构和第二试样定位拉紧机构的伺服电机采用相同的拉力，即使第一和第二拉力传感器数值相同，进行冲击试验。
3.根据权利要求1所述一种落锤冲击试验的双轴试样定位及加载冲击装置，其特征在于，进行冲击试验时，第一试样定位拉紧机构和第二试样定位拉紧机构的伺服电机采用不同的拉力，即使第一和第二拉力传感器数值不同，进行冲击试验。
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