CN117309571A - 一种材料力学试验机轴向疲劳试验夹具 - Google Patents

Abstract

一种材料力学试验机轴向疲劳试验夹具，属于材料力学性能测试技术领域。该夹具包括上夹具和下夹具。上夹具包含上连接体、第一球形连接盘、第二球形连接盘、上球形固定件以及配套螺栓螺母；下夹具包含第三球形连接盘、第四球形连接盘、下球形固定件以及配套螺栓螺母。上连接体内部设置十字形沟槽，实现第一和第二球形连接盘水平自由移动。球形固定件与球形连接盘之间形成球铰回转副，使球形固定件可以自由旋转。当该夹具工作时，以下夹具中心线为基准，上夹具中心线可能存在水平位置和角度差异，疲劳试验时，便可通过连接盘水平自由移动和球形固定件的自由旋转，自动调整位置，使试样始终处于对中状态，避免横向力或弯矩引起的测试偏差问题。

Description

一种材料力学试验机轴向疲劳试验夹具

技术领域

本发明涉及材料力学性能测试设备开发领域，具体涉及一种材料力学试验机轴向疲劳试验夹具。

背景技术

目前，材料力学试验机所用的常规疲劳试验夹具是通过液压压紧楔形块来保证试样夹持紧固的，然而其上下夹具的对中主要靠试验机的加工精度保证，不具备自动对中功能。对中度存在偏差会使试样受到附加弯矩，尤其对于小尺寸试样，附加弯矩会严重影响试验测量结果的精度。近年来，某些场合小尺寸试样的需求越来越多，例如高压氢环境相容性检测试验等。

在这些高压或者极端工况环境试验时，或由于内部空间限制，或由于试样需要进行一定时间浸润，多采用小尺寸试样，因此需要提高相应的轴向疲劳试验夹具精度，以便获得准确的测试结果。相关轴向疲劳试验夹具的设计需要考虑在疲劳试验时，夹具具有自动对中功能，避免试验时偏离中心线，造成数据不稳定。已有文献提出了一些具有对中功能的轴向疲劳试验夹具，例如公开号为CN2220067Y和CN103712851B的专利文献所提供的夹具，两者均采用双圆弧的结构调整试样的对中性，但是由于两个圆弧的圆心不同心，若以其中一个圆弧为基准面围绕其圆心进行旋转，另一个圆弧会受到与之配合的圆弧结构限制产生干涉阻碍其旋转，无法在试验过程中实现对中功能。而且这两种夹具结构对于上、下夹具中心线存在的水平方向差异的情况，无法实现对中功能。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，提出一种材料力学试验机轴向疲劳试验夹具。

为解决技术问题，本发明采取的技术方案为：一种材料力学试验机轴向疲劳试验夹具包括上夹具和下夹具，上夹具包含上连接体、第一球形连接盘、第二球形连接盘、上球形固定件以及配套螺栓螺母，上连接体内部设置沟槽；第一球形连接盘上的凸起插入上连接体的沟槽；第一球形连接盘和第二球形连接盘上设置的两个半球形槽相对形成上球形空腔，上球形空腔用于放置上球形固定件，球面之间形成球铰回转副以实现自由旋转功能。

下夹具采用与上夹具相同的结构或者下夹具包含第三球形连接盘、第四球形连接盘、下球形固定件以及配套螺栓螺母，第三球形连接盘和第四球形连接盘上设置的两个半球形槽相对形成下球形空腔，下球形空腔用于放置下球形固定件，球面之间形成球铰回转副以实现自由旋转功能。

第二球形连接盘、第三球形连接盘上分别设有连接试样的通孔。

所述的上球形固定件与上球形空腔接触的两个弧面、下球形固定件与下球形空腔接触的两个弧面分别在同一个圆心上，但弧面可不完整，弧面的切削比例范围为0~70%，可通过竖直方向环切球形固定件实现，以减小与球形连接盘的接触面积从而减小摩擦力。

所述的上连接体设置十字形沟槽，上连接体与第一球形连接盘为间隙配合，能使第一球形连接盘有空间移动，通过大小柱销互相贯穿配合的结构与第一球形连接盘连接，实现第一球形连接盘和第二球形连接盘的水平移动。

所述的上连接体与第一球形连接盘也可通过双层结构连接方式实现，上连接体、中间连接体分别设置一字形沟槽，上连接体与中间连接体、中间连接体与第一球形连接盘为间隙配合并通过柱销结构连接，实现第一球形连接盘和第二球形连接盘的水平移动，从而实现整个夹具的左右、前后移动。

所述的疲劳试验夹具上待测试样和所有的螺栓部件上均设置锁紧部件，以保证力学测试结果的连续性。

具体的，锁紧部件包含通过斜度为1~5°的斜面贴合的第一锁紧件和第二锁紧件，第一锁紧件和第二锁紧件上设有用于调整锁紧部件位置的调节孔，以消除试验机施加拉力后螺纹配合之间产生的间隙。

本发明具备下述有益效果：当该夹具工作时，以下夹具中心线为基准，上夹具中心线可能存在水平位置和角度差异，疲劳试验时，便可通过连接盘水平自由移动和球形固定件的自由旋转，自动调整位置，使得试样在各种不对中的情况下中心线始终保持垂直，实现自动对中功能，方便安装拆卸试样，提高试验数据的准确性。在试验过程中螺栓结构只需承受拉伸载荷，配合锁紧部件消除试验机施加拉力后螺纹配合之间产生的间隙，可有效避免螺纹结构的松动，保证试验过程稳定有效进行。该夹具不仅适用于轴向疲劳试验，还适用于拉伸试验。

附图说明

图1是一种材料力学试验机轴向疲劳试验夹具的主视图。

图2是一种材料力学试验机轴向疲劳试验夹具的左视图。

图3是图1中A-A剖视图。

图4是锁紧部件的主视图。

图5是锁紧部件的左视图。

图6是另一种材料力学试验机轴向疲劳试验夹具的主视图。

图7是另一种材料力学试验机轴向疲劳试验夹具的左视图。

图中，1、上连接体，2、小柱销，3、第一球形连接盘，4、第二球形连接盘，5、试样，6、第三球形连接盘，7、第四球形连接盘，8、下球形固定件，9、螺栓，10、上球形固定件，11、大柱销，12、锁紧部件，12a、第一锁紧件，12b、第二锁紧件，12c、小孔，13、横向柱销，14、中间连接体，15、纵向柱销。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

实施例1

图1和图2示出了一种材料力学试验机轴向疲劳试验夹具的结构图。图中，这种轴向疲劳试验夹具包括上夹具和下夹具两部分；上夹具包含依次连接的上连接体1、端部设有半球形槽的第一球形连接盘3和第二球形连接盘4，第一球形连接盘3和第二球形连接盘4的半球形槽相对通过螺栓连接，形成的上球形腔体用于放置上球形固定件10，上连接体1的顶部开有螺栓孔用于与试验机上侧的固定端连接，下部开有十字形沟槽，第一球形连接盘3上部的凸起插入上连接体1的十字形沟槽，大柱销11通过上连接体1的十字形沟槽贯穿第一球形连接盘3上部的凸起，第一球形连接盘3上部的凸起开有与大柱销11直径相等的通孔使大柱销11贯穿。两个小柱销2依次贯穿上连接体1、大柱销11上与小柱销2直径相等的通孔；第一球形连接盘3和第二球形连接盘4形成的上球形腔体与上球形固定件10相配合组成球铰回转副。第二球形连接盘4的底部开有与半球形槽连通的中心通孔用于安装试样5，同时也能减少上球形固定件10与半球形槽表面的摩擦力；上球形固定件10的底部加工有用于安装试样5的螺纹孔，竖直方向进行环切切削加工，切削的比例为10%。

下夹具包含第三球形连接盘6、第四球形连接盘7、下球形固定件8，第四球形连接盘7的端部同样开有螺栓孔用于与试验机下侧的固定端连接，第三球形连接盘6和第四球形连接盘7端部设置的半球形槽相对形成下球形腔体用于放置下球形固定件8，下球形腔体与下球形固定件8的外表面相配合构成球铰回转副。第三球形连接盘6的顶部开有与半球形槽连通的中心通孔用于安装试样5，同时也能减少下球形固定件8与半球形槽表面的摩擦力。下球形固定件8的顶部加工有用于安装试样5的螺纹孔，竖直方向进行环切切削加工，切削的比例为10%。这种轴向疲劳试验夹具上所有的螺栓上均设有锁紧部件或其它具有相同效用的结构件。

本发明使用时具体操作步骤：

①将第四球形连接盘7通过螺栓与试验机下端连接。在试样5的下端安装锁紧部件12，将试样5的下端穿过第三球形连接盘6的中心通孔与下球形固定件8完全连接，完成试样5下端的安装。将第三球形连接盘6与第四球形连接盘7通过螺栓9连接固定，使得下球形固定件8的球形外表面与第三球形连接盘6和第四球形连接盘7所形成的球形内腔相配合构成球铰回转副，完成下夹具的安装。

②采用相似的方法，在试样5的上端安装锁紧部件12，将试样5的上端穿过第二球形连接盘4的中心通孔与上球形固定件10完全连接，完成试样5上端的安装。将第二球形连接盘4与第一球形连接盘3通过螺栓9连接固定，使得上球形固定件10的球形外表面与第二球形连接盘4和第一球形连接盘3所形成的球形内腔相配合构成球铰回转副。

③上连接体1通过螺栓与试验机的上端连接。通过调整试验机下端的位置使得大柱销11插入上连接体1的凹槽、第一球形连接盘3上的通孔，小柱销2穿过上连接体1、大柱销11的通孔将上连接体1和第一球形连接盘3连接，第一球形连接盘3可沿着柱销实现水平方向的自由移动。

④向下移动试验机下端，对试样5施加预紧力，在拉力的作用下螺纹配合之间会产生间隙使得试样5会相较于上球形固定件10产生移动，使得锁紧部件12与上球形固定件10之间出现缝隙，通过敲击锁紧部件12的小孔12c使其错位从而填满间隙。通过敲击试样5下端的锁紧部件12的小孔12c使其错位从而填满锁紧部件12与下球形固定件8之间的缝隙。同理，该夹具的其它螺栓部件也通过此种方式实现锁紧功能。此时完成试样5及整套夹具的首次安装。

在疲劳试验过程中，当试样5受压缩时所承受的压缩载荷通过上球形固定件10与第一球形连接盘3的接触面以及第一球形连接盘3与大柱销11的接触面以及大柱销11与小柱销2的接触面以及小柱销2与上连接体1的接触面或通过下球形固定件8与第四球形连接盘7的接触面传递到上连接体1或第四球形连接盘7上，不需要夹具上的螺栓承担压缩载荷，从而避免螺纹在疲劳试验过程中出现松动的情况，保证了疲劳试验数据的连续性准确性。由于球铰回转副具有自动调整角度对中的功能，柱销又保证了夹具可以在水平方向进行调整，因此在疲劳试验过程中试样5的中心线始终保持垂直，有效解决了由上下夹具中心线之间存在的水平位置和角度差异引起的不对中问题，保证了试验数据的可靠性。

在夹具首次安装后，上连接体1、第四球形连接盘7、大柱销11均无需拆卸，新试样安装时只需拔掉上夹具的小柱销2使上连接体1与第一球形连接盘3分离，通过下降试验机的下端带动下夹具远离上连接体1以使有足够的空间安装试样5，拆卸螺栓9使第一球形连接盘3与第二球形连接盘4分离和使第四球形连接盘7与第三球形连接盘6分离，将安装好锁紧部件12的试样5的两端分别穿过第三球形连接盘6、第二球形连接盘4的中心通孔与下球形固定件8和上球形固定件10拧紧，然后通过拧紧螺栓9依次使第四球形连接盘7和第三球形连接盘6固定、第二球形连接盘4和第一球形连接盘3固定，此时，通过上升并调整试验机的下端使上连接体1与第一球形连接盘3处于合适的位置安装小柱销2即完成试样5的安装更换，过程简单方便。

实施例2

图6和图7示出了另一种材料力学试验机轴向疲劳试验夹具的结构图。图中，这种轴向疲劳试验夹具包括上夹具和下夹具两部分；上夹具包含依次连接的上连接体1、中间连接体14、端部设有半球形槽的第一球形连接盘3和第二球形连接盘4，第一球形连接盘3和第二球形连接盘4的半球形槽相对通过螺栓连接，形成的上球形腔体用于放置上球形固定件10，上连接体1的顶部开有螺栓孔用于与试验机上侧的固定端连接，下部开有一字形沟槽，中间连接体14上部的凸起插入上连接体1的一字形沟槽，纵向柱销15依次贯穿上连接体1、中间连接体14上与纵向柱销15直径相等的通孔。中间连接体14下部开有一字形沟槽，第一球形连接盘3上部的凸起插入中间连接体14的一字形沟槽，横向柱销13依次贯穿中间连接体14、第一球形连接盘3上与横向柱销13直径相等的通孔。第一球形连接盘3和第二球形连接盘4形成的上球形腔体与上球形固定件10相配合组成球铰回转副。第二球形连接盘4的底部开有与半球形槽连通的中心通孔用于安装试样5，同时也能减少上球形固定件10与半球形槽表面的摩擦力；上球形固定件10的底部加工有用于安装试样5的螺纹孔，竖直方向进行环切切削加工，切削的比例为10%。

下夹具包含第三球形连接盘6、第四球形连接盘7、下球形固定件8，第四球形连接盘7的端部同样开有螺栓孔用于与试验机下侧的固定端连接，第三球形连接盘6和第四球形连接盘7端部设置的半球形槽相对形成下球形腔体用于放置下球形固定件8，下球形腔体与下球形固定件8的外表面相配合构成球铰回转副。第三球形连接盘6的顶部开有与半球形槽连通的中心通孔用于安装试样5，同时也能减少下球形固定件8与半球形槽表面的摩擦力。下球形固定件8的顶部加工有用于安装试样5的螺纹孔，竖直方向进行环切切削加工，切削的比例为10%。这种轴向疲劳试验夹具上所有的螺栓上均设有锁紧部件或其它具有相同效用的结构件。

本发明使用时具体操作步骤：

①将第四球形连接盘7通过螺栓与试验机下端连接。在试样5的下端安装锁紧部件12，将试样5的下端穿过第三球形连接盘6的中心通孔与下球形固定件8完全连接，完成试样5下端的安装。将第三球形连接盘6与第四球形连接盘7通过螺栓9连接固定，使得下球形固定件8的球形外表面与第三球形连接盘6和第四球形连接盘7所形成的球形内腔相配合构成球铰回转副，完成下夹具的安装。

②采用相似的方法，在试样5的上端安装锁紧部件12，将试样5的上端穿过第二球形连接盘4的中心通孔与上球形固定件10完全连接，完成试样5上端的安装。将第二球形连接盘4与第一球形连接盘3通过螺栓9连接固定，使得上球形固定件10的球形外表面与第二球形连接盘4和第一球形连接盘3所形成的球形内腔相配合构成球铰回转副。

③上连接体1通过螺栓与试验机的上端连接。纵向柱销15穿过上连接体1、中间连接体14的通孔将上连接体1和中间连接体14连接。通过调整试验机下端的位置使得横向柱销13插入中间连接体14、第一球形连接盘3的通孔将中间连接体14和第一球形连接盘3连接，第一球形连接盘3可沿着柱销实现水平方向的自由移动。

④向下移动试验机下端，对试样5施加预紧力，在拉力的作用下螺纹配合之间会产生间隙使得试样5会相较于上球形固定件10产生移动，使得锁紧部件12与上球形固定件10之间出现缝隙，通过敲击锁紧部件12的小孔12c使其错位从而填满间隙。通过敲击试样5下端的锁紧部件12的小孔12c使其错位从而填满锁紧部件12与下球形固定件8之间的缝隙。同理，该夹具的其它螺栓部件也通过此种方式实现锁紧功能。此时完成试样5及整套夹具的首次安装。

在疲劳试验过程中，当试样5受压缩时所承受的压缩载荷通过上球形固定件10与第一球形连接盘3的接触面、第一球形连接盘3与横向柱销13的接触面、横向柱销13与中间连接体14的接触面、中间连接体14与纵向柱销15的接触面以及纵向柱销15与上连接体1的接触面或通过下球形固定件8与第四球形连接盘7的接触面传递到上连接体1或第四球形连接盘7上，不需要夹具上的螺栓承担压缩载荷，从而避免螺纹在疲劳试验过程中出现松动的情况，保证了疲劳试验数据的连续性准确性。由于球铰回转副具有自动调整角度对中的功能，柱销又保证了夹具可以在水平方向进行调整，因此在疲劳试验过程中试样5的中心线始终保持垂直，有效解决了由上下夹具中心线之间存在的水平位置和角度差异引起的不对中问题，保证了试验数据的可靠性。

在夹具首次安装后，上连接体1、中间连接体14、第四球形连接盘7、纵向柱销15均无需拆卸，新试样安装时只需拔掉上夹具的横向柱销13使中间连接体14与第一球形连接盘3分离，通过下降试验机的下端带动下夹具远离中间连接体14以使有足够的空间安装试样5，拆卸螺栓9使第一球形连接盘3与第二球形连接盘4分离和使第四球形连接盘7与第三球形连接盘6分离，将安装好锁紧部件12的试样5的两端分别穿过第三球形连接盘6、第二球形连接盘4的中心通孔与下球形固定件8和上球形固定件10拧紧，然后通过拧紧螺栓9依次使第四球形连接盘7和第三球形连接盘6固定、第二球形连接盘4和第一球形连接盘3固定，此时，通过上升并调整试验机的下端使中间连接体14与第一球形连接盘3处于合适的位置安装横向柱销13即完成试样5的安装更换，过程简单方便。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。例如，本发明并不限定使用场合，不同介质、压力、温度等环境条件下均适用。又例如，本发明并不限定球形连接盘的外形，可以是长方体或圆柱体等其他结构，相应的上连接体、柱销的外形也不加限定。

凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种材料力学试验机轴向疲劳试验夹具，它包括上夹具和下夹具，上夹具包含上连接体、第一球形连接盘、第二球形连接盘、上球形固定件，其特征在于，上连接体上设置与第一球形连接盘连接的沟槽；第一球形连接盘和第二球形连接盘上设置的两个半球形槽相对形成上球形空腔，上球形空腔用于放置上球形固定件；

下夹具采用与上夹具相同的结构或者下夹具包含第三球形连接盘、第四球形连接盘、下球形固定件，第三球形连接盘和第四球形连接盘上设置的两个半球形槽相对形成下球形空腔，下球形空腔用于放置下球形固定件；

第二球形连接盘、第三球形连接盘上分别设有连接试样的通孔。

2.根据权利要求1所述的一种材料力学试验机轴向疲劳试验夹具，其特征在于：所述的上球形固定件与上球形空腔接触的两个弧面、下球形固定件与下球形空腔接触的两个弧面分别在同一个圆心上，但弧面可不完整，弧面的切削比例范围为0~70%。

3.根据权利要求1所述的一种材料力学试验机轴向疲劳试验夹具，其特征在于：所述的上连接体上设置十字形沟槽，上连接体与第一球形连接盘为间隙配合并通过大小柱销互相贯穿配合的结构与第一球形连接盘连接，实现第一球形连接盘和第二球形连接盘的水平移动。

4.根据权利要求1所述的一种材料力学试验机轴向疲劳试验夹具，其特征在于：所述的上连接体与第一球形连接盘也可通过双层结构连接方式实现，上连接体与中间连接体分别设置一字形沟槽，上连接体与中间连接体、中间连接体与第一球形连接盘为间隙配合并通过柱销结构连接，实现第一球形连接盘和第二球形连接盘的水平移动。