CN203350112U - 微动疲劳试验专用夹持载荷施加装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种微动疲劳试验专用夹持载荷施加装置。所述的夹持载荷施加装置包括支撑架、施力装置和测力装置，所述的支撑架的一端连接在微动疲劳试验机的立柱上，另一端固定安装一对施力装置，施力装置与测力装置连接。本实用新型通过高强弹簧完成弹性加载，通过数字式测力装置对夹持载荷进行表征和监控，克服螺栓紧固加载带来的因振动而产生的载荷部分卸载问题；通过支撑臂将应力环夹具固定在疲劳试验机的立柱上，消除夹具自身重力带来的影响，使得其模拟的工况与实际工况更为相似。本实用新型既克服了传统应力环夹具存在的精度较差、稳定性不好等缺点，同时解决了传统应力环夹具自身重力导致试验模拟的工况与实际工况不符的问题。

Description

微动疲劳试验专用夹持载荷施加装置

技术领域

本实用新型涉及微动疲劳试验技术领域，具体地说，是指一种微动疲劳试验专用夹持载荷施加装置。

背景技术

微动疲劳比常规疲劳更为复杂，然而针对微动疲劳试验所用的设备却尚未形成统一的标准与共识，在实际的研究活动中，不同的研究者大都根据自己的试验需求选择不同的夹具，这导致不同文献资料中的试验结果缺乏可比性，甚至出现针对同一问题，不同的研究者得出的结论相反的现象。

针对微动疲劳试验中夹持载荷对微动损伤影响规律的研究，应力环式夹持载荷施加装置由于其具有结构简单、操作方便、成本低廉及通用性较强等优点等而被广泛采用，然而该装置也存在着精度较差、稳定性不够高、自动化程度较低以及难以消除自身重力对试验造成的影响等问题。

发明内容

本实用新型在传统应力环式夹具基础上，开发一种新型的微动疲劳试验专用夹持载荷施加装置，所述的夹持载荷施加装置通过高强弹簧完成弹性加载，通过数字式测力装置对夹持载荷进行表征和监控，克服螺栓紧固加载带来的因振动而产生的载荷部分卸载问题；通过支撑臂将应力环夹具固定在疲劳试验机的立柱上，消除夹具自身重力带来的影响，使得其模拟的工况与实际工况更为相似。

所述的装置包括支撑架、施力装置和测力装置，所述的支撑架的一端连接在微动疲劳试验机的立柱上，另一端固定安装一对施力装置，施力装置与测力装置连接。所述测力装置包括称重传感器和称重显示器。所述的支撑架包括主支撑架、副支撑架、支撑臂和应力环，所述主支撑架、支撑臂和应力环为一体成型结构，所述的副支撑架与主支撑架结构相同，二者之间通过螺栓连接；所述的应力环直径两端设置有通孔，两个通孔的连线垂直于支撑臂，支撑臂两端分别连接应力环和主支撑架；所述主支撑架和副支撑架均具有中心圆孔，并分别采用线切割分割成两半，主支撑架和副支撑架中心圆孔套在立柱上，并通过两个螺栓将所述主支撑架和副支撑架固定在立柱上。所述的施力装置包括套管、弹簧、螺栓、顶杆、第一固定螺母、称重传感器和第二固定螺母，所述螺栓连接在套管左侧，弹簧设置在套管内，顶杆的端部位于套管内侧，光杆段伸出套管与第一固定螺母接触，所述第一螺母螺纹连接在称重传感器上，称重传感器的另一端连接第二固定螺母，第二固定螺母的端部顶锥与微动桥接触；所述称重传感器连接称重显示器。

本实用新型的优点在于：

（1）本实用新型既克服了传统应力环夹具存在的精度较差、稳定性不好等缺点，同时解决了传统应力环夹具自身重力导致试验模拟的工况与实际工况不符的问题；

（2）通过数字式测力装置对加载载荷进行表征和监控，克服了螺栓紧固加载带来的因振动而产生的载荷部分卸载问题；

（3）通过支撑臂将应力环夹具固定在疲劳试验机的立柱上，消除了装置自身重力对试验带来的干扰，使得其模拟的工况与实际工况更为接近；

（4）采用高强弹簧的施力装置具有消除振动带来的连接松动导致的部分载荷卸载问题、能方便准确地施加夹持载荷以及提高夹持载荷的稳定性等作用。

附图说明

图1是本实用新型中支撑架结构示意图；

图2是图1中支撑架结构的侧视图；

图3是本实用新型中施力装置和测力装置组装示意图；

图4是本实用新型中套管结构示意图；

图5是本实用新型中顶杆结构示意图；

图6是本实用新型中第一固定螺母结构示意图；

图7是本实用新型中第二固定螺母结构示意图；

图8是本实用新型的夹持载荷施加装置整体结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型提供一种微动疲劳试验专用夹持载荷施加装置，所述的夹持载荷施加装置包括支撑架、施力装置和测力装置，所述的支撑架的一端连接在微动疲劳试验机的立柱上，支撑架上连接一对施力装置，施力装置与测力装置连接，每个施力装置分别与微动疲劳试样两侧微动桥连接，可以将微动桥与样品之间的接触载荷的实际值进行实时表征。

如图1和图2所示，所述的支撑架包括主支撑架1、副支撑架2、支撑臂3和应力环4，所述的应力环4直径两端设置有通孔401，两个通孔401的连线垂直于支撑臂3，支撑臂3两端分别连接应力环4和主支撑架1，所述的副支撑架2与主支撑架1结构相同，二者之间通过螺栓重叠连接，这样在主支撑架1固定后，副支撑架2可以稳定和加固主支撑架1。所述主支撑架1和副支撑架2均具有中心圆孔结构，并且均采用线切割分割成两半，通过两个M10的螺栓将主支撑架1和副支撑架2同时固定在疲劳试验机的立柱上，用于支撑整套夹持载荷施加装置的自身重量。所述主支撑架1和副支撑架2上中心圆孔直径不大于立柱直径。

所述支撑架选用力学性能优异的马氏体型410不锈钢（即1Cr13；硬度≥159HB，抗拉强度≥540MP），并且将主支撑架1厚度设计为20mm。所述主支撑架1、支撑臂3和应力环4三者为一体加工成型。

如图3所示，所述的施力装置包括套管5、弹簧6、螺栓7、顶杆8、第一固定螺母9、称重传感器10和第二固定螺母11。所述螺栓7连接在套管5左侧，弹簧6设置在套管5内，顶杆8的端部位于套管5内侧，光杆段伸出套管5与第一固定螺母9接触，所述第一螺母9螺纹连接在称重传感器10上，称重传感器10的另一端连接第二固定螺母11，第二固定螺母11的端部顶锥与微动桥接触。组装后的结构如图8所示，所述称重传感器10连接称重显示器，实时监测施加载荷的状态。

所述套管5结构如图4所示，套管5为一体加工成型的圆管结构，具有内螺纹和外螺纹结构，优选的，只在左端具有内螺纹，右端具有外螺纹，内螺纹用于连接固定螺栓7并通过螺栓7施加载荷；外螺纹端直径与应力环4上通孔401相配合，通过螺母将所述套管5固定在应力环4上。具体的固定方式可以有以下两种：第一种，套管5外壁具有外台阶面，较小直径的外螺纹段伸入通孔401内，并卡在台阶面处，采用一个螺母进行紧固；第二种，套管5外壁没有台阶面，将套管5的外螺纹端伸入通孔401内后，通孔401的两侧分别采用一个螺母，将所述套管5固定。所述套管5内部分为直径不同的两段，较大直径段具有内螺纹，较小直径段内壁光滑，弹簧6和顶杆8的端部位于较大直径段，顶杆8的光杆段位于较小直径段。

如图5所示，所述顶杆8为光杆螺栓结构，端部外径小于套管5内较大直径段的直径，大于较小直径段的直径，这样可以保证顶杆8在有限的量程内运动。光杆段直径小于套管5内较小直径段直径，这样可以使得顶杆8的光杆段伸出套管5外侧，与第一固定螺母9上顶槽901接触连接。

所述第一固定螺母9的结构如图6所示，在端部设置有顶槽901，顶槽901孔径与顶杆8的光杆段直径相配合，所述光杆段通过顶槽901进行定位和力传导。第一固定螺母9螺纹连接在称重传感器10上。

所述第二固定螺母11的结构如图7所示，在端部设置有顶锥12，所述顶锥12与所述第二固定螺母11是一体加工成型的。顶锥12的圆锥底面直径等于圆锥母线长。所述第二固定螺母11螺纹连接在称重传感器10上。

所述称重传感器10是两端带有螺纹孔结构的，所述第一固定螺母9和第二固定螺母11分别于所述的两个螺纹孔相配合实现连接和力传递。

套管5在使用过程中将承受反复的载荷加载、卸载作用，因此选用塑性和强度等综合性能较好的304不锈钢（硬度达到187HB，抗拉强度≥520MPa）作为其加工原材料。

所述弹簧6需要满足压缩量7～14mm之间，最大载重43～160Kg之间，最大接触应力13.2～49MPa之间，具体满足如下参数条件：

表1高强弹簧参数表

附注2：S_max=W_max/A（A-接触面积=32mm²）

在微动疲劳试验过程中，如采用螺栓直接加载，疲劳机的振动会造成夹持载荷出现部分卸载问题，为了消除部分卸载导致的夹持载荷变化对微动疲劳的影响，本实用新型采用高强弹簧作为缓冲。如图3所示，加装高强弹簧6的施力装置具有消除振动带来的连接松动导致的部分载荷卸载问题、能方便准确地施加夹持载荷以及提高夹持载荷的稳定性等作用。

所述的测力装置为数字式测力装置，由两部分组成：称重传感器10和称重显示器，称重传感器10固定在第一固定螺母9和第二固定螺母11之间，并与称重显示器连接。所用称重传感器是S式BK-2型称重传感器，该传感器采用国际流行的剪切S梁结构，结构紧凑、抗侧向力强、精度高、性能稳定可靠而且使用方便，其量程可达150Kg；称重显示器是T3804型称重显示器，该称重显示器采用SMT表面贴装技术和八位单片机微处理技术，A/D采用快速高精度三积分原理，A/D转换速度大于50次/秒，内分度数20万，具有精度高（符合OIMLⅢ级秤标准）、性能稳定可靠以及操作方便等特点，它采用单键菜单式滚动显示选择设定的方法，可方便地与传感器组成各种电子称量系统。

在使用中，将第一固定螺母9和第二固定螺母11紧固在称重传感器10上，第一固定螺母9的端部顶槽901与顶杆8相连，负责将两个顶杆8承受的载荷对称的传递到称重传感器10上，而顶锥12则与微动桥相连，负责将称重传感器10承受的载荷传递到微动桥上，由于微动桥较小，因此将顶锥12做成圆锥体的形式与微动桥上的内锥面配合，这种锥面配合不仅能同时确定轴向和径向的位置，而且能做到无间隙配合，在使用过程中具有拆装方便，多次拆装之后仍能保证精确的定心作用等优点，由于顶锥12与顶槽901等连接部件可能会出现局部面积较小（如顶锥的锥部）导致承受较大应力的现象，因此要求制备这些部件的材料需要具备较高的强度和硬度，本实用新型中使用高强结构钢30CrMnSiA（硬度达到229HB，抗拉强度≥1080MPa）作为制作各连接装置的材料，其力学性能完全可以满足要求。

在微动疲劳试验过程中，位于顶杆8与微动桥之间的称重传感器10依靠其优异的灵敏度与精确度能保证对微动桥与试样之间的接触载荷的实际值进行实时表征，大幅度提高了微动疲劳试验中夹持载荷的精度，而且可以对微动疲劳试验中可能会发生的意外情况进行随时检测，以帮助试验人员及时修正错误或停止错误试验，在最大程度上保证了微动疲劳试验结果的准确性和可靠性。

通过单次疲劳试验中载荷的稳定性测试和多次疲劳试验的载荷稳定性统计分析，评估了该套装置的可靠性和稳定性：单次疲劳试验中的载荷稳定性测试结果表明，在夹持载荷为150kg以下时，加装普通弹簧的载荷稳定性可控制在1%之内，而加装高强弹簧的载荷稳定性可控制在0.5%之内。多次疲劳试验的载荷稳定性统计分析结果表明，随着夹持载荷的增大，夹具施加的载荷的预设值与实际值（稳定后载荷值）的差异逐渐减小，当夹持载荷为3MPa时预设值与实际值的最大相对误差为4%，当夹持载荷大于5MPa时最大相对误差可控制在2%之内，表明该套装置工作状态稳定、数据可靠。

Claims (10)

1.微动疲劳试验专用夹持载荷施加装置，其特征在于：所述的装置包括支撑架、施力装置和测力装置，所述的支撑架的一端连接在微动疲劳试验机的立柱上，另一端固定安装一对施力装置，施力装置与测力装置连接。

2.根据权利要求1所述的微动疲劳试验专用夹持载荷施加装置，其特征在于：所述的支撑架包括主支撑架、副支撑架、支撑臂和应力环，所述主支撑架、支撑臂和应力环为一体成型结构，所述的副支撑架与主支撑架结构相同，二者之间通过螺栓连接；所述的应力环直径两端设置有通孔，两个通孔的连线垂直于支撑臂，支撑臂两端分别连接应力环和主支撑架；所述主支撑架和副支撑架均具有中心圆孔，并分别采用线切割分割成两半，主支撑架和副支撑架中心圆孔套在立柱上，并通过两个螺栓将所述主支撑架和副支撑架固定在立柱上。

3.根据权利要求1所述的微动疲劳试验专用夹持载荷施加装置，其特征在于：所述的施力装置包括套管、弹簧、螺栓、顶杆、第一固定螺母、称重传感器和第二固定螺母，所述螺栓连接在套管左侧，弹簧设置在套管内，顶杆的端部位于套管内侧，光杆段伸出套管与第一固定螺母接触，所述第一螺母螺纹连接在称重传感器上，称重传感器的另一端连接第二固定螺母，第二固定螺母的端部顶锥与微动桥接触；所述称重传感器连接称重显示器。

4.根据权利要求3所述的微动疲劳试验专用夹持载荷施加装置，其特征在于：所述套管为一体加工成型的圆管结构，具有内螺纹和外螺纹结构，内螺纹用于连接固定螺栓并通过螺栓施加载荷；外螺纹端直径与应力环上通孔相配合，通过螺母将所述套管固定在应力环上。

5.根据权利要求4所述的微动疲劳试验专用夹持载荷施加装置，其特征在于：所述套管与应力环的固定方式有以下两种：第一种，套管外壁具有外台阶面，较小直径的外螺纹段伸入通孔内，并卡在台阶面处，采用一个螺母进行紧固；第二种，套管外壁没有台阶面，将套管的外螺纹端伸入通孔内后，通孔的两侧分别采用一个螺母，将所述套管固定。

6.根据权利要求3所述的微动疲劳试验专用夹持载荷施加装置，其特征在于：所述套管内部分为直径不同的两段，较大直径段具有内螺纹，较小直径段内壁光滑，弹簧和顶杆的端部位于较大直径段，顶杆的光杆段位于较小直径段。

7.根据权利要求3所述的微动疲劳试验专用夹持载荷施加装置，其特征在于：所述顶杆为光杆螺栓结构，端部外径小于套管内较大直径段的直径，大于较小直径段的直径，光杆段直径小于套管内较小直径段直径，顶杆的光杆段伸出套管外侧，与第一固定螺母上顶槽接触连接。

8.根据权利要求3所述的微动疲劳试验专用夹持载荷施加装置，其特征在于：所述第一固定螺母端部设置有顶槽，顶槽孔径与顶杆的光杆段直径相配合。

9.根据权利要求3所述的微动疲劳试验专用夹持载荷施加装置，其特征在于：所述第二固定螺母端部设置有顶锥。

10.根据权利要求1或2或3所述的微动疲劳试验专用夹持载荷施加装置，其特征在于：所述支撑架选用马氏体型410不锈钢，并且将主支撑架厚度设计为20mm；套管选用304不锈钢；所述弹簧需要满足压缩量7～14mm之间，最大载重43～160Kg之间，最大接触应力13.2～49MPa之间。

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