CN204666454U - 一种接触载荷实时可调的微动疲劳试验机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种接触载荷实时可调的微动疲劳试验机，包括电-液伺服疲试验机、微动支撑平台、微动装置和计算机测控系统；微动支撑平台通过螺栓固定在疲劳试验机的支撑立柱上；微动装置水平放置在微动支撑平台上；疲劳试验机是设在有固定被试验试件的上夹具和下夹具；微动装置的接触载荷传感器、电动机驱动信号和位移信号与计算机数据采集控制系统连接。两个丝杠横梁的中间固定两个微动垫夹具，微动垫夹具两端装有两个相对的微动垫；利用该微动疲劳试验机可以进行接触载荷实时变化的微动疲劳试验，进一步研究接触载荷对微动疲劳损伤的影响；同时能够进行各种不同振幅与频率下的微动疲劳试验研究，为更深层次地理解微动疲劳损伤的机理提供试验方法。

Description

一种接触载荷实时可调的微动疲劳试验机

技术领域

本实用新型属于微动疲劳试验技术领域，具体涉及一种附加在疲劳试验机上的接触载荷实时可调的微动疲劳试验装置。

背景技术

微动是指两个紧固配合的构件在机械振动、疲劳载荷、电磁振动或热循环等作用下接触表面之间发生的极小振幅(微米量级)的相对运动。微动疲劳是微动对材料造成损伤的一种重要形式，与常规疲劳相比，微动可以加速裂纹的萌生与扩展，使构件的疲劳寿命大大降低，是造成飞机、船舶、车辆、核能、海洋工程等失效的主要原因，而且微动造成的后果都是灾难性的。

目前，针对微动疲劳的研究虽不少，对于微动疲劳的研究主要集中在轴向循环应力、切向力、恒定接触载荷等因素交互作用对微动疲劳寿命的影响；但是，由于微动疲劳的复杂性，影响因素很多，其中主要影响因素包括轴向载荷、切向力、微动幅值和接触载荷等，微动疲劳的损伤机理还尚未明确。为了进一步理解微动疲劳损伤机理，有学者提出，从力学角度去分别研究轴向循环应力、切向力及接触载荷对微动疲劳寿命的影响具有很重要的研究价值，特别是接触载荷对微动疲劳寿命影响的研究。同时，在目前发表关于微动疲劳研究的所有文献中，并没有关于交变接触载荷对微动疲劳寿命影响的研究。

由于现有的微动疲劳试验机还没有形成统一标准，大多数研究者根据自己的研究目的设计相应的微动疲劳试验机。这些微动疲劳试验机都大同小异，主要是通过在常规的疲劳试验机上增加一个施加恒定接触载荷的装置，例如：应力环。但是，现有的这些微动疲劳试验机存在接触载荷的施加范围较小以及控制精度较低，试验的自动化程度不高等缺陷，而且都不能实现接触载荷的实时控制。本实用新型就是设计一种接触载荷实时可调的微动疲劳试验装置，这种装置可以实现接触载荷的实时检测与控制，接触载荷的最大可施加值约5KN，控制准确，试验的自动化程度较高。同时，利用该微动疲劳装置可以进行交变接触载荷对微动疲劳寿命影响的研究，以搞清接触载荷对微动疲劳损伤的作用，对进一步全面理解微动疲劳损伤机理有重大的参考价值。

发明内容

本实用新型要解决现有微动疲劳试验机不能模拟构件承受交变接触载荷的微动疲劳试验的问题，提供一种接触载荷可以实时检测控制的微动疲劳试验机。利用该试验机能够模拟构件承受交变接触载荷的微动疲劳试验，进行交变接触载荷对微动疲劳寿命影响的研究。

本实用新型的技术方案如下：

一种接触载荷实时可调的微动疲劳试验机；包括电-液伺服疲试验机6、微动支撑平台7、微动装置8和计算机测控系统9；其特征是微动支撑平台7通过螺栓固定在疲劳试验机6的支撑立柱2上；微动装置8水平放置在微动支撑平台7上；疲劳试验机6是设在有固定被试验试件的上夹具4和下夹具5；微动装置8的接触载荷传感器22、电动机14驱动信号和位移信号与计算机数据采集控制系统9连接。

电-液疲劳试验机6的两根垂直支撑柱2下端固定连接支撑平台1；承载横梁3的两个内孔与支撑立柱2滑动配合，夹持试件的上夹具4连接压力传感器，并固定在承载横梁3上的中间位置，夹持试件的下夹具5连接作动器，与上夹具4相对地固定在支撑平台1上。

微动装置8装有电动机14，电动机14通过联轴器15连接皮带轮16，皮带轮16通过皮带与固定在主动丝杠18上的皮带轮17相连，主动丝杠18与从动丝杠19通过皮带连接实现同步转动，同时，主动丝杠18和从动丝杠19通过螺纹孔连接两个丝杠横梁20，丝杠的两端与侧板13连接。

两个丝杠横梁20的中间位置分别通过通孔与微动垫夹具21连接，其中一个微动垫夹具一端通过销钉24和锁紧螺母23固定在丝杠横梁上，另一端通过内螺纹与微动垫28连接；另一个微动垫夹具两端分别通过内螺纹与微动垫28和接触载荷传感器22连接，接触载荷传感器22通过限位挡板固定在丝杠横梁20上。

两个丝杠横梁20的一侧分别装有上连接件25和下连接件27，上连接件25和下连接件27与双限位的直线光栅尺26组成位移测量系统，位移测量信号连接计算机数据采集控制系统9.

整个微动机构固定在底板12和侧板13上，用上盖板封装为一个箱体。

具体说明如下：

一种接触载荷实时可调的微动疲劳试验机，包括固定被测试件的疲劳试验机，固定在疲劳试验机支撑立柱上的微动支撑平台，水平放置在微动支撑平台上的微动装置和计算机数据采集控制系统。

疲劳试验机是一种电-液伺服的疲劳试验机，其垂直支撑立柱下端固定连接支撑平台；承载横梁与支撑立柱配合，能够沿支撑立柱上下滑动；夹持试件的上夹具与压力传感器相连，且固定在承载横梁上，夹持试件的下夹具连接作动器并固定在支撑平台上。在试验过程中，装有上夹具的承载横梁锁紧在支撑立柱某一位置，下夹具在作动器的作用下可以在垂直方向运动，从而对试件施加拉伸或压缩的作用。

微动支撑平台由两个支座组成，并通过螺栓连接水平固定在疲劳试验机支撑立柱上，然后，将微动装置水平放置在微动支撑平台上。

水平放置的微动装置装有一对微动垫，通过微动垫在被试验试件表面实施接触载荷。微动装置的具体设计原理是基于一种卧式的原位拉压疲劳试验机，原位拉压疲劳试验机的试样夹具被替代为微动垫夹具；然后，微动垫安装在微动垫夹具上，利用原位拉压疲劳试验机的数据采集控制软件，将原位疲劳试验机轴向的循环压缩控制转化为该微动装置上微动垫施加在被试验试件上接触载荷的交变控制。微动装置的具体构成及作动控制原理如下：

1)该微动装置装有电动机，电动机通过联轴器连接皮带轮，皮带轮通过皮带与固定在主动丝杠上的皮带轮相连，主动丝杠与从动丝杠通过固定在丝杠上的一对皮带轮和皮带连接，从而实现电动机的转动转化为两根丝杠的同步转动；同时，两根丝杠通过螺纹孔连接两个丝杠横梁，两根丝杠的两端固定在左侧板和右侧板上，两根丝杠的同步转动转化为两个横梁之间的相对运动；

2)两个丝杠横梁的中间位置分别通过通孔与微动垫夹具连接，其中一个微动垫夹具一端通过销钉和锁紧螺母固定在丝杠横梁上，另一端通过内螺纹与微动垫连接；另一个微动垫夹具两端分别通过内螺纹与微动垫和载荷传感器连接，压力传感器通过限位挡板固定在丝杠横梁上。

3)微动垫夹具通过内螺纹与微动垫连接，且微动垫夹具上装有微动垫锁紧螺母。当微动垫被调整到设定位置后，通过微动垫夹具上的微动垫锁紧螺母将微动垫位置固定，从而防止试验过程中微动垫松动。

4)载荷传感器连接计算机，将被试验试件上微动垫的压力输出到计算机，同时，计算机可以通过驱动电动机转动带动丝杠的转动，丝杠的转动转化为丝杠横梁的相对运动，即丝杠横梁上微动垫的相对运动，从而实现微动垫在被试验试件上接触载荷的施加。

5)两个丝杠横梁的里端装有连接件，连接件与双限位的直线光栅尺组成位移测量系统，位移测量系统连接计算机，从而实现两个丝杠横梁上微动垫的相对位移的测量并输出到计算机，计算机也可以通过驱动电动机转动带动丝杠的转动，丝杠的转动转化为丝杠横梁的相对运动，即丝杠横梁上微动垫的相对运动，从而实现两个丝杠横梁上微动垫位移的控制。

6)整个微动机构安装固定在底板和侧板上，然后用上盖板封装为一个箱体，即微动装置。这样可以确保微动垫在被试验试件上施加稳定的接触载荷，同时增强整个微动装置的刚度和稳定性。

本实用新型由固定安装被试验试件的电-液伺服疲劳试验机、微动支撑平台、微动装置和计算机数据采集控制系统构成，其中微动支撑平台固定安装在电-液伺服疲劳试验机的支撑立柱上，微动装置水平放置在微动支撑平台上；微动装置内装有电动机，电动机通过联轴器和皮带与两根平行丝杠连接，两根平行丝杠由两个丝杠横梁连接，两个丝杠横梁的中间固定两个微动垫夹具，微动垫夹具两端装有两个相对的微动垫；其中一个微动垫连接载荷传感器，两个微动垫的前端分别与试件两面配合；计算机连接电动机和载荷传感器。计算机通过驱动电机转动，带动丝杠横梁相对移动，即两个微动垫相对移动并实现与试件表面接触；通过电动机来控制两个微动垫模拟试件承受交变接触载荷的微动疲劳损伤试验。微动垫通过电动机转动对试件实施的接触载荷更加精确、稳定。微动垫的位移传感器和载荷传感器实时地检测微动垫的位置和试件上微动垫的接触载荷，保证两个微动垫准确的在设定载荷条件下进行试验。

优点如下：

1)在接触载荷传感器的反馈作用下，该微动疲劳试验机通过控制微动装置内的电动机实现被试验试件上接触载荷的实时变化，从而解决了现有微动疲劳试验机不能实现接触载荷实时可调的问题。

2)利用该微动疲劳试验机可以进行接触载荷实时变化的微动疲劳试验，进一步深入研究接触载荷对微动疲劳损伤的影响；同时，在施加交变接触载荷的微动疲劳试验中，由于被试验试件承受的交变轴向疲劳载荷和交变接触载荷是相互独立的，可以分别设定交变轴向疲劳载荷和接触载荷的振幅及频率，从而能够进行各种不同振幅与频率下的微动疲劳试验研究，为更深层次地理解微动疲劳损伤的机理提供更多的试验方法。

3)计算机数据采集控制系统可以对微动垫的位移和接触压力进行实时准确的在线检测与控制，实验数据重现性好，试验自动化程度高。

4)该微动疲劳试验机的微动垫夹具通过内螺纹与微动垫连接，方便更换微动垫的类型(如：桥式微动垫和单夹持式微动垫)、微动垫的接触形式(如：球面与平板、圆柱面与平板和平板与平板等)和微动垫的材质，从而进行不同微动垫类型、不同接触形式和不同金属之间接触的微动疲劳损伤试验，试验机的实用性更加广泛。

附图说明

图1是本实用新型一个实施例的立体示意图；

图2是图1中微动装置的示意图；

图3是图2中微动垫夹具的示意图；

图4是图2中微动垫锁紧螺母的示意图。

具体实施方式

结合附图说明。

本实施例的接触载荷实时可调的微动疲劳试验机(见图1)由四部分组成：一种电-液伺服疲劳试验机6、微动支撑平台7、微动装置8和计算机测控系统9。将微动支撑平台7通过螺栓固定在疲劳试验机6的支撑立柱2上，同时确保左右微动支撑平台7水平对齐；然后，将微动装置8水平放置在微动支撑平台7上；用疲劳试验机6的上夹具4夹紧被试验试件的一端，通过调整疲劳试验机6的承载横梁3上下滑动和微动装置8的前后左右位置，使得微动垫28的前端与被试验试件的中间位置对齐；最后，通过计算机数据测控系统9控制疲劳试验机6的作动器作动，作动器作动使得疲劳试验机6的下夹具5移动到适当位置，然后将被试验试件夹紧固定。微动装置8的接触载荷传感器22、电动机14驱动信号和位移信号均与计算机数据采集控制系统9连接。在接触载荷传感器22的反馈作用下，计算机数据采集控制系统9驱动电动机14使得微动垫28在被试验试件的表面施加设定的接触载荷，从而实现接触载荷的实时可调性；通过独立的设定接触载荷和轴向循环载荷的幅值与频率，便可进行被试验试件承受交变接触载荷的微动疲劳试验。

电-液疲劳试验机6的两根垂直支撑柱2下端固定连接支撑平台1；承载横梁3的两个内孔与支撑立柱2滑动配合，夹持试件的上夹具4连接压力传感器，并固定在承载横梁3上的中间位置，夹持试件的下夹具5连接作动器，与上夹具4相对地固定在支撑平台1上。实验过程中，锁紧承载横梁3，即固定上夹具4，通过作动器作动使得下夹具5上下移动，实现对被试验试件的拉伸或压缩。疲劳试验机6的压力传感器和作动器连接计算机数据采集控制系统，不同型号的疲劳试验机6结构和运动方式有所不同，但不影响本实用新型的实施。

微动支撑平台7通过螺栓固定在疲劳试验机6的两个支撑立柱2上，同时确保两个微动疲劳支撑平台7保持水平对齐，然后将微动装置8水平放置在微动疲劳平台7上。

水平放置的微动装置8(见图2)装有电动机14，电动机14通过联轴器15连接皮带轮16，皮带轮16通过皮带与固定在主动丝杠18上的皮带轮17相连，主动丝杠18与从动丝杠19通过皮带连接实现同步转动，同时，主动丝杠18和从动丝杠19通过螺纹孔连接两个丝杠横梁20，丝杠的两端与侧板13连接；最终，通过控制电动机14的转动带动主动丝杠18与从动丝杠19的同步转动；主动丝杠18和从动丝杠19的同步转动转化为两个丝杠横梁20的相对运动；

两个丝杠横梁20的中间位置分别通过通孔与微动垫夹具21(见图3)连接，其中一个微动垫夹具一端通过销钉24和锁紧螺母23(见图4)固定在丝杠横梁上，另一端通过内螺纹与微动垫28连接；另一个微动垫夹具两端分别通过内螺纹与微动垫28和接触载荷传感器22连接，接触载荷传感器22通过限位挡板固定在丝杠横梁20上。

微动垫夹具21通过内螺纹与微动垫28连接，且装有微动垫锁紧螺母23。当微动垫28被调整到设定位置后，通过微动垫夹具21上的微动垫锁紧螺母23将微动垫28锁紧，从而防止试验过程中微动垫28松动。

计算机数据采集控制系统9连接接触载荷传感器22，检测被试验试件上微动垫28的接触载荷，同时，计算机数据采集控制系统9也可以通过驱动电动机14的转动带动丝杠横梁20相对运动，即丝杠横梁20上微动垫28的相对运动，从而实现被试验试件上微动垫28接触压力的实施和控制。

两个丝杠横梁20的一侧分别装有上连接件25和下连接件27，上连接件25和下连接件27与双限位的直线光栅尺26组成位移测量系统，位移测量信号连接计算机数据采集控制系统9，从而实现两个丝杠横梁22上微动垫28的相对位移的检测，计算机数据采集控制系统9也可以通过驱动电动机14转动带动两个丝杠横梁22的相对运动，即两个丝杠横梁22上微动垫28的相对运动，从而实现微动垫28位移的检测和控制。

整个微动机构固定在底板12和侧板13上，然后用上盖板封装为一个箱体，即微动装置8。这样可以增强整个微动机构的刚度和稳定性，从而防止试验过程中微动垫28的晃动。

本例中微动装置8采用的电动机14的最大载荷：5000N，转角精度0.03°；接触载荷传感器22：6500N(x/y/z向载荷)；光栅尺26位移测量范围：0.1μm-50mm,精度不低于0.1μm；伺服频率：不高于2Hz。

Claims (6)

1.一种接触载荷实时可调的微动疲劳试验机；包括电-液伺服疲试验机、微动支撑平台、微动装置和计算机测控系统；其特征是微动支撑平台通过螺栓固定在疲劳试验机的支撑立柱上；微动装置水平放置在微动支撑平台上；疲劳试验机是设在有固定被试验试件的上夹具和下夹具；微动装置的接触载荷传感器、电动机驱动信号和位移信号与计算机数据采集控制系统连接。

2.如权利要求1所述的试验机，其特征是电-液疲劳试验机的两根垂直支撑柱下端固定连接支撑平台；承载横梁的两个内孔与支撑立柱滑动配合，夹持试件的上夹具连接压力传感器，并固定在承载横梁上的中间位置，夹持试件的下夹具连接作动器，与上夹具相对地固定在支撑平台上。

3.如权利要求1所述的试验机，其特征是微动装置装有电动机，电动机通过联轴器连接皮带轮，皮带轮通过皮带与固定在主动丝杠上的皮带轮相连，主动丝杠与从动丝杠通过皮带连接实现同步转动，同时，主动丝杠和从动丝杠通过螺纹孔连接两个丝杠横梁，丝杠的两端与侧板连接。

4.如权利要求1所述的试验机，其特征是两个丝杠横梁的中间位置分别通过通孔与微动垫夹具连接，其中一个微动垫夹具一端通过销钉和锁紧螺母固定在丝杠横梁上，另一端通过内螺纹与微动垫连接；另一个微动垫夹具两端分别通过内螺纹与微动垫和接触载荷传感器连接，接触载荷传感器通过限位挡板固定在丝杠横梁上。

5.如权利要求1所述的试验机，其特征是两个丝杠横梁的一侧分别装有上连接件和下连接件，上连接件和下连接件与双限位的直线光栅尺组成位移测量系统，位移测量信号连接计算机数据采集控制系统。

6.如权利要求5所述的试验机，其特征是整个微动机构固定在底板和侧板上，用上盖板封装为一个箱体。