CN205538496U - 可调节弯曲疲劳模式的材料力学性能测试仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种可调节弯曲疲劳模式的材料力学性能测试仪，属于精密仪器领域。包括弯曲疲劳加载单元、试件夹持单元、伴随运动单元及精密检测单元，弯曲疲劳加载单元由直流伺服电机提供动力，经由一级蜗轮蜗杆减速带动曲柄摇杆机构实现摇杆的往复摆动，摇杆带动夹持单元实现往复旋转，弯曲试样随着夹持单元的往复旋转而被反复弯曲，而伴随运动单元在弯曲试样的拖动下，做出伴随的旋转以及平移。优点在于：避免了三点弯曲加载时换算弯矩的误差，同时避免了支棍摩擦力对于试验结果的影响；能对弯矩以及弯曲的角度进行精确的测量；能实现不同的疲劳模式，能实现不同应力幅的疲劳试验，能实现不同平均应力的疲劳试验。
Description
技术领域
本实用新型涉及精密仪器领域，特别涉及一种可调节弯曲疲劳模式的材料力学性能测试仪。区别于常见的三点弯加载模式，可以对试样施加近似的悬臂弯载荷。能实现不同应力幅以及不同平均应力的疲劳试验。该疲劳测试平台为弯曲的疲劳测试检测提供了一种崭新的手段。
背景技术
统计分析表明，断裂、磨损和腐蚀是机械零件的主要失效形式，全世界每年因磨损和腐蚀造成的经济损失十分巨大。但由于机械零件的磨损和腐蚀是在机器工作过程中缓慢进行的，可以通过检修和更换零件的方法来保证机器的正常工作，避免突发事故的发生。而断裂具有突发性，常常会造成严重的事故。因此，机械零件的断裂就成为工业界最关心的问题。机械零件在承受交变载荷时，虽然载荷幅值远小于其抗拉强度或屈服强度，甚至小于弹性载荷，但材料内部的变型损伤逐渐积累，积累达到一定程度时零件将发生断裂破坏。造成机械零件发生断裂的众多因素中，由金属疲劳引起的机械零件的断裂失效占80%以上。
生活中常见的吊车悬臂、桥梁、桁架、汽车底盘及前后桥，在工作时承受单向弯曲负荷，而且弯曲的载荷往往是不断变化的，因此有必要对这类零件开展单向弯曲的疲劳试验；工程中常见的中间惰轮、行星轮，或者齿轮在工作时有正反转向交替的情况下，它的齿根承受的是双向弯曲应力，因此有必要对这类零件开展双向弯曲的疲劳试验。市场上比较成熟的弯曲疲劳试验设备往往无法实现单向弯曲负荷以及双向弯曲负荷两种载荷模式，而且也无法对弯矩以及弯曲的角度进行精确的测量，而弯矩及弯曲角度对于疲劳试验结果来说至关重要；常见的反复弯曲试验是将矩形截面试样的一端固定，绕规定半径的圆柱支座弯曲90°，再沿相反方向弯曲，针对不同截面尺寸的试样需要更换不同尺寸的圆柱支座，这样使试验过程更加繁琐。
因此设计开发一种可调节弯曲疲劳模式的材料力学性能测试仪，具有单向弯曲负荷以及双向弯曲负荷两种载荷模式，能对弯矩以及弯曲的角度进行精确的测量，对于研究弯曲疲劳断裂具有十分重要的意义，对于丰富材料力学性能测试装备具有重要的理论意义和良好的应用开发前景。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种可调节弯曲疲劳模式的材料力学性能测试仪，解决了目前疲劳载荷模式单一以及无法对弯矩以及弯曲的角度进行精确测量等问题。本实用新型采用曲柄摇杆机构，将电机的单向旋转运动转变为夹持单元的往复摆动，曲柄的长度可调，能实现不同应力幅的疲劳试验，摇杆相对于左侧的夹持单元有不同的相对角度，能实现不同平均应力的疲劳试验；本实用新型将扭矩传感器安装在摇杆与左侧夹具转轴之间，能实时测量弯曲试样所承受的弯矩，同时圆光栅尺能实时精确测量出弯曲的角度。区别于常见的三点弯加载模式，本实用新型可以对试样施加近似的悬臂弯载荷，这种加载模式避免了三点弯曲加载时换算弯矩的误差，同样避免了支棍摩擦力对于试验结果的影响。
本实用新型的上述目的通过以下技术方案实现：
可调节弯曲疲劳模式的材料力学性能测试仪，包括弯曲疲劳加载单元、夹持单元、伴随运动单元及精密检测单元，在传动链上采用曲柄摇杆传动机构来实现悬臂弯曲疲劳加载；曲柄30的长度可调，实现不同应力幅的疲劳试验；摇杆6相对于夹持单元能实现-45°～+45°角度调节，即可实现不同平均应力的疲劳试验；所述弯曲疲劳加载单元通过扭矩传感器10与夹持单元连接，夹持单元通过右侧夹具转轴15与伴随运动单元连接，精密检测单元与左侧夹具转轴22过盈连接。
弯曲疲劳加载单元通过蜗轮蜗杆传动副以及曲柄摇杆传动机构将电机的单方向转动，变换为夹持单元的往复回转运动，弯曲试样19随着夹持单元的往复回转而被反复弯曲，而伴随运动单元在弯曲试样19的拖动下，做出伴随的旋转以及平移。
所述的弯曲疲劳加载单元是：直流电机20作为动力源，直流电机20通过电机法兰26固定在中板29上，所述中板29的上面通过立柱Ⅲ25与上板18固定连接，下面通过立柱Ⅰ1与下板2固定连接；电机轴与蜗杆27通过紧固螺钉固连，蜗轮28与蜗杆27构成蜗轮蜗杆传动副；蜗轮28通过平键与曲柄销轴5连接，并通过紧固螺钉锁紧。
所述的曲柄摇杆传动机构是：曲柄销轴5的中间部分装有深沟球轴承，轴承内圈的轴向定位一边与曲柄销轴5的轴肩接触，另一边与轴用弹性挡圈接触；轴承的外圈装在中板29的轴承座孔里，轴承外圈的轴向定位一边与轴承座孔的台肩接触，另一边与轴承端盖通过螺钉压紧；曲柄销轴5的另一端设有垂直于曲柄销轴5轴线的螺纹孔，曲柄销轴5与曲柄30通过螺纹连接；曲柄30与曲柄销套4通过螺纹连接，曲柄销套4另一端的盲孔与摇杆滑套3的销间隙配合，在盲孔内装有铜套；摇杆滑套3的另一端套在摇杆6上，摇杆滑套3相对于摇杆6轴向自由滑动。
所述的曲柄30外圆柱面加工有不同旋向的螺纹，分别与曲柄销套4和曲柄销轴5螺纹连接，当旋动曲柄30时，曲柄销套4与曲柄销轴5的距离将增加或减少，从而实现了曲柄30长度的调节，最终实现不同应力幅的疲劳试验；为便于旋动曲柄30，将曲柄30的两端铣成外六角的形状。
所述的夹持单元是：摇杆6与夹紧套9通过螺栓紧固连接，同时夹紧套9自身会发生形变夹紧传感器连接轴8，实现夹紧套9与传感器连接轴8的连接；传感器连接轴8的末端装有深沟球轴承，以支撑传感器连接轴8自由转动，传感器连接轴8的另一端面沿轴向方向开有方孔，该方孔与扭矩传感器10的方轴配合，以传递扭矩；扭矩传感器10的一端通过方轴与传感器连接轴8相连，另一端通过自身的法兰与左侧夹具转轴22的法兰相连，左侧夹具转轴22的上端与传感器连接轴8均装有轴承以保证自由转动；左侧夹具转轴22上设有平面用于弯曲试样19的夹持，压盖16通过螺钉将弯曲试样19压紧在左侧夹具转轴22上。
所述的夹紧套9起连接作用，将摇杆6与传感器连接轴8连在一起，另一方面它相对于传感器连接轴8有不同的相对角度位置，这样就能实现不同平均应力的疲劳试验；所述传感器连接轴8上面分布有均匀的刻度线，夹紧套9上面有指示箭头，能够对两者之间的角度做出定量调节。
所述的伴随运动单元既能实现绕自身轴线的旋转，又能实现平移，具体结构是：右侧夹具转轴15中间的平面用来夹紧弯曲试样19，右侧夹具转轴15的下端装有深沟球轴承，轴承内圈的轴向定位一边与右侧夹具转轴15的轴肩相接触，另一边与轴用弹性挡圈接触，轴承外圈的轴向定位一边与右轴承座13孔的台肩接触，另一边通过螺钉压紧右轴承端盖14，右轴承座13的底板通过螺钉与滑块12相连，滑块12安装在导轨11上，导轨11通过螺钉与下板2紧固连接，右侧夹具转轴15的上端结构与下端相同。
所述的精密检测单元包括扭矩传感器10与圆光栅尺21，所述扭矩传感器10安装在摇杆6与左侧夹具转轴22之间，实时测量弯曲试样19所承受的弯矩；所述圆光栅尺21安装在左侧夹具转轴22上随左侧夹具转轴22旋转，光栅尺读数头23通过读数头支架24安装在上板18固定不动，圆光栅尺21相对于光栅尺读数头23旋转就可以测量出左侧夹具转轴22的转角；上板18通过立柱Ⅱ17与下板2固定连接。
本实用新型的有益效果在于：相比较于传统的弯曲疲劳试验机，本实用新型的载荷模式更加丰富多样。在传动链上采用曲柄摇杆机构来实现近似的悬臂弯曲疲劳加载，这种加载模式避免了三点弯曲加载时换算弯矩的误差，同样避免了支棍摩擦力对于试验结果的影响；能对弯矩以及弯曲的角度进行精确的测量；能实现不同的疲劳模式，通过调节曲柄的长度，能实现不同应力幅的疲劳试验，通过调节摇杆相对于左侧的夹持单元的相对角度，能实现不同平均应力的疲劳试验。通过调节曲柄的长度，调节摇杆相对于左侧的夹持单元的角度能实现不同应力幅以及不同平均应力的疲劳试验。相比于传统的弯曲疲劳试验机，本实用新型配备高精度的扭矩传感器以及高精度的圆光栅尺，能实时测量弯曲的角度以及弯矩，这对于研究弯曲角度以及弯矩对疲劳破坏的影响具有重要意义。区别于常见的三点弯加载模式，本实用新型可以对试样施加近似的悬臂弯载荷，这种加载模式避免了三点弯曲加载时换算弯矩的误差，同样避免了支棍摩擦力对于试验结果的影响。本实用新型将在材料科学、工程机械等领域具有广阔的发展前景和应用价值。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，本实用新型的示意性实例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。
图1为本实用新型的整机轴侧图；
图2为本实用新型的整机主视图；
图3为本实用新型的整机左视图；
图4为本实用新型的整机后视图；
图5为本实用新型的结构原理图。
图中：1.立柱Ⅰ；2.下板；3.摇杆滑套；4.曲柄销套；5.曲柄销轴；6.摇杆；7.左轴承端盖；8.传感器连接轴；9.夹紧套；10.扭矩传感器；11.导轨；12.滑块；13.右轴承座；14.右轴承端盖；15.右侧夹具转轴；16.压盖；17.立柱Ⅱ；18.上板；19.弯曲试样；20.直流电机；21.圆光栅尺；22.左侧夹具转轴；23.光栅尺读数头；24.读数头支架；25.立柱Ⅲ；26.电机法兰；27.蜗杆；28.蜗轮；29.中板；30.曲柄。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本实用新型的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图5所示，本实用新型的可调节弯曲疲劳模式的材料力学性能测试仪包括弯曲疲劳加载单元、夹持单元、伴随运动单元及精密检测单元，在传动链上采用曲柄摇杆传动机构来实现近似的悬臂弯曲疲劳加载；曲柄30的长度可调，能实现不同应力幅的疲劳试验；摇杆6相对于夹持单元能实现-45°～+45°角度调节，即可实现不同平均应力的疲劳试验；所述弯曲疲劳加载单元通过扭矩传感器10与夹持单元连接，夹持单元通过右侧夹具转轴15与伴随运动单元连接，精密检测单元与左侧夹具转轴22过盈连接。
弯曲疲劳加载单元通过蜗轮蜗杆传动副以及曲柄摇杆传动机构将电机的单方向转动，变换为夹持单元的往复回转运动，弯曲试样19随着夹持单元的往复回转而被反复弯曲，而伴随运动单元在弯曲试样19的拖动下，做出伴随的旋转以及平移。
所述的弯曲疲劳加载单元是：直流电机20作为动力源，直流电机20通过电机法兰26固定在中板29上，所述中板29的上面通过立柱Ⅲ25与上板18固定连接，下面通过立柱Ⅰ1与下板2固定连接；电机轴与蜗杆27通过紧固螺钉固连，蜗轮28与蜗杆27构成蜗轮蜗杆传动副；蜗轮28通过平键与曲柄销轴5连接，并通过紧固螺钉锁紧。
所述的曲柄摇杆传动机构是：为保证曲柄销轴5的自由旋转，曲柄销轴5的中间部分装有深沟球轴承，轴承内圈的轴向定位一边与曲柄销轴5的轴肩接触，另一边与轴用弹性挡圈接触；轴承的外圈装在中板29的轴承座孔里，轴承外圈的轴向定位一边与轴承座孔的台肩接触，另一边通过轴承端盖通过螺钉压紧；曲柄销轴5的另一端设有垂直于曲柄销轴5轴线的螺纹孔，曲柄销轴5与曲柄30通过螺纹连接；曲柄30与曲柄销套4通过螺纹连接，曲柄销套4另一端的盲孔与摇杆滑套3的销间隙配合，为保证摇杆滑套3的销能在盲孔里自由旋转，在盲孔内装有铜套以减少摩擦阻力；摇杆滑套3的另一端套在摇杆6上，摇杆滑套3相对于摇杆6轴向自由滑动。
所述的曲柄30外圆柱面加工有不同旋向的螺纹，分别与曲柄销套4和曲柄销轴5螺纹连接，当旋动曲柄30时，曲柄销套4与曲柄销轴5的距离将增加或减少，从而实现了曲柄30长度的调节，最终实现不同应力幅的疲劳试验；为便于旋动曲柄30，将曲柄30的两端铣成外六角的形状。
所述的夹持单元是：摇杆6与夹紧套9通过螺栓紧固连接，同时夹紧套9自身会发生形变夹紧传感器连接轴8，实现夹紧套9与传感器连接轴8的连接；传感器连接轴8的末端装有深沟球轴承，以支撑传感器连接轴8自由转动，传感器连接轴8的另一端面沿轴向方向开有方孔，该方孔与扭矩传感器10的方轴配合，以传递扭矩；扭矩传感器10的一端通过方轴与传感器连接轴8相连，另一端通过自身的法兰与左侧夹具转轴22的法兰相连，左侧夹具转轴22的上端与传感器连接轴8均装有轴承以保证自由转动；左侧夹具转轴22上设有平面用于弯曲试样19的夹持，压盖16通过螺钉将弯曲试样19压紧在左侧夹具转轴22上。
所述的夹紧套9起连接作用，将摇杆6与传感器连接轴8连在一起，另一方面它相对于传感器连接轴8可以有不同的相对角度位置，这样就能实现不同平均应力的疲劳试验；所述传感器连接轴8上面分布有均匀的刻度线，夹紧套9上面有指示箭头，能够对两者之间的角度做出定量调节。
所述的伴随运动单元既能实现绕自身轴线的旋转，又能实现平移，具体结构是：右侧夹具转轴15中间的平面用来夹紧弯曲试样19，右侧夹具转轴15的下端装有深沟球轴承，轴承内圈的轴向定位一边与右侧夹具转轴15的轴肩相接触，另一边与轴用弹性挡圈接触，轴承外圈的轴向定位一边与右轴承座13孔的台肩接触，另一边通过螺钉压紧右轴承端盖14，右轴承座13的底板通过螺钉与滑块12相连，滑块12安装在导轨11上，导轨11通过螺钉与下板2紧固连接，右侧夹具转轴15的上端结构与下端相同。
所述的精密检测单元包括扭矩传感器10与圆光栅尺21，所述扭矩传感器10安装在摇杆6与左侧夹具转轴22之间，实时测量弯曲试样19所承受的弯矩；所述圆光栅尺21安装在左侧夹具转轴22上随左侧夹具转轴22旋转，光栅尺读数头23通过读数头支架24安装在上板18固定不动，圆光栅尺21相对于光栅尺读数头23旋转就可以测量出左侧夹具转轴22的转角；上板18通过立柱Ⅱ17与下板2固定连接。
以上所述仅为本实用新型的优选实例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡对本实用新型所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种可调节弯曲疲劳模式的材料力学性能测试仪，其特征在于：包括弯曲疲劳加载单元、夹持单元、伴随运动单元及精密检测单元，在传动链上采用曲柄摇杆传动机构来实现悬臂弯曲疲劳加载；曲柄（30）的长度可调，实现不同应力幅的疲劳试验；摇杆（6）相对于夹持单元实现-45°～+45°角度调节，即实现不同平均应力的疲劳试验；所述弯曲疲劳加载单元通过扭矩传感器（10）与夹持单元连接，夹持单元通过右侧夹具转轴（15）与伴随运动单元连接，精密检测单元与左侧夹具转轴（22）过盈连接；弯曲疲劳加载单元通过蜗轮蜗杆传动副以及曲柄摇杆传动机构将直流电机的单方向转动，变换为夹持单元的往复回转运动，弯曲试样（19）随着夹持单元的往复回转而被反复弯曲，而伴随运动单元在弯曲试样（19）的拖动下，做出伴随的旋转以及平移。
2.根据权利要求1所述的可调节弯曲疲劳模式的材料力学性能测试仪，其特征在于：所述的弯曲疲劳加载单元是：直流电机（20）作为动力源，直流电机（20）通过电机法兰（26）固定在中板（29）上，所述中板（29）的上面通过立柱Ⅲ（25）与上板（18）固定连接，下面通过立柱Ⅰ（1）与下板（2）固定连接；电机轴与蜗杆（27）通过紧固螺钉固连，蜗轮（28）与蜗杆（27）构成蜗轮蜗杆传动副；蜗轮（28）通过平键与曲柄销轴（5）连接，并通过紧固螺钉锁紧。
3.根据权利要求1所述的可调节弯曲疲劳模式的材料力学性能测试仪，其特征在于：所述的曲柄摇杆传动机构是：曲柄销轴（5）的中间部分装有深沟球轴承，轴承内圈的轴向定位一边与曲柄销轴（5）的轴肩相接触，另一边与轴用弹性挡圈相接触；轴承的外圈装在中板（29）的轴承座孔里，轴承外圈的轴向一边与轴承座孔的台肩相接触，另一边与轴承端盖接触，通过螺钉压紧；曲柄销轴（5）的另一端设有垂直于曲柄销轴（5）轴线的螺纹孔，曲柄销轴（5）与曲柄（30）通过螺纹连接；曲柄（30）与曲柄销套（4）通过螺纹连接，曲柄销套（4）另一端的盲孔与摇杆滑套（3）的销间隙配合，在盲孔内装有铜套；摇杆滑套（3）的另一端套在摇杆（6）上，摇杆滑套（3）相对于摇杆（6）轴向自由滑动。
4.根据权利要求3所述的可调节弯曲疲劳模式的材料力学性能测试仪，其特征在于：所述的曲柄（30）外圆柱面加工有不同旋向的螺纹，分别与曲柄销套（4）和曲柄销轴（5）螺纹连接，当旋动曲柄（30）时，曲柄销套（4）与曲柄销轴（5）的距离将增加或减少，从而实现了曲柄（30）长度的调节，最终实现不同应力幅的疲劳试验；为便于旋动曲柄（30），将曲柄（30）的两端设为外六角的形状。
5.根据权利要求1所述的可调节弯曲疲劳模式的材料力学性能测试仪，其特征在于：所述的夹持单元是：摇杆（6）与夹紧套（9）通过螺栓紧固连接，同时夹紧套（9）自身会发生形变夹紧传感器连接轴（8），实现夹紧套（9）与传感器连接轴（8）的连接；传感器连接轴（8）的末端装有深沟球轴承，以支撑传感器连接轴（8）自由转动，传感器连接轴（8）的另一端面沿轴向方向开有方孔，该方孔与扭矩传感器（10）的方轴配合，以传递扭矩；扭矩传感器（10）的一端通过方轴与传感器连接轴（8）相连，另一端通过自身的法兰与左侧夹具转轴（22）的法兰相连，左侧夹具转轴（22）的上端与传感器连接轴（8）均装有轴承以保证自由转动；左侧夹具转轴（22）上设有平面用于弯曲试样（19）的夹持，压盖（16）通过螺钉将弯曲试样（19）压紧在左侧夹具转轴（22）上。
6.根据权利要求5所述的可调节弯曲疲劳模式的材料力学性能测试仪，其特征在于：所述的夹紧套（9）起连接作用，将摇杆（6）与传感器连接轴（8）连在一起，另一方面它相对于传感器连接轴（8）有不同的相对角度位置，这样就能实现不同平均应力的疲劳试验；所述传感器连接轴（8）上面分布有均匀的刻度线，夹紧套（9）上面有指示箭头，能够对两者之间的角度做出定量调节。
7.根据权利要求1所述的可调节弯曲疲劳模式的材料力学性能测试仪，其特征在于：所述的伴随运动单元既能实现绕自身轴线的旋转，又能实现平移，具体结构是：右侧夹具转轴（15）中间的平面用来夹紧弯曲试样（19），右侧夹具转轴（15）的下端装有深沟球轴承，轴承内圈的轴向定位一边与右侧夹具转轴（15）的轴肩接触，另一边与轴用弹性挡圈接触，轴承外圈的轴向定位一边与右轴承座（13）孔的台肩接触，另一边通过螺钉压紧右轴承端盖（14），右轴承座（13）的底板通过螺钉与滑块（12）相连，滑块（12）安装在导轨（11）上，导轨（11）通过螺钉与下板（2）紧固连接，右侧夹具转轴（15）的上端结构与下端相同。
8.根据权利要求1所述的可调节弯曲疲劳模式的材料力学性能测试仪，其特征在于：所述的精密检测单元包括扭矩传感器（10）与圆光栅尺（21），所述扭矩传感器（10）安装在摇杆（6）与左侧夹具转轴（22）之间，实时测量弯曲试样（19）所承受的弯矩；所述圆光栅尺（21）安装在左侧夹具转轴（22）上随左侧夹具转轴（22）旋转，光栅尺读数头（23）通过读数头支架（24）安装在上板（18）固定不动，圆光栅尺（21）相对于光栅尺读数头（23）旋转就可以测量出左侧夹具转轴（22）的转角；上板（18）通过立柱Ⅱ（17）与下板（2）固定连接。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN105758733A (zh) * | 2016-04-06 | 2016-07-13 | 吉林大学 | 可调节弯曲疲劳模式的材料力学性能测试仪与测试方法 |
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| CN108540919A (zh) * | 2018-07-16 | 2018-09-14 | 合肥禾松信息科技有限公司 | 一种嵌入式计算机耳机智能测试系统及该系统的测试方法 |
| CN112665841A (zh) * | 2020-12-18 | 2021-04-16 | 南昌航空大学 | 一种基于环绕运动的可调节式卡箍弯曲疲劳测试装置 |
| CN114923796A (zh) * | 2022-05-18 | 2022-08-19 | 福州大学 | 一种焊接钻杆接头弯扭疲劳试验机及其工作方法 |
| CN115683616A (zh) * | 2022-11-17 | 2023-02-03 | 中国北方发动机研究所(天津) | 一种实现曲轴协调变形的非对称弯曲疲劳试验装置 |
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2016
- 2016-04-06 CN CN201620278072.7U patent/CN205538496U/zh not_active Withdrawn - After Issue
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