CN208171732U - 一种材料剪切模量测定仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种材料剪切模量测定仪，技术方案是，底板上设置有水平的轨道，轨道上分别设置有沿其长度方向移动和固定的第一滑动支架和第二滑动支架，第一滑动支架上部设置有三爪卡盘，第二滑动支架上部设置有旋转固定座，待测试件固定卡装在三爪卡盘上，另一端固定连接在旋转固定座上，底板上设置有加载机构，待测试件的表面粘贴有用于待测试件应变值的应变片，本实用新型通过步进电机控制第一滑动支架和第二滑动支架，从而适应不同长度的待测试件，通过缓慢转动手轮即可均匀地逐级加载，且通过应变片直接读取待测试件的应变值，操作方便，从而快速、准确得完成材料剪切模量的测定。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种材料剪切模量测定仪，尤其是一种材料受力变形测量其剪切模量的试验装置，它适用于材料受力在弹性范围内的测试。
背景技术
实验教学是课程教学的一个重要组成部分，对提高学生的实践能力、创新设计能力具有重要的意义。弹性模量E、泊松比μ、剪切弹性模量G作为材料三个基本力学参数，是材料力学实验必做项目。金属材料弹性模量E、泊松比μ全国工科院校基本在材料力学多功能实验台上通过电测法测定，而剪切弹性模量G一般先测出弹性模量E、泊松比μ然后通过公式进行计算得到，弹性模量和泊松比测量麻烦，精度差，因此，研制一种能够快速准确测得剪切模量G的实验器材是本领域技术人员关心的问题。
实用新型内容
针对上述情况，为克服现有技术之缺陷，本实用新型之目的就是提供一种材料剪切模量测定仪，可有效解决材料剪切模量测定的问题。
本实用新型解决的技术方案是：
一种材料剪切模量测定仪，包括底座和待测试件，底座上设置有水平的轨道，轨道上分别设置有沿其长度方向移动和固定的第一滑动支架和第二滑动支架，第一滑动支架与第二滑动支架正对面的上部设置有三爪卡盘，第二滑动支架与第一滑动支架正对面的上部设置有与三爪卡盘正对的旋转固定座，旋转固定座经第一轴承装在第二滑动支架上，构成转动结构，待测试件设置在第一滑动支架和第二滑动支架之间，待测试件固定卡装在三爪卡盘上，另一端固定连接在旋转固定座上，底座上设置有加载机构，加载机构包括沿竖直方向伸缩的伸缩杆、固定在所述伸缩杆上端的力传感器和驱动所述伸缩杆伸缩的手轮，待测试件上连接有加载杆，加载杆的一端与待测试件卡装连接，另一端通过拉绳与力传感器相连，待测试件的表面粘贴有用于待测试件应变值的应变片。
本实用新型结构新颖独特，简单合理，通过步进电机控制第一滑动支架和第二滑动支架，从而适应不同长度的待测试件，通过三爪卡盘与待测试件进行夹紧固定，拆装方便，且连接牢固，通过缓慢转动手轮即可均匀地逐级加载，且通过应变片直接读取待测试件的应变值，操作方便，从而快速、准确得完成材料剪切模量的测定，是材料力学实验装置上的创新。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
图2为本实用新型轨道的俯视图。
图3为本实用新型第二滑动支架中旋转固定座处的局部剖视图。
图4为本实用新型伸缩杆下部的剖视图。
图5为本实用新型伸缩杆和加载杆的连接示意图。
图6为本实用新型应变片粘贴位置示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细说明。
由图1-6给出，本实用新型包括底座1和待测试件12，其特征在于，底座上设置有水平的轨道18，轨道18上分别设置有沿其长度方向移动和固定的第一滑动支架5和第二滑动支架6，第一滑动支架5与第二滑动支架6正对面的上部设置有三爪卡盘9，第二滑动支架6与第一滑动支架5正对面的上部设置有与三爪卡盘9正对的旋转固定座10，旋转固定座10经第一轴承22装在第二滑动支架6上，构成转动结构，待测试件12设置在第一滑动支架5和第二滑动支架6之间，待测试件12固定卡装在三爪卡盘9上，另一端固定连接在旋转固定座10上，底座1上设置有加载机构，加载机构包括沿竖直方向伸缩的伸缩杆、固定在所述伸缩杆上端的力传感器15和驱动所述伸缩杆伸缩的手轮19，待测试件12上连接有加载杆13，加载杆13的一端与待测试件12 卡装连接，另一端通过拉绳14与力传感器15相连，待测试件12的表面粘贴有用于待测试件应变值的应变片31。
为保证使用效果，所述的伸缩杆包括竖直设置在底座上的套管16，套管16内穿装有沿套管轴向上下滑动的滑动柱17，滑动柱17与套管16之间不能相对转动，滑动柱17下方的底座设置有空腔结构，空腔结构内设置有轴承座26，轴承座26上经第二轴承装有竖直设置的第一驱动轴23，第一驱动轴23的上端与滑动柱17的下端螺纹连接，滑动柱17下部固定装有第一锥形齿轮24，底座的侧壁上经第三轴承27装有第二驱动轴23，第二驱动轴23伸入空腔结构的一端装有与第一锥形齿轮24啮合的第二锥形齿轮25，手轮19固定在第二驱动轴23伸出底座外侧的一端上，所述第二锥形齿轮25的直径小于第一锥形齿轮24的直径，从而可以进行小幅度均匀的加力。
所述的手轮19上设置有向外垂直伸出的手柄20，方便手持进行旋转加载操作。
所述滑动柱17的截面为多边形，如四边形，三角形等，套管16内腔为与滑动柱截面相对应的多边形，从而使滑动柱无法相对于套管转动，但是能够在螺纹驱动下使其上下滑动；所述滑动柱17的下端设置有盲孔17a，盲孔17a内壁有内螺纹，第一驱动轴23上部的外壁上设置有与内螺纹相对应的外螺纹，第一驱动轴23的上部通过外螺纹和内螺纹旋装在盲孔内，所述滑动柱17的上端设置有用于与力传感器15连接的螺纹连接柱17b。
所述的轨道18中部设置有隔板182，隔板182两侧的轨道内分别设置有与轨道滑动方向平行的第一丝杠183和第二丝杠184，第一丝杠183、第二丝杠184的两端均分别与轨道两端的侧壁以及隔板转动接连，轨道18两端分别设置有第一步进电机3和第二步进电机4，第一步进电机3的第一转动轴3a与第一丝杠183同轴连接，第二步进电机4的第二转动轴4a与第二丝杠184 同轴连接，第一丝杠183和第二丝杠184上分别旋装有第一滑块7和第二滑块8，第一滑块7上装有第一卡头7a，第二滑块8上装有第二卡头8a，第一卡头7a和第二卡头8a均置于轨道的滑动槽内，第一滑动支架固定在第一滑块上，第二滑动支架固定在第二滑块上，构成第一滑动支架、第二滑动支架沿轨道长度方向的滑动结构。
所述第一滑块7中心设置有与第一丝杠相对应的螺孔，螺孔内设置有与丝杠对应的螺纹，所述第二滑块8中心设置有与第二丝杠相对应的螺孔，螺孔内设置有与丝杠对应的螺纹，轨道的滑动槽可以为燕尾槽，第一卡头7a和第二卡头8a均卡装在燕尾槽内，能够沿燕尾槽前后滑动，起到限位作用；所述的轨道18两端分别设置有用于固定第一步进电机3的第一支撑架2a 和用于固定第二步进电机4的第二支撑架2b；所述的底座上设置有分别与第一步进电机3和第二步进电机4相连的控制器21，用于控制器第一步进电机和第二步进电机启闭和正反转，所述的控制器21为现有技术市售产品，如型号为STC15W401AS的控制芯片，又如型号为STC89C51 的单片机控制器等。
所述加载杆13包括杆体131，杆体131后端沿长度方向均布有多个用于与拉绳14连接的连接孔132，杆体131前端设置有用于与待测试件12固定连接的管钳结构，所述管钳结构包括设置在杆体131前端端面上的后钳口夹板138和设置在杆体131前端上部的凸起部133，凸起部133 上设置有开有前后贯通的穿孔，穿孔的轴向与杆体131的长度方向平行，穿孔内穿装有螺杆 134，螺杆的前端向前伸出后钳口夹板138的前端，伸出一端的端部上设置有向下伸出且与后钳口夹板138正对的前钳口夹板137，凸起部133上设置有开口槽139，螺杆上旋装有螺杆位置调节轮136，螺杆位置调节轮136位于开口槽139内，使其在旋转过程中始终被束缚在开口槽 139，构成前钳口夹板137的位置调节结构；所述后钳口夹板138与前钳口夹板137的正对面上设置有第一齿牙138a，前钳口夹板137与后钳口夹板138的正对面上设置有与第一齿牙138a相对应的第二齿牙137a，构成防滑式夹持结构。螺杆134上设置有螺杆螺纹135，螺杆位置调节轮136内壁上设置有与螺杆螺纹135相对应的外螺纹，旋转螺杆位置调节轮，由于其本身被束缚在开口槽内，无法前后移动，在螺纹作用下，螺杆前后移动，从而带动螺杆前端的前钳口夹板137前后移动，从而使后钳口夹板138与前钳口夹板137的间隙增大或减小，加紧待测试件，从而使加载杆与不同直径的待测试件固定连接；杆体131后端有多个连接孔132，当待测试件直径发生变化时，可选择位置合适的连接孔进行安装拉绳。
所述的旋转固定座10中心均设置有待测试件固定孔10a，待测试件12的端部置于待测试件固定孔10a内，旋转固定座10的侧壁上开有多个内外贯通的螺栓通孔，螺栓通孔上旋装有下端伸入待测试件固定孔10a的紧固螺栓11，待测试件12由紧固螺栓11压紧固定。
所述的底座上设置有与应变片31相对应的、用于读取应变片应变值的应变仪29，应变片 31的输出端与应变仪29的输入端相连。应变仪29可显示应变片31的应变值，应变仪和应变片均为市售的现有产品，如秦皇岛协力科技开发有限公司生产和销售的型号为XL2102S的应变仪，北京一洋应振测试技术有限公司销售的型号为BX120-5AA的应变片；所述的底座上设置有与力传感器15相对应的、用于读取力传感器荷载值的测量仪30，力传感器15的输出端与测量仪30的输入端相连，所述力传感器15与测量仪通过信号线连接，测量仪可以显示载荷值，传感器和测量仪均为市售的现有产品，如秦皇岛协力科技开发有限公司生产和销售的型号为 XL1153-1t的力传感器，型号为XL2116A的测量仪。
所述应变片31的中心线31a与待测试件12的轴线12a的夹角为45°。
本实用新型使用时，首先对待测试件的直径D进行测量，可采用游标卡尺等常规试验器材进行测量，然后粘贴应变片，具体步骤如下：
1.检查和分选应变片，贴片前应对应变片进行外观检查和阻值测量。检查应变片的敏感栅有无锈斑、基地和覆盖层有无破损、引线是否牢固。阻值测量检查应变片是否有断路、断路情况。
2.粘贴表面准备，去除待测试件表面的油污、漆、锈斑，用砂布交叉打磨出细纹以增加粘结力，接着用脱脂棉沾酒精擦洗，并用钢画针画出贴片定位线，定位线与待测试件的轴线呈45°夹角。再拿脱脂棉沾酒精擦洗，最后要求脱脂棉球上不见污迹为止。
3.贴片，在应变片底面和处理过的粘贴表面上，各涂一层薄而均匀的502胶，将应变片放在事先画好定位线的地方并调整好位置，使定位线与中心线重合，然后盖上塑料薄膜，用手指挤压出应变片下面的气泡，使应变片与试件完全贴合。
4.粘贴接线端子，在应变片引线前5-10mm地方采用跟粘贴应变片相同的方法粘贴接线端子。
5.测量导线的焊接与固定，将导线与应变片引线都焊在接线端子上，将焊好的导线在试件沿途固定，固定方法可以采用胶布粘贴，也可以采用502粘贴。应变片粘贴位置如图6所示
应变片粘贴完成后，将待测试件固定在第一滑动支架和第二滑动支架之间，待测试件的一端通过三爪卡盘9夹紧固定，另一端通过旋转固定座10上的第三紧固螺栓11压紧固定，加载杆13通过前钳口夹板137与后钳口夹板138夹紧待测试件，加载杆呈水平状设置，加载杆末端的通过选择合适的连接孔安装拉绳14，并通过拉绳与力传感器15相连，测量连接孔到待测试件中心的水平距离，记为加力手柄长度L1，将应变片导线接到应变仪30中，然后拟定加载方案，
如可采用增量法，分级等增量加载，经检查无误后进行加载。顺时针缓慢转动手轮逐渐将载荷加至P0作为初载，然后长按测力仪清零键将初始读数P0清零，长按应变仪上平衡键将应变仪初始读数清零。然后缓慢均匀地逐级加载，每增加一级载荷的荷载增量ΔP，记录一次应变片的应变值读数ε45°，并在记录数据的同时，随时检查读数应变增量Δε45°是否符合线性变化规律，以判断实验是否正常。实际操作时，可通过下表记录：
实验必须在比例极限内进行，故最大应力值不能大于比例极限。实验最大载荷Pmax一般根据材料屈服极限σs的70％～80％进行估算：
初载P0一般按Pmax的10％来设定
实验分5～7级加载，为减小误差，所分的级次应使得每级加载后的应变仪读数有明显的变化。实验结束后，逆时针转动手轮卸载、关闭电源，清理实验现场，并将所用仪器、设备复原。
然后进行实验结果处理即可，具体如下：
1.由载荷增量ΔP计算扭矩增量ΔT：
ΔT＝ΔP×L1
2.由公式计算抗扭截面模量WP值：
3.由公式计算最大剪应力增量Δτ：
4.由公式计算的数值，其中E为弹性模量，μ为泊松比
5.由公式计算材料剪切模量G
由上述情况可以清楚的看出，本实用新型结构新颖独特，简单合理，通过步进电机控制第一滑动支架和第二滑动支架，从而适应不同长度的待测试件，通过三爪卡盘与待测试件进行夹紧固定，拆装方便，且连接牢固，通过缓慢转动手轮即可均匀地逐级加载，且通过应变片直接读取待测试件的应变值，操作方便，从而快速、准确得完成材料剪切模量的测定，是材料力学实验装置上的创新。
Claims (10)
1.一种材料剪切模量测定仪，包括底座(1)和待测试件(12)，其特征在于，底座上设置有水平的轨道(18)，轨道(18)上分别设置有沿其长度方向移动和固定的第一滑动支架(5)和第二滑动支架(6)，第一滑动支架(5)与第二滑动支架(6)正对面的上部设置有三爪卡盘(9)，第二滑动支架(6)与第一滑动支架(5)正对面的上部设置有与三爪卡盘(9)正对的旋转固定座(10)，旋转固定座(10)经第一轴承(22)装在第二滑动支架(6)上，构成转动结构，待测试件(12)设置在第一滑动支架(5)和第二滑动支架(6)之间，待测试件(12)固定卡装在三爪卡盘(9)上，另一端固定连接在旋转固定座(10)上，底座(1)上设置有加载机构，加载机构包括沿竖直方向伸缩的伸缩杆、固定在所述伸缩杆上端的力传感器(15)和驱动所述伸缩杆伸缩的手轮(19)，待测试件(12)上连接有加载杆(13)，加载杆(13)的一端与待测试件(12)卡装连接，另一端通过拉绳(14)与力传感器(15)相连，待测试件(12)的表面粘贴有用于待测试件应变值的应变片(31)。
2.根据权利要求1所述的材料剪切模量测定仪，其特征在于，所述的伸缩杆包括竖直设置在底座上的套管(16)，套管(16)内穿装有沿套管轴向上下滑动的滑动柱(17)，滑动柱(17)与套管(16)之间不能相对转动，滑动柱(17)下方的底座设置有空腔结构，空腔结构内设置有轴承座(26)，轴承座(26)上经第二轴承装有竖直设置的第一驱动轴(23)，第一驱动轴(23)的上端与滑动柱(17)的下端螺纹连接，滑动柱(17)下部固定装有第一锥形齿轮(24)，底座的侧壁上经第三轴承(27)装有第二驱动轴(28)，第二驱动轴(28)伸入空腔结构的一端装有与第一锥形齿轮(24)啮合的第二锥形齿轮(25)，手轮(19)固定在第二驱动轴(28)伸出底座外侧的一端上。
3.根据权利要求1或2所述的材料剪切模量测定仪，其特征在于，所述的手轮(19)上设置有向外垂直伸出的手柄(20)。
4.根据权利要求1所述的材料剪切模量测定仪，其特征在于，所述的轨道(18)中部设置有隔板(182)，隔板(182)两侧的轨道内分别设置有与轨道滑动方向平行的第一丝杠(183)和第二丝杠(184)，第一丝杠(183)、第二丝杠(184)的两端均分别与轨道两端的侧壁以及隔板转动接连，轨道(18)两端分别设置有第一步进电机(3)和第二步进电机(4)，第一步进电机(3)的第一转动轴(3a)与第一丝杠(183)同轴连接，第二步进电机(4)的第二转动轴(4a)与第二丝杠(184)同轴连接，第一丝杠(183)和第二丝杠(184)上分别旋装有第一滑块(7)和第二滑块(8)，第一滑块(7)上装有第一卡头(7a)，第二滑块(8)上装有第二卡头(8a)，第一卡头(7a)和第二卡头(8a)均置于轨道的滑动槽内，第一滑动支架固定在第一滑块上，第二滑动支架固定在第二滑块上，构成第一滑动支架、第二滑动支架沿轨道长度方向的滑动结构。
5.根据权利要求1所述的材料剪切模量测定仪，其特征在于，所述加载杆(13)包括杆体(131)，杆体(131)后端沿长度方向均布有多个用于与拉绳(14)连接的连接孔(132)，杆体(131)前端设置有用于与待测试件(12)固定连接的管钳结构，所述管钳结构包括设置在杆体(131)前端端面上的后钳口夹板(138)和设置在杆体(131)前端上部的凸起部(133)，凸起部(133)上设置有开有前后贯通的穿孔，穿孔的轴向与杆体(131)的长度方向平行，穿孔内穿装有螺杆(134)，螺杆的前端向前伸出后钳口夹板(138)的前端，伸出一端的端部上设置有向下伸出且与后钳口夹板(138)正对的前钳口夹板(137)，凸起部(133)上设置有开口槽(139)，螺杆上旋装有螺杆位置调节轮(136)，螺杆位置调节轮(136)位于开口槽(139)内，使其在旋转过程中始终被束缚在开口槽(139)，构成前钳口夹板(137)的位置调节结构。
6.根据权利要求5所述的材料剪切模量测定仪，其特征在于，所述后钳口夹板(138)与前钳口夹板(137)的正对面上设置有第一齿牙(138a)，前钳口夹板(137)与后钳口夹板(138)的正对面上设置有与第一齿牙(138a)相对应的第二齿牙(137a)，构成防滑式夹持结构。
7.根据权利要求1所述的材料剪切模量测定仪，其特征在于，所述的旋转固定座(10)中心均设置有待测试件固定孔(10a)，待测试件(12)的端部置于待测试件固定孔(10a)内，旋转固定座(10)的侧壁上开有多个内外贯通的螺栓通孔，螺栓通孔上旋装有下端伸入待测试件固定孔(10a)的紧固螺栓(11)，待测试件(12)由紧固螺栓(11)压紧固定。
8.根据权利要求1所述的材料剪切模量测定仪，其特征在于，所述的底座上设置有与应变片(31)相对应的、用于读取应变片应变值的应变仪(29)，应变片(31)的输出端与应变仪(29)的输入端相连。
9.根据权利要求1所述的材料剪切模量测定仪，其特征在于，所述的底座上设置有与力传感器(15)相对应的、用于读取力传感器荷载值的测量仪(30)，力传感器(15)的输出端与测量仪(30)的输入端相连。
10.根据权利要求1所述的材料剪切模量测定仪，其特征在于，所述应变片(31)的中心线(31a)与待测试件(12)的轴线(12a)的夹角为45°。
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| CN110595916A (zh) * | 2019-09-25 | 2019-12-20 | 燕山大学 | 一种板材剪切试验装置 |
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