CN209878291U

CN209878291U - 下置式驱动压电高频疲劳试验机

Info

Publication number: CN209878291U
Application number: CN201920621063.7U
Authority: CN
Inventors: 刘江伟; 杨志刚; 张思达; 刘清华; 徐博林
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2019-04-30
Filing date: 2019-04-30
Publication date: 2019-12-31
Anticipated expiration: 2029-04-30

Abstract

本实用新型涉及一种下置式驱动压电高频疲劳试验机，由压电振子(4)、预载荷调整机构(10)、力传感机构(9)、夹持机构(7)、试件(8)和动态载荷调整机构(5)等组成；其中：所述动态载荷调整机构(5)为质量‑弹簧系统，可调节系统的谐振频率及动态载荷；工作时，通过预载荷调整机构(10)对试件(8)施加合适的预载荷，然后给压电振子施加交变电压，调整电压频率使系统发生谐振，此时动态载荷调整机构(5)内的配重质量块(503)所产生的惯性力往复作用在试件(8)上，从而实现了疲劳检测；此试验机动态位移大、动态力可调、精度高且工作频带宽，可对微小金属硬脆试件及非金属部件进行疲劳试验。

Description

下置式驱动压电高频疲劳试验机

技术领域

本实用新型属于疲劳检测与试验领域，具体涉及一种下置式驱动压电高频疲劳试验机。

背景技术

疲劳试验机用于对试件施加周期性的动态载荷以检测材料或部件的疲劳特性。多年的统计分析显示，汽车零部件的破坏中85％是由疲劳引起的，航空工程有 60％～80％的断裂是由结构材料的疲劳破坏引起的。目前尚不能通过理论方法来预测材料在交变载荷作用下的强度性能，而只有通过试验的方法来解决。因此，疲劳试验机在预测材料疲劳寿命方面发挥着难以取代的作用。高频疲劳试验机广泛应用于对金属与非金属构件的拉压、摩擦等疲劳性能的检测，属于疲劳检测与试验中应用范围最广、数量最多的一类设备，是电子、机械、航空、航天、冶金等领域产品性能实验与检测的重要手段。目前，国内外现有的高频疲劳试验机主要有电磁驱动型、电液伺服驱动型两大类。其中电磁驱动型动态位移大、响应快，适宜对一般零部件的检测，是目前最为常用的疲劳检测设备；而电液伺服驱动型输出功率大、载荷平稳，适宜对大中型、重载构件的检测，但工作频率低、试验时间长，应用受到较多限制。两种高频疲劳试验机均需在系统谐振状态下工作，动态载荷均大于500N，受系统阻抗与磁阻的限制，一般工作频率不大于200Hz，同时普遍存在振幅稳定性差、谐振稳定性不好、交变载荷过大且精度不高等问题，均不适于对微小与生物器件的检测。近年来，随着微电子技术、生物医学、仿生学等领域快速发展，工业产品呈现微型化、精密化等特点，微小、硬脆和高速工作的机械零部件的使用逐渐增多。为保证此类器件的工作可靠性和疲劳寿命，对其进行疲劳研究有重要意义。然而受限于此类疲劳试验较高的精度(纳米级)及微小载荷加载要求，目前市场上还没有专业化的设备来进行此类试验，相关成果以及文献也较少，因此研发小载荷、高精度、并具有较高检测效率的高频疲劳试验机的研发变得日益重要。

发明内容

为了解决目前高频疲劳试验机输出动态载荷大时不稳定，不利于对微小及硬脆试件进行疲劳试验，以及工作频率低于200Hz不利于更高频率加载的问题，提出了一种下置式驱动压电高频疲劳试验机，该下置式驱动压电高频疲劳试验机由底脚(1)、底座(2)、导杆(3)、压电振子(4)、动态载荷调整机构(5)、下支撑板(6)、夹持机构(7)、试件(8)、力传感机构(9)、预载荷调整机构 (10)构成，工作时，通过预载荷调整机构(10)对试件(8)施加合适的预载荷，然后给压电振子施加交变电压，调整电压频率使系统发生谐振，此时动态载荷调整机构(5)内的配重质量块(503)所产生的惯性力往复作用在试件(8) 上，从而实现了疲劳检测；其次，由于驱动方式采取压电振子(4)进行驱动，频响高，可以极大的提升疲劳试验效率及能够预测试件在高频工作状态下材料的疲劳寿命。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型一种下置式驱动压电高频疲劳试验机，包括底脚(1)、底座(2)、导杆(3)、压电振子(4)、动态载荷调整机构(5)、下支撑板(6)、夹持机构 (7)、试件(8)、力传感机构(9)、预载荷调整机构(10)，其中：

所述压电振子(4)采用由一片压电薄片材料(402)粘贴在弹性基板(401) 上形成的单晶片压电振子(图3a)，或由两片压电薄片材料(402)粘贴在弹性基板(401)两侧形成双晶片压电振子(图3b)；

所述底脚(1)起到隔振作用；所述底座(2)为长方体块，周边均匀加工有螺纹通孔，可以将所述底脚(1)通过螺栓连接于其上，也可将其通过螺栓水平固定于隔振平台上；所述导杆(3)为阶梯轴，中间粗，两端细，且两端加工有螺纹；所述底座(2)在中心线对称的两侧加工有通孔，分别将所述的两根导杆 (3)的一侧细端置于孔内，并且用螺母固定在所述底座(2)上；

所述动态载荷调整机构(5)是为了调整谐振系统的谐振频率与作用力而设置；其主要包括(图4)由下至上分别为下盘(501)、配重盘(502)、配重质量块(503)、传振杆(504)、弹性环(505)及传振板(506)；其中压电振子置于下盘(501)与配重盘(502)之间，与下盘(501)、配重盘(502)及配重质量块(503)固连在一起，所述下盘(501)及配重盘(502)靠近压电振子(4) 的一侧开有能容纳压电振子(4)变形空间的沉头孔；压电振子(4)、配重盘(502)、配重质量块(503)中心端开有通孔；下支撑板(6)中心端开有大通孔(603) 及两侧开有小通孔(602)；所述传振杆(504)下端穿过下支撑板大通孔(603) 及配重质量块(503)、配重盘(502)通孔与压电振子(4)中心端固连，上端与传振板(506)固连；所述下支撑板(6)通过螺母锁定机构(601)锁定于两导杆(3)上，上端对称布置有两个弹性环(505)，通过螺栓穿过所述下支撑板小通孔(602)连接于弹性环下方的螺纹孔(5051)内，弹性环(505)的上端与传振板(506)固连。

所述预载荷调整机构(10)是为了预先对试件(8)进行静态加载而设置，其主要结构包括(图5)加载板(101)、顶梁(102)、螺杆(103)及加载手柄 (104)，施加预载荷时，转动所述加载手柄(104)，带动所述螺杆(103)转动，进而推动所述加载板(101)沿着所述的两根导杆(3)移动，当移动到合适的位置后，停止转动所述加载手柄(104)，同时利用静态载荷保持机构(1011) 锁定静态载荷，从而实现了预置载荷的加载。

所述力传感机构(9)是为了实时测定施加于试件上的载荷而设置，其主要结构(图6)包括力传感器(901)、传感器下连接板(902)及传感器上固定板 (903)，通过螺栓穿过传感器上固定板通孔(9031)连接于预载荷调整结构(10) 的加载板螺纹孔(1012)内。

所述夹持机构(7)是为了夹持试件(8)而设置，关于试件(8)上下对称布置有一对。所述夹持机构(7)(图7)由夹具(701)及夹具固定板(702) 组成，二者通过螺栓固连在一起。

所述置于上方的夹持机构(7)中的夹具固定板(702)置于力传感机构(9) 中的传感器下连接板(902)的下方，且通过螺栓穿过夹具固定板通孔(7021) 连接于所述传感器下连接板螺纹孔(9021)内。

所述置于下方的夹持机构(7)中的夹具固定板(702)置于动态载荷调整机构(5)中的传振板(506)上方，且通过螺栓穿过夹具固定板通孔(7021)连接于所述传振板螺纹孔(5061)内。

所述试件(8)夹持于所述上下的两个夹持机构(7)之间。

工作时，通过预载荷调整机构(10)对试件(8)施加合适的预载荷，然后给压电振子施加交变电压，调整电压频率使系统发生谐振，此时动态载荷调整机构(5)内的配重质量块(503)所产生的惯性力往复作用在试件(8)上，从而实现了疲劳检测；其次，由于驱动方式采取压电振子(4)进行驱动，频响高，可以极大的提升疲劳试验效率及能够预测试件在高频工作状态下材料的疲劳寿命。

附图说明

图1是本实用新型一种下置式驱动压电高频疲劳试验机结构的一个较佳实例。

图2是本实用新型一种下置式驱动压电高频疲劳试验机等轴测试图。

图3a是本实用新型一种下置式驱动压电高频疲劳试验机的双晶片压电振子结构，图3b是本实用新型一种下置式驱动压电高频疲劳试验机的单晶片压电振子结构。

图4是本实用新型一种下置式驱动压电高频疲劳试验机的动态载荷调整机构示意图。

图5是本实用新型一种下置式驱动压电高频疲劳试验机预载荷调整机构示意图。

图6是本实用新型一种下置式驱动压电高频疲劳试验机力传感机构示意图。

图7是本实用新型一种下置式驱动压电高频疲劳试验机夹持机构示意图。

图8是本实用新型一种下置式驱动压电高频疲劳试验机弹性环剖视图。

图9是本实用新型一种下置式驱动压电高频疲劳试验机配重盘等轴测视图。

图10是本实用新型一种下置式驱动压电高频疲劳试验机配重质量块等轴测视图。

1-底脚、2-底座、3-导杆、4-压电振子、5-动态载荷调整机构、501-下盘、502- 配重盘、503-配重质量块、504-传振杆、505-弹性环、506-传振板、5021-配重盘通孔、5022-配重盘螺纹孔、5031-配重质量块通孔、5051-弹性环螺纹孔、5061- 传振板螺纹孔、6-下支撑板、601-螺母锁定机构、602-下支撑板小通孔、603-下支撑板中心端大通孔、7-夹持机构、701-夹具、702-夹具固定板、7021-夹具固定板通孔、8-试件、9-力传感机构、901-力传感器、902-传感器下连接板、903-传感器上固定板、9021-传感器下连接板螺纹孔、9031-传感器上固定板通孔、10- 预载荷调整机构、101-加载板、102-顶梁、103-螺杆、104-加载手柄、1011-静态载荷保持机构、1012-加载板螺纹孔

具体实施方式

参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9及图10，本实用新型一种下置式驱动压电高频疲劳试验机是由底脚(1)、底座(2)、导杆(3)、压电振子(4)、动态载荷调整机构(5)、下支撑板(6)、夹持机构(7)、试件 (8)、力传感机构(9)、预载荷调整机构(10)构成，其中：

所述试件(8)夹持于所述上下的两个夹持机构(7)之间。

疲劳试验中振动发生于于下支撑板(6)和加载板(101)之间。

所述配重盘(502)与所述下支撑板(6)之间预留有一定的空间，以方便配重质量块(503)的加载。

为了方便配重质量块(503)的加载，所述配重质量块(503)为半圆形，中心位置有半圆通孔(5032)，以便不影响所述传振杆(504)的传振，所述配重质量块沿周边布置有通孔(5031)，螺栓穿过所述配重质量块通孔(5031)连接于所述配重盘(502)的配重盘螺纹孔(5022)内。

工作时，预先测定试验机的谐振频率，然后预载荷调整机构(10)对试件(8) 施加合适的预载荷，最后给压电振子(4)通频率与谐振频率相同的交变电压，系统便发生共振，此时动态载荷调整机构(5)内的配置质量在共振状态下所产生的惯性力往复作用在试件(8)上，从而实现了疲劳检测，填补了目前疲劳试验机工作的一大空白；其次，由于驱动方式采取压电振子(4)进行驱动，频响高，可以极大的提升疲劳试验效率及能够模拟高频工作状态下材料的疲劳寿命。

以上所述的仅是本实用新型的较佳实施方式,在此应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本实用新型创造构思的前提下,还可以做出改进,但这些均属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种下置式驱动压电高频疲劳试验机，其特征在于采用压电振子(4)作为驱动源，与预载荷调整机构(10)、力传感机构(9)、夹持机构(7)、试件(8)和动态载荷调整机构(5)共同构成谐振系统，在外部交变电压作用下，压电振子(4)产生激励促使系统谐振，则动态载荷调整机构(5)内的配重质量块(503)所产生的惯性力往复作用在试件(8)上，从而实现疲劳检测与试验。

2.根据权利要求1所述的下置式驱动压电高频疲劳试验机，其特征在于：采用压电振子作为激励源，所述压电振子(4)采用由一片压电薄片材料(402)粘贴在弹性基板(401)上形成的单晶片压电振子，或由两片压电薄片材料(402)粘贴在弹性基板(401)两侧形成双晶片压电振子。

3.根据权利要求1所述的下置式驱动压电高频疲劳试验机，其特征在于：为了降低激励源的重心及提高动态加载的稳定性，压电振子(4)及动态载荷调整机构(5)布置于整机的下部。

4.根据权利要求1所述的下置式驱动压电高频疲劳试验机，其特征在于：动态载荷调整机构(5)是为了调整谐振系统的谐振频率与作用力而设置；其主要包括由下至上分别为下盘(501)、配重盘(502)、配重质量块(503)、传振杆(504)、弹性环(505)及传振板(506)；其中压电振子置于下盘(501)与配重盘(502)之间，与下盘(501)、配重盘(502)及配重质量块(503)固连在一起，所述下盘(501)及配重盘(502)靠近压电振子(4)的一侧开有能容纳压电振子(4)变形空间的沉头孔；压电振子(4)、配重盘(502)、配重质量块(503)中心端开有通孔；下支撑板(6)中心端开有大通孔(603)及两侧开有小通孔(602)；所述传振杆(504)下端穿过下支撑板大通孔(603)及配重质量块(503)、配重盘(502)通孔与压电振子(4)中心端固连，上端与传振板(506)固连；所述下支撑板(6)通过螺母锁定机构(601)锁定于两导杆(3)上，上端对称布置有两个弹性环(505)，通过螺栓穿过所述下支撑板小通孔(602)连接于弹性环下方的螺纹孔(5051)内，弹性环(505)的上端与传振板(506)固连。

5.根据权利要求1所述的下置式驱动压电高频疲劳试验机，其特征在于：所述压电振子(4)在力传递环节中，不仅起到了驱动系统工作的作用，且其本身的质量也起到了配重质量的作用。

6.根据权利要求1所述的下置式驱动压电高频疲劳试验机，其特征在于：为了方便配重质量块(503)的加载，所述配重质量块(503)为半圆形，中心位置有半圆通孔(5032)。