CN211856162U - 一种超大载荷液压压缩夹具 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于工装夹具技术领域，具体涉及一种超大载荷液压压缩夹具,包括上夹块和下夹块，二者上均设置有槽体，还设置有对上下夹块作相对运动进行导向的导向结构；槽体内设置有固定块和移动块，二者用于对样件进行固定，槽体上还设置有对移动块进行导向的导向带，以及带动移动块相对于固定块进行移动的液压缸；液压缸的活塞杆端部与移动块上的磁铁作用连接。本液压夹具可以保证动力传输的稳定性和均衡性，可有效保证在0‑1000kN测试载荷下样件两端所受到的夹紧力的加载中心和样件在一条直线上，从而实现实际生产样件或者厚板的直接测试，通过压缩夹具的创新和样件尺寸的设计，保证所测得的复合材料的力学性能数据的真实性和可靠性。

Description

一种超大载荷液压压缩夹具

技术领域

本实用新型属于工装夹具技术领域，可以应用于风电、航空航天以及轨道交通行业，为各种常见和新型复合材料的检测和开发提供技术支持，特别是可以满足风电行业碳纤维及玻璃纤维拉挤件的超大载荷压缩测试要求，具体涉及一种超大载荷液压压缩夹具。

背景技术

碳纤维，玻璃纤维及其它聚合物纤维增强复合材料在风电、航空航天以及轨道交通等行业的应用越来越广泛，复合材料的可设计性为其应用提供了广阔的空间。材料的设计需要以材料的性能数据作为输入，并用材料的性能测试结果作为校核，所以复合材料的力学性能测试是其开发和应用的关键一环。压缩测试是表征复合材料性能的基本方法之一，传统的夹具包括：如图11所示的剪切加载模式(ASTM D3410/D3410M-2016)，如图12所示的端部加载模式(ASTM D695-2002)，以及如图13所示的端部和剪切混合加载模式(ASTMD6641/D6641M-2016)，这三种工装夹具只能适用于50kN载荷以下的压缩测试，且对于压缩模量高或厚板材料的样件均为测试特殊准备，而非真实实际使用材料。在压缩测试过程中，对样件附加的载荷越大，固定样件所需要的夹力越大，传统的压缩夹具不能保证夹力继续增加后样件两端夹力的对称性和稳定性。当载荷继续增加时，试样两端夹力的非对称和不稳定会造成样件端部破坏、加强片脱落、破坏在加强片区域等一系列样件提前失效或异常失效的问题，而无法真实地评价材料的性能。复合材料根据材料的应用需求不同，其厚度可从一毫米至几十毫米，通常相同材料所能承受的载荷随材料厚度的增加而增大。而且，随着复合材料的不断开发，会有压缩模量越来越高的新材料涌现，目前碳纤维拉挤板的压缩模量通常在130GPa以上，以10mm宽度的碳纤维拉挤板为例，当其厚度为5mm时，可承受的压缩载荷可达到 70kN以上，传统的夹具不能满足测试载荷增大的需求。在标准ASTM D6641/D6641M-2016中，有提到通过削弱材料厚度来进行测试的方法，但数据推算的过程会导致最终结果误差增大，同时人为造成的对样品的破坏和干扰也会使测量结果偏差较大，另外为了防止测试过程中出现样件屈曲的现象，样件的厚度不能过小。为了真实评价材料的本征性能，必须在保证材料不被破坏的情况下进行测试。因此适用于不同材料力学性能测试的超大载荷液压压缩夹具的设计制造对于新复合材料的开发和应用有重要意义。

鉴于上述情况，本发明人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种可达到1000kN超大载荷液压压缩夹具，并基于复合材料力学原理对压缩样件的尺寸进行改进设计，以满足不同种类，不同厚度的复合材料的测试要求，实现对生产样件或者厚板的直接测试，具有更广的实用范围。

实用新型内容

本实用新型要解决的问题是提供一种超大载荷液压压缩夹具，从而有效解决背景技术中传统压缩夹具不能满足超大载荷压缩测试要求的问题。

为了达到上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：

一种超大载荷液压压缩夹具，包括在外力作用下相对靠近和远离的上夹块和下夹块，二者上均设置有槽体，两所述槽体具有相对设置的第一开口端以及位于同一平面内的第二开口端；所述上夹块和下夹块之间还设置有用于对上下夹块作相对运动进行导向的导向结构；

所述槽体内设置有固定块和移动块，以及带动所述移动块相对于所述固定块进行移动的液压缸，所述固定块与所述槽体的第一侧壁固定连接，所述移动块具有与所述固定块上的第一夹紧面相互平行的第二夹紧面，二者用于对样件进行夹紧；所述液压缸的缸体与所述槽体内与所述第一侧壁平行的第二侧壁固定连接，且活塞杆端部与所述移动块通过磁铁与金属的作用连接，所述槽体上还设置有用于所述移动块进行导向的导向带。

进一步地，所述上夹块和下夹块均为一体结构。

进一步地，所述移动块相对于所述活塞杆的端面上设置有凹槽，所述磁铁嵌入所述凹槽内，且所述凹槽对所述活塞杆的端部进行局部包覆。

进一步地，所述凹槽的槽体底部设置有安装槽，所述安装槽用于对所述磁铁进行安装，且在磁铁安装完成后超出所述凹槽的槽体底面。

进一步地，所述上夹块的在所述样件受压方向的顶面上设置有受力结构，所述受力结构包括与所述上夹块固定连接的安装座，以及用于连接施力设备的受力座，其中，所述安装座和所述受力座之间通过部分球面接触。

进一步地，所述受力结构在所述样件夹紧位置处的正上方设置。

进一步地，所述安装座与所述上夹块的顶部之间设置有平衡板，所述平衡板中心对称地设置于所述上夹块顶部。

进一步地，所述受力座上设置有沉头孔，在所述安装座上对应设置有螺纹孔，安装于所述沉头孔内的螺栓与所述螺纹孔连接，其中，所述沉头孔底部孔径大于所述螺栓的外径。

进一步地，所述上夹块与所述平衡板之间通过连接件固定，且所述连接件的顶部被所述安装座覆盖。

进一步地，所述导向带相对于所述槽体为分体结构，且通过连接所述上夹块和所述平衡板之间的连接件实现固定。

进一步地，所述样件为长方体结构，总长l≥160±1mm，宽度b 为10±0.5—25±0.5mm，厚度h为5±0.2—10±0.2mm，标距L为 10±0.5—25±0.5mm。

进一步地，样件通过两槽体位于同一平面内的第二开口端放置于第一夹紧面和第二夹紧面之间，样件贯穿相对设置的两个第一开口端。

通过上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

在本实用新型中，通过将液压缸的活塞杆端部与移动块通过磁铁连接，使得二者之间不具有相对固定的关系，而仅具有动力的传输效果，通过导向带的设置，使得移动块和固定块之间的相对运动具有稳定性，在此稳定性保持的过程中，当活塞杆与移动块之间存在细微偏差时，活塞杆端部可在磁铁连接处通过与移动块的相对位置的可移动性而自动调节，只需在夹具加工的过程中保证第一夹紧面和第二夹紧面的平行度以及液压缸的动力输出的均衡性，即可有效地保证样件两端所受到的夹紧力的加载中心和样件在一条直线上，从而在增大载荷的情况下，仍能够确保最终所测得复合材料的压缩强度的真实性和可靠性。对压缩样件尺寸的设计可以在不人为破坏材料的情况下，实现对生产样件或者厚板的直接测试，进一步的保证测试结果的准确性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为超大载荷液压压缩夹具的剖视图；

图2为上夹块与受力结构的连接示意图；

图3为图2的剖视图(省略槽体内部结构)；

图4为移动块的剖视图；

图5为图4中A处的局部放大图；

图6为受力结构的结构示意图；

图7为图6的剖视图；

图8为上夹块与受力结构的一种优化连接示意图；

图9为图1中B处的局部放大图；

图10为压缩样件的示意图

图11为背景技术中剪切加载的示意图；

图12为背景技术中端部加载的示意图；

图13为背景技术中端部和剪切混合加载的示意图；

图14为具体实施方式中，使用超大载荷液压压缩夹具测试5mm 厚度碳纤维拉挤板的样件测试后的状态图；

图15为具体实施方式中，使用ASTM D6641/D6641M-2016混合加载夹具测试5mm厚度碳纤维拉挤板的样件测试后的状态图；

附图标记：上夹块1、下夹块2、槽体3、导向带31、导向结构 4、固定块5、移动块6、凹槽61、液压缸7、磁铁8、受力结构9、安装座91、螺纹孔91a、受力座92、沉头孔92a、平衡板93。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，属于“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或者位置关系为基于附图所示的方位或者位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1～3所示，一种超大载荷液压压缩夹具，包括在外力作用下相对靠近和远离的上夹块1和下夹块2，二者上均设置有槽体3，两槽体3具有相对设置的第一开口端以及位于同一平面内的第二开口端；上夹块1和下夹块2之间还设置有用于对相对运动进行导向的导向结构4；槽体3内设置有固定块5和移动块6，以及带动移动块6 相对于固定块5进行移动的液压缸7，固定块5与槽体3的第一侧壁固定连接，移动块6具有与固定块5上的第一夹紧面相互平行的第二夹紧面，二者用于对样件进行夹紧；液压缸7的缸体与槽体3内与第一侧壁平行的第二侧壁固定连接，且活塞杆端部与移动块6通过磁铁 8与金属的作用连接，槽体3上还设置有用于移动块6进行导向的导向带31。

在本实用新型的上述实施例中，通过将液压缸7的活塞杆端部与移动块6通过磁铁连接，使得二者之间不具有相对固定的关系，而仅具有动力的传输效果，通过导向带31的设置，使得移动块6和固定块5之间的相对运动具有稳定性，在此稳定性保持的过程中，当活塞杆与移动块6之间存在细微偏差时，也可在磁铁连接处通过活塞杆端部与移动块6的位置的可移动性而克服，只需在加工的过程中保证第一夹紧面和第二夹紧面的平行度以及液压缸7的动力输出均衡性，即可有效的保证样件两端所受到的夹紧力的对称性，在对样件进行施压的过程中，导向结构4也保证了施压方向的稳定性，保证力的单向传导，导柱导套间的摩檫力极小，不超过10N，夹具上机试验后测得，可以将侧向力减少至10N内。从而使得样件在被夹紧和承受压力的过程中，两端均获得了稳定且对称的固定，双导向结构的设置使得最终复合材料所测得的压缩强度与真实值之间更为接近。

液压缸提供的压力从0到100吨不等，可以通过调节液压缸油压的大小来控制夹块对样件的顶紧力，从而实现端部加载和剪切加载比例的调控，保证在测试过程中样件所受的剪切力满足测试需求。

在上述超大载荷液压压缩夹具使用的过程中，通过两槽体3位于同一平面内的第二开口端将样件放入第一夹紧面和第二夹紧面之间，其中，样件贯穿相对设置的两个第一开口端，随后控制液压缸7施加等同的压力即可。

由于在对样件进行施压的过程中，第一侧壁和第二侧壁受到相对远离的作用力，为了保证在此过程中二者间距离的稳定性，上夹块1 和下夹块2均为一体结构，从而使得结构的稳定性更强，避免因第一侧壁和第二侧壁的相对位移而导致的测试结构偏差。

如图4和5所示，移动块6相对于活塞杆的端面上设置有凹槽 61，磁铁8嵌入凹槽61内，且凹槽61对活塞杆的端部进行局部包覆，通过凹槽61的设置，对移动块6与活塞杆之间的位置关系进行了一定的约束，只需保证凹槽61的表面与活塞杆之间存在一定的间隙即可，因为在实际使用的过程中，二者之间可能发生的位置偏差是较小的，因此凹槽61的设置并不会对活塞杆与移动块6之间细微偏差的调节受到影响，凹槽61的槽体底部设置有安装槽，安装槽用于对磁铁8进行安装，且在磁铁8安装完成后超出凹槽61的槽体底面，即当磁铁8与活塞杆端部相互吸附时，活塞杆端部与凹槽61的槽体底面之间形成间隙而保证贴合的紧密性。其中，安装槽的设置，磁铁的安装和定位均更为容易，也更为可靠。

如图6和7所示，上夹块1的在样件受压方向的顶面上设置有受力结构9，受力结构9包括与上夹块1固定连接的安装座91，以及用于连接施力设备的受力座92，其中，安装座91和受力座92之间通过部分球面接触。其中，部分球面的接触方式使得当受力座92所受的力发生微小的偏移时，可通过球面间的相互转动而避免产生巨大的侧向力，保证上夹块1和下夹块2之间相对移动的稳定性，球面的方式导向性好且尺寸包容性高，适用于超大载荷下力的稳定传递。

作为上述实施例的优选，受力结构9在样件夹紧位置处的正上方设置，从而保证样件所受到的力不会发生偏移和分量，使得受力座 92的受力方向与样件的受力方向重合。

如图8和9所示，安装座91与上夹块1的顶部之间设置有平衡板93，平衡板93中心对称地设置在上夹块1顶部，即平衡板93的中心与安装座91的中心相互偏移设置，通过平衡板93的设置，一方面可在一定程度上保证受力座92的受力方向与样件的受力方向重合，在另一方面上，也可对于上夹块1顶部的受力均衡分散，从而使得上夹块1相对于下夹块2的移动更加稳定。

为了提高美观性，上夹块1与平衡板93之间通过连接件固定，且连接件的顶部被安装座91覆盖，从而在平衡板93安装完成后，对安装座91进行安装，通过对连接件的覆盖可保证外观的美观性。

作为上述实施例的优选，受力座92上设置有沉头孔92a，在安装座91上对应设置有螺纹孔91a，安装于沉头孔92a内的螺栓与螺纹孔91a连接，其中，沉头孔92a底部孔径大于螺栓的外径，在上述结构中，螺栓实现了安装座91和受力座92之间连接，同时孔径较大的沉头孔92a可允许球面间的细微转动。

作为上述实施例的优选，导向带31相对于槽体3为分体结构，且通过连接上夹块1和平衡板93之间的连接件实现固定，从而一方面降低了导向带31加工的难度，另一方面也减少了连接件的使用。

作为上述实施例的优选，如图10所示，样件总长l≥160±1mm，宽度b为10±0.5—25±0.5mm，厚度h为5±0.2—10±0.2mm，标距 L为10±0.5—25±0.5mm。

传统的压缩测试夹具，如图11，12，13，当载荷过大以后，会造成样件端部破坏、加强片脱落、破坏在加强片区域等一系列样件异常失效或提前失效的问题。因此在原有的技术基础上，通过夹具的创新，以及样件尺寸的设计，使新夹具具备了超大载荷压缩样件的测试条件，样件尺寸设计的来源参考标准ISO 14126-1999，具体如下(单位为毫米)：

在压缩样件的尺寸设计过程中，需要注意样件厚度有一个最小值，只有当厚度超过该值，在测试过程中才能避免样件屈曲的发生。屈曲会导致试样提前失效，从而导致测试失败。样件厚度的选择可以参考 ASTM D3410/D3410M-2016,该标准中提出了厚度最小值的计算公式，公式如下：

其中：

h为样件厚度，单位mm；

L为标距，单位mm；

E_c为压缩模量，单位MPa；

σ_c为压缩强度，单位MPa；

G₁₃为厚度方向剪切模量，单位为MPa。

压缩强度的计算可以参考ISO 14126-1999，该标准中给出了压缩强度的计算公式，公式如下：

其中：

σ_cM为压缩强度，单位MPa；

F_max为最大载荷，单位N；

b为样件宽度，单位mm；

h为样件厚度，单位mm。

压缩模量的计算可以参考ISO 14126-1999中的方法，公式如下：

其中：

E_c为压缩强度，单位MPa；

ε″_c和ε′_c为压缩应变；

σ″_c为ε″_c＝0.0025时的压缩强度，单位MPa；

σ′_c为ε′_c＝0.0005时的压缩强度，单位MPa。

使用不同工装夹具对碳纤维拉挤样件进行了压缩强度的测试，样件的宽度为10mm，厚度为2mm，记录下了不同夹具所测得的压缩强度值，如下表所示：

使用不同工装夹具对碳纤维拉挤样件进行了压缩强度的测试，样件的宽度为10mm，厚度为5mm，记录下了不同夹具所测得的压缩强度值，如下表所示：

同时对碳纤维拉挤样件进行了拉伸强度的测试，测得材料的拉伸强度为1502.46MPa，理论上拉伸强度和压缩强度是接近的。从上述两组数据上来看，使用本实用新型创新的超大载荷压缩测试夹具，对于2mm和5mm厚的样件的测试结果都与实际值非常相近，且样件的破坏模式均是合理的，如图14所示，说明使用本实用新型的超大载荷液压压缩夹具进行的压缩测试更能反应材料实际的压缩性能。

采用ASTM D6641/D6641M-2016中的混合加载夹具做的压缩测试，当样件厚度为2mm时，所测得的材料的压缩强度值与实际值是接近的，破坏模式也是合理的。当样件厚度为5mm时，不仅测得的材料的压缩强度低于实际值，而且样件为非正常的端部破坏，如图 15所示，所以传统夹具已不能满足大载荷的测试要求。

本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化，修饰和改进，这些变化，修饰和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种超大载荷液压压缩夹具，包括在外力作用下相对靠近和远离的上夹块（1）和下夹块（2），二者上均设置有槽体（3），所述槽体（3）具有相对设置的第一开口端以及位于同一平面内的第二开口端；所述上夹块（1）和下夹块（2）之间还设置有用于对相对运动进行导向的导向结构（4）；

其特征在于，所述槽体（3）内设置有固定块（5）和移动块（6），以及带动所述移动块（6）相对于所述固定块（5）进行移动的液压缸（7），所述固定块（5）与所述槽体（3）的第一侧壁固定连接，所述移动块（6）具有与所述固定块（5）上的第一夹紧面相互平行的第二夹紧面，二者用于对样件进行夹紧；所述液压缸（7）的缸体与所述槽体（3）内与所述第一侧壁平行的第二侧壁固定连接，且活塞杆端部与所述移动块（6）通过磁铁（8）与金属的作用连接，所述槽体（3）上还设置有用于对所述移动块（6）进行导向的导向带（31）。

2.根据权利要求1所述的超大载荷液压压缩夹具，其特征在于，所述移动块（6）相对于所述活塞杆的端面上设置有凹槽（61），所述磁铁（8）嵌入所述凹槽（61）内，且所述凹槽（61）对所述活塞杆的端部进行局部包覆。

3.根据权利要求2所述的超大载荷液压压缩夹具，其特征在于，所述凹槽（61）的槽体底部设置有安装槽，所述安装槽用于对所述磁铁（8）进行安装，且在磁铁（8）安装完成后超出所述凹槽（61）的槽体底面。

4.根据权利要求1所述的超大载荷液压压缩夹具，其特征在于，所述上夹块（1）在所述样件受压方向的顶面上设置有受力结构（9），所述受力结构（9）包括与上夹块（1）固定连接的安装座（91），以及用于连接施力设备的受力座（92）。

5.根据权利要求4所述的超大载荷液压压缩夹具，其特征在于，所述安装座（91）和所述受力座（92）之间通过部分球面接触。

6.根据权利要求4所述的超大载荷液压压缩夹具，其特征在于，所述安装座（91）与所述上夹块（1）的顶部之间设置有平衡板（93），所述平衡板（93）中心对称地设置于所述上夹块（1）顶部。

7.根据权利要求5所述的超大载荷液压压缩夹具，其特征在于，所述受力座（92）上设置有沉头孔（92a），在所述安装座（91）上对应设置有螺纹孔（91a），安装于所述沉头孔（92a）内的螺栓与所述螺纹孔（91a）连接，其中，所述沉头孔（92a）底部孔径大于所述螺栓的外径。

8.根据权利要求6所述的超大载荷液压压缩夹具，其特征在于，所述上夹块（1）与所述平衡板（93）之间通过连接件固定，且所述连接件的顶部被所述安装座（91）覆盖。

9.根据权利要求8所述的超大载荷液压压缩夹具，其特征在于，所述导向带（31）相对于所述槽体（3）为分体结构，且通过连接所述上夹块（1）和所述平衡板（93）之间的连接件实现固定。

10.根据权利要求1所述的超大载荷液压压缩夹具，其特征在于，所述样件为长方体结构，总长l≥160±1mm，宽度b为10±0.5—25±0.5mm，厚度h为5±0.2—10±0.2mm，标距L为10±0.5—25±0.5mm。

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