CN215812172U - 一种测试矩形薄板金属试件疲劳强度的仪器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种测试矩形薄板金属试件疲劳强度的仪器，基座支架、下夹持装置、传感器支架、光电传感器、上夹持装置、连接板、轴承固定装置、连接轴、轴承、转动盘、电机、控制电箱；基座支架包括水平底座、中心支撑台，以及两侧对称的侧方支撑台；基座支架的水平底座上具有滑道，侧方支撑台可沿滑道调节间距；下夹持装置、传感器支架、光电传感器、上夹持装置每种数量两个,称布置在中心支撑台两侧。安装维护简单方便，不用经常停机更换液压油等工作，后续的电机维护成本几乎为零，维护成本低；使用电能，干净无污，稳定。

Description

一种测试矩形薄板金属试件疲劳强度的仪器

技术领域

本实用新型属于测量技术领域，涉及一种金属疲劳试验机，尤其涉及一种测试矩形薄板金属试件疲劳强度的仪器；特别适用于测试矩形薄板金属试件疲劳强度。

背景技术

疲劳试验机用于进行测定金属、合金材料及其构件在室温状态下的拉伸、压缩或拉压交变负荷的疲劳特性、疲劳寿命、预制裂纹及裂纹扩展试验。

金属材料疲劳试验的一些常用试验方法通常包括单点疲劳试验法、升降法、高频振动试验法、超声疲劳试验法、红外热像技术疲劳试验方法、金属扭应力疲劳试验方法等。

GB/T12443 《金属室温扭应力疲劳试验方法》，其试样工作部分形状为圆柱形或漏斗形；试样工作部分截面为圆形；现有的疲劳试验机可以测试操作关节、固接件、螺旋运动件等金属、合金构件,但无法准确测试矩形薄板金属试件弯曲疲劳强度。

现有的金属扭应力疲劳试验机有高频疲劳试验机、低频疲劳试验机。

高频疲劳试验机根据电磁谐振的原理工作，依靠电磁铁的震荡施加载荷，是载荷比较大20KN-300KN，频率80-250Hz测试时间短的首选。可调频率只有固定几个档，无法随意调节。

低频疲劳试验机根据电液伺服的原理工作，依靠液压作动缸的往复运动施加载荷，泵必须连续运转，能源成本很高；由于传动装置和/或伺服阀的密封件摩擦，分辨率和保真度可能受到限制，而且传动装置的活动质量非常高，系统价格昂贵；大载荷5KN-1000KN低频率0-10Hz的首选，一般建议在10Hz左右使用；当在20Hz，30Hz工作时， 液压伺服阀、密封圈等等部件的摩擦损伤太大，液压疲劳试验机的寿命会受到重大的影响；在多轴应用时由于摩擦，传动装置的侧向负荷还会引起波形扭曲或密封件磨损等问题；液压疲劳试验机它有许多活动部件和密封件，液压疲劳试验机需要定期停机做一些维护；油被看作有害废料，一旦污染就必须更换；维护费用高。

发明内容

本实用新型公开了一种测试矩形薄板金属试件疲劳强度的仪器，以解决现有技术中无法准确测试矩形薄板金属试件弯曲疲劳强度，以及疲劳试验机频率无法随意调节、价格昂贵、零部件损伤快、存在泄露污染、试验机寿命短、维护费用高等问题。

本实用新型疲劳试验机包括：基座支架、下夹持装置、传感器支架、光电传感器、上夹持装置、连接板、轴承固定装置、连接轴、轴承、转动盘、电机、控制电箱；基座支架包括水平底座、中心支撑台，以及两侧对称的侧方支撑台；基座支架的水平底座上具有滑道，侧方支撑台可沿滑道调节间距；下夹持装置、传感器支架、光电传感器、上夹持装置每种数量两个,称布置在中心支撑台两侧；下夹持装置紧固安装在基座支架的侧方支撑台侧部；传感器支架紧固安装在基座支架的侧方支撑台上部；光电传感器紧固安装在传感器支架上；上夹持装置与连接板铰接连接；连接板紧固连接轴承固定装置；轴承固定安装在轴承固定装置中；连接轴穿过轴承与转动盘垂直紧固连接；电机紧固安装在基座支架的中心支撑台上；电机驱动轴与转动盘紧固连接；控制电箱电控连接光电传感器与电机；下夹持装置夹持试件下端，上夹持装置夹持试件上端；控制电箱启动电机，电机驱动转动盘，带动连接轴、连接板及上夹持装置，在试件上端施加均匀平稳载荷，使试件产生往复循环挠度变化；控制电箱内的PLC控制器记录运动次数、时间等实验数据；经过长时间的应力反复循环作用，可测试出矩形薄板金属试件弯曲疲劳强度。

本实用新型优化方案：基座支架的两侧侧方支撑台距离可调节；调节两侧侧方支撑台距离，改变施加试件的弯曲应力，调节改变试件挠度。

本实用新型优化方案：传感器支架上具有光电传感器位置调节滑道，调节基座支架的两侧侧方支撑台距离，可调节试件夹持长度；当试件夹持长度调节变化，调节光电传感器在传感器支架位于可始终检测记录试件运动次数的位置。

本实用新型的积极效果在于：可准确测试矩形薄板金属试件弯曲疲劳强度；通过夹持试件两端并施加载荷来实现往复运动，能在此交变载荷的作用下，试件所受应力水平低于材料的屈服极限，经过长时间的应力反复循环作用，测试出矩形薄板金属试件弯曲疲劳强度；载荷、弯曲应力可以调节、频率可以随意调节；省电无需水源，使用成本低，一般电机的功率只有几千瓦或几百瓦；可实现高负荷、高效率、高精准度、低消耗实验，从而缩短实验时间，降低实验费用；零部件损伤较轻，使用寿命长，几乎免维护的电机可以长时间不间断的使用；安装维护简单方便，不用经常停机更换液压油等工作，后续的电机维护成本几乎为零，维护成本低；使用电能，干净无污，安全，不用担心高压油管长时间的使用，老化了高压油的泄漏而造成人身的安全影响；稳定，不会因为阻力的变化影响设备运行的稳定性；噪音低，传统的液压伺服必需把泵放的更远，以减少噪音。

附图说明

图1为本实用新型第一实施例结构示意图；

图2为本实用新型第二实施例结构示意图；

图中：1基座支架、2螺栓、3下夹持装置、4传感器支架、5试件、6光电传感器、7上夹持装置、8合页、9连接板、10轴承固定装置、11连接轴、12轴承、13转动盘、14电机、15电缆线、16控制电箱。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本实用新型的实施例。

本实用新型第一实施例测试一种厚3.0mm不锈钢板材试件。

如图1、如图2所示，本实用新型疲劳试验机包括：基座支架1、螺栓2、下夹持装置3、传感器支架4、光电传感器6、上夹持装置7、合页8、连接板9、轴承固定装置10、连接轴11、轴承12、转动盘13、电机14、电缆线15、控制电箱16；基座支架1具有中心支撑台，以及两侧对称的侧方支撑台；下夹持装置3、传感器支架4、光电传感器6、上夹持装置7每种数量两个；基座支架1水平放置，电机14紧固安装在基座支架1的中心支撑台上；下夹持装置3、传感器支架4以基座支架1的中心支撑台对称，紧固安装在基座支架1的侧方支撑台的上；基座支架1的水平底座上具有滑道，基座支架1的侧方支撑台可沿滑道调节侧方支撑台距离；下夹持装置3由螺栓2紧固安装在基座支架1的侧方支撑台的侧部；传感器支架4紧固安装在基座支架1的侧方支撑台上部；光电传感器6紧固安装在传感器支架4上； 试件5呈垂直状态，下夹持装置3夹持试件5下端，上夹持装置7搭配螺栓夹持住试件5上端；合页8由螺栓分别与上夹持装置7和连接板9紧固连接；连接板9通过螺栓紧固连接轴承固定装置10；轴承12数量3个，分别固定安装在轴承固定装置10中；连接轴11穿过轴承12与转动盘13垂直紧固连接；电机转轴与转动盘13紧固连接；控制电箱16由电缆线15连接光电传感器6、电机14；控制电箱16启动电机14，电机转轴带动转动盘13与连接轴11转动；连接轴11带动两侧轴承固定装置10、连接板9、合页8上夹持装置7，从而在试件上端施加一个均匀平稳的载荷，使试件做往复循环运动，控制电箱内的PLC控制器记录运动次数、时间等实验数据；通过调节试件5夹持长度，改变实验所需施加的弯曲应力；通过调节基座支架1的两侧侧方支撑台距离，可实现调节试件5挠度；由传感器支架4调节光电传感器6的位置；经过长时间的应力反复循环作用，可测试出矩形薄板金属试件弯曲疲劳强度。

本实用新型金属疲劳试验过程：

第一步，制作试件；工作部分形状为薄板状矩形，试样工作部分截面为矩形；试件的长度等于夹持试件的跨度与上下夹持装置的夹持宽度之和；根据选取弯曲应力，以及设定试件的挠度、宽度、厚度、弹性模量，根据单跨直梁模型计算公式：

σ_max=M/W......式（1）

M=FL......式（2）

W=I/（t/2）......式（3）

y_max=F*L3/(3*E*I) ......式（4）

式中:

σ_max-最大弯曲应力；M-弯矩；W-抗弯界面系数；y-挠度；

F-作用在试样的力；L-作用力点到固定端的距离（跨度）；

I-惯性矩；t-试样厚度；E-弹性模量。

由式（1）、式（2）、式（3）、式（4）导出：σ_max=1.5*E*t*y_max/L²，

计算导出夹持试件跨度L=（1.5*E*t*y_max/σ_max）^1/2；

3.0mm厚、25mm宽的试件、挠度25mm，施加500Mpa弯曲应力，计算出的夹持试件的跨度为212mm，再加上下夹持装置的夹持宽度90mm，可得出所需截取试件的长度为302mm，所以只需制作尺寸为302*25*3.0mm的试件即可。

截取方向为原材料长度方向，制作数量为偶数件，数量不小于10件；

第二步，夹持试件；在试件表面标记好夹持的跨度上下的位置，保证夹持后跨度与计算一致。先夹持试件下端，将试件插入下夹持装置中间位置，使标记的位置与下夹持装置上表面保持在同一水平面，同时使试件长度方向与下夹持装置上表面保持水平垂直，扭紧螺栓夹紧试件。夹持试件上端，将试件插入上夹持装置中间位置，使标记的位置与上夹持装置上表面保持在同一水平面，同时使试件长度方向与下夹持装置上表面保持水平垂直，扭紧螺栓夹紧试件。试验机两侧均需夹持试件。通过调节基座支架1的两侧支腿的距离来调节试件运动挠度，即试件上端从水平垂直位置运动到两侧极限位置时的距离相同。打开控制电箱开关，调整两侧光电传感器位置，使其始终能检测记录到试件的运动次数。

第三步，疲劳试验机状态调整；使用控制电箱调整电机至合适频率，清空运行时间与记录次数；

第四步，试验测试；打开开关使电机旋转，试样在500Mpa循环弯曲应力下，开始进行试验；待试件发生疲劳断裂后，停止实验，记录数据；数据统计与分析按《GB T24176金属材料疲劳试验数据统计方案与分析方法》；若有50%试样能够承受二百万次循环负荷，则提升弯曲应力至550Mpa，重复上述实验步骤多次实验；在550Mpa以上的循环弯曲应力，均无50%试样能够承受，则定义该材料的疲劳强度约为550Mpa；试样在500Mpa循环弯曲应力下，若有50%试样不能够承受二百万次循环负荷，则降低弯曲应力，重复上述实验步骤多次实验，若在降低的某一循环弯曲应力下，有50%试样能够承受二百万次循环负荷，而在降低的某一循环弯曲应力以上，均无50%试样能够承受，该应力即为疲劳强度。

本实用新型第二实施例测试一种厚2.0mm不锈钢板材试件。

第一步，制作试件；根据选取弯曲应力计算夹持长度，设定试件的挠度、宽度、厚度、弹性模量、弯曲应力，可计算出夹持试件的跨度，2.0mm厚、25mm宽的试件、挠度25mm，施加500Mpa弯曲应力，计算出的夹持试件的跨度为173.2mm，再加上下夹持装置的夹持宽度90mm，可得出所需截取试件的长度为263mm，所以只需制作尺寸为263*25*2.0mm的试件即可。一般截取方向为原材料长度方向，制作10件。

第二步，夹持试件；实施例二是在实施例一的基础上进行部分结构功能改善，在试件表面标记好夹持的跨度上下的位置，保证夹持后跨度与计算一致；根据所计算的跨度上下调节两侧支腿高度，使两侧试件在运动至左右极限位置时两侧连接板始终保持水平。夹持试件下端，将试件插入下夹持装置中间位置，使标记的位置与下夹持装置上表面保持在同一水平面，同时使试件长度方向与下夹持装置上表面保持水平垂直，扭紧螺栓夹紧试件；夹持试件上端，将试件插入上夹持装置中间位置，使标记的位置与上夹持装置上表面保持在同一水平面，同时使试件长度方向与下夹持装置上表面保持水平垂直，扭紧螺栓夹紧试件；试验机两侧均需夹持试件；打开控制电箱开关，调整两侧光电传感器位置，使其始终能检测记录到试件的运动次数。

第三步，疲劳试验机状态调整；使用控制电箱调整电机至合适频率，清空运行时间与记录次数；

第四步，试验测试；打开开关使电机旋转，开始进行试验；试验测试；打开开关使电机旋转，试样在500Mpa循环弯曲应力下，开始进行试验；待试件发生疲劳断裂后，停止实验，记录数据；数据统计与分析按《GB T24176金属材料疲劳试验数据统计方案与分析方法》；若有50%试样能够承受二百万次循环负荷，则提升弯曲应力至550Mpa，重复上述实验步骤多次实验；在550Mpa以上的循环弯曲应力，均无50%试样能够承受，则定义该材料的疲劳强度约为550Mpa；试样在500Mpa循环弯曲应力下，若有50%试样不能够承受二百万次循环负荷，则降低弯曲应力，重复上述实验步骤多次实验，若在降低的某一循环弯曲应力下，有50%试样能够承受二百万次循环负荷，而在降低的某一循环弯曲应力以上，均无50%试样能够承受，该应力即为疲劳强度。

第二实施例疲劳试验机通过加高基座支架1，并其改变两侧支腿的结构，使支腿可以上下调节高度，来搭配不同应力下试件夹持的跨度不同，使试件在运动至左右极限位置时连接板9始终保持水平，达到试件运动过程中保持固定挠度，并大幅提高实验准确性的目的。轴承固定装置10也进行结构改善，使轴承的装配更方便，结构稳定性更好。下夹持装置3与上夹持装置7增加更大尺寸结构，以适应不同尺寸规格的试件。

通过夹持试件两端并施加载荷来实现往复运动，能在此交变载荷的作用下，试件所受应力水平低于材料的屈服极限，经过长时间的应力反复循环作用，测试出矩形薄板金属试件弯曲疲劳强度。

本实用新型的电机驱动疲劳试验机可实现弯曲应力250Mpa-1000Mpa，载荷范围100N-1000N，频率0-50Hz的实验，频率随意可以设置。

Claims (3)

1.一种测试矩形薄板金属试件疲劳强度的仪器，其特征在于：基座支架、下夹持装置、传感器支架、光电传感器、上夹持装置、连接板、轴承固定装置、连接轴、轴承、转动盘、电机、控制电箱；基座支架包括水平底座、中心支撑台，以及两侧对称的侧方支撑台；基座支架的水平底座上具有滑道，侧方支撑台可沿滑道调节间距；下夹持装置、传感器支架、光电传感器、上夹持装置每种数量两个,称布置在中心支撑台两侧；下夹持装置紧固安装在基座支架的侧方支撑台侧部；传感器支架紧固安装在基座支架的侧方支撑台上部；光电传感器紧固安装在传感器支架上；上夹持装置与连接板铰接连接；连接板紧固连接轴承固定装置；轴承固定安装在轴承固定装置中；连接轴穿过轴承与转动盘垂直紧固连接；电机紧固安装在基座支架的中心支撑台上；电机驱动轴与转动盘紧固连接；控制电箱电控连接光电传感器与电机；下夹持装置夹持试件下端，上夹持装置夹持试件上端；控制电箱启动电机，电机驱动转动盘，带动连接轴、连接板及上夹持装置，在试件上端施加均匀平稳载荷，试件产生往复循环挠度变化。

2.根据权利要求1所述的一种测试矩形薄板金属试件疲劳强度的仪器，其特征在于：基座支架的两侧侧方支撑台距离可调节，调节两侧侧方支撑台距离，改变施加试件的弯曲应力，调节改变试件挠度。

3.根据权利要求1所述的一种测试矩形薄板金属试件疲劳强度的仪器，其特征在于：传感器支架上具有光电传感器位置调节滑道，调节基座支架的两侧侧方支撑台距离，调节试件夹持长度；当试件夹持长度调节变化，调节光电传感器在传感器支架的位置位于可始终检测记录试件运动次数的位置。

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