CN217426291U - 一种多功能自动材料力学试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种多功能自动材料力学试验装置，包括悬臂式电子万能材料试验机构、模块化实验机构、智能加载机构和防撞机构；悬臂式电子万能材料试验机构包括顶板、移动梁、夹紧机构或压缩实验平台，顶板通过光轴固定，移动梁套于光轴外；夹紧机构的上部分通过顶板安装于台面上方，下部分通过移动梁安装于其上部分和台面之间；模块化实验机构包括电测应力法实验基座和压头，电测应力法实验基座安装于台面上表面，压头安装于受力传感器I下表面；智能加载机构安装于台面下方，其动力输出轴与移动梁连接；防撞机构垂直安装于台面上。本实用新型将多个材料力学实验集中于一体，实现了一机多用，减少了占地面积和实验成本。

Description

一种多功能自动材料力学试验装置

技术领域

本实用新型涉及材料力学性质测试技术领域，具体涉及一种多功能自动力学试验装置。

背景技术

材料力学是工程类专业的一门基础课程，材料力学实验是验证以及帮助学生理解和应用该课程知识的有效途径。目前国内大多数高校开设的材料力学实验主要有以下几个：1.碳钢与铸铁的拉伸与压缩实验2.弯曲正应力实验；3.等强度梁测定实验4.电测法测定材料弹性模量E、泊松比μ实验；5. 测量电桥应用实验；6.弯扭组合变形实验；7.电阻应变片灵敏系数K值标定实验；8.压杆稳定性实验；9.偏心拉伸实验；10.悬臂梁(矩形梁)静应变实验；11.应变传感器静态性能标定等实验。除第一个实验外，其余全部都是和电测应力法相关的实验。

现在国内大多数高校所配备的力学实验装置操作复杂，使用起来极其麻烦，每次都需要实验老师重新讲解设备使用方法，费时费力。传统的力学实验装置需要手动地调节丝杆及加载的力的大小，同时加载和调节的机械结构操作不便，很容易造成比较大的误差，对实验结果造成不可忽视的影响。利用传统的力学实验装置教学，学生只关注实验数据，而不知道具体的应用，对实验原理掌握不透，遇到实际问题时依然不知道电测应力的应用，根本就达不到学以致用的目的。

现在国内高校所能见到的较先进的材料力学试验装置水平大概如下，采用螺旋方式加载，经传感器由数字测力仪测试出力的读数；各试件受力变形，通过应变片由电阻应变仪显示。相对于传统的实验装置，这样的试验装置已经实现了集多个力学实验于一体，大大方便了实验教学工作。但是，这种试验装置普及率不高，况且仍然存在许多不足。实验装置靠人力加载，容易导致较大的实验误差；智能化、自动化程度不高；操作复杂等等。

实用新型内容

针对现有教学领域的材料力学试验装置的诸多不足，本实用新型提供了一种更智能且操作更简便的多功能自动材料力学试验装置。

为解决上述技术问题，本实用新型公开了一种多功能自动材料力学试验装置，包括

用于进行材料拉伸或压缩实验的悬臂式电子万能材料试验机构，其包括顶板、移动梁、夹紧机构或压缩实验平台，夹紧机构或压缩实验平台均包括可相互作用且在同一垂直线上的上、下两部分，顶板通过两根垂直于台面的光轴I、光轴II固定，移动梁套于光轴I、光轴II外并可沿光轴I、光轴II上下移动，夹紧机构的上部分或压缩实验平台的上部分通过顶板安装于台面上方，夹紧机构的下部分或压缩实验平台的下部分通过移动梁安装于夹紧机构的上部分或压缩实验平台的上部分和台面之间，在移动梁下表面安装有受力传感器I；

用于进行电测应力法材料力学实验的模块化实验机构，其包括电测应力法实验基座和压头，电测应力法实验基座安装于台面上表面，压头安装于受力传感器I下表面；

智能加载机构，所述智能加载机构安装于台面下方，其动力输出轴与移动梁连接；

用于防止智能加载装置超限运动的防撞机构，防撞机构垂直安装于台面上。

优选的，所述顶板安装在两根同样高度的光轴I、光轴II的顶部，其形心所在位置与光轴I中心线所在位置重合，顶板一端与光轴II配合连接，另一端用于安装夹紧机构的上部分或压缩实验平台的上部分。

优选的，所述移动梁安装于顶板和台面之间，其侧面与顶板侧面处于同一竖直面，其形心所在位置与其光轴I中心线所在位置重合，其一端与光轴II 配合连接，另一端用于安装夹紧机构的下部分或压缩实验平台的下部分，夹紧机构的下部分或压缩实验平台的下部分穿过移动梁与受力传感器I连接。

优选的，所述台面为T型槽台面，其T型槽的槽口呈倒T型，若干T型槽以光轴I、光轴II所在竖直面为基准平行排列，并均匀间隔分布于整个台面。

优选的，压缩实验平台包括结构相同相对设置的上、下两部分，上、下部分均包括试样平台和夹具连接件，试样平台通过固定销和销孔与夹具连接件连接，上部分的夹具连接件连接于顶板下表面，下部分的夹具连接件穿过移动梁与受力传感器I直接相连。

优选的，电测应力法实验基座包括滑块和卡座，滑块与T型槽配合安装，卡座则安装于滑块上。

优选的，所述卡座包括与台面平行的基板和设置于基板上的片式试样安装平台、圆梁式试样安装平台、板梁式试样安装平台；片式试样安装平台为平面结构，且与基板平行，其上分布有2个螺栓孔；圆梁式试样安装平台与基板垂直，其上有中心线水平的圆孔，在圆孔的一侧有螺栓孔；板梁式试样安装平台为呈长方形的开口凹槽结构，在凹槽的一侧壁上有螺栓孔。

优选的，智能加载机构包括滚珠丝杠、蜗轮蜗杆减速器和电动机，蜗轮蜗杆减速器和电动机安装于台面下方；滚珠丝杠位于光轴I、光轴II中间，且垂直于台面，其上端与顶板活动连接，下端穿过移动梁与蜗轮蜗杆减速器的输出轴连接；蜗轮蜗杆减速器输入轴通过联轴器与电动机连接，移动梁与滚珠丝杠配合连接以实现滚珠丝杠的转动带动移动梁上下移动。

优选的，所述防撞机构包括行程杆、受力传感器II、行程钣金和限位钉；所述行程杆垂直于台面安装在光轴I、光轴II或滚珠丝杠一侧，行程杆下端与受力传感器II连接；行程钣金一端开孔套在行程杆上，另一端固定安装在移动梁上随移动梁上下移动；所述限位钉成对使用，固定安装在行程杆上，分布在行程钣金上下两侧。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1.模块化实验机构和悬臂式电子万能材料试验机构共用移动梁，将多个材料力学实验集中于一体，实现了一机多用，减少了占地面积和实验成本；本实用新型提供了一个开发更多材料力学实验的平台，有利于材料力学学科更深层次的发展。

2.以T型槽结构为基础的模块化实验机构，多个使用电测应力法进行的材料力学实验集中于该结构，使用时通过简单的拆装，就可以实现实验类型的更换，包括弯曲正应力测量实验；电测法测定材料弹性模量E、泊松比μ实验；测量电桥应用实验；电阻应变片灵敏系数K值标定实验；弯扭组合变形实验；压杆稳定性实验；偏心拉伸实验；悬臂梁(等强度梁)静应变实验；应变传感器静态性能标定等等实验。

3.使用电动机加载代替了人力加载，解放了人们的双手，且减少了实验失误机率，另外还提高了加载精度。

4.本实用新型结构简单，原理易懂，有利于学生迅速掌握，激发学习兴趣，提高学习效率。

5.相比于传统的一整套材料力学试验装置，该实用新型造价更低，为绝大多数教学单位所能接受的一款试验装置。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图；

图2是本实用新型的悬臂式电子万能材料试验机构示意图；

图3是本实用新型的压缩实验平台机构示意图；

图4是本实用新型的夹紧机构示意图；

图5是本实用新型的模块化实验机构示意图；

图6是本实用新型的电测应力法实验基座机构示意图；

图7是本实用新型的智能加载机构示意图；

图8是本实用新型的防撞机构示意图。

附图标记：11-模块化实验机构，12-悬臂式电子万能材料试验机构，13- 防撞机构，14-智能加载机构，21-夹紧机构，22-顶板，23-光轴I，24-光轴 II，25-移动梁,27-压缩实验平台，28-夹具连接件，29-固定销，210-销孔， 211-加强筋，212-试样平台，31-安装块，32-楔形块，33-挡块，34-燕尾挡块，35-拉簧，36-燕尾块，41-T型槽，42-台面，43-电测应力法实验基座， 44-压头，45-受力传感器I，46-电测应力法实验模块，51-滚珠丝杆，52-蜗轮蜗杆减速器，53-电动机，61-受力传感器II,62-限位钉，63-行程杆，64- 行程钣金，71-螺孔，72-片式试样安装平台，73-紧固螺栓，74-圆梁式试样安装平台，75-板梁式试样安装平台。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的和优点更清楚明了，下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细的描述。

如图1所示，本实用新型公开了一种多功能自动材料力学试验装置，包括悬臂式电子万能材料试验机构12、模块化实验机构11、智能加载机构14和防撞机构13。其中悬臂式电子万能材料试验机构12用于进行材料拉伸或压缩实验，模块化实验机构11用于进行电测应力法材料力学实验，智能加载机构14 是进行实验的直接动力和运动来源，防撞机构13用于防止智能加载机构14超限运动。

如图2所示，所述悬臂式电子万能材料试验机构12包括顶板22、移动梁25、夹紧机构21或压缩实验平台27。夹紧机构21或压缩实验平台27均包括可相互作用且在同一垂直线上的上、下两部分。移动梁25与顶板22的前后左右相应端面都各处于同一竖直平面内，以俯视视角来看，二者的形心位置与光轴I23 的中心线位置重合，二者的其中一端自然套在光轴II24中，另一端用于安装夹紧机构21或压缩实验平台27。

所述顶板22固定安装在两根同样高度的光轴I23、光轴II24的顶部，其形心所在位置与光轴I23中心线所在位置重合，一端与光轴II24自然配合，另一端用于安装夹紧机构21的上部分或压缩实验平台27的上部分。

所述移动梁25安装于顶板22和台面42之间，其侧面与顶板22侧面分别处于同一竖直面，其形心所在位置与光轴I23中心线所在位置重合，一端与光轴 II24自然配合，另一端用于安装夹紧机构21的下部分或压缩实验平台27的下部分和压头44，其中夹紧机构21的下部分或压缩实验平台27的下部分安装于移动梁25的上表面，压头44安装于移动梁26的下表面，在压头44与移动梁25 的下表面之间安装有受力传感器I45，模块化实验机构11与悬臂式电子万能材料试验机构12共用同一个受力传感器I45。移动梁25可沿光轴I23、光轴II24上下移动，实现对试样的拉伸或压缩。

所述夹紧机构21或压缩实验平台27均包括可相互作用且在同一垂直线上巨额狗相同的上、下两部分，上、下部分分别安装于顶板22下表面和移动梁 26上表面，所述夹紧机构21或压缩实验平台27的下部分随着移动梁26的上下运动而做竖直移动，以实现对实验试样的拉伸或压缩。所述压缩实验平台供进行材料压缩实验时放置材料使用，将其与夹紧机构换下便可进行材料的压缩实验。

如图4所示，所述夹紧机构21与现有的结构相同，为斜楔夹紧机构，上、下部分包括安装块31、挡块33、楔形块32、燕尾块36、燕尾挡块34、拉簧35。安装块31是整个夹紧机构22的基体；挡块33的作用是防止楔形块32从安装孔中掉落，砸伤实验人员；燕尾挡块34与燕尾块36配合，实现在竖直方向的滑动及水平方向的限制。通过摇杆扭转带动调节法兰转动，调节法兰与中心轴之间设有螺纹配合，调节法兰的转动带动中心轴上下移动。挡块2上的孔与楔形块32上的孔通过一根销连接，目的是让楔形块32上的孔的运动轨迹呈八字形，从而实现对实验试样的压紧或放松。当中心轴向下移动时，固定在中心轴上的拉紧螺母对楔形块施加向下的压力，楔形块压紧试样。当中心轴向上移动时，拉紧螺母对楔形块施加向上的推力，楔形块放松试样。另外一个夹紧机构的工作原理也是如此。

如图3所示，压缩实验平台27包括结构相同相对设置的上、下两部分，其中上部分设置在顶板22下方，下部分设置在移动梁25上方。上、下部分均包括试样平台212和夹具连接件28，试样平台212为T型结构，上部为平面用于放置实验试样，下部通过固定销29和销孔210与夹具连接件28连接。试样平台212 还可以包括连接其上、下部的加强筋211，加强筋211与试样平台212一体成型，起到增加压缩实验平台的强度的作用。上部分的夹具连接件28连接于顶板22 下表面，上部分的夹具连接件28穿过移动梁25与受力传感器I45直接相连，实现压缩实验平台27与模块化实验机构11共用受力传感器I45的目的。

如图5所示，模块化实验机构11以T型槽结构为基础，包括T型槽台面42、电测应力法实验基座43和压头44。所述T型槽台面42位于移动梁25下方，蜗轮蜗杆减速器52上方，用于安装电测应力法实验基座43。T型槽台面42由厚钢板经精密加工而成，T型槽41的槽口呈倒T型。若干T型槽41以光轴I23、光轴II24 所在竖直面为基准平行排列，呈间隔均匀分布。模块化实验机构11与悬臂式电子万能材料试验机共有受力传感器I45，因此压头44则安装于受力传感器 I45下表面，通过移动梁25的上下运动实现压头44的上下移动，进而对试样的拉伸或压缩。

如图6所示，电测应力法实验基座43包括滑块和卡座，滑块与T型槽41配合安装，并通过螺栓固定于台面42上，根据不同的电测应力法实验模块46，滑块可安装于不同的T型槽41上。卡座则安装于滑块上，用于安装电测应力法实验模块46。所述卡座包括与台面42平行的基板和设置于基板上的片式试样安装平台72、圆梁式试样安装平台74、板梁式试样安装平台75。基板上的四个螺孔71呈正方形排布的，这样可以确保基座朝向前后左右四个方向都可以安装。片式试样安装平台72为平面结构，且与基板平行，其上分布有2个螺栓孔；安装片式试样时，将片式试样放置于片式试样安装平台72上，再用螺栓固定。圆梁式试样安装平台74与基板垂直，其上有中心线水平的圆孔，在圆孔的一侧有螺栓孔；安装圆梁式试样时，将试样套在圆梁式试样放置在圆孔，通过紧固螺栓73进一步固定。板梁式试样安装平台为呈长方形的开口凹槽结构，在凹槽的一侧壁上有螺栓孔；安装板梁式试样时，将板梁式试样放置在凹槽内，通过紧固螺栓73进一步固定。

所述电测应力法实验模块46与电测应力法实验基座43相配合的结构，将电测应力法实验模块46安装在电测应力法实验基座43上。更换电测应力法实验模块46就可以进行弯曲正应力测量实验；电测法测定材料弹性模量E、泊松比μ实验；测量电桥应用实验；电阻应变片灵敏系数K值标定实验；弯扭组合变形实验；压杆稳定性实验；偏心拉伸实验；悬臂梁(等强度梁)静应变实验；应变传感器静态性能标定等等实验。

如图7所示，智能加载机构14包括滚珠丝杠51、蜗轮蜗杆减速器52和电动机53。蜗轮蜗杆减速器52和电动机53安装于台面42下方。滚珠丝杠51位于光轴I23、光轴II24，且垂直于台面42，滚珠丝杠51上端与顶板22活动连接，下端穿过移动梁26与蜗轮蜗杆减速器52的输出轴连接，移动梁26与滚珠丝杠51 配合连接以实现滚珠丝杠51的转动带动移动梁26上下移动，实现对试样的拉伸或压缩。

所述蜗轮蜗杆减速器52的输出轴与滚珠丝杠51连接，输入轴通过联轴器与电动机53连接，通过蜗轮蜗杆减速器52改变传动比，达到降速增矩的效果，有利于保证传动效率和满足实验要求的传动精度。电动机可以根据实验要求人为调解转速以及转向，从而改变移动梁25移动的速度和方向，实现对试样的拉伸或压缩。

所述电动机53受上位机控制，可以人为改变电动机53的转速和转动方向。电动机53受上位机的控制，分为自动模式和手动模式。在自动模式下，实验者提前设置好行程，电动机启动后受上位机控制，一边按设置好的行程运行，一边按传感器反馈回来的信息执行调整或停止指令。在手动模式下，实验者没有提前设置好行程，而是根据实验进程通过上位机随时启动或停止电动机 53，直到达到实验人员的预期要求。

如图8所示，所述防撞机构13包括行程杆63、受力传感器II61、行程钣金 65、和限位钉62。所述行程杆63垂直于台面42安装在光轴I23、光轴II24或滚珠丝杠51一侧，行程杆63下端与受力传感器II61连接。行程钣金64一端开孔套在行程杆63上，正常工作时不对行程杆63施加力，另一端固定安装在移动梁 26上随移动梁26上下移动。所述限位钉62成对使用，固定安装在行程杆63上，分布在行程钣金65上下两侧的适当位置。当行程钣金64对限位钉62非正常施加力时，说明移动梁25有超限移动的趋势，受力传感器II61立即感应到这种趋势并把信号传输给上位机，促使电动机53立即停止运行。

本实用新型在进行材料的拉伸实验时，实验者需要手动规范地将实验材料固定在夹紧机构21上或放置在压缩实验平台27上，实验者根据需要通过手动或者自动方式控制电动机，带动移动梁25向上或向下运动，对试样进行拉伸或者压缩。

本实用新型在进行电测应力法实验时，实验者须先规范安装好以T型槽结构为基础的电测应力法实验模块46，要求试样下端与电测应力法实验基座 43连接，上端与移动梁25下表面的压头44连接。实验者根据需要通过手动或自动方式控制电动机，带动移动梁向上或向下运动，对试样进行拉伸或压缩。

无论是拉伸实验还是电测应力法实验，在移动梁25上都有相应的受力传感器，另外电测应力法实验的材料上还有形变传感器，这些传感器采集实验过程中的实时数据并将其发送给计算机以作进一步分析处理，最终得出实验结果。

本实用新型的使用方法为：

1.实验者首先将试验装置调零，确保最后实验数据的准确性。

2.实验者安装好夹紧机构21或压缩实验平台27、电测应力法实验基座43。

3.实验者将试样规范固定或放置在夹紧机构21或压缩实验平台27之间、电测应力法实验基座43之间。

4.实验者根据实验需要在上位机上选择自动模式或手动模式，启动电动机53，拉伸或压缩试样。

5.实验者在上位机上获取对应实验的数据。

上述实施例，仅为对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进一步详细说明的具体个例，本实用新型并非限定于此。凡在本实用新型的公开的范围之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多功能自动材料力学试验装置，其特征在于：包括

用于进行材料拉伸或压缩实验的悬臂式电子万能材料试验机构（12），其包括顶板（22）、移动梁（25）、夹紧机构（21）或压缩实验平台（27），夹紧机构（21）或压缩实验平台（27）均包括可相互作用且在同一垂直线上的上、下两部分，顶板（22）通过两根垂直于台面（42）的光轴I（23）、光轴II（24）固定，移动梁（25）套于光轴I（23）、光轴II（24）外并可沿光轴I（23）、光轴II（24）上下移动，夹紧机构（21）的上部分或压缩实验平台（27）的上部分通过顶板（22）安装于台面（42）上方，夹紧机构（21）的下部分或压缩实验平台（27）的下部分通过移动梁（25）安装于夹紧机构（21）的上部分或压缩实验平台（27）的上部分和台面（42）之间，在移动梁（25）下表面安装有受力传感器I（45）；

用于进行电测应力法材料力学实验的模块化实验机构（11），其包括电测应力法实验基座（43）和压头（44），电测应力法实验基座（43）安装于台面（42）上表面，压头（44）安装于受力传感器I（45）下表面；

智能加载机构（14），所述智能加载机构（14）安装于台面（42）下方，其动力输出轴与移动梁（25）连接；

用于防止智能加载装置超限运动的防撞机构（13），防撞机构（13）垂直安装于台面（42）上。

2.根据权利要求1所述的一种多功能自动材料力学试验装置，其特征在于：所述顶板（22）安装在两根同样高度的光轴I（23）、光轴II（24）的顶部，其形心所在位置与光轴I（23）中心线所在位置重合，顶板（22）一端与光轴II（24）配合连接，另一端用于安装夹紧机构（21）的上部分或压缩实验平台（27）的上部分。

3.根据权利要求2所述的一种多功能自动材料力学试验装置，其特征在于：所述移动梁（25）安装于顶板（22）和台面（42）之间，其侧面与顶板（22）侧面处于同一竖直面，其形心所在位置与其光轴I（23）中心线所在位置重合，其一端与光轴II（24）配合连接，另一端用于安装夹紧机构（21）的下部分或压缩实验平台（27）的下部分，夹紧机构（21）的下部分或压缩实验平台（27）的下部分穿过移动梁（25）与受力传感器I（45）连接。

4.根据权利要求1所述的一种多功能自动材料力学试验装置，其特征在于：所述台面（42）为T型槽台面，其T型槽（41）的槽口呈倒T型，若干T型槽（41）以光轴I（23）、光轴 II（24）所在竖直面为基准平行排列，并均匀间隔分布于整个台面（42）。

5.根据权利要求1所述的一种多功能自动材料力学试验装置，其特征在于：压缩实验平台（27）包括结构相同相对设置的上、下两部分，上、下部分均包括试样平台（212）和夹具连接件（28），试样平台（212）通过固定销（29）和销孔（210）与夹具连接件（28）连接，上部分的夹具连接件（28）连接于顶板（22）下表面，下部分的夹具连接件（28）穿过移动梁（25）与受力传感器I（45）直接相连。

6.根据权利要求1所述的一种多功能自动材料力学试验装置，其特征在于：电测应力法实验基座（43）包括滑块和卡座，滑块与T型槽（41）配合安装，卡座则安装于滑块上。

7.根据权利要求6所述的一种多功能自动材料力学试验装置，其特征在于：所述卡座包括与台面（42）平行的基板和设置于基板上的片式试样安装平台（72）、圆梁式试样安装平台（74）、板梁式试样安装平台（75）；片式试样安装平台（72）为平面结构，且与基板平行，其上分布有2个螺栓孔；圆梁式试样安装平台（74）与基板垂直，其上有中心线水平的圆孔，在圆孔的一侧有螺栓孔；板梁式试样安装平台（75）为呈长方形的开口凹槽结构，在凹槽的一侧壁上有螺栓孔。

8.根据权利要求1所述的一种多功能自动材料力学试验装置，其特征在于：智能加载机构（14）包括滚珠丝杠（51）、蜗轮蜗杆减速器（52）和电动机（53），蜗轮蜗杆减速器（52）和电动机（53）安装于台面（42）下方；滚珠丝杠（51）位于光轴I（23）、光轴II（24）中间，且垂直于台面（42），其上端穿过与顶板（22）活动连接，下端穿过移动梁（25）与蜗轮蜗杆减速器（52）的输出轴连接；蜗轮蜗杆减速器（52）输入轴通过联轴器与电动机（53）连接，移动梁（25）与滚珠丝杠（51）配合连接以实现滚珠丝杠（51）的转动带动移动梁（25）上下移动。

9.根据权利要求8所述的一种多功能自动材料力学试验装置，其特征在于：所述防撞机构（13）包括行程杆（63）、受力传感器 II（61）、行程钣金（64）和限位钉（62）；所述行程杆（63）垂直于台面（42）安装在光轴I（23）、光轴II（24）或滚珠丝杠（51）一侧，行程杆（63）下端与受力传感器 II（61）连接；行程钣金（64）一端开孔套在行程杆（63）上，另一端固定安装在移动梁（25）上随移动梁（25）上下移动；所述限位钉（62）成对使用，固定安装在行程杆（63）上，分布在行程钣金（64）上下两侧。

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