CN219532699U - 一种变温疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于橡胶疲劳测试技术领域，涉及一种变温疲劳试验装置，主体结构包括滑轨、调节臂、上加载轴、下加载轴、夹具和保温箱，滑轨上设置有调节臂，调节臂与上加载轴连接，上加载轴与带有力传感器的下加载轴之间设置有夹具，夹具的外侧设置有保温箱，配备两种夹具和三种试件，并在夹具的外部设置保温箱，保温箱内部设置红外加热管和成像机构，并与液氮罐连接，通过加装红外加热管加热试件，通过液氮罐冷却保温箱模拟低温环境，从而模拟实际橡胶制品的工作环境，进行复杂应力状态下的变温疲劳试验，包括‑50至99℃范围内带有扭转角度的拉伸‑压缩疲劳试验；其结构简单，能够避免因螺丝松动造成试件夹持不紧出现的误差，应变测量更准确。

Description

一种变温疲劳试验装置

技术领域：

本实用新型属于橡胶疲劳测试技术领域，涉及一种变温疲劳试验装置，可进行复杂应力状态下的变温疲劳试验。

背景技术：

橡胶作为三大高分子材料之一，在航空航天和生产生活中的地位不可或缺，由于橡胶出色的超弹性能，其制品经常被用于苛刻的环境，导致橡胶制品的疲劳损坏问题日益严重，所以研究橡胶的疲劳损坏机理对于提升其使用寿命和使用安全性至关重要。

橡胶疲劳试验机是主要用于测试原物料、成品、半成品的物理特性的机器设备，可做抗拉力测试、抗压力测试、抗弯测试，取得伸长量、伸长率、应力、应变等测试结果及测试资料，通过配备不同的夹具和配件，能够实现不同形状橡胶试件的疲劳性能，可连接计算机操控机台。

现有技术中的橡胶疲劳试验机的夹具为螺栓夹紧橡胶试件，经常在测试过程中出现由于螺丝松动造成试件滑动的现象，使得测试结果不准确；并且，通用试件为2mm厚的哑铃型试片，测试时的应变为标距长度的应变，但是，通用试件不可避免的会产生变形，标距长度的应变随之变化，使得测试结果存在误差，通过设计不等厚度的硫化模具来获得新型橡胶试件，可以避免此类误差。橡胶制品在工作中通常受到复杂应力，而现有技术中的橡胶疲劳试验机只能实现拉或压的单轴加载，通过设计空竹型橡胶柱，可以实现多轴加载条件下的疲劳试验。中国专利201910137101.6公开的一种圆棒试件拉压-弯曲复合疲劳试验夹具，包括，上夹头、上承力框、上转接头、下转接头、下承力框、下夹头和调节螺钉；上承力框和下承力框中部为空腔、下部为带有凹槽的承力齿；上转接头和下转接头上部为矩形块，下部为带有螺纹孔的圆柱；上夹头通过螺纹与上承力框连接，下夹头通过螺纹与下承力框连接；上转接头位于上承力框底部凹槽中，下转接头位于下承力框底部凹槽中；圆棒试件通过螺纹分别与上转接头和下转接头连接；所述上承力框和下承力框的左右两侧各有两个螺钉孔，通过控制两侧调节螺钉的旋入深度改变圆棒试件中心线与疲劳机轴向载荷的相对位置，当圆棒试件中心线与疲劳机轴向载荷不重合时，圆棒试件除单轴载荷外还将承受附加的弯曲载荷；其可进行带扭转角度的疲劳试验，但是，不适合橡胶试件的疲劳试验。

橡胶是一种温度敏感性材料，不同温度下的力学性能会表现出较大差异，所以，找到温度与力学性能之间的关系是研究其疲劳损伤机理的重要一步。

目前具有可变温功能的橡胶疲劳试验机，只是改变橡胶试件所处空间的环境温度，然后通过对流换热加热橡胶试件。而大部分橡胶制品工作时的状态是自身温度较高，而环境温度不会过高，这与实际相差较远。中国专利201710906844.6公开的一种小型自控式温度疲劳试验机，包括试验机架和设置在试验机架内部的气缸、加热电炉、低温恒温浴槽、隔热法兰、上位行程开关、温度传感器、下位行程开关、可编程控制器、三位五通电磁阀、传动杆、触碰杆；其中试验机架为长方体形框架；低温恒温浴槽设置在试验机架的内下部，顶面中部形成有一个用于贯穿传动杆的预留口，内部盛有冷却液；加热电炉设置在低温恒温浴槽的上方，顶面和底面中部分别形成有一个用于贯穿传动杆的进口和出口，并且低温恒温浴槽上的预留口与加热电炉上的进口及出口位置上下对应；气缸上的缸体一端固定在试验机架的顶面上，活塞杆位于下端，并且上下端分别形成有一个进出气口；隔热法兰的中心留有螺纹孔，两个对位放置的隔热法兰通过螺纹孔与活塞杆的下端以及传动杆的上端螺纹连接，传动杆的下端用于固定试件；上位行程开关和下位行程开关以上下对应的方式分别设置在试验机架侧面上位于缸体下端和加热电炉顶面之间的部位；温度传感器设置在加热电炉上；触碰杆水平设置，一端固定在活塞杆的下部，另一端在随活塞杆上下移动时能够与上位行程开关的底面和下位行程开关的顶面相接触；三位五通电磁阀设置在气缸的一侧，并且连接在进气管路和缸体的进、出气口之间；可编程控制器设置在试验机架的侧面上，带有触摸屏，并且分别与加热电炉、上位行程开关、温度传感器、下位行程开关和三位五通电磁阀电连接；其通过电加热炉实现环境加温，通过低温恒温浴槽实现低温环境，两个过程分别是在两个装置中进行，不方便并且温控范围较小，不能达到实际应用条件。

同时，目前通用的橡胶疲劳试验机无法实现实时跟踪试验过程中裂纹的产生，只能通过裂纹长度除以时间来换算出平均的裂纹扩展速率，而无法知道一次疲劳试验中哪个温度范围内裂纹扩展速率最快。中国专利201811432574.0公开的一种橡胶疲劳拉伸试验台，由执行机构、数据采集系统和控制系统三部分组成，所述执行机构包括总体固定架、力传感器、左夹具、右夹具、滑台、支撑杆、丝杠、滑台底座、联轴器、伺服电机；所述左夹具通过固定支架和螺栓安装在力传感器上，力传感器通过螺栓安装在总体固定架的传感器安装立柱上；右夹具通过螺栓安装在滑台上，滑台中间加工有螺纹孔，螺纹孔的两边各有一个光孔；滑台安装在支撑杆和丝杠上，当丝杆转动时，滑台可以带动右夹具左右移动。丝杠通过联轴器与伺服电机的转轴相连；伺服电机通过自带的安装孔安装在滑台底座上；滑台底座通过螺栓固定在总体固定架上；所述控制系统包括数据采集卡、计算机、人机交互界面、PLC控制系统；所述控制系统通过PLC控制系统来控制伺服电机的转速和方向，进而控制左夹具和右夹具对橡胶试样进行加载；所述数据采集系统包括电源、ART数据采集卡、电路放大器，所述电路放大器与力传感器相连，所述ART数据采集卡通过通讯接口与USB相连；通过刻度观察每产生2mm裂纹，按下停止按钮然后记录循环次数，需要试验人员实时观察跟踪。

基于现有技术中的橡胶疲劳试验存在不能真实反映橡胶制品所受的复杂应力、应变不能准确测量的问题，提供一种可进行橡胶试件高低温试验和实时跟踪裂纹扩展的装置，同时，能够对橡胶试件进行更牢固的夹持。

发明内容：

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的缺点，寻求设计一种变温疲劳试验装置，实现不同温度范围的橡胶疲劳试验，并能实时记录裂纹扩展情况。

本实用新型涉及的一种变温疲劳试验装置的主体结构包括滑轨、调节臂、上加载轴、下加载轴、夹具和保温箱；滑轨上设置有调节臂，调节臂与上加载轴连接，上加载轴与带有力传感器的下加载轴之间设置有夹具，夹具的外侧设置有保温箱。

本实用新型涉及的两根互相平行的滑轨设置在带有万向轮的底座的两侧，下加载轴设置在底座上，保温箱的箱门上镶嵌有隔热玻璃，内部设置有成像机构和红外测温探头，内壁设置有红外加热管，顶部和底部均开设有通孔，侧部开设有连接孔。

本实用新型涉及的一种变温疲劳试验装置使用时，将变温疲劳试验装置分别与液压动力系统和监测系统连接，液压动力系统能够提供正弦波、三角波和方波三种加载方式，将保温箱与液氮罐连接，采用通入液氮的方式模拟低温环境，通过数据采集系统和数据转换系统将成像机构接入计算机，在光线作用下，试件断裂处和未断裂处的灰度不同，根据灰度原理监测裂纹扩展长度，实时监测裂纹扩展情况，通过计算机控制成像机构在裂纹每增加1mm时拍照并上传计算机，计算机记录循环次数和工作时间，通过数据转换系统将红外测温探头与计算机连接，以实时监测试件的温度，存储试件的温度变化曲线，通过数据采集系统和数据转换系统将红外加热管接入计算机，以控制红外加热管的加热温度，将试件镶嵌并固定在夹具上，对试件进行加载，监测系统实时录像，记录疲劳过程，在裂纹每扩展1mm时反馈给计算机，并存储此时的循环数、运行时间和温度，试件断裂时，力传感器监测到力值的突变，计算机及时停止试验，并记录此时的循环次数，保存整个试验过程应力应变的各项数据曲线图。

本实用新型涉及的试件的材质为橡胶，包括不等厚度的哑铃型试件、空竹型试件和撕裂试件：哑铃型试件的A段长度为100mm，B段长度为25mm，C段长度为20mm，G段长度为80mm，标距长度部分C的厚度D沿用国标，为2mm，上下两端的厚度由2mm变为5mm，确保试验时只有标距长度部分C产生变形，避免因整体变形造成应变测量不准确，上下两端为长方体柱；空竹型试件的中间圆柱最细处的半径为5.85mm，两端长方体柱的边长为30mm，厚度为15mm；撕裂试件的长度为140mm，高度为10mm，中间部分的厚度为2mm，两端长方体柱的尺寸与哑铃型试件两端长方体柱的尺寸相同。

本实用新型与现有技术相比，配备两种夹具和三种试件，并在夹具的外部设置保温箱，保温箱内部设置红外加热管和成像机构，并与液氮罐连接，通过加装红外加热管加热试件，通过液氮罐冷却保温箱模拟低温环境，从而模拟实际橡胶制品的工作环境，进行复杂应力状态下的变温疲劳试验，包括-50至99℃范围内带有扭转角度的拉伸-压缩疲劳试验；其结构简单，原理科学可靠，实时记录疲劳过程，能够避免因螺丝松动造成试件夹持不紧出现的误差，应变测量更准确。

附图说明：

图1为本实用新型的主体结构原理示意图。

图2为本实用新型涉及的保温箱的主视图。

图3为本实用新型涉及的保温箱的立体图。

图4为本实用新型涉及的第一种夹具的主体结构示意图。

图5为本实用新型涉及的第一种夹具的局部结构示意图。

图6为本实用新型涉及的第二种夹具的主体结构示意图。

图7为本实用新型涉及的第二种夹具的局部结构示意图。

图8为本实用新型涉及的成像机构的主体结构示意图。

图9为本实用新型涉及的哑铃型试件的主体结构示意图。

图10为本实用新型涉及的哑铃型试件的侧视图。

图11为本实用新型涉及的空竹型试件的主体结构示意图。

图12为本实用新型涉及的撕裂试件的尺寸示意图。

图13为本实用新型涉及的撕裂试件的主体结构示意图。

图14为本实用新型的使用状态示意图。

图15为本实用新型涉及的没有预置裂纹的撕裂试件的应变能密度的有限元仿真结果示意图。

具体实施方式：

下面通过实施例并结合附图对本实用新型作进一步说明。

实施例1：

本实施例涉及的一种变温疲劳试验装置的主体结构包括底座1、滑轨2、调节臂3、上加载轴4、下加载轴5、夹具6、保温箱7、隔热玻璃8、成像机构9、红外测温探头10、红外加热管11、通孔12和连接孔13；带有万向轮的底座1的两侧均设置有滑轨2，滑轨2上设置有调节臂3，调节臂3与上加载轴4连接，底座1上设置有带有力传感器的下加载轴5，上加载轴4与下加载轴5之间设置有夹具6，夹具6的外侧设置有保温箱7，保温箱7的箱门上镶嵌有矩形结构的隔热玻璃8，内部设置有成像机构9和红外测温探头10，内壁设置有红外加热管11，顶部和底部均开设有通孔12，侧部开设有连接孔13。

本实施例涉及的夹具6包括两种结构，第一种夹具6的主体结构包括导轨101、一号上夹具102、一号下夹具103、一号前夹块104、一号后夹块105、柱形槽106和螺栓孔107；两根互相平行的导轨101的上端设置有一号上夹具102，下端设置有一号下夹具103，一号上夹具102和一号下夹具103的结构相同，表面均设置有一号前夹块104和一号后夹块105，一号前夹块104的两端均开设有柱形槽106，中间等间距式开设有若干个螺栓孔107；第二种夹具6的主体结构包括二号上夹具201、上导轨202、二号下夹具203、下导轨204、二号前夹块205、二号后夹块206和圆形孔207；圆形结构的二号上夹具201上设置有上导轨202，圆形结构的二号下夹具203上设置有下导轨204，上导轨202与下导轨204连接，二号上夹具201和二号下夹具203的结构相同，表面均设置有二号前夹块205和带有法兰盘的二号后夹块206，二号前夹块205与二号后夹块206之间开设圆形孔207。

本实施例涉及的成像机构9的主体结构包括CCD工业高速摄像头91、成像孔板92、背光源93和光源94；CCD工业高速摄像头91和红外测温探头10均镶嵌于保温箱7的内壁中，表面覆盖透明材质的隔热材料，防止CCD工业高速摄像头91和红外测温探头10因温度变化损坏，成像孔板92和背光源93分别设置在夹具6的前方和后方，光源94设置在夹具6的斜上方。

本实施例涉及的上加载轴4和下加载轴5分别与夹具6法兰式连接；一号上夹具102、一号下夹具103和一号前夹块104分别与一号后夹块105螺栓式连接；二号上夹具201、二号下夹具203和二号前夹块205分别与二号后夹块206螺栓式连接。

本实施例涉及的底座1能够移动，便于试验在不同的场所进行；调节臂3能够沿滑轨2上下滑行；第一种夹具6用于单轴拉伸试验，将哑铃型试件的圆柱边界嵌入柱形槽106内，通过螺栓固定并前后卡紧哑铃型试件，防止一号前夹块104和一号后夹块105上下窜动，保证第一种夹具6对哑铃型试件的固定不会过紧，试验时，一号下夹具103作往复运动，导轨101上涂有润滑油，能够减小导轨101与一号上夹具102和一号下夹具103的摩擦；第二种夹具6用于多轴疲劳试验，通过调整下导轨204在二号下夹具203上的位置实现不同扭转角度下的拉伸-压缩疲劳试验，试验时，下导轨204与二号下夹具203之间涂敷有润滑油，以减小摩擦；通孔12为上加载轴4和下加载轴5进出保温箱7的通道；导轨101的直径为8mm，作用为固定一号上夹具102和一号下夹具103，并保证一号下夹具103不会出现扭转，避免造成试验误差；上导轨202和下导轨204的直径为8mm，分别用于固定二号上夹具201和二号下夹具203。

Claims (8)

1.一种变温疲劳试验装置，其特征在于，主体结构包括滑轨、调节臂、上加载轴、下加载轴、夹具和保温箱；滑轨上设置有调节臂，调节臂与上加载轴连接，上加载轴与带有力传感器的下加载轴之间设置有夹具，夹具的外侧设置有保温箱。

2.根据权利要求1所述的变温疲劳试验装置，其特征在于，两根互相平行的滑轨设置在带有万向轮的底座的两侧，下加载轴设置在底座上，保温箱的箱门上镶嵌有隔热玻璃，内部设置有成像机构和红外测温探头，内壁设置有红外加热管，顶部和底部均开设有通孔，侧部开设有连接孔。

3.根据权利要求1或2所述的变温疲劳试验装置，其特征在于，夹具包括两种结构。

4.根据权利要求3所述的变温疲劳试验装置，其特征在于，第一种夹具的主体结构包括导轨、一号上夹具、一号下夹具、一号前夹块、一号后夹块、柱形槽和螺栓孔；两根互相平行的导轨的上端设置有一号上夹具，下端设置有一号下夹具，一号上夹具和一号下夹具的结构相同，表面均设置有一号前夹块和一号后夹块，一号前夹块的两端均开设有柱形槽，中间等间距式开设有若干个螺栓孔。

5.根据权利要求3所述的变温疲劳试验装置，其特征在于，第二种夹具的主体结构包括二号上夹具、上导轨、二号下夹具、下导轨、二号前夹块、二号后夹块和圆形孔；圆形结构的二号上夹具上设置有上导轨，圆形结构的二号下夹具上设置有下导轨，上导轨与下导轨连接，二号上夹具和二号下夹具的结构相同，表面均设置有二号前夹块和带有法兰盘的二号后夹块，二号前夹块与二号后夹块之间开设圆形孔。

6.根据权利要求3所述的变温疲劳试验装置，其特征在于，成像机构的主体结构包括CCD工业高速摄像头、成像孔板、背光源和光源；CCD工业高速摄像头和红外测温探头均镶嵌于保温箱的内壁中，表面覆盖透明材质的隔热材料，成像孔板和背光源分别设置在夹具的前方和后方，光源设置在夹具的斜上方。

7.根据权利要求3所述的变温疲劳试验装置，其特征在于，上加载轴和下加载轴分别与夹具法兰式连接；一号上夹具、一号下夹具和一号前夹块分别与一号后夹块螺栓式连接；二号上夹具、二号下夹具和二号前夹块分别与二号后夹块螺栓式连接。

8.根据权利要求3所述的变温疲劳试验装置，其特征在于，导轨上涂有润滑油；下导轨与二号下夹具之间涂敷有润滑油；通孔为上加载轴和下加载轴进出保温箱的通道；导轨的直径为8mm；上导轨和下导轨的直径为8mm。