CN104880362A - 自协调式微动疲劳试验横向微动加载装置 - Google Patents

Abstract

一种自协调式微动疲劳试验横向微动加载装置，包括固定底座，所述横向微动加载装置还包括两根悬臂梁，两根悬臂梁并排布置，两根悬臂梁的中部为用于放置待试验管材的试验工位，悬臂梁的一端固定轴承，所述轴承位于一根悬臂梁相对于另一根悬臂梁的外侧，所述轴承可转动地安装在转轴上，所述转轴位于固定底座上，所述两根悬臂梁的自由端安装用于调节两根悬臂梁之间距离并微动加载的加载机构。本发明提供一种稳定性良好、可靠性强、精度高、具有载荷自协调作用的自协调式微动疲劳试验横向微动加载装置。

Description

自协调式微动疲劳试验横向微动加载装置

技术领域

本发明涉及材料疲劳性能试验领域，尤其是一种对各种形状的微动疲劳试验试样施加横向微动载荷及产生微动摩擦磨损时的具有自协调且稳定可靠的加载装置。

背景技术

微动是两接触表面之间发生的振幅极小(通常为微米量级)的相对运动，通常发生在振动环境下的近似紧配合的接触表面，在外加载荷作用下则与疲劳共同作用形成微动疲劳。微动疲劳可以造成接触表面摩擦磨损，产生材料损失和构件尺寸变化；也可以加速裂纹的萌生、扩展，使结构的疲劳寿命大大降低。其现象广泛存在于机械、交通、电力、航空航天，乃至生物医学工程等领域，它会加速零部件的疲劳裂纹萌生与扩展，从而明显降低服役寿命，甚至造成灾难性事故，因此微动损伤被称为工业中的“癌症”。研究表明，微动能使构件的疲劳寿命降低20％～80％，甚至更低。目前关于微动疲劳的研究虽不少,但均未取得重大突破，主要集中在:微动疲劳损伤机理、裂纹的萌生与扩展、对疲劳寿命的有效控制等方面。对微动疲劳损伤的评价标准也尚未统一。更没有专门的微动疲劳的试验标准及其试验横向加载装置。

国内外研究微动疲劳的实验装置按照微动垫的结构不同主要可分为桥式微动垫和圆柱式微动垫等。前者为一种面接触装置，其优点在于不管是弯曲还是拉应力作用下微动垫可通过应力环或其他预紧装置固定在标准疲劳试样上。在20世纪90年代以前该装置被广泛采用，其结构简单,但存在一些不足，首先，微动桥不是完全的刚体，变形造成与试样间的接触条件不好描述；其次，即使是在完全对称情况下，两微动桥脚也不可能完全一致地协调滑动，导致滑移区难以确定。后者为一种线接触的实验装置，20世纪60年代末开始使用，该装置被众多研究者所接受。但是该装置在使用过程中也存在一些问题，如微动系统刚性不好，微动垫相对滑动太大，导致其轴向位移大，横向载荷在疲劳过程中会发生变化即载荷不稳定。

目前，在管材、板材等微动疲劳过程中，往往在由于微动装置的稳定性及可靠性较差，导致试验结果很不理想，试验结果不能真实反映实际微动疲劳的性能。基于通用的微动疲劳试验加载装置稳定性较差，施加载荷波动性较大等情况。所以，在材料微动疲劳试验时，必须设计一种对试样施加横向载荷稳定可靠的试验装置，从而使得试样受到轴向载荷而发生相对滑动时，横向载荷将不发生改变。并且在整个试验过程中微动结构、固定支座等结构也能稳定可靠的工作。因此，设计出一套刚性好，系统稳定的同时具有载荷自协调功能的微动疲劳横向加载装置具有重要的意义。

发明内容

为了克服已有微动疲劳试验横向微动加载装置的不具有自协调载荷作用、稳定性较差、可靠性较差的不足，本发明提供一种稳定性良好、可靠性强、具有载荷自协调作用的自协调式微动疲劳试验横向微动加载装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种自协调式微动疲劳试验横向微动加载装置，包括固定底座，所述横向微动加载装置还包括两根悬臂梁，两根悬臂梁并排布置，两根悬臂梁的中部为用于放置待试验管材的试验工位，悬臂梁的一端固定轴承，所述轴承位于一根悬臂梁相对于另一根悬臂梁的外侧，所述轴承可转动地安装在转轴上，所述转轴位于固定底座上，所述两根悬臂梁的另一端安装用于调节两根悬臂梁之间距离并微动加载的加载机构。

进一步，所述加载机构包括螺旋加载器、载荷传感器和两根连接螺杆，所述连接螺杆的中部穿过所述一根悬臂梁，所述连接螺杆的前端与另一根悬臂梁固定连接，所述连接螺杆的后端与螺杆连接板固定连接，所述螺旋加载器安装在所述螺杆连接板上，所述一根悬臂梁的外侧安装载荷传感器，所述螺旋加载器的动作杆与所述载荷传感器配合。

再进一步，所述连接螺杆的后端穿过螺杆连接板的连接孔并通过固定螺母连接，所述连接螺杆的前端穿过另一根悬臂梁的连接孔并通过固定螺母连接。

更进一步，所述两根悬臂梁的中部的相对面安装微动垫，两个微动垫之间为所述试验工位。

所述转轴上安装横向滑块，所述横向滑块可横向滑动地安装在横向导轨上，所述横向导轨的两端可上下滑动地安装在立柱上，所述立柱的下端可纵向滑动地套装在纵向滑轨上，所述纵向滑轨固定安装在所述固定底座上。

本发明的技术构思为：具有提供自协调式微动载荷的横向加载装置，是固定底座、三轴运动机构、带轴承的悬臂梁结构、微动垫固定装置、微动加载机构共同作用来对微动试样提供横向载荷的。首先将固定底座通过螺栓固定于试验机上。其次，布置三轴运动机构：将水平滑块结构安装于固定底座的侧面，调整好两对滑块的距离，使得滑块结构的两根轴之间的距离为所设计的微动疲劳试样的外尺寸。在将带轴承的悬臂梁结构装于滑块结构之上，将轴承套于滑块轴上端。所述的轴承与轴为间隙配合，并且轴承上具备自带的锁紧螺钉；悬臂梁根据试验机及试验试样调整好高度后，通过轴承上的锁紧螺钉进行固定。再次，将微动垫通过螺栓安装与悬臂梁的正中间，试样通过试验机上下夹头夹持并且通过所述一对微动垫。最后，将微动加载系统通过螺杆固定于悬臂梁的自由端，从而可以施加稳定、可靠的横向载荷。施加的载荷数值可以通过载荷传感器所配套的显示表来显示。此时，整个微动装置将与试验机保持相对静止。在微动疲劳试验的过程中，静止的微动装置与轴向微动的试样存在滑动，从而达到微动疲劳的效果。

本发明专利的效果主要表现在：装置具有XYZ三个方向可调的性能，能根据不同试样不同尺寸来调整位置。整个悬臂梁具有放大功能的杠杆的原理，使得微动处的载荷为自由端施加载荷的2倍。自由端的螺旋施力装置具有定位及位移补偿的功能，因此会让两块板保持初始位置状态，从而保证载荷不变，因此装置具有自协调的作用。自由端的微动加载装置由螺旋测微器改进而得，使得加载载荷也具很高的精度0.1N。由于整个装置采用的形材、悬臂梁结构尺寸较大整个装置刚性很好。本发明装置结构简单、操作方便，结构合理、连接可靠对微动试样进行微动试验时稳定可靠、载荷自协调。

附图说明

图1是自协调式微动疲劳试验横向微动加载装置的示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是三轴运动机构的示意图。

图4是带轴的横向滑块的示意图。

图5是悬臂梁的示意图。

图6是微动垫固定装置的示意图。

图7是螺旋加载机构的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种自协调式微动疲劳试验横向微动载荷加载装置，包括固定底座1，所述横向微动加载装置还包括两根悬臂梁3，两根悬臂梁3并排布置，两根悬臂梁3的中部为用于放置待试验管材6的试验工位，悬臂梁3的一端固定轴承7，所述轴承7位于一根悬臂梁相对于另一根悬臂梁的外侧，所述轴承7可转动地安装在转轴上，所述转轴位于固定底座上，所述两根悬臂梁3的另一端安装用于调节两根悬臂梁之间距离并微动加载的加载机构5。

进一步，所述加载机构包括螺旋加载器51、载荷传感器52和两根连接螺杆53，所述连接螺杆53的中部穿过所述一根悬臂梁，所述连接螺杆53的前端与另一根悬臂梁固定连接，所述连接螺杆53的后端与螺杆连接板54固定连接，所述螺旋加载器51安装在所述螺杆连接板54上，所述一根悬臂梁的外侧安装载荷传感器52，所述螺旋加载器51的动作杆与所述载荷传感器52配合。

再进一步，所述连接螺杆53的后端穿过螺杆连接板的连接孔并通过固定螺母连接，所述连接螺杆53的前端穿过另一根悬臂梁的连接孔并通过固定螺母连接。

更进一步，所述两根悬臂梁3的中部的相对面安装微动垫4，两个微动垫4之间为所述试验工位。

所述转轴上安装横向滑块2，所述横向滑块2可横向滑动地安装在横向导轨上，所述横向导轨的两端可上下滑动地安装在立柱上，所述立柱的下端可纵向滑动地套装在纵向滑轨上，所述纵向滑轨固定安装在所述固定底座1上。

三轴运动机构呈L型结构，由型材用角铁连接而成，其分别带有沿XYZ三个方向的导槽；所述固定底座1与试验机固定，其正面的两根横梁完全平行，用于连接带轴的滑块结构，两根横梁可以沿底座上下Z方向移动，与此同时相邻两根横梁与竖直导槽组成的框架结构可以沿前后Y方向移动。所述带转轴的横向滑块2详细见图4滑块上有螺孔，轴套入横向滑块后通过锁紧螺钉锁紧组成整体，所述的1对带轴的横向滑块结构与可以沿横向X方向的横向导轨滑动，并且横向导轨上带有紧固螺栓，在调整好X方向的位置后，可使横向滑块与导槽固定。所述带轴承的悬臂梁3见图5，梁端部则根据轴承座的螺纹孔对应的开有4个孔，每块梁的一端都沿上下边缘对称布置两个带有轴承座的轴承，所诉轴承通过螺栓与悬臂梁相连接；所述悬臂梁与轴承通过螺栓与螺母紧固在一起；所述悬臂梁的中间部位有固定微动垫4的两个螺纹孔，两个螺纹孔关于梁的中心线对称布置。所述悬臂梁3的自由端有用于安装载荷加载装置的孔且每块悬臂梁上有两个孔，所述两个孔的中点与悬臂梁固定端轴承中心关于微动垫4中心对称。微动垫固定装置结构见图6其主要通过螺栓将微动垫4固定于悬臂梁3上，微动垫位于悬臂梁的正中间，一对微动垫分别对称布置于两块悬臂梁上，且微动垫与微动疲劳试样相接触。所述微动加载机构见图7，由螺旋加载器、载荷传感器及两根连接螺杆等组成，所述装置通过螺杆与两块梁相连接，并且与其中一块梁通过螺母固定，与另外一块梁保持自由状态；所述载荷传感器通过螺栓固定于与螺杆处于自由状态的梁上，并且保证其固定位置为两螺杆的正中心；所述螺旋加载器上有螺纹孔通过螺母与螺杆相连接，并可以相互固定。所述螺旋加载器的加载头部与压力传感器处于同一高度。

所述悬臂梁3通过轴承与带轴的滑块向连，其梁可以绕轴自由转动，但是其竖直方向上的位移被轴承自带的紧固螺钉限制，且两根轴之间的距离为试样尺寸与两个微动垫尺寸之和。

所述微动加载结构，两根螺杆之间的距离为螺旋加载器的两孔之间的距离，两螺杆与其中一块板的内外两侧加螺母来固定，另外一块梁的两个孔应该略大于螺杆的直径。从而使得螺杆穿过梁时，与梁孔不会发生摩擦。

所述装置通过螺旋加载器压缩传感器来加载，载荷传感器的示数由其配套的显示表读出，而微动垫处的微动载荷则为显示表读数的两倍，即施加载荷作用于悬臂梁自由端从而使得微动垫处的横向载荷为自由端施加载荷的两倍，此悬臂梁同时具有杠杆作用。

在具体试验时参照图1与图2组装完成后，与试样一起固定在试验机夹具上进行试验。

本实施例的装置具有XYZ三个方向可调的性能，能根据不同试样不同尺寸来调整位置。由于装置的悬臂梁一端自由另外一端由轴承连接其不承受弯矩的作用，因此当试样位于微动处时，整个悬臂梁具有杠杆的原理，使得微动处的载荷为自由端施加载荷的2倍。由于疲劳试样是通过两块刚度很好的梁夹紧而施加微动载荷的。因此，在试验过程中当微动载荷发生变化时，由于自由端的螺旋加载装置具有定位及位移补偿的功能因此会让两块板保持初始的位置状态。从而保证载荷不变，因此具有自协调的作用。另外自由端的微动加载装置由螺旋测微器改进而得，用其旋转前进压缩传感器来获得相应的载荷。由于螺旋测微器的高精度(0.0001mm)从而使得加载载荷也具很高的精度0.1N。

Claims (5)

1.一种自协调式微动疲劳试验横向微动加载装置，包括固定底座，其特征在于：所述横向微动加载装置还包括两根悬臂梁，两根悬臂梁并排布置，两根悬臂梁的中部为用于放置待试验管材的试验工位，悬臂梁的一端固定轴承，所述轴承位于一根悬臂梁相对于另一根悬臂梁的外侧，所述轴承可转动地安装在转轴上，所述转轴位于固定底座上，所述两根悬臂梁的另一端安装用于调节两根悬臂梁之间距离并微动加载的加载机构。

2.如权利要求1所述的自协调式微动疲劳试验横向微动加载装置，其特征在于：所述加载机构包括螺旋加载器、载荷传感器和两根连接螺杆，所述连接螺杆的中部穿过所述一根悬臂梁，所述连接螺杆的前端与另一根悬臂梁固定连接，所述连接螺杆的后端与螺杆连接板固定连接，所述螺旋加载器安装在所述螺杆连接板上，所述一根悬臂梁的外侧安装载荷传感器，所述螺旋加载器的动作杆与所述载荷传感器配合。

3.如权利要求2所述的自协调式微动疲劳试验横向微动加载装置，其特征在于：所述连接螺杆的后端穿过螺杆连接板的连接孔并通过固定螺母连接，所述连接螺杆的前端穿过另一根悬臂梁的连接孔并通过固定螺母连接。

4.如权利要求1～3之一所述的自协调式微动疲劳试验横向微动加载装置，其特征在于：所述两根悬臂梁的中部的相对面安装微动垫，两个微动垫之间为所述试验工位。

5.如权利要求1～3之一所述的自协调式微动疲劳试验横向微动加载装置，其特征在于：所述转轴上安装横向滑块，所述横向滑块可横向滑动地安装在横向导轨上，所述横向导轨的两端可上下滑动地安装在立柱上，所述立柱的下端可纵向滑动地套装在纵向滑轨上，所述纵向滑轨固定安装在所述固定底座上。