CN108709793B - 用于弯扭振动疲劳试验的加载装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于弯扭振动疲劳试验的加载装置及其方法，底座上设置有滑槽，两端安装有支架，滑槽上连接有所述激振器；座体通过螺栓与支架连接，滑套的两侧设置有转轴且上方安装有夹紧辊，转轴与滑座和侧板的轴孔连接；滑套内套装有导杆，导杆的一端与加载臂连接；加载臂的夹座与夹头相对且设置有“V”形槽，夹座下方装有第二连轴器。具有可调节性，具有足够的夹持力保证平台的稳定性，可以提供纯扭转加载、扭转和横向弯曲耦合加载、扭转和纵向弯曲耦合加载、扭转与斜向弯曲耦合加载和纯弯曲加载。具有高精度、高效率、低成本、多功能的特点，对于完成矩形截面和圆形截面试验件材料的振动疲劳性能测试具有重要的实用价值。

Description

用于弯扭振动疲劳试验的加载装置及其方法

技术领域

本发明属于材料性能和材料检测设备技术领域，具体涉及一种弯曲疲劳、扭转疲劳以及弯扭耦合疲劳等振动疲劳测试加载装置及方法。

背景技术

疲劳广泛存在于航空航天与机械工程等领域。为了探索材料的疲劳性能，最常见的研究方法是试验研究。目前，常用的疲劳实验机，主要适用于拉压、弯曲和扭转等单轴加载的疲劳测试。然而，工程实际中，机器结构所受到的载荷往往是多轴加载，其中以弯扭耦合加载为最常见的载荷形式。针对传统疲劳试验机通常只能提供单一的加载模式，设计一款能够实现弯扭耦合加载的振动疲劳机具有重要的意义。

工程结构所受到的载荷往往是拉压、弯曲、扭转以及弯扭复合载荷，例如直升机旋翼叶片所受到的载荷，呈拉、弯、扭复合加载状态。目前，尚无一种疲劳试验机能完成各种载荷的复合加载。而且，现有疲劳试验机大多采用直动驱动作动器来完成拉压和弯曲加载，而采用旋转驱动作动器来完成扭转加载。所以，要直接利用现有疲劳试验机实现弯扭耦合加载存在一定的困难。

发明内容

本发明提供一种应用宽泛、加载功能多样的疲劳试验方法，并同时提供对应的疲劳试验装置，以解决现有疲劳试验机在提供多轴耦合加载方式中存在的难题，获得可在一般普通条件下对各种边界条件试件进行疲劳性能测试的一种试验台。

为了解决上述存在的技术问题，本发明采用如下方案：

一种用于弯扭振动疲劳试验的加载装置，包括底座、夹具、加载臂、滑座和激振器，所述底座上设置有滑槽，两端安装有支架，滑槽上连接有所述激振器；所述夹具的座体呈“U”形且两侧设置有槽口，座体通过螺栓与支架连接，座体的顶部通过螺栓与压板连接，槽口内装有圆柱形的夹杆，座体的一侧设置有螺孔；所述滑座呈“L”形，其一侧通过螺钉安装有侧板，滑座的另一侧与侧板相对且设置有轴孔，滑座下面的两端装有顶杆，顶杆之间安装有第一联轴器；所述激振器的上端与第一联轴器连接；滑套的两侧设置有转轴且上方安装有夹紧辊，转轴与滑座和侧板的轴孔连接；滑套内套装有导杆，导杆的一端与加载臂连接；加载臂的夹座上方通过螺钉连接有夹头，夹座与夹头相对且设置有“V”形槽，夹座下方装有第二连轴器。

进一步，所述座体一侧的螺孔通过螺杆与三爪卡盘连接。

进一步，所述导杆上设置有刻度。

一种用于弯扭振动疲劳试验的加载装置的加载方法，其步骤如下：

1)通过夹头和夹座将试件夹紧；

2)当进行扭转加载时，将导杆套在滑套上，滑座通过第一联轴器与激振器相连，松开夹紧辊，导杆可以沿滑套自由滑动，松开滑座下面的顶杆，使滑套通过转轴在滑座里自由转动，通过改变滑套在导杆上的位置，以及改变激振器的输出载荷，实现扭矩调节；

3)当进行弯扭耦合加载时，拧紧夹紧辊，使导杆无法沿滑套自由移动，松开滑座下面的顶杆，使滑套通过转轴在滑座里自由转动，在激振器竖直施力的情况下，实现横向弯扭组合加载；松开夹紧辊，拧紧滑座下面的顶杆，使滑套无法通过转轴在滑座里自由转动，在激振器竖直施力的情况下，实现纵向弯扭组合加载；拧紧夹紧辊以及滑座下面的顶杆，使导杆无法沿滑套自由移动，滑套也无法通过转轴自由转动，在激振器竖直施力的情况下，实现斜向弯扭组合加载；

4)在进行纯弯曲加载时，拆掉导杆，将激振器通过滑槽移至加载臂的下方，使激振器与第二连轴器连接，在激振器竖直施力的情况下，实现纯弯曲的加载；

5)在进行轴类试件测试时，在底座两端的支架上方的夹具内侧装上三爪卡盘，并通过三爪卡盘夹住轴类试件的两端，实现试件测试加载。

本发明具有可调节性，具有足够的夹持力保证平台的稳定性，可方便的实现简支与固支的边界方式的转换。加载幅值可以调节，能够满足不同长度试件及不同加载位置的需求。可以提供纯扭矩加载、扭矩和横向弯曲耦合加载、扭矩和纵向弯曲加载、扭转与弯曲耦合加载和纯弯曲加载。克服了现有疲劳试验机功能单一、加载困难等局限性，具有高精度、高效率、低成本、多功能的特点，对于完成矩形截面和圆形截面试验件材料的振动疲劳性能测试具有重要的实用价值。

附图说明

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明纯弯加载试验状态的立体装配示意图；

图3为本发明换装轴类试件时的工作示意图；

图4为本发明中夹具4的立体结构示意图；

图5为本发明中滑套6与滑座9装配结构立体示意图；

图6为本发明中加载臂5与滑套6连接结构的立体示意图；

图7为本发明中加载臂5的立体结构示意图；

图8为本发明中夹具4与三爪卡盘10连接状态的装配结构示意图。

图中：1-底座，11-滑槽；2-支架；3-试件；4-夹具，41-压板，42-座体，43-夹杆，44-槽口，45-螺孔；5-加载臂，51-夹头，52-夹座，53-第二连轴器；6-滑套，61-夹紧辊，62-转轴；7-激振器；8-导杆；9-滑座，91-侧板，92-第一联轴器，93-顶杆；10-三爪卡盘。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。参见图1至图8，一种用于弯扭振动疲劳试验的加载装置，包括底座1、夹具4、加载臂5、滑座9和激振器7，所述底座1上设置有滑槽11，两端安装有支架2，滑槽11上连接有所述激振器7；所述夹具4的座体42呈“U”形且两侧设置有槽口44，座体42通过螺栓与支架2连接，座体42的顶部通过螺栓与压板41连接，槽口44内装有圆柱形的夹杆43，座体42的一侧设置有螺孔45；所述滑座9呈“L”形，其一侧通过螺钉安装有侧板91，滑座9的另一侧与侧板91相对且设置有轴孔，滑座9下面的两端装有顶杆93，顶杆93之间安装有第一联轴器92；所述激振器7的上端与第一联轴器92连接；滑套6的两侧设置有转轴62且上方安装有夹紧辊61，转轴62与滑座9和侧板91的轴孔连接；滑套6内套装有导杆8，导杆8的一端与加载臂5连接；加载臂5的夹座52上方通过螺钉连接有夹头51，夹座52与夹头51相对且设置有“V”形槽，夹座52下方装有第二连轴器53。所述座体42一侧的螺孔45通过螺杆连接有三爪卡盘10。所述导杆8上设置有刻度。

一种用于弯扭振动疲劳试验的加载装置的加载方法，其步骤如下：

1)通过夹头51和夹座52将试件3夹紧；

2)当进行扭转加载时，将导杆8套在滑套6上，滑座9通过联轴器92与激振器7相连，松开夹紧辊61，导杆8可以沿滑套6自由滑动，松开滑座9下面的顶杆93，使滑套6通过转轴62在滑座9里自由转动，通过改变滑套6在导杆8上的位置，以及改变激振器7的输出载荷，实现扭矩调节；

3)当进行弯扭耦合加载时，拧紧夹紧辊61，使导杆8无法沿滑套6自由移动，松开滑座9下面的顶杆93，使滑套6通过转轴62在滑座9里自由转动，在激振器7竖直施力的情况下，实现横向弯扭组合加载；松开夹紧辊61，拧紧滑座9下面的顶杆93，使滑套6无法通过转轴62在滑座9里自由转动，在激振器7竖直施力的情况下，实现纵向弯扭组合加载；拧紧夹紧辊61以及滑座9下面的顶杆93，使导杆8无法沿滑套6自由移动，滑套6也无法通过转轴62自由转动，在激振器7竖直施力的情况下，实现斜向弯扭组合加载；

4)在进行纯弯曲加载时，拆掉导杆8，将激振器7通过滑槽11移至加载臂5的下方，使激振器7与第二连轴器53连接，在激振器7竖直施力的情况下，实现纯弯曲的加载；

5)在进行轴类试件测试时，在底座1两端的支架2上方的夹具4内侧装上三爪卡盘10，并通过三爪卡盘10夹住轴类试件的两端，实现轴类试件测试加载。

实施例1：以下提供本发明的一个较佳实施案例。以矩形截面梁试件为例：

首先，安装试验装置，将试件3固定在夹具4上，调节夹杆43两端的螺母，当将压板41的螺钉压紧时，试件3这端可以实现固支；将压板41的螺母调松，适当拧紧夹杆43的螺钉时，试件这端可以实现简支。同时，很方便的，当只有一端固定时，即可以测试试件3悬臂模式的疲劳性能。加载臂5的安装较为方便，将夹座52与夹头51卡在试件3所要加载的位置拧紧固定螺钉即可。液压激振器7需要根据所要进行的试验模式来进行安装，当进行弯扭或纯扭试验时，激振器7先与滑座9下面的第一联轴器92相连，再将滑套6套在导杆8上，将导杆8安装固定在夹座52上即可，移动激振器7，找到合适的激振位置，将激振器7沿底座1的滑槽11用螺栓固定，这样进行弯扭或者纯扭试验的试验装置就安装完毕(如图1所示)。

然后，根据试验要求，通过约束导杆机构的自由度来进行加载方式的改变。当进行扭转加载时，松开夹紧辊61，导杆8可以沿滑套6自由滑动，松开滑座9下面的顶杆93，使滑套6通过转轴62在滑座9里自由转动，通过改变滑套6在导杆8上的位置，以及改变激振器7的输出载荷，实现扭矩调节。当进行弯扭耦合加载时，拧紧夹紧辊61，使导杆8无法沿滑套6自由移动，松开滑座9下面的顶杆93，使滑套6通过转轴62在滑座9里自由转动，在激振器7竖直施力的情况下，实现横向弯扭组合加载；松开夹紧辊61，拧紧滑座9下面的顶杆93，使滑套6无法通过转轴62在滑座9里自由转动，在激振器7竖直施力的情况下，实现纵向弯扭组合加载；拧紧夹紧辊61以及滑座9下面的顶杆93，使导杆8无法沿滑套6自由移动，滑套6也无法通过转轴62自由转动，在激振器7竖直施力的情况下，实现斜向弯扭组合加载。

当进行纯扭试验时，激振器7与夹座52底部的第二联轴器53连接，将导杆8和滑座9全部拆下即可(如图2所示)。

当进行轴类的试件3的试验时，在底座1两端的支架2上方的夹具4内侧，利用预留的孔位45用螺钉固定安装三爪卡盘10，安装状态的示意图如图8，最后采用上述测试方法对轴类试件3测试加载(如图3所示)。

安装完毕后，即可打开激振器7的开关，调节所要求的激振力和激振频率使其达到测试要求即可进行测试。

矩形截面或圆形截面的试件3，在试验中模拟梁类、轴类零部件材料，试件3要求与实际零部件尺寸比例相同，选用相同成分、显微组织和力学性能的材料制成，真实可靠的还原实际试件性能。试件3要求采用和实际工况成比例缩小的构件，也可以预制裂纹等一系列初始特征，研究不同的疲劳损伤状态。加载臂5通过夹头51和夹座52夹紧试件，夹头51和夹座52两部分使用螺钉连接，夹座52的一端固定加载导杆8，夹座52的底部安装有第二联轴器53，用来实现纯弯曲加载。激振器7与加载臂5之间的连接形式类似导杆机构，滑套6套在加载导杆8上，滑座9底部通过第一联轴器92与激振器7相连，松开夹紧辊61可以传递纯扭矩，拧紧夹紧辊61与滑座9下面控制滑套俯仰角的螺钉93配合可以实现不同方向的弯扭组合加载，移动激振器7的位置，使之与夹座52底部的第二联轴器53相连，实现纯弯曲加载。加载导杆8上设有刻度，能够方便记录加载的位置，从而控制激振幅值。

加载构件的设计，需要在实现对试件3的扭转与弯曲加载。所以，选用三角形缺口夹座52与夹头51来进行夹紧，这样既能够对试件传递扭矩，也能够传递弯矩。

铰链约束自由度的方式，选用螺钉锁定的方式来进行，通过调节夹紧辊61与螺钉93的锁定与开合，来控制铰链滑块连接件不同方向的自由度，从而实现上述所要求的加载条件。

加载臂5的制造，需选用高碳钢制造，这样能够提高加载构件的刚度，避免试验装置的刚度变化对试验结果的影响。

底座1采用铸铁加工，保证刚度。支架2采用铸铁加工，中间设置肋板保证强度，底座1上设计T型滑槽11以便固定激振器7，通过专用的螺栓可固定激振器7的位置，并且可灵活的调节位置。支架2使用铸铁铸造，螺栓连接等工艺，在保证满足使用要求的前提下，尽量减少制造成本。另外，支撑构件固有频率要选取得当，避开测试时的共振频率范围。尺寸足够大，重量足够大。夹具4要针对矩形截面和圆形截面不同的两套夹具，其中矩形试件的夹具4，需实现简支、固支、一端简支一端固支等模式。所以，采用夹具4的形式来固定比较妥当，这种设计可在简支与固支间灵活转换。

圆形截面的试件3夹具设计，需要采用三爪卡盘10来固定，但是需在座体42上预留安装孔45，便于测试时夹具的更换，节省试验时间。夹杆43采用两边带螺帽的实心辊子，辊子比夹具底座略短，辊子通过螺帽和压板41来实现固定。拧松两端螺帽且压紧压板41时，试件完全固定；拧松压板41且拧紧夹杆43两端螺帽时，试件3在夹具里面可以自由转动，可实现梁的简支，并且夹具侧面预留有安装三爪卡盘10的安装孔位45，方便测试圆形截面试件时夹具的换装。夹杆43两端头使用螺帽加弹簧垫片，既可以保证辊子的固定强度，又可以起到防松的作用。所有的连接部件所选用的螺钉以及夹装部位全部采用内六角螺钉且都为同一规格，便于日后工具的管理与维护。

本发明用于弯扭振动疲劳试验的加载装置：

(1)具有可调节性，具有足够的夹持力保证平台的稳定性，并且试件3的通用夹具4采用压块方式，只要将两边的螺钉调节松紧度即可方便的实现简支与固支的边界方式的转换。如果把所测试的试件长度适当调节，即可测试悬臂试件的疲劳性能。

(2)激振器7和加载装置的组合设计，提供的这种疲劳试验装置的载荷，加载幅值可以调节，加载臂上设置有刻度，可以很方便的调节找到合适的测试点，并且试验台底座1上也设计多条固定激振器7的滑槽11，能够满足不同长度试件及不同加载位置的需求。

(3)采用铰链式滑套6结构，如果不加约束滑套6沿轴向的滑动，可以提供纯扭矩加载；如果只约束滑套6的轴向滑动，可以提供扭矩和横向弯曲耦合加载；如果只约束铰链的转动，可以提供扭矩和纵向弯曲加载；如果约束滑套6沿轴向的滑动和铰链的转动，可以提供扭转与弯曲耦合加载；如果改变连接部的固定位置，可以提供纯弯曲加载。

(4)平台底座1上设置有长条形螺栓置于滑槽11，激振器7可通过螺栓固定在底座1上，并且可以很方便的调节激振器7的位置，找到合适的试验位置。

(5)导杆式加载臂5的夹持，采用三角形缺口形式，既可对圆形截面试件实现扭转、弯曲加载，也能为矩形截面试件实现扭转、弯曲加载，通用性强，夹持可靠、方便。

(6)支架2采用铸造工艺加工，设置肋板，既省材料，也满足工作强度，本试验台主要采用铸铁，结构刚度大，不易与被测件发生耦合振动，从而减小试验的误差。

(7)夹具4的夹装都采用统一型号的内六角螺母，方便装配的同时，也便于工具的收纳，好管理。

(8)本装置选用的是液压式激振器7，频率范围宽，输出推动力大，且容易调节控制，操作方便。

本文应用典型的矩形截面梁弯扭疲劳试验对其进行原理及其实施方式的具体阐述，只是用于帮助读者理解本发明的具体方法及其核心思想。由于文字表达的局限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本加载方式来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，这些改进的润饰或变化方案直接应用于其他场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种用于弯扭振动疲劳试验的加载装置，包括底座(1)、夹具(4)、加载臂(5)、滑座(9)和激振器(7)，其特征在于，所述底座(1)上设置有滑槽(11)，两端安装有支架(2)，滑槽(11)上连接有所述激振器(7)；所述夹具(4)的座体(42)呈“U”形且两侧设置有槽口(44)，座体(42)通过螺栓与支架(2)连接，座体(42)的顶部通过螺栓与压板(41)连接，槽口(44)内装有圆柱形的夹杆(43)，座体(42)的一侧设置有螺孔(45)；所述滑座(9)呈“L”形，其一侧通过螺钉安装有侧板(91)，滑座(9)的另一侧与侧板(91)相对且设置有轴孔，滑座(9)下面的两端装有顶杆(93)，顶杆(93)之间安装有第一联轴器(92)；所述激振器(7)的上端与第一联轴器(92)连接；滑套(6)的两侧设置有转轴(62)且上方安装有夹紧辊(61)，转轴(62)与滑座(9)和侧板(91)的轴孔连接；滑套(6)内套装有导杆(8)，导杆(8)的一端与加载臂(5)连接；加载臂(5)的夹座(52)上方通过螺钉连接有夹头(51)，夹座(52)与夹头(51)相对且设置有“V”形槽，夹座(52)下方装有第二连轴器(53)。

2.根据权利要求1所述的用于弯扭振动疲劳试验的加载装置，其特征在于，所述座体(42)一侧的螺孔(45)通过螺杆与三爪卡盘(10)连接。

3.根据权利要求1所述的用于弯扭振动疲劳试验的加载装置，其特征在于，所述导杆(8)上设置有刻度。

4.一种如权利要求1所述的用于弯扭振动疲劳试验的加载装置的加载方法，其特征在于，其步骤如下：

1)通过夹头(51)和夹座(52)将试件(3)夹紧；

2)当进行扭转加载时，将导杆(8)套在滑套(6)上，滑座(9)通过第一联轴器(92)与激振器(7)相连，松开夹紧辊(61)，导杆(8)可以沿滑套(6)自由滑动，松开滑座(9)下面的顶杆(93)，使滑套(6)通过转轴(62)在滑座(9)里自由转动，通过改变滑套(6)在导杆(8)上的位置，以及改变激振器(7)的输出载荷，实现扭矩调节；

3)当进行弯扭耦合加载时，拧紧夹紧辊(61)，使导杆(8)无法沿滑套(6)自由移动，松开滑座(9)下面的顶杆(93)，使滑套(6)通过转轴(62)在滑座(9)里自由转动，在激振器(7)竖直施力的情况下，实现横向弯扭组合加载；松开夹紧辊(61)，拧紧滑座(9)下面的顶杆(93)，使滑套(6)无法通过转轴(62)在滑座(9)里自由转动，在激振器(7)竖直施力的情况下，实现纵向弯扭组合加载；拧紧夹紧辊(61)以及滑座(9)下面的顶杆(93)，使导杆(8)无法沿滑套(6)自由移动，滑套(6)也无法通过转轴(62)自由转动，在激振器(7)竖直施力的情况下，实现斜向弯扭组合加载；

4)在进行纯弯曲加载时，拆掉导杆(8)，将激振器(7)通过滑槽(11)移至加载臂(5)的下方，使激振器(7)与第二连轴器(53)连接，在激振器(7)竖直施力的情况下，实现纯弯曲的加载；

5)在进行轴类试件测试时，在底座(1)两端的支架(2)上方的夹具(4)内侧装上三爪卡盘(10)，并通过三爪卡盘(10)夹住轴类试件的两端，实现试件(3)的测试安装。

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