CN102980822A - 机械式顶推疲劳试验机及腐蚀疲劳试验方法 - Google Patents

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蔡晨宁
潘建伍
刘丽娜
周雪华
许晓
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Abstract

本发明公开了一种机械式顶推疲劳试验机，属于结构实验力学领域。主要由钢架、动力机构、减速机构、椭圆轮盘机构和调节机构以及腐蚀装置组成。其基本原理是动机通过减速机改变输出速度，以适应工作机构的需要，然后通过椭圆轮盘的运动将圆周运动转变成直线运动，顶推杆与弹性元件相连接，通过调整弹性元件和顶推杆的长度来实现调整反力的大小，从而实现精确往复疲劳载荷的施加，同时如去掉弹性元件即可进行位移控制的疲劳试验。本发明具有精度高的特点。

Description

机械式顶推疲劳试验机及腐蚀疲劳试验方法
技术领域
本发明涉及一种机械顶推多功能腐蚀疲劳试验机及腐蚀疲劳试验方法，属于结构实验力学领域。
背景技术
航空、航海、交通、道桥、建筑、港口工程结构中，各种材料的梁和弹性元件为典型受力构件，它们都长期处于各种环境下的重复受力状态下，因而这一类构件在各种环境下疲劳强度是结构力学中的重要研究课题。特别是在现代工程结构设计中，必须研究构件在复杂环境和载荷下的强度问题，迫切需要在实验室中实现这种载荷和环境状态，来考核构件的疲劳强度，为下一步的理论建立做准备。 
长期以来，对于这一类构件实现低成本的腐蚀疲劳试验是十分困难的。目前可以采用液压伺服疲劳试验机来实现，但由于这些设备价格昂贵，对使用环境都有严格的要求，且高能耗、长时间使用需要很高的试验成本。
现行的一些机械腐蚀疲劳试验机，由于其加载装置单纯的采用位移控制加载，故在弹性范围内，结构变形较小，载荷的精度完全由位移精度来实现，在加上疲劳试验中试验件的磨损，因此无法保证试验载荷的精度要求，造成试验效果不佳，尤其对于小尺寸试件。
发明内容
本发明的目的在于提供一种精度高的机械式顶推疲劳试验机及腐蚀疲劳试验方法。
一种机械式顶推疲劳试验机，其特征在于：包括支撑架、加载装置；其中加载装置包括固定安装于支撑架的水平电机、通过减速机与水平电机相连的动力源轴、安装于动力源轴的椭圆轮盘；还包括固定安装于支撑架且依次位于椭圆轮盘下方的直线轴承和反力套筒；上述反力套筒顶部具有第一孔，反力套筒内自上而下依次安装垫片、弹簧、加载压头、在反力筒内高度可调的调节板，调节板上具有第二孔；上述加载压头的下端伸出伸出调节板上的第二孔与试验件接触；上述直线轴承内安装有顶推杆，顶推杆上端与椭圆轮盘接触，下端安装有力传感器；力传感器下端穿过反力套筒顶部的第一孔与垫片接触。
所述的机械式顶推疲劳试验机，其特征在于：该试验机换包括腐蚀装置，腐蚀装置由水泵和位于加载压头下方的腐蚀箱组成。
所述机械式顶推疲劳试验机进行试件腐蚀疲劳试验方法，其特征在于包括以下步骤：（1）、配置腐蚀溶液，将试件放入腐蚀箱中，通过水泵控制腐蚀溶液的进出；（2）、旋转椭圆轮盘，按需求调节椭圆轮盘位置后，将椭圆轮盘与动力源轴锁紧；（3）、启动动力源，利用调节板调节弹簧的伸缩量；（4）、通过进一步微调弹性元件的伸缩量，来调整顶推杆的整体长度，满足试件加载需求；进行试件腐蚀疲劳试验。
本腐蚀疲劳试验机发明的基本原理是动力机构、减速机构协同工作，主要通过机械式顶推多功能加载装置进行加载，然后通过腐蚀装置进行腐蚀，加载即采用机械运动与弹性元件的组合，通过弹性元件力与变形成正比的原理，放大试验位移的行程，降低结构磨损、机械间隙引起的载荷误差，通过椭圆轮盘、锁定螺栓、顶推杆、弹性元件、，实现对梁、板、弹簧等结构元件的较高精度的重复疲劳加载的方法。
主要优点：在同一试验装置上实现腐蚀与疲劳共同作用；用一种采用机械运动与弹性元件的组合，通过椭圆轮盘、锁定螺栓、顶推杆、弹性元件，实现对梁、板、弹簧等结构元件的重复疲劳加载的方法；在同一套试验装置上，实现力控与位控两种试验方式；试验装置结构简单，性能可靠，设备造价低；试验装置为低能耗产品，节能环保、试验成本低廉；适用于试验频率低、试验周期长的特殊环境下的腐蚀疲劳试验。
预期效益：该试验装置解决了结构力学中要求试验频率低、试验周期长的特殊环境（高低温、盐雾及二氧化硫等腐蚀环境）下低成本疲劳试验的技术难题，为结构和材料的腐蚀疲劳性能研究提供了一种简便易行的试验方法与装置。设计出的低能耗、高可靠性的无人值守腐蚀疲劳试验装置，用一套试验装置，实现力和位移控制疲劳加载和腐蚀疲劳耦合的试验方法。且试验装置原理清晰，结构紧凑，使用方便，制造成本低，可重复使用，非常适合于新型材料、结构的大批量疲劳试验件的试验，具有很高的工程应用价值。
附图说明
图1是试验装置主视图；
图2是试验装置侧视图（主要构件）；
图3试验机弯曲试验示意图；
图4试验机剪切试验示意图；
图5腐蚀疲劳机的附属试验器械；
图中标号名称：1. 减速机螺栓孔2.动力源轴3.椭圆轮盘4.锁紧螺栓5.减速机支架6.顶推杆7.直线轴承8.力传感器9.垫片10.弹性元件11.反力外壳12.调节板13.加载试验件垫片14.试验件15.腐蚀疲劳试验箱16.支撑架，17.加载压头18.刚性钢板19.储水箱20.水泵21.减速机22.电机23.螺纹杆24.中心孔25.钢板26.试验件27.夹紧装置28.试验件
具体实施方式
各主要相关部件的作用
椭圆轮盘：椭圆轮盘的运动通过顶推杆使得原本的圆周运动，转变为顶推的直线运动，使得加载装置提供直线式的压力。
直线轴承：使得两滚道在滚动方向上有相对直线运动的滚动轴承。
顶推杆：力的传递装置，将椭圆轮盘的曲线位移差转变为力，直接传递到加载试件。
电机：将电能转变为机械能的装置，为整个腐蚀疲劳机提供动力源。
减速机：是动力传达机构，利用齿轮的速度转换器，将动力机的回转数减速到所要的回转数，并得到较大转矩的机构，同时也降低了负载的惯量。
弹性元件：通过弹性元件调节和控制反力的大小，从而达到力控的目的。
腐蚀疲劳机其他实验部分示意图
本腐蚀疲劳机为机械式顶推多功能腐蚀疲劳试验机，在进行腐蚀疲劳的同时，将机器进行简单的改装或者是使用附属的器械，即可进行其他方面的实验。如图3、图4、图5所示，疲劳机可以进行弯曲试验、剪切试验、拉伸试验和压缩试验等实验。
    图3试验机弯曲试验示意图；改装说明：调整腐蚀疲劳试验机的顶推杆，然后将试验件置于支座上（距离可调整），利用机器带动顶推杆，即可施加集中力，从而进行弯曲试验。
图4 试验机剪切试验示意图；改装说明：调整试件支座的距离，再通过夹紧装置使得试验件如上图状态，再将门式钢架如图夹住试验件，通过椭圆轮盘带动顶推杆给试件施加剪力。
图5 腐蚀疲劳机的附属实验器械螺纹杆带有螺帽，起到支撑整个器械的目的，通过螺帽可以调节各个钢板之间的距离。中心孔可以让试验件穿过钢板，使得试验件稳定于各个钢板之间。
改装说明：利用如图所示的机械式顶推多功能腐蚀疲劳机的附属实验器械，可以进行试验件的拉伸和压缩试验。将试验件利用夹具和锚具固定于钢板                                               和钢板之间，然后千斤顶置于钢板
Figure 173779DEST_PATH_IMAGE002
和钢板
Figure 420082DEST_PATH_IMAGE004
之间，使用千斤顶，千斤顶就会将钢板
Figure 449086DEST_PATH_IMAGE002
向上顶，即相当于给钢板
Figure 719662DEST_PATH_IMAGE002
一个向上的拉力，也就是起到了拉伸试验件的作用，而拉力的大小可以通过力学传感器测得。同样的，若将试验件仍然置于钢板
Figure 845619DEST_PATH_IMAGE002
和钢板
Figure 41983DEST_PATH_IMAGE004
之间，但是将千斤顶置于钢板
Figure 2012105172096100002DEST_PATH_IMAGE006
和钢板
Figure 122065DEST_PATH_IMAGE002
之间，使用千斤顶，千斤顶会将钢板
Figure 763043DEST_PATH_IMAGE002
向下压，即相当于给试验件一个压力，而压力的大小也可以通过力学传感器测得。
实现本发明的基本原理
本腐蚀疲劳试验机主要通过动力机构、减速机构、加载机构的相互配合工作，实现疲劳加载的目的；之后再加上腐蚀装置的工作，实现在疲劳的同时进行腐蚀。由于结构疲劳试验均在材料的弹性范围内进行，因此在载荷的作用下，结构的变形很小，所以对腐蚀疲劳机的位移变形要求较高，尤其是椭圆轮盘形成的位移变形要求具有很高重复精度，同时由于试验件的表面疲劳磨损及试验件本身的刚度降等原因，均会引起试验件在相同的位移作用下而出现较大的载荷误差。在本发明中引入弹性元件的目的就是通过弹性元件的较大变形，形成所需要的载荷进行疲劳试验，降低上述起因引起的载荷误差，很好的解决了直接采用加载装置、减速机构、连杆机构进行往复运动疲劳加载试验中无法解决的载荷精度问题。
疲劳的加载装置采用椭圆轮盘顶推连杆的方式，很好的解决了位移由0位移起调节的问题，可实现在位移控制下的小位移疲劳试验。

Claims (3)

1.一种机械式顶推疲劳试验机，其特征在于：包括支撑架（16）、加载装置；其中加载装置包括固定安装于支撑架的水平电机（22）、通过减速机（21）与水平电机（22）相连的动力源轴（2）、安装于动力源轴（2）的椭圆轮盘（3）；还包括固定安装于支撑架（5）且依次位于椭圆轮盘（3）下方的直线轴承（7）和反力套筒（11）；上述反力套筒（11）顶部具有第一孔，反力套筒（11）内自上而下依次安装垫片（9）、弹簧（10）、加载压头（17）、在反力筒内高度可调的调节板（12），调节板上具有第二孔；上述加载压头（17）的下端伸出伸出调节板上的第二孔与试验件接触；上述直线轴承（7）内安装有顶推杆（6），顶推杆上端与椭圆轮盘接触，下端安装有力传感器（8）；力传感器下端穿过反力套筒顶部的第一孔与垫片（9）接触。
2.根据权利要求1所述的机械式顶推疲劳试验机，其特征在于：该试验机换包括腐蚀装置，腐蚀装置由水泵（20）和位于加载压头（17）下方的腐蚀箱（15）组成。
3.利用权利要求2所述的机械式顶推疲劳试验机进行试件腐蚀疲劳试验方法，其特征在于包括以下步骤：（1）、配置腐蚀溶液，将试件放入腐蚀箱中，通过水泵控制腐蚀溶液的进出；（2）、旋转椭圆轮盘，按需求调节椭圆轮盘位置后，将椭圆轮盘与动力源轴锁紧；（3）、启动动力源，利用调节板调节弹簧的伸缩量；（4）、通过进一步微调弹性元件的伸缩量，来调整顶推杆的整体长度，满足试件加载需求；进行试件腐蚀疲劳试验。
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