CN103616303B - 拉压及扭转振动疲劳试验装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种拉压及扭转振动疲劳试验装置，能够同时完成拉压和扭转疲劳试验。其包括试验装置台架、扭转试验机构和多套拉压试验机构；在拉压试验机构中，拉压作动缸活塞杆、力传感器、导杆、调节杆和被试工件依次首尾相连；调节杆上设有多个调节位，根据被试工件的大小，将导杆连接到调节杆的相应调节位上；导杆在导向机构的限制下直线运动；在扭转试验机构中，轴承回转机构的转动端与被试工件的另一端相连；各轴承回转机构中的摆动杆之间通过连杆机构串联，位于一端的摆动杆进一步通过一个连杆机构与扭转作动缸的活塞杆相连接。拉压作动缸、轴承回转机构和扭转作动缸均固定在试验装置台架上。
Description
技术领域
本发明涉及材料振动疲劳试验技术领域，具体涉及一种采用复合作动缸完成被试材料的拉压及扭转振动疲劳试验装置。
背景技术
在对被试工件进行疲劳试验时，经常要求对被试工件既进行拉压振动疲劳试验又进行扭转振动疲劳试验。现有技术中，是将这两种疲劳试验分开进行，每次只完成一种形式的疲劳试验。由于进行一次疲劳试验所耗费的时间比较长，因此现有的试验方法比较费时费力。针对于此，本发明设计了一种能够同时完成拉压和扭转疲劳试验的试验装置。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种拉压及扭转振动疲劳试验装置，能够同时完成拉压和扭转疲劳试验。
该方案是这样实现的：
一种拉压及扭转振动疲劳试验装置，包括：试验装置台架、扭转试验机构和N套拉压试验机构，N为大于或等于2的正整数；
每套拉压试验机构包括拉压作动缸、第一连接件、力传感器、第二连接件、导向机构、导杆和调节杆；拉压作动缸是直线运动转换机构，其安装在试验装置台架上，拉压作动缸的活塞杆通过第一连接件与力传感器连接，力传感器通过第二连接件与导杆连接，导杆与调节杆连接，调节杆与被试工件的一端相连；调节杆上设有多个调节位，根据被试工件的大小，将导杆连接到调节杆的相应调节位上；导向机构固定在试验装置台架上，导杆在导向机构的限制下直线运动；拉压作动缸、导杆、调节杆和被试工件在同一直线上运动，不同拉压试验机构的直线运动轨迹相互平行；
扭转试验机构包括：N个带有摆动杆的轴承回转机构、N个连杆机构、一个扭转作动缸以及用于获得被试工件扭转角度的传感器；轴承回转机构是直线运动转换机构，其固定在试验装置台架上，用于将施加于摆动杆的直线力转换为施加在转动端的扭转力，所述转动端与被试工件的另一端相连；各轴承回转机构中的摆动杆之间通过连杆机构串联，位于一端的摆动杆进一步通过一个连杆机构与扭转作动缸的活塞杆相连接；扭转作动缸通过支座固定在试验装置台架上。
为了获得被试工件受到的扭转力矩，每套拉压试验机构进一步包括扭矩传感器和第三连接件，调节杆(9)通过第三连接件(10)和扭矩传感器(11)与被试工件(12)的一端相连，并且调节杆(9)、第三连接件(10)、扭矩传感器(11)、被试工件(12)依次连接相连。
其中，在所述导杆与调节杆连接端，在调节杆上设计一排等间距的定位孔，在导杆上设计与定位孔配合的安装孔，导杆***调节杆内部，安装孔对准所选定位孔后进行连接。优选地，所述调节杆的另一端通过螺纹与第三连接件连接；调节杆可通过任意一个定位孔与导杆进行连接，通过调节第三连接件与调节杆螺纹连接深度，微调被试工件所占的空间。
有益效果：
采用本发明提出的试验装置，可以同时完成被试工件的拉压和扭转振动疲劳试验，可以大大节省试验时间，提高试验效率。
其次，本发明采用由静力缸和动力缸组成的复合作动缸技术，该作动缸由一个静力加载缸和一个动力加载缸组成，它们共用一根活塞杆。其中静力加载缸完成被试工件的静力加载，动力加载缸对被试工件施加交变负载，当静力加载缸输出的力达到所设定的恒定值时，便将静力加载缸的两腔关断，此时静力加载缸两腔的压力会保持不变，即使不为其提供液压能源，静力加载力也能维持不变，从而达到节省能源，减小发热的目的。
此外，由于采用了在静力加载缸中的内外双冷技术，大大降低了由于密封处高频运动时摩擦产生的热量，降低了作动缸的运行温度，保证高频疲劳试验的可靠性，能够适应长时间的高频试验。
附图说明
图1为实施例一中拉压及扭转疲劳振动试验装置的结构示意图；
图2为扭转试验机构的左视图；
图3为实施例二中拉压及扭转疲劳振动试验装置的结构示意图；
图4(a)为一种复合作动缸的结构剖面示意图；
图4(b)为图4(a)中活塞杆、静力加载缸活塞和动力加载缸活塞示意图；
图5为另一种复合作动缸的结构剖面示意图；
图6为复合作动缸中静力加载缸的双冷机构。
1-试验装置台架，2-拉压作动缸，3-第一连接件，4-力传感器，5-第二连接件，6-导向机构，7-导杆，8-定位孔，9-调节杆，10-第三连接件，11-扭矩传感器，12-被试工件，13-轴承回转机构，14-摆动杆，15-连杆机构，16-扭转作动缸，17-位移传感器，18-第二位移传感器。
2-1静力加载缸，2-11、2-12静力加载缸上的油孔，2-13静力加载缸缸体，2-14静力加载缸端盖，2-2动力加载缸，2-21、2-22动力加载缸上的油孔，2-23动力加载缸缸体，2-24动力加载缸端盖，2-3活塞杆，2-31导流管，2-32固定连接件，2-33导流管支撑件，2-34通油孔，2-35、2-36通油槽，2-37、2-38冷却介质出入口，2-39密封件，2-4静力加载缸活塞，2-5动力加载缸活塞，2-6动静缸连接端盖，2-61排气孔，2-7进油管，2-8回油管。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
实施例一
图1是本实施例拉压及扭转疲劳振动试验装置的结构示意图，其包括试验装置台架1、3套拉压试验机构和1套扭转试验机构，本实施例仅以3个工位作为例子，在实际中可以根据需要和空间设计更多的工位。本实施例能同时完成三个被试工件的拉压及扭转疲劳振动试验。
如图1所示，每套拉压试验机构包括拉压作动缸2、第一连接件3、力传感器4、第二连接件5、导向机构6、导杆7和调节杆9。
其中，拉压作动缸2是直线运动转换机构，其安装在试验装置台架1上，拉压作动缸2的活塞杆通过第一连接件3与力传感器4连接，力传感器4通过第二连接件5与导杆7连接，导杆7与调节杆9连接，调节杆9与被试工件12的一端相连。拉压作动缸2、导杆7、调节杆9和被试工件12在同一直线上运动，不同拉压试验机构的直线运动轨迹相互平行。
在试验装置台架1上设计有导向机构6，导杆7只能在导向机构6的限制下进行直线运动，这样就能保证上述运动机构在进行伸出或缩回运动时，能够沿其轴向方向运动，而不产生侧向力。导向机构6可以采用一个具有U型凹槽的导向块实现，U型凹槽即为导轨。
调节杆9用于调节被试工件12所占的空间，调节杆9上设有多个调节位，根据被试工件12的大小，将导杆7连接到调节杆9的相应调节位上。本实施例中，如图1所示，在导杆7与调节杆9连接端，在调节杆9上设计一排等间距的定位孔8，在导杆7上设计与定位孔配合的安装孔，导杆7***调节杆9内部，安装孔对准所选定位孔后进行连接。
扭转试验机构包括：3个带有摆动杆14的轴承回转机构13、3个连杆机构15、一个扭转作动缸16以及用于获得被试工件扭转角度的传感器。图2为图1去掉拉压试验机构后扭转试验机构的左视图。轴承回转机构13是直线运动转换机构，其固定在试验装置台架1上，用于将施加于摆动杆14的直线力转换为施加在转动端的扭转力，所述转动端与被试工件12的另一端相连；各轴承回转机构中的摆动杆14之间通过连杆机构15串联，位于一端的摆动杆14进一步通过一个连杆机构15与扭转作动缸16的活塞杆相连接；扭转作动缸16通过支座固定在试验装置台架1上。当扭转作动缸16伸缩时，该直线运动通过连杆机构15传递到各摆动杆14上，由轴承回转机构转换为扭转力施加在被试工件上。本实施例中，用于获得被试工件扭转角度的传感器可以采用设置于扭转作动缸16的位移传感器17，通过换算得到被试工件的扭转角度，在实际中也可以直接设置角度传感器进行直接测量。由于进行拉压力和扭矩控制时，需要知道所施加的拉压力大小和扭转角度，因此力传感器和用于测角的传感器是必须的。
如果需要检测在所施加的拉压力下被试工件产生的形变，进一步在拉压作动缸2上设置第二位移传感器18。
通过控制拉压作动缸2活塞杆的运动方向和运动频率，就可以带动被试工件12产生相应的运动趋势，从而对被试工件12施加相应频率的拉力或压力，力传感器4的作用是测量拉压作动缸2施加在被试工件12上的拉力或压力的大小，并通过安装在拉压作动缸2上的第二位移传感器18测量在此拉力或压力的作用下，活塞杆产生的位移，该位移即为被试工件12发生的形变大小。
通过控制扭转作动缸16的活塞杆的运动频率和运动幅值，就可以通过连杆机构15和摆动杆14带动轴承回转机构13产生相应频率的旋转运动，从而使得被试工件12发生相应频率的扭转运动。通过安装在扭转作动缸16上的位移传感器17可以测量出扭转作动缸16的活塞杆的位移大小，在摆动杆14的长度已知的情况下，就可以根据位移传感器17的测量值计算出轴承回转机构13的转动的角度，从而得到被试工件12发生的扭转角度，而在此扭转角度下产生的扭转力矩则可以通过扭转作动缸16的输出力与其力臂长度之间的乘积进行计算。扭转作动缸16的输出力由两腔的压力分别乘以两腔的工作面积后相减得到。力臂的长度为扭转作动缸16与摆动杆14的连接点到摆动杆14回转中心的垂直距离。
实施例二
如图3所示，本实施例是对实施例一的改进。本实施例中，为了监测在所施加的扭转角度下产生的扭转力矩，增加了第三连接件10和扭矩传感器11，调节杆9通过第三连接件10和扭矩传感器11与被试工件12的一端相连，并且调节杆9、第三连接件10、扭矩传感器11、被试工件12依次连接相连。
此外，本实施例还对调节杆9进行了改进。如图3所示，在调节杆9的一端设计一排等间距的定位孔8，另一端通过螺纹与第三连接件10提供的螺孔连接。调节杆9可通过任意一个定位孔8与导杆7进行连接，通过调节第三连接件10与调节杆9螺纹连接深度，微调被试工件12所占的空间，从而调节被试工件12的安装空间，以满足不同长度的被试工件的安装要求。当上述微调仍不能满足要求时，可以改变调节杆9所使用的定位孔，可以进一步调节被试工件的安装空间。在实际中，也可以在导杆7上设计定位孔8，调节杆9通过任意一个定位孔与导杆7进行连接。
实施例三
在拉压力疲劳试验中，通常先给被试工件施加一个恒定不变的静力，然后在此基础上再叠加一个交变力。现有技术中拉压作动缸2通常采用一个液压作动缸进行上述试验，由于进行疲劳试验所需的试验时间较长，因此所消耗的能源非常大，而且作动缸在长时间工作会产生大量的热量，导致密封件损坏，活塞杆磨损。
因此本实施例的拉压作动缸2采用复合作动缸。该复合作动缸是静力加载缸和动力加载缸集合成一体的结构，如图4(a)所示，其包括同轴连接的静力加载缸2-1和动力加载缸2-2。静力加载缸2-1与动力加载缸2-2的内腔通过活塞孔连通，且两个油缸共用一根活塞杆2-3。
活塞杆2-3的两端分别从静力加载缸2-1与动力加载缸2-2的端盖2-14、2-24伸出到外部用于连接试件，本试验装置中，从静力加载缸2-1一侧伸出的活塞杆连接第一连接件3。活塞杆2-3为阶梯轴，如图4(b)，其粗段上设有静力加载缸活塞2-4，细段上设有动力加载缸活塞2-5，两活塞分别位于两油缸的缸体内。为了方便安装，静力加载缸活塞2-4与阶梯轴一体加工而成，动力加载缸活塞2-5后镶嵌于活塞杆上，形成双活塞。
静力加载缸2-1上设置两个用于进出油的油孔2-11、2-12，加载时，通过向静力加载缸2-1通入设定值的压力油从而对试件施加轴向静拉力或静压力；其中，当对试件进行压力测试时，油孔2-11为进油口，油孔2-12为泄油口，当对试件进行拉力测试时，反向通油。动力加载缸2-2上也设置两个用于进出油的油孔2-21、2-22，加载时，通过交替向动力加载缸2-2的两个油孔通油从而对试件施加轴向交变力叠加于静力上。当静力加载缸输出的力达到所设定的恒定值时，还可以便将静力加载缸的两腔关断，此时静力加载缸两腔的压力会保持不变，即使不为其提供液压能源，静力加载力也能维持不变，从而达到节省能源，减小发热的目的。
静力加载缸活塞2-4的有效工作面积由对试件加载静力大小和供油压力共同决定，动力加载缸活塞2-5的有效工作面积由对试件加载交变力大小和供油压力共同决定。
图4(a)中，静力加载缸2-1和动力加载缸2-2的连接部位采用一个常规的端盖结构，只是设计为双面结构。图5示出了一种较佳的实施方式，如图5所示，静力加载缸2-1通过动静缸连接端盖2-6连接动力加载缸2-2。动静缸连接端盖2-6为具有大小两个活塞孔的缸体，两个活塞孔分别与阶梯轴的粗段和细段的直径相适应，阶梯轴的阶梯部分位于动静缸连接端盖2-6腔内，这种设计方式便于连接和各部件的加工。由于阶梯部分在动静缸连接端盖中运动会造成气压变化，因此进一步在动静缸连接端盖2-6侧壁上设置排气孔2-61。静力加载缸的其中一个油孔可以设置于动静缸连接端盖2-6内。
动静连接端盖2-6、静力加载缸和动力加载缸端盖上的活塞孔处均设有密封件2-39。由于静力缸中油液基本不流动，活塞杆在高频高速运动下在密封件处产生高温，易损坏活塞杆和密封件，从而减小设备寿命。为此，本发明进一步在静力加载缸部分设计了两路冷却结构，包括活塞杆冷却结构和缸体冷却结构。图6示出了两路冷却结构的示意图，图中只绘出了静力加载缸部分。
如图6所示，活塞杆冷却结构设置于活塞杆的粗段，活塞杆2-3的粗段为中空结构，该中空结构中装有导流管2-31，该导流管可以采用不锈钢管；导流管2-31的一端连通外部，作为冷却介质的一个进出口A，导流管2-31另一端连通中空结构的空腔，从图中可以看出，导流管2-31并没有伸到活塞杆中空结构的底部，从而将导流管2-31的管内空间与活塞杆的中空结构连通。导流管2-31的管壁与中空结构的侧壁之间留有导流间隙；采用固定连接件2-32将所述导流间隙与外界密封隔离，同时固定连接件2-32还起到将导流管固定在活塞轴上的作用。活塞杆2-3伸出复合作动缸一端的侧壁上开设通孔，作为冷却介质的另一个进出口B。该进出口B连接外部的回油管2-8，前述的进出口A连接外部的进油管2-7，冷却介质从进出口A进入活塞杆后依次通过导流管内部、所述导流间隙和进出口B进行活塞轴冷却。冷却介质可以采用冷却油。
如果导流管2-31较长，为了保证其稳固性，还可以在导流间隙中设置一个或一个以上的导流管支撑件2-33，该导流管支撑件2-33上设有导流通道，保证冷却介质的流动。多个导流管支撑件2-33均布于所述导流间隙中。
缸体冷却结构设置于静力加载缸的缸体上。具体来说，在静力加载缸2-1侧壁内轴向开有多个通油孔2-34，通油孔的轴心可以与静力加载缸体轴心平行，从而便于加工，且多个通油孔2-34周向均布于静力加载缸2-1侧壁内。在静力加载缸前后两个端盖朝向缸体内腔的一面分别开设一个环形凹槽作为通油槽2-35、2-36，通油孔2-34将两个通油槽2-35、2-36连通，每个通油槽处皆开设一个连通该通油槽和外部的冷却介质出入口2-37、2-38，这两个冷却介质出入口分别连接进油管2-7和回油管2-8，冷却介质从静力加载缸一侧的通油槽进入后，经由通油孔流入另一侧的通油槽排出，从而实现静力加载缸的冷却。
本发明通过用油液的双冷却机构，把密封件处产生的热量散去，保证了设备长期运行的可靠性。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种拉压及扭转振动疲劳试验装置，其特征在于，包括：试验装置台架(1)、扭转试验机构和N套拉压试验机构，N为大于或等于2的正整数；
每套拉压试验机构包括拉压作动缸(2)、第一连接件(3)、力传感器(4)、第二连接件(5)、导向机构(6)、导杆(7)和调节杆(9)；拉压作动缸(2)是直线运动缸，其安装在试验装置台架(1)上，拉压作动缸(2)的活塞杆通过第一连接件(3)与力传感器(4)连接，力传感器(4)通过第二连接件(5)与导杆(7)连接，导杆(7)与调节杆(9)连接，调节杆(9)与被试工件(12)的一端相连；调节杆(9)上设有多个调节位，根据被试工件(12)的大小，将导杆(7)连接到调节杆(9)的相应调节位上；导向机构(6)固定在试验装置台架(1)上，导杆(7)在导向机构(6)的限制下直线运动；拉压作动缸(2)、导杆(7)、调节杆(9)和被试工件(12)在同一直线上运动，不同拉压试验机构的直线运动轨迹相互平行；
扭转试验机构包括：N个带有摆动杆(14)的轴承回转机构(13)、N个连杆机构(15)、一个扭转作动缸(16)以及用于获得被试工件扭转角度的传感器；轴承回转机构(13)是直线运动转换机构，其固定在试验装置台架(1)上，用于将施加于摆动杆(14)的直线力转换为施加在转动端的扭转力，所述转动端与被试工件(12)的另一端相连；各轴承回转机构中的摆动杆(14)之间通过连杆机构(15)串联，位于一端的摆动杆(14)进一步通过一个连杆机构(15)与扭转作动缸(16)的活塞杆相连接；扭转作动缸(16)通过支座固定在试验装置台架(1)上。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，在所述导杆(7)与调节杆(9)连接端，在调节杆(9)上设计一排等间距的定位孔(8)，在导杆(7)上设计与定位孔配合的安装孔，导杆(7)***调节杆(9)内部，安装孔对准所选定位孔后进行连接。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，每套拉压试验机构进一步包括扭矩传感器(11)和第三连接件(10)，调节杆(9)通过第三连接件(10)和扭矩传感器(11)与被试工件(12)的一端相连，并且调节杆(9)、第三连接件(10)、扭矩传感器(11)、被试工件(12)依次连接相连。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，所述调节杆(9)的一端设计一排等间距的定位孔(8)，另一端通过螺纹与第三连接件(10)连接；调节杆(9)可通过任意一个定位孔与导杆(7)进行连接，通过调节第三连接件(10)与调节杆(9)螺纹连接深度，微调被试工件(12)所占的空间。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括设置于拉压作动缸(2)的用于获取拉压作动缸(2)活塞位移的第二位移传感器(18)。
6.如权利要求1至5任意一项所述的装置，其特征在于，所述拉压作动缸(2)采用复合作动缸，其包括同轴连接的静力加载缸(2-1)和动力加载缸(2-2)，两加载缸共用一根活塞杆(2-3)，活塞杆(2-3)的两端分别从静力加载缸(2-1)与动力加载缸(2-2)的端盖伸出，从静力加载缸(2-1)伸出的活塞杆连接第一连接件(3)；活塞杆(2-3)为阶梯轴，粗段上设有静力加载缸活塞(2-4)，细段上设有动力加载缸活塞(2-5)，两活塞分别位于静力加载缸和动力加载缸的缸体内；静力加载缸(2-1)与动力加载缸(2-2)上分别设置两个用于进出油的油孔。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，静力加载缸(2-1)通过动静缸连接端盖(2-6)连接动力加载缸(2-2)；动静缸连接端盖(2-6)为具有大小两个活塞孔的缸体，阶梯轴的阶梯部分位于动静缸连接端盖(2-6)腔内；动静缸连接端盖(2-6)侧壁上设有排气孔。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述活塞杆(2-3)的粗段进一步设有活塞杆冷却结构；具体来说，活塞杆(2-3)的粗段为中空结构，该中空结构中装有导流管(2-31)，导流管(2-31)的一端连通外部，作为冷却介质的一个进出口，导流管(2-31)另一端连通中空结构，导流管(2-31)的管壁与中空结构的侧壁之间留有导流间隙；采用固定连接件(2-32)将所述导流间隙与外界密封隔离；活塞杆(2-3)伸出复合作动缸一端的侧壁上开设通孔，作为冷却介质的另一个进出口。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述静力加载缸(2-1)的缸体上进一步设有缸体冷却结构；具体来说，在静力加载缸(2-1)侧壁内轴向开有多个通油孔(2-34)，在静力加载缸前后两个端盖朝向缸体内腔的一面分别开设一个通油槽(2-35、2-36)，通油孔(2-34)将两个通油槽(2-35、2-36)连通，每个通油槽处皆开设一个连通该通油槽和外部的冷却介质出入口。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述通油孔(2-34)的轴心与静力加载缸体轴心平行，且多个通油孔(2-34)周向均布于静力加载缸(2-1)侧壁内；所述通油槽为环形凹槽。
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