CN107271302A - 一种大型双轴原位面内透射式疲劳试验机 - Google Patents

Abstract

本发明属于材料力学性能测试领域，公开了一种大型双轴原位面内透射式疲劳试验机，包括结构相同的X轴模块和Y轴模块，均由电机、联轴器、第一同步带轮、同步带、第二同步带轮、左右旋滚珠丝杠、横梁、夹具、载荷传感器、光栅尺、光栅尺读数头组成；内置的X轴模块(或所述Y轴模块)中各部件布置在外置的Y轴模块(或X轴模块)的横梁和左右旋滚珠丝杠所围成的空间内；外置的Y轴模块(或X轴模块)在其横梁和夹具之间采用门形支架相连接，以使内置的X轴模块(或Y轴模块)的左右旋滚珠丝杠从门形支架中间穿过。本发明精度高、行程大、安全性强、载荷范围大，可以配合微观观测仪器，实现对材料在单、双轴载荷作用下微观组织变化的原位测量。

Description

一种大型双轴原位面内透射式疲劳试验机

技术领域

本发明属于材料力学性能测试领域，具体的说，是涉及一种疲劳试验机。

背景技术

以往对于材料力学的研究多集中于单轴加载状态，但是由于在工程实际应用中，材料广泛地处于复合应力状态下，例如：航天飞机壳体在航行中受到复杂的压力作用、高强钢在经过辊弯成形过程中受到复合应力等。为了准确描述材料的力学性能，需要进行双轴拉伸、双轴压缩、双轴拉压疲劳等一系列的面内双轴力学试验。然而目前市场上的大载荷、可进行拉压循环加载的原位面内双向加载装置还比较少。

与此同时，材料微观观测手段已经非常丰富，包括各种光学显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜、同步辐射光源、中子衍射仪等，对于材料原位力学测试提出了更高的要求。传统原位测试仪器多采用上下布局的机械结构，导致试样下表面无法观测、X光或中子等测试方式不能穿透试样进行原位检测。

因此需要开发一种透射式原位力学加载装置，用以配合同步辐射光源、中子衍射仪等需要穿透观察的大型成像仪器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测定材料双向拉伸、压缩或拉压交变负荷的大型双轴原位面内透射式疲劳试验机，该试验机具有响应快、精度高、误差小、行程大、安全性强、可加载载荷的范围大、噪声小、便于观测等特点，同时可以配合同步辐射光源、中子衍射仪等需要穿透观察的微观观测仪器，实现对材料在单轴加载或面内双轴加载状态下原位的拉伸、压缩、蠕变、松弛、低周疲劳、裂纹扩展等力学性能测试。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

一种大型双轴原位面内透射式疲劳试验机，包括X轴模块和Y轴模块，X轴模块和Y轴模块的结构相同，均由电机、联轴器、第一同步带轮、同步带、第二同步带轮、左右旋滚珠丝杠、横梁、夹具、载荷传感器、光栅尺、光栅尺读数头组成；

所述电机通过所述联轴器连接所述第一同步带轮，所述第一同步带轮与设置于其两侧的两个所述第二同步带轮分别由所述同步带连接；两个所述第二同步带轮分别安装在两个所述左右旋滚珠丝杠上，所述左右旋滚珠丝杠包括对称设置的左旋螺纹和右旋螺纹，两个所述左右旋滚珠丝杠相互平行且同旋向螺纹同侧设置；两个所述左右旋滚珠丝杠之间连接有两个所述横梁，相互平行的两个所述横梁分别安装在所述左右旋滚珠丝杠的左旋螺纹处和右旋螺纹处；两个所述横梁的相对面上分别安装有两个对称设置的夹具，两个所述左右旋滚珠丝杠的旋转时可带动两个所述横梁对称且同步地进行相向运动或背向运动，从而使两个所述夹具间距缩小或增大；所述载荷传感器与所述夹具相连接；所述光栅尺与所述横梁相连接，并通过所述光栅尺读数头进行测量；

所述X轴模块所述和Y轴模块采用一个内置、另一个外置的方式集成为一体；内置的所述X轴模块(或所述Y轴模块)的所述第一同步带轮、所述同步带、所述第二同步带轮、所述左右旋滚珠丝杠、所述横梁、所述夹具、所述载荷传感器、所述光栅尺、所述光栅尺读数头布置在外置的所述Y轴模块(或所述X轴模块)的所述横梁和所述左右旋滚珠丝杠所围成的空间内；外置的所述Y轴模块(或所述X轴模块)在其所述横梁和所述夹具之间采用门形支架相连接，所述门形支架两侧贯通，以使内置的所述X轴模块(或所述Y轴模块)的所述左右旋滚珠丝杠从所述门形支架中间穿过。

所述电机配置低回隙的行星齿轮减速电机。

所述第一同步带轮与所述第二同步带轮的传动比为(1-3):1。

所述X轴模块和所述Y轴模块的所述左右旋滚珠丝杠、所述横梁、所述载荷传感器和试样均置于同一水平面内。

疲劳试验机的底板上设有两道加强筋，所述加强筋与外置的所述Y轴模块(或所述X轴模块)的所述左右旋滚珠丝杠轴线平行。

疲劳试验机的底板和盖板上开设有透射窗口，该透射窗口正对于所述夹具和试样所在位置。

疲劳试验机在试样下方安装有接触式加热装置。

疲劳试验机在试样下方安装升降水浴槽。

本发明的有益效果是：

(一)本发明能够实现左右旋滚珠丝杠、横梁、试样、载荷传感器置于同一水平面内，消除面外弯矩对试样及载荷传感器的影响，有效提高试验精度和整机刚度，配套不同功率的电机与传动结构，理论上可实现任意载荷的加载，从而为大载荷、大行程双轴加载提供可行性，极大扩展了试验范围。

(二)区别于使用蜗轮蜗杆结构的其他面内双轴力学加载装置，本发明具有低回隙的特点，可以进行双轴循环或循环、疲劳加载，而其它同类设备由于回隙较大，通常只可以进行拉伸、压缩等单方向加载。

(三)本发明可以单轴独立测试，也可以实现双轴比例、非比例加载测试，应用自主开发的疲劳测试试验软件，可实现对控制方式、波形、试验条件等的自定义设置，实现绝大多数金属、非金属的力学性能测试。

(四)本发明利用左右旋滚珠丝杆起到传动与导向作用，能够同时实现对称加载，可保证试件中心在试验过程中位置不变，与单端作动的试验机相比，易于实现原位在线观测，进而保证全程动态监测。

(五)本发明由于实现了透射结构，可配合各种光学显微镜、扫描电子显微镜、原子力显微镜、同步辐射光源、中子衍射仪等显微观测仪器使用，能够有效监测材料发生的微观变形、损伤直至失效破坏的过程；并且方便安装接触式加热装置、在线腐蚀水浴槽等多种附件，为材料力学性能测试提供更多、更丰富的试验方案。

附图说明

图1是本发明所提供的大型双轴原位面内透射式疲劳试验机的结构示意图；

图2是门形支架的连接结构示意图。

上述图中：1、电机；2、联轴器；3、第一同步带轮；4、同步带；5、第二同步带轮；6、横梁；7、左右旋滚珠丝杠；8、光栅尺；9、光栅尺读数头；10、载荷传感器；11、夹具；12、电路板；13、门形支架。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

如图1所示，本实施例提供了一种大型双轴原位面内透射式疲劳试验机，包括X轴模块和Y轴模块，可采用X轴模块内置于Y轴模块的形式，也可采用Y轴模块内置于X轴模块的形式。X轴模块和Y轴模块的结构相同，均由电机1、联轴器2、第一同步带轮3、同步带4、第二同步带轮5、横梁6、左右旋滚珠丝杠7、光栅尺8、光栅尺读数头9、载荷传感器10、夹具11组成。

电机1配置低回隙的行星齿轮减速电机，通过联轴器2连接第一同步带轮3。第一同步带轮3两边等距离的设置有两个第二同步带轮5，第一同步带轮3与两个第二同步带轮5之间分别连接同步带4。电机1通过联轴器2带动第一同步带轮3转动，第一同步带轮3通过同步带4带动两个第二同步带轮5同步转动，第一同步带轮3与第二同步带轮5的传动比为2:1，目的是进一步减小电机1回隙的影响。其中，同步带4采用涨紧轮大预紧力涨紧，有效降低往返作动时的回隙。

两个第二同步带轮5分别安装在两个左右旋滚珠丝杠7上，左右旋滚珠丝杠7以其光轴区段穿过第二同步带轮5的轴孔并与第二同步带轮5固定连接，同时左右旋滚珠丝杠7两端通过轴承固定。左右旋滚珠丝杠7包括对称设置的左旋螺纹和右旋螺纹，两个左右旋滚珠丝杠7相互平行并以同样的方式放置，即同旋向螺纹同侧设置。由此，两个左右旋滚珠丝杠7在两个第二同步带轮5的传动作用下，实现完全一致的旋转运动。

两个左右旋滚珠丝杠7之间连接有两个相互平行的横梁6，两个横梁6均与左右旋滚珠丝杠7垂直。一个横梁6安装在左右旋滚珠丝杠7的左旋螺纹处、另一个横梁6安装在左右旋滚珠丝杠7的右旋螺纹处。横梁6两端设置有通孔并通过安装于该通孔的滚动螺母套装在左右旋滚珠丝杠7上形成两个滚珠丝杠螺母副。两个左右旋滚珠丝杠7的旋转时可以带动两个横梁6沿左右旋滚珠丝杠7发生轴向移动。由于两个横梁6所安装在左右旋滚珠丝杠7的螺纹旋向不同，因此两个横梁6在左右旋滚珠丝杠7旋转运动状态下，将会对称且同步地进行相向运动或背向运动，为疲劳试验机原位对称的拉伸、压缩双方向加载提供条件。

两个横梁6的中间位置分别安装有两个夹具11，两个夹具11分别对称地设置在两个横梁6的相对面上。由于横梁6穿接于左右旋滚珠丝杠7，进一步根据两个夹具11的设置，可保证所夹持的试样表面与两个左右旋滚珠丝杠7的轴线处于同一水平面内，以消除试样所受弯矩，提高试验的精度。

在本实施例中，当电机1正转时，通过联轴器2、第一同步带轮3、同步带4、第二同步带轮5、左右旋滚珠丝杠7的传动，两个横梁6对称且同步地背向移动，两个夹具11之间距离变大，可夹持试样进行拉伸试验；当电机1反转时，通过联轴器2、第一同步带轮3、同步带4、第二同步带轮5、左右旋滚珠丝杠7的传动，两个横梁6对称且同步地相向移动，两个夹具11之间距离变小，可夹持试样进行压缩试验。

载荷传感器10与夹具11相连接，用于测试试验过程中夹持试样所受轴向力。光栅尺8与横梁6相连接，通过光栅尺读数头9测量试验过程中横梁6所移动的距离。疲劳试验机内还设置有电路板12，整个装置通过电路板12由外部供电，反馈的载荷、位移经由电路板12反馈到计算机中。

本发明的大型双轴原位面内透射式疲劳试验机，包括X轴模块和Y轴模块，采用一个模块(X轴模块或Y轴模块)内置、另一个模块外置(Y轴模块或X轴模块)的方式将两个模块集成为一体。内置的X轴模块(或Y轴模块)采用较小尺寸的同步带4、横梁6、左右旋滚珠丝杠7、夹具11，外置的Y轴模块(或X轴模块)采用较大尺寸的同步带4、横梁6、左右旋滚珠丝杠7、夹具11。内置的X轴模块(或Y轴模块)的第一同步带轮3、同步带4、第二同步带轮5、横梁6、左右旋滚珠丝杠7、光栅尺8、光栅尺读数头9、载荷传感器10、夹具11布置在外置的Y轴模块(或X轴模块)的横梁6和左右旋滚珠丝杠7所围成的空间内。

外置的Y轴模块(或X轴模块)在横梁6和夹具11之间采用门形支架13相连接，该门形支架13两端分别与横梁6和夹具11固定，门形支架13两侧贯通，能够使内置的X轴模块(或Y轴模块)的左右旋滚珠丝杠7从门形支架13中间穿过；同时X轴模块和Y轴模块的载荷传感器10前置在夹具11上，进一步减小了弯矩，增加了载荷加载精度。这种跨越式立交结构实现X轴模块和Y轴模块的左右旋滚珠丝杠7、横梁6、载荷传感器10和试样的轴线均置于同一水平面内，消除面外弯矩对试样及载荷传感器10的影响，有效提高机器刚度。此外，在底板上设有两道与外置的左右旋滚珠丝杠7平行的加强筋，并对外置的左右旋滚珠丝杠7采用铜瓦的支撑结构，防止外置的左右旋滚珠丝杠7过长在大加载时发生变形的情况。

疲劳试验机的采用相互平行间隔设置的两组左右旋滚珠丝杠7，避免了传统悬臂梁结构的遮挡，同时在机壳的盖板和底板开设透射窗口，该透射窗口正对于夹具11和试样所在位置，方便中子衍射、X射线、同步辐射光源、原子力显微镜等仪器通过透射窗口进行透射观测。相互平行间隔设置的两组左右旋滚珠丝杠7也在试样周围留有足够的平面空间加装测试所需要的附加部件，例如在试样下表面安装接触式加热装置，同时不影响试样上表面的原位观测；还可以安装升降水浴槽，实现在线腐蚀功能。

综上所示，本发明的大型双轴原位面内透射式疲劳试验机能够实现原位加载、大载荷、透射结构、疲劳功能的技术特点：

(一)原位加载的实现方式：本发明在结构上分为X轴模块和Y轴模块两大部分，X轴模块和Y轴模块均采用左右旋滚珠丝杠7起到传动和导向的双重作用，可以省去加装导轨滑块用以导向。当电机1转动时，两个横梁6会带动夹具11同时靠近或者张开相同的距离，从而实现了同步对称加载，这样就保证了试样测试中心在拉、压加载时相对设备不动，即实现面内双轴加载。

(二)大载荷的实现方式：本发明采用左右旋滚珠丝杠7，加载力作为内力集中在左右旋滚珠丝杠7中，左右旋滚珠丝杠7的支撑并不承受载荷。外置的Y轴模块(或X轴模块)在横梁6和夹具11之间采用门形支架13相连接，内置的X轴模块(或Y轴模块)的左右旋滚珠丝杠7从门形支架13中间穿过，这种跨越式立交结构实现X轴模块和Y轴模块的左右旋滚珠丝杠7、横梁6、载荷传感器10和试样均置于同一水平面内，消除面外弯矩对试样及载荷传感器10的影响，有效提高机器刚度。采用本方案配套不同功率的电机1与传动结构，理论上可实现任意载荷的加载，极大扩展了试验范围。

(三)透射结构的实现方式：本发明采用相互平行间隔设置的两组左右旋滚珠丝杠7起到传动和导向的双重作用，同时在机壳的盖板和底板开设透射窗口，可以配合电子显微镜、X射线衍射仪、拉曼光谱仪、原子力显微镜或光学显微镜等显微观测仪器使用，对材料发生的微观变形、损伤直至失效破坏的过程进行全程动态监测，可对材料的微观力学行为和变形损伤机制进行深入研究。

(四)疲劳功能的实现方式：本发明采用了低回隙的行星齿轮减速电机，并采用第一同步带轮3、同步带4、第二同步带轮作为传动机构，将第一同步带轮3与第二同步带轮5的传动比设定在(1-3):1，进一步减小电机1回隙的影响。因此，相比较其他原位试验机，本发明具有低回隙的特点，这样除了可进行拉伸、压缩、蠕变、松弛等静态试验外，还可以进行循环、疲劳加载等动态试验。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种大型双轴原位面内透射式疲劳试验机，其特征在于，包括X轴模块和Y轴模块，X轴模块和Y轴模块的结构相同，均由电机、联轴器、第一同步带轮、同步带、第二同步带轮、左右旋滚珠丝杠、横梁、夹具、载荷传感器、光栅尺、光栅尺读数头组成；

所述电机通过所述联轴器连接所述第一同步带轮，所述第一同步带轮与设置于其两侧的两个所述第二同步带轮分别由所述同步带连接；两个所述第二同步带轮分别安装在两个所述左右旋滚珠丝杠上，所述左右旋滚珠丝杠包括对称设置的左旋螺纹和右旋螺纹，两个所述左右旋滚珠丝杠相互平行且同旋向螺纹同侧设置；两个所述左右旋滚珠丝杠之间连接有两个所述横梁，相互平行的两个所述横梁分别安装在所述左右旋滚珠丝杠的左旋螺纹处和右旋螺纹处；两个所述横梁的相对面上分别安装有两个对称设置的夹具，两个所述左右旋滚珠丝杠的旋转时可带动两个所述横梁对称且同步地进行相向运动或背向运动，从而使两个所述夹具间距缩小或增大；所述载荷传感器与所述夹具相连接；所述光栅尺与所述横梁相连接，并通过所述光栅尺读数头进行测量；

所述X轴模块所述和Y轴模块采用一个内置、另一个外置的方式集成为一体；内置的所述X轴模块(或所述Y轴模块)的所述第一同步带轮、所述同步带、所述第二同步带轮、所述左右旋滚珠丝杠、所述横梁、所述夹具、所述载荷传感器、所述光栅尺、所述光栅尺读数头布置在外置的所述Y轴模块(或所述X轴模块)的所述横梁和所述左右旋滚珠丝杠所围成的空间内；外置的所述Y轴模块(或所述X轴模块)在其所述横梁和所述夹具之间采用门形支架相连接，所述门形支架两侧贯通，以使内置的所述X轴模块(或所述Y轴模块)的所述左右旋滚珠丝杠从所述门形支架中间穿过。

2.根据权利要求1所述的一种大型双轴原位面内透射式疲劳试验机，其特征在于，所述电机配置低回隙的行星齿轮减速电机。

3.根据权利要求1所述的一种大型双轴原位面内透射式疲劳试验机，其特征在于，所述第一同步带轮与所述第二同步带轮的传动比为(1-3):1。

4.根据权利要求1所述的一种大型双轴原位面内透射式疲劳试验机，其特征在于，所述X轴模块和所述Y轴模块的所述左右旋滚珠丝杠、所述横梁、所述载荷传感器和试样均置于同一水平面内。

5.根据权利要求1所述的一种大型双轴原位面内透射式疲劳试验机，其特征在于，疲劳试验机的底板上设有两道加强筋，所述加强筋与外置的所述Y轴模块(或所述X轴模块)的所述左右旋滚珠丝杠轴线平行。

6.根据权利要求1所述的一种大型双轴原位面内透射式疲劳试验机，其特征在于，疲劳试验机的底板和盖板上开设有透射窗口，该透射窗口正对于所述夹具和试样所在位置。

7.根据权利要求1所述的一种大型双轴原位面内透射式疲劳试验机，其特征在于，疲劳试验机在试样下方安装有接触式加热装置。

8.根据权利要求1所述的一种大型双轴原位面内透射式疲劳试验机，其特征在于，疲劳试验机在试样下方安装升降水浴槽。