CN107727520A - 一种基于离心加载的多轴非比例疲劳试验*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于离心加载的多轴非比例疲劳试验***。本发明包括载荷传感器、离心多轴非比例加载部以及疲劳试样；离心多轴非比例加载部包括转动加载横杆、加载支撑以及夹具组件，转动加载横杆通过轴承安装在加载支撑上，转动加载横杆两端分别固定有左偏心机构、右偏心机构，加载支撑位于左偏心机构与右偏心机构中间；夹具组件包括上夹具和下夹具，加载支撑与所述上夹具固定并在转动加载横杆转动时带动上夹具对所述疲劳试样施加多轴非比例疲劳载荷。本装置通过离心力的方式施加多轴非比例疲劳载荷，可弥补现有多轴疲劳试验***难以施加非比例拉压‑弯曲、弯曲‑扭转等组合载荷的不足，为开展复杂加载条件下材料疲劳性能研究提供了有效试验手段。

Description

一种基于离心加载的多轴非比例疲劳试验***

技术领域

本发明属于材料测试技术领域，具体是涉及一种基于离心加载的多轴非比例疲劳试验***。

背景技术

在实际应用中，许多工程构件和机械零部件承受着多轴循环载荷的作用。例如，往复压缩机和往复泵的曲轴承受来自驱动设备和连杆的时变弯矩和扭矩的综合作用，汽车传动轴经受由扭矩引起的剪切应力叠加由弯曲产生的轴向应力的联合作用，高耸塔类设备风振疲劳载荷和变化内压的作用，海底管道承受洋流诱发涡激振动及波动内压作用等。疲劳是其最常见的破坏模式之一。虽然关于疲劳的研究已有逾百年历史，但仍多集中在单轴应力作用引起的疲劳破坏方面。随着研究的不断深入，多轴疲劳问题引发了越来越多的关注。

当前商业化的疲劳试验机主要采用轴向加载、旋转弯曲加载等方式，虽然其中一些已可以实现拉压-扭转组合加载，但仍难以满足非比例拉压-弯曲、弯曲-扭转等多轴疲劳试验需求，亟待研发相应的多轴疲劳试验***，为开展复杂加载条件下材料疲劳性能研究提供有效的试验手段。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于离心加载的多轴非比例疲劳试验***，可弥补现有商业化的多轴疲劳试验***难以施加非比例拉压-弯曲、弯曲-扭转等组合载荷的不足，为开展复杂加载条件下的材料疲劳性能研究提供有效试验手段。

为了实现本发明的目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于离心加载的多轴非比例疲劳试验***，包括载荷传感器、离心多轴非比例加载部以及疲劳试样；所述离心多轴非比例加载部包括转动加载横杆、加载支撑以及夹具组件，所述转动加载横杆通过轴承安装在所述加载支撑上，所述转动加载横杆左端固定有左偏心机构，所述转动加载横杆右端固定有右偏心机构，所述加载支撑位于所述左偏心机构与右偏心机构中间；所述夹具组件包括沿竖向夹持疲劳试样的上夹具和下夹具，所述加载支撑与所述上夹具固定并在所述转动加载横杆转动时带动所述上夹具对所述疲劳试样施加多轴非比例疲劳载荷。

进一步，该***包括驱动电机以及传动部，所述传动部包括与所述驱动电机连接的传动杆，所述传动杆与所述转动加载横杆轴向平行，所述传动杆上固定有上传动轮盘，所述转动加载横杆中间位置固定有下传动轮盘，所述上传动轮盘通过传动皮带带动所述下传动轮盘转动。

进一步，所述左偏心机构包括左加载轮盘以及左质量块，所述右偏心机构包括右加载轮盘以及右质量块，所述左加载轮盘、右加载轮盘为圆形且直径相等，所述左加载轮盘、右加载轮盘中心与所述转动加载横杆的轴向重合，所述左质量块安装在所述左加载轮盘边缘的任意处并构成所述左偏心机构，所述右质量块安装在所述右加载轮盘边缘的任意处并构成所述右偏心机构。

进一步，所述转动加载横杆两端呈悬置状态，所述转动加载横杆包括用于安装所述左加载轮盘的左转动加载横杆以及用于安装所述右加载轮盘的右转动加载横杆，所述左转动加载横杆通过左转动加载横杆轴承安装在所述加载支撑上，所述右转动加载横杆通过右转动加载横杆轴承安装在所述加载支撑上。

进一步，所述左加载轮盘、右加载轮盘的边缘分别向两侧凸起形成凸缘，所述左质量块、右质量块上分别设有C型卡口，所述左质量块通过C型卡口卡合安装在所述左加载轮盘的凸缘上，所述右质量块通过C型卡口卡合安装在所述右加载轮盘的凸缘上。

进一步，该***还包括防护支撑结构，所述防护支撑结构包括支撑底座以及垂直安装在支撑底座上且相对布置的左纵板、右纵板，所述左纵板、右纵板之间连接有水平安装的横板，所述左纵板上开设有左纵板安全防护孔，所述右纵板上开设有右纵板安全防护孔，所述横板上开设有横板安全防护孔；

所述左纵板上安装有左传动轴承，所述右纵板上安装有右传动轴承，所述传动杆通过所述左传动轴承、右传动轴承安装在所述防护支撑结构上；

所述转动加载横杆左端穿过所述左纵板安全防护孔且与左纵板安全防护孔之间留有安全间距，所述转动加载横杆右端穿过所述右纵板安全防护孔且与右纵板安全防护孔之间留有安全间距，所述上夹具呈杆状且沿竖向穿过所述横板安全防护孔且与横板安全防护孔之间留有安全间距，所述上夹具上端与所述加载支撑固定，所述上夹具下端作用于所述疲劳试样。

进一步，所述加载支撑由竖直布置的方形框构成，所述转动加载横杆垂直穿过所述加载支撑的一组相对框边，所述下传动轮盘位于所述加载支撑的框内，所述左加载轮盘、右加载轮盘对称安装在所述加载支撑的两侧。

进一步，所述支撑底座上布置有载荷传感器，所述下夹具放置在所述载荷传感器上。

本发明的有益效果在于：

1)、本发明在工作时，离心多轴非比例加载部通过调整质量块大小、固定位置以及加载轮盘的转速可以为所述疲劳试样施加不同的非比例拉压、弯曲、扭转组合构成的疲劳载荷(多轴是相对单轴而言的，即包括拉压、弯曲、扭转等两种及以上外加载荷形式，非比例是指不同形式的外加载荷之间呈非线性关系变化)，可弥补现有商业化的多轴疲劳试验***难以施加非比例拉压-弯曲、弯曲-扭转等组合载荷的不足，为开展复杂加载条件下的材料疲劳性能研究提供有效试验手段。

2)、离心多轴非比例加载部的加载轮盘边缘处截面为T型，质量块上设有C型卡口，所述质量块通过螺栓紧固于所述加载轮盘的边缘处，所述质量块可沿所述加载轮盘边缘的任何位置进行紧固，以满足不同组合载荷的试验需求。

3)、传动部的传动皮带通过调整松紧，可消除离心多轴非比例加载部自重的影响，此外，当疲劳试样断裂时，皮带可悬挂住离心多轴非比例加载部，有效保护疲劳试样的断口。

4)、本发明中的防护支撑结构和所述离心多轴非比例加载部之间设有载荷传感器，用以监测疲劳试验过程中载荷变化和判断试样失效，可及时有效地控制离心加载多轴非比例疲劳试验***的关停。

5)、所述防护支撑结构的安全防护横板、左纵板和右纵板上均设有安全防护孔，分别对上夹具、左转动加载横杆和右转动加载横杆起限制和保护作用，本发明结构简单有效、便于操作维护。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图。

图2是安全防护与支撑结构示意图。

图3是离心多轴非比例加载结构示意图。

图4是传动结构示意图。

图5是驱动电机结构示意图。

图6a是一种典型的质量块布置位置示意图。

图6b是与图6a对应的随着质量块相位的变化而形成的拉压-弯曲非比例疲劳载荷波形图。

图7a是另一种典型的质量块布置位置示意图。

图7b是与图7a对应的随着质量块相位的变化而形成的拉压-弯曲非比例疲劳载荷波形图。

图中标记的含义如下：

10-防护支撑结构 11-支撑底座 12-横板

12A-横板安全防护孔 13-左纵板 13A-左纵板安全防护孔

14-右纵板 14A-右纵板安全防护孔

20-载荷传感器

30-离心多轴非比例加载部 31A-下夹具 31B-上夹具

32A-左质量块 32B-右质量块 33A-左转动加载横杆

33B-右转动加载横杆 34A-左加载轮盘 34B-右加载轮盘

35A-左转动加载横杆轴承 35B-右转动加载横杆轴承

36-加载支撑 37-下传动轮盘

40-疲劳试样

50-传动部 51A-左传动轴承 51B-右传动轴承

52-传动杆 53-上传动轮盘 54-传动皮带 55-左传动法兰

60-驱动电机 61-右传动法兰 62-电机 63-电机座

具体实施方式

下面结合实施例对本发明技术方案做出更为具体的说明：

如图1～5所示，本基于离心加载的多轴非比例疲劳试验***包括如下组成部分：防护支撑结构10、载荷传感器20、离心多轴非比例加载部30、疲劳试样40、传动部50、驱动电机60，如图1所示。所述驱动电机60经由所述传动部50向所述离心多轴非比例加载部30提供动力，通过所述离心多轴非比例加载部30为所述疲劳试样40施加非比例疲劳载荷，所述防护支撑结构10和所述离心多轴非比例加载部30之间设有载荷传感器20。

如图2所示，所述防护支撑结构10包括支撑底座11、安全防护横板12、安全防护左纵板13和安全防护右纵板14等，所述载荷传感器20固定于所述支撑底座11之上，所述横板12、左纵板13和右纵板14上分别设有横板安全防护孔12A、左纵板安全防护孔13A和右纵板安全防护孔14A，所述左纵板安全防护孔13A对左转动加载横杆33A起限制和保护作用，所述右纵板安全防护孔14A对右转动加载横杆33B起限制和保护作用，所述横板安全防护孔12A对上夹具31B起限制和保护作用。

如图3所示，所述离心多轴非比例加载部30包括下夹具31A、上夹具31B、左质量块32A、右质量块32B、左转动加载横杆33A、右转动加载横杆33B、左加载轮盘34A、右加载轮盘34B、左转动加载横杆轴承35A、右转动加载横杆轴承35B、加载支撑36和下传动轮盘37。通过调整所述左质量块32A和所述右质量块32B大小、固定位置以及所述左加载轮盘34A和所述右加载轮盘34B转速，可以为所述疲劳试样40施加不同拉压、弯曲、扭转组合的非比例疲劳载荷，所述左加载轮盘34A和右加载轮盘34B的边缘采用T型截面、所述左质量块32A和所述右质量块32B采用C型卡口，并通过螺栓分别紧固于所述左加载轮盘34A和右加载轮盘34B的边缘处，所述左质量块32A和所述右质量块32B可沿加载轮盘圆周的任何位置进行紧固，以满足不同组合载荷的试验需求。旋转离心产生的非比例疲劳载荷通过所述上夹具31B、所述左转动加载横杆33A和所述右转动加载横杆33B，并根据杠杆原理加以放大后施加于所述疲劳试样40，所述上夹具31B、所述左转动加载横杆33A和所述右转动加载横杆33B通过加载支撑36相连，所述加载支撑36左右两侧与所述左转动加载横杆33A和所述右转动加载横杆33B之间安有便于转动的所述左转动加载横杆轴承35A和所述右转动加载横杆轴承35B，所述加载支撑36的框内设有带动所述左转动加载横杆33A和所述右转动加载横杆33B旋转的下传动轮盘37。

所述传动部50包括左传动轴承51A、右传动轴承51B、传动杆52、上传动轮盘53、传动皮带54和左传动法兰55，所述传动部50通过所述左传动法兰55由所述驱动电机60驱动，所述传动杆52经由益于转动的所述左传动轴承51A和所述右传动轴承51B安装于所述防护支撑结构10上，所述传动杆52装有所述上传动轮盘53，通过所述传动皮带54为所述下传动轮盘37提供动力，所述传动皮带54可调整松紧以消除所述离心多轴非比例加载部30自重的影响和所述保护疲劳试样40失效后的断口，如图4所示。

所述驱动电机60包括右传动法兰61、电机62和电机座63，所述右传动法兰61与所述传动部50的所述左传动法兰55连接，所述电机62为本离心多轴非比例加载部提供所需动力，所述电机座63为所述电机62提供支撑，并起减振降噪作用，如图5所示。

下面结合图1～6对本发明的试验过程做详细说明：

1、进行多轴非比例疲劳试验时，首先将机加工的疲劳试样40打磨抛光后，小心安装于下试样夹具31A和上试样夹具31B之间，避免碰伤疲劳试样40表面。

2、根据试验需要选择左质量块32A和右质量块32B大小，并调整好相位差后，通过紧固螺栓分别固定于左加载轮盘34A和右加载轮盘34B上。

图6a、6b和图7a、7b给出了两种典型非比例加载实例。

其中图6a所示的是一种典型的质量块位置示意图，图6b是与图6a对应的随着质量块相位的变化而形成的拉压-弯曲非比例疲劳载荷波形图，图6a中所示的左质量块32A和右质量块32B位置相同，弯曲疲劳载荷滞后于拉压疲劳载荷90°。

如图7a、7b所示为另一种典型的质量块位置示意图，图7b是与图7a对应的随着质量块相位的变化而形成的弯曲-扭转非比例疲劳载荷波形图，图7a中所示的左质量块32A和右质量块32B位置相反，弯曲疲劳载荷超前于扭转疲劳载荷90°。

3、将左质量块32A和右质量块32B调至水平位置，不断调整传动皮带54的松紧，直至载荷传感器20视值为零以消除离心多轴非比例加载部30自重的影响。

4、缓慢转动传动杆52观察离心多轴非比例加载部30和传动部50的各部件运行是否平稳，检查防护支撑结构10的横板安全防护孔12A、左纵板安全防护孔13A和右纵板安全防护孔14A与离心多轴非比例加载部30的上夹具31B、左转动加载横杆33A和右转动加载横杆33B之间是否留有足够的安全距离。

5、根据具体试验需要，计算并设置适合的驱动电机60转速，启动驱动电机60，开始试验。

6、完成试验后，小心取下失效的疲劳试样40，保护好试样断口以便后续试验观察与分析，记录左质量块32A和右质量块32B的大小、位置，左加载轮盘34A和所述右加载轮盘34B的转速，以及疲劳载荷循环周次。

Claims (8)

1.一种基于离心加载的多轴非比例疲劳试验***，其特征在于：包括载荷传感器(20)、离心多轴非比例加载部(30)以及疲劳试样(40)；所述离心多轴非比例加载部(30)包括转动加载横杆、加载支撑(36)以及夹具组件，所述转动加载横杆通过轴承安装在所述加载支撑(36)上，所述转动加载横杆左端固定有左偏心机构，所述转动加载横杆右端固定有右偏心机构，所述加载支撑(36)位于所述左偏心机构与右偏心机构中间；所述夹具组件包括沿竖向夹持疲劳试样(40)的上夹具(31B)和下夹具(31A)，所述加载支撑(36)与所述上夹具(31B)固定并在所述转动加载横杆转动时带动所述上夹具(31B)对所述疲劳试样(40)施加多轴非比例疲劳载荷。

2.如权利要求1所述的基于离心加载的多轴非比例疲劳试验***，其特征在于：该***包括驱动电机(60)以及传动部(50)，所述传动部(50)包括与所述驱动电机(60)连接的传动杆(52)，所述传动杆(52)与所述转动加载横杆轴向平行，所述传动杆(52)上固定有上传动轮盘(53)，所述转动加载横杆中间位置固定有下传动轮盘(37)，所述上传动轮盘(53)通过传动皮带(54)带动所述下传动轮盘(37)转动。

3.如权利要求1所述的基于离心加载的多轴非比例疲劳试验***，其特征在于：所述左偏心机构包括左加载轮盘(34A)以及左质量块(32A)，所述右偏心机构包括右加载轮盘(34B)以及右质量块(32B)，所述左加载轮盘(34A)、右加载轮盘(34B)为圆形且直径相等，所述左加载轮盘(34A)、右加载轮盘(34B)中心与所述转动加载横杆的轴向重合，所述左质量块(32A)安装在所述左加载轮盘(34A)边缘的任意处并构成所述左偏心机构，所述右质量块(32B)安装在所述右加载轮盘(34B)边缘的任意处并构成所述右偏心机构。

4.如权利要求2所述的基于离心加载的多轴非比例疲劳试验***，其特征在于：所述转动加载横杆两端呈悬置状态，所述转动加载横杆包括用于安装所述左加载轮盘(34A)的左转动加载横杆(33A)以及用于安装所述右加载轮盘(34B)的右转动加载横杆(33B)，所述左转动加载横杆(33A)通过左转动加载横杆轴承(35A)安装在所述加载支撑(36)上，所述右转动加载横杆(33B)通过右转动加载横杆轴承(35B)安装在所述加载支撑(36)上。

5.如权利要求3所述的基于离心加载的多轴非比例疲劳试验***，其特征在于：所述左加载轮盘(34A)、右加载轮盘(34B)的边缘分别向两侧凸起形成凸缘，所述左质量块(32A)、右质量块(32B)上分别设有C型卡口，所述左质量块(32A)通过C型卡口卡合安装在所述左加载轮盘(34A)的凸缘上，所述右质量块(32B)通过C型卡口卡合安装在所述右加载轮盘(34B)的凸缘上。

6.如权利要求4所述的基于离心加载的多轴非比例疲劳试验***，其特征在于：该***还包括防护支撑结构(10)，所述防护支撑结构(10)包括支撑底座(11)以及垂直安装在支撑底座(11)上且相对布置的左纵板(13)、右纵板(14)，所述左纵板(13)、右纵板(14)之间连接有水平安装的横板(12)，所述左纵板(13)上开设有左纵板安全防护孔(13A)，所述右纵板(14)上开设有右纵板安全防护孔(14A)，所述横板(12)上开设有横板安全防护孔(12A)；

所述左纵板(13)上安装有左传动轴承(51A)，所述右纵板(14)上安装有右传动轴承(51B)，所述传动杆(52)通过所述左传动轴承(51A)、右传动轴承(51B)安装在所述防护支撑结构(10)上；

所述转动加载横杆左端穿过所述左纵板安全防护孔(13A)且与左纵板安全防护孔(13A)之间留有安全间距，所述转动加载横杆右端穿过所述右纵板安全防护孔(14A)且与右纵板安全防护孔(14A)之间留有安全间距，所述上夹具(31B)呈杆状且沿竖向穿过所述横板安全防护孔(12A)且与横板安全防护孔(12A)之间留有安全间距，所述上夹具(31B)上端与所述加载支撑(36)固定，所述上夹具(31B)下端作用于所述疲劳试样(40)。

7.如权利要求4所述的基于离心加载的多轴非比例疲劳试验***，其特征在于：所述加载支撑(36)由竖直布置的方形框构成，所述转动加载横杆垂直穿过所述加载支撑(36)的一组相对框边，所述下传动轮盘(37)位于所述加载支撑(36)的框内，所述左加载轮盘(34A)、右加载轮盘(34B)对称安装在所述加载支撑(36)的两侧。

8.如权利要求6所述的基于离心加载的多轴非比例疲劳试验***，其特征在于：所述支撑底座(11)上布置有载荷传感器(20)，所述下夹具(31A)放置在所述载荷传感器(20)上。