CN110044699A - 一种材料压缩试验机及数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种材料压缩试验机，包括龙门架，龙门架设置在底板上；底板上设置有压力传感器，压力传感器设置在龙门架和底板之间，压力传感器的顶面设置有下压头，下压头的正上方设置有上压头，上压头设置在滑动架下方，滑动架与位移传感器的位移传感器本体固定连接，位移传感器的探头抵接在所述底板上；滑动架的上部与升降驱动装置连接，所述升降驱动装置设置在龙门架上；滑动架的左右两端向外延伸的左滑动臂和右滑动臂分别与龙门架的左支撑柱和右支撑柱内壁上的滑槽配合。本发明还公开了一种材料压缩试验机数据采集方法。通过本发明的材料压缩试验机，提高了数据采集精度。

Description

一种材料压缩试验机及数据采集方法

技术领域

本发明涉及材料压缩试验机及其对应的实验数据采集方法领域，特别是涉及一种材料压缩试验机及数据采集方法。

背景技术

目前市面常见的材料压缩性能试验机体积庞大且需要配套复杂的液压回路***，测试压力等级往往为几顿至上百吨级别。对材料进行压缩性能试验时，虽然位移数据精度能达到较高的精度量级，但由于本身体积庞大，且压力量程很大，压力采集精度实际上很低。以MTS的10顿级小型液压材料压缩性能试验机为例，其压力测量精度只能达到50N，这就对材料本身的耐压性提出了要求。为了得到测试材料完整、光滑的压力-应变数据曲线，往往要求被测试材料本身具有较好的耐压性才能得到更多的压力-应变数据。而对于某些抗压强度较低的材料试件如金属多孔结构材料等而言，压力分辨率50N时很难采集到足够的数据点。这就要求对压力数据的采集需要有更高的采集分辨率。

因此本领域技术人员致力于开发一种提高数据采集精度的材料压缩试验机及数据采集方法。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种提高数据采集精度的材料压缩试验机及数据采集方法。

为实现上述目的，本发明提供了一种材料压缩试验机，包括龙门架，所述龙门架设置在底板上；所述底板上设置有压力传感器，所述压力传感器设置在所述龙门架和所述底板之间，所述压力传感器的顶面设置有下压头，所述下压头的正上方设置有上压头，所述上压头设置在滑动架下方，所述滑动架与位移传感器的位移传感器本体固定连接，所述位移传感器的探头抵接在所述底板上；所述滑动架的上部与升降驱动装置连接，所述升降驱动装置设置在所述龙门架上；所述滑动架的左右两端向外延伸的左滑动臂和右滑动臂分别与所述龙门架的左支撑柱和右支撑柱内壁上的滑槽配合。

较佳的，所述升降驱动装置包括蜗杆减速机、驱动联轴器、滑动联轴器、承载顶杆和丝杆轴，所述蜗杆减速机设置在龙门架的顶梁上且所述蜗杆减速机的驱动轴垂直向下，所述承载顶杆的上端与所述驱动轴的下端通过所述驱动联轴器连接，所述承载顶杆的下端与所述丝杆轴的上端通过所述滑动联轴器连接；所述滑动架的上部设置有内螺纹，所述丝杆轴的下端与所述滑动架的上部进行螺纹配合。

较佳的，所述升降驱动装置还包括推力承载架和推力轴承，所述推力承载架与所述顶梁的底面固定连接，所述推力承载架的底面向下凸设有卡接所述推力轴承的卡接件，所述承载顶杆的两端之间设置有助推结构，所述承载顶杆的上端穿过所述推力轴承且所述推力轴承位于所述助推结构上。

较佳的，所述顶梁在靠近所述升降驱动装置的一侧具有第一凹部,所述推力承载架上设置有与所述第一凹部同侧相对应的第二凹部，所述升降驱动装置从上到下依次穿过所述第一凹部和所述第二凹部。

较佳的，所述丝杆轴的上端和所述所述承载顶杆的下端的表面设置有同截面的扁轴；所述滑动联轴器中间设置有与所述扁轴相配合的扁轴孔。

较佳的，所述滑动架的一侧设置有位移传感器支架，所述位移传感器支架将所述位移传感器本体固定在滑动架上。

较佳的，所述的左滑动臂上设置有左限位结构件，所述右滑动臂上设置有右限位结构件；所述左滑动臂与所述左支撑柱内壁上的滑槽配合且所述左限位结构件的左表面与左支撑柱的右表面紧贴；所述右滑动臂与所述右支撑柱内壁上的滑槽配合且所述右限位结构件的右表面与所述右支撑柱的左表面紧贴。

较佳的，所述上压头的底部设置成圆弧状，所述下压头为两端向上凸起的柱体。

本发明还提供了一种材料压缩试验机数据采集方法，利用上述的材料压缩试验机，所述步骤包括：

(1)抽样选取多个试件，分别测试多个试件的抗压位移，综合多个所述试件的抗压位移的平均值作为试件的最大抗压位移值；以及设定所述待测试件的采样时间间隔；

(2)将待测试件放置在下压头上，下移上压头的底面至所述待测试件上表面时，立即触发数据采集模块；

(3)所述数据采集模块根据所述采样时间间隔连续采集所述待测时间的压力值和位移值；

(4)当检测到位移值达到所述最大抗压位移值时，所述数据采集模块停止采样且材料压缩试验机停止运行。

较佳的，在步骤(1)中，还包括以下步骤：

分别测试多个试件的抗压压力，综合取多个所述试件的抗压压力的平均值作为试件的最大抗压极限压力值。

本发明的有益效果是：本发明的材料压缩试验机，适用于中低强度材料、多孔结构材料等的压缩性能试验与数据采集。本发明的材料压缩试验机的整体尺寸非常小，携带十分方便，能对大多数材料试件进行压缩性能试验、通过更换压头还可进行材料简支梁性能压缩试验。采用超大减速比的蜗杆减速电机作为动力源，压缩了体积又极大限度地提高了减速比；采用丝杆传动将回转运动转化为压缩运动，相比液压传动使得结构大大简化；采用高精度、高灵敏度的压力传感器和位移传感器，能实现对压力、压缩位移量的精准、高分辨率采样；试验数据采集方案采用基于压力触发的自动标定，通过编程设定压力传感器触发采集点，实现采样初始点自动标定，简化了操作流程；通过编程设定实验数据采样时间间隔(采集频率)，以适应不同特性试件对试验数据量的要求，使试验数据采集更加柔性化。

附图说明

图1是本发明一具体实施方式材料压缩试验机的结构示意图。

图2是本发明另一具体实施方式材料压缩试验机的结构示意图。

图3是本发明一具体实施方式材料滑动联轴器的结构示意图。

图4是本发明一具体实施方式材料压缩试验机数据采集方法的流程图。

图5是本发明一具体实施方式数据采集装置的结构示意图。

图6是本发明一具体实施方式数据采集装置的工作流程图。

具体实施方式

以下将详细说明本发明各部件的结构特点，而如果有描述到方向(上、下、左、右、前、后)时，是以图1所示的结构为参考描述，但本发明的实际使用方向并不局限于此。下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本发明实施例公开了一种材料压缩试验机，包括龙门架1，龙门架1设置在底板13上,底板13上设置有压力传感器14，压力传感器14设置在龙门架1和底板13之间，压力传感器14的顶面设置有下压头15，下压头15 的正上方设置有上压头16，上压头16设置在滑动架9下方，滑动架9与位移传感器11的位移传感器本体11a固定连接，位移传感器11的探头11b抵接在底板13上，滑动架9的上部与升降驱动装置连接，升降驱动装置设置在龙门架1 上；滑动架9的左右两端向外延伸的左滑动臂9a和右滑动臂9b分别与龙门架1 的左支撑柱1b和右支撑柱1c内壁上的滑槽配合。本发明的材料压缩试验机采用龙门架1作为基本承载件，且材料压缩试验机整体采用强度较高的钢结构材料，结构简单，龙门架1两侧立柱两侧受力，实现较高的承载力的同时还减小了承载变形，即减小材料压缩试验时的变形，提高试验数据精度。滑动架9与位移传感器11的位移传感器本体11a固定连接，位移传感器11的探头11b抵接在底板13上，实现了实时测量压缩位移量数据；上压头16安装在滑动架9 上，下压头15与压力传感器14固连，压力传感器14又与底板13固连，从而实现试件压缩过程中实时测量压力值。滑动架两端与龙门架上的滑槽配合实现自身在圆周方向定位约束。

在本实施例中，上压头16的底部设置成圆弧状，下压头15为两端向上凸起的柱体，上述上压头和下压头的形状适用于简支梁压缩试验的压头。在其他实施例中，如图2所示，上压头16和下压头15的形状设置为圆柱台，上下压头相对应的平面之间可进行方块形、圆柱形材料试件的压缩试验，上压头16和下压头15的形状也可以为其他形状，并不以此为限。

在本实施例中，滑动架9的一侧设置有位移传感器支架10，位移传感器支架10将位移传感器本体11a固定在滑动架9上。位移传感器支架10包括两个截面为三个台阶面的扣件，两个扣件的一端通过螺钉固定在滑动架9上，另一端通过螺栓紧固并将位移传感器本体设置在滑动架9与位移传感器支架10之间。

在本实施例中，升降驱动装置包括蜗杆减速机2、驱动联轴器3、滑动联轴器7、承载顶杆5和丝杆轴8，蜗杆减速机2设置在龙门架1的顶梁1a上且蜗杆减速机2的驱动轴2a垂直向下，承载顶杆5的上端与驱动轴2a的下端通过驱动联轴器3连接，承载顶杆5的下端与丝杆轴8的上端通过滑动联轴器7连接；滑动架9的上部设置有内螺纹，丝杆轴8的下端与滑动架9的上部进行螺纹配合。在其他实施例中，滑动架9的上部具有圆台9c，圆台9c内具有内螺纹，丝杆轴8的下端与圆台9c通过螺纹配合。本发明采用蜗杆减速电机2，以极小的体积实现较大的减速比，且为“L”形传动，更加贴合装置，使结构更加紧凑。丝杆轴8的上端与承载顶杆5下端留有一定的浮动空间，具有缓冲作用且增加了灵活性。丝杆轴8与滑动架9通过螺纹副配合，滑动架9圆台部分有内螺纹，实现将来自丝杆轴8的回转运动转化为滑动架9的垂直运动。

在本实施例中，升降驱动装置还包括推力承载架6和推力轴承4，推力承载架6与顶梁1a的底面固定连接，推力承载架6的底面向下凸设有卡接推力轴承 4的卡接件6a，承载顶杆5的两端之间设置有助推结构5a，承载顶杆5的上端穿过推力轴承4且推力轴承4位于助推结构5a上。其中，助推结构5a的上表面为平面，助推结构5a上表面与推力轴承4下表面贴合，在其他实施例中，助推结构5a的上表面也可以为其他形状，例如可以是凸弧面或其他形状，在此不作限定。材料压缩试验机运行时来自丝杆轴8的推力通过承载顶杆5将推力传递给推力轴承4，推力轴承4进一步将推力传递给推力承载架6，从而传递到龙门架。升降驱动装置的轴向载荷与旋转扭矩载荷从而互不干扰，即保证了传动的顺畅性。

在本实施例中，顶梁1a在靠近升降驱动装置的一侧具有第一凹部101a,推力承载架6上设置有与第一凹部101a同侧相对应的第二凹部6b，升降驱动装置从上到下依次穿过第一凹部101a和第二凹部6b。可以将升降驱动装置的重心相对于龙门架内置，使得龙门架受力更均衡，增加整个装置的稳定性。

如图3所示，丝杆轴8的上端和承载顶杆5的下端的表面设置有同截面的扁轴17，滑动联轴器7中间设置有与扁轴17相配合的扁轴孔18。在某些实施例中，丝杆轴8的上端和承载顶杆5的下端的表面对称设置有同截面的扁轴17。滑动联轴器3的作用是能实现丝杆轴8与承载顶杆5之间的扭矩传递并且能向上拨动滑动联轴器7实现丝杆轴8与承载顶杆5断开传动。

在本实施例中，左滑动臂9a上设置有左限位结构件901a，右滑动臂9b上设置有右限位结构件901b；左滑动臂9a与左支撑柱1b内壁上的滑槽配合且左限位结构件901a的左表面与左支撑柱1b的右表面紧贴；右滑动臂9b与右支撑柱1c内壁上的滑槽配合且右限位结构件901b的右表面与右支撑柱1c的左表面紧贴。其中，左支撑柱1b和右支撑柱1c内壁上的滑槽设置在左支撑柱1b和右支撑柱1c内壁的正中间位置。

在本实施例中，还包括角座12，角座12为“L”形，多个角座12与底板 13通过螺钉连接。

材料压缩试验机运行时，来自蜗杆减速电机的旋转扭矩经联轴器传递给承载顶杆，承载顶杆进一步通过滑动联轴器将扭矩传递到丝杆轴，丝杆轴与滑动架通过螺纹副配合，实现将回转运动转化为垂直方向的直线运动。材料压缩试验机运行时上压头向下缓慢运动，连同位移传感器同时向下运行，在材料压缩试验机运行过程中，位移传感器11的探头始终保持与下底板接触，从而能够实现在装置任意形成范围内的位置点开始记录试验数据。

正常运转时丝杆轴的转速是非常缓慢的以实现准静态压缩，这样一来材料压缩试验机的复位如果依靠电机反转来实现的话就会耗费大量的时间，因此，本发明的蜗杆减速电机减速比非常大，使试验完毕材料压缩试验机可以进行快速复位；丝杆轴8和承载顶杆5之间是用一个可上下滑动的滑动联轴器7连接的。当试验进行时，滑动联轴器在图1所示位置，当试验完毕后，只需要向上拨动滑动联轴器7，就能实现丝杆轴8和承载顶杆5之间动力断开，此时只需要反方向转动丝杆轴8至初始位置，然后将滑动联轴器7拨下，即可将装置完全恢复到试验就绪的初始状态。

如图4和图5所示，本发明还公开了一种材料压缩试验机数据采集方法，利用上述的材料压缩试验机，步骤包括：

(1)抽样选取多个试件，分别测试多个试件的抗压位移，综合多个试件的抗压位移的平均值作为试件的最大抗压位移值；以及设定待测试件的采样时间间隔；

(2)将待测试件放置在下压头15上，下移上压头16的底面至所述待测试件上表面时，立即触发数据采集模块；

(3)数据采集模块根据采样时间间隔连续采集待测时间的压力值和位移值；

(4)当检测到位移值达到最大抗压位移值时，数据采集模块停止采样且材料压缩试验机停止运行。

在本实施例中，在步骤(1)中，还包括以下步骤：

(101)分别测试多个试件的抗压压力，综合取多个试件的抗压压力的平均值作为试件的最大抗压极限压力值。

在本实施例中，最大抗压位移值是指外力施压力在材料上时的压缩位移极限；最大抗压极限压力值是指外力施压力在材料上时的压缩压力极限。

在本实施例中，步骤(2)具体包括以下步骤：

(201)将待测试件放置在下压头15上，下移上压头16，开启判断模块，判断模块用于分析压力传感器14的输出信号是否有变化，当所述判断模块分析压力传感器14输出信号有变化时，将压力传感器14所检测的当前压力进行清零，并进行步骤(202)；

(202)当所述判断模块分析压力传感器14输出信号有变化时，数据采集模块同时被开启，所述数据采集模块读取当前位移值，且将位移传感器11所检测的当前位移进行清零。

在本实施例中，当所述判断模块分析压力传感器14输出信号有变化时，此时上压头16的底面与待测试件上表面刚好接触。

在本实施例中，在数据采集模块的采集数据过程中，当判断模块检测到的压力值大于最大抗压极限压力值，判断模块将信号传输到报警模块和停机控制模块，此时，***报警且材料压缩试验机停止运行。

在步骤(4)中，还包括以下步骤：

(401)当判断模块检测到位移值达到最大抗压位移值时，判断模块将信号传输到数据采集模块和停机控制模块，此时，数据采集模块停止采样且材料压缩试验机停止运行。

在本实施例中，数据采集装置包括数据采集模块、判断模块、停机控制模块和报警模块。

在本实施例中，上述步骤可通过PLC编程来实现。

压缩试验时数据采集采用压力触发的采集策略，即通过PLC编程控制实时监测压力传感器输出模拟信号量，一旦压力传感器输出信号量有变化，说明此时上压头刚好接触上被测试件，此时便触发数据采集装置，自动过滤空的行程。数据采集频率根据实际需要通过调节数据采集装置中采样时间间隔，从而得到合适的散点数据。压缩试验机过载保护方面采用基于压力控制的方案，数据采集装置除了实时采集、记录当前数据外，还监控当前压力值是否超过设定值，若超过设定值则触发报警，并停止装置运行，等待下一次上电复位。

当上压头16触及到上下压头之间的试件表面时，下部的压力传感器14压力开始增大，此时触发采样装置如图6所示开始进行压力、位移采样记录并实时显示输出，直至达到采样终止条件位置，即上述的最大抗压位移值，采样过程中实时监控压力值是否在设定范围内，若有超过，则***报警并停止运行。

本发明的材料压缩试验机，适用于中低强度材料、多孔结构材料等的压缩性能试验与数据采集。本发明的材料压缩试验机的整体尺寸非常小，携带十分方便，能对大多数材料试件进行压缩性能试验、通过更换压头还可进行材料简支梁性能压缩试验。采用超大减速比的蜗杆减速电机作为动力源，压缩了体积又极大限度地提高了减速比；采用丝杆传动将回转运动转化为压缩运动，相比液压传动使得结构大大简化；采用高精度、高灵敏度的压力传感器和位移传感器，能实现对压力、压缩位移量的精准、高分辨率采样；试验数据采集方案采用基于压力触发的自动标定，通过编程设定压力传感器触发采集点，实现采样初始点自动标定，简化了操作流程；通过编程设定实验数据采样时间间隔(采集频率)，以适应不同特性试件对试验数据量的要求，使试验数据采集更加柔性化。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种材料压缩试验机，其特征是：包括龙门架(1)，所述龙门架(1)设置在底板(13)上；所述底板(13)上设置有压力传感器(14)，所述压力传感器(14)设置在所述龙门架(1)和所述底板(13)之间，所述压力传感器(14)的顶面设置有下压头(15)，所述下压头(15)的正上方设置有上压头(16)，所述上压头(16)设置在滑动架(9)下方，所述滑动架(9)与位移传感器(11)的位移传感器本体(11a)固定连接，所述位移传感器(11)的探头(11b)抵接在所述底板(13)上；所述滑动架(9)的上部与升降驱动装置连接，所述升降驱动装置设置在所述龙门架(1)上；所述滑动架(9)的左右两端向外延伸的左滑动臂(9a)和右滑动臂(9b)分别与所述龙门架(1)的左支撑柱(1b)和右支撑柱(1c)内壁上的滑槽配合。

2.如权利要求1所述的材料压缩试验机，其特征是：所述升降驱动装置包括蜗杆减速机(2)、驱动联轴器(3)、滑动联轴器(7)、承载顶杆(5)和丝杆轴(8)，所述蜗杆减速机(2)设置在龙门架(1)的顶梁(1a)上且所述蜗杆减速机(2)的驱动轴(2a)垂直向下，所述承载顶杆(5)的上端与所述驱动轴(2a)的下端通过所述驱动联轴器(3)连接，所述承载顶杆(5)的下端与所述丝杆轴(8)的上端通过所述滑动联轴器(7)连接；所述滑动架(9)的上部设置有内螺纹，所述丝杆轴(8)的下端与所述滑动架(9)的上部进行螺纹配合。

3.如权利要求2所述的材料压缩试验机，其特征是：所述升降驱动装置还包括推力承载架(6)和推力轴承(4)，所述推力承载架(6)与所述顶梁(1a)的底面固定连接，所述推力承载架(6)的底面向下凸设有卡接所述推力轴承(4)的卡接件(6a)，所述承载顶杆(5)的两端之间设置有助推结构(5a)，所述承载顶杆(5)的上端穿过所述推力轴承(4)且所述推力轴承(4)位于所述助推结构(5a)上。

4.如权利要求3所述的材料压缩试验机，其特征是：所述顶梁(1a)在靠近所述升降驱动装置的一侧具有第一凹部(101a),所述推力承载架(6)上设置有与所述第一凹部(101a)同侧相对应的第二凹部(6b)，所述升降驱动装置从上到下依次穿过所述第一凹部(101a)和所述第二凹部(6b)。

5.如权利要求2至4任一所述的材料压缩试验机，其特征是：所述丝杆轴(8)的上端和所述所述承载顶杆(5)的下端的表面设置有同截面的扁轴(17)；所述滑动联轴器(7)中间设置有与所述扁轴(17)相配合的扁轴孔(18)。

6.如权利要求1所述的材料压缩试验机，其特征是：所述滑动架(9)的一侧设置有位移传感器支架(10)，所述位移传感器支架(10)将所述位移传感器本体(11a)固定在所述滑动架(9)上。

7.如权利要求1所述的材料压缩试验机，其特征是：所述的左滑动臂(9a)上设置有左限位结构件(901a)，所述右滑动臂(9b)上设置有右限位结构件(901b)；所述左滑动臂(9a)与所述左支撑柱(1b)内壁上的滑槽配合且所述左限位结构件(901a)的左表面与左支撑柱(1b)的右表面紧贴；所述右滑动臂(9b)与所述右支撑柱(1c)内壁上的滑槽配合且所述右限位结构件(901b)的右表面与所述右支撑柱(1c)的左表面紧贴。

8.如权利要求1所述的材料压缩试验机，其特征是：所述上压头(16)的底部设置成圆弧状，所述下压头(15)为两端向上凸起的柱体。

9.一种材料压缩试验机数据采集方法，利用如权利要求1至8任一所述的材料压缩试验机，其特征是：所述步骤包括：

(1)抽样选取多个试件，分别测试多个试件的抗压位移，综合多个所述试件的抗压位移的平均值作为试件的最大抗压位移值；以及设定所述待测试件的采样时间间隔；

(2)将待测试件放置在下压头(15)上，下移上压头(16)的底面至所述待测试件上表面时，立即触发数据采集模块；

(3)所述数据采集模块根据所述采样时间间隔连续采集所述待测时间的压力值和位移值；

(4)当检测到位移值达到所述最大抗压位移值时，所述数据采集模块停止采样且材料压缩试验机停止运行。

10.如权利要求9所述的材料压缩试验机数据采集方法，其特征是：在步骤(1)中，还包括以下步骤：

(101)分别测试多个试件的抗压压力，综合取多个所述试件的抗压压力的平均值作为试件的最大抗压极限压力值。