CN110487651A - 可模拟自然环境的电子式疲劳试验机及其疲劳试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可模拟自然环境的电子式疲劳试验机，包括疲劳试验机，并配置有环境模拟试验箱和电机控制台，所述疲劳试验机包括工作台，工作台上固定两根立柱，在上方横梁处放置多套伺服电动缸与伺服电机，电动缸的电动活塞杆端部内置力传感器，电动缸末端固定在位移传感器的上部，位移传感器的下部与压杆连接；所述环境模拟试验箱包括带有箱门的不锈钢箱体，试样放置于不锈钢箱体内，所述压杆穿过不锈钢箱体对所述试样施压，所述不锈钢箱体配置有模拟自然环境的环境模拟装置以使试样处于预设的自然环境状态中，所述不锈钢箱体底部设置有底座，底座上设置有滑轨，所述不锈钢箱体底部设置于滑轨上并滑动配合，所述不锈钢箱体与所述环境控制装置固定一体且呈L形分布，所述不锈钢箱体侧向悬空设置，所述不锈钢箱体可推入疲劳试验机立柱间。

Description

可模拟自然环境的电子式疲劳试验机及其疲劳试验方法

技术领域

本发明涉及一种可模拟自然环境的电子式疲劳试验机，属于试验测试技术领域。本发明还涉及一种采用上述可模拟自然环境的电子式疲劳试验机进行的疲劳试验方法。

背景技术

疲劳试验机可用于进行测定金属、合金材料及其构件在室温状态下的拉伸、压缩或

拉压交变负荷的疲劳特性、疲劳寿命、预制裂纹及裂纹扩展试验。

对于目前的疲劳试验往往脱离实际应用环境，单一测量某种材料的疲劳特性在某些情况下不能满足实际需要。由此开发了本***用于测试各种材料在不同环境温度下的抗压疲劳特性以及疲劳寿命，本***具有两种应用模式，既可进行传统的试验夹具型抗压疲劳测试，也可拆除下压盘，在较大的工作空间放置模型槽进行试验；三个伺服作动器可实现独立动作试验，协调加载试验，同步加载试验可模拟不同的实际应用环境，例如设置相位差并以正弦波的波形加载可模拟交通荷载作用。

发明内容

鉴于以上提出当前疲劳试验机的不足，本发明所要解决的技术问题是提供一种可模拟自然环境的电子式疲劳试验机，该疲劳试验机可模拟实际应用环境的，进而测试各种材料在各种应用环境内的力学性能。本发明所要解决的技术问题还包括提供一种采用上述模拟自然环境的电子式疲劳试验机进行的疲劳试验方法。

为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

可模拟自然环境的电子式疲劳试验机，包括疲劳试验机，并配置有环境模拟试验箱和电机控制台，所述疲劳试验机包括工作台，工作台上固定两根立柱，在上方横梁处放置多套伺服电动缸与伺服电机，电动缸的电动活塞杆端部内置力传感器，电动缸末端固定在位移传感器的上部，位移传感器的下部与压杆连接；所述环境模拟试验箱包括带有箱门的不锈钢箱体，试样放置于不锈钢箱体内，所述压杆穿过不锈钢箱体对所述试样施压，所述不锈钢箱体配置有模拟自然环境的环境模拟装置以使试样处于预设的自然环境状态中，所述不锈钢箱体底部设置有底座，底座上设置有滑轨，所述不锈钢箱体底部设置于滑轨上并滑动配合，所述不锈钢箱体与所述环境控制装置固定一体且呈L形分布，所述不锈钢箱体侧向悬空设置，所述不锈钢箱体可推入疲劳试验机立柱间。

进一步的，所述环境模拟装置包括温度控制机构和淋水机构，温度控制机构包括加热器和冷却机构。

进一步的，所述不锈钢箱体的顶部和底部均开设有压杆插孔，所述压杆包括上部的压杆和下部的压杆，上部的压杆穿过顶部的压杆插孔，下部的压杆穿过底部的压杆插孔。

进一步的，所述不锈钢箱体底部和顶部均设置有顶杆，顶杆***于固定在穿过不锈钢箱体侧壁的套筒中并滑动配合，所述顶杆上部和下部均设置有环形挡位凸台。所述套筒上与顶杆的配合处设置有油槽，油槽中注入有润滑油，所述套筒上开设有与油槽导通的油道，所述油道具有朝外的开口，开口处螺纹连接有圆形封盖。

进一步的，所述环境模拟装置包括循环风机、热电偶、加热电阻、压缩机、液氮罐和保温插块，所述不锈钢箱体内设置有温度传感器，所述环境模拟试验箱壳体上设置显示屏。

进一步的，所述压杆配置有上压盘和下压盘，上压盘和下压盘夹住中间夹具进行试验，试样夹具配置可更换的多种尺寸，所述下压盘和压盘底座处配置有模型槽。

进一步的，所述电机控制台包括台式电脑，HardWareSmc奥维微机控制***，板卡式信号放大器，驱动器，所述驱动器与伺服电机连接，伺服作动器可实现独立动作试验，协调加载试验，同步加载试验；所述电机控制台通过HardWareSmc奥维微机控制***调整PID参数来实现驱动器和伺服电机的具体动作，电机控制台通过线缆与疲劳试验机连接。

本发明提供的采用上述模拟自然环境的电子式疲劳试验机进行的疲劳试验方法，包括以下步骤：

1）将试样装入环境模拟试验箱中，其放置位置对准顶部和底部的顶杆，，开启环境模拟装置使试验处于自然环境状态；

2）将环境模拟试验箱沿着滑轨推送疲劳试验机工作台的上部压杆和下部压杆之间，将上部压杆对准并顶住顶部的顶杆，将下部压杆对准并顶住底部的顶杆；

3）驱动多套伺服电动缸和伺服电机分别实现独立动作试验，协调加载试验，同步加载试验可模拟不同的实际应用环境，模拟不同的行车车速，并以正弦波的波形加载可模拟交通荷载作用。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

（1）具有两种应用模式，既可进行传统的试验夹具型抗压疲劳测试，也可拆除下压盘及压盘底座，在较大的工作空间放置模型槽进行试验。

（2）结合环境模拟试验箱，可模拟不同环境温度下抗压疲劳特性和疲劳寿命，使试验结果更加精准，能够适用于更多的领域和范围。

（3）多个伺服作动器可实现独立动作试验，协调加载试验，同步加载试验可模拟不同的实际应用环境，例如三缸设置相位差可模拟不同的行车车速，并以正弦波的波形加载可模拟交通荷载作用。

附图说明

图1是本发明实施例1的疲劳试验机结构示意图；

图2是本发明实施例1的环境模拟试验箱示意图；

图3是本发明实施例1的疲劳试验机模式的结构平面示意图，其中的压盘安装试样夹具；

图4是本发明实施例1的疲劳试验机模式的结构平面示意图，其中的下压盘和压盘底座处配置有模型槽；

图5为本发明实施例2的可模拟自然环境的电子式疲劳试验机的结构示意图，该状态下环境模拟试验箱的不锈钢箱体未进入疲劳试验机的工作位置。

图6为本发明实施例2的可模拟自然环境的电子式疲劳试验机的结构示意图，该状态下环境模拟试验箱的不锈钢箱体被推入疲劳试验机的工作位置。

其中，1、伺服电机，2、伺服电动缸，3、横梁，4、立柱，5、工作台，6、撑脚，7、上压盘，8、下压盘，9、压盘底座，10、位移传感器，11、力传感器，12、防尘外壳，13、压杆，14、箱门，15、观察窗，16、压杆插孔，17、滑轨，18、撑脚，19、显示屏，20、通风口，21、模型槽，22、疲劳试验机，23、环境模拟试验箱，24、不锈钢箱体，25、顶杆，26、套筒，27、凸台，28，油槽，29、油道，30、开口，31、圆形封盖，32、支撑杆，33、卡件。

具体实施方式

下面结合具体实施方案对本发明作进一步详细地描述。

参照图1-4所示，本发明实施例1提供的可模拟自然环境的电子式疲劳试验机，包括疲劳试验机22，并配置有环境模拟试验箱23和电机控制台，所述疲劳试验机22包括工作台，工作台上固定两根立柱4，在上方横梁3处放置多套伺服电动缸2与伺服电机1，本实施例中配置了三套伺服电动缸2、伺服电机1和压杆13，电动缸的电动活塞杆端部内置力传感器11，电动缸末端固定在位移传感器10的上部，位移传感器10的下部与压杆13连接；所述环境模拟试验箱23包括带有箱门的不锈钢箱体24，试样放置于不锈钢箱体24内，所述压杆13穿过不锈钢箱体24对所述试样施压，所述不锈钢箱体24的顶部和底部均开设有压杆插孔16，所述压杆13包括上部的压杆13和下部的压杆13，上部的压杆13穿过顶部的压杆插孔16，下部的压杆13穿过底部的压杆插孔16，所述压杆13配置有上压盘7和下压盘8，上压盘7和下压盘8夹住中间夹具进行试验，试样夹具配置可更换的多种尺寸，所述下压盘8和压盘底座9处配置有模型槽。所述不锈钢箱体24配置有模拟自然环境的环境模拟装置以使试样处于预设的自然环境状态中，环境模拟装置包括循环风机、温度控制机构和淋水机构，温度控制机构包括加热器和冷却机构，环境模拟装置包括循环风机、热电偶、加热电阻、压缩机、液氮罐和保温插块，所述不锈钢箱体内设置有照明灯和温度传感器，所述环境模拟试验箱23壳体上设置显示屏，以显示环境模拟装置的温度等状态，因上述环境模拟装置都是现有可采购的部件，包括其结合于一个不锈钢箱体中的构造都是常规技术手段，在此不再赘述。所述不锈钢箱体24底部设置有底座25，底座上设置有滑轨26，所述不锈钢箱体24底部设置于滑轨26上并滑动配合，所述不锈钢箱体24与所述环境控制装置固定一体且呈L形分布，所述不锈钢箱体24侧向悬空设置，所述不锈钢箱体24可推入疲劳试验机22的立柱4间，并将压杆13穿过压杆插孔16进入不不锈钢箱体24内进行试验。

参照图1-4所示，上述电机控制台包括台式电脑，HardWareSmc奥维微机控制***，板卡式信号放大器，驱动器，所述驱动器与伺服电机连接，伺服作动器可实现独立动作试验，协调加载试验，同步加载试验；所述电机控制台通过HardWareSmc奥维微机控制***调整PID参数来实现驱动器和伺服电机的具体动作，电机控制台通过线缆与疲劳试验机连接。在本实施例中，所述疲劳试验机可使用正弦波，斜波，三角波，方波四种波形进行加载，荷载量程为0-15kN，荷载频率为0-15Hz。

下面根据附图详细描述构造细节：

上述实施例1中，图1是疲劳试验机结构示意图，包括工作台5，工作台5上固定两根立柱4，在上方横梁3处放置伺服电动缸1与伺服电机2，并用防尘外壳12包裹；伺服电动缸1的电动活塞杆端部内置力传感器11，伺服电动缸1末端固定在位移传感器10的上部，位移传感器10的下部与压杆13连接；整个试验机由四个撑脚6支撑，也可卸下撑脚6，将工作台5置于混凝土台座上，用膨胀螺丝固定。

图2是环境模拟试验箱示意图，环境模拟试验箱包括不锈钢箱体，箱门，循环风机，热电偶，加热电阻，压缩机，液氮罐，保温插块，照明灯，显示屏和温度传感器；试验箱通过显示屏19进行温度控制，通过箱门14上的观察窗15观察试验过程；在试验箱上顶板与下底板处预留了压杆孔洞16环境模拟试验箱可沿滑轨17推入疲劳试验机立柱间，将上压盘7，下压盘8及试样夹具包裹其中；整个试验箱由6个撑脚18支撑。

图3是疲劳试验机模式一平面示意图，试样夹具可放置在上下压盘之间，也可定制具有同等螺栓孔的试样夹具，拆除下压盘，将试样夹具装在压盘底上固定。

图4是疲劳试验机模式二平面示意图，可拆除下压盘及压盘底座，将定制的模型槽21放入其中，例如可在模型槽21中浇筑路面结构，将压电元件埋入其中，测试其在道路中的发电性能。

参照图1、图2、图5、图6所示，本发明实施例2与实施例1基本相同，其区别仅在于不锈钢箱体24上增加的顶杆结构，具体如下：所述不锈钢箱体24底部和顶部均设置有顶杆25，顶杆25***于固定在穿过不锈钢箱体24侧壁的套筒26中并滑动配合，所述顶杆25上部和下部均设置有环形挡位凸台27。所述套筒26上与顶杆25的配合处设置有油槽28，油槽28中注入有润滑油，所述套筒上开设有与油槽导通的油道29，所述油道29具有朝外的开口30，开口30处螺纹连接有圆形封盖31，油槽28可以对压杆13和套筒26配合处进行油润滑，开口30处可以加入润滑油并注入到油槽28中。顶杆25的设置可以使不锈钢箱体24更加密封，相比将上部的压杆13和下部的压杆13直接***插孔进入不锈钢箱体24的结构，上述采用在不锈钢箱体24上设置***于套筒26中的顶杆25的结构可以使不锈钢箱体24更加密封，更有利于温度和湿度等的控制。在实际操作中，顶杆25移动的阻力需要预先计算好，在试验时要将该阻力作为定量的压力损耗值扣除。

参照图5、图6所示，在上述实施例2中，为了使不锈钢箱体24向侧面移出后能够更好的定位，避免因侧偏而影响试验数据，所述不锈钢箱体24底部摆动连接有支撑杆32，所述不锈钢箱体24底部设置有支撑杆32的卡件33以将支撑杆32收拢后定位于不锈钢箱体24底部。当不锈钢箱体24被侧面移出时可以将支撑杆32展开以支承不锈钢箱体24，为了支承稳定可以在不锈钢箱体24底部设置两根支撑杆32。

尽管上面结合图纸对本发明进行了阐述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，在不脱离本发明实质的前提下，对于其做出的改进和变形，均属于本发明的保护范畴。

下面详细介绍本发明两种实施例的可模拟自然环境的电子式疲劳试验机的操作方法：

实施例1操作方法：实施例1中的疲劳试验机可以单独进行疲劳试验，也可以将不锈钢箱体24沿着滑轨侧向移动到疲劳试验机的压杆13之间，再将压杆13穿过压杆插孔16；在打开箱门14后将上压盘7、下压盘8和试样夹具安装到压杆13上；然后将试样安装到试样夹具上后再启动温度控制器控制不锈钢箱体内的温度；最后进行按压疲劳试验。

实施例2操作方法：将不锈钢箱体24沿着滑轨侧向移动到疲劳试验机的压杆13之间，再将上部的压杆13和下部的压杆13分别顶在上下部的顶杆25上；在打开箱门14后将上压盘7、下压盘8和试样夹具安装到顶杆25上；然后将试样安装到试样夹具上后再启动温度控制器控制不锈钢箱体24内的温度；最后进行按压疲劳试验。

Claims (10)

1.一种可模拟自然环境的电子式疲劳试验机，包括疲劳试验机，其特征是：并配置有环境模拟试验箱和电机控制台，所述疲劳试验机包括工作台，工作台上固定两根立柱，在上方横梁处放置多套伺服电动缸与伺服电机，电动缸的电动活塞杆端部内置力传感器，电动缸末端固定在位移传感器的上部，位移传感器的下部与压杆连接；所述环境模拟试验箱包括带有箱门的不锈钢箱体，试样放置于不锈钢箱体内，所述压杆穿过不锈钢箱体对所述试样施压，所述不锈钢箱体配置有模拟自然环境的环境模拟装置以使试样处于预设的自然环境状态中，所述不锈钢箱体底部设置有底座，底座上设置有滑轨，所述不锈钢箱体底部设置于滑轨上并滑动配合，所述不锈钢箱体与所述环境控制装置固定一体且呈L形分布，所述不锈钢箱体侧向悬空设置，所述不锈钢箱体可推入疲劳试验机立柱间。

2.根据权利要求1所述的可模拟自然环境的电子式疲劳试验机，其特征是：所述环境模拟装置包括温度控制机构和淋水机构，温度控制机构包括加热器和冷却机构。

3.根据权利要求1所述的可模拟自然环境的电子式疲劳试验机，其特征是：所述不锈钢箱体的顶部和底部均开设有压杆插孔，所述压杆包括上部的压杆和下部的压杆，上部的压杆穿过顶部的压杆插孔，下部的压杆穿过底部的压杆插孔。

4.根据权利要求1所述的可模拟自然环境的电子式疲劳试验机，其特征是：所述不锈钢箱体底部和顶部均设置有顶杆，顶杆***于固定在穿过不锈钢箱体侧壁的套筒中并滑动配合，所述顶杆上部和下部均设置有环形挡位凸台，所述套筒上与顶杆的配合处设置有油槽，油槽中注入有润滑油，所述套筒上开设有与油槽导通的油道，所述油道具有朝外的开口，开口处螺纹连接有圆形封盖。

5.根据权利要求4所述的可模拟自然环境的电子式疲劳试验机，其特征是：所述不锈钢箱体底部摆动连接有支撑杆，所述不锈钢箱体底部设置有支撑杆的卡件以将支撑杆收拢后定位于不锈钢箱体底部。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的可模拟自然环境的电子式疲劳试验机，其特征是：所述环境模拟装置包括循环风机、热电偶、加热电阻、压缩机、液氮罐和保温插块，所述不锈钢箱体内设置有温度传感器，所述环境模拟试验箱壳体上设置显示屏。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的可模拟自然环境的电子式疲劳试验机，其特征是：所述压杆配置有上压盘和下压盘，上压盘和下压盘夹住中间夹具进行试验，试样夹具配置可更换的多种尺寸，所述下压盘和压盘底座处配置有模型槽。

8.根据权利要求6所述的可模拟自然环境的电子式疲劳试验机，其特征是：所述压杆配置有上压盘和下压盘，上压盘和下压盘夹住中间夹具进行试验，试样夹具配置可更换的多种尺寸，所述下压盘和压盘底座处配置有模型槽。

9.根据权利要求1或2或3或4或5所述的可模拟自然环境的电子式疲劳试验机，其特征是：所述电机控制台包括台式电脑，HardWareSmc奥维微机控制***，板卡式信号放大器，驱动器，所述驱动器与伺服电机连接，伺服作动器可实现独立动作试验，协调加载试验，同步加载试验；所述电机控制台通过HardWareSmc奥维微机控制***调整PID参数来实现驱动器和伺服电机的具体动作，电机控制台通过线缆与疲劳试验机连接。

10.一种采用权利要求4所述模拟自然环境的电子式疲劳试验机进行的疲劳试验方法，其特征是：包括以下步骤：

1）将试样装入环境模拟试验箱中，其放置位置对准顶部和底部的顶杆，，开启环境模拟装置使试验处于自然环境状态；

2）将环境模拟试验箱沿着滑轨推送疲劳试验机工作台的上部压杆和下部压杆之间，将上部压杆对准并顶住顶部的顶杆，将下部压杆对准并顶住底部的顶杆；

3）驱动多套伺服电动缸和伺服电机分别实现独立动作试验，协调加载试验，同步加载试验可模拟不同的实际应用环境，模拟不同的行车车速，并以正弦波的波形加载可模拟交通荷载作用。