CN1274840A - 一种带弹性压力头的小力值自动加载试验装置 - Google Patents

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蔡增伸
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Abstract

一种带弹性压力头的小力值自动加载试验装置,主要由底座、立柱、横梁、受控电机、升降丝杆、弹性压力头、力传感器、试样支承盘、试样、实时摄象***、控制卡、A/D卡、图象卡及计算机所组成,以弹性压力头代替刚性压力头,直接以加载速度控制进行试验,简化了结构、降低了成本。各种加载速度可在试验前设定,可方便地控制与调整试样破断时间,放宽了对压头位移速度的要求,可方便地得到施力点的位移值。

Description

一种带弹性压力头的小力值自动加载试验装置
本发明涉及一种带弹性压力头的小力值自动加载试验装置，适用于陶瓷及人造金刚石膜这类高度脆性材料测定断裂韧性KIC及弯曲强度σb的自动加载试验场合。
现有的国内、外各种试验装置，包括陶瓷及人造金刚石膜这类高度脆性材料测定断裂韧性KIC及弯曲强度σb的试验装置，均采用刚性压力头。这种刚性压力头在其对试样施加载荷时，压力头本身的变形是非常微小的，以致一般可以忽略不计其变形量。这样的刚性压力头，用于陶瓷及人造金刚石膜这类高度脆性材料测定断裂韧性KIC及弯曲强度σb的自动加载试验装置时，存在一个很大的问题。由于陶瓷及人造金刚石膜这类高度脆性材料，无论用三点弯试样测定其断裂韧性KIC，还是测定其弯曲强度σb，考虑到加工和材料的价格等因素，这类试样的尺寸均很小，以金刚石膜为例，一般试样的长X高X厚约为：10X2X0.25(mmXmmXmm)，因此，其破坏力值也是很小的了，一般约为十几或几十牛顿(N)。对于这类刚性压力头的试验装置，为了测得小力值，一般加载速度必须选取得非常小，比如对陶瓷弯曲试验加载时，一般限制加载时压力头的移动速度不大于0.05mm/min。根据金刚石膜与陶瓷的不同的弹性模量，类比陶瓷的情形，如对金刚石膜弯曲试验加载时，应限制加载时压力头的移动速度不大于0.013mm/min。可见要轻易达到上述压力头的位移速度是不容易的。现在，即便达到了上述位移速度，仍然存在问题。哪又是什么问题呢？因为对陶瓷及金刚石膜这类高度脆性材料，其弹性模量极高，约为：300-1150GPa，在刚性压力头接触试样至压断，刚性压力头相对于试样的位移量是极小的，因此，加载过程仅几秒钟或不到1秒。这种使用刚性压力头的试验装置，显然对于观测这类材料的断裂过程，测准断裂力值，均会带来高成本或不成功，而且无法实现加载速度控制，无法测出试验时施力点的位移值。
本发明的目的是克服现有技术的缺点，提出一种以力值作为控制参量，结构合理、装置成本低、检测性能可靠、可方便地测出试验时施力点位移值的带弹性压力头的小力值自动加载试验装置。
一种带弹性压力头的小力值自动加载试验装置，包括底座1、立柱2、横梁3、受控电机4、升降丝杆5、弹性压力头6、力传感器7、试样支承盘8、试样9、实时摄象***10、控制卡11、A/D卡12、图象卡13及计算机14，其特征在于：弹性压力头6与升降丝杆5相连，力传感器7设置在底座1上，弹性压力头6由压力头61、连接护套62、两只锁紧螺母63、压力头体64、滑动套65、弹簧66及小轴67组成，力传感器7通过A/D卡12与计算机14相连，受控电机4通过控制卡11与计算机14相连，实时摄象***10通过图象卡13与计算机14相连。
如上所述的一种带弹性压力头的小力值自动加载试验装置，其特征在于：弹簧66的弹簧刚度范围为0.001N/mm至1000N/mm，弹簧66的弹簧高度范围为1mm至1000mm，弹簧66的弹簧簧圈半径范围为1mm至1000mm。
本发明的优点是：第一、由于以弹性压力头代替原先的刚性压力头，以高精度力传感器测出的力值作为试验时的控制参量，代替了原先以位移作为试验控制参量，亦即采用了直接以加载速度(dF/dt)控制进行试验，各种加载速度可在试验前设定，方便而精确，有利于对在各种加载速度下，材料的力学性能作出正确的评价；第二、由于采用了直接以加载速度(dF/dt)控制进行试验，使试样自受力至破断的时间可方便地被控制和调整，有利于观测试样破断的全过程，大大降低观测、记录所用设备的费用；第三、由于采用了直接以加载速度(dF/dt)控制进行试验，放宽了对压头的位移速度要求，从而简化了装置的结构，降低了成本。第四、由于采用了弹性压力头，以加载速度(dF/dt)控制进行试验，可以方便地得出试验时施力点的位移值。
附图1为本发明的外形结构图。
附图2为本发明的弹性压力头6的结构图。
其中：1-底座，2-立柱，3-横梁，4-受控电机，5-升降丝杆，6-弹性压力头，7-力传感器，8-试样支承盘，9-试样，10-实时摄象***，11-控制卡，12-A/D卡，13-图象卡，14-计算机，61-压力头，62-连接护套，63-锁紧螺母，64-压力头体，65-滑动套，66-弹簧，67-小轴。
下面结合附图，对本发明的实施方案和工作原理作一详细描述。
如图1所示。本发明由底座1、立柱2、横梁3、受控电机4、升降丝杆5、弹性压力头6、力传感器7、试样支承盘8、试样9、实时摄象***10、控制卡11、A/D卡12、图象卡13及计算机14组成。如图2所示弹性压力头6由压力头61、连接护套62、两只锁紧螺母63、压力头体64、滑动套65、弹簧66和小轴67组成。
先描述一下弹性压力头6的按装过程。如图2所示，在按装该弹性压力头6的时候，先将弹簧66套于带有弹簧座的小轴67上，再装上滑动套65，并调节好二只锁紧螺母63，使弹簧66有一予紧量。然后，将已装有弹簧66、滑动套65及二只锁紧螺母63的小轴67装于压力头体64内。再在压力头体64内装进压力头61，并在压力头体64的端部拧紧连接护套62。这样整个弹性压力头6已按装完成。再将弹性压力头6装于升降丝杆上。
现在描述一下弹性压力头6的工作原理。如图2所示，弹性压力头6的关键另件是弹簧66。现设定弹性压力头6的弹簧刚度是K，比如，取K＝10N/mm。当压力头61接触到试样9产生压力F，这时的弹簧66上的受力应为Fs，其值为
                Fs＝F-f                        (a)而弹簧上的受力Fs又可表示为
                Fs＝KΔ                        (b)上两式中：
f-压力头61与压力头体64内壁之间的摩擦力及滑动套
65与小轴外表面之间的摩擦力之和；
Δ-弹簧66的压缩量(不计予压缩量)，即压力头61与压力头
体64之间的相对位移量。装置工作时，如试样变形极小，
则Δ值便是升降丝杆5的位移量。
试样9上的受力F直接通过力传感器7及A/D卡12至计算机14，在计算机14的屏幕上直接显示出F值。由于摩擦力f在升降丝杆5运动速度不变的条件下，可视为与时间无关的常数，因此有
                dF/dt＝dFs/dt                 (c)同时考虑到式(b)则有
                dF/dt＝KdΔ/dt                (d)若试样9上的受力值达到该弹性压力头的最大力值FMAX时，压力头61与小轴接触，弹簧66就不会再进一步产生变形。弹性压力头6根据最大力值，设计成不同的规格，选用十分方便。
现在来描述一种带弹性压力头的小力值自动加载试验装置的工作原理。如图1所示，将试样9按装于试样支承盘8上，快速调整升降丝杆5使弹性压力头6距试样9的上表面约1mm左右，如要按dF/dt＝1N/s的加载速度进行加载，则计算机按式(d)自动选取升降丝杆5的运动速度为
dΔ/dt＝(dF/dt)/K＝(1N/s)/(10N/mm)
      ＝0.1mm/s＝6mm/min计算机屏幕上自动给出F-t曲线，即试样9的受力与时间的关系曲线。
关于实时摄像***10的工作，由计算机全过程自动摄象，自弹簧压力头6与试样9即将接触、接触、直至压断。由于采用了加载速度控制，若取试样9的破断力为：20N，并按dF/dt＝1N/s的加载速度进行加载，则自弹簧压力头6与试样9接触至压断将历时近20秒钟，可以方便地采集、存储此断裂全过程的图形，以便试验后仔细分析研究。
关于施力点的位移。设施力点的位移为w，在本发明的一种带弹性压力头的小力值自动加载试验装置中，可由下式进行计算
wj＝(tj-ti)(dΔ/dt)-(Fj-Fi)/K                      (e)
式中Fi-力传感器7的某一任取的初始力值，
    ti-与Fi相对应的时间，
    tj-在ti以后的某一时间，
    Fj-力传感器7与tj相对应的力值。式(e)的物理意义是：施力点的位移w即在同一时间内，升降丝杆5的下降位移量与弹簧的压缩量之差值。计算机自动采集时间及各相应时间的力传感器7的输出力值，按公式(e)计算出施力点的位移w值，并在计算机14屏幕上动态显示w-t曲线。

Claims (2)

1、一种带弹性压力头的小力值自动加载试验装置，包括底座(1)、立柱(2)、横梁(3)、受控电机(4)、升降丝杆(5)、弹性压力头(6)、力传感器(7)、试样支承盘(8)、试样(9)、实时摄象***(10)、控制卡(11)、A/D卡(12)、图象卡(13)及计算机(14)，其特征在于：弹性压力头(6)与升降丝杆(5)相连，力传感器(7)设置在底座(1)上，弹性压力头(6)由压力头(61)、连接护套(62)、两只锁紧螺母(63)、压力头体(64)、滑动套(65)、弹簧(66)及小轴(67)组成，力传感器(7)通过A/D卡(12)与计算机(14)相连，受控电机(4)通过控制卡(11)与计算机相连，实时摄象***(10)通过图象卡(13)与计算机相连。
2、根据权利要求书1所述的一种带弹性压力头的小力值自动加载试验装置，其特征在于：弹簧(66)的弹簧刚度范围为0.001N/mm至1000N/mm，弹簧(66)的弹簧高度范围为1mm至1000mm，弹簧(66)的弹簧簧圈半径范围为1mm至1000mm。
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