專利名稱：多功能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種材料機(jī)械性能的試驗(yàn)測(cè)試裝置，主要面對(duì)高等理工科院校《材料力學(xué)》課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
理工科院校的《材料力學(xué)》課程，必須配套課程內(nèi)容對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)課，必做的主要實(shí)驗(yàn)有材料的拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲、彎扭組合等變形的機(jī)械性能檢測(cè)。目前市場(chǎng)上的各種實(shí)驗(yàn)機(jī)基本采用一種實(shí)驗(yàn)裝置可對(duì)材料進(jìn)行一種或兩三種變形的實(shí)驗(yàn)，即通常所見(jiàn)到的拉、壓實(shí)驗(yàn)機(jī)、扭轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)機(jī)及彎扭組合實(shí)驗(yàn)臺(tái)等。例如WE-1000型液壓式萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)可對(duì)材料進(jìn)行拉、壓、彎等試驗(yàn)，但其不能對(duì)材料進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)及彎扭組合試驗(yàn)；NJ-100B型扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)可對(duì)材料進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)但無(wú)法對(duì)材料進(jìn)行拉、壓試驗(yàn)及彎扭組合試驗(yàn)。另有一些教學(xué)試驗(yàn)裝置，盡管具有做多種試驗(yàn)的功能，但由于加載能力有限只能進(jìn)行較小試件的試驗(yàn)。
實(shí)用新型內(nèi)容 本實(shí)用新型的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)上應(yīng)用一個(gè)加載裝置就能夠完成拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)及彎扭組合五種最主要的材料力學(xué)教學(xué)試驗(yàn)的全部試驗(yàn)加載，并將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一機(jī)并體安裝，使之?dāng)?shù)據(jù)的測(cè)試、采集、顯示、處理等裝置與機(jī)體融為一體、緊湊集合，便于工作時(shí)的即時(shí)調(diào)試監(jiān)控。
本實(shí)用新型的方案是加載裝置(見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附圖圖1)安裝位置位于呂字型機(jī)架的中間梁內(nèi)。工作方式是螺桿(13)可上、下穿出，向上穿出時(shí)可在上部空間進(jìn)行拉伸、扭轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)加載；向下穿出時(shí)可在下部空間進(jìn)行壓縮、彎曲、彎扭組合的實(shí)驗(yàn)加載。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的加載裝置的加載原理是電機(jī)(30)驅(qū)動(dòng)小傘齒輪(29)，小傘齒輪(29)驅(qū)動(dòng)大傘齒輪(8)，大傘齒輪(8)通過(guò)鍵的連接驅(qū)動(dòng)螺桿(13)，螺桿(13)既可直線(上下)位移加載以輸出拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、彎曲實(shí)驗(yàn)、彎扭組合試驗(yàn)的動(dòng)力，又可定軸轉(zhuǎn)動(dòng)位移加載以輸出扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的轉(zhuǎn)矩。直線位移加載方式和轉(zhuǎn)動(dòng)位移加載方式二者的轉(zhuǎn)換由一換檔機(jī)構(gòu)完成。
換檔機(jī)構(gòu)位于螺桿(13)的上部，由換檔外套(22)和換檔內(nèi)嚙合套(23)構(gòu)成，三個(gè)檔位的作用分別為上檔位使螺桿(13)做慢速直線運(yùn)動(dòng)(用于拉伸、壓縮、彎曲、彎扭組合試驗(yàn)加載)；中檔位使螺桿(13)做直線快速運(yùn)動(dòng)(用于空載時(shí)調(diào)整螺桿位置)；
下檔位使螺桿(13)作慢速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)(用于扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的加載)。
換檔機(jī)構(gòu)的中檔位使螺桿做直線快速運(yùn)動(dòng)。方法是中檔位時(shí)，上、下檔位脫離后為空載狀態(tài)，此時(shí)快速電機(jī)(7)通過(guò)快速小齒輪(6)帶動(dòng)螺桿(13)快速上下移動(dòng)，以使空載時(shí)螺桿(13)達(dá)到適宜的位置。


圖1為本實(shí)用新型試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)原理及拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)實(shí)施例圖。
圖2為本實(shí)用新型試驗(yàn)機(jī)彎曲試驗(yàn)驗(yàn)原理圖。
圖3為本實(shí)用新型試驗(yàn)機(jī)扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)原理圖。
圖4為本實(shí)用新型換檔機(jī)構(gòu)原理圖。
圖5為彎扭組合試驗(yàn)試件裝置原理圖(也是圖3的A-A剖視圖)。
圖中1下橫梁，2壓縮傳感器，3壓縮試件，4左下立柱，5彎扭左支撐座，6快速小齒輪，7快速電機(jī)，8大傘齒輪，9推力軸承，10中橫梁前板，11中橫梁上板，12長(zhǎng)滑動(dòng)鍵，13螺桿，14連接套，15拉伸下夾頭，16左上立柱，17上橫梁，18拉伸傳感器，19右上立柱，20拉伸上夾頭，21拉伸試件，22換檔外套，23換檔內(nèi)嚙合套，24換檔外套軸承壓蓋，25換檔外套軸承，26換檔內(nèi)外套緊固螺釘，27光電編碼器，28中橫梁后板，29小傘齒輪，30電機(jī)，31上球軸承，32快速大齒輪，33下球軸承，34中橫梁下板，35短滑動(dòng)鍵，36彎扭右支撐座，37右下立柱，38彎曲附梁，39彎曲梁，40彎扭桿，41左彎扭銷，42左彎扭套，43中彎扭套，44彎扭承力桿，45右彎扭套，46右彎扭銷，47導(dǎo)向銷，48定位鋼珠，49壓緊彈簧，50定位銷。
具體實(shí)施方式
1.如圖1所示，電機(jī)(30)提供動(dòng)力給螺桿(13)，驅(qū)動(dòng)螺桿(13)向下移動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)下列試驗(yàn)1.1如圖1所示，螺桿(13)上端連接拉伸試件(21)，便可在上部空間進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。
1.2如圖1所示，螺桿(13)下端墊上壓縮試件(3)，便可在下部空間進(jìn)行壓縮試驗(yàn)。
1.3如圖2所示，當(dāng)彎曲梁(39)和彎曲附梁(38)支于下平臺(tái)上，就可在下部空間進(jìn)行彎曲實(shí)驗(yàn)。
1.4如圖5所示，由彎扭桿(40)，左彎扭銷(41)，左彎扭套(42)，中彎扭套(43)，彎扭承力桿(44)，右彎扭套(45)，右彎扭銷(46)形成了山字型彎扭組合試件裝置。
如圖3所示，將此裝置的左彎扭銷(41)、右彎扭銷(46)分別插于彎扭左支撐座(5)、彎扭右支撐座(36)，就可在下部空間進(jìn)行彎扭組合實(shí)驗(yàn)。
2.如圖1所示，當(dāng)螺桿(13)繞自身軸心線轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，便可在上部空間進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)。
3.在準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)前，螺桿(13)需快速移動(dòng)調(diào)位，其快速調(diào)位機(jī)構(gòu)如圖1所示。由快速電機(jī)(7)提供動(dòng)力，經(jīng)快速小齒輪(6)與快速大齒輪(32)適當(dāng)減速。
短滑動(dòng)鍵(35)固定在快速大齒輪(32)的內(nèi)孔里，螺桿(13)的鍵槽可沿短滑動(dòng)鍵(35)滑動(dòng)。
如圖4所示，此時(shí)換檔嚙合套(23)既不與中橫梁上板(11)嚙合，又不與大傘齒輪(8)嚙合，處于空檔檔位。
這樣，快速電機(jī)(7)啟動(dòng)后，快速大齒輪(32)與螺桿(13)同步旋轉(zhuǎn)，在大傘齒輪(8)內(nèi)孔螺紋的作用下，螺桿(13)便會(huì)快速上下移動(dòng)。
4、圖4為換檔機(jī)構(gòu)原理圖。換檔內(nèi)嚙合套(23)的套筒外表面有一螺旋溝槽，定位銷(47)在溝槽內(nèi)滑動(dòng)，螺旋溝槽的螺距高為三個(gè)檔位間距的總高度。定位銷(50)內(nèi)腔裝有壓緊彈簧(49)，壓緊彈簧(49)將定位鋼珠(48)壓緊于某個(gè)凹槽內(nèi)以固定檔位。這樣，便有了上、中、下三個(gè)檔位可選。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)換檔外套(22)時(shí)，定位銷(50)沿螺旋溝槽滑動(dòng)時(shí)，便推動(dòng)換檔內(nèi)嚙合套(23)上下移動(dòng)，換檔內(nèi)嚙合套(23)的帶齒的下端就分別進(jìn)入上檔位嚙合、下檔位嚙合或空擋位位置，以此完成檔位轉(zhuǎn)換。
5.拉伸傳感器(18)裝于上橫梁內(nèi)，與拉伸上夾頭(20)相連，測(cè)得拉力數(shù)據(jù)，把拉伸上夾頭(20)換為扭轉(zhuǎn)上夾頭時(shí)，測(cè)得扭矩?cái)?shù)據(jù)。壓縮傳感器(2)裝于下橫梁(1)內(nèi)，測(cè)得壓力數(shù)據(jù)。彎曲試驗(yàn)力傳感元件設(shè)在彎曲梁(39)上。彎扭組合試驗(yàn)力傳感元件設(shè)在山字型彎扭組合試驗(yàn)試件裝置上。所有試驗(yàn)位移由光電編碼器(27)測(cè)得信號(hào)。所有信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換、輸入微機(jī)后，由特制軟件分析處理。
本實(shí)用新型將拉、壓、彎、扭及彎扭組合數(shù)個(gè)不同的實(shí)驗(yàn)，集中用一個(gè)加載裝置完成加載，并采用了現(xiàn)代化的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，功能全面，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)練。
下面結(jié)合本實(shí)用新型的幾個(gè)主要實(shí)施例進(jìn)一步闡明一、拉伸試驗(yàn)實(shí)施例在(圖1)中，由中橫梁下板(34)、中橫梁上板(11)、中橫梁前板(10)、中橫梁后板(28)、構(gòu)筑成箱形中橫梁，并兼做齒輪箱箱體，將齒輪機(jī)構(gòu)安裝于內(nèi)。由中橫梁以及上橫梁(17)、左上立柱(16)、右上立柱(19)焊接一體，構(gòu)成拉伸試驗(yàn)的承載框架。
在大傘齒輪(8)的內(nèi)孔中有螺紋，與螺桿(13)旋合，螺桿(13)上加有貫通整個(gè)螺桿的鍵槽，長(zhǎng)滑動(dòng)鍵(12)裝于換檔內(nèi)嚙合套(23)的內(nèi)壁上，并可滑動(dòng)于螺桿(13)的長(zhǎng)鍵槽中，在附圖圖4所示的上檔位上，換檔內(nèi)嚙合套(23)與中橫梁上板(11)的中心孔內(nèi)齒嚙合在一起，這樣，換檔嚙合套(23)被限定不能旋轉(zhuǎn)，螺桿(13)也不能轉(zhuǎn)動(dòng)，但可順長(zhǎng)滑動(dòng)鍵(12)上下滑動(dòng)，形成了拉伸加載檔位。
拉伸上夾頭(20)用螺紋固定在拉伸傳感器(18)上，拉伸下夾頭(15)與拉伸上夾頭(20)結(jié)構(gòu)相同，它們都沿自身軸線剖開(kāi)成兩部分，將拉伸試件(21)夾在剖開(kāi)的夾頭中間并將有螺紋的一端分別與拉伸傳感器(18)和連接套(14)旋合在一起。拉伸上夾頭(20)與拉伸下夾頭(15)之間裝夾拉伸試件(21)，如(圖1)所示。
當(dāng)調(diào)速電機(jī)(30)以適當(dāng)轉(zhuǎn)數(shù)輸出動(dòng)力，此動(dòng)力通過(guò)小傘齒輪(29)傳給大傘齒輪(8)，大傘齒輪(8)的轉(zhuǎn)動(dòng)可使與其旋合的螺桿(13)順長(zhǎng)滑動(dòng)鍵(12)上下滑動(dòng)。拉伸試件(21)便被加載拉伸變形。
拉伸傳感器(18)受力后向外輸出電信號(hào)，光電編碼器(27)將電機(jī)(30)的輸出轉(zhuǎn)數(shù)，采集變換為電信號(hào)，可代表螺桿(13)的上下移動(dòng)量，通過(guò)信號(hào)轉(zhuǎn)換，即可輸出拉伸試驗(yàn)的數(shù)據(jù)曲線。
二、扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)實(shí)施例在圖1中的拉伸試驗(yàn)承載框架內(nèi)，當(dāng)采用扭轉(zhuǎn)形式的夾頭時(shí)，即可裝入扭轉(zhuǎn)試件。將換檔內(nèi)嚙合套(23)置于附圖圖4所示的下檔位上，形成扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)檔位。這樣，換檔內(nèi)嚙合套(23)與大傘齒輪(8)頂端的矩形齒嚙合在一起，開(kāi)動(dòng)電機(jī)(30)讓大傘齒輪(8)轉(zhuǎn)動(dòng)，螺桿(13)便可旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，試件被加載，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形。
拉伸傳感器(18)此時(shí)兼作扭矩傳感器，輸出扭矩信號(hào)。光電編碼器(27)輸出轉(zhuǎn)動(dòng)角位移信號(hào)，即可采集扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)曲線。
三、壓縮試驗(yàn)實(shí)施例在拉伸試驗(yàn)實(shí)施例(一)中所敘述的中橫梁，與下橫梁(1)、左下立柱(4)、右下立柱(37)組成一個(gè)壓縮試驗(yàn)、彎曲實(shí)驗(yàn)和彎扭組合試驗(yàn)的試驗(yàn)承載框架。
用在拉伸試驗(yàn)實(shí)施例(一)中所敘述的相同加載檔位。
與拉伸試驗(yàn)實(shí)施例(一)中所述及的加載方式相同，此時(shí)，拉伸空間無(wú)拉伸試件，向下位移的螺桿(13)的下端將壓向壓縮試件(3)。壓縮傳感器(2)和光電編碼器(27)輸出壓縮力和壓縮位移電信號(hào)，即可采集壓縮試驗(yàn)的數(shù)據(jù)曲線。
四、彎曲試驗(yàn)實(shí)施例如圖2所示，在壓縮試驗(yàn)實(shí)施例(三)中所敘述的試驗(yàn)承載框架內(nèi)的下橫梁(1)上，放置彎曲試驗(yàn)裝置。彎曲試驗(yàn)裝置由彎曲梁(39)、彎曲附梁(38)組成。
彎曲試驗(yàn)的加載方式與拉伸試驗(yàn)實(shí)施例(一)中所敘述的加載檔位和加載方式相同。
啟動(dòng)電機(jī)(30)加載后，螺桿(13)的下端壓向彎曲附梁(38)，彎曲附梁(38)將力傳遞于彎曲梁(39)，使彎曲梁(39)產(chǎn)生彎曲變形。
彎曲梁(39)上的傳感元件與光電編碼器(24)輸出彎曲試驗(yàn)載荷和位移電信號(hào)，即可采集彎曲試驗(yàn)的數(shù)據(jù)曲線。
五、彎扭試驗(yàn)實(shí)施例圖(5)為圖(3)的A-A剖視圖。圖中，左彎扭套(42)、中彎扭套(43)、右彎扭套(45)固定在彎扭桿(40)上，依次分別插入左彎扭銷(41)、彎扭承力桿(44)、右彎扭銷(46)，這樣就形成一個(gè)完整的彎扭組合試驗(yàn)試件裝置。安裝方式見(jiàn)附圖圖3及附圖圖5，其中左彎扭銷(41)插入彎扭左支撐座(5)上，右彎扭銷(46)插入對(duì)應(yīng)的彎扭右支撐座(36)上。
加載方式和加載檔位如拉伸試驗(yàn)實(shí)施例(一)中所敘述的方式相同。
啟動(dòng)電機(jī)(30)加載后，螺桿(13)的下端壓向彎扭承力桿(44)的自由端時(shí)，彎扭桿(40)產(chǎn)生彎扭組合變形，桿上傳感元件和光電編碼器(27)分別輸出力與位移信號(hào)，就可輸出彎扭組合試驗(yàn)的數(shù)據(jù)和曲線。
權(quán)利要求1.一種供高等理工科院校實(shí)驗(yàn)教學(xué)使用的多功能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，其技術(shù)特征是螺桿(13)通過(guò)換檔機(jī)構(gòu)的控制和電機(jī)齒輪的驅(qū)動(dòng)，可輸出直線運(yùn)動(dòng)加載和定軸轉(zhuǎn)動(dòng)加載兩個(gè)方向的動(dòng)力，在機(jī)架的上下兩部分空間分別完成拉伸、扭轉(zhuǎn)和壓縮、彎曲、彎扭組合五個(gè)試驗(yàn)。
2.如權(quán)利要求1所述的多功能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，其特征是中橫梁將機(jī)架分隔成上下兩部分空間，螺桿(13)可穿過(guò)中橫梁向上運(yùn)動(dòng)或向下運(yùn)動(dòng)。
3.如權(quán)利要求1所述的多功能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，其特征是電機(jī)(30)，小傘齒輪(29)，大傘齒輪(8)通過(guò)鍵的連接為螺桿(13)提供動(dòng)力。
4.如權(quán)利要求1所述的多功能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，其特征是換檔機(jī)構(gòu)由換檔外套(22)和換檔內(nèi)嚙合套(23)構(gòu)成，提供三個(gè)檔位分別控制螺桿(13)慢速直線運(yùn)動(dòng)，快速直線運(yùn)動(dòng)和慢速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)螺桿(13)直線運(yùn)動(dòng)加載和定軸轉(zhuǎn)動(dòng)加載之間的轉(zhuǎn)換。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種多功能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)，能將拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)及彎扭組合試驗(yàn)全部在一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)上完成，達(dá)到了采用一個(gè)電驅(qū)動(dòng)減速加載裝置提供全部實(shí)驗(yàn)的加載需求，既可進(jìn)行直線位移加載又可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)位移加載，兩者之間的轉(zhuǎn)換由一套換檔機(jī)構(gòu)完成。試驗(yàn)機(jī)采用呂字型框架結(jié)構(gòu)，加載螺桿由呂字型機(jī)架中橫梁之間上、下穿出。在上部空間可進(jìn)行拉伸、扭轉(zhuǎn)的試驗(yàn)加載；在下部空間可進(jìn)行壓縮、彎曲、彎扭組合的試驗(yàn)加載。彎扭組合試件裝置采用山字型結(jié)構(gòu)。并裝有現(xiàn)代化數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。本實(shí)用新型多功能材料力學(xué)試驗(yàn)機(jī)功能全面，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)練。
文檔編號(hào)G09B23/00GK2874468SQ20052020036
公開(kāi)日2007年2月28日 申請(qǐng)日期2005年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月12日
發(fā)明者孫仙山, 孫芳山 申請(qǐng)人:孫仙山, 孫芳山