專利名稱：機(jī)械式頂推疲勞試驗機(jī)及腐蝕疲勞試驗方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種機(jī)械頂推多功能腐蝕疲勞試驗機(jī)及腐蝕疲勞試驗方法，屬于結(jié)構(gòu)實驗力學(xué)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
航空、航海、交通、道橋、建筑、港口工程結(jié)構(gòu)中，各種材料的梁和彈性元件為典型受力構(gòu)件，它們都長期處于各種環(huán)境下的重復(fù)受力狀態(tài)下，因而這一類構(gòu)件在各種環(huán)境下疲勞強(qiáng)度是結(jié)構(gòu)力學(xué)中的重要研究課題。特別是在現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)設(shè)計中，必須研究構(gòu)件在復(fù)雜環(huán)境和載荷下的強(qiáng)度問題，迫切需要在實驗室中實現(xiàn)這種載荷和環(huán)境狀態(tài)，來考核構(gòu)件的疲勞強(qiáng)度，為下一步的理論建立做準(zhǔn)備。
長期以來，對于這一類構(gòu)件實現(xiàn)低成本的腐蝕疲勞試驗是十分困難的。目前可以采用液壓伺服疲勞試驗機(jī)來實現(xiàn)，但由于這些設(shè)備價格昂貴，對使用環(huán)境都有嚴(yán)格的要求， 且高能耗、長時間使用需要很高的試驗成本。
現(xiàn)行的一些機(jī)械腐蝕疲勞試驗機(jī)，由于其加載裝置單純的采用位移控制加載，故在彈性范圍內(nèi)，結(jié)構(gòu)變形較小，載荷的精度完全由位移精度來實現(xiàn)，在加上疲勞試驗中試驗件的磨損，因此無法保證試驗載荷的精度要求，造成試驗效果不佳，尤其對于小尺寸試件。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種精度高的機(jī)械式頂推疲勞試驗機(jī)及腐蝕疲勞試驗方法。
一種機(jī)械式頂推疲勞試驗機(jī)，其特征在于包括支撐架、加載裝置；其中加載裝置包括固定安裝于支撐架的水平電機(jī)、通過減速機(jī)與水平電機(jī)相連的動力源軸、安裝于動力源軸的橢圓輪盤；還包括固定安裝于支撐架且依次位于橢圓輪盤下方的直線軸承和反力套筒；上述反力套筒頂部具有第一孔，反力套筒內(nèi)自上而下依次安裝墊片、彈簧、加載壓頭、在反力筒內(nèi)高度可調(diào)的調(diào)節(jié)板，調(diào)節(jié)板上具有第二孔；上述加載壓頭的下端伸出伸出調(diào)節(jié)板上的第二孔與試驗件接觸；上述直線軸承內(nèi)安裝有頂推桿，頂推桿上端與橢圓輪盤接觸，下端安裝有力傳感器；力傳感器下端穿過反力套筒頂部的第一孔與墊片接觸。
所述的機(jī)械式頂推疲勞試驗機(jī)，其特征在于該試驗機(jī)換包括腐蝕裝置，腐蝕裝置由水泵和位于加載壓頭下方的腐蝕箱組成。
所述機(jī)械式頂推疲勞試驗機(jī)進(jìn)行試件腐蝕疲勞試驗方法，其特征在于包括以下步驟(1)、配置腐蝕溶液，將試件放入腐蝕箱中，通過水泵控制腐蝕溶液的進(jìn)出；(2)、旋轉(zhuǎn)橢圓輪盤，按需求調(diào)節(jié)橢圓輪盤位置后，將橢圓輪盤與動力源軸鎖緊；(3)、啟動動力源，利用調(diào)節(jié)板調(diào)節(jié)彈簧的伸縮量；(4)、通過進(jìn)一步微調(diào)彈性元件的伸縮量，來調(diào)整頂推桿的整體長度，滿足試件加載需求；進(jìn)行試件腐蝕疲勞試驗。
本腐蝕疲勞試驗機(jī)發(fā)明的基本原理是動力機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)協(xié)同工作,主要通過機(jī)械式頂推多功能加載裝置進(jìn)行加載，然后通過腐蝕裝置進(jìn)行腐蝕，加載即采用機(jī)械運(yùn)動與彈性元件的組合，通過彈性元件力與變形成正比的原理，放大試驗位移的行程，降低結(jié)構(gòu)磨損、機(jī)械間隙引起的載荷誤差，通過橢圓輪盤、鎖定螺栓、頂推桿、彈性元件、，實現(xiàn)對梁、板、 彈簧等結(jié)構(gòu)元件的較高精度的重復(fù)疲勞加載的方法。
主要優(yōu)點在同一試驗裝置上實現(xiàn)腐蝕與疲勞共同作用；用一種采用機(jī)械運(yùn)動與彈性元件的組合，通過橢圓輪盤、鎖定螺栓、頂推桿、彈性元件，實現(xiàn)對梁、板、彈簧等結(jié)構(gòu)元件的重復(fù)疲勞加載的方法；在同一套試驗裝置上，實現(xiàn)力控與位控兩種試驗方式；試驗裝置結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，設(shè)備造價低；試驗裝置為低能耗產(chǎn)品，節(jié)能環(huán)保、試驗成本低廉；適用于試驗頻率低、試驗周期長的特殊環(huán)境下的腐蝕疲勞試驗。
預(yù)期效益該試驗裝置解決了結(jié)構(gòu)力學(xué)中要求試驗頻率低、試驗周期長的特殊環(huán)境(高低溫、鹽霧及二氧化硫等腐蝕環(huán)境)下低成本疲勞試驗的技術(shù)難題，為結(jié)構(gòu)和材料的腐蝕疲勞性能研究提供了一種簡便易行的試驗方法與裝置。設(shè)計出的低能耗、高可靠性的無人值守腐蝕疲勞試驗裝置，用一套試驗裝置，實現(xiàn)力和位移控制疲勞加載和腐蝕疲勞耦合的試驗方法。且試驗裝置原理清晰，結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，制造成本低，可重復(fù)使用，非常適合于新型材料、結(jié)構(gòu)的大批量疲勞試驗件的試驗，具有很高的工程應(yīng)用價值。


圖I是試驗裝置主視圖；圖2是試驗裝置側(cè)視圖(主要構(gòu)件)；圖3試驗機(jī)彎曲試驗示意圖；圖4試驗機(jī)剪切試驗示意圖；圖5腐蝕疲勞機(jī)的附屬試驗器械；圖中標(biāo)號名稱1.減速機(jī)螺栓孔2.動力源軸3.橢圓輪盤4.鎖緊螺栓5.減速機(jī)支架 6.頂推桿7.直線軸承8.力傳感器9.墊片10.彈性元件11.反力外殼12.調(diào)節(jié)板13.加載試驗件墊片14.試驗件15.腐蝕疲勞試驗箱16.支撐架，17.加載壓頭18.剛性鋼板19.儲水箱20.水泵21.減速機(jī)22.電機(jī)23.螺紋桿24.中心孔25.鋼板26.試驗件27.夾緊裝置28.試驗件具體實施方式
各主要相關(guān)部件的作用橢圓輪盤橢圓輪盤的運(yùn)動通過頂推桿使得原本的圓周運(yùn)動，轉(zhuǎn)變?yōu)轫斖频闹本€運(yùn)動， 使得加載裝置提供直線式的壓力。
直線軸承使得兩滾道在滾動方向上有相對直線運(yùn)動的滾動軸承。
頂推桿力的傳遞裝置，將橢圓輪盤的曲線位移差轉(zhuǎn)變?yōu)榱?，直接傳遞到加載試件。
電機(jī)將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的裝置，為整個腐蝕疲勞機(jī)提供動力源。
減速機(jī)是動力傳達(dá)機(jī)構(gòu)，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將動力機(jī)的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩的機(jī)構(gòu)，同時也降低了負(fù)載的慣量。
彈性元件通過彈性元件調(diào)節(jié)和控制反力的大小，從而達(dá)到力控的目的。
腐蝕疲勞機(jī)其他實驗部分示意圖本腐蝕疲勞機(jī)為機(jī)械式頂推多功能腐蝕疲勞試驗機(jī)，在進(jìn)行腐蝕疲勞的同時，將機(jī)器進(jìn)行簡單的改裝或者是使用附屬的器械，即可進(jìn)行其他方面的實驗。如圖3、圖4、圖5所示， 疲勞機(jī)可以進(jìn)行彎曲試驗、剪切試驗、拉伸試驗和壓縮試驗等實驗。
圖3試驗機(jī)彎曲試驗示意圖；改裝說明調(diào)整腐蝕疲勞試驗機(jī)的頂推桿，然后將試驗件置于支座上(距離可調(diào)整)，利用機(jī)器帶動頂推桿，即可施加集中力，從而進(jìn)行彎曲試驗。
圖4試驗機(jī)剪切試驗示意圖；改裝說明調(diào)整試件支座的距離，再通過夾緊裝置使得試驗件如上圖狀態(tài)，再將門式鋼架如圖夾住試驗件，通過橢圓輪盤帶動頂推桿給試件施加剪力。
圖5腐蝕疲勞機(jī)的附屬實驗器械螺紋桿帶有螺帽，起到支撐整個器械的目的，通過螺帽可以調(diào)節(jié)各個鋼板之間的距離。中心孔可以讓試驗件穿過鋼板，使得試驗件穩(wěn)定于各個鋼板之間。
改裝說明利用如圖所示的機(jī)械式頂推多功能腐蝕疲勞機(jī)的附屬實驗器械，可以進(jìn)行試驗件的拉伸和壓縮試驗。將試驗件利用夾具和錨具固定于鋼板 ②和鋼板③之間，然后千斤頂置于鋼板②和鋼板③之間，使用千斤頂，千斤頂就會將鋼板 ②向上頂，即相當(dāng)于給鋼板②一個向上的拉力，也就是起到了拉伸試驗件的作用，而拉力的大小可以通過力學(xué)傳感器測得。同樣的，若將試驗件仍然置于鋼板②和鋼板0|乙間，但是將千斤頂置于鋼板①和鋼板③之間，使用千斤頂，千斤頂會將鋼板②向下壓，即相當(dāng)于給試驗件一個壓力，而壓力的大小也可以通過力學(xué)傳感器測得。
實現(xiàn)本發(fā)明的基本原理本腐蝕疲勞試驗機(jī)主要通過動力機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)、加載機(jī)構(gòu)的相互配合工作，實現(xiàn)疲勞加載的目的；之后再加上腐蝕裝置的工作，實現(xiàn)在疲勞的同時進(jìn)行腐蝕。由于結(jié)構(gòu)疲勞試驗均在材料的彈性范圍內(nèi)進(jìn)行，因此在載荷的作用下，結(jié)構(gòu)的變形很小，所以對腐蝕疲勞機(jī)的位移變形要求較高，尤其是橢圓輪盤形成的位移變形要求具有很高重復(fù)精度，同時由于試驗件的表面疲勞磨損及試驗件本身的剛度降等原因，均會引起試驗件在相同的位移作用下而出現(xiàn)較大的載荷誤差。在本發(fā)明中引入彈性元件的目的就是通過彈性元件的較大變形， 形成所需要的載荷進(jìn)行疲勞試驗，降低上述起因引起的載荷誤差，很好的解決了直接采用加載裝置、減速機(jī)構(gòu)、連桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動疲勞加載試驗中無法解決的載荷精度問題。
疲勞的加載裝置采用橢圓輪盤頂推連桿的方式，很好的解決了位移由O位移起調(diào)節(jié)的問題，可實現(xiàn)在位移控制下的小位移疲勞試驗。
權(quán)利要求
1.一種機(jī)械式頂推疲勞試驗機(jī)，其特征在于包括支撐架(16)、加載裝置；其中加載裝置包括固定安裝于支撐架的水平電機(jī)(22)、通過減速機(jī)(21)與水平電機(jī)(22)相連的動力源軸(2)、安裝于動力源軸(2)的橢圓輪盤(3);還包括固定安裝于支撐架(5)且依次位于橢圓輪盤(3)下方的直線軸承(7)和反力套筒(11);上述反力套筒(11)頂部具有第一孔，反力套筒(11)內(nèi)自上而下依次安裝墊片(9)、彈簧(10)、加載壓頭(17)、在反力筒內(nèi)高度可調(diào)的調(diào)節(jié)板(12)，調(diào)節(jié)板上具有第二孔；上述加載壓頭(17)的下端伸出伸出調(diào)節(jié)板上的第二孔與試驗件接觸；上述直線軸承(7)內(nèi)安裝有頂推桿(6)，頂推桿上端與橢圓輪盤接觸，下端安裝有力傳感器(8);力傳感器下端穿過反力套筒頂部的第一孔與墊片(9)接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的機(jī)械式頂推疲勞試驗機(jī)，其特征在于該試驗機(jī)換包括腐蝕裝置，腐蝕裝置由水泵(20)和位于加載壓頭(17)下方的腐蝕箱(15)組成。
3.利用權(quán)利要求2所述的機(jī)械式頂推疲勞試驗機(jī)進(jìn)行試件腐蝕疲勞試驗方法，其特征在于包括以下步驟(I)、配置腐蝕溶液，將試件放入腐蝕箱中，通過水泵控制腐蝕溶液的進(jìn)出；(2)、旋轉(zhuǎn)橢圓輪盤，按需求調(diào)節(jié)橢圓輪盤位置后，將橢圓輪盤與動力源軸鎖緊；(3)、啟動動力源，利用調(diào)節(jié)板調(diào)節(jié)彈簧的伸縮量；(4)、通過進(jìn)一步微調(diào)彈性元件的伸縮量，來調(diào)整頂推桿的整體長度，滿足試件加載需求；進(jìn)行試件腐蝕疲勞試驗。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種機(jī)械式頂推疲勞試驗機(jī)，屬于結(jié)構(gòu)實驗力學(xué)領(lǐng)域。主要由鋼架、動力機(jī)構(gòu)、減速機(jī)構(gòu)、橢圓輪盤機(jī)構(gòu)和調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以及腐蝕裝置組成。其基本原理是動機(jī)通過減速機(jī)改變輸出速度，以適應(yīng)工作機(jī)構(gòu)的需要，然后通過橢圓輪盤的運(yùn)動將圓周運(yùn)動轉(zhuǎn)變成直線運(yùn)動，頂推桿與彈性元件相連接，通過調(diào)整彈性元件和頂推桿的長度來實現(xiàn)調(diào)整反力的大小，從而實現(xiàn)精確往復(fù)疲勞載荷的施加，同時如去掉彈性元件即可進(jìn)行位移控制的疲勞試驗。本發(fā)明具有精度高的特點。
文檔編號G01N17/00GK102980822SQ201210517209
公開日2013年3月20日 申請日期2012年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月6日
發(fā)明者蔡晨寧, 潘建伍, 劉麗娜, 周雪華, 許曉 申請人:南京航空航天大學(xué)