專利名稱：疲勞試驗(yàn)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種疲勞試驗(yàn)裝置，屬于材料結(jié)構(gòu)性能實(shí)驗(yàn)的疲勞實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在工程實(shí)際中，許多材料或構(gòu)件在實(shí)際應(yīng)用中受到動(dòng)載荷作用，與受到靜載荷作用時(shí)不同，這些材料或構(gòu)件往往會(huì)在事先并未出現(xiàn)顯著變形的情況下突然發(fā)生疲勞破壞，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性能產(chǎn)生重大影響。隨著鋼材等級(jí)的提高以及產(chǎn)量的大幅增長(zhǎng)，鋼結(jié)構(gòu)的建筑與橋梁得以建設(shè)，幾百年的發(fā)展，鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與穩(wěn)定問(wèn)題得到了很好的解決，然而隨著其結(jié)構(gòu)形式以及荷載作用的日新月異，鋼材的疲勞問(wèn)題已成為鋼結(jié)構(gòu)耐久性與適用性的關(guān)鍵問(wèn)題。而試驗(yàn)研究，是所有疲勞問(wèn)題研究的基礎(chǔ)。在此之前材料疲勞性能的研究已持續(xù)多年，疲勞試驗(yàn)機(jī)的款型和功能不斷增多，以滿足不同材料疲勞試驗(yàn)的需求。疲勞試驗(yàn)機(jī)主要有液壓伺服式、電磁式和機(jī)械式幾種類(lèi)型。其中液壓伺服式疲勞試驗(yàn)機(jī)是一種較先進(jìn)的測(cè)試裝置，但價(jià)格高昂，低頻工作狀態(tài)下功率消耗大成本高。電磁式疲勞試驗(yàn)機(jī)平率高,主要用于疲勞性能較好的黑色金屬疲勞性能測(cè)試。機(jī)械式疲勞試驗(yàn)機(jī)適用對(duì)頻率要求不高的疲勞試驗(yàn),功率小造價(jià)低。但以往機(jī)械式疲勞試驗(yàn)機(jī)，對(duì)于試驗(yàn)結(jié)束的判定條件繁雜，對(duì)于試驗(yàn)終止命令反應(yīng)慢，且輸出荷載范圍較小等不足。此外，在上世紀(jì)50、60年代曾采嘗試采用偏心式加載體提供周期性疲勞荷載，然而在當(dāng)時(shí)的技術(shù)環(huán)境下，該方案存在著幾點(diǎn)致命性問(wèn)題
A.偏心式加載體對(duì)任意方向均存在著周期性加載，故試樣目標(biāo)位置處的疲勞應(yīng)力較為復(fù)雜，而非簡(jiǎn)單的正弦式波形應(yīng)力；
B.偏心式加載體轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的輸出荷載不穩(wěn)定，這主要?dú)w結(jié)于電機(jī)自身不易調(diào)平以及偏心式加載體與電機(jī)的連接誤差；
C.偏心式加載體加速階段與減速階段的輸出荷載均小于正常工作狀態(tài)，且加載周期高于額定周期，前后的累積誤差對(duì)試驗(yàn)的影響無(wú)法控制；
D.監(jiān)測(cè)設(shè)備落后，以至于疲勞裂紋無(wú)法在第一時(shí)間察覺(jué)，且察覺(jué)后采取相應(yīng)控制措施的時(shí)間間隔較長(zhǎng)，均影響了試驗(yàn)精度。盡管整個(gè)試驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)易且可操作性強(qiáng)，但上述短板使得該方法在試驗(yàn)精度要求提高后逐漸淘汰。然而利用偏心式加載體激振器，具有其他疲勞試驗(yàn)裝備所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)
A.加載頻率的頻譜較寬；
B.輸出疲勞荷載峰值幅度較廣；
C.對(duì)材料屬性以及構(gòu)件的尺寸效應(yīng)不敏感，適用范圍廣；
D.操作簡(jiǎn)便,試驗(yàn)成本低。因此，在確保試驗(yàn)精度的基礎(chǔ)上，選擇效率高、成本低、操作簡(jiǎn)便的試驗(yàn)設(shè)備以及試驗(yàn)方法，成為材料疲勞試驗(yàn)研究關(guān)注的焦點(diǎn)。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種操作簡(jiǎn)便、成本低且效率高的疲勞試驗(yàn)機(jī)。為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種疲勞試驗(yàn)機(jī)，包括支架，其特征在于在所述的支架上設(shè)置有支承平臺(tái)、環(huán)形框架、加載裝置以及與用于連接試件的安裝臺(tái)，所述的安裝臺(tái)和加載裝置的一端連接在所述的環(huán)形框架上，安裝臺(tái)和加載裝置的另一端則位于所述的支承平臺(tái)上，所述的加載裝置包括加載架、電機(jī)以及由連接桿和加載配重組成的加載主體，所述的加載架的上端面為加載平面，所述的加載主體設(shè)置在加載平面上，所述的電機(jī)設(shè)置在加載架的中部，在所述電機(jī)的輸出端連接所述的連接桿，所述的加載配重設(shè)置在所述的連接桿上，在所述的加載架的下端設(shè)置有移動(dòng)滑輪。在所述的環(huán)形框架的第一側(cè)面上設(shè)置有第一縱向支承滑塊，在所述的環(huán)形框架的第二側(cè)面上設(shè)置有第二縱向支承滑塊，所述的第一側(cè)面與第二側(cè)面相對(duì)，所述的第一縱向支承滑塊在所述的第一側(cè)面上沿垂直于該第一側(cè)面的方向上滑移，所述的第二縱向支承滑塊在所述的第二側(cè)面沿框架方向滑移，所述的安裝臺(tái)設(shè)置在第一縱向支承滑塊上，所述的加載裝置設(shè)置在第二縱向支承滑塊上。在所述的環(huán)形框架的第三側(cè)面還設(shè)置有一縱向支承滑塊，在所述的縱向支承滑塊上和試件上分別設(shè)置有接觸裝置，在所述的加載架的兩側(cè)設(shè)置有磁鐵。所述的接觸裝置包括底座、電磁繼電器和粘滯阻尼器，所述的粘滯阻尼器設(shè)置在底座的上端面上。在所述的試件兩端設(shè)置有聲發(fā)射探頭。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下幾個(gè)特點(diǎn)
A.采用由連接桿和加載配重的家載體作為周期荷載的加載設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理清晰，且可以獲得高頻加載動(dòng)力；此外，量化的偏心距可用于調(diào)節(jié)不同的峰值外荷載。B.加載平面為水平面，避免了偏心式配重自重對(duì)試樣的影響，且擴(kuò)大了試樣的物理尺寸，具有較大的靈活性；
C.設(shè)置側(cè)向支承體系，避免了偏心偏心式配重對(duì)試樣的多向加載，確保試驗(yàn)的可靠
性；
D.由雙電路控制的電磁繼電器，確保了偏心偏心式配重在穩(wěn)定狀態(tài)下對(duì)試樣的加載，且可以在切斷偏心偏心式配重電源的瞬間停止對(duì)試樣的加載，避免了慣性力以及加速階段對(duì)試驗(yàn)的影響；
E.試樣兩端設(shè)置的“聲發(fā)射”檢測(cè)設(shè)備，對(duì)疲勞裂紋發(fā)生的第一瞬間極為敏感，可精確控制試驗(yàn)的發(fā)展；
F.智能化的控制系統(tǒng)，使得諸多設(shè)備具有良好的合作，進(jìn)一步確保了試驗(yàn)的精確性與可操作性。


圖I是發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖I的俯視圖。
圖3是圖I的A-A剖視圖。圖4是圖I的B-B剖視圖。圖5是圖3的C-C剖視圖。圖6是圖4的D-D剖視圖。圖7為本發(fā)明加載裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖8為圖7的E-E剖視圖。圖9是圖8的F部放大示意圖。 圖10為本發(fā)明接觸裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖11為圖10的俯視圖。圖12目標(biāo)位置周期應(yīng)力分布對(duì)比圖，其中上面的曲線為本發(fā)明的曲線，下面的曲線為改進(jìn)前的應(yīng)力分布曲線。其中1、支架，2、支承平臺(tái)，3、環(huán)形框架，4、加載裝置，41、加載架，42、電機(jī)，43、轉(zhuǎn)向體，44、連接桿，441、凹槽，45、加載配重，46、螺母，47、移動(dòng)滑輪，48、磁鐵，49、潤(rùn)滑層，5、安裝臺(tái)，6、試件，7、地基，8、潤(rùn)滑層，9、接觸裝置，91、底座，92、電磁繼電器，93、粘滯阻尼器，10、第一側(cè)向支承滑塊，101、加強(qiáng)筋，102、滑輪，103、橫隔板，104、限位槽，11、第二側(cè)向支承滑塊，12、縱向支承滑塊，13、控制臺(tái)，14、聲發(fā)射探頭。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明
加載設(shè)備
疲勞試驗(yàn)的本質(zhì)是通過(guò)加載設(shè)備對(duì)目標(biāo)試件提供穩(wěn)定的周期性荷載，與目前常用的液壓設(shè)備、電磁設(shè)備以及杠桿加載設(shè)備相比，偏心式加載體加載不僅可以提供高頻率的疲勞荷載(其取決于電機(jī)的轉(zhuǎn)速)，并且可以獲得較高的峰值荷載。依據(jù)經(jīng)典動(dòng)力學(xué)方程，峰值向心力可用下式表示
F = m-r ·γ
因此，利用偏心式加載體作為加載設(shè)備時(shí)，不僅需要控制其加載頻率，還必須對(duì)峰值荷載予以控制。為適應(yīng)臥式加載需要，并提供分級(jí)加載功能，對(duì)加載設(shè)備進(jìn)行如下設(shè)計(jì)
A.聯(lián)動(dòng)軸通過(guò)轉(zhuǎn)向塊與電機(jī)相連，并可以繞轉(zhuǎn)向塊旋轉(zhuǎn)90°(如圖所示)，以用于砝碼的安裝與拆除；
B.聯(lián)動(dòng)軸上設(shè)置等間距的凹槽，與砝碼上槽型齒輪相對(duì)應(yīng)；
C.砝碼依據(jù)其質(zhì)量不同分為若干等級(jí)，每個(gè)砝碼上均設(shè)有槽型齒輪，并在砝碼外緣設(shè)有控制按鈕一當(dāng)按鈕按下時(shí)，槽型齒輪回縮，此時(shí)，砝碼可以在聯(lián)動(dòng)軸上自由滑行；當(dāng)松開(kāi)按鈕時(shí)，砝碼也可以在聯(lián)動(dòng)軸上滑行，但當(dāng)遇到凹槽時(shí)，即處于鎖定狀態(tài)，此時(shí)，砝碼不能自由滑動(dòng)。利用該方法實(shí)現(xiàn)砝碼在聯(lián)動(dòng)軸上安裝與拆卸。D.在聯(lián)動(dòng)軸端部設(shè)有大尺寸的螺帽，防止在加載過(guò)程中砝碼的意外脫離。此外，在砝碼與加載臺(tái)面間，涂有f2mm的潤(rùn)滑層(多為潤(rùn)滑油)，以減少摩擦對(duì)輸出荷載的影響(主要是輸出荷載的穩(wěn)定性)；并且為協(xié)調(diào)加載設(shè)備與觸控設(shè)備之間的作用，加載設(shè)備的外緣采用強(qiáng)鐵磁性材料制作。觸控設(shè)備為減少、避免加載設(shè)備在啟動(dòng)、減速階段所輸出的不穩(wěn)定疲勞荷載，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一套觸控設(shè)備通過(guò)電路控制，實(shí)現(xiàn)加載設(shè)備短時(shí)間內(nèi)對(duì)試樣的加載與卸載，觸控設(shè)備如圖所
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觸控設(shè)備主要由底座、電磁繼電器以及粘滯阻尼器組成。當(dāng)觸控設(shè)備中電磁繼電器所在線路接通時(shí)，即可產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)，進(jìn)而吸附加載設(shè)備；當(dāng)觸控設(shè)備的線路斷開(kāi)時(shí)，磁場(chǎng)隨即消失，此時(shí)，觸控設(shè)備與加載設(shè)備間無(wú)相互作用。盡管在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，加載設(shè)備與觸控設(shè)備的間距較小，但考慮到兩者接觸瞬間可能產(chǎn)生的撞擊對(duì)試件的影響，觸控設(shè)備中部設(shè)有粘滯阻尼器，使接觸過(guò)程中對(duì)試件的周期荷載較為穩(wěn)定在接觸前，粘滯阻尼器的外置探頭均伸出接觸平面約IOmm;在完全接觸后，外置探頭均壓縮至接觸平面以下；當(dāng)加載設(shè)備與觸控設(shè)備分離時(shí)，探頭又恢復(fù)原有狀態(tài)。觸控設(shè)備底座設(shè)有兩排螺孔，其與目標(biāo)試件或固定用加載架通過(guò)螺栓連接。支承體系
為克服偏心式加載體對(duì)任意方向均產(chǎn)生周期性荷載，本產(chǎn)品通過(guò)設(shè)計(jì)兩組邊界條件以解決試樣與“試件安裝結(jié)構(gòu)”相連，加載設(shè)備通過(guò)連接槽鋼與側(cè)向支承結(jié)構(gòu)連接，所有連接均通過(guò)螺栓連接。加載期間，試件僅承受縱向周期荷載，水平力均由側(cè)向支承結(jié)構(gòu)承擔(dān)。其中，各個(gè)部件的設(shè)計(jì)概念如下所述。(I) 第一側(cè)向支承滑塊
設(shè)置于主加載架左側(cè)，主體結(jié)構(gòu)為鋼箱梁，并貫穿主加載架的環(huán)形箱梁，用于連接試件的安裝臺(tái)固定在該第一側(cè)向支承滑塊上；環(huán)形箱梁在被貫穿部分設(shè)有橫隔板；第一側(cè)向支承滑塊在貫穿部分通過(guò)滑輪與環(huán)形箱梁連接，在垂直環(huán)形箱梁方向可以自由滑行，其中滑輪固定于安裝臺(tái)上；環(huán)形箱梁的橫隔板上設(shè)有限位槽，避免滑輪在滑行時(shí)出現(xiàn)側(cè)移。此外，環(huán)形箱梁橫隔板后設(shè)有三角加勁肋。(2) 第二側(cè)向支承滑塊
設(shè)置于主加載架右側(cè)，包括一個(gè)封閉箱室與一個(gè)開(kāi)口箱室。封閉箱室外包于環(huán)形箱梁上，之間通過(guò)滑輪支承，以確保側(cè)向支承結(jié)構(gòu)可以沿環(huán)形箱梁方向自由移動(dòng)。其中，滑輪固定于該結(jié)構(gòu)的封閉箱室上，在環(huán)形箱梁外緣相應(yīng)位置設(shè)有限位槽，以防止滑輪的側(cè)移。側(cè)向支承結(jié)構(gòu)的開(kāi)口箱室也為鋼箱梁，在其腹板處設(shè)有多排孔道，用于調(diào)節(jié)加載設(shè)備的位置，固定時(shí)僅錨固兩排即可。側(cè)向支承結(jié)構(gòu)主要在試驗(yàn)過(guò)程中提供側(cè)向水平支承作用，并在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，用于調(diào)節(jié)加載設(shè)備水平位置。(3) 縱向支承結(jié)構(gòu)
設(shè)置于主加載架上部，可沿著環(huán)形箱梁方向自由移動(dòng)，其內(nèi)部構(gòu)造措施與安裝臺(tái)、側(cè)向支承結(jié)構(gòu)類(lèi)似。該結(jié)構(gòu)主要用于加載前調(diào)節(jié)加載設(shè)備的位置，并在加載設(shè)備啟動(dòng)、減速階段固定加載設(shè)備用?？刂葡到y(tǒng)
本產(chǎn)品采用自行編寫(xiě)程序，對(duì)試驗(yàn)設(shè)備、檢測(cè)儀器以進(jìn)行全程自動(dòng)化控制。程序運(yùn)行思路如下所示
A.準(zhǔn)備階段 ,設(shè)定偏心式加載體穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)所需要的時(shí)間T1;②設(shè)定該次疲勞試驗(yàn)循環(huán)所需要的時(shí)間Ttl;
B.加載階段:(D確定啟動(dòng)；
②接通A線路
③T1時(shí)間后，斷開(kāi)A線路，并接通B線路；
C.評(píng)判階段若聲發(fā)射設(shè)備在監(jiān)控期間未出現(xiàn)損傷報(bào)警，則在Ttl時(shí)間后，B線路自動(dòng)斷開(kāi)，A線路接通；若聲發(fā)射設(shè)備在期間出現(xiàn)損傷報(bào)警，則在該時(shí)間B線路斷開(kāi)，A線路接通；
D.數(shù)據(jù)采集:①程序自動(dòng)獲取B線路接通的時(shí)間；
正弦式應(yīng)變儀獲取試驗(yàn)期間目標(biāo)位置的應(yīng)變數(shù)據(jù)(若循環(huán)周期數(shù)目較大時(shí)，可自行編寫(xiě)控制程序，每間隔T2時(shí)間讀取At時(shí)段內(nèi)目標(biāo)位置的應(yīng)變)。
權(quán)利要求
1.一種疲勞試驗(yàn)機(jī)，包括支架，其特征在于在所述的支架上設(shè)置有支承平臺(tái)、環(huán)形框架、加載裝置以及與用于連接試件的安裝臺(tái)，所述的安裝臺(tái)和加載裝置的一端連接在所述的環(huán)形框架上，安裝臺(tái)和加載裝置的另一端則位于所述的支承平臺(tái)上，所述的加載裝置包括加載架、電機(jī)以及由連接桿和加載配重組成的加載主體，所述的加載架的上端面為加載平面，所述的加載主體設(shè)置在加載平面上，所述的電機(jī)設(shè)置在加載架的中部，在所述電機(jī)的輸出端連接所述的連接桿，所述的加載配重設(shè)置在所述的連接桿上，在所述的加載架的下端設(shè)置有移動(dòng)滑輪。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的疲勞試驗(yàn)機(jī)，其特征在于在所述的環(huán)形框架的第一側(cè)面上設(shè)置有第一縱向支承滑塊，在所述的環(huán)形框架的第二側(cè)面上設(shè)置有第二縱向支承滑塊，所述的第一側(cè)面與第二側(cè)面相對(duì)，所述的第一縱向支承滑塊在所述的第一側(cè)面上沿垂直于該第一側(cè)面的方向上滑移，所述的第二縱向支承滑塊在所述的第二側(cè)面沿框架方向滑移，所述的安裝臺(tái)設(shè)置在第一縱向支承滑塊上，所述的加載裝置設(shè)置在第二縱向支承滑塊上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的疲勞試驗(yàn)機(jī)，其特征在于在所述的環(huán)形框架的第三側(cè)面還設(shè)置有一縱向支承滑塊，在所述的縱向支承滑塊上和試件上分別設(shè)置有接觸裝置，在所述的加載架的兩側(cè)設(shè)置有磁鐵。
4.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的疲勞試驗(yàn)機(jī)，其特征在于所述的接觸裝置包括底座、電磁繼電器和粘滯阻尼器，所述的粘滯阻尼器設(shè)置在底座的上端面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的疲勞試驗(yàn)機(jī)，其特征在于在所述的試件兩端設(shè)置有聲發(fā)射探頭。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種疲勞試驗(yàn)機(jī)，包括支架，在支架上設(shè)置有支承平臺(tái)、環(huán)形框架、加載裝置以及與用于連接試件的安裝臺(tái)，安裝臺(tái)和加載裝置的一端連接在所述的環(huán)形框架上，安裝臺(tái)和加載裝置的另一端則位于所述的支承平臺(tái)上，加載裝置包括加載架、電機(jī)以及由連接桿和加載配重組成的加載主體，加載架的上端面為加載平面，加載主體設(shè)置在加載平面上，電機(jī)設(shè)置在加載架的中部，在電機(jī)的輸出端連接所述的連接桿，加載配重設(shè)置在所述的連接桿上，在所加載架的下端設(shè)置有移動(dòng)滑輪。本發(fā)明采用由連接桿和加載配重的家載體作為周期荷載的加載設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，原理清晰，且可以獲得高頻加載動(dòng)力；此外，量化的偏心距可用于調(diào)節(jié)不同的峰值外荷載。
文檔編號(hào)G01N3/32GK102621015SQ201210081588
公開(kāi)日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2012年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月26日
發(fā)明者傅中秋, 劉榮, 前野裕文, 吉伯海, 徐聲亮, 楊牧野, 田圓 申請(qǐng)人:河海大學(xué)