专利名称：弹簧-杠杆蓄能式疲劳拉伸实验机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在实验室环境下进行材料疲劳拉伸试验的简易实验机设计，可实现在一定范围内不同频率和载荷值作用下的拉伸试件的疲劳实验，为材料学疲劳实验提供了一种简易方便的解决方案。
背景技术：
疲劳拉伸实验机，是一种主要用于测定金属或合金材料在承受周期性拉伸载荷作用时材料疲劳性能的机器。目前比较常见的有电磁拉伸试验机和液压拉伸实验机等，前者利用电磁谐振原理实现周期性拉伸载荷作用，需要电磁转换装置；后者利用液压脉动载荷作用原理实现预定的脉动性拉力，需要设计液压管路和解决密封等问题；上述两种设备功能较齐全，设备价格较贵，多用于严格按照工业规范开展的疲劳试验，实验所需费用较多；在很多情况下，只是为了预制材料疲劳裂纹或研究动态载荷作用下裂纹扩展时的一些物理 效应变化，并不需要对材料疲劳特性进行严格标定，为此往往采用简易小型设备，无需较多投资，即可满足实验要求。本发明提出了一种机械式简易疲劳拉伸实验机的设计方案，采用弹簧-杠杆结构，只需电机驱动，即可实现动态拉伸载荷的施加，价格便宜，易于实现，可满足动态拉伸载荷作用下的金属材料疲劳裂纹扩展实验需求。本发明的目的在于为研究金属材料疲劳损伤的产生、演化及检测提供一种新型的便捷实用的实验装置。
发明内容
本发明的疲劳拉伸机工作原理通过下列方式实现采用变频器控制电机7的转动，电机7通过偏心轮9、曲柄连杆机构和导向机构8将旋转运动转化为弹簧4在垂直方向的运动，当曲柄连杆机构运动到最下端的时候，弹簧4被拉伸为最长，牵动杠杆2的受力端向上运动，从而使试件被拉伸；在试件的上夹持端安装有应变式测力传感器3，可测量动态拉伸载荷大�。⑾允驹诳刂泼姘迳希焕煸睾傻钠德士梢酝ü瓒ū淦灯鞯牟问范ǎ浠段谴覱 —3Hz/s,无级可调。本方案的结构特点是采用电动机直接驱动减速器方式，不需要通过电磁转换原理和液压驱动方式实现能量转换，直接将电能转换为机械能，大幅度简化了疲劳实验装置结构；通过减速器增加了力矩，通过偏心联轴器、曲柄连杆机构和四轮导向机构实现了旋转运动转变为直线拉伸运动；通过杠杆机构，实现了载荷放大，通过杠杆不同位置上的弹簧联接点改变力幅；通过蓄能弹簧，有效降低了载荷的冲击作用，减小了机械振动，实现了动能和势能的平缓转化，使加载和卸载方式严格按照正弦曲线规律进行；通过对变频器进行控制，来调整电机转动速度，从而改变周期性载荷作用频率；因此实现了不同频率、不同幅值的疲劳拉伸试验。有益效果
本发明为金属材料的疲劳拉伸实验提供了一种简易可行的实验装置。某些疲劳拉伸实验，无需购置专用疲劳拉伸机，通过本装置即可实现，因而可以有效降低成本。可以通过变频器调节拉伸载荷频率，通过杠杆和弹簧的联接位置实现拉伸载荷值的变化，电动机通过减速器减速，实现力矩增长；通过偏心轮、曲柄连杆机构和四轮导向机构，把电动机的转动有效转化为弹簧在垂直方向的往复运动，使试件被反复拉伸；通过弹簧的蓄能和释放，实现力值传递，降低振动冲击的影响，保证动载荷以正弦方式增加和减�。佣迪纸侠硐氲钠＠屠焓笛樾Ч�。
图I为拉伸机整体结构图；图中1_凹槽、2-杠杆、3-力传感器、4-蓄能弹簧、5-拉伸头、6-可调节预紧力的底座拉伸头、7-电动机、8-导向机构、9-偏心轮、10-减速器。图2为拉伸试件； 图3为拉伸机实物图，
具体实施例方式为了更好地说明本发明的目的和优点，下面结合附图和具体实施例对本发明做进
一步说明。实施例中选用压力容器中常用的16MnR材料制作拉伸试件，待测试件的有效宽度 为26mm，试件的厚度为4mm，，试件的主要结构尺寸图2所示。实施过程1、首先将拉伸机上下拉伸头5，6的固定螺钉拔出，将试件放到与上下拉伸头对齐的时候，将固定螺钉插入其中，此时试件已经被固定在拉伸机上。2、接通电源开关，此时电源指示灯亮。3、通过调节底座螺母设定预紧力为10000N，控制面板上的拉力指示可以看到预紧力。4、控制面板上的变频器调整用来确定每秒拉伸次数，变频器调节频率范围是l-3Hz，可以设置为2Hz。5、按下启动按钮，拉伸机开始拉伸试件。通过拉力传感器在拉伸机控制面板上的拉力指示显示拉力，或者与示波器相连可以看到拉力波形。面板上的计数器用来显示拉伸次数，如果需要进行清零或者下次进行拉伸可以按下数清零按钮，就可以将计数器清零。当试件被拉断时，面板上计数器显示13779，此刻拉力为O拉伸机自动停止，卸下工件，此次拉伸实验完成。
权利要求
1.一种弹簧-杠杆蓄能式疲劳拉伸试验机，其特征是采用弹簧-杠杆机械式结构，由电动机7、减速器10、偏心轮9、蓄能弹簧4、杠杆2和拉伸头5组成；电机7驱动减速器10旋转，实现电能向机械能的转换，向被测试件提供转矩；弹簧4具有蓄能和减振作用，减小载荷的冲击，使冲击能量首先以形变势能的方式储存于弹黃中， 形式首先在确保载荷以正弦曲线的形式均匀平缓地作用于拉伸试件上，通过偏心轮9和导轮机构8，实现单向大位移输出；通过高强度拉力弹簧4，实现机械能的贮存，并通过杠杆2,实现势能向动能的转换,并实现拉伸载荷的放大。
2.根据权力I要求的拉伸实验机频率调节机构，其基本特征在于通过控制变频器调节电动机7的转速，通过减速器10实现力矩的转换，通过偏心轮9和曲柄连杆机构把电机7的转动转化为弹簧4的直线运动，由导向机构8、偏心轮9和曲柄连杆机构确保电机旋转一周可实现弹簧的拉伸和恢复原状，进而通过杠杆增力机构实现对试件的加载和卸载；当电机连续旋转时，可完成试件的拉伸疲劳试验。
3.根据权力I要求的拉伸实验机载荷值调节机构，其基本特征在于可通过弹簧4和杠杆2的相对位置变化实现载荷值调节。在杠杆2的顶端位置设计若干个凹槽1，可以通过将弹簧4放置在不同的凹槽位置上实现杠杆2长度的变化，进而实现弹簧最大拉伸载荷的变化；同时，固定在底座的拉伸头6可根据需要调整位置，进而调节预紧力，从而得到合适的拉伸力。
4.根据权力I要求的拉伸实验机载荷作用导向机构，其基本特征在于导向机构8由4个导轮和曲柄连杆机构组成，四个导轮限制了力的作用方向，确保载荷只能施加于弹簧拉伸方向，使电机7的旋转运动变为弹簧4的直线运动时，将拉力有效作用于弹簧4上，确保弹簧4做垂直往复运动，并有效降低摩擦功耗，抵消其它方向的分力作用。
5.本拉伸实验机的相关参数设置、记录和测量功能通过下列方式实现在实验机控制面板上安装电源开关和电源指示灯、启动/停止按钮、计数器和计数清零按钮、电阻应变测力仪和示值显示器、变频器调节旋钮等。启动电源开关使实验机进入工作状态，电源指示灯显示工作状态是否正常，启动/停止按钮控制实验机开启和停止，计数器用来记录循环载荷次数，电阻应变仪和显示器用来测量和记录载荷值，通过变频器调节旋钮控制循环载荷频率。
全文摘要
本发明涉及在室温状态下用于测试各种金属、合金材料制作的试件，承载机械零件(如各种机械联接件)的拉伸疲劳特性、疲劳寿命和疲劳裂纹扩展试验的一种新型机械结构设计方案。该方案采用电动机驱动减速器旋转，通过偏心联轴器和曲柄连杆机构给弹簧蓄能，采用四个导轮控制弹簧做垂直往复运动，弹簧的势能通过杠杆转变为力矩，弹簧的伸长压缩又通过杠杆机构增力进而使拉力杆上下分离起到拉伸作用；通过杠杆不同位置上的联接点改变力幅，从而实现不同频率、不同幅值的疲劳拉伸试验。该发明结构简单，造价成本较低，采用机械式结构，能够满足疲劳拉伸试验的基本性能要求；可用于实验室环境下的拉伸疲劳试验。
文档编号G01N3/02GK102914478SQ20121042537
公开日2013年2月6日 申请日期2012年10月30日 优先权日2012年10月30日
发明者张卫民, 徐春广, 于霞, 邱勇, 王书浩 申请人:北京理工大学
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