专利名称：圆盘式定载荷全息材料试验机的制作方法
技术领域：
本实用新型属于材料测试、实验仪器，具体涉及一种特别适用于在任意定载荷作用下测试材料性能和变形规律的试验机。
背景技术：
在大量的工业工程中所应用的材料，往往只需研究、测试材料在载荷作用下的变形规律及其机械性能，目前大多用结构、功能复杂、造价高的万能材料试验机，尤其是对于塑性和超塑性材料具有很强的应变速率敏感性，用万能试验进行定载荷测试其有关性能，其试验结果误差较大，其原因是塑性和超塑性材料的变形抗力对应变速率都有很强的敏感性，而无论是使用液压式、还是机械式的万能试验机，均是采用闭环式控制实现定载荷的施加，载荷的测量又是力传感器，因而受其信息反馈、调整载荷引起速度的变化而使载荷测量或记录曲线发生波动。
实用新型内容本实用新型的目的是针对解决上述在用万能试验机测试材料在定载荷条件下的性能及其变形规律存在的缺点，提供一种能稳定施加载荷、准确记录数据、结构简单、造价低、占用空间小、操作简便的圆盘式定载荷全息材料试验机，该试验机不但能稳定施加载荷、准确记录数据，而且经过对数据的数学处理，能给出材料的应变硬化指数、应变速率敏感性指数、应力松弛指数的变化规律及相关的本构方程。
本实用新型的基本原理如
图1所示，半径为R的大圆盘1与半径为r的小圆盘2固定在一转轴上，当在大圆盘外圆有定载荷F作用时，便在小圆盘上产生变形载荷P作用在试样上，根据r·R＝R·F，即R/r＝P/F，于是得到将载荷放大R/r倍的变形载荷。
本实用新型圆盘式定载荷全息材料试验机由主机、试样夹头、力值和变形数据采集及计算机控制和数据全息处理系统所组成，其主机由设置在机架内的载荷传动及其制动机构组成，即在机架的两侧上立板上通过滚动轴承设置一转轴，在转轴上分别固定设置小圆盘和大圆盘，转轴的左端通过对称滑键连接摩擦式电磁离合器的动摩擦盘，直流电机与蜗轮蜗杆减速器的输入轴相连接，减速器的输出轴上用平键固定连接扭矩传感器，扭矩传感器的端面与电磁离合器的静摩擦盘相连，一条钢丝绳的一端固接在大圆盘的圆周上，并绕在大圆盘的周槽上，其另一端绕过导向滑轮垂挂连接一载荷装置，另一条钢丝绳的一端固接在小圆盘的圆周上，并与大圆盘钢丝绳呈力偶向绕在小圆盘的周槽上，其另一端绕过导向滑轮与上夹头相连接，下夹头通过夹头座连接在机架底座上。
在转轴的右端设置光电编码器，编码器通过信号采集电路与单片机电连接。
扭矩传感器通过信号采集电路与单片机电连接。
直流电机通过电机驱动器与单片机电连接。
摩擦式电磁离合器通过触发器与单片机电连接。
还设置有对应载荷装置的加载机构，控制加载机构的步进电机通过电机驱动器与单片机电连接。在所述的转轴上还固定设置有限位盘，限位盘上设置有限位块，在机架左侧上立板上设有正、反向行程开关，行程开关通过触发器与单片机电连接。在实际运行中，整机控制系统主要完成以下几个动作1、当电磁离合器处于接合状态时，直流电机在单片机系统的控制下，正(反)向转动和制动，经过减速器减速后，带动转轴正(反)向转动和制动；2、当电磁离合器从接合状态变为分离状态时，转轴就处于自由状态，此时，加载机构的载荷就施加在试样上，开始加载；3、当转轴的转角超过允许范围，限位盘上的限位块就触动正(反)向行程开关，单片机接收到触发信号，指令电磁离合器变为接合状态和直流电机处于制动状态，使转轴制动；4、当转轴处于自由状态时，给电磁离合器通额定电流，使其接合，由于蜗轮蜗杆减速器的反向自锁功能，使转轴制动。
本实用新型的数据采集系统包括力值和变形值采集系统力值采集系统由扭矩传感器、信号放大电路、分档衰减电路、A/D转换电路、单片机系统及LED显示屏等组成，当电磁离合器处于接合状态时，扭矩传感器测量转轴承受的扭矩，从而间接测量载荷机构的载荷或作用于试样上的力值，力值信号经过放大、衰减放大、A/D转换后，被单片机采集处理，处理后的信号可以作为加载机构控制程序的控制参数，可以存储在数据存储器RAM中，显示在LED显示屏上，并输至数据处理系统。
变形值采集系统由编码器、编码器信号放大整形电路、辨向电路、计数器、单片机系统及LED显示屏等组成，编码器测量转轴的转角，其信号经放大、整形、辨向处理后，由计数器读取，单片机对信号采集并处理，转换为试样的变形量，存储在数据存储器RAM中，显示在LED显示屏上，并输至数据处理系统，同时兼为试样断裂判断程序的参数。
本机的加载控制程序是由单片机采集的测量力值与需要施加的载荷比较，在测量力值等于需要施加的载荷时，加载机构停止加载。
在试验过程中，试样断裂判断是单片机采集编码器信号计算加载荷装置的下降加速度，当下降加速度接近自由落体加速度时，单片机控制电磁离合器接合，使转轴制动，在电磁离合器接合过程中，线圈电流由小到大逐渐变化，使摩擦片之间产生相对滑动，起到了缓冲的作用。
本实用新型的数据全息处理系统由变形值采集系统和配有数据处理软件的计算机组成，数据处理软件可以是Matlab、Origin、GT或Mathematics软件，现将数据全息处理过程简述于下1、可求得应变硬化指数nP、nυ和 随ε的变化规律和仅有应变硬化效应的塑性本构方程由变形值采集系统中可得到对应于定载荷P(P1、P2、……)的一组试样标距瞬时长度l与时间t的关系曲线，对应于每条定载荷P曲线可求得对应的模拟多项式 因变形速度υ=dldt,]]>于是由(1)式可得P～υ的关系式P=Σi=0nbiυi]]>因应变速率ϵ.=υl,]]>于是由(1)式和(2)式可求得P～ 关系式P=Σi=0nciϵ.i----(3)]]>文献[1]给出用实验变量表达应变硬化指数n的测量公式nP＝ln(l/l0)(4)nυ=(1-dlgPdlgϵ.)lnll0----(5)]]>nϵ.=(dlgPdlgυ+1)lnll0----(6)]]>其中，l0为试样标距的初始长度，应变ϵ=ln(ll0),]]>nP、nυ和 分别为定载荷P、恒速度υ和恒应变速率 条件下测得应变硬化指数，根据ϵ=ln(ll0),]]>(1)～(3)式和(4)～(6)式便可求得nP～ε、nυ～ε和 ～ε的变化规律。引用文献[1]给出nP、nυ和 的定义式nP=dlgσdlgϵ|P----(7)]]>nυ=dlgυdlgϵ|υ----(8)]]>nϵ.=dlgσdlgϵ|ϵ.----(9)]]>再把nP～ε代入(7)式，nυ～ε代入(8)式， ～ε代入(9)式，求解可得对应的塑性拉伸变形的本构方程
σP＝KPfP(ε，nP) (10)συ＝Kυfυ(ε，nυ) (11)σϵ.=Kϵ.fϵ.(ϵ,nϵ.)----(12)]]>2、可求得mP、mυ和ml随 的变化规律和仅有应变速率敏感性效应的超塑性本构方程文献[2]给出用实验变量表达应变速率敏感性指数m的测量公式mP=1dlgυdlgl-1----(13)]]>mυ=-(dlgPdlgl+1)----(14)]]>ml=dlgPdlgυ----(15)]]>由(1)式可得P～l关系式P=Σi=0ndili----(16)]]>因ϵ.=υl,]]>由(2)式和(3)式可得υ～l的关系式υ=Σi=0neili----(17)]]>把(17)式代入(13)式，把(16)式代入(14)式，把(2)式代入(15)式，再利用ϵ.=υl,]]>便可求得mP～ mυ～ 和ml～ 的关系式。引用文献[2]给出的m值定义式mP=dlgσdlgϵ.|P----(18)]]>mυdlgσdlgϵ.|υ---(19)]]>ml=dlgσdlgϵ.|l----(20)]]>把mP～ mυ～ 和ml～ 的关系式分别代入对应的公式，求解可得仅有应变速率敏感性效应的超塑性本构方程σP=KP′gp(ϵ.,mP)----(21)]]>συ=Kυ′gυ(ϵ.,mυ)----(22)]]>σϵ=Kϵ′gϵ(ϵ.,ml)----(23)]]>3、可求得具有应变速率敏感性效应的塑性本构方程或具有应变硬化效应的超塑性本构方程在恒温条件下应力σ只是ε和 的函数，故其状态方程为σ=σ(ϵ,ϵ.)----(24)]]>对(24)式微分后，两边同除以σ，则有dlgσ=∂lgσ∂lgϵ|ϵ.dlgϵ+∂lgσ∂lgϵ.|ϵdlgϵ.----(25)]]>假设应力σ为恒应变应力σε和恒应变速率应力 之积，即σ=σϵ·σϵ.----(26)]]>把(26)式代入(25)式，则得dlgσϵ+dlgσϵ.=∂lgσ∂lgϵ|ϵ.dlgϵ+∂lgσ∂lgϵ.|ϵdlgϵ.----(27)]]>把(10)式和(21)式代入(27)式，则得σP=KP·KP′fP(ϵ,nP)·gP(ϵ.,mp)----(28)]]>把(11)式和(22)式代入(27)式，则得συ=Kυ·Kυ′fυ(ϵ,nυ)·gυ(ϵ.,mυ)----(29)]]>在恒应变ε的情况下，(27)式便蜕化为(23)式，在恒应变速率 的情况下，(27)式便蜕化为(12)式。本实用新型具有以下优点1、可以稳定、精确地施加任意的定载荷，不会受到象现有万能材料试验机利用闭环控制施加载荷，而对结构敏感性的试验材料产生不良的影响；2、利用编码器可以精确地测定在变形载荷作用下的变形量；3、可以借助在定载荷作用下试样变形速度和变形量之间的规律，求得材料在定变形载荷作用下的全方位力学信息；4、造价低、性能稳定、所占空间小、对环境无污染，便于使用和维修；5、操作简便，对管理和操作人员没有专门的技术要求。
图2是圆盘式定载荷全息材料试验机的正视图。
图3是图2的右侧视剖面图。
图4是圆盘式定载荷全息材料试验机的铁丸加载位置图，图5是圆盘式定载荷全息材料试验机的回丸位置图。
图6是圆盘式定载荷全息材料试验机加载机构的铁丸流量调节装置(33)之结构剖视图。
图7是铁丸流量调节装置(33)闭合状态示意图。
图8是铁丸流量调节装置(33)开启状态示意图。
图9是图2中转轴(27)至直流电机(21)间的连接结构局部放大示意图。
图10是图9中所示A向视图。
图11是定载荷全息材料试验的控制电路框图。
图12是圆盘式定载荷全息材料试验机的铁丸流量控制程序框图。
图13是圆盘式定载荷全息材料试验机的试样断裂判断程序框图。
具体实施方式
以下结合附图给出的实施例对本实用新型作进一步详细描述。
参照图2、图3、图9，圆盘式定载荷全息材料试验机由主机、试样夹头、力值和变形数据采集及计算机控制和数据全息处理系统所组成。其主机由设置在机架内的载荷传动及其制动机构组成。
所说的机架包括有底座(11)、两侧上立板(25)、下立板(14)、上横板(19)、下横板(31)、加强杠(28)；在机架两侧上立板(25)上通过滚动轴承(50)设置一转轴(27)，在转轴(27)上分别固定设置小圆盘(2)和大圆盘(1)，转轴(27)的左端通过对称滑键连接摩擦式电磁离合器(24)的动摩擦盘，固定在支架(20)上的直流电机(21)与蜗轮蜗杆减速器(22)的输入轴相连接，减速器(22)的输出轴上用平键固定连接扭矩传感器(23)，扭矩传感器(23)的端面与电磁离合器(24)的静摩擦盘相连，钢丝绳(4)的一端固接在大圆盘(1)的圆周上，并绕在大圆盘(1)的周槽上，其另一端绕过导向滑轮(3)垂挂连接盛载铁丸的加载筒(5)做为载荷装置；钢丝绳(4.1)的一端固接在小圆盘(2)的圆周上，并与钢丝绳(4)呈力偶向绕在小圆盘(2)的周槽上，其另一端绕过导向滑轮(3.1)与上夹头(8)相连接；下夹头(6)通过夹头座(10)连接在机架的底座(11)上。
在转轴(27)的右端设置光电编码器(29)。编码器(29)、扭矩传感器(23)分别通过信号采集电路与单片机电连接。直流电机(21)通过电机驱动器与单片机电连接；电磁离合器(24)通过触发器与单片机电连接。
加载筒(5)上部设置有加丸漏斗(37)、下部设有阀门(38)，加载筒(5)通过设置其两侧的直线轴承(17)与导杆(30)呈动配合连接，导杆(30)的上下两端分别固定在机架的上横板(19)及底座(11)上。
钢丝绳(4.1)是依次通过长度调节器(18)、连接杆(16)、散热板(15)与上夹头(8)相连接的，连接杆(16)穿过固定在机架下横板(31)上的直线轴承(17.1)。
为了实现试样(7)在中温、高温条件下的性能测试，在对应试样位置处还设置有加热炉(13)，加热炉(13)通过铰链(12)连接在机架下立板(14)上，下夹头(6)上设置水冷却器(9)。
参照图3，圆盘式定载荷全息材料试验机还设置有对应加载筒(5)的加载机构，该加载机构由固定在支架(32)上的盛储铁丸(35)的铁丸筒(34)、铁丸流量调节装置(33)组成，铁丸筒(34)上部设有回丸漏斗(36)，下部设有流丸口(41)，流丸口(41)下端设置铁丸流量调节装置(33)。
参照图6，所述的铁丸流量调节装置(33)由以下方式组成遮挡在流丸口(41)处的挡丸板(42)后端连接在与导筒(43)呈滑动配合的导芯(47)之前端上，在导芯(47)的盲腔内设有弹簧导杆(45)及弹簧(46)，弹簧导杆(45)与一端固定在导筒(43)上的弹簧顶管(44)呈动配合，步进电机(49)轴上固定连接凸轮(48)，凸轮(48)的周缘抵接在导芯(47)的后端，步进电机(49)通过电机驱动器与单片机电连接，步进电机(49)通过支架(39)固定在铁丸筒支架(32)上，导筒(43)通过导筒支架(40)固定在铁丸筒支架(32)上。
图7所示为步进电机(49)轴转角为Φ＝180°时，铁丸流量调节装置处于完全闭合状态。图8所示为步进电机(49)轴转角为Φ＝0°时，铁丸流量调节装置处于最大开启状态。
参照图4，进行铁丸加载过程是首先接合电磁离合器(24)，然后启动直流电机(21)驱动转轴(27)转动，将加载筒(5)降至加丸位置，把加丸漏斗(37)推至流丸口下方，启动加载控制程序、控制铁丸的流量，使加载筒中铁丸的重量达到需要的载荷，最后将加丸漏斗推回原位。
参照图5，回丸过程是，试验结束后，启动直流电机，驱动转轴转动，将加载筒升至回丸位置，将铁丸筒的回丸漏斗推至加载筒下方，打开加载筒的阀门，让铁丸流回铁丸筒，最后将回丸漏斗推回原位。
参照图9、图10，在转轴(27)上还固定设置有限位盘(26)，限位盘(26)上设置有限位块(52)，在机架左侧上立板(25)上设有正、反向行程开关(51)、(53)。行程开关(51)、(53)通过触发器与单片机电连接。当限位盘上的限位块与正、反向行程开关接触，并使其触发，将转轴(27)制动。
参照图11，圆盘式定载荷全息材料试验机的控制电路由单片机系统、与PC机的串口通信电路、扭矩传感器及其采集电路、编码器及其采集电路、步进电机及其驱动电路、直流电机及其驱动电路、电磁离合器及其控制电路、行程开关及其接口电路和键盘与LED显示屏及其接口电路组成，单片机系统采用8031，附加指令存储器ROM和数据存储器RAM，用来存储试验控制指令和试验数据，单片机与PC机采用RS232串行接口，用来传送PC机的控制指令和单片机的试验数据，PC机可以实时显示试验曲线，并能发出控制指令至单片机，电磁离合器与行程开关都用触发器作为与单片机的接口。
参照图12，圆盘式定载荷全息材料试验机的铁丸流量控制程序是，首先给扭矩传感器的显示力值清零，输入需要施加的载荷值F，然后开始向加载筒注入铁丸，程序采集扭矩传感器的测量力值为P，判断F与P的差值，根据差值量控制步进电机的转角Φ，从而控制铁丸的流量，当转角Φ＝0°，铁丸流量达到最大值，当转角Φ＝141°，铁丸流量处于程序可控制的最小值，当F＝P时，控制转角Φ＝180°，铁丸流量等于零。
参照图13，圆盘式定载荷全息材料试验机的试样断裂判断程序是在试验过程中，在一定时间间隔Δt内采集并处理编码器的信号Δθ，并转换为加载筒的下降量Δs＝Δθ×R，R为大圆盘的半径，计算加载筒的下降加速度a＝Δs/Δt2，并判断a＞9.0是否满足，如果满足，则触发电磁离合器，使其接合，将转轴制动。
本实用新型圆盘式定载荷全息材料试验机的试验操作过程
定载荷拉伸试验过程首先进行铁丸的施加，加丸后，启动直流电机，驱动转轴转动，使上、下夹头处于装夹试样的位置，然后装夹试样，试样装夹好后，再启动直流电机，给试样施加预拉力，然后断电使电磁离合器处于分离状态，这时就开始加载，在加载过程中，采集并记录编码器信号，PC机实时显示试验曲线，当试样断裂后，试样断裂判断程序立即监测，并制动转轴，避免加载筒的自由下落造成的冲击，最后试验机回到初始位置，同时将加载筒的铁丸回入铁丸筒。
松弛试验过程在装夹好试样后，首先开始定载荷拉伸，单片机采集编码器的信号，当拉至某一位置时，单片机发出指令接合电磁离合器，使转轴制动，同时单片机采集扭矩传感器的力值信号，并进行处理和存储，记录力值与时间的关系曲线，当试样中的力值松弛至零时，停止试验，拆卸试样，将加载筒的铁丸回入铁丸筒，试验结束。
权利要求1.一种圆盘式定载荷全息材料试验机，由主机、试样夹头、力值和变形数据采集及计算机控制和数据全息处理系统所组成，其特征在于所述的主机由设置在机架内的载荷传动及其制动机构组成，即在机架的上立板(25)上通过滚动轴承设置一转轴(27)，在转轴(27)上分别固定设置小圆盘(2)和大圆盘(1)，转轴(27)的左端通过对称滑键连接摩擦式电磁离合器(24)的动摩擦盘，直流电机(21)与蜗轮蜗杆减速器(22)的输入轴相连接，减速器(22)的输出轴上用平键固定连接扭矩传感器(23)，扭矩传感器(23)的端面与电磁离合器(24)的静摩擦盘相连，钢丝绳(4)的一端固接在大圆盘(1)的圆周上，并绕在大圆盘(1)的周槽上，其另一端绕过导向滑轮(3)垂挂连接一载荷装置，钢丝绳(4.1)的一端固接在小圆盘(2)的圆周上，并与钢丝绳(4)呈力偶向绕在小圆盘(2)的周槽上，其另一端绕过导向滑轮(3.1)与上夹头(8)相连接，下夹头(6)通过夹头座(10)连接在机架底座(11)上；在转轴(27)的右端设置光电编码器(29)，编码器(29)通过信号采集电路与单片机电连接；扭矩传感器(23)通过信号采集电路与单片机电连接；直流电机(21)通过电机驱动器与单片机电连接；摩擦式电磁离合器(24)通过触发器与单片机电连接。
2.根据权利要求1所述的一种圆盘式定载荷全息材料试验机，其特征在于所述的载荷装置为一盛载铁丸的加载筒(5)，其上部设置有加丸漏斗(37)、下部设有阀门(38)，加载筒(5)通过设置其两侧的直线轴承(17)与导杆(30)呈动配合连接，导杆(30)的上下两端分别固定在机架的上横板(19)与底座(11)上。
3.根据权利要求1所述的一种圆盘式定载荷全息材料试验机，其特征在于所述的钢丝绳(4.1)是依次通过长度调节器(18)、连接杆(16)、散热板(15)与上夹头(8)相连接，连接杆(16)穿过固定在机架下横板(31)上的直线轴承(17.1)。
4.根据权利要求1所述的一种圆盘式定载荷全息材料试验机，其特征在于对应试样位置处还设置有加热炉(13)，加热炉(13)通过铰链(12)连接在机架下立板(14)上，所述的下夹头(6)上设置水冷却器(9)；
5.根据权利要求2所述的一种圆盘式定载荷全息材料试验机，其特征在于还设置有对应加载筒(5)的加载机构，该加载机构由固定在支架(32)上的盛储铁丸(35)的铁丸筒(34)、铁丸流量调节装置(33)组成，铁丸筒(34)上部设有回丸漏斗(36)、下部设有流丸口(41)，流丸口(41)下端设置铁丸流量调节器(33)；
6.根据权利要求1、5所述的一种圆盘式定载荷全息材料试验机，其特征在于所述的铁丸流量调节装置(33)由以下方式组成遮挡在流丸口(41)处的挡丸板(42)后端连接在与导筒(43)呈滑动配合的导芯(47)之前端上，在导芯(47)的盲腔内设有弹簧导杆(45)及弹簧(46)，弹簧导杆(45)与一端固定在导筒(43)上的弹簧顶管(44)呈动配合，步进电机(49)轴上固定连接凸轮(48)，凸轮(48)的周缘抵接在导芯(47)的后端，步进电机(49)通过电机驱动器与单片机电连接。
7.根据权利要求1所述的一种圆盘式定载荷全息材料试验机，其特征在于所述的转轴(27)上还固定设置有限位盘(26)，限位盘(26)上设有限位块(52)，在机架左侧上立板(25)上设有正、反向行程开关(51)、(53)，行程开关(51)、(53)通过触发器与单片机电连接。
专利摘要本实用新型涉及一种定载荷条件下测试材料性能及变形规律的圆盘式定载荷全息材料试验机。它是在机架上的转轴上固定一大圆盘和小圆盘，在大小圆盘上分别绕挂一钢丝绳，大圆盘钢丝绳垂挂载荷装置，小圆盘垂挂试样上夹头，下夹头与其对应的固接在底座上，转轴的一端通过摩擦式电磁离合器、扭矩传感器与受直流电机驱动连接的蜗轮蜗杆减速器的输出轴相连接，其另一端上设有编码器，电磁离合器、电机、扭矩传感器、编码器均与计算机控制系统连接。在离合器处于脱离状态时，试样即受载荷装置的作用力实现拉伸试验，由计算机系统采集、处理扭矩传感器、编码器的力值，变形信号得到有关试验数据，并对整机实行自动化控制。该机结构简单、性能优越。
文档编号G01N3/00GK2548142SQ0227333
公开日2003年4月30日 申请日期2002年6月3日 优先权日2002年6月3日
发明者宋玉泉, 管志平 申请人:吉林大学