专利名称：多功能热力模拟实验机的制作方法
技术领域：
本发明属于物理模拟实验设备，特别涉及一种多功能热力模拟实验机。
背景技术：
为了改善金属材料产品加工工艺，降低成本，提高产品质量及性能，需要应用物理模拟技术对材料的物理性能进行提前预报。原有模拟实验机功能单一，试验成本较高，发明专利“多功能热力模拟实验机”(专利号ZL 02132785. 8)可以在不更换机头和相关配件的情况下实现拉伸、压缩、扭转、拉扭复合等实验功能，但是存在机加工要求精度高、噪音大、 试验精度低等问题，容易累积实验机的变形误差和和无效扭矩，影响试验精度。
发明内容
针对现有热力模拟实验机存在的缺陷，本发明提供一种多功能热力模拟实验机。该设备包括两根横梁、主液压缸、液压马达、I轴、II轴、操作箱、定位梁、位移和扭矩的输出装置、导电装置、编码器、联轴器；两根横梁平行布置，主液压缸、液压马达、操作箱、定位梁、支撑梁均安装在两根横梁上；主液压缸位于整体设备的左侧，主液压缸、横梁、 I轴定位梁和操作箱通过卡紧环和螺母紧密固定成一体，主液压缸下面安装有蓄能器和滤油器；操作箱设置在实验机中部，其两端分别安装I轴和II轴，I轴的右端通过绝缘层与拉压力传感器、卡具连接，II轴的左端通过螺栓连接卡具，在两个卡具之间安装试样；液压马达位于整体设备的右侧，利用螺栓连接在右侧定位梁上，通过联轴器与编码器相连，液压马达的下方有一个加热变压器，加热变压器的一端通过导电铜排与I轴的电加热板相连，另一端通过导电铜排与电刷盒相连；位移和扭矩的输出装置右侧通过联轴器与液压马达相连，左侧与II轴相连；主液压缸锤头、砧子、定位梁、I轴、拉压力传感器、卡具、II轴、编码器、联轴器、液压马达的中心线处于同一水平线上，以保证试验精度。所述主液压缸位于整体设备的左侧，横梁、主液压缸、I轴定位梁和操作箱通过多个卡紧环和螺栓紧密固定成一体，以增加整体结构框架的刚性，同时可以减小试验时由于打击力造成的框架变形，提高试验精度；主液压缸下面安装有蓄能器和滤油器，蓄能器提供稳定的油压，滤油器使液压油过滤后变为洁净，为主液压缸的MOOG伺服阀提供正常的工作环境；通过控制系统控制主液压缸的MOOG伺服阀，使液压缸锤头左右移动。I轴活塞嵌在I轴定位梁中，I轴通过绝缘轴套、I轴活塞与砧子紧密连接，气缸通道嵌入在I轴定位梁中，气缸的气源由专门的空压机提供，通过I轴左、右进气孔给I轴提供向右的压力或向左的拉力，便于安装试样；或在试验过程中给I轴提供一个恒定的向右的压力以克服I轴与I轴定位梁及操作箱左侧壁的静摩擦力，对试样起夹持的作用，避免试样松动或掉下。在主液压缸的左侧安装一个MTS高精度位移传感器，用于测量主液压缸锤头的位移；在主液压缸与I轴定位梁之间安装一个MTS高精度位移传感器，用于测量I轴的位移。所述操作箱设置在实验机中部，其两端分别安装I轴和II轴，I轴的右端通过绝缘层与拉压力传感器、卡具连接，II轴的左端通过螺栓连接卡具，在两个卡具之间安装试样；I轴依靠定位梁和操作箱的左侧壁支承，与操作箱左侧壁之间设有绝缘轴套；操作箱外的导电铜排通过电加热板与I轴相连；II轴套有绝缘轴套并穿过操作箱的右侧壁及导电装置，右端与位移和扭矩的输出装置紧密连接；在两个卡具之间安装有一个LVDT高响应位移传感器，用于测量与采集试样的变形量。I轴、II轴及卡具内部设有专门的水通道，通过冷却水，不断带走导电时I轴、II 轴及卡具由于自身电阻而产生的热量和试样热传导的热量。所述液压马达位于整体设备的右侧，通过螺栓连接在右侧定位梁上，经过联轴器与编码器相连；通过控制系统控制液压马达的MOOG伺服阀来控制液压马达的转动，经联轴器、编码器、位移和扭矩的输出装置带动II轴左右移动；液压马达后侧连接有蓄能器和滤油器；在定位梁上安装一个MTS高精度位移传感器，用于测量II轴的位移。II轴活塞嵌在II轴定位梁中，II轴的气缸通道同样嵌入在II轴定位梁中，与I轴共用一个气源，通过左右进气孔给II轴提供向右的压力或向左的拉力，用于安装试样时移动II轴，从而调整I轴与II轴之间的距离，便于安装试样。液压马达的下方有一个加热变压器，加热变压器的一端通过导电铜排与I轴的电加热板相连，另一端通过导电铜排与电刷盒相连。电刷盒通过导电铜套热装在II轴上，使电刷盒与II轴紧密地结合成一体；电刷盒的支架通过螺栓全部固定在导电铜板上，导电铜板固定在绝缘板上，绝缘板又通过螺栓固定在操作箱的右侧壁；电刷通过电刷支架和内部压簧使电刷始终与导电铜板处于压紧接触状态；在两个卡具之间装试样，形成变压器副侧电流回路。位移和扭矩的输出装置，包含一个支架，支架用外六角螺栓固定在定位梁上，用来支撑右半离合器的头部；右半离合器的头部和支架之间用一个触角式轴承过渡，触角式轴承左侧设有卡簧对触角式球轴承进行轴向限位；右半离合器中部设有两个排气孔，以及时排除两离合器啮合时间隙中的气体，排气孔右侧部分通过一个深沟球轴承、一个单向推力球轴承嵌入定位梁中，两轴承之间增设挡圈以减少两者的摩擦和外力干扰；压盖通过八个内六角螺栓固定在定位梁上，对深沟球轴承和单向推力球轴承进行限位；左半离合器与右半离合器通过各自凹、凸面啮合传动；左半离合器、右半离合器、触角式轴承、支架、压盖、深沟球轴承、单向推力球轴承的中心在同一水平线上。右半离合器右端是外力输入端，通过联轴器与动力源液压马达相连；左半离合器左端是位移与扭矩的输出端，通过螺栓与II轴相连，同时实现与II轴相连的其他部件的位移与扭矩。本发明的有益效果是(1)气缸通道嵌入在I轴、II轴定位梁内，共用一个气源， 由专门的空压机提供，直接通过各自定位梁的左、右进气孔进气，气体环绕轴，为两轴提供压力或拉力，有效地减小了无效扭矩，提高了试验精度；(2)拉压力传感器与夹持试样的卡具连接在一起，并安装在I轴右端，缩短了与实际受力的试样之间的距离，当I轴、卡具、试样受到主液压缸锤头打击受力时，可以最先测得力值，减少了无效静摩擦力，提高了测得力值的准确度，从而提高试验精度；(3) I轴、II轴及卡具内部设有专门的水通道，通过冷却水，不断带走导电时I轴、II轴及卡具由于自身电阻而产生的热量和试样热传导的热量，使其处于低温状态，保证其足够的强度和刚度，提高试验精度；(4)位移和扭矩的输出装置通过左、右半离合器、三个轴承及其它部件的紧密配合，保证了输出位移和扭矩的准确性和精确度；(5)本发明起限位作用的I轴活塞、II轴活塞嵌在两轴的定位梁里，降低了试验过程的噪音。
图1是本发明实施例的整体结构示意图； 图2是本发明实施例的机械结构示意图3是本发明实施例的导电装置结构示意图； 图4是本发明实施例的位移和扭矩的输出装置结构示意图； 图5是图4的A-A剖视图； 图6是图4的B-B剖视1.横梁，2.位移传感器I，3.主液压缸的MOOG伺服阀，4.位移传感器II，5.耦合器， 6.定位梁I，7. I轴，8.位移传感器III，9.卡具，10. II轴，11.定位梁ΙΙ，12.电刷盒支架， 13.位移传感器IV，14.位移和扭矩的输出装置，15.定位梁III，16.编码器，17.液压马达， 18.蓄能器ΙΙ，19.液压马达的MOOG伺服阀，20.滤油器ΙΙ，21.定位梁IV，22.变压器，23.导电铜排，24.进水管入口，25.结构框架，26.滤油器I，27.蓄能器I，28.支撑梁，29.位移传感器I的支架，30.卡紧环，31.主液压缸，32.液压缸锤头，33.砧子，34.导向杆，35.操作箱，36.导板I，37.拉压力传感器，38.试样，39.导板II，40.导电装置，41.左半离合器， 42.触角式轴承，43.支架，44.压盖，45.深沟球轴承，46.挡圈，47.单向推力球轴承，48.联轴器，49.内六角螺栓，50.外六角螺栓，51.排气孔，52.右半离合器，53.卡簧，54. II轴的右侧进气孔，55. II轴活塞，56. II轴的左侧进气孔，57.绝缘轴套II，58.电加热板，59.绝缘轴套I，60. I轴右侧进气孔，61. I轴活塞，62. I轴左侧进气孔，63.螺栓，64.限位套， 40a.电刷盒，40b.导电铜套，40c.导电铜板，40d.绝缘板。
具体实施例方式如图1、图2所示，本发明由两根横梁1、主液压缸31、液压马达17、I轴7、II轴10、 操作箱35、四根定位梁、位移和扭矩的输出装置14、导电装置40、编码器16、联轴器48组成；两根横梁1平行布置，主液压缸31、液压马达17、操作箱35、四根定位梁、支撑梁观均安装在两根横梁上；主液压缸31位于整体设备的左侧，主液压缸31、横梁1、I轴定位梁6 和操作箱35通过卡紧环和螺母紧密固定成一体，主液压缸31下面安装有蓄能器I 27和滤油器26 ；实验机中部设有操作箱35，其两端分别安装I轴7和II轴10，I轴7的右端通过绝缘层与拉压力传感器37、卡具9连接，II轴10的左端通过螺栓连接卡具9，在两个卡具之间安装试样；液压马达17位于整体设备的右侧，利用螺栓连接在右侧定位梁21上，通过联轴器48与编码器16相连，液压马达17的下方有一个加热变压器22，加热变压器22的一端通过导电铜排23与I轴7的电加热板相连，另一端通过导电铜排23与电刷盒40a相连；位移和扭矩的输出装置14右侧通过联轴器48与液压马达17相连，左侧与II轴10相连；主液压缸锤头32、砧子33、四根定位梁、I轴7、拉压力传感器37、卡具9、II轴10、编码器16、联轴器48、液压马达17的中心线处于同一水平线上，以保证试验精度。横梁的结构框架25支撑设备整体，而放置在地面上的水平框架保证了设备的运动部件处于水平状态。所述主液压缸31位于整体设备的左侧，横梁1、主液压缸31、I轴定位梁和6操作箱35通过多个卡紧环30和螺栓63紧密固定成一体，以增加整体结构框架25的刚性，同时可以减小试验时由于打击力造成的框架变形，提高试验精度；主液压缸31下面安装有蓄能器I 27和滤油器I 26，蓄能器I 27提供稳定的油压，滤油器I沈使液压油过滤后变为洁净，为主液压缸的MOOG伺服阀3提供正常的工作环境；通过控制系统控制主液压缸的MOOG 伺服阀3，使液压缸锤头32左右移动。I轴活塞61嵌在I轴定位梁6中，I轴7通过绝缘轴套59、I轴活塞61与砧子 33紧密连接。气缸通道嵌入在I轴定位梁中，气缸的气源由独立的空压机提供，通过I轴左进气孔62、I轴右进气孔60给I轴提供向右的压力或向左的拉力，用于移动I轴7，从而调整I轴7与II轴10之间的距离，便于安装试样38 ；或者在试验过程中给I轴7提供一个恒定的向右的压力以克服I轴7与定位梁6及操作箱35左侧壁的静摩擦力，并对试样38起夹持的作用，避免试样38松动或掉下。在主液压缸31的左侧安装一个MTS高精度位移传感器I 2用于测量主液压缸锤头32的位移；在主液压缸31与I轴定位梁6之间安装一个MTS高精度位移传感器II 4，用于测量I轴的位移。所述操作箱35设置在实验机中部，其两端分别安装I轴7和II轴10，I轴7的右端通过导板I 36与拉压力传感器37、卡具9连接，II轴10的左端通过导板II 39连接卡具 9，在两个卡具9之间安装试样38，导板I 36和导板II 39均连接在导向杆34上，对I轴7、 II轴10以及与其相连的其他部件起到限位和导向的作用；依靠定位梁I 6和操作箱35的左侧壁支承，I轴7与操作箱35左侧壁之间设有绝缘轴套59，使I轴7与定位梁I 6及操作箱35处于绝缘状态，并且通过绝缘轴套59使操作箱35和I轴7之间处于密封状态，保证操作箱35内部处于真空或惰性气体保护状态；操作箱35外的导电铜排23通过电加热板 58与I轴7相连，实现导电回路的接通；II轴10套有绝缘轴套57并穿过操作箱35的右侧壁及导电装置40，右端与位移和扭矩的输出装置14紧密连接；在两个卡具9之间安装有一个LVDT高响应位移传感器III 8，用于测量与采集试样的变形量。I轴7、II轴10及卡具9内部设有专门的水通道，通过冷却水，不断带走导电时I 轴7、II轴10及卡具9由于自身电阻而产生的热量和试样热传导的热量，使其处于低温状态，保证其具有足够的强度和刚度，确保试验精度。如图1所示，进水管入口 M为卡具9提供冷却进水通道。所述液压马达17位于整体设备的右侧，通过螺栓连接在定位梁IV 21上，经过联轴器48与位移和扭矩的机械传动装置14相连；通过控制系统控制液压马达的MOOG伺服阀 19，从而控制液压马达17的转动，经联轴器48、编码器16、位移和扭矩的输出装置14带动 II轴10左右移动，实现试验功能；其后侧连接有蓄能器II 18和滤油器II 20 ；在定位梁III15 上安装一个MTS高精度位移传感器IV 13，用于测量II轴10的位移。II轴活塞55嵌在II轴定位梁11中，II轴10的气缸通道同样嵌入在II轴定位梁11 中，与I轴7共用一个气源，通过左进气孔56、右进气孔讨给11轴提供向右的压力或向左的拉力，用于安装试样38时移动II轴10，从而调整I轴7与II轴10之间的距离，便于安装试样38。
液压马达17的下方有一个加热变压器22，加热变压器22的一端通过导电铜排23 与I轴7的电加热板58相连，另一端通过导电铜排23与电刷盒40a相连。电刷盒40a通过导电铜套40b热装在II轴10上，使电刷盒40a与II轴10紧密地结合成一体；电刷盒40a 通过电刷盒支架12和内部压簧的共同作用使电刷盒40a始终与导电铜板40c处于压紧接触状态，保证了在试验过程中II轴10处于左右移动或旋转状态时，II轴10、导电铜板40c、 电刷盒40a、铜排23和加热变压器22副侧的一极处于电流导通状态；在两个卡具9之间安装试样38，形成加热变压器22副侧电流回路。如图4、图5、图6所示，位移和扭矩的输出装置，包含一个支架43，支架用外六角螺栓50固定在定位梁III15上，用来支撑右半离合器52的头部；右半离合器52的头部和支架43之间用一个触角式轴承42过渡，触角式轴承42左侧设有卡簧53对触角式球轴承42 进行轴向限位；右半离合器52中部设有两个排气孔51，以及时排除两离合器啮合时间隙中的气体，排气孔51右侧部分通过一个深沟球轴承45、一个单向推力球轴承47嵌入定位梁 III 15中，两轴承之间增设挡圈46以减少两者的摩擦和外力干扰；压盖44通过八个内六角螺栓49固定在定位梁III15上，对深沟球轴承45和单向推力球轴承47进行限位；左半离合器43与右半离合器52通过各自凹、凸面啮合传动；左半离合器41、右半离合器52、触角式轴承42、支架43、压盖44、深沟球轴承45、单向推力球轴承47的中心在同一水平线上。左半离合器41的左端是位移与扭转的输出端，通过螺栓41与II轴10相连，同时实现与之相连的其他部件的位移与扭转。右半离合器52右端是外力的输入端，通过联轴器48与动力源液压马达17相连。整个装置通过外六角螺栓50、定位梁III 15等其他部件固定在所需要的位置。试验时，根据不同试验类型的需要，通过液压马达17的转动调整位移和扭矩的输出装置14中左半离合器41与右半离合器52相对位置，实现位移和扭矩的输出。当液压马达17顺时针旋转时，由于左半离合器41与右半离合器52中凹面与凸面的啮合作用，位移和扭矩的输出装置14会带动II轴10向左移动，当II轴活塞55被左侧的II轴定位梁II 11 挡住，即左半离合器41顺时针旋转到左极限位置时，用耦合器5将锤头32和砧子33连接在一起，此时适合做拉伸试验；当液压马达17带动右半离合器52逆时针旋转时，由于凹面与凸面的啮合作用，左半离合器41同样逆时针旋转，同时带动II轴10向右移动，当左半离合器41与右半离合器52的凹面与凸面完全啮合，即左半离合器41逆时针旋转到右极限位置时，由于右半离合器52不能左右移动，则左半离合器41也只能与右半离合器52同步逆时针旋转，此时适合做扭转试验或组合连续大变形试验；当左半离合器41与右半离合器52 处于上述两种位置之间的相对位置时，可以进行单道次压缩、多道次压缩、热处理、连铸、焊接、平面变形等试验。下面以多道次压缩试验为例说明本发明实现试验功能的方法和原理。启动控制系统控制液压马达17旋转，带动联轴器48调整位移和扭矩的输出装置 14中左半离合器41与右半离合器52相对位置，当处于左半离合器41左、右极限位置之间时，左右移动I轴7的位置来调整I轴7和II轴10的距离，并在两个卡具9之间安装试样 38，之后通过I轴7左侧进气孔62进气对I轴7施加恒定的向右的压力，以夹持试样38 ； 通过真空系统对操作箱35抽真空或充惰性气体；由控制系统控制液压马达17的旋转，带动 II轴10、卡具9、试样38、I轴7同时移动，使I轴活塞61离开右侧死相的距离为第一道次变形高度Lh ；通过可控硅控制变
压器22将试样38加热到所需温度，控制系统控制主液压缸31使主液压缸锤头32加速后打击砧子33时的速度巧满足第一道次的应变速率 , I轴活塞61打到右侧死相时，试样被
压缩到第一道次所需的变形量AA1，控制系统控制主液压缸锤头32过冲一定的距离，以保
证试样的第一道次变形是恒应变速率变形，但实际压缩的变形量不变，第一道次变形结束。在第一、第二道次之间的间隔时间内，控制系统快速旋转液压马达17，使I轴活塞
61离开右侧死相的距离为第二道次变形高度AA2 ,准备第二道次变形。控制主液压缸锤头 32加速使其打击砧子33的速度V2满足第二道次的应变速率4，当I轴活塞61打到右侧死
相时，试样被压缩到第二道次所需的变形量AA2，控制主液压缸锤头过冲一定的距离，第二
道次变形结束。重复上述步骤，进行后面的各道次变形，可以连续做10个道次的多道次变形试验，特殊要求可增加道次数。试验过程中，位移传感器I 2测量并反馈主液压缸锤头32的位移，位移传感器II 4 测量I轴7的位移；位移传感器IV 13测量II轴10的位移，编码器16测量并反馈液压马达 17的转数，测温系统测量并反馈试样38的温度；上述测量数据用于计算机控制系统实时闭环控制，并存储在计算机的数据库里用做试验后的数据分析处理。另外，拉压力传感器37 测量试样38受到的压力，位移传感器III 8实时测量试样变形过称中的压缩量，位移传感器 IV 13还可以测量打击变形时由于整个设备的刚性有限所产生的弹性变形而导致的II轴10 的微小位移，这些数据通过计算机自学习系统的处理，可以进一步提高试验精度。
8
权利要求
1.一种多功能热力模拟实验机，其特征在于该设备包括两根横梁、主液压缸、液压马达、I轴、II轴、操作箱、定位梁、位移和扭矩的输出装置、导电装置、编码器、联轴器；两根横梁平行布置，主液压缸、液压马达、操作箱、定位梁、支撑梁均安装在两根横梁上；主液压缸位于整体设备的左侧，主液压缸、横梁、I轴定位梁和操作箱通过卡紧环和螺母紧密固定成一体，主液压缸下面安装有蓄能器和滤油器；操作箱设置在实验机中部，其两端分别安装I 轴和II轴，I轴的右端通过绝缘层与拉压力传感器、卡具连接，II轴的左端通过螺栓连接卡具，在两个卡具之间安装试样；液压马达位于整体设备的右侧，利用螺栓连接在右侧定位梁上，通过联轴器与编码器相连，液压马达的下方有一个加热变压器，加热变压器的一端通过导电铜排与I轴的电加热板相连，另一端通过导电铜排与电刷盒相连；位移和扭矩的输出装置右侧通过联轴器与液压马达相连，左侧与II轴相连；保证主液压缸锤头、砧子、定位梁、 I轴、拉压力传感器、卡具、II轴、编码器、联轴器和液压马达的中心线处于同一水平线上。
2.根据权利要求1所述的多功能热力模拟实验机，其特征在于所述I轴、II轴及卡具内部设有专门的循环水通道。
3.根据权利要求1所述的多功能热力模拟实验机，其特征在于所述I轴与II轴嵌入在各自的定位梁中，定位梁里设有两轴的气缸通道，两通道共用一个气源。
4.根据权利要求1所述的多功能热力模拟实验机，其特征在于所述I轴和II轴的限位活塞嵌在两轴的定位梁里。
5.根据权利要求1所述的多功能热力模拟实验机，其特征在于所述拉压力传感器与夹持试样的卡具直接连接在一起。
全文摘要
一种多功能热力模拟实验机，包括两根横梁、主液压缸、液压马达、Ⅰ轴、Ⅱ轴、操作箱、定位梁、位移和扭矩的输出装置、导电装置、编码器、联轴器。两根横梁平行布置，连接并固定其它主要机械部件；主液压缸、横梁、Ⅰ轴定位梁和操作箱通过多个卡紧环和螺母紧固成一体；操作箱两侧分别安装Ⅰ轴和Ⅱ轴，Ⅰ轴右端通过绝缘层与拉压力传感器、卡具连接，Ⅱ轴的左端通过螺栓连接卡具，两个卡具之间安装试样；液压马达通过螺栓连接在右侧定位梁上，位移和扭矩的输出装置两侧分别与Ⅱ轴、液压马达相连。本发明可在不更换任何部件的情况下，在同一台设备上同时实现拉伸、压缩、扭转、拉扭复合等应力变形试验，且设计合理、功能全面、试验精度高。
文档编号G09B25/02GK102157101SQ20111010030
公开日2011年8月17日 申请日期2011年4月20日 优先权日2011年1月29日
发明者冯莹莹, 吴庆林, 王国栋, 王黎筠, 骆宗安 申请人:东北大学