专利名称：机械型试件疲劳试验机及其试验方法
技术领域：
本发明涉及一种疲劳试验装置，属于材料结构性能实验的疲劳实验领域。
技术背景
在工程实际中，许多材料或构件在实际应用中受到动载荷作用，与受到静载荷作用时不同，这些材料或构件往往会在事先并未出现显著变形的情况下突然发生疲劳破坏， 对结构的安全性能产生重大影响。随着对材料疲劳性能的研究增多，疲劳试验机的款型和功能不断增多，以满足不同材料疲劳试验的需求。疲劳试验机主要有液压伺服式、电磁式和机械式几种类型。其中液压伺服式疲劳试验机是一种较先进的测试装置，但价格高昂，低频工作状态下功率消耗大成本高。电磁式疲劳试验机频率高，主要用于疲劳性能较好的黑色金属疲劳性能测试。机械式疲劳试验机适用对频率要求不高的疲劳试验，功率小造价低。但以往机械式疲劳试验机，对于试验结束的判定条件繁杂，对于试验终止命令反应慢，且输出荷载范围较小，试件不能施加预应力以调整应力波形。发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种可以改变试验机输出荷载，对试件施加预应力以及自主判定实验结束条件并自动停止试验的疲劳试验方法。
一种机械型试件疲劳试验方法，包括以下步骤(1)将试件的一端固定，另一端悬臂设置，并对试件的悬臂端施加弹性预应力；(2)对试件的悬臂端施加偏心荷载，并将输出偏心荷载的动力装置的供电回路与反馈试件产生疲劳裂纹极限的导电元件串联，另外，通过试件上安装的应力监测装置，以监测试件在负荷时的应力变化。
步骤(2)是通过偏心激振器对悬臂端施加偏心荷载，所述偏心激振器包括旋转机构以及通过连接长柄与旋转机构输出轴连接的偏心块，该旋转机构的供电回路与导电元件串联。
步骤(2)施加偏心荷载前先预设单次施加偏心荷载的时间阈值。
—种基于上述试件疲劳试验方法的机械型试件疲劳试验机，包括机架、试件以及用于监控试件应力变化的应力监测装置，所述试件的一端与机架固定，另一端悬臂设置，且试件悬臂端通过偏心激振器与机架连接；所述偏心激振器包括旋转机构、通过连接长柄与旋转机构输出轴连接的偏心块以及弹性连接件，所述旋转机构与试件固定，且旋转机构的供电回路中串联有通过反馈试件产生疲劳裂纹极限以截止偏心激振器工作的导电元件，导电元件安装在试件上，而弹性连接件一端与试件连接，另一端则与机架连接。
所述导电元件为采用导电材料制作而成的片状体或者线状体。
所述应力监测装置包括应变片以及与应变片连接的应变仪；所述应变片安装在试件上。
所述旋转机构为电动机，所述电动机通过基座与试件固定，且连接长柄与电动机的机轴相垂直。
所述电动机配置有能够预设电动机单次启动时长的计时器。
所述导电元件通过绝缘胶体绷紧固定在试件上疲劳裂纹可能发生的位置，且导电元件与疲劳裂纹的开展方向相垂直。
所述弹性连接件为弹簧，且弹簧套接在钢管的外围，所述钢管固定在机架上。
根据以上的技术方案，可以实现以下的有益效果本发明所述的疲劳试验机结构简单，具有可以改变试验机输出荷载，对试件施加预应力以及自主判定实验结束条件并自动停止试验的特点，在实验过程中消耗少，操作简便，加荷范围宽，测试精度高，可进行应力动态监测，对试样的加工要求低。
图1是本发明的结构示意图；图2是图1的A-A断面图(未标出偏心激振器)； 图3是本发明所需的悬臂试样加工示意图；其中基座11 ；夹持台12 ；弹簧固定臂13 ；安全承台14 ；试件2 ；夹持台螺栓连接预留孔21 ；电机连接螺栓预留孔22 ；弹簧连接预留孔23 ；偏心块31 ；连接长柄32 ；发动机33 ’导电元件34 ；弹性连接件35 ；钢管36 ；应变片4。
具体实施方式
附图非限制性地公开了本发明所涉及优选实施例的结构示意图；以下将结合附图详细地说明本发明的技术方案。
本发明公开一种试件疲劳试验方法，包括以下步骤(1)将试件的一端固定，另一端悬臂设置，并对试件的悬臂端施加弹性预应力；(2)对试件的悬臂端施加荷载，同时， 通过试件上安装的导电元件，测出试件产生疲劳裂纹极限的时刻，以控制荷载施加时间，另外，通过试件上安装的应力监测装置，以监测试件在负荷时的应力变化。进一步地，一种机械型试件疲劳试验方法，包括以下步骤(1)将试件的一端固定，另一端悬臂设置，并对试件的悬臂端施加弹性预应力；(2)对试件的悬臂端施加偏心荷载，并将输出偏心荷载的动力装置的供电回路与反馈试件产生疲劳裂纹极限的导电元件串联，另外，通过试件上安装的应力监测装置，以监测试件在负荷时的应力变化。步骤(2)是通过偏心激振器对悬臂端施加偏心荷载，所述偏心激振器包括旋转机构以及通过连接长柄与旋转机构输出轴连接的偏心块，该旋转机构的供电回路与导电元件串联。且步骤(2)施加偏心荷载前先预设单次施加偏心荷载的时间阈值。
基于上述试件疲劳试验方法，本发明公开了如图1至3所示的机械型试件疲劳试验机，包括机架、试件以及用于监控试件应力变化的应力监测装置，机架由基座11、夹持台 12、弹簧固定臂13以及安全承台14构成；所述试件的一端与机架的夹持台12固定，另一端悬臂设置，且试件悬臂端通过偏心激振器与机架的弹簧固定臂13连接；试件2为条状板体， 其上分别开设有夹持台螺栓连接预留孔21、电机连接螺栓预留孔22、弹簧连接预留孔23 ； 所述偏心激振器包括旋转机构、通过连接长柄与旋转机构输出轴连接的偏心块以及弹性连接件，所述旋转机构与试件固定，且旋转机构的供电回路中串联有通过反馈试件产生疲劳裂纹极限以截止偏心激振器工作的导电元件，导电元件安装在试件上，而弹性连接件一端与试件连接，另一端则与机架连接。所述导电元件为采用导电材料制作而成的片状体或者线状体，本发明中所采用的导电元件为细铜丝。所述应力监测装置包括应变片以及与应变片连接的应变仪；所述应变片安装在试件上。所述旋转机构为电动机，所述电动机通过基座与试件固定，且连接长柄与电动机的机轴相垂直。对于某些试件，产生疲劳裂纹的时间很长，而电动机单次启动时间过长，易于损坏，因此，本发明所述电动机配置有能够预设电动机单次启动时长的计时器，则当电动机单次运转时间持续了所预设的电动机单次启动时长时，电动机自动停止运转，通过多次启动电动机进行疲劳试验，直至反馈疲劳裂纹极限的导电元件断裂，导致电动机失电，完成了疲劳试验。所述导电元件通过绝缘胶体绷紧固定在试件上疲劳裂纹可能发生的位置，且导电元件与疲劳裂纹的开展方向相垂直。所述弹性连接件为弹簧，且弹簧套接在钢管的外围，所述钢管固定在机架上。
根据以上的技术方案，可知本发明所述疲劳试验机具有以下特点调整疲劳试验输出荷载偏心块长柄穿过电动机机轴上垂直轴向的孔洞，用螺栓固定位置，形成偏心激振器。通过改变偏心块长柄与电动机的机轴连接位置或替换不同质量的偏心块，以及改变电动机转数，来改变偏心激振器转动时产生的离心力，从而改变偏心激振器的输出荷载。实验前需确定实验荷载所需输出范围，可以从施加小荷载开始加至试件测试所需荷载。
对试件施加预应力以及调节振幅四个大刚度弹簧沿悬臂试样悬臂端并排排列， 分别从试件上下两面连接于试样顶部，弹簧中贯穿钢管，钢管通过套管沿铅垂向竖直固定在机架主体上，弹簧上下两段分别固定在钢管和悬臂试样悬臂端顶部。需要施加预应力或调节振幅时，通过上下改变弹簧上端固定在钢管上的位置，对悬臂试样施加预应力，从而改变疲劳试验输出的应力波形。
应力监测实验时在悬臂试样悬臂根部所需测位置贴应变片，通过应变仪定时读数，描点连线，监测应力的动态变化。
试验结束条件判定及终止试验在悬臂试样疲劳裂纹可能开展处，通过绝缘胶体黏贴细铜丝，细铜丝垂直于疲劳裂缝开展方向，铜丝串联于电动机回路中，随着疲劳裂缝开展，细铜丝拉断，电动机回路断路，偏心激振器停止，疲劳试验结束。以此为疲劳试验的终止标志ο
电动机运行准则对电动机设置单次运行时间阈值，当电动机运行时间在单次运行时间阈值内，试件不出现破坏性疲劳裂纹，则按照单次运行时间阈值计该次电动机运行时间，并将各次的电动机运行时间累计；当电动机运行时间在单次运行时间阈值内，试件出现了破坏性疲劳裂纹，按照细铜丝断裂时的时间记录该次电动机运行时间，并与之前的各次电动机运行时间累计，即可得到对应的试件疲劳试验次数。
权利要求
1.一种机械型试件疲劳试验方法，其特征在于，包括以下步骤(1)将试件的一端固定，另一端悬臂设置，并对试件的悬臂端施加弹性预应力；(2)对试件的悬臂端施加偏心荷载，并将输出偏心荷载的动力装置的供电回路与反馈试件产生疲劳裂纹极限的导电元件串联，另外，通过试件上安装的应力监测装置，以监测试件在负荷时的应力变化。
2.根据权利要求1所述的机械型试件疲劳试验方法，其特征在于，步骤(2)是通过偏心激振器对悬臂端施加偏心荷载，所述偏心激振器包括旋转机构以及通过连接长柄与旋转机构输出轴连接的偏心块，该旋转机构的供电回路与导电元件串联。
3.根据权利要求1所述的机械型试件疲劳试验方法，其特征在于，步骤(2)施加偏心荷载前先预设单次施加偏心荷载的时间阈值。
4.一种基于权利要求2所述试件疲劳试验方法的机械型试件疲劳试验机，包括机架、 试件以及用于监控试件应力变化的应力监测装置，其特征在于所述试件的一端与机架固定，另一端悬臂设置，且试件悬臂端通过偏心激振器与机架连接；所述偏心激振器包括旋转机构、通过连接长柄与旋转机构输出轴连接的偏心块以及弹性连接件，所述旋转机构与试件固定，且旋转机构的供电回路中串联有通过反馈试件产生疲劳裂纹极限以截止偏心激振器工作的导电元件，导电元件安装在试件上，而弹性连接件一端与试件连接，另一端则与机架连接。
5.根据权利要求4所述机械型试件疲劳试验机，其特征在于所述导电元件为采用导电材料制作而成的片状体或者线状体。
6.根据权利要求4所述机械型试件疲劳试验机，其特征在于所述应力监测装置包括应变片以及与应变片连接的应变仪；所述应变片安装在试件上。
7.根据权利要求4所述机械型试件疲劳试验机，其特征在于所述旋转机构为电动机， 所述电动机通过基座与试件固定，且连接长柄与电动机的机轴相垂直。
8.根据权利要求7所述机械型试件疲劳试验机，其特征在于所述电动机配置有能够预设电动机单次启动时长的计时器。
9.根据权利要求4所述机械型试件疲劳试验机，其特征在于所述导电元件通过绝缘胶体绷紧固定在试件上疲劳裂纹可能发生的位置，且导电元件与疲劳裂纹的开展方向相垂直。
10.根据权利要求4所述机械型试件疲劳试验机，其特征在于所述弹性连接件为弹簧，且弹簧套接在钢管的外围，所述钢管固定在机架上。
全文摘要
本发明公开了一种机械型试件疲劳试验机及其试验方法，该试验机包括机架、试件以及用于监控试件应力变化的应力监测装置，所述试件的一端与机架固定，另一端悬臂设置，且试件悬臂端通过偏心激振器与机架连接；所述偏心激振器包括旋转机构、通过连接长柄与旋转机构输出轴连接的偏心块以及弹性连接件，所述旋转机构与试件固定，且旋转机构的供电回路中串联有通过反馈试件产生疲劳裂纹极限以截止偏心激振器工作的导电元件，导电元件安装在试件上，而弹性连接件一端与试件连接，另一端则与机架连接。因此，本发明在实验过程中消耗少，操作简便，加荷范围宽，测试精度高，可进行应力动态监测，对试样的加工要求低。
文档编号G01N3/08GK102519791SQ20111041643
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月13日 优先权日2011年12月13日
发明者傅中秋, 刘荣, 前野裕文, 吉伯海, 田圆, 陈策 申请人:河海大学