專利名稱：圓盤式定載荷全息材料試驗機的制作方法
技術領域：
本發明屬于材料測試、實驗儀器，具體涉及一種特別適用于在任意定載荷作用下測試材料性能和變形規律的試驗機。
背景技術：
在大量的工業工程中所應用的材料，往往只需研究、測試材料在載荷作用下的變形規律及其機械性能，目前大多用結構、功能復雜、造價高的萬能材料試驗機，尤其是對于塑性和超塑性材料具有很強的應變速率敏感性，用萬能試驗進行定載荷測試其有關性能，其試驗結果誤差較大，其原因是塑性和超塑性材料的變形抗力對應變速率都有很強的敏感性，而無論是使用液壓式、還是機械式的萬能試驗機，均是采用閉環式控制實現定載荷的施加，載荷的測量又是力傳感器，因而受其信息反饋、調整載荷引起速度的變化而使載荷測量或記錄曲線發生波動。
發明內容
本發明的目的是針對解決上述在用萬能試驗機測試材料在定載荷條件下的性能及其變形規律存在的缺點，提供一種能穩定施加載荷、準確記錄數據、結構簡單、造價低、占用空間小、操作簡便的圓盤式定載荷全息材料試驗機，該試驗機不但能穩定施加載荷、準確記錄數據，而且經過對數據的數學處理，能給出材料的應變硬化指數、應變速率敏感性指數、應力松弛指數的變化規律及相關的本構方程。
本發明的基本原理如
圖1所示，半徑為R的大圓盤1與半徑為r的小圓盤2固定在一轉軸上，當在大圓盤外圓有定載荷F作用時，便在小圓盤上產生變形載荷P作用在試樣上，根據r·R＝R·F，即R/r＝P/F，于是得到將載荷放大R/r倍的變形載荷。
本發明圓盤式定載荷全息材料試驗機由主機、試樣夾頭、力值和變形數據采集及計算機控制和數據全息處理系統所組成，其主機由設置在機架內的載荷傳動及其制動機構組成，即在機架的兩側上立板上通過滾動軸承設置一轉軸，在轉軸上分別固定設置小圓盤和大圓盤，轉軸的左端通過對稱滑鍵連接摩擦式電磁離合器的動摩擦盤，直流電機與蝸輪蝸桿減速器的輸入軸相連接，減速器的輸出軸上用平鍵固定連接扭矩傳感器，扭矩傳感器的端面與電磁離合器的靜摩擦盤相連，一條鋼絲繩的一端固接在大圓盤的圓周上，并繞在大圓盤的周槽上，其另一端繞過導向滑輪垂掛連接一載荷裝置，另一條鋼絲繩的一端固接在小圓盤的圓周上，并與大圓盤鋼絲繩呈力偶向繞在小圓盤的周槽上，其另一端繞過導向滑輪與上夾頭相連接，下夾頭通過夾頭座連接在機架底座上。
在轉軸的右端設置光電編碼器，編碼器通過信號采集電路與單片機電連接。
扭矩傳感器通過信號采集電路與單片機電連接。
直流電機通過電機驅動器與單片機電連接。
摩擦式電磁離合器通過觸發器與單片機電連接。
還設置有對應載荷裝置的加載機構，控制加載機構的步進電機通過電機驅動器與單片機電連接。在所述的轉軸上還固定設置有限位盤，限位盤上設置有限位塊，在機架左側上立板上設有正、反向行程開關，行程開關通過觸發器與單片機電連接。在實際運行中，整機控制系統主要完成以下幾個動作1、當電磁離合器處于接合狀態時，直流電機在單片機系統的控制下，正(反)向轉動和制動，經過減速器減速后，帶動轉軸正(反)向轉動和制動；2、當電磁離合器從接合狀態變為分離狀態時，轉軸就處于自由狀態，此時，加載機構的載荷就施加在試樣上，開始加載；3、當轉軸的轉角超過允許范圍，限位盤上的限位塊就觸動正(反)向行程開關，單片機接收到觸發信號，指令電磁離合器變為接合狀態和直流電機處于制動狀態，使轉軸制動；4、當轉軸處于自由狀態時，給電磁離合器通額定電流，使其接合，由于蝸輪蝸桿減速器的反向自鎖功能，使轉軸制動。
本發明的數據采集系統包括力值和變形值采集系統力值采集系統由扭矩傳感器、信號放大電路、分檔衰減電路、A/D轉換電路、單片機系統及LED顯示屏等組成，當電磁離合器處于接合狀態時，扭矩傳感器測量轉軸承受的扭矩，從而間接測量載荷機構的載荷或作用于試樣上的力值，力值信號經過放大、衰減放大、A/D轉換后，被單片機采集處理，處理后的信號可以作為加載機構控制程序的控制參數，可以存儲在數據存儲器RAM中，顯示在LED顯示屏上，并輸至數據處理系統。
變形值采集系統由編碼器、編碼器信號放大整形電路、辨向電路、計數器、單片機系統及LED顯示屏等組成，編碼器測量轉軸的轉角，其信號經放大、整形、辨向處理后，由計數器讀取，單片機對信號采集并處理，轉換為試樣的變形量，存儲在數據存儲器RAM中，顯示在LED顯示屏上，并輸至數據處理系統，同時兼為試樣斷裂判斷程序的參數。
本機的加載控制程序是由單片機采集的測量力值與需要施加的載荷比較，在測量力值等于需要施加的載荷時，加載機構停止加載。
在試驗過程中，試樣斷裂判斷是單片機采集編碼器信號計算加載荷裝置的下降加速度，當下降加速度接近自由落體加速度時，單片機控制電磁離合器接合，使轉軸制動，在電磁離合器接合過程中，線圈電流由小到大逐漸變化，使摩擦片之間產生相對滑動，起到了緩沖的作用。
本發明的數據全息處理系統由變形值采集系統和配有數據處理軟件的計算機組成，數據處理軟件可以是Matlab、Origin、GT或Mathematics軟件，現將數據全息處理過程簡述于下1、可求得應變硬化指數nP、nυ和 隨ε的變化規律和僅有應變硬化效應的塑性本構方程由變形值采集系統中可得到對應于定載荷P(P1、P2、……)的一組試樣標距瞬時長度l與時間t的關系曲線，對應于每條定載荷P曲線可求得對應的模擬多項式 因變形速度υ=dldt]]>，于是由(1)式可得P～υ的關系式P=Σi=0nbiυi---(2)]]>因應變速率ϵ·=υl]]>，于是由(1)式和(2)式可求得P～ 關系式P=Σi=0nciϵ·i---(3)]]>文獻[1]給出用實驗變量表達應變硬化指數n的測量公式nP＝ln(l/l0)(4)nυ=(1-dlgPdlgϵ·)lnll0---(5)]]>nϵ·=(dlgPdlgυ+1)lnll0---(6)]]>其中，l0為試樣標距的初始長度，應變ϵ=ln(ll0)]]>，nP、nυ和 分別為定載荷P、恒速度υ和恒應變速率 條件下測得應變硬化指數，根據ϵ=ln(ll0)]]>、(1)～(3)式和(4)～(6)式便可求得nP～ε、nυ～ε和 ～ε的變化規律。引用文獻[1]給出nP、nυ和 的定義式nP=dlgσdlgϵ|P---(7)]]>nυ=dlgσdlgϵ|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，求解可得對應的塑性拉伸變形的本構方程
σP＝KPfP(ε，nP) (10)συ＝Kυfυ(ε，nυ) (11)σϵ·=Kϵ·fϵ·(ϵ,nϵ·)---(12)]]>2、可求得mP、mυ和ml隨 的變化規律和僅有應變速率敏感性效應的超塑性本構方程文獻[2]給出用實驗變量表達應變速率敏感性指數m的測量公式mP=1dlgυdlgl-1---(13)]]>mυ=-(dlgPdlgl+1)---(14)]]>ml=dlgPdlgυ---(15)]]>由(1)式可得P～l關系式P=Σi=0ndili---(16)]]>因ϵ·=υl]]>，由(2)式和(3)式可得υ～l的關系式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～ 的關系式。引用文獻[2]給出的m值定義式mP=dlgσdlgϵ·|P---(18)]]>mυ=dlgσdlgϵ·|υ---(19)]]>ml=dlgσdlgϵ·|l---(20)]]>把mP～ 、mυ～ 和ml～ 的關系式分別代入對應的公式，求解可得僅有應變速率敏感性效應的超塑性本構方程σP=KP′gP(ϵ·,mP)---(21)]]>συ=Kυ′gυ(ϵ·,mυ)---(22)]]>σϵ=Kϵ′gϵ(ϵ·,ml)---(23)]]>3、可求得具有應變速率敏感性效應的塑性本構方程或具有應變硬化效應的超塑性本構方程在恒溫條件下應力σ只是ε和 的函數，故其狀態方程為σ=σ(ϵ,ϵ·)---(24)]]>對(24)式微分后，兩邊同除以σ，則有dlgσ=∂lgσ∂lgϵ|ϵ·dlgϵ+∂lgσ∂lgϵ·|ϵdlgϵ·---(25)]]>假設應力σ為恒應變應力σε和恒應變速率應力 之積，即σ=σϵ·σϵ·---(26)]]>把(26)式代入(25)式，則得dlgσϵ+dlgσϵ·=∂lgσ∂lgϵ|ϵ·dlgϵ+∂lgσ∂lgϵ·|ϵdlgϵ·---(27)]]>把(10)式和(21)式代入(27)式，則得σP=KP·KP′fP(ϵ,nP)·gP(ϵ·,mP)---(28)]]>把(11)式和(22)式代入(27)式，則得συ=Kυ·Kυ′fυ(ϵ,nυ)·gυ(ϵ·,mυ)---(29)]]>在恒應變ε的情況下，(27)式便蛻化為(23)式，在恒應變速率 的情況下，(27)式便蛻化為(12)式。本發明具有以下優點1、可以穩定、精確地施加任意的定載荷，不會受到象現有萬能材料試驗機利用閉環控制施加載荷，而對結構敏感性的試驗材料產生不良的影響；2、利用編碼器可以精確地測定在變形載荷作用下的變形量；3、可以借助在定載荷作用下試樣變形速度和變形量之間的規律，求得材料在定變形載荷作用下的全方位力學信息；4、造價低、性能穩定、所占空間小、對環境無污染，便于使用和維修；5、操作簡便，對管理和操作人員沒有專門的技術要求。
圖2是圓盤式定載荷全息材料試驗機的正視圖。
圖3是圖2的右側視剖面圖。
圖4是圓盤式定載荷全息材料試驗機的鐵丸加載位置圖，圖5是圓盤式定載荷全息材料試驗機的回丸位置圖。
圖6是圓盤式定載荷全息材料試驗機加載機構的鐵丸流量調節裝置(33)之結構剖視圖。
圖7是鐵丸流量調節裝置(33)閉合狀態示意圖。
圖8是鐵丸流量調節裝置(33)開啟狀態示意圖。
圖9是圖2中轉軸(27)至直流電機(21)間的連接結構局部放大示意圖。
圖10是圖9中所示A向視圖。
圖11是定載荷全息材料試驗的控制電路框圖。
圖12是圓盤式定載荷全息材料試驗機的鐵丸流量控制程序框圖。
圖13是圓盤式定載荷全息材料試驗機的試樣斷裂判斷程序框圖。
具體實施例方式
以下結合附圖給出的實施例對本發明作進一步詳細描述。
參照圖2、圖3、圖9，圓盤式定載荷全息材料試驗機由主機、試樣夾頭、力值和變形數據采集及計算機控制和數據全息處理系統所組成。其主機由設置在機架內的載荷傳動及其制動機構組成。
所說的機架包括有底座(11)、兩側上立板(25)、下立板(14)、上橫板(19)、下橫板(31)、加強杠(28)；在機架兩側上立板(25)上通過滾動軸承(50)設置一轉軸(27)，在轉軸(27)上分別固定設置小圓盤(2)和大圓盤(1)，轉軸(27)的左端通過對稱滑鍵連接摩擦式電磁離合器(24)的動摩擦盤，固定在支架(20)上的直流電機(21)與蝸輪蝸桿減速器(22)的輸入軸相連接，減速器(22)的輸出軸上用平鍵固定連接扭矩傳感器(23)，扭矩傳感器(23)的端面與電磁離合器(24)的靜摩擦盤相連，鋼絲繩(4)的一端固接在大圓盤(1)的圓周上，并繞在大圓盤(1)的周槽上，其另一端繞過導向滑輪(3)垂掛連接盛載鐵丸的加載筒(5)做為載荷裝置；鋼絲繩(4.1)的一端固接在小圓盤(2)的圓周上，并與鋼絲繩(4)呈力偶向繞在小圓盤(2)的周槽上，其另一端繞過導向滑輪(3.1)與上夾頭(8)相連接；下夾頭(6)通過夾頭座(10)連接在機架的底座(11)上。
在轉軸(27)的右端設置光電編碼器(29)。編碼器(29)、扭矩傳感器(23)分別通過信號采集電路與單片機電連接。直流電機(21)通過電機驅動器與單片機電連接；電磁離合器(24)通過觸發器與單片機電連接。
加載筒(5)上部設置有加丸漏斗(37)、下部設有閥門(38)，加載筒(5)通過設置其兩側的直線軸承(17)與導桿(30)呈動配合連接，導桿(30)的上下兩端分別固定在機架的上橫板(19)及底座(11)上。
鋼絲繩(4.1)是依次通過長度調節器(18)、連接桿(16)、散熱板(15)與上夾頭(8)相連接的，連接桿(16)穿過固定在機架下橫板(31)上的直線軸承(17.1)。
為了實現試樣(7)在中溫、高溫條件下的性能測試，在對應試樣位置處還設置有加熱爐(13)，加熱爐(13)通過鉸鏈(12)連接在機架下立板(14)上，下夾頭(6)上設置水冷卻器(9)。
參照圖3，圓盤式定載荷全息材料試驗機還設置有對應加載筒(5)的加載機構，該加載機構由固定在支架(32)上的盛儲鐵丸(35)的鐵丸筒(34)、鐵丸流量調節裝置(33)組成，鐵丸筒(34)上部設有回丸漏斗(36)，下部設有流丸口(41)，流丸口(41)下端設置鐵丸流量調節裝置(33)。
參照圖6，所述的鐵丸流量調節裝置(33)由以下方式組成遮擋在流丸口(41)處的擋丸板(42)后端連接在與導筒(43)呈滑動配合的導芯(47)之前端上，在導芯(47)的盲腔內設有彈簧導桿(45)及彈簧(46)，彈簧導桿(45)與一端固定在導筒(43)上的彈簧頂管(44)呈動配合，步進電機(49)軸上固定連接凸輪(48)，凸輪(48)的周緣抵接在導芯(47)的后端，步進電機(49)通過電機驅動器與單片機電連接，步進電機(49)通過支架(39)固定在鐵丸筒支架(32)上，導筒(43)通過導筒支架(40)固定在鐵丸筒支架(32)上。
圖7所示為步進電機(49)軸轉角為Φ＝180°時，鐵丸流量調節裝置處于完全閉合狀態。圖8所示為步進電機(49)軸轉角為Φ＝0°時，鐵丸流量調節裝置處于最大開啟狀態。
參照圖4，進行鐵丸加載過程是首先接合電磁離合器(24)，然后啟動直流電機(21)驅動轉軸(27)轉動，將加載筒(5)降至加丸位置，把加丸漏斗(37)推至流丸口下方，啟動加載控制程序、控制鐵丸的流量，使加載筒中鐵丸的重量達到需要的載荷，最后將加丸漏斗推回原位。
參照圖5，回丸過程是，試驗結束后，啟動直流電機，驅動轉軸轉動，將加載筒升至回丸位置，將鐵丸筒的回丸漏斗推至加載筒下方，打開加載筒的閥門，讓鐵丸流回鐵丸筒，最后將回丸漏斗推回原位。
參照圖9、圖10，在轉軸(27)上還固定設置有限位盤(26)，限位盤(26)上設置有限位塊(52)，在機架左側上立板(25)上設有正、反向行程開關(51)、(53)。行程開關(51)、(53)通過觸發器與單片機電連接。當限位盤上的限位塊與正、反向行程開關接觸，并使其觸發，將轉軸(27)制動。
參照圖11，圓盤式定載荷全息材料試驗機的控制電路由單片機系統、與PC機的串口通信電路、扭矩傳感器及其采集電路、編碼器及其采集電路、步進電機及其驅動電路、直流電機及其驅動電路、電磁離合器及其控制電路、行程開關及其接口電路和鍵盤與LED顯示屏及其接口電路組成，單片機系統采用8031，附加指令存儲器ROM和數據存儲器RAM，用來存儲試驗控制指令和試驗數據，單片機與PC機采用RS232串行接口，用來傳送PC機的控制指令和單片機的試驗數據，PC機可以實時顯示試驗曲線，并能發出控制指令至單片機，電磁離合器與行程開關都用觸發器作為與單片機的接口。
參照圖12，圓盤式定載荷全息材料試驗機的鐵丸流量控制程序是，首先給扭矩傳感器的顯示力值清零，輸入需要施加的載荷值F，然后開始向加載筒注入鐵丸，程序采集扭矩傳感器的測量力值為P，判斷F與P的差值，根據差值量控制步進電機的轉角Φ，從而控制鐵丸的流量，當轉角Φ＝0°，鐵丸流量達到最大值，當轉角Φ＝141°，鐵丸流量處于程序可控制的最小值，當F＝P時，控制轉角Φ＝180°，鐵丸流量等于零。
參照圖13，圓盤式定載荷全息材料試驗機的試樣斷裂判斷程序是在試驗過程中，在一定時間間隔Δt內采集并處理編碼器的信號Δθ，并轉換為加載筒的下降量Δs＝Δθ×R，R為大圓盤的半徑，計算加載筒的下降加速度a＝Δs/Δt2，并判斷a＞9.0是否滿足，如果滿足，則觸發電磁離合器，使其接合，將轉軸制動。
本發明圓盤式定載荷全息材料試驗機的試驗操作過程
定載荷拉伸試驗過程首先進行鐵丸的施加，加丸后，啟動直流電機，驅動轉軸轉動，使上、下夾頭處于裝夾試樣的位置，然后裝夾試樣，試樣裝夾好后，再啟動直流電機，給試樣施加預拉力，然后斷電使電磁離合器處于分離狀態，這時就開始加載，在加載過程中，采集并記錄編碼器信號，PC機實時顯示試驗曲線，當試樣斷裂后，試樣斷裂判斷程序立即監測，并制動轉軸，避免加載筒的自由下落造成的沖擊，最后試驗機回到初始位置，同時將加載筒的鐵丸回入鐵丸筒。
松弛試驗過程在裝夾好試樣后，首先開始定載荷拉伸，單片機采集編碼器的信號，當拉至某一位置時，單片機發出指令接合電磁離合器，使轉軸制動，同時單片機采集扭矩傳感器的力值信號，并進行處理和存儲，記錄力值與時間的關系曲線，當試樣中的力值松弛至零時，停止試驗，拆卸試樣，將加載筒的鐵丸回入鐵丸筒，試驗結束。
權利要求
1.一種圓盤式定載荷全息材料試驗機，由主機、試樣夾頭、力值和變形數據采集及計算機控制和數據全息處理系統所組成，其特征在于所述的主機由設置在機架內的載荷傳動及其制動機構組成，即在機架的上立板(25)上通過滾動軸承設置一轉軸(27)，在轉軸(27)上分別固定設置小圓盤(2)和大圓盤(1)，轉軸(27)的左端通過對稱滑鍵連接摩擦式電磁離合器(24)的動摩擦盤，直流電機(21)與蝸輪蝸桿減速器(22)的輸入軸相連接，減速器(22)的輸出軸上用平鍵固定連接扭矩傳感器(23)，扭矩傳感器(23)的端面與電磁離合器(24)的靜摩擦盤相連，鋼絲繩(4)的一端固接在大圓盤(1)的圓周上，并繞在大圓盤(1)的周槽上，其另一端繞過導向滑輪(3)垂掛連接一載荷裝置，鋼絲繩(4.1)的一端固接在小圓盤(2)的圓周上，并與鋼絲繩(4)呈力偶向繞在小圓盤(2)的周槽上，其另一端繞過導向滑輪(3.1)與上夾頭(8)相連接，下夾頭(6)通過夾頭座(10)連接在機架底座(11)上；在轉軸(27)的右端設置光電編碼器(29)，編碼器(29)通過信號采集電路與單片機電連接；扭矩傳感器(23)通過信號采集電路與單片機電連接；直流電機(21)通過電機驅動器與單片機電連接；摩擦式電磁離合器(24)通過觸發器與單片機電連接。
2.根據權利要求1所述的一種圓盤式定載荷全息材料試驗機，其特征在于所述的載荷裝置為一盛載鐵丸的加載筒(5)，其上部設置有加丸漏斗(37)、下部設有閥門(38)，加載筒(5)通過設置其兩側的直線軸承(17)與導桿(30)呈動配合連接，導桿(30)的上下兩端分別固定在機架的上橫板(19)與底座(11)上。
3.根據權利要求1所述的一種圓盤式定載荷全息材料試驗機，其特征在于所述的鋼絲繩(4.1)是依次通過長度調節器(18)、連接桿(16)、散熱板(15)與上夾頭(8)相連接，連接桿(16)穿過固定在機架下橫板(31)上的直線軸承(17.1)。
4.根據權利要求1所述的一種圓盤式定載荷全息材料試驗機，其特征在于對應試樣位置處還設置有加熱爐(13)，加熱爐(13)通過鉸鏈(12)連接在機架下立板(14)上，所述的下夾頭(6)上設置水冷卻器(9)；
5.根據權利要求2所述的一種圓盤式定載荷全息材料試驗機，其特征在于還設置有對應加載筒(5)的加載機構，該加載機構由固定在支架(32)上的盛儲鐵丸(35)的鐵丸筒(34)、鐵丸流量調節裝置(33)組成，鐵丸筒(34)上部設有回丸漏斗(36)、下部設有流丸口(41)，流丸口(41)下端設置鐵丸流量調節器(33)；
6.根據權利要求1、5所述的一種圓盤式定載荷全息材料試驗機，其特征在于所述的鐵丸流量調節裝置(33)由以下方式組成遮擋在流丸口(41)處的擋丸板(42)后端連接在與導筒(43)呈滑動配合的導芯(47)之前端上，在導芯(47)的盲腔內設有彈簧導桿(45)及彈簧(46)，彈簧導桿(45)與一端固定在導筒(43)上的彈簧頂管(44)呈動配合，步進電機(49)軸上固定連接凸輪(48)，凸輪(48)的周緣抵接在導芯(47)的后端，步進電機(49)通過電機驅動器與單片機電連接。
7.根據權利要求1所述的一種圓盤式定載荷全息材料試驗機，其特征在于所述的轉軸(27)上還固定設置有限位盤(26)，限位盤(26)上設有限位塊(52)，在機架左側上立板(25)上設有正、反向行程開關(51)、(53)，行程開關(51)、(53)通過觸發器與單片機電連接。
全文摘要
本發明涉及一種定載荷條件下測試材料性能及變形規律的圓盤式定載荷全息材料試驗機。它是在機架上的轉軸上固定一大圓盤和小圓盤，在大小圓盤上分別繞掛一鋼絲繩，大圓盤鋼絲繩垂掛載荷裝置，小圓盤垂掛試樣上夾頭，下夾頭與其對應的固接在底座上，轉軸的一端通過摩擦式電磁離合器、扭矩傳感器與受直流電機驅動連接的蝸輪蝸桿減速器的輸出軸相連接，其另一端上設有編碼器，電磁離合器、電機、扭矩傳感器、編碼器均與計算機控制系統連接。在離合器處于脫離狀態時，試樣即受載荷裝置的作用力實現拉伸試驗，由計算機系統采集、處理扭矩傳感器、編碼器的力值，變形信號得到有關試驗數據，并對整機實行自動化控制。該機結構簡單、性能優越。
文檔編號G01N3/18GK1396442SQ0210977
公開日2003年2月12日 申請日期2002年6月3日 優先權日2002年6月3日
發明者宋玉泉, 管志平 申請人:吉林大學