一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机

346 编辑：中冶有色技术网来源：吉林大学

2024-06-07 15:43:17

权利要求书： 1.一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机，其特征在于：包括：上定板导柱法兰螺栓（1）；上定板导柱法兰（2）；上定板螺栓（3）；上定板（4）；上定板柱法兰螺栓（5）；上定板柱法兰（6）；定板柱（7）；动板（8）；下定板柱法兰（9）；下定板柱法兰螺栓（10）；下定板（11）；下定板螺栓（12）；套筒盖螺栓（13）；套筒盖（14）；滚珠（15）；转柱（16）；力传感器盘（17）；力传感器（18）；压杆（19）；套筒（20）；导轨（21）；下定板导柱法兰（22）；下定板导柱法兰螺栓（23）；三爪卡盘（24）；卡盘螺栓（25）；试件（26）；机架（27）；导柱法兰螺栓（28）；导柱法兰（29）；机架螺栓（30）；导柱（31）；机架底座（32）；机架底座垫（33）；

导柱螺栓（34）；机架底座螺栓（35）；施力柱（36）；施力柱螺栓（37）；整体结构分为五部分：压板装置部分、加载荷装置部分、三爪卡盘部分、试件部分以及试验机机架部分；其中压板装置部分的上定板（4）和下定板（11）通过定板柱（7）进行固定，并利用上定板导柱法兰（2）及下定板导柱法兰（22）固定在试验机机架部分的导柱（31）上；使上定板（4）和下定板（11）两块板子的位置保持固定不动；动板（8）与施力柱（36）被施力柱螺栓（37）连接固定；加载荷装置部分为六个相同的装置组合，每个装置由压杆（19）、力传感器（18）、力传感器盘（17）、滚珠（15）、转柱（16）、滚珠（15）依次装入套筒（20），并由套筒盖（14）以及套筒盖螺栓（13）密封构成；套筒（20）的表面留有通孔，可供力传感器（18）零件上的导线伸出套筒（20）外侧；三爪卡盘部分中的三爪卡盘（24）被卡盘螺栓（25）固定在试验机机架部分的机架（27）上；试验开始前用三爪卡盘（24）将试件（26）夹持、固定；试验机机架部分由导柱（31）从下方依次穿过机架底座（32）及机架（27），并将机架底座（32）与机架底座垫（33）组合在一起构成。

2.根据权利要求1所述的一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机，其特征在于：加载荷装置部分为六个相同的装置的组合，各装置分别通过导轨（21）与压板装置部分连接，各装置在对试件施加载荷时运动相互独立，互不影响。

3.根据权利要求2所述的一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机，其特征在于：每个加载荷装置中均在套筒盖（14）与转柱（16）间以及力传感器盘（17）与转柱（16）间加入了球形滚珠（15）。

4.根据权利要求3所述的一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机，其特征在于：有六个电机分别与六个加载荷装置部分中的转柱（16）连接，各个电机的转动被控制器控制，各个电机的转动情况相互独立；同时控制器记录每个工件的疲劳次数。

5.根据权利要求4所述的一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机，其特征在于：当力传感器（18）检测到对某一试件上施加的载荷达到预定值时，控制器控制与该试件相对应的电机转动，进而控制转柱（16）的转动；由于转柱（16）与动板（8）配合处攻有螺纹，因此转柱转动时可以相对动板（8）向上运动，使加载荷装置离开试件，达到撤去该试件上的载荷的目的，从而实现对试件施加的载荷为等应力。

6.根据权利要求5所述的一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机，其特征在于：电机驱动转柱（16）转动时，加载荷装置内部的滚珠（15）和方形套筒（20）的组合结构确保转柱（16）旋转时压杆（19）不旋转，从而保证压杆（19）只有上下方向的运动。

7.根据权利要求6所述的一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机，其特征在于：通过结合动板（8）带动六个压杆（19）整体向下运动，和单个压杆（19）在施加的载荷达到预定值后的向上回撤运动，实现六个试件同时进行等应力的弯曲疲劳试验；试验过程中压杆（19）的回撤运动是竖直向上的直线运动，而没有自身旋转，保证了单个压杆单次施力后卸载时不会和试件产生磨损。

说明书：一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机技术领域[0001] 本发明为一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机，用于金属弯曲疲劳寿命的定量检测。

[0002] 本发明使一次试验可以同时检测六个试件，可以替换传统的一机一件疲劳试验机。

[0003] 本发明适用于高铁列车高速转向架构架的弯曲疲劳寿命检测，以验证该种材料的性能是否符合要求。

背景技术[0004] 传统的弯曲疲劳试验机分为三点弯曲疲劳试验机和四点弯曲疲劳试验机：其中三点弯曲疲劳试验机的工作原理为对试件两点进行固定，一点施加载荷，使试件发生纯弯曲

变形，并因此进行弯曲疲劳寿命的定量检测；四点弯曲疲劳试验机的工作原理为对试件两

点进行固定，两点施加载荷，此时试件为悬臂梁结构模型。

[0005] 传统的弯曲疲劳试验的加载荷方法分为等应力加载和等应变加载两种加载荷方法：等应力加载即控制施加的载荷为固定值，试件的应变值并不固定；等应变加载即保持试

件的应变为定值，而每次施加的载荷大小并不固定。

[0006] 传统的弯曲疲劳试验机为一机一件式疲劳试验机，即每次只能对一个试件进行弯曲疲劳试验。

[0007] 本发明选用了力传感器来精确控制试验过程中加载的载荷大小，以确保每次试验的应力相等。

[0008] 本发明的力传感器(18)与控制器相连，控制器实现数据信号的实时显示、反馈与控制。当压力机施加的载荷大小超过许用值时，转柱(16)上的电机会控制转柱(16)旋转并

相对动板(8)向上运动，使压杆(19)离开试件(26)，从而撤去施加在试件(26)上的载荷。

[0009] 中国专利：一种铁路声屏障疲劳试验机，申请公布号：CN109883679A，公开了一种拉压循环疲劳试验的疲劳试验机，用于铁路声屏障试件的拉压疲劳试验。该疲劳试验机为

传统的一机一件式疲劳试验机。

[0010] 高铁转向架是动车组的最重要的组成部分，其质量与性能直接关系到列车运行过程中的安全性。随着列车速度的不断提高，转向架的性能要求也越来越严格，因此高铁转向

架选用的材料性能一定要符合要求。工业上常用疲劳试验机来检测转向架材料的弯曲疲劳

寿命。

发明内容[0011] 本发明的目的在于提供一种可同时供六个试件进行弯曲试验的疲劳试验机。[0012] 本发明设计了一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机。其解决的技术问题是：

[0013] (1)使试件发生等应力弯曲变形，并保证对试件施加的载荷大小固定。[0014] (2)使试件的弯曲方式为三点弯曲：两点夹持固定；一点施加载荷。并对试件的弯曲疲劳寿命进行定量的检测。

[0015] (3)当对某一试件撤去外加载荷时，不影响其他的试件进行疲劳试验。[0016] (4)利用力传感器(18)和控制器来检测并记录试验过程中施加在试件上的载荷的大小。

[0017] (5)六个试件中有一个试件施加的载荷达到预定值时，利用控制器来控制与该试件相对应的转柱(16)转动，通过转柱(16)与动板(8)间配合的螺纹使整个加载装置竖直向

上运动，从而撤去外加载荷，保证施加在每一根试件上的最大载荷为预先设定好的固定值。

[0018] (6)在撤去载荷达到预定值的试件上的加载荷装置时，通过套筒(20)内部的滚珠(15)保证整个加载荷装置只有竖直方向上的运动，不会被电机带动绕轴旋转。

[0019] 该一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机具有如下优点：[0020] (1)本发明使一次试验可供六个试件(26)同时进行弯曲试验，提高了试验效率。[0021] (2)本发明可以用于同时对六个试件进行对照实验。[0022] (2)本发明采用三点弯曲疲劳方式进行疲劳寿命的定量检测，试件发生纯弯曲变形，试验原理简单，便于试验结果的分析、计算。

[0023] (3)本发明在电机控制转柱(16)旋转的过程中，为防止转柱(16)带动压杆(19)一同旋转对试件(26)造成磨损，因此在转柱(16)和套筒盖(14)、转柱(16)和力传感器盘(17)

之间均加入了球形滚珠(15)，保证撤去载荷时压杆(19)离开试件(26)的方式为垂直向上移

动，取代压杆螺旋向上的运动方式，从而避免了压杆(19)与试件(26)之间的摩擦。

[0024] (4)本发明在对一个试件撤去载荷的同时压板装置仍继续向下运动，不影响其他试件的疲劳试验的进行。

[0025] (5)本发明实现了用力传感器(18)和控制器进行实时采集和显示以及记录脉冲压力的次数和最大值。

[0026] (6)本发明中的控制器可以实现对0～100N的压力信号进行实时采集显示，利用串口实现与电脑的通信并通过上位机程序进行“脉冲”压力的实时记录并显示峰值和次数。

附图说明[0027] 图1：一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机整体结构轴测图。[0028] 图2：一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机整体结构主视图。[0029] 图3：一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机的加载荷装置部分爆炸图。[0030] 图4：一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机的加载荷装置部分剖视图。[0031] 图5：一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机的试验机机架部分机架底座仰视图。

[0032] 图6：一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机的试验机机架部分轴测图。[0033] 图7：一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机的三爪卡盘部分轴测图。[0034] 图8：一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机的试件部分轴测图。[0035] 图9：一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机的加载荷装置部分轴测图。[0036] 图10：一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机的压板装置部分轴测图。[0037] 图11：一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机的转柱主视图。[0038] 图12：一种一机六件的等应力三点弯曲疲劳试验机的转柱局部放大图。[0039] 附图标记说明：[0040] 1—上定板导柱法兰螺栓；2—上定板导柱法兰；3—上定板螺栓；4—上定板；5—上定板柱法兰螺栓；6—上定板柱法兰；7—定板柱；8—动板；9—下定板柱法兰；10—下定板柱

法兰螺栓；11—下定板；12—下定板螺栓；13—套筒盖螺栓；14—套筒盖；15—滚珠；16—转

柱；17—力传感器盘；18—力传感器；19—压杆；20—套筒；21—导轨；22—下定板导柱法兰；

23—下定板导柱法兰螺栓；24—三爪卡盘；25—卡盘螺栓；26—试件；27—机架；28—导柱法

兰螺栓；29—导柱法兰；30—机架螺栓；31—导柱；32—机架底座；33—机架底座垫；34—导

柱螺栓；35—机架底座螺栓；36—施力柱；37—施力柱螺栓。

具体实施方式[0041] 下面结合图1～5，对本发明做进一步说明：[0042] 如图1、图2所示，本发明由压板装置部分、加载荷装置部分、三爪卡盘部分、试件部分以及试验机机架部分组成。

[0043] 如图1、图2所示，本发明的压板装置部分包括如下零件：上定板导柱法兰螺栓(1)、上定板导柱法兰(2)、上定板螺栓(3)、上定板(4)、上定板柱法兰螺栓(5)、上定板柱法兰

(6)、定板柱(7)、动板(8)、下定板柱法兰(9)、下定板柱法兰螺栓(10)、下定板(11)、下定板

螺栓(12)、下定板导柱法兰(22)、下定板导柱法兰螺栓(24)、施力柱(36)、施力柱螺栓(37)。

[0044] 如图3所示，本发明的加载荷装置部分包括如下零件：套筒盖螺栓(13)、套筒盖(14)、滚珠(15)、转柱(16)、力传感器盘(17)、力传感器(18)、压杆(19)、套筒(20)、导轨

(21)。

[0045] 如图1所示，本发明的三爪卡盘部分包括如下零件：三爪卡盘(24)、卡盘螺栓(25)。[0046] 如图1所示，本发明的试件部分包括如下零件试件：试件(26)。[0047] 如图1、图5所示，本发明的试验机机架部分包括如下零件：机架(27)、导柱法兰螺栓(28)、导柱法兰(29)、机架螺栓(30)、导柱(31)、机架底座(32)、机架底座垫(33)、导柱螺

栓(34)、机架底座螺栓(35)。

[0048] 如图1、图2所示，本发明的压板装置部分中上定板(4)和下定板(11)通过定板柱(7)进行固定，并利用上定板导柱法兰(2)及下定板导柱法兰(22)固定在试验机机架部分的

导柱(31)上。使上定板(4)和下定板(11)两块板子的位置保持固定不动。动板(8)与施力柱

(36)被施力柱螺栓(37)连接固定，压力机通过对施力柱(36)施加压力，从而使动板(8)运

动，进而驱动压板装置部分做垂直方向上的上下运动。动板(8)上有通孔并攻有内螺纹，与

加载荷装置部分的转柱(16)上的外螺纹相配合。

[0049] 如图3、图4所示，本发明的加载荷装置部分由压杆(19)、力传感器(18)、力传感器盘(17)、滚珠(15)、转柱(16)、滚珠(15)依次装入套筒(20)，并由套筒盖(14)以及套筒盖螺

栓(13)密封构成。其中力传感器盘(17)的上表面、转柱(16)的上下表面以及套筒盖(14)的

下表面均有与滚珠(15)相配合的沟槽，可供滚珠(15)滚动。此外套筒(20)的表面留有通孔，

可供力传感器(18)零件上的导线等伸出套筒(20)外侧。

[0050] 如图1所示，本发明的三爪卡盘部分中的三爪卡盘(24)被卡盘螺栓(25)固定在试验机机架部分的机架(27)上。试验开始前用三爪卡盘(24)将试件(26)夹持、固定。

[0051] 如图1、图5所示，本发明的试验机机架部分由导柱(31)从下方依次穿过机架底座(32)及机架(27)，并将机架底座(32)与机架底座垫(33)组合在一起构成。

[0052] 机架底座垫(33)两端留有一排通孔，用以与地脚螺栓连接。[0053] 试验开始前，将试件(26)夹持在三爪卡盘(24)上，并通过程序设定好施加在试件(26)上的许用载荷值大小。

[0054] 试验开始时，压力机将会通过对施力柱(36)施加压力，进而推动动板(8)向下运动，此时由于动板(8)与转柱(16)为螺纹连接，动板(8)将推动转柱(16)一同向下运动。转柱

(16)推动压杆(19)向下运动，从而对试件(26)施加载荷。

[0055] 力传感器(18)实时记录并检测载荷值的大小，当检测到某一试件(26)上的载荷值达到了许用载荷值时，控制器将启动与该试件(26)相匹配的加载荷装置中的转柱(16)上的

电机，使转柱(16)旋转，并利用转柱(16)与动板(8)上的螺纹，使该转柱(16)带动该加载荷

装置相对动板(8)向上运动，试验过程中，控制器同时记录对每个试件的疲劳次数。

[0056] 在转柱旋转的过程中，由于有滚珠(15)的存在，套筒盖(14)和力传感器盘(17)将不随着转柱(16)一同旋转。这样就保证了套筒盖(14)、力传感器(18)、压杆(19)以及套筒

(20)相对试件(26)只有垂直方向上的上下运动，压杆不会在试件(26)上旋转，因此避免了

加载荷装置运动过程中压杆(19)对试件(26)的磨损。

[0057] 电动机驱动转柱(16)转动，带动相应的加载荷装置回到最初位置，使施加在该试件(26)上的载荷完全被撤除。同时重复操作[0047]～[0049]。

[0058] 当六个试件(26)的加载荷装置中的压杆(19)均离开了试件(26)表面后，控制器将驱动压力机带动动板(8)向上运动。此时，一次应力循环完成，并准备进入下一次应力循环，

重复操作[0047]～[0050]。

[0059] 当所有试件(26)均因弯曲疲劳而造成破坏后，疲劳试验结束。[0060] 本发明通过力传感器(18)及控制器来实时检测施加的载荷大小，保证施加的载荷值不超过许用载荷值。实现了等应力弯曲疲劳试验，同时确保了试验的精确度。

[0061] 本发明一次试验可供六个试件同时进行弯曲疲劳寿命的检测，各个试件间互相独立，互不影响，有效提高了试验效率。

[0062] 本发明利用套筒(20)内部的滚珠(15)保证加载荷装置只做竖直方向上的运动而不会绕轴旋转，避免了撤载过程中对试件表面的磨损。

[0063] 本发明可以用于对六根试件同时进行相同载荷的等应力三点弯曲疲劳试验，或对六根试件进行不同载荷的等应力三点弯曲疲劳试验。试验的六个试件在材料、规格和受力

的设定值上都允许不相同，根据用户的需要选定。