申请/专利权人：中国科学院金属研究所

申请日：2019-04-08

公开（公告）日：2024-05-17

公开（公告）号：CN110031297B

主分类号：G01N3/08

分类号：G01N3/08

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.05.17#授权;2019.08.13#实质审查的生效;2019.07.19#公开

摘要：本发明涉及材料力学性能测试领域，具体为一种高通量旋转拉伸试验装置，解决现有拉伸试验机在进行断裂类测试时无法实现高通量加载的问题，适用于高通量条件下大批量、不同强度材料的并行式拉伸测试体系中。该装置包括驱动系统、加载系统和测量系统，其中：驱动系统设有伺服电机、同步带减速器、弹性联轴器、刚性联轴器，加载系统设有外加载环、内加载环、内万向节、外万向节，测量系统设有载荷传感器、位移传感器。本发明以旋转式加载替代传统拉伸机的竖直式加载方式，可以同时进行大批量、不同力学强度材料的拉伸测试，既可以实现非断裂类试验蠕变、横载荷，也可以实现断裂类试验拉伸。

主权项：1.一种高通量旋转拉伸试验装置，其特征在于，包括驱动系统、加载系统和测量系统，其中：驱动系统设有伺服电机、同步带减速器、弹性联轴器、刚性联轴器，伺服电机作为动力源，伺服电机通过刚性联轴器与同步带减速器的输入端联接，同步带减速器的输出端与主机转动轴通过弹性联轴器相连，主机转动轴在伺服电机的带动下进行周向旋转运动，带动加载系统上的拉伸试样产生拉伸变形；加载系统设有外加载环、内加载环、内万向节、外万向节，内万向节、外万向节分别连接在内加载环、外加载环上，拉伸试样均匀布置在内万向节、外万向节之间，加载系统通过内加载环套装于主机转动轴上，加载系统通过外加载环与两侧的立柱连接；工作时，内加载环、外加载环发生相对移动，对拉伸试样施加轴向拉伸载荷；测量系统设有载荷传感器、位移传感器，位移传感器安装在内加载环、外加载环之间，载荷传感器安装在外加载环上、并通过对应的外万向节与拉伸试样相连，每个拉伸试样连接一个载荷传感器，载荷传感器、位移传感器分别通过计算机与伺服电机连接；主机转动轴竖向设置于相互平行的上横梁、下横梁上，上横梁、下横梁之间通过两个平行的立柱相连，主机转动轴的上端通过上轴承与上横梁相连，主机转动轴的下端穿过下横梁与弹性联轴器相连，主机转动轴的下部通过下轴承与下横梁相连；内万向节、外万向节采用传统的十字插销结构。

全文数据：一种高通量旋转拉伸试验装置技术领域本发明涉及材料力学性能测试领域，具体为一种高通量旋转拉伸试验装置，适用于高通量条件下大批量、不同强度材料的并行式拉伸测试体系中。背景技术自从美国总统奥巴马于2011年提出“材料基因组计划”TheMaterialsGenomeInitiative,MGI起，MGI在世界范围内受到广泛重视，许多国家都相应开展这一重大项目的研究工作。材料基因组工程就是建立从原子排列到相的形成到显微组织到材料宏观性能的相互关系。可以显著加快材料研发速度，降低材料研发的成本，提高材料设计的成功率。2017年，我国启动国家重点研发计划启动实施“材料基因工程关键技术与支撑平台”重点专项。围绕新材料“研发周期缩短一半、研发成本降低一半”的战略目标，融合高通量计算、高通量实验和专用数据库三大技术，变革材料研发理念和模式，显著提高新材料的研发效率，增强我国在国际新材料领域竞争力。高通量试验技术正是在“材料基因组工程”的背景下提出的，突破传统实验技术，能够数量级地提高材料各项性能的测试效率，为建立新的预测成分-相-结构－性能的理论体系提供大量的实验结果和理论验证，从而提高材料性能预测的精度和可靠性。传统的拉伸试验机为竖直式加载，且每次只能加载一个试样，这种拉伸方式既要考虑到样品受力的均匀性，又要考虑到加持方式的对中性，尽管在进行非断裂类的测试时，可同时以试样串联或并联的方式加载大量样品，但当进行断裂类型的拉伸测试时只能进行单个试样的拉伸。综上所述，有必要发展出一种设备简单、操作便利、控制准确的高通量拉伸试验装置。发明内容针对现有技术中存在的问题，本发明主要目的在于提供一种高通量旋转拉伸试验装置，解决现有拉伸试验机在进行断裂类测试时无法实现高通量加载的问题。本发明的技术方案如下：一种高通量旋转拉伸试验装置，包括驱动系统、加载系统和测量系统，其中：驱动系统设有伺服电机、同步带减速器、弹性联轴器、刚性联轴器，伺服电机作为动力源，伺服电机通过刚性联轴器与同步带减速器的输入端联接，同步带减速器的输出端与主机转动轴通过弹性联轴器相连，主机转动轴在伺服电机的带动下进行周向旋转运动，带动加载系统上的拉伸试样产生拉伸变形；加载系统设有外加载环、内加载环、内万向节、外万向节，内万向节、外万向节分别连接在内加载环、外加载环上，拉伸试样均匀布置在内万向节、外万向节之间，加载系统通过内加载环套装于主机旋转轴上，加载系统通过外加载环与两侧的立柱连接；工作时，内加载环、外加载环发生相对移动，对拉伸试样施加轴向拉伸载荷；测量系统设有载荷传感器、位移传感器，位移传感器安装在内加载环、外加载环之间，载荷传感器安装在外加载环上、并通过对应的外万向节与拉伸试样相连，每个拉伸试样连接一个载荷传感器，载荷传感器、位移传感器分别通过计算机与伺服电机连接。所述的高通量旋转拉伸试验装置，主机旋转轴竖向设置于相互平行的上横梁、下横梁上，上横梁、下横梁之间通过两个平行的立柱相连，主机旋转轴的上端通过上轴承与上横梁相连，主机旋转轴的下端穿过下横梁与弹性连轴器相连，主机旋转轴的下部通过下轴承与下横梁相连。所述的高通量旋转拉伸试验装置，上轴承、下轴承选用调心滚子轴承。所述的高通量旋转拉伸试验装置，内万向节、外万向节采用传统的十字插销结构。所述的高通量旋转拉伸试验装置，内加载环通过卡扣方式或螺栓紧固方式安装在主机转动轴上，二者间不发生相对位移。所述的高通量旋转拉伸试验装置，外加载环通过螺栓紧固连接方式安装在两侧的立柱上，外加载环与内加载环之间保证同心度和水平度。所述的高通量旋转拉伸试验装置，当主机转动轴转动时，每一个拉伸试样对应的内加载环、外加载环之间的相对位移相同，由一个位移传感器记录每个拉伸试样的位移值。所述的高通量旋转拉伸试验装置，伺服电机选用数字脉冲式交流伺服电机。所述的高通量旋转拉伸试验装置，减速器选用圆弧齿同步带替代梯形齿同步带。所述的高通量旋转拉伸试验装置，当拉伸强度相同的材料时，拉伸试样的布置方式均匀分布在内加载环、外加载环之间；当拉伸强度不同的材料时，同种强度材料的拉伸试样对称分布。本发明具有如下的优点和有益效果：1、本发明将传统拉伸机的竖直式加载方式改为旋转式加载方式，可以同时进行大批量、不同力学性能材料的拉伸测试，既可以实现非断裂类试验蠕变、横载荷，也可以实现断裂类试验拉伸，结合外部环境箱可以完成诸如动态充氢拉伸、高低温拉伸等环境敏感断裂类型试验。2、本发明可同时拉伸多个试样，并能有效保证试样的受力均匀性和加载系统的对中性。3、本发明通过调整加载环的安装数量和方式，实现大量样品的高通量拉伸测试。4、本发明有效降低高通量试验的成本，节省试验机占地空间，操作简便。附图说明图1为本发明的结构示意图；图2为图1中的上下两组加载系统和测量系统包括外加载环、内加载环及相关联部分俯视放大图。图中，1.上横梁；2.上轴承；3.主机转动轴；4.立柱；5.外加载环；6.内加载环；7.下轴承；8.下横梁；9.弹性联轴器；10.伺服电机；11.刚性联轴器；12.减速器；13.内万向节；14.拉伸试样；15.外万向节；16.载荷传感器；17.位移传感器。具体实施方式下面，结合附图对本发明结构进行详细地说明。实施例如图1-图2所示，本实施例高通量旋转拉伸试验装置包括驱动系统、加载系统和测量系统，主要设有：一对横梁上横梁1、下横梁8各一，一对轴承上轴承2、下轴承7各一，一对加载环外加载环5、内加载环6各一，一对万向节内万向节13、外万向节15各一，一个弹性联轴器9，一个刚性联轴器11，一组载荷传感器16，一个位移传感器17，一个减速器12，一个主机转动轴3，一个伺服电机10，一对立柱4。驱动系统设有伺服电机10、同步带减速器12、弹性联轴器9、刚性联轴器11，伺服电机10作为动力源，伺服电机10通过刚性联轴器11与同步带减速器12的输入端联接，同步带减速器12的输出端与主机转动轴3通过弹性联轴器9相连，主机转动轴3在伺服电机10的带动下进行周向旋转运动，带动加载系统上的拉伸试样14产生拉伸变形。其中，伺服电机10与减速器12之间通过刚性联轴器11联接，能保证两轴有较高的对中性并且传递转矩较大；主机转动轴3与减速器12之间通过弹性连轴器9联接，可有效补偿两轴线相对位移，起到缓冲和减振的作用。另外，主机旋转轴3竖向设置于相互平行的上横梁1、下横梁8上，上横梁1、下横梁8之间通过两个平行的立柱4相连，主机旋转轴3的上端通过上轴承2与上横梁1相连，主机旋转轴3的下端穿过下横梁8与弹性连轴器9相连，主机旋转轴3的下部通过下轴承7与下横梁8相连。上轴承2、下轴承7选用调心滚子轴承，这种轴承可以同时承受径向载荷与轴向载荷，并且承受径向载荷能力大，适用于本装置的重负载情况。如图2所示，加载系统设有外加载环5、内加载环6、内万向节13、外万向节15，内万向节13、外万向节15分别连接在内加载环6、外加载环5上，拉伸试样14均匀布置在内万向节13、外万向节15之间，加载系统通过内加载环6套装于主机旋转轴3上，加载系统通过外加载环5与两侧的立柱4连接。工作时，内加载环6、外加载环5发生相对移动，对拉伸试样14施加轴向拉伸载荷。其中，内万向节13、外万向节15可采用传统的十字插销结构，这种结构具有摆角限制功能，一方面便于拉伸试样夹持，保证同心度，另一方面可以消除不规则拉伸试样对传感器的影响。内加载环6通过卡扣方式或螺栓紧固方式安装在主机转动轴3上，二者间不能发生相对位移。外加载环5通过螺栓紧固连接方式安装在两侧的立柱4上，外加载环5与内加载环6之间保证较好的同心度和水平度。另外，为了保证拉伸试样加载的稳定性，内加载环6、外加载环5均应选用强度高的材料如：GCr15。主机旋转轴3的强度与直径应足够大材料如：材料GCr15，直径为200mm，以保证拉伸试样加载时的可靠性和拉伸试样断裂时整机的稳定性。如图2所示，测量系统设有载荷传感器16、位移传感器17，位移传感器17安装在内加载环6、外加载环5之间，当主机转动轴3转动时，由于每一个拉伸试样14对应的内加载环6、外加载环5之间的相对位移相同，可由一个位移传感器17记录每个拉伸试样的位移值。载荷传感器16安装在外加载环5上、并通过对应的外万向节15与拉伸试样14相连，每个拉伸试样14需要连接一个载荷传感器16，用来测量拉伸试样14变形过程中的受力值。载荷传感器16、位移传感器17分别通过计算机与伺服电机10连接，载荷传感器16、位移传感器17的输出端与计算机的输入端连接，计算机的输出端与伺服电机10连接。工作时，通过位移传感器17节制伺服电机10的运动，并记录内加载环6、外加载环5的相对位移值，通过载荷传感器16记录样品受到的载荷值，载荷及位移通过计算机显示并进行相关计算。本实施例中，伺服电机10选用数字脉冲式交流伺服电机，调速范围广，控制定位准确，使用寿命长。减速器12选用圆弧齿同步带替代梯形齿同步带，圆弧齿同步带的齿顶与齿槽接触，带齿和轮齿啮合的好，可减少带齿形成的多边形边长，有效降低多边形效应，并减少传动噪声和冲击振动。当拉伸强度相同的材料时，拉伸试样14的布置方式应均匀分布在内加载环6、外加载环5之间；当拉伸强度不同的材料时，应使同种强度材料的拉伸试样14对称分布。实施例结果表明，本发明装置操作简单、实施安全，成本较低，能够显著提高材料力学性能的测试效率，从而加速新材料研发。该装置适合在实验室中推广使用，在钢铁、有色等大规模工业生产、检测分析等领域也可广泛应用。

权利要求：1.一种高通量旋转拉伸试验装置，其特征在于，包括驱动系统、加载系统和测量系统，其中：驱动系统设有伺服电机、同步带减速器、弹性联轴器、刚性联轴器，伺服电机作为动力源，伺服电机通过刚性联轴器与同步带减速器的输入端联接，同步带减速器的输出端与主机转动轴通过弹性联轴器相连，主机转动轴在伺服电机的带动下进行周向旋转运动，带动加载系统上的拉伸试样产生拉伸变形；加载系统设有外加载环、内加载环、内万向节、外万向节，内万向节、外万向节分别连接在内加载环、外加载环上，拉伸试样均匀布置在内万向节、外万向节之间，加载系统通过内加载环套装于主机旋转轴上，加载系统通过外加载环与两侧的立柱连接；工作时，内加载环、外加载环发生相对移动，对拉伸试样施加轴向拉伸载荷；测量系统设有载荷传感器、位移传感器，位移传感器安装在内加载环、外加载环之间，载荷传感器安装在外加载环上、并通过对应的外万向节与拉伸试样相连，每个拉伸试样连接一个载荷传感器，载荷传感器、位移传感器分别通过计算机与伺服电机连接。2.按照权利要求1所述的高通量旋转拉伸试验装置，其特征在于，主机旋转轴竖向设置于相互平行的上横梁、下横梁上，上横梁、下横梁之间通过两个平行的立柱相连，主机旋转轴的上端通过上轴承与上横梁相连，主机旋转轴的下端穿过下横梁与弹性连轴器相连，主机旋转轴的下部通过下轴承与下横梁相连。3.按照权利要求2所述的高通量旋转拉伸试验装置，其特征在于，上轴承、下轴承选用调心滚子轴承。4.按照权利要求1所述的高通量旋转拉伸试验装置，其特征在于，内万向节、外万向节采用传统的十字插销结构。5.按照权利要求1所述的高通量旋转拉伸试验装置，其特征在于，内加载环通过卡扣方式或螺栓紧固方式安装在主机转动轴上，二者间不发生相对位移。6.按照权利要求1所述的高通量旋转拉伸试验装置，其特征在于，外加载环通过螺栓紧固连接方式安装在两侧的立柱上，外加载环与内加载环之间保证同心度和水平度。7.按照权利要求1所述的高通量旋转拉伸试验装置，其特征在于，当主机转动轴转动时，每一个拉伸试样对应的内加载环、外加载环之间的相对位移相同，由一个位移传感器记录每个拉伸试样的位移值。8.按照权利要求1所述的高通量旋转拉伸试验装置，其特征在于，伺服电机选用数字脉冲式交流伺服电机。9.按照权利要求1所述的高通量旋转拉伸试验装置，其特征在于，减速器选用圆弧齿同步带替代梯形齿同步带。10.按照权利要求1所述的高通量旋转拉伸试验装置，其特征在于，当拉伸强度相同的材料时，拉伸试样的布置方式均匀分布在内加载环、外加载环之间；当拉伸强度不同的材料时，同种强度材料的拉伸试样对称分布。

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