高周疲劳试验机的多轴疲劳试验夹具

摘要

一种高周疲劳试验机的多轴疲劳试验夹具，包括相对的两夹具体，每一夹具体后部的夹持端由引伸主轴和引伸套筒组成，引伸套筒的前端内部设有内螺纹，与弧形夹具后端的连接轴后部的外螺纹配合；弧形夹具前端的内凹面设有与垂直方向呈不同角度的多个锁紧装置，锁紧装置的结构是：弧形夹具的内凹面上设有带盲孔的凸台，传导垫块置于盲孔内，试样连接块盖住传导垫块，其限位齿与凸台台面上的限位槽配合；凸台的周围开有与锁紧盖侧壁适配的环形凹槽，锁紧盖盖住试样连接块，且锁紧盖通过螺纹连接在凸台上；且锁紧盖上开有通孔，试样连接块上设有内螺纹通孔。该夹具与单轴高周疲劳试验机配合试用，可以对试样进行高周、多轴的疲劳试验研究。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高周疲劳试验机的疲劳试验夹具，具体涉及一种高周疲劳试验机的多轴 疲劳试验夹具，属于机械、材料等技术领域。

技术背景

现代工程中很多零件和构件都是在循环载荷下工作的，如曲轴、连杆、叶片、铁路桥梁、 车轮、核反应堆及发电设备等，其失效形式主要是疲劳断裂。为便于分析研究，按破坏循 环次数的高低将疲劳分为两类，低周疲劳和高周疲劳。作用于零件、构件的应力水平较高， 破坏循环次数一般低于10⁴～10⁵的疲劳称为低周疲劳；相反，作用于零件、构件的应力水 平较低，破坏循环次数一般高于10⁴～10⁵的疲劳即高周疲劳。高周疲劳断裂通常是突然发 生，而且无论脆性或者韧性材料，都不会发生明显的宏观塑性变形，因此往往导致灾难性 的后果。值得注意的是，现在很多工程构件与动力机械在服役过程中已不再是低周疲劳， 而更多的是高周疲劳，甚至是超高周疲劳。已有许多研究成果显示，材料在10⁷周次以上的 超高周疲劳阶段仍然可能发生疲劳断裂。这些年来，国内外研究学者也逐渐加大和深化对 高周疲劳的研究。

在实验室阶段，对材料高周疲劳的研究大都停留在单轴应力水平；而在实际应用中，材 料服役呈现高周循环载荷且多轴应力水平的特点。因高周疲劳试验机的控制系统主要有“线 性扫频幅度控制系统”和“PWM脉宽调制型控制系统”两类，无论哪一类控制系统，都是 基于系统共振原理进行工作的，很难实现多轴的应力状态。只有极少数专为高周疲劳的多 轴应力研究而设计的昂贵的疲劳试验机设备。因此，如何在现有的单轴高周疲劳试验机上， 对试样进行多轴疲劳试验，是一个研究的热点。

专利200610112809.9公开了一种十字型电焊试样多向疲劳加载夹具装置，实现对十字 型点焊试样进行多向循环加载疲劳测试的夹具，但是该专利对试样的要求有较大局限，非 标准试样，且只能实现拉-剪循环多向疲劳测试。因此，如何在单轴高周疲劳试验机上实现 对标准试样的拉-剪、压-剪、拉压-剪切等多轴疲劳试验，是一个亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种高周疲劳试验机的多轴疲劳试验夹具。该多轴疲劳试验夹具与 高周疲劳试验机配合试用，可以使金属等壁厚管材和实心螺纹夹持棒材等试样处于拉-剪、 压-剪、拉压-剪切等多轴疲劳应力条件下，对试样的高周、多轴的疲劳特性进行研究。同时， 该夹具还具有结构简单，易于加工，加持性能强，定位精度高，成本低等优点。

本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种高周疲劳试验机的多轴疲劳试验夹 具，包括相对的两个夹具体，每一夹具体后部的夹持端均与疲劳试验机的夹头相连，所述 夹具体后部的夹持端由引伸主轴和套合于所述引伸主轴外面的引伸套筒组成，引伸套筒的 后部设有用于与疲劳试验机夹头的法兰盘固定和锁紧的凸台和限位脚台，其特征在于：所 述引伸套筒的前端内部设有内螺纹，该内螺纹与弧形夹具后端的连接轴后部的外螺纹配合； 弧形夹具前端的内凹面设有与垂直方向呈不同角度的多个锁紧装置，所述锁紧装置的具体 结构是：

弧形夹具的内凹面上设有带盲孔的凸台，传导垫块置于盲孔内，试样连接块盖住传导垫 块，试样连接块的限位齿与凸台台面上的限位槽配合，且限位槽的侧边与引伸主轴轴线平 行；凸台的周围开有与锁紧盖侧壁适配的环形凹槽，锁紧盖盖住试样连接块，且锁紧盖通 过内螺纹螺纹连接在凸台的外螺纹上；且锁紧盖上开有穿过试样的通孔，试样连接块上设 有与试样端部外螺纹适配的内螺纹通孔。

本发明的使用方法是：

A、分别将两个夹具体的引伸套筒套合于引伸主轴上，并将两个夹具体的引申套筒后部 的限位脚台分别卡入疲劳试验机上夹头和下夹头的底座上，随后将疲劳试验机上夹头和下 夹头的法兰盘分别套在两个夹具体的引申套筒的凸台上。这样，就初步将夹具体的夹持端 与疲劳试验机的上下夹头固定。

B、将弧形夹具的连接轴拧入引伸套筒，并完全穿透引伸套筒的内螺纹部分2～5mm，使 连接轴与引伸主轴压力接触；在拧入过程中，需保持两个弧形夹具位置相互对称，保证两 个弧形夹具的内凹面上与垂直方向呈相同角度的锁紧装置相对。

C、根据多向加载的角度，选择弧形夹具的相应位向(与垂直方向的角度)的锁紧装置。

将试样的一端固定于其中一个夹具体的锁紧装置上：将试样的一端旋入试样连接块的内 螺纹通孔，直至试样穿透试样连接块2～5mm，将传导垫块置于盲孔内，试样连接块盖住传 导垫块，且试样连接块的限位齿与凸台台面上的限位槽配合，试样与传导垫块压力接触； 然后将锁紧盖的通孔穿过试样，锁紧盖盖住试样连接块，通过内螺纹螺纹紧固定在凸台上。 即完成试样一端的固定。

将试样的另一端固定于另一个夹具体的锁紧装置上：将锁紧盖的通孔穿过试样的另一 端，然后将试样连接块螺纹连接在试样的另一端上，旋转试样连接块直至试样穿透试样连 接块2～5mm，再将传导垫块置于盲孔内，缩小疲劳试验机两个夹头的距离，传导垫块靠拢 试样；试样连接块的限位齿与凸台台面上的限位槽配合，使二者能自由的竖直移动，不能 横向移动，直至试样与传导垫块压力接触；然后锁紧盖盖住试样连接块，通过内螺纹螺纹 紧固定在凸台上。即完成试样另一端的固定。

D、将之前套入两个夹具体的引伸套筒的疲劳试验机的上下夹头的法兰盘旋转锁紧。即 可进行疲劳试验。

上述的将试样的一端固定于夹具体的锁紧装置上的具体做法是：

本发明中为了更好地实现试样与传导垫块的压力接触，通过以下设计来实现：试样连接 块与弧形夹具的凸台并不完全接触，留有2～5mm；但通过较高的限位角的设计，依然可以 实现试样连接块的限位齿与凸台台面上的限位槽配合，保证避免旋紧锁紧盖时，试样连接 块的固定。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一、本发明中每个连接处的固定方式为：试样通过螺纹与试样连接块螺纹连接，与传导 垫块处于压应力状态，然后锁紧盖将试样与弧形夹具锁紧，实现试样与弧形夹具在压力状 态下的螺纹锁紧；弧形夹具的连接轴与引申套筒螺纹连接，与引申主轴处于压应力状态， 最终通过疲劳试验机的法兰盘将整个疲劳夹具锁紧。这样的连接固定方式不仅保证了夹具 对金属等壁厚管材(有外螺纹)和实心螺纹夹持棒材试样的夹持性能，使试样与疲劳试验 机之间处于无间隙的压力状态下，通过疲劳试验机竖直方向上的传感器能够准确反映试样 在多轴应力状态下的合力，保证了疲劳试验机在多轴试验下的测量精度。

二、弧形夹具的凸台台面上的限位槽的侧边与引伸主轴的轴线平行，也即限位槽的侧边 为竖直方向，与之配合的限位齿，保证了试样连接块与弧形夹具之间能够自由的竖直移动， 而限定(阻止)了二者的横向移动。从而旋紧锁紧盖时既能保证试样连接块的固定可靠， 同时也避免在试样上产生过大扭矩；便于快捷、准确、牢固地将试样固定在与竖直方向呈 一定角度的锁紧装置上。

三、弧形夹具上设置不同角度的锁紧装置，在普通高周疲劳试验机上，可以为标准试样 提供拉-剪、压-剪、拉压-剪切等多轴应力状态下，结合上述的连接固定的方式，实现了对 试样在单轴疲劳试验机上的多轴疲劳试验下，且试验结果准确可靠。

四、该试验夹具结构简单，适用性强；在更换试样时不用取下相对较重的引申套筒、引 申主轴和弧形夹具，操作简便。

进一步，本发明所述弧形夹具前端的内凹面设有两个与垂直方向分别呈30°和45°的 锁紧装置。

实际工程中，30°和45°的压力-剪切载荷是比较具有代表性的，在实验室进行多轴疲 劳研究具有代表性。当然，如果实际需要，也可以开设任意角度进行相关研究。

进一步，本发明所述试样连接块的形状为二阶台阶状，试样连接块的大台面与凸台的台 面配合，锁紧盖的内腔面为与试样连接块适配的二阶台阶状。

试样连接块的二阶台阶状设计，与锁紧盖的内腔面有台阶结构适配，增加了锁紧的稳定 性。

进一步，本发明所述弧形夹具竖直的侧面的中心开有竖槽。

这样的设计，使上下两个夹具体对中简单、方便，确保试样能够安装在同时承受多向循 环载荷时，多轴应力保持在一个受力作用平面上。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步描述。

附图说明

图1为本发明实施例整体三维结构示意图。

图2为本发明实施例整体剖面结构示意图。

图3为本发明实施例其中一个夹具的部分分解示意图。

具体实施方式

实施例

图1、图2及图3示出，本发明的一种具体实施方式是：一种高周疲劳试验机的多轴疲 劳试验夹具，包括相对的两个夹具体，每一夹具体后部的夹持端均与疲劳试验机的夹头相 连，所述夹具体后部的夹持端由引伸主轴1和套合于所述引伸主轴1外面的引伸套筒2组 成，引伸套筒2的后部设有用于与疲劳试验机夹头的法兰盘固定和锁紧的凸台2a和限位脚 台2b，其特征在于：所述引伸套筒2的前端内部设有内螺纹，该内螺纹与弧形夹具3后端 的连接轴3d后部的外螺纹配合；弧形夹具3前端的内凹面设有与垂直方向呈不同角度的多 个锁紧装置，所述锁紧装置的具体结构是：

弧形夹具3的内凹面上设有带盲孔3a的凸台3b，传导垫块4置于盲孔3a内，试样连 接块5盖住传导垫块4，试样连接块5的限位齿5a与凸台3b台面上的限位槽配合，且限位 槽的侧边与引伸主轴1轴线平行；凸台3b的周围开有与锁紧盖6侧壁适配的环形凹槽，锁 紧盖6盖住试样连接块5，且锁紧盖6通过内螺纹螺纹连接在凸台3b的外螺纹上；且锁紧 盖6上开有穿过试样的通孔，试样连接块5上设有与试样端部外螺纹适配的内螺纹通孔5b

本例中所述弧形夹具3前端的内凹面设有两个与垂直方向分别呈30°和45°的锁紧装 置。

本例中所述试样连接块5的形状为二阶台阶状，试样连接块5的大台面与凸台3b的台 面配合，锁紧盖6的内腔面为与试样连接块5适配的二阶台阶状。本例中所述弧形夹具3 竖直的侧面的中心开有竖槽3c。