金属线材振动疲劳试验机及金属线材振动疲劳试验方法

摘要

本发明提供一种金属线材振动疲劳试验机及金属线材振动疲劳试验方法，包括：相对设置的驱动系统和张力加载装置，以及控制器和显示设备；驱动系统包括：摆动电机、扭转电机和驱动部扭转盘，摆动电机的输出端连接所述扭转电机；扭转电机的输出轴上连接驱动部扭转盘；张力加载装置包括：依次连接的测力装置、弹性件和滑动支架，滑动支架的远离所述弹性件的一侧与一加载部扭转盘活动连接；摆动电机、扭转电机和测力装置均与显示设备连接；控制器分别与摆动电机、扭转电机和测力装置连接。本发明具有设备、方法简单，要求试样短小、试验费用低廉的特点，且本发明能够测试金属线材在各种应力下的疲劳强度和疲劳寿命。

说明书

技术领域

本发明涉及材料试验技术领域，特别是涉及一种金属线材振动疲劳试验机及金属线材振动疲劳试验方法。

背景技术

架空导地线是输电线路的主要装备组件，这些导地线在线路运行过程中，由于受到微风作用，导地线的背面会产生卡门涡流，并有交变力作用于导地线横向上。当这个交变力的频率与导地线的固有频率一致时，导地线发生同步效应而产生微风振动。出现微风振动后，导地线发生弯曲形变，线股就在原有的各种静态力，如主拉力、线夹处弯曲应力和挤压力等之外又加上动弯应变，振幅越大，动弯应力也越大。长时间的应力和应变积累进而产生疲劳断股，影响整个导地线的安全运行。目前对于导地线的振动疲劳测试是在整根绞线上进行，以通过3千万次为考核指标。测试绞线需要至少50米以上，试验周期长，费用高昂。如何设计一种试验机对单线进行振动疲劳测试，以实现待测试样短、费用低廉的目的是本领域技术人员需要解决的问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种能够对单线进行振动疲劳测试的金属线材振动疲劳试验机及金属线材振动疲劳试验方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种金属线材振动疲劳试验机，包括：相对设置的驱动系统和张力加载装置，以及控制器和显示设备；所述驱动系统包括：摆动电机、扭转电机和驱动部扭转盘，所述摆动电机的输出端连接所述扭转电机，所述摆动电机驱动所述扭转电机水平移动；所述扭转电机的输出轴上连接所述驱动部扭转盘，所述扭转电机的输出轴与水平面平行，所述扭转电机的输出轴的中轴线与所述摆动电机驱动所述扭转电机移动的方向垂直；所述张力加载装置包括：依次连接的测力装置、弹性件和滑动支架，所述滑动支架的远离所述弹性件的一侧与一加载部扭转盘活动连接，且所述加载部扭转盘与所述驱动部扭转盘相对设置；所述摆动电机、所述扭转电机和所述测力装置均与所述显示设备连接；所述控制器分别与所述摆动电机、所述扭转电机和所述测力装置连接。

优选地，所述金属线材振动疲劳试验机还包括可沿着所述扭转电机的输出轴的中轴线所在的方向移动的滑动支撑平台，所述测力装置固定设置于所述滑动支撑平台上，所述滑动支 架可在所述滑动支撑平台上滑动。

优选地，所述滑动支架包括支架本体和设置于所述支架本体底部的轮子。

优选地，所述驱动部扭转盘的中轴线和所述加载部扭转盘的中轴线均与所述扭转电机的输出轴的中轴线共线。

优选地，所述摆动电机的输出端上设有与所述扭转电机连接的摆动部传动轴；所述扭转电机的输出轴上设有与所述驱动部扭转盘连接的扭转部传动轴。

优选地，所述驱动部扭转盘上设有驱动部扭夹头，所述加载部扭转盘上设有加载部夹头，所述驱动部扭夹头与所述加载部夹头相对设置。

优选地，所述金属线材振动疲劳试验机还包括限位支架，所述限位支架处于所述驱动系统与所述张力加载装置之间，所述限位支架包括两个阻挡架，两个所述阻挡架以所述扭转电机的输出轴的中轴线为中心线对称设置。

优选地，所述显示设备包括扭转次数记录显示器、摆动角度记录显示器和张力显示器。

本发明还涉及一种金属线材振动疲劳试验方法，采用所述的金属线材振动疲劳试验机，包括以下步骤：

1)将单根金属线材的两端分别与驱动系统的驱动部扭转盘和张力加载装置的加载部扭转盘连接，所述单根金属线材的中轴线与所述扭转电机的输出轴的中轴线共线，且所述单根金属线材通过加载部扭转盘和滑动支架拉动所述弹性件，使所述弹性件伸展；设置摆动电机的预设摆动角度，设置扭转电机的预设转动速度和预设转动次数；

2)打开所述摆动电机和所述扭转电机，所述扭转电机驱动所述单根金属线材旋转，同时所述摆动电机通过所述扭转电机带动所述单根金属线材在水平面方向上往复摆动，且所述单根金属线材在摆动过程中，带动所述滑动支架往复移动；测力装置通过所述弹性件感应所述单根金属线材在摆动过程中所受到的拉力；

3)当所述单根金属线材达到预设转动次数时，停止所述摆动电机和所述扭转电机，显示设备上显示试验过程中所述单根金属线材的实际扭转次数、实际摆动角度和最大受力值；当所述单根金属线材在试验过程中断裂时，弹性件收缩至原始状态，此时，所述测力装置将感应到的拉力值为零的信号发送给控制器，所述控制器控制所述摆动电机和所述扭转电机停止，显示设备上显示试验过程中所述单根金属线材的实际扭转次数、实际摆动角度和最大受力值。

优选地，所述金属线材振动疲劳试验机还包括可沿着所述扭转电机的输出轴的中轴线所在的方向移动的滑动支撑平台，所述测力装置固定设置于所述滑动支撑平台上，所述滑动支 架可在所述滑动支撑平台上滑动；在将单根金属线材的两端分别与所述驱动部扭转盘和所述加载部扭转盘连接前，根据所述单根金属线材的长度，移动所述滑动支撑平台，使所述驱动部扭转盘和所述加载部扭转盘之间的距离与所述单根金属线材的长度相应。

如上所述，本发明的金属线材振动疲劳试验机及金属线材振动疲劳试验方法，具有以下有益效果：

本发明解决了单根金属线材的振动疲劳性能测试问题，与现有由多根单线绞合而成的绞线所进行的振动疲劳测试方法相比，本发明具有设备、方法简单，要求试样短小、试验费用低廉等特点，且本发明能够测试金属线材在各种应力下的疲劳强度和疲劳寿命。

附图说明

图1显示为本实施例的金属线材振动疲劳试验机的结构示意图。

图2显示为本实施例的金属线材振动疲劳试验机的限位支架的结构示意图。

图3显示为本实施例的金属线材振动疲劳试验机使用时单根金属线材在水平面方向上的运动轨迹的图片。

附图标号说明

100 驱动系统

110 摆动电机

111 摆动部传动轴

112 摆动机基座

120 扭转电机

121 扭转部传动轴

122 扭转机基座

130 驱动部扭转盘

131 驱动部扭夹头

200 张力加载装置

210 测力装置

211 固定支架

220 弹性件

230 滑动支架

231 支架本体

232 轮子

240 加载部扭转盘

241 加载部夹头

300 控制器

400 显示设备

410 扭转次数记录显示器

420 摆动角度记录显示器

430 张力显示器

500 滑动支撑平台

600 限位支架

610 阻挡架

611 竖杆

612 水平挡板

700 底座

800 单根金属线材

900 开关

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

如图1和图2所示，本实施例的金属线材振动疲劳试验机，包括：底座700、控制器300、显示设备400以及相对设置于底座700上的驱动系统100和张力加载装置200；控制器 300、显示设备400设置于底座700上；

驱动系统100包括：摆动电机110、扭转电机120和驱动部扭转盘130，摆动电机110设置于底座700上，摆动电机110的输出端连接扭转电机120，摆动电机110驱动扭转电机120水平移动；扭转电机120的输出轴上设有驱动部扭转盘130，扭转电机120的输出轴与水平面平行，扭转电机120的输出轴的中轴线与摆动电机110驱动扭转电机120移动的方向垂直；

张力加载装置200包括：测力装置210、弹性件220、滑动支架230和加载部扭转盘240，测力装置210和滑动支架230设置于底座700上，且滑动支架230可在底座700上滑动，弹性件220设置于滑动支架230与测力装置210之间，滑动支架230的远离弹性件220的一侧与加载部扭转盘240活动连接，且加载部扭转盘240与驱动部扭转盘130相对设置；摆动电机110、扭转电机120和测力装置210均与显示设备400连接；控制器300分别与摆动电机110、扭转电机120和测力装置210连接。

本实施例中，弹性件220为弹簧，金属线材振动疲劳试验机测试的金属式样的材料为铝线、铝合金线、钢线、铜线、铜合金线等等，设置于底座700上的开关900连接摆动电机110和扭转电机120，开关900控制摆动电机110和扭转电机120的开启和关闭。

本发明使用时，待测的单根金属线材800的两端分别连接驱动系统100的驱动部扭转盘130和张力加载装置200的加载部扭转盘240，由于扭转电机120的输出轴的中轴线与水平面平行，所以，使单根金属线材800的中轴线与扭转电机120的输出轴的中轴线共线，则单根金属线材800的中轴线也与水平面平行；单根金属线材800通过加载部扭转盘240和滑动支架230拉动弹性件220，使弹性件220伸展，此时，弹性件220承受预拉力；在设置了摆动电机110的预设摆动角度、设置扭转电机120的预设转动速度和预设转动次数后，打开摆动电机110和扭转电机120，扭转电机120驱动单根金属线材800自转，同时摆动电机110通过扭转电机120带动单根金属线材800在水平面方向上往复摆动，且单根金属线材800在摆动过程中，带动滑动支架230在底座700上沿着水平方向往复移动；测力装置210通过弹性件220感应单根金属线材800在摆动过程中所受到的拉力；当单根金属线材800达到预设转动次数时，停止摆动电机110和扭转电机120，显示设备400上显示试验过程中单根金属线材800的实际扭转次数、实际摆动角度和最大受力值；当单根金属线材800在试验过程中断裂时，弹性件220收缩至原始状态，此时，测力装置210将感应到的拉力值为零的信号发送给控制器300，控制器300控制摆动电机110和扭转电机120停止，显示设备400上显示试验过程中单根金属线材800的实际扭转次数、实际摆动角度和最大受力值。

为了使本发明的装置能够应用于多种长度的金属线材的振动疲劳测试，底座700与张力加载装置200之间设有滑动支撑平台500，滑动支撑平台500可沿着扭转电机120的输出轴的中轴线所在的方向移动，测力装置210固定设置于滑动支撑平台500上，滑动支架230可在滑动支撑平台500上滑动。在将单根金属线材800的两端分别与驱动部扭转盘130和加载部扭转盘240连接前，根据单根金属线材800的长度，移动滑动支撑平台500，使驱动部扭转盘130和加载部扭转盘240之间的距离与单根金属线材800的长度相应，一般情况下驱动部扭转盘130和加载部扭转盘240之间的距离小于等于单根金属线材800的长度。

本实施例中，测力装置210通过固定支架211固定设置于滑动支撑平台500上

滑动支架230包括支架本体231和设置于支架本体231底部的轮子232，该结构能够便于支架本体231滑动。

驱动部扭转盘130的中轴线和加载部扭转盘240的中轴线均与扭转电机120的输出轴的中轴线共线，该结构使单根金属线材800能够稳定地自转和水平摆动。本实施例中，驱动部扭转盘130和加载部扭转盘240的结构相同，均为圆盘。

为了便于传动，摆动电机110的输出端上设有与扭转电机120连接的摆动部传动轴111；扭转电机120的输出轴上设有与驱动部扭转盘130连接的扭转部传动轴121，本实施例中，扭转电机120设置于一扭转机基座122上，摆动电机110设置于一摆动机基座112上。

驱动部扭转盘130上设有驱动部扭夹头131，加载部扭转盘240上设有加载部夹头241，驱动部扭夹头131与加载部夹头241相对设置，驱动部扭夹头131和加载部夹头241分别夹持单根金属线材800的两端。

底座700上设有的限位支架600，限位支架600处于驱动系统100与张力加载装置200之间，限位支架600包括两个阻挡架610，两个阻挡架610以扭转电机120的输出轴的中轴线为中心线对称设置，阻挡架610用于限制随着摆动电机110往复摆动的单根金属线材800的位置。每个阻挡架610包括竖杆611和与竖杆611的靠近单根金属线材800的一侧连接的两个水平挡板612，两个水平挡板612中的其中一个水平挡板612的水平高度高于设置于本试验机上的单根金属线材800的水平高度，另一个水平挡板612的水平高度低于设置于本试验机上的单根金属线材800的水平高度。

显示设备400包括扭转次数记录显示器410、摆动角度记录显示器420和张力显示器430。扭转次数记录显示器410连接扭转电机120，扭转次数记录显示器410显示单根金属线材800的实际扭转次数；摆动角度记录显示器420连接摆动电机110，摆动角度记录显示器420显示单根金属线材800的实际摆动角度；张力显示器430连接测力装置210，张力显示器430 显示试验过程中，单根金属线材800所受到的最大拉力值。

本发明的试验机能够实现以下功能：

1、扭转功能，能够实现单根金属线材800扭转，即单根金属线材800自转，并能够控制和记录扭转的次数；

2、摆动功能，能够实现单根金属线材800在一定角度的摆动，并能控制和记录摆动角度；

3、加载功能，能够对单根金属线材800加载一定的张力，并记录该张力；

4、单根金属线材800断裂后，单根金属线材800扭转和摆动的功能停止。

本发明的试验机的扭转功能是指待测单根金属线材800沿着自身中轴线进行旋转，转速最大可达10000r/min。摆动功能是指待测单根金属线材800在水平面进行一定角度的转动，摆动角度在0～30°之间。加载功能是指待测单根金属线材800在试验过程中承受一定的拉力，拉力在0-2000N之间。待测单根金属线材800的长度在150～300mm之间。

本发明的装置用于研究新的材料如各种铝合金线、铝包钢线等的疲劳强度，从导线设计选材开始，为导线的疲劳寿命提供数据，节省大量试验费用。

本实施例的金属线材振动疲劳试验方法，采用该金属线材振动疲劳试验机，包括以下步骤：

1)根据所选取的单根金属线材800的长度，移动滑动支撑平台500，使驱动部扭转盘130和加载部扭转盘240之间的距离与单根金属线材800的长度相应，本实施例中，单根金属线材800为高强铝合金，型号LHA1，将单根金属线材800的两端分别与驱动系统100的驱动部扭转盘130和张力加载装置200的加载部扭转盘240连接，单根金属线材800的中轴线与扭转电机120的输出轴的中轴线共线，且单根金属线材800通过加载部扭转盘240和滑动支架230拉动弹性件220，使弹性件220伸展，弹性件220承受20N的初拉力；设置摆动电机110的预设摆动角度，设置扭转电机120的预设转动速度和预设转动次数，本实施例中，预设摆动角度β为5°，预设转动速度为5000r/min，预设转动次数为10万次；

2)打开摆动电机110和扭转电机120，扭转电机120驱动单根金属线材800旋转，同时摆动电机110通过扭转电机120带动单根金属线材800在水平面方向上往复摆动，形成图3所示的椭圆形运动轨迹，在单根金属线材800在摆动过程中，单根金属线材800带动滑动支架230在底座700上往复移动；测力装置210通过弹性件220感应单根金属线材800在摆动过程中所受到的拉力；

3)当单根金属线材800达到预设转动次数，且单根金属线材800没有断裂时，停止摆动电机110和扭转电机120，显示设备400上显示试验过程中单根金属线材800的实际扭转次数、实际摆动角度和最大受力值；当单根金属线材800在试验过程中断裂时，弹性件220收缩至原始状态，此时，测力装置210将感应到的拉力值为零的信号发送给控制器300，控制器300控制摆动电机110和扭转电机120停止，显示设备400上显示试验过程中单根金属线材800的实际扭转次数、实际摆动角度和最大受力值。

本发明解决了单根金属线材800的振动疲劳性能测试问题，与现有由多根单线绞合而成的绞线所进行的振动疲劳测试方法相比，本发明具有设备、方法简单，要求试样短小、试验费用低廉等特点，且本发明能够测试金属线材在各种应力下的疲劳强度和疲劳寿命。

综上，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。