一种电液伺服疲劳试验机用液压夹具

摘要

本发明公开了一种电液伺服疲劳试验机用液压夹具，属于电液伺服疲劳试验机技术领域。该液压夹具包括结构相同的上夹具和下夹具，上夹具和下夹具均包括锁紧螺纹、夹具外套和环状夹块，其中：所述夹具外套是由夹头外壳与端盖密封连接形成，所述夹头外壳与端盖均具有阶梯状环形空腔，夹头外壳的环形空腔内放置所述环状夹块，环状夹块用于试验样品的夹持，端盖的环形空腔内容纳活塞；所述环状夹块通过圆形底盘与所述活塞相连接；所述活塞能在液压的作用下沿环状夹块轴线往复移动，从而驱动环状夹块夹紧试验样品或释放试验样品。该夹具降低了试样夹持端在疲劳试验过程中的断裂概率，并提高了疲劳试验效率。

说明书

技术领域

本发明涉及电液伺服疲劳试验机技术领域，具体涉及一种电液伺服疲劳试验机用液压夹具。

背景技术

在实际的工程应用过程中，疲劳破坏是结构材料失效的主要方式之一，据统计由疲劳导致的构件失效破坏在所有构件失效破坏中约占80％。而且疲劳断裂往往具有突发性、灾难性的特点，导致的损失一般也比较巨大。因此材料的疲劳问题是构件实际应用之前不可避免的一个主要环节，要想保证构件的服役安全性就必须能够准确、安全、快速的测量出材料的疲劳性能。

疲劳试验是一个专业度比较高的试验，对试验设备、试样和人员的要求都很高。疲劳试验要求试样平行段表面的光洁度Ra≤0.2um，如此高的要求使得每个试样的加工费就需要几百元，一组疲劳试验需要大约30个疲劳试样。一个试样需要疲劳试验机不停的工作几小时到几十个小时不等，一组疲劳试验需要昼夜不停的工作1个月左右，疲劳试验是按照试验时间来收费的，就算常规试验的收费标准也是100～200/小时，在满足试验参数要求的情况下，试验周期越短，试验成本越低，越有利于材料的推广应用。如果在试验过程中发生夹持端断裂，那么该试样所获得的实验结果将无效。这个试验所造成的时间消耗和试样损坏都是无法改变的，所以试样在安装的时候发生变形或者试验过程中发生夹持端断裂会大大的浪费试验时间和增加试验费用，加大材料的开发难度。

使用液压油源的电液伺服疲劳试验机是疲劳试验中最广泛使用的设备，它可以做拉伸、压缩、弯曲、高周疲劳、低周疲劳、断裂韧性、裂纹扩展速率等各种试验，而现阶段电液伺服疲劳试验机所使用的液压夹具配备的是楔形夹块，楔形夹块的工作原理是通过液压夹具给楔形夹块足够的压力使得楔形夹块上的纹路镶嵌入试样表面使得试样在工作过程中不发生打滑。但是在夹持的过程中试样表面会产生夹痕，在试验的过程中裂纹可能会从夹痕处萌生并断裂，从而导致试验结果无效。另外，试样在被楔形夹块在夹持的时候的所受的是轴向和水平方向的合力，该合力对于一些样品来说可能会导致试样在夹持的过程中变形，从而导致试样报废。现阶段试验机厂家为了解决楔形夹块夹持所产生的问题采取了各种措施，有的试验机厂商采取了设置试样保护程序的方法，通过卸载夹持过程中试样所受的过大载荷来避免试样的报废；有的是试验机厂家通过采用试样夹持过程中改变控制方式来卸载试样所承受的过大载荷来保护样品。但是这些都没有从根本上解决试样在夹持的过程中试样变形的问题。想要解决这个问题最好的方法就是采用平推液压夹具，平推液压夹具能够保证试样在夹持的过程中只受水平力不受轴向力，从而避免了试样在夹持过程中发生变形。但是平推液压夹具由于其结构的原因导致其体积较大且成本较高。一方面，常规的疲劳试验机没有足够的空间来安装平推液压夹具；另一方面，使用平推夹具会大大的增加试验机的成本，进而会提高疲劳试验的费用，加大材料研发和应用的难度。另外，传统高温试验使用的是机械夹具，机械夹具在加热的过程中由于热胀冷缩会导致机械夹具与试样之间产生间隙，需要人工手动反复锁紧机械夹具防止试验失败，但是高温下会给人工带来诸多操作不便，影响疲劳试验效率。还有就是疲劳试验对试验机的同轴度要求很高，对于电液伺服疲劳试验机来说要求同轴度≤5％，而液压楔形夹具的使用会增大试样试验时所受的侧向力，从而使得整个疲劳机试验系统的同轴度增大，增加试验失败的风险。

发明内容

针对传统的液压夹具所使用楔形夹块在夹持时其上的锯齿陷入试样中而导致的试样表面损伤或因夹持端断裂导致的试验结果无效问题；以及在夹持的过程中试样因受挤压导致变形而使试样损坏的问题，本发明的目的在于提供一种电液伺服疲劳试验机用液压夹具，该夹具降低了试样夹持端在疲劳试验过程中的断裂概率，并提高了疲劳试验效率。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种电液伺服疲劳试验机用液压夹具，包括结构相同的上夹具和下夹具，上夹具和下夹具均包括锁紧螺纹、夹具外套和环状夹块，其中：所述夹具外套是由夹头外壳与端盖密封连接形成，所述夹头外壳与端盖均具有阶梯状环形空腔，夹头外壳的环形空腔内放置所述环状夹块，环状夹块用于试验样品的夹持，端盖的环形空腔内容纳活塞；所述环状夹块通过圆形底盘与所述活塞相连接；所述活塞能在液压的作用下沿环状夹块轴线往复移动，从而驱动环状夹块夹紧试验样品或释放试验样品。

所述锁紧螺纹用于所述液压夹具活塞与疲劳试验机的连接。

所述活塞为阶梯状结构，活塞前端与后端分别与端盖的环形空腔内壁紧密接触；所述活塞的前端与端盖环形空腔的阶梯面之间形成第一液压腔；同时，所述活塞的前端与所述夹头外壳的后端面之间形成第二液压腔；第一液压腔与第二液压腔分别通过管路连接压力油源。

所述活塞与所述圆形底盘焊接或螺栓连接；圆形底盘与环状夹块通过螺栓连接，所述圆形底盘上设有环状凸起，该环状凸起卡接于所述环状夹块后端螺纹处，以增强圆形底盘与环状夹块连接的稳固性及保持轴线一致性。

所述夹头外壳的环形空腔与环状夹块的接触面上分别加工有内螺纹与外螺纹，通过内、外螺纹配合实现所述环状夹块在夹具外套中的固定。

所述环状夹块上外螺纹的牙型为三角形，三角形牙型的接近加工端的表面与环状夹块轴线的角度为α＝15-30°，三角形牙型的远离加工端的表面与环状夹块轴线的角度为β＝60-75°；上夹具的三角形牙型的上侧表面与环状夹块轴线的角度为60-75°，三角形牙型的下侧表面与环状夹块轴线的角度为15-30°；夹头外壳的环形空腔的内螺纹的外径和螺距与外螺纹的内径和螺距相配合。

所述环状夹块是由三个等分瓣状夹块组成，每个瓣状夹块夹角为110°，剩余30°的空间用于夹紧试样。

所述环状夹块的材质为硬度60～65HRC的超高强度钢，环状夹块直接与试样接触，环状夹块与试样的接触面是光面没有锯齿纹路，可以保证夹持试样的时候不会损伤试样表面。

该液压夹具工作时，第一液压腔内进液加压，驱动活塞向夹持端移动，从而推动环状夹块向轴向方向靠拢，进而夹持住试样；第二液压腔内进液加压，驱动活塞向远离夹持端移动，从而释放试样。

所述夹具外套上开设有冷却水入口及冷却水出口，冷却水入口及冷却水出口连接夹具外套中的冷却管道，用于冷却水的流通。

所述上夹具的锁紧螺纹上端套装锁紧环和垫片后连接轴向力传感器，轴向力传感器连接疲劳试验机；所述下夹具的锁紧螺纹下端套装锁紧环和垫片后连接活塞杆。

本发明液压夹具设计机理如下：

1、液压夹具结构。该液压夹具主要由锁紧螺纹、夹具外套、环状夹块三部分组成。其中锁紧螺纹用于液压夹具跟试验机的作用缸主轴连接，保证该液压夹具与试验机的连接刚度，试验过程中不会发生松动。夹具外套通过油管与液压源连接，液压源给液压夹具夹持试样提供动力，夹具外套与环状夹块的接触面加工斜向下的内螺纹并与环状夹块的外螺纹匹配，工作时液压缸通过挤压环状夹块的外螺纹来是的环状夹块夹持住试样。每个环状夹块由三个等分花瓣状夹块组成，每部分占110°，剩余30°的空间用于夹紧试样，环状夹块采用硬度为60～65HRC的超高强度钢制作而成，环状夹块直接与试样接触，环状夹块与试样的接触面是光面没有锯齿纹路，可以保证夹持试样的时候不会损伤试样表面。

2、液压夹具的高温试验功能。传统的高温疲劳试验只能使用机械夹具，机械夹具使用时需要人工手动去锁紧试样，但是在高温疲劳试验的过程中由于试样和机械夹具的热胀冷缩不同，试样和机械夹具之间会产生间隙而使得试样发生松动从而导致试验失败，除非在高温试验过程中手动再次锁紧，但是高温试验的时候机械夹具的温度很高手动去锁紧比较困难。新型液压夹具外套中加工有冷却水通道使得该夹具有水冷功能，能够将试样或者高温炉产生辐射的热量带走，避免因高温导致的给液压夹具带来的损伤，因此该夹具可以用于高温试验中，且该夹具为液压夹具，当热胀冷缩产生间隙后液压夹具也会自动夹紧试样，使得试样始终处于夹紧状态，避免了人工频繁的夹紧试样也保证了试验的稳定和准确。

3、液压夹具的同轴度好。疲劳试验对夹具的同轴度要求非常高，ASTM标准中要求试验机的系统同轴度不大于5％，夹具的同轴度在整个试验机系统中占很大的比例，夹具同轴度的高低能够直接影响疲劳试验的精确性。该夹具由于使用的是对称的三瓣状夹块设计，在夹持试样的时候能够使试样的受力更加均匀，相对于使用两个楔形夹块的传动液压夹具来说能够有更好的同轴度。因而该夹具的使用对降低试验机系统的同轴度有积极作用，能够对疲劳试验结果的准确性起到更好的促进。

本发明的优点和有益效果如下：

(1)使用该液压夹具以后，有效地解决了某些材料疲劳过程中出现的因为夹持损伤导致的试样在疲劳过程中夹持端断裂的难题，大大降低了试样夹持端在疲劳试验过程中断裂的概率，提高了疲劳试验效率。

(2)整套装备的使用和维护成本跟传统的液压夹具一样，不会额外增加试验成本。

(3)该夹具的使用对试验机系统的同轴有促进作用，完全能够满足疲劳试验的要求，经过实践证明：使用该液压夹具后能够将试验机系统的同轴从4％提高到2％，保证疲劳试验结果的准确性。

(4)该液压夹具内部有冷却水通道具有冷却功能，能够使用一些高温试验中，能够有效地弥补机械夹具在高温疲劳试验中因为热胀冷缩产生间隙导致的实验失败情况，能够有效地提高试验效率。

附图说明

图1为本发明液压夹具整体结构示意图。

图2为本发明液压夹具的下夹具结构示意图。

图3为本发明液压夹具的环状夹块结构示意图。

图4为本发明液压夹具的环状夹块俯视图。

图中：1-下夹具；101-锁紧螺纹；102-环状夹块；103-夹头外壳；104-端盖；105-活塞；106-圆形底盘；107-第一液压腔；108-第二液压腔；109-管路；110-瓣状夹块；2-上夹具；3-锁紧环；4-垫片；5-活塞杆；6-轴向力传感器；7-进水/出水口。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，以下结合实例对本发明进行描述，但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。

为解决传统高温试验使用的机械夹具需要手动反复锁紧带来的人工操作不便，及降低材料研发的试验费用，本发明设计了一套

如图1-4所示，该液压夹具包括结构相同的上夹具2和下夹具1，上夹具和下夹具均包括锁紧螺纹101、夹具外套和环状夹块102，其中：所述夹具外套是由夹头外壳103与端盖104密封连接形成，所述夹头外壳与端盖均具有阶梯状环形空腔，夹头外壳103的环形空腔内放置所述环状夹块102，环状夹块用于试验样品的夹持，端盖104的环形空腔中容纳活塞105；所述环状夹块102通过圆形底盘106与所述活塞105相连接；所述活塞能在液压的作用下沿环状夹块轴线往复移动，从而驱动环状夹块夹紧试验样品或释放试验样品。

所述液压夹具的活塞105为阶梯状结构，其前端(夹持端)直径大于后端直径，前端直径为后端直径的1.5-2倍，活塞前端与后端分别与端盖的环形空腔内壁紧密接触，接触面设密封圈；所述活塞的前端与端盖环形空腔的阶梯面之间形成第一液压腔107；同时，所述活塞的前端与所述夹头外壳的后端面之间形成第二液压腔108；第一液压腔与第二液压腔分别通过管路109连接压力油源。

所述活塞与所述圆形底盘焊接或螺栓连接；圆形底盘与环状夹块通过螺栓连接，所述圆形底盘上设有环状凸起，该环状凸起卡接于所述环状夹块后端螺纹处，以增强圆形底盘与环状夹块连接的稳固性及保持轴线一致性。

所述夹头外壳的环形空腔与环状夹块的接触面上分别加工有内螺纹与外螺纹，通过内、外螺纹配合实现所述环状夹块在夹具外套中的固定。

如图3所示，所述环状夹块上外螺纹的牙型为三角形，三角形牙型的接近加工端的表面与环状夹块轴线的角度为α＝15-30°，三角形牙型的远离加工端的表面与环状夹块轴线的角度为β＝60-75°；上夹具的三角形牙型的上侧表面与环状夹块轴线的角度为60-75°，三角形牙型的下侧表面与环状夹块轴线的角度为15-30°；夹头外壳的环形空腔的内螺纹的外径和螺距与外螺纹的内径和螺距相配合。

如图4所示，所述环状夹块是由三个等分瓣状夹块110组成，每个瓣状夹块夹角为110°，剩余30°的空间用于夹紧试样。所述环状夹块的材质为硬度60～65HRC的超高强度钢，环状夹块直接与试样接触，环状夹块与试样的接触面是光面没有锯齿纹路，可以保证夹持试样的时候不会损伤试样表面。

本发明液压夹具工作时，第一液压腔内进液加压，驱动活塞向夹持端移动，从而推动环状夹块向轴向方向靠拢(挤压环状夹块的外螺纹)，进而夹持住试样；第二液压腔内进液加压，驱动活塞向远离夹持端移动，从而释放试样。

所述夹具外套上开设有冷却水入口及冷却水出口(如图1中进水/出水口7)，冷却水入口及冷却水出口连接夹具外套中的冷却管道，用于冷却水的流通。

所述锁紧螺纹101用于所述液压夹具的活塞与疲劳试验机上活塞杆的连接，具体为：上夹具的锁紧螺纹上端套装锁紧环3和垫片4后连接轴向力传感器6，轴向力传感器连接疲劳试验机；下夹具的锁紧螺纹下端套装锁紧环3和垫片4后连接活塞杆5。

本发明的液压夹具使用过程如下：

(1)按照设计要求对液压夹具进行选材和加工后安装在疲劳试验机上。

(2)对安装有新型液压夹具的疲劳试验机进行同轴检定，保证疲劳试验机系统的同轴符合试验标准。

(3)根据试样夹持端尺寸选择合适的夹块，试样的夹持端至少伸入液压夹块的2/3处，安装试样，调节加持力压力到合适值，夹持试样。保证试样不会在疲劳试验的过程中发生打滑。

(4)按照要求设置疲劳试验参数，开始疲劳试验。

(5)如果做高温试验的时候，液压夹具需要先通冷却水，然后高温炉升温，待温度达到后保温30min后，设置疲劳试验参数，开始疲劳试验。

本发明液压夹具使用全新的结构设计来避免传统液压夹具使用楔形夹块夹持试样时带来的试样表面损伤，且可以大幅度的降低楔形夹块夹持试样时导致的试样变形风险。另外，该液压夹具内部分布有冷却水通道，可使用冷却水给液压夹具降温避免损坏，使得该液压夹具能够使用在高温疲劳试验中，由于是液压夹持能够时刻保持试样夹持力的稳定，能够有效避免机械夹具再高温疲劳试验过程中需要人工反复锁紧的难题，也保证了高温疲劳试验的稳定和准确。该装置的同轴性比传统液压夹具要好，使用该装置的电液伺服疲劳试验的同轴度也会有大幅度的改善，从而也能促进疲劳试验结果的准确。该装置的结构简单、体积与楔形夹具也差不多，使用该夹具并不会导致试验机的结构发生变化和额外增加试验机的成本。

本发明液压夹具使用时注意事项如下：

1、要求整个液压夹具的加工必须按照图纸要求进行选材和加工，加工精度达到设计要求。

2、试样安装的过程中，必须保证试样夹持端伸入环状夹块内至少2/3处。

3、高温试验的时候必须先打开冷却水通道，且冷却水在20℃时流量达到2L/min。

该液压夹具适用于夹持棒状或筒状试样，无法夹持板状试样。该夹具所用的环状夹块只能夹持固定尺寸的棒状试样，不同尺寸的棒状试样需要配备不同环状夹块。