新型材料力学性能试验系统的设计

　　1　前言

　　在机械结构和零件设计时,人们可根据材料的物理性能、化学性能、工艺性能、力学性能等进行选材。而在许多情况下材料的力学性能指标尤其重要。对材料的力学性能进行测试的方法有很多,如静载拉伸试验、冲击试验、硬度试验等。本文介绍一种新型的材料力学性能试验系统。

　　2　试验系统组成

　　传统的材料力学试验设备往往只能完成少数几个性能指标的测试(如万能材料试验机、冲击试验机等),且设备费用较高,使其应用范围受到限制。本设计的试验系统将多种材料力学试验集中于一台机器上进行,能够完成材料弹性模量E及泊松比μ的测定、压杆稳定试验、悬臂梁试验、弯扭组合受力分析试验、偏心拉伸实验、纯弯曲梁横截面上正应力分布规律试验以及电阻应变片灵敏系数标定等。本试验系统的组成如图1所示。

　　3　结构设计

　　本实验系统采用电测法测试材料的力学性能。要求能够完成以下实验:①纯弯曲梁横截面上正应力的分布;②电阻应变片灵敏系数的标定;③材料弹性模量E,泊松比μ的测定;④偏心拉伸实验;⑤弯扭组合受力分析;⑥悬臂梁试验;⑦压杆稳定试验;⑧组合叠梁的实验。

　　根据以上要求对实验系统结构进行设计。

　　3·1　加载机构的设计

　　(1)加载机构的选择

　　要使设备满足性能要求,加载机构的设计是关键。作为非破坏性的电测实验,最大载荷一般不会超过10 kN。对各试件的加力若采用电动、液压、气动等机构,会使结构过于庞大,还需动力源。为此,对各种常见的机械机构进行了综合比较和分析,感到某一种形式的机构难以满足设计要求。最后决定采用蜗杆蜗轮加螺旋复合加载机构。转动蜗杆端部的手轮进行手动加载,带动连接蜗轮的主轴下方螺纹转动,使得与主轴螺纹旋配的滑移轴上下移动(限制其转动),完成对试件加载的动作。该复合机构巧妙地组合了2种省力机构,使回转运动转变成直线移动。经试制表明,该套机构达到了结构紧凑、操作省力、加载稳定、自锁可靠等优点。一般蜗杆蜗轮机构常用于机械传动,这里则用于对试件的加载,实践证明,在不产生对轮齿破坏的情况下,不失为一种好的加载形式。该复合加载机构,近几年还用于其它小荷载加载方面,效果也较好。

　　(2)传动比的确定

　　传动比数值直接影响着机构体积、加载速度、手轮转矩的大小等。设计时既要考虑加载精度,又要考虑空行程移动的速度。经反复对比、分析和试验,最后确定蜗轮蜗杆传动比为1∶15,即手轮转15圈,试件作用行程为2 mm。该传动比综合考虑了各方面因素的影响,事实证明,该参数能够满足实际使用的要求。