一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置的制作方法

本发明涉及疲劳试验技术领域，特别是涉及一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置。

背景技术：

疲劳破坏是当在远低于材料强度极限的交变应力作用下，材料发生破坏的现象。飞机、船舶、汽车、动力机械、铁路以及桥梁等的主要零件和构件，大多在循环变化的载荷下工装，疲劳是其主要的失效形式。因此，疲劳试验对于设计各类承受循环载荷的机械和结构，成为重要的研究内容。

目前，疲劳试验装置是使试样或构件承受周期或随机变化的应力或应变，以测定疲劳极限和疲劳寿命等指标的装置。在产品投入使用前，在实验室中需要进行充分的疲劳性能试验考核，测得产品的疲劳极限和疲劳寿命，从而保证产品在实际使用过程中不会出现疲劳损伤故障。

电液伺服疲劳试验机是目前较为常见的一种成熟的疲劳试验装置，它采用电液伺服闭环控制系统，可进行试验力、变形、位移等参数的速率控制，试验操作方便、安全可靠。但是，这种试验机价格比较昂贵，维护费用也比较高，同时由于设备的配置均是固定的，因此可以实现的最大载荷、最大位移均是固定不变的，更换起来很不方便、且成本较高。

因此，目前迫切需要开发出一种疲劳试验装置，其可以在对试验件进行疲劳试验时，灵活进行最大位移的调节，并且造价低廉，灵活程度高、使用方便、更换部件简单易行。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提供一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置，其可以在对试验件进行疲劳试验时，灵活进行最大位移的调节，并且造价低廉，灵活程度高、使用方便、更换部件简单易行，有利于广泛的生产应用，具有重大的生产实践意义。

为此，本发明提供了一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置，包括：

活动执行单元，用于根据限位控制单元的控制指令，驱动需要进行疲劳试验的试验件进行反复运动；

限位单元，用于对活动执行单元的位移进行限制，使得所述限制活动执行单元所驱动的试验件在预设的位移范围内进行往复运动，并可对位移范围进行调整；

限位控制单元，分别与活动执行单元、限位单元相连接，用于向活动执行单元发出启动控制指令，使得活动执行单元开始驱动试验件在垂直方向上运动，并实时判断所述限位单元所检测获得的试验件的位移是否达到预设的最大限位位置或者最小限位位置，如果达到，则向所述活动执行单元发出预设的控制指令，控制所述活动执行单元执行预设的移动操作，从而控制所述活动执行单元驱动所述试验件一起进行反复运动；

所述预设的位移范围为预设的最大限位位置和预设的最小限位位置之间的位移范围。

其中，所述活动执行单元包括作动筒和作动筒换向调节模块；

所述作动筒的底部与一个第一连接杆相连接；

所述作动筒的顶部具有第一安装底板，所述第一安装底板安装在一个外部固定框架上；

所述作动筒的外壁上下两端分别开有一个上进排气孔和一个下进排气孔，所述上进排气孔和下进排气孔分别通过一根中空的管道与所述作动筒换向调节模块相连通；

所述作动筒换向调节模块用于对所述上进排气孔和下进排气孔，交替地施加压力和释放压力，驱动所述作动筒实现往复运动。

其中，所述作动筒换向调节模块，用于通过给作动筒的上进排气孔进气，给下进排气孔排气，从而使得作动筒中的活塞杆向下移动，以及通过给作动筒的下进排气孔进气，给上进排气孔排气，从而使得作动筒中的活塞杆向上移动。

其中，所述限位单元包括限位横梁，所述限位横梁包括在垂直方向上间隔且水平放置的上基板和下底板，所述上基板和下底板的左右两端分别与一个安装侧板相固定连接；

所述上基板的中部与所述下底板的中部之间具有水平放置的限位滑块和移动滑块，所述限位滑块位于移动滑块的上方；

所述上基板中部、限位滑块的中心位置贯穿设置有一个连接柱，所述连接柱的顶部与所述第一连接杆的底部相连接；

所述连接柱的底部与所述移动滑块顶部相连接，所述移动滑块的底部中心位置与一个第二连接杆相接。

其中，所述连接柱的顶部具有第一连接杆嵌入槽，所述连接杆嵌入槽中嵌入所述第一连接杆的底部；

所述移动滑块的顶部中心位置具有连接柱嵌入槽，所述连接柱嵌入槽中嵌入所述连接柱的底部；

所述移动滑块的底部中心位置具有第二连接杆嵌入槽，所述连接柱嵌入槽中嵌入所述第二连接杆的顶部，所述第二连接杆的底部与需要进行疲劳试验的试验件相连接。

其中，所述上基板的中部、限位滑块、移动滑块和下底板的四周间隔贯穿设置有四个导向杆，每个所述导向杆的上下两端分别通过一个导向杆固定螺母相连接，所述导向杆与所述限位滑块和移动滑块之间为间隙配合。

其中，所述上基板的中部与限位滑块上间隔贯穿设置有限位螺栓，所述限位螺栓突出于上基板顶面的部分螺纹连接有一个上限位螺母，所述限位螺栓突出于上基板底面的部分螺纹连接有一个下限位螺母。

其中，所述限位控制单元包括一个上接近开关、一个下接近开关和信号处理模块，所述上接近开关安装在所述限位滑块上，所述下接近开关安装在所述限位横梁的下底板上；

所述上接近开关，用于判断移动滑块的上表面是否到达预设的最大限位位置，如果到达，则发出第一电压脉冲信号给信号处理模块；

所述下接近开关，用于判断移动滑块的下表面是否到达预设的最小限位位置，如果到达，则发出第二电压脉冲信号给信号处理模块；

信号处理模块，分别与所述上接近开关、下接近开关相电信号连接，用于当接收到所述上接近开关发来的电压脉冲信号时，向作动筒换向调节模块发出向下运动调节命令，控制作动筒换向调节模块驱动所述作动筒进行向下运动；当接收到所述下接近开关发来的电压脉冲信号时，向作动筒换向调节模块发出向上运动调节命令，控制作动筒换向调节模块驱动所述作动筒进行向上运动。

其中，所述预设的最大限位位置为限位滑块的下表面，所述预设的最小限位位置为下底板上表面。

其中，所述限位滑块上还安装有一个计数用接近开关，所述计数用接近开关与一个计数器相连接，所述计数用接近开关用于判断移动滑块是否到达预设的最大限位位置，每当移动滑块的位置到达预设的最大限位位置时，所述计数用接近开关就向所述计数器发出电压脉冲信号，使得所述计数器计数一次。

由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提出了一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置，其可以在对试验件进行疲劳试验时，灵活进行最大位移的调节，并且造价低廉，灵活程度高、使用方便、更换部件简单易行，有利于广泛的生产应用，具有重大的生产实践意义。

附图说明

图1为本发明提供的一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置的控制原理方框图；

图2为本发明提供的一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置的立体结构示意图；

图3为本发明提供的一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置的控制连接示意图；

图4为本发明提供的一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置中限位横梁的立体结构示意图；

图5为本发明提供的一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置中限位横梁的下底板的结构示意图；

图6为沿着图5所示A-A线的剖视图；

图7为本发明提供的一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置中移动滑块的立体结构示意图；

图8为本发明提供的一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置中移动滑块的俯视图；

图9为沿着图8所示B-B线的剖视图；

图10为本发明提供的一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置中连接柱的立体结构示意图；

图11为本发明提供的一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置中连接柱的左视图；

图12为沿着图11所示C-C线的剖视图；

图13为本发明提供的一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置中限位滑块的立体结构示意图；

图14为本发明提供的一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置中限位滑块的俯视图；

图15为本发明提供的一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置中限位滑块的仰视图；

图16为沿着图15所示D-D线的剖视图；

图中，1为限位横梁，101为上基板，102为下底板，2为限位滑块，3为移动滑块，4为导向杆，5为限位螺栓，6为连接柱，7为上限位螺母，8为导向杆固定螺母，9为下限位螺母，10为作动筒,20为作动筒换向调节模块；

111为上进排气孔，112为下进排气孔，121为第一连接杆，122为第二连接杆，13为试验件，14为安装底板，15为接近开关引线孔，16为安装侧板，171为上接近开关安装孔，172为下接近开关安装孔，181为上接近开关，182为下接近开关，183为计数用接近开关。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。

参见图1，本发明提供的一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置，用于以限位机构进行位移约束的情况下，对试验件进行疲劳试验，具体包括活动执行单元100、限位单元200和限位控制单元300，其中：

活动执行单元100，用于根据限位控制单元300的控制指令，驱动需要进行疲劳试验的试验件进行反复运动，从而使得试验件具有的位移载荷实现往复循环；

限位单元200，用于对活动执行单元100的位移进行限制，使得所述限制活动执行单元100所驱动的试验件在预设的位移范围内(具体为：预设的最大限位位置和预设的最小限位位置之间的位移范围)进行往复运动，并可对位移范围进行调整；

限位控制单元300，分别与活动执行单元100、限位单元200相连接，用于向活动执行单元100发出启动控制指令，使得活动执行单元100开始驱动试验件在垂直方向上运动，并实时判断所述限位单元200所检测获得的试验件的位移是否达到预设的最大限位位置或者最小限位位置，如果达到，则向所述活动执行单元100发出预设的控制指令，控制所述活动执行单元100执行预设的移动操作，从而控制所述活动执行单元100驱动所述试验件一起进行反复运动，最终使得试验件具有的位移载荷实现往复循环。如果没有达到预设的最大限位位置或者最小限位位置，则控制所述活动执行单元100保持原运动方向继续运动。

在本发明中，参见图2、图3，所述活动执行单元100包括作动筒10和作动筒换向调节模块20。

所述作动筒10的底部与一个第一连接杆121相连接，具体为所述作动筒10内部在垂直方向设置的活塞杆底部与所述第一连接杆121相连接。

所述作动筒10的顶部具有第一安装底板141，所述第一安装底板141安装在一个外部固定框架上，实现位置固定。

所述作动筒10的外壁上下两端分别开有一个上进排气孔111和一个下进排气孔112，所述上进排气孔111和下进排气孔112分别通过一根中空的管道113与所述作动筒换向调节模块20相连通；

所述作动筒换向调节模块20，用于对所述上进排气孔111和下进排气孔112，交替地施加压力和释放压力(即对一个孔施加压力，那么对另一个孔则释放压力)，从而驱动所述作动筒10(具体为作动筒中的活塞杆)实现往复运动。具体为：作动筒换向调节模块20用于通过给作动筒10的上进排气孔111进气，给下进排气孔112排气，从而使得作动筒10中的活塞杆向下移动；作动筒换向调节模块20通过给作动筒10的下进排气孔112进气，给上进排气孔111排气，从而使得作动筒10中的活塞杆向上移动。

在本发明中，需要说明的是，所述作动筒换向调节模块20可以采用双电控二位五通电磁换向阀来实现，例如，具体实现上，可以为亚德客国际集团或宁波希沃机械有限公司生产的型号为4V220-08的双电控二位五通电磁换向阀产品。这种电磁换向阀由一个进气口P、两个出气口A和B、两个排气口R和S组成，同时由两个电磁开关进行控制，其中的进气口P与气源相连，出气口A和B分别与所述作动筒10的上进排气孔111和下进排气孔112相连。当其中一个电磁开关闭合时，进气口P和出气口A、上进排气孔111相通，出气口B、下进排气孔112和排气口S相通，从而实现给作动筒10的上进排气孔111进气，给下进排气孔112排气，控制作动筒10向一个方向(即向下)移动；当另一个电磁开关闭合时，进气口P和出气口B、下进排气孔112相通，出气口A、上进排气孔111和排气口R相通，从而给作动筒10的下进排气孔112进气，给上进排气孔111排气，控制作动筒10向相反的方向移动(即向上移动)。

需要说明的是，对于所述作动筒10，其可以通过改变进气方向(例如通过上进排气孔111和下进排气孔112的交替进气)，通过气体的压力，改变所述作动筒10内部具有的活塞杆的移动方向，并使得活塞杆运动。

参见图4至图16，所述限位单元200包括限位横梁1，所述限位横梁1包括在垂直方向上间隔且水平放置的上基板101和下底板102，所述上基板101和下底板102的左右两端分别与一个安装侧板16相固定连接，从而实现限位横梁1的刚性固定作用。

所述上基板101的中部与所述下底板102的中部之间具有水平放置的限位滑块2和移动滑块3，所述限位滑块2位于移动滑块3的上方。

在本发明中，一并参见图10至图12，所述上基板101中部、限位滑块2的中心位置贯穿设置有一个连接柱6，所述连接柱6的顶部与所述第一连接杆121的底部相连接，具体为：所述连接柱6的顶部具有第一连接杆嵌入槽60，所述连接杆嵌入槽60中嵌入所述第一连接杆121的底部。

一并参见图7至图9，所述连接柱6的底部与所述移动滑块3顶部相连接，具体为：所述移动滑块3的顶部中心位置具有连接柱嵌入槽30，所述连接柱嵌入槽30中嵌入所述连接柱6的底部。

具体实现上，所述移动滑块3的底部中心位置与一个第二连接杆122相接，具体为：所述移动滑块3的底部中心位置具有第二连接杆嵌入槽31，所述连接柱嵌入槽30中嵌入所述第二连接杆122的顶部。

具体实现上，所述第二连接杆122的底部与需要进行疲劳试验的试验件13相连接，所述试验件13的底部连接有第二安装底板142，所述第二安装底板142也安装在一个所述外部固定框架上，实现位置固定。

在本发明中，所述上基板101的中部、限位滑块2、移动滑块3和下底板102的四周间隔贯穿设置有四个导向杆4，每个所述导向杆4的上下两端分别通过一个导向杆固定螺母8相连接，所述导向杆4与所述限位滑块2和移动滑块3之间为间隙配合，同时保证配合的同轴度，使得限位滑块2的调节和移动滑块3的往复运动只能在垂直方向上，避免产生沿轴向的的旋转和水平方向的倾斜。

在本发明中，所述上基板101的中部与限位滑块2上间隔贯穿设置有限位螺栓5，所述限位螺栓5突出于上基板101顶面的部分螺纹连接有一个上限位螺母7，所述限位螺栓5突出于上基板101底面的部分螺纹连接有一个下限位螺母9，因此，如图2所示，疲劳试验人员可以通过微调上限位螺母7和下限位螺母9，实现对限位滑块2位置的缓慢调节，从而确保本发明对试验件进行疲劳试验的位移的大小符合要求的精度，实现以位移为控制参数且位移可调节的疲劳试验。当限位滑块2调节到疲劳试验人员所需要的位置后，疲劳试验人员同时锁紧上限位螺母7和下限位螺母9，使得限位滑块2通过限位螺栓5和限位横梁1进行刚性连接。

对于限位单元200，具体实现上，限位滑块2的下表面和限位横梁1的下底板102的上表面，分别通过与所述移动滑块3的上表面和下表面接触而相抵触，结合下述限位控制单元300的作用和工作原理，实现对移动滑块3上表面和下表面的具体移动位置的控制，从而实现疲劳循环的位移控制。

参见图3，对于本发明，所述限位控制单元300包括一个上接近开关181、一个下接近开关182和信号处理模块301，所述上接近开关181安装在所述限位滑块2上，所述下接近开关182安装在所述限位横梁1的下底板102上。

具体实现上，所述上接近开关181通过上接近开关安装孔171安装在所述限位滑块2上，所下接近开关182通过下接近开关安装孔172安装在所述限位横梁1的下底板102上。

参见图15和图16，所述上接近开关安装孔171的底部密封。

需要说明的是，接近开关是一种无需与运动部件进行机械直接接触而可以操作的位置开关，当物体接近开关的感应面到动作距离时，不需要机械接触及施加任何压力即可使开关动作，从而驱动直流电器或给计算机装置提供控制指令。

在本发明中，对于接近开关，用于判断移动滑块3是否到达预先设定的限位位置(即预设的感应距离)，当移动滑块3的位置到达接近开关的预设感应距离之内时，接近开关会给出电压脉冲信号。

其中，所述上接近开关181，用于判断移动滑块3的上表面是否到达预设上限位位置(即前述的预设的最大限位位置，例如限位滑块2下表面)，所述预设上限位位置是距离所述上接近开关181为预设的感应距离的位置，如果到达，则发出第一电压脉冲信号给信号处理模块301；

所述下接近开关182，用于判断移动滑块3的下表面是否到达预设下限位位置(即前述的预设的最小限位位置，例如下底板102上表面)，所述预设下限位位置是距离所述下接近开关182为预设的感应距离的位置，如果到达，则发出第二电压脉冲信号给信号处理模块301。

信号处理模块301，分别与所述上接近开关181、下接近开关182相电信号连接，用于根据接近开关发来的电压脉冲信号，向作动筒换向调节模块20发出调节命令，具体为：用于当接收到所述上接近开关181发来的电压脉冲信号时，向作动筒换向调节模块20发出向下运动调节命令，控制作动筒换向调节模块20驱动所述作动筒10进行向下运动；当接收到所述下接近开关182发来的电压脉冲信号时，向作动筒换向调节模块20发出向上运动调节命令，控制作动筒换向调节模块20驱动所述作动筒10(含其中的活塞杆)进行向上运动。

具体实现上，当移动滑块3的上表面到达预设下限位位置(例如限位滑块2下表面)时，上接近开关181测得信号，将电压脉冲信号传递给信号处理模块301，信号处理模块301从而向作动筒换向调节模块20发出向下运动调节命令，控制作动筒换向调节模块20驱动所述作动筒10进行向下运动，具体为：控制作动筒换向调节模块20给作动筒10的上进排气孔111进气，给下进排气孔112排气，从而使得作动筒10中的活塞杆向下移动，进一步通过连接杆12、连接柱6、移动滑块3的联动作用，使得试验件13被进行压缩。

具体实现上，当移动滑块3的下表面到达预设下限位位置(例如限位横梁1的下底板102的上表面)时，下接近开关182测得信号，将电压脉冲信号传递给信号处理模块301，信号处理模块301从而向作动筒换向调节模块20发出向上运动调节命令，控制作动筒换向调节模块20驱动所述作动筒10进行向上运动，具体为：控制作动筒换向调节模块20给作动筒10的下进排气孔112进气，给上进排气孔111排气，从而使得作动筒10中的活塞杆向上移动，进一步通过连接杆12、连接柱6、移动滑块3的联动作用，使得试验件13被进行拉伸。如此周而复始，在所述限位控制单元300的控制下，实现对试验件13不断地进行拉伸和压缩的疲劳循环。

在本发明中，参见图3，所述限位滑块2上还安装有一个计数用接近开关183，所述计数用接近开关183与一个计数器相连接，所述计数用接近开关183用于判断移动滑块3是否到达预设的最大限位位置(即预设的感应距离)，每当移动滑块3的位置到达计数用接近开关183的预设感应距离之内时(即预设的最大限位位置，具体为移动滑块3移动到限位滑块2下表面时)，所述计数用接近开关183就向所述计数器发出电压脉冲信号，使得所述计数器计数一次。

在本发明中，具体实现上，所述上接近开关、下接近开关和计数用接近开关可以选择苏州博大光电开关有限公司生产的型号为E3-D4PAW-40的金属接近开关，或者上海泰武电器有限公司生产的型号为E3-D4ZB的金属接近开关，这种电感式接近开关，当感应探头与金属材料的距离小于4mm时，就会产生一个电压信号，从而判断移动滑块3到达上下限位的时刻。

对于本发明，具体实现上，所述信号处理模块301可以为中央处理器CPU、数字信号处理器DSP或者单片机MCU。

对于本发明，具体实现上，参见图4，所述上基板101上具有两个接线开关引线孔15，从而方便所述计数用接近开关183和上接近开关181的引线导出，使得可以方便地分别连接计数器和信号处理模块。

需要说明的是，本发明是一种疲劳试验装置，因此需要解决的三个技术问题是：一、实现试验件的载荷的往复循环；二、控制试验件的载荷在要求的范围之内进行循环；三、保证试验件的载荷连续运行且安全可靠。本发明采用的解决方案是，该装置主要由三大部分组成：一是限位单元；二是包括作动筒和其换向调节模块的活动执行单元；三是包括金属感应接近开关和作动筒换向控制模块组成的限位控制单元。其中，限位控制单元实现试验件的循环载荷的连续运行和自动控制，活动执行单元实现试验件具有的位移载荷的往复循环，限位单元实现试验件的位移在要求的范围之内进行运动。

对于本发明提供的一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置，可以实现以位移为控制参数的对试验件的疲劳试验，且试验件的位移大小可调，且每一个组成部分均可以方便地进行更换，从而实现不同规格、不同载荷要求的对试验件的疲劳试验。本发明对于疲劳试验装置的建立是一个最基础结构的搭建，既能满足简单疲劳性能试验的需要，与常用的电液伺服疲劳试验件相比，这种设计方案又能实现灵活程度高、使用方便、更换部件简单易行。且这种装置造价低廉，非常适合中小实验室组建疲劳试验系统的需要。

因此，本发明提供的一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置，其可以以极其灵活的形式实现以限位机构进行循环位移的控制，以作动筒实现试验件的加载端的循环往复运动，以上接近开关和下接近开关来分别判断试验件的位移(即移动滑块的位移)是否达到预设的规定值，进而对作动筒的往复运动给出控制信号，从而可以方便地实现以位移为控制参数且位移可调节的循环疲劳试验，且装置造价低廉、构造简单、更换方便，可适用范围广泛。

综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的一种以限位机构进行位移约束的疲劳试验装置，其可以在对试验件进行疲劳试验时，灵活进行最大位移的调节，并且造价低廉，灵活程度高、使用方便、更换部件简单易行，有利于广泛的生产应用，具有重大的生产实践意义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。