一种快速检测金属材料元件弹性衰减的装置及检测方法与流程

本发明涉及金属材料元件的寿命测试，特别是一种快速检测金属材料元件弹性衰减的装置及检测方法。

背景技术：

金属材料元件是悬架系统中承受并传递垂直载荷和具有缓和及抑制路面引起冲击的元件。其作用是承受和传递垂直载荷，缓和并抑制不平路面所引起的冲击。

金属材料元件一般是需长期服役，工作几年、十几年，甚至几十年才会更换的金属材料元件，其弹性的衰减也是一个缓慢而长期的过程，失效形式不容易被察觉，但这样会威胁到人们的人身安全，尤其是汽车上和大型机械上使用的金属材料元件，若不被重视一旦其失效后会造成很严重的后果，所以能够预测金属材料元件的使用寿命是很急迫和严肃的问题。

由于金属材料元件的弹力衰减是一个极缓慢的过程，通常会经历十年左右，如果对金属材料元件实时测量十年的弹力衰减是不现实也不经济的，所以寻找或发明一种快速检测金属材料元件的弹性衰减的方法是很必要的。

本发明方案就解决了金属材料元件弹力衰减难以测量的困难，并且在短时间24～48小时内就可以测量、计算出金属材料元件的弹力衰减曲线，从而可以推测出十年、几十年以后金属材料元件的弹力值，测量的温度范围可以在-40-800℃。

技术实现要素：

本发明目的是针对上述存在问题，提供一种快速检测金属材料元件弹性衰减的装置及检测方法，该方法在批量金属材料元件生产出来之后可预测该批次金属材料元件的使用寿命，在服役期满的时候及时更换新的金属材料元件，既能保证金属材料元件使用时间达到最大化，也能避免重大事故的发生。

本发明的技术方案：

一种快速检测金属材料元件弹性衰减的装置，包括试验机支撑部分、试验机 液压驱动装置、金属材料元件夹持部分、加热保温及控温部分和金属材料元件弹性衰减的测量部分，试验机支撑部分由试验机底座、试验机门架和试验机横梁组成并构成试验机的整体支撑；试验机液压驱动装置垂直设置于试验机底座的中心，试验机液压驱动装置的活塞垂直向上运动；金属材料元件夹持部分由下支撑连接杆、下压板、支撑内芯柱、上压板和上支撑连接杆构成，金属材料元件设置于下压板和上压板，支撑内芯柱位于金属材料元件的中心，下支撑连接杆与试验机液压驱动装置的活塞固定连接，上支撑连接杆顶部设有力传感器并通过上法兰盘与试验机横梁固定；加热保温及控温部分由电热加热炉、下冷却水管和上冷却水管构成，电热加热炉设置于金属材料元件的夹持部分，下压板、支撑内芯柱、上压板和金属材料元件均位于电热加热炉内，电热加热炉两侧壁内设有热加温炉丝，下冷却水管设置于下支撑连接杆上，上冷却水管设置于上支撑连接杆上；金属材料元件弹性衰减的测量部分包括力传感器和计算机，力传感器位于上支撑连接杆顶部，力传感器进行模/数转换并通过导线与计算机连接。

一种利用所述快速检测金属材料元件弹性衰减装置的测试方法，包括以下步骤：

1)金属材料元件工作压力和变形量的确定

确定测试的金属材料元件的额定工作压力P₀；

2)金属材料元件的安装

将测试用金属材料元件安装在设计好的金属材料元件夹持部分上，再将其安装在试验机上的上支撑连接杆和下支撑连接杆之间，金属材料元件的安装数量为单个或多个，安装形式为串联或并联，金属材料元件为单个或串联时，额定工作压力为P₀；金属材料元件为并联时，额定工作压力为nP₀，n为并联数量，对于需要对金属材料元件进行加热、保温或控温时，则将电加热炉安装在上支撑连接杆和下支撑连接杆上，而将冷却水管分别安装在上支撑连接杆和下支撑连接杆上；

3)加预载

先打开冷却水管，再开启试验机液压控制装置的电源，试验机液压控制装置推动下支撑连接杆，压缩金属材料元件，压至金属材料元件的弹力为P₀，保持试验机液压控制装置的活塞的位置不再变化，然后将电热加热炉升温至需要的温度并保温；

4)数据记录

电热加热炉温度稳定后，记录24-48小时内弹力值变化时的时间T与弹力Pt的数值，保持金属材料元件的变形量不变，在输出的数据中记录时间T和弹力Pt的数值，制成表格数据待用；

5)数据处理

用数据处理软件处理上述得到的表格数据，可得到时间T和弹力Pt的关系，经分析可知时间T和弹力Pt符合曲线公式：⑴，任意选取一个上述表格数据带入曲线公式(1)中计算得出a＝a_t、b＝b_t，得出该弹力衰减曲线公式(2)；

6)金属材料元件寿命的预测

查阅资料可知该金属材料元件失效时的弹力值Pt_失，将Pt_失带入曲线公式(2)可计算出该金属材料元件失效的时间t_失，即可推测其使用寿命。

本发明的优点和有益效果是：

1)该方法可测试不同使用温度的金属材料元件的弹性松弛情况，可检测的温度为-40～800℃，满足金属材料元件的各种使用工况；

2)该方法可在24～48小时时间内预测五年、十年甚至几十年以后金属材料元件的工作情况，特别适用于工厂对批量金属材料元件产品的弹性性能的检测和寿命的预测。

附图说明

图1为该装置的主视结构示意图。

图2为金属材料元件碟簧的安装示意图。

图3为金属材料元件实验所用规格的碟簧时3000min内弹力值变化时的时间T与弹力P的数值曲线。

图中：1.试验机液压驱动装置，2.试验机液压驱动装置的活塞，3.下支撑连接杆，4.电热加热炉，5.电热加温炉丝，6.金属材料元件，7.上支撑连接杆，8.上法兰盘，9.试验机横梁，10.力传感器，11a.上冷却水管，11b.下冷却水管，12.上压板，13.支撑内芯柱，14.下压板，15.试验机门架，16.试验机底座，17.计算机。

具体实施方式

实施例：

一种快速检测金属材料元件弹性衰减的装置，如图1所示，包括试验机支撑部分、试验机液压驱动装置、金属材料元件夹持部分、加热保温及控温部分和金属材料元件弹性衰减的测量部分，试验机支撑部分由试验机底座16、试验机门架15和试验机横梁9组成并构成试验机的整体支撑；试验机液压驱动装置1垂直设置于试验机底座16的中心，试验机液压驱动装置的活塞2垂直向上运动；金属材料元件夹持部分由下支撑连接杆3、下压板14、支撑内芯柱13、上压板12和上支撑连接杆7构成，金属材料元件6设置于下压板14和上压板12之间，支撑内芯柱13位于金属材料元件6的中心，下支撑连接杆3与试验机液压驱动装置的活塞2固定连接，上支撑连接杆7顶部设有力传感器10并通过上法兰盘8与试验机横梁9固定；加热保温及控温部分由电热加热炉4、下冷却水管11b和上冷却水管11a构成，电热加热炉4设置于金属材料元件6的夹持部分，下压板14、支撑内芯柱13、上压板12和金属材料元件6均位于电热加热炉4内，电热加热炉4两侧壁内设有热加温炉丝5，下冷却水管11b设置于下支撑连接杆3上，上冷却水管11a设置于上支撑连接杆7上；金属材料元件弹性衰减的测量部分包括力传感器10和计算机17，力传感器10位于上支撑连接杆7顶部，力传感器10进行模/数转换并通过导线与计算机17连接。

所述金属材料元件夹持部分可按照不同的金属材料元件的形状和特性自行设计，方便金属材料元件弹性衰减的测量即可。

一种利用所述快速检测金属材料元件弹性衰减装置的测试方法，包括以下步骤：

1)金属材料元件工作压力和变形量的确定

本实验用金属材料元件为碟簧，材料60Si₂MnA；规格：45mm×22.5mm×3.5mm×2.5mm；两个并联为一组，每组进行串联，共40个碟簧，所承受的额定负载为15.4KN，在室温环境下进行。

2)金属材料元件的安装

将测试用金属材料元件碟簧两个并联为一组，每组进行串联，共40个，安装在设计好的金属材料元件夹持部分上，如图3所示，再将其安装在试验机上的上支撑连接杆和下支撑连接杆之间。

3)加预载

先打开冷却水管，再开启试验机液压控制装置的电源，试验机液压控制装置推动下支撑连接杆，压缩金属材料元件，压至金属材料元件的弹力为15.4KN，保持试验机液压控制装置的活塞的位置不再变化，然后将电热加热炉升温至需要温度并保温。

本实验是在常温下进行，所以冷却水管不需要打开，电加热炉不需要安装。

4)数据记录

记录3000min内弹力值变化时的时间T与弹力Pt的数值，保持金属材料元件的变形量不变，在输出的数据中记录时间T和弹力Pt的数值，制成表格1，数据待用；

表1

5)数据处理

用数据处理软件处理上述得到的表格数据，可得到时间T和弹力Pt的关系，拟合图如图3，经分析可知时间T和弹力Pt符合曲线公式：P＝a+b lnt⑴，取表中(t＝10，P＝15.23)，(t＝1200，P＝15.1)带入公式(1)中计算得出：a＝15.2924，b＝－0.02714，即该金属材料元件碟簧的弹性衰减曲线公式为：

P＝15.2924－0.02714×lnt(2)

6)金属材料元件寿命的预测

a.若设定该种碟簧的弹性衰减率在3.5％左右时失效，则此时其弹性力为

15.4KN*(1-0.035)＝14.861KN，

带入公式(2)为14.861＝15.2924-0.02714xlnt

求解lnt＝15.8953574，t＝8003243.0600094min＝15.22687年≈15年

即预测该金属材料元件在地15年的时候弹性衰减率为3.5％，此时可 判断该金属材料元件失效。

b.预测该金属材料元件十年时弹力值：

P10＝＝14.8724KN

其弹力衰减率为：

x100％＝3.42597％≈3.43％

再根据使用要求判断十年后该元件的使用性能：其弹性衰减率为3.43％。