一种测试高低温环境中钢丝双向反复弯曲的实验装置和实验方法与流程

本发明涉及钢丝弯曲疲劳试验技术领域，具体涉及一种测试高低温环境中钢丝双向反复弯曲的实验装置和实验方法。

背景技术：

现行的金属材料反复弯曲试验方法遵循gb/t238-2002。方法中明确规定了室温环境下丝材双向反复弯曲的实验内容，弯曲试验所用装置如图1所示。其测试原理为：使装置的弯曲臂处于垂直位置，将试样由拨杆孔插入，试样下端用夹块夹紧，并使试样垂直于圆柱支座轴线；弯曲试验时，在规定半径的弯曲圆弧平面内将试样自由端弯曲90°，返回起始位置，再向相反方向弯曲90°，再返回起始位置，按此交替，进行连续而不间断地反复弯曲试验。该试验使用的加载装置尺寸相对较大，而且钢丝反复摆动的弯曲圆弧平面，需要有较大的运行空间。其加载方式也不具备添加高低温环境装置的条件。所以，用现有装置和方法不能实现高低温环境中丝材的双向反复弯曲性能测试。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种测试高低温环境中钢丝双向反复弯曲的实验装置和实验方法，本发明方法加载方式平稳，位移控制精准，弯曲变形装置结构精巧。加载方式与变形装置匹配，能有效节省实验运行空间，适用于高低温环境箱内部狭窄空间中钢丝双向反复弯曲测试使用。

为实现上述目的，本发明所采用的方案如下：

一种测试高低温环境中钢丝双向反复弯曲的实验装置，包括轴向疲劳试验机、高低温环境试验箱和弯曲装置；所述高低温环境试验箱设置于疲劳试验机的横梁与工作平台之间，用于提供试验用温度环境；所述弯曲装置设于高低温环境试验箱内；其中：

所述弯曲装置包括试验载台和压头，所述试验载台上端面上沿直径位置加工有矩形沟槽；所述矩形沟槽将所述试验载台的上部分隔出两个相对设置的支撑台；

所述压头为弯曲装置中用于施加载荷的部件，压头的中部安装可更换的固定装置，固定装置能对钢丝试样施加载荷，拉动钢丝分别向上或向下发生弯曲变形；所述压头为圆柱状结构，其轴线垂直于矩形沟槽的底面，且压头的下部伸入矩形沟槽内；所述钢丝试样水平固定，钢丝的中心固定在所述固定装置内，钢丝试样的两端伸入试验载台上的两个支撑台内，支撑台内设置两个套丝结构限制钢丝试样的上下滑动。

所述试验载台为圆柱状结构，由合金钢制成，载台的底面中心位置设有内螺纹孔，载台通过内螺纹孔与加载链a连接，加载链a连接到疲劳试验机的基座上。

所述压头的上部设外螺纹，压头通过外螺纹与加载链b连接，加载链b与疲劳试验机的力传感器相连接，压头能在疲劳试验机加载力的作用下沿竖直方向移动；所述压头的底部端面设计为弧形结构。所述加载链a和加载链b均包括多个长短不同的拉杆，各拉杆之间通过螺纹相连接，长度可调。

所述套丝结构与所述试验载台为分体结构，套丝结构为圆柱状，沿其轴线处开有钢丝孔，套丝结构在朝向矩形沟槽侧的一个端面设计为内凹弧形面402。

所述试验载台的两个支撑台的内侧壁上开有承载槽，套丝结构置于承载槽中后，由压紧螺栓从上部进行压紧固定。

每个支撑台的上端面上各开有两个与承载槽相连通的螺纹孔，压紧螺栓拧入螺纹孔后抵接在套丝结构上，再进一步拧紧螺栓，实现套丝结构在承载槽内的固定。

所述压头的中部开有腰形孔，固定装置放于所述腰形孔内，固定装置有不同规格，对应于不同尺寸的钢丝样品；所述固定装置的中心开有加载孔，加载孔的曲率与钢丝样品一致。

所述固定装置上沿竖直方向开设矩形通槽，矩形通槽的上下表面各设有一个直角三角形凸块，凸块两个直角端相对设置并在所述固定装置的中心位置形成加载孔。

利用所述实验装置进行的测试高低温环境中钢丝双向反复弯曲的实验方法，包括如下步骤：

(a)安装环境箱和弯曲装置：

先在疲劳试验机横梁与工作台面之间安置好环境箱，再把弯曲装置放入环境箱腔体内部；然后把压头与试验机的传感器和加载链连接好，再移动横梁调整好作动缸上下运动的实验空间；

(b)钢丝样品安装，具体包括如下步骤(b1)-(b4)：

(b1)选择与指定规格钢丝配用的固定装置和套丝；

(b2)将钢丝样品水平穿过载台左右承载槽和压头的加载孔中；

(b3)把套丝安装进载台两侧承载槽中，调整套丝位置，以确保样品的弯曲标距l0，然后用压紧螺丝固定套丝；

(b4)安装压头中部的固定装置：固定装置中心的加载孔与钢丝表面要紧密配合，以保证施加载荷时的接触圆弧面积；固定槽加载孔的角度和侧面要对中安装，才能发挥校验钢丝弯曲程度和防止钢丝发生侧向作用。

(c)实施加载，具体包括如下步骤(c1)-(c4)：

(c1)把试验机当前载荷清零，把位移值偏置为零，设置为位移控制模式；(c2)编制加载程序，选择位移为控制命令，设置加载位移值为±d，d值等于l0/2；给定加载速率，加载速率一般不超过5mm/min，标距大可以适当增加速率，但不易过快，要保证实验过程能平稳进行；加载波形一般采用三角波；同时疲劳试验机可以比较方便地设置时间、载荷、位移、循环周次等数据采集条件，最终就能够得到详细的实验过程和结果数据；

(c3)启动疲劳试验机，作动缸运行，给试样施加载荷，样品水平方向的中心点在拉力或压力的作用下，带动钢丝随着压头上下做有规律的运动，钢丝中心点运动到位移的上下峰谷值时，钢丝发生向上或向下的90度弯曲，加载动作上下交替反复运行，直到样品发生损伤或断裂，实验停止；

(c4)实验过程中可通过环境箱观察窗，观察钢丝运动状态和钢丝表面弯曲变形部位是否有局部损伤，按实验要求可以随时中止实验或者当钢丝断裂时将触发程序保护命令，自动终止实验，结束加载过程。

(d)实验结果处理:(d1)加载停止后，卸除样品，检查样品损伤状态，确认样品达到满意的加载要求，实验结果有效；(d2)整理采集到的实验数据，给出钢丝双向反复弯曲90度的有效反向次数，因为一次循环包括两次换向，所以该反向次数为循环周次数值的两倍。

本发明设计机理如下：

本发明针对钢丝双向反复弯曲90度的测试原理和高低温环境要求，设计适合高低温环境实验条件下的加载方式和加载装置，实现高低温环境中钢丝正反双向、反复交替、弯曲90度的测试过程并能获得有效的测试结果。

加载方式：本发明的加载方式与现有拨动变形方法完全不同；在轴向加载的疲劳试验机横梁和台面之间配装环境箱，环境箱可以提供需要的高低温环境；在环境箱内部装配专门设计的钢丝弯曲工装夹具，把钢丝样品水平放置到夹具中心轴线位置；样品轴线上的中心点通过压头与疲劳机垂直方向上的传感器加载链连接；压头与横梁之间的加载链高度可以通过移动横梁来调整；控制疲劳机的作动缸上下往复运动，作为加载动力给样品施加载荷；疲劳试验机能够采用精准的控制作动缸的运行距离，通过压头施加拉-压载荷，带动钢丝发生上下往复、双向交替、弯曲90度的运动，达到使钢丝发生定量弯曲变形的目的；同时，疲劳试验机上通过加载链连接的力传感器、位移传感器与控制器实现闭环的程序控制，获得加载过程中载荷、位移等与循环周次及时间相关的数据，可以为变形过程分析提供有益的参考。

变形原理：本发明实验时采用在钢丝样品长度方向上的中心点位置，通过加载链压头分别施加拉伸和压缩载荷；作动缸在拉伸方向上移动一定距离，使钢丝弯曲90度，作动缸再反向沿压缩方向运动一定距离，使钢丝反向弯曲90度；如此连续反复循环运动，使钢丝在垂直平面内，发生拉压双向交替反复弯曲90度变形，直至钢丝损伤或断裂时试验结束。位移控制的运动距离根据钢丝变形的行程路径来计算。钢丝上下拉压反复弯曲90度的运动路径是上下对称的两个三角形，两个三角形重合的公共边就是钢丝安装的初始位置，公共边的边长固定为钢丝的标距长度l0。作动缸单向运动的位移值d达到标距的一半时，钢丝刚好弯曲90度。

弯曲装置：本发明设计了用于钢丝弯曲的变形装置，该装置能够适应定量拉压加载，实现钢丝平稳连续的90度反复弯曲。装置结构简洁，尺寸小巧，实验运行空间能够限制在环境箱箱体内部尺寸允许范围内，而且试样安装拆卸操作方便。

本发明的优点及有益效果如下：

1、与现行标准方法(gb/t238-2002)的加载方式不同，本发明利用疲劳试验机作动缸往复运动的轴向拉压加载方法，控制钢丝弯曲变形，实现钢丝双向变形、反复交替、弯曲90度的性能测试；

2、本发明专门设计了弯曲变形装置，该装置适合于高低温环境条件下使用，装置的关键部件能够按照钢丝样品的规格方便调换；

3、本发明设计的弯曲变形装置中的部件套丝能够调整加载标距，套丝与钢丝变形接触端面内侧设计为弧面；

4、本发明弯曲装置中，压头心部固定装置设计为分体式，不同尺寸的固定装置其加载孔的曲率与样品规格相同，加载孔上下端的侧面夹角设计为90度。

附图说明

图1为现有金属材料反复弯曲试验(gb/t238-2002)中所用装置结构示意图。

图2为本发明测试高低温环境中钢丝双向反复弯曲的实验装置中弯曲装置结构示意图(立体图)。

图3为本发明测试高低温环境中钢丝双向反复弯曲的实验装置中弯曲装置结构示意图(纵剖面图)。

图4为本发明弯曲装置中载台结构示意图。

图5为本发明弯曲装置中压头结构示意图。

图6为本发明弯曲装置中套丝结构示意图。

图7为本发明弯曲装置中固定装置结构示意图。

图中：100-试验载台；101-矩形沟槽；102-支撑台；103-承载槽；104-内螺纹孔；200-压头；201-固定装置；202-腰形孔；203-加载孔；204-凸块；300-钢丝试样；400-套丝结构；401-钢丝孔；402-内凹弧面。

具体实施方式

以下结合附图详述本发明。

本发明为测试高低温环境中钢丝双向反复弯曲的实验装置和实验方法，所述实验装置的整体结构如图2-3所示。该实验装置包括轴向疲劳试验机、高低温环境试验箱和弯曲装置；所述高低温环境试验箱设置于疲劳试验机的横梁与工作平台之间，用于提供试验用温度环境；所述弯曲装置设于高低温环境试验箱内。其中，轴向疲劳试验机为美国英斯特朗疲劳机，型号:instron8852。

所述弯曲装置包括试验载台100和压头200，所述试验载台上端面上沿直径位置加工有矩形沟槽101；所述矩形沟槽将所述试验载台的上部分隔出两个相对设置的支撑台102；所述压头为弯曲装置中用于施加载荷的部件，压头的中部安装可更换的固定装置201，固定装置能对钢丝试样300施加载荷，拉动钢丝分别向上或向下发生弯曲变形；所述压头为圆柱状结构，压头的底部端面设计为弧形结构。其轴线垂直于矩形沟槽101的底面，且压头的下部伸入矩形沟槽内；所述钢丝试样水平固定，钢丝的中心固定在所述固定装置201内，钢丝试样的两端伸入试验载台上的两个支撑台102内，支撑台内设置两个套丝结构400限制钢丝试样的上下滑动。金属反复弯曲的难点是要实现双向交替、弯曲，连续的变形，其核心是要实现从上下两个方向同时施加载荷，才能换向平稳。该压头心部安装可更换的固定槽，其结构紧凑，间隙可调，能够从钢丝上下表面施加载荷，拉动钢丝分别向上下两个方向发生弯曲变形。压头下端的弧形头是专为金属压缩预留的设计，单次压缩变形是相对简单的过程，这套装置也可用来进行金属压缩的定量测试。

所述试验载台100为圆柱状结构，由合金钢制成，如图4所示。由合金钢制作的载台为承载弯曲变形的关键部件，其体积小，刚度大，承载能力强。载台的底面中心位置设有内螺纹孔104，载台通过内螺纹孔与加载链a连接，加载链a连接到疲劳试验机的基座上。

所述压头的上部设外螺纹，压头通过外螺纹与加载链b连接，加载链b与疲劳试验机的力传感器相连接，压头能在疲劳试验机加载力的作用下沿竖直方向移动；所述加载链a和加载链b均包括多个长短不同的拉杆，各拉杆之间通过螺纹相连接，加载链a和加载链b长度可调，以保证载台中的样品处于环境箱的均温区内。

所述试验载台的两个支撑台的内侧壁上开有承载槽103，每个支撑台102的上端面上各开有两个与承载槽相连通的螺纹孔，所述套丝结构400与所述试验载台100为分体结构，如图6所示，套丝结构为圆柱状，套丝结构400置于承载槽103中后，压紧螺栓拧入螺纹孔后抵接在套丝结构上，再进一步拧紧螺栓，实现套丝结构在承载槽内的固定。所述套丝结构400沿其轴线处开有钢丝孔401，套丝结构在朝向矩形沟槽侧的一个端面设计为内凹弧形面402。在载台左右两侧的承载槽里设计了套丝结构，该部件可以实现标距的连续调节，并防止钢丝的左右窜动。套丝的一侧端面内表面制作为内凹弧形面，目的是用来增大与钢丝的接触面，以减轻接触应力，避免钢丝表面受到损伤。

所述压头的中部开有腰形孔202，固定装置201放于所述腰形孔202内，如图5所示。固定装置有不同规格，方便更换，对应于不同尺寸的钢丝样品；如图7所示，所述固定装置201上沿竖直方向开设矩形通槽，矩形通槽的上下表面各设有一个直角三角形凸块，凸块两个直角端相对设置并在所述固定装置的中心位置形成加载孔203，加载孔203的曲率与钢丝样品一致，目的是使钢丝受载荷的状态与室温常规试验的受力状态相似，而且接触面损伤最小。加载孔上下的直角三角形凸块的设计使加载孔上下端的侧面夹角设计为90度，斜面设计用于防止钢丝发生前后方向的摆动，同时可以观察和校验90度角。

利用上述装置进行高低温环境中钢丝双向反复弯曲的测试，测试过程包括如下步骤：

(a)安装环境箱和弯曲装置：

先在疲劳试验机横梁与工作台面之间安置好环境箱，再把弯曲装置放入环境箱腔体内部；然后把压头与试验机的传感器和加载链连接好，再移动横梁调整好作动缸上下运动的实验空间；

(b)钢丝样品安装，具体包括如下步骤(b1)-(b4)：

(b1)选择与指定规格钢丝配用的固定装置和套丝；

(b2)将钢丝样品水平穿过载台左右承载槽和压头的加载孔中；

(b3)把套丝安装进载台两侧承载槽中，调整套丝位置，以确保样品的弯曲标距l0，然后用压紧螺丝固定套丝；

(b4)安装压头中部的固定装置：固定装置中心的加载孔与钢丝表面要紧密配合，以保证施加载荷时的接触圆弧面积；固定槽加载孔的角度和侧面要对中安装，才能发挥校验钢丝弯曲程度和防止钢丝发生侧向作用。

(c)实施加载，具体包括如下步骤(c1)-(c4)：

(c1)把试验机当前载荷清零，把位移值偏置为零，设置为位移控制模式；(c2)编制加载程序，选择位移为控制命令，设置加载位移值为±d，d值等于l0/2；给定加载速率，加载速率一般不超过5mm/min，标距大可以适当增加速率，但不易过快，要保证实验过程能平稳进行；加载波形一般采用三角波；同时疲劳试验机可以比较方便地设置时间、载荷、位移、循环周次等数据采集条件，最终就能够得到详细的实验过程和结果数据；

(c3)启动疲劳试验机，作动缸运行，给试样施加载荷，样品水平方向的中心点在拉力或压力的作用下，带动钢丝随着压头上下做有规律的运动，钢丝中心点运动到位移的上下峰谷值时，钢丝发生向上或向下的90度弯曲，加载动作上下交替反复运行，直到样品发生损伤或断裂，实验停止；

(c4)实验过程中可通过环境箱观察窗，观察钢丝运动状态和钢丝表面弯曲变形部位是否有局部损伤，按实验要求可以随时中止实验或者当钢丝断裂时将触发程序保护命令，自动终止实验，结束加载过程。

(d)实验结果处理：

(d1)加载停止后，卸除样品，检查样品损伤状态，确认样品达到满意的加载要求，实验结果有效；(d2)整理采集到的实验数据，给出钢丝双向反复弯曲90度的有效反向次数，因为一次循环包括两次换向，所以该反向次数为循环周次数值的两倍。还可以进一步分析载荷、位移随着循环周次及时间的变化规律。

该方案的设计优点：(1)利用拉压运动产生弯曲变形的加载方式新颖，疲劳试验机的位移控制精准，闭环程序控制使实验操作便捷，获得的实验数据详实可靠；(2)加载装置结构简洁，体积小，适合有限的实验空间，易于放置在狭窄的环境箱腔体内部，能实现高低温环境的性能测试；(3)加载结构考虑了不同规格样品的配合，设计了便于调换的关键部件，通过小尺寸部件的更换，可以完成多种规格钢丝的弯曲性能测试，工程上应用比较便利。