一种气缸压力式疲劳加载装置及加载方法

1.本发明涉及一种气缸压力式疲劳加载装置及加载方法,属于结构实验力学领域。


背景技术：

2.航空、航海、交通、道桥、建筑、港口工程结构中,各种材料的梁和弹性元件为典型受力构件,它们都长期处于各种环境下的重复受力状态下,因而这一类构件在各种环境下疲劳强度是结构力学中的重要研究课题；特别是在现代工程结构设计中,必须研究构件在复杂环境和载荷下的强度问题,迫切需要在实验室中实现这种载荷和环境状态,来考核构件的疲劳强度,为下一步的理论建立做准备。
3.长期以来,对于这一类构件实现低成本的疲劳试验是十分困难的，目前可以采用液压伺服疲劳试验机来实现,但由于这些设备价格昂贵,对使用环境都有严格的要求,且高能耗、长时间使用需要很高的试验成本。
4.现行的一些机械疲劳试验加载装置,由于单纯的采用位移控制加载,故在弹性范围内,构件变形较小,载荷的精度完全由位移精度来实现,再加上疲劳试验过程中设备的磨损,因此无法保证试验载荷的精度要求,造成试验效果不佳,尤其对于小尺寸试件，此外试验过程中构件刚性冲击较大，装置噪音较大。


技术实现要素：

5.本发明提出的是一种气缸压力式疲劳加载装置及加载方法，其目的旨在解决现有机械疲劳试验加载装置单纯采用位移控制加载，不易解决不同试验件载荷需求不同的问题。
6.本发明的技术解决方案：一种气缸压力式疲劳加载装置，其结构包括主加载装置；所述主加载装置包括凸轮机构、气缸1、下活塞2-1、下活塞顶杆2、上活塞5-1、上活塞顶杆5，下活塞2-1和上活塞5-1位于气缸1内，下活塞2-1和上活塞5-1之间有气压调节区，上活塞5-1位于下活塞2-1上方，上活塞5-1的上表面与上活塞顶杆5的下端连接，上活塞顶杆5穿过气缸1的顶部，下活塞2-1的下表面与下活塞顶杆2的上端连接，下活塞顶杆2穿过气缸1的底部，下活塞顶杆2的下端与凸轮机构相接。
7.进一步地，所述一种气缸压力式疲劳加载装置，其结构还包括载荷传感器6，试件连接叉耳18；载荷传感器6与上活塞顶杆5的上端连接，上活塞顶杆5的上端通过载荷传感器6与试件连接叉耳18连接。
8.进一步地，所述一种气缸压力式疲劳加载装置，其结构还包括调压装置；所述调压装置包括大调压系统和小调压系统，所述大调压系统通过第一导气管7与气缸1内部的气压调节区连通，所述小调压系统通过第二导气管19与气缸1内部的气压调节区连通。
9.进一步地，所述凸轮机构包括凸轮盘4和动力源主轴24，动力源主轴24与凸轮盘4同轴连接；所述凸轮盘4整体呈椭圆形；当椭圆形凸轮盘的短轴方向与下活塞顶杆2的长度方向在一条直线上时，下活塞顶杆2下落到最低处；当椭圆形凸轮盘的长轴方向与下活塞顶
杆2的长度方向在一条直线上时，凸轮盘4长轴的一端顶着下活塞顶杆2达到最高处，此时通过下活塞顶杆2、下活塞2-1、气压调节区、上活塞5-1、上活塞顶杆5、载荷传感器6对所测试构件施加载荷；所述下活塞顶杆2的下端有滚子3，下活塞顶杆2的下端通过滚子3与凸轮盘4相接触。
10.进一步地，所述大调压系统包括大调压气缸10、大螺旋式活塞顶杆11、大气缸顶盖20、大调压气缸活塞11-1、储气罐9，大调压气缸10与储气罐9之间通过第三导气管21连通，储气罐9与气缸1之间通过第一导气管7连通，大气缸顶盖20的边沿通过若干大连接螺栓13固定在大调压气缸10的顶部，大调压气缸活塞11-1位于大调压气缸10内，大调压气缸活塞11-1的上表面与大螺旋式活塞顶杆11的下端连接，大螺旋式活塞顶杆11穿过大气缸顶盖20，大螺旋式活塞顶杆11上连接有大旋转杠杆12，大旋转杠杆12位于大调压气缸10的上方。
11.进一步地，所述大螺旋式活塞顶杆11的上端开有大于大旋转杠杆12直径的孔洞，孔洞的方向与大螺旋式活塞顶杆11的长度方向垂直，大旋转杠杆12穿过孔洞贯穿大螺旋式活塞顶杆11，大螺旋式活塞顶杆11的侧表面有外螺纹，大气缸顶盖20中心部位开有与大螺旋式活塞顶杆11的侧表面外螺纹配合的螺纹孔；所述第一导气管7上串接有气压计阀门8，气压计阀门8处安装有气压计；所述第三导气管21上串接有大气缸气压计阀门14，大气缸气压计阀门14处也安装有气压计。
12.进一步地，所述小调压系统包括小调压气缸15、小螺旋式活塞顶杆16、小旋转杠杆17、小气缸顶盖23、小调压气缸活塞16-1，小气缸顶盖23的边沿通过若干小连接螺栓22固定在小调压气缸15的顶部，小调压气缸活塞16-1位于小调压气缸15内，小调压气缸活塞16-1的上表面与小螺旋式活塞顶杆16的下端连接，小螺旋式活塞顶杆16穿过小气缸顶盖23，小螺旋式活塞顶杆16上连接有小旋转杠杆17，小旋转杠杆17位于小调压气缸15的上方，小调压气缸15通过第二导气管19与气缸1的内部连通。
13.进一步地，所述小螺旋式活塞顶杆16的上端开有大于小旋转杠杆17直径的孔洞，孔洞的方向与小螺旋式活塞顶杆16的长度方向垂直，小旋转杠杆17穿过孔洞贯穿小螺旋式活塞顶杆16，小螺旋式活塞顶杆16的侧表面有外螺纹，小气缸顶盖23中心部位开有与小螺旋式活塞顶杆16的侧表面有外螺纹配合的螺纹孔；所述第二导气管19上串接有小气缸气压计阀门27，小气缸气压计阀门27处也安装有气压计,小气缸气压计阀门27控制小调压气缸15内的气体向气缸1输出。
14.一种利用气缸压力式疲劳加载装置进行疲劳加载的方法，该方法包括：（1）按需求将凸轮机构中的下活塞顶杆2静置于上行极限值,调节大调压气缸10中大旋转杠杆12的位置，改变气缸1内压力，读取载荷传感器6的数值,当载荷传感器6的数值与所需加载的极限载荷值的误差在5%以内时,将大旋转杠杆12与大气缸顶盖20锁紧；（2）调节小调压气缸15中小旋转杠杆17的位置，大调压气缸10与小调压气缸15容积不同,小螺旋式活塞顶杆16与大螺旋式活塞顶杆11下降同样的高度, 小调压气缸15压力调节范围小于大调压气缸10,进一步微调气缸1内压力，读取载荷传感器6的数值,直至满足试件加载需求。
15.一种利用气缸压力式疲劳加载装置进行疲劳加载的方法，该方法还包括：（3）当需要对不同材质的试验构件进行测试，极限载荷值发生变化时，在不改变硬件装置结构的前提下，通过大调压系统和小调压系统改变气缸1的压力，即能够满足加载测
试需求。
16.本发明的有益效果：1）本发明采用机械运动与气缸元件的组合，通过凸轮机构、下活塞、下活塞顶杆、上活塞、上活塞顶杆之间的联动，实现对梁、板等结构元件的重复疲劳加载，能够满足相关实验研究的需求；2）本发明能够极大地降低由于结构元件磨损、构件冲击引起的噪音、机械间隙引起的载荷误差，采用大调压系统大幅调整气缸压力,小调压系统微调气缸压力,方便对结构元件施加精度较高的重复疲劳加载；3）本发明通过采用机械运动与气压控制元件的组合，通过动力源主轴、凸轮机构、下活塞顶杆、气缸、上下活塞、密封圈、载荷传感器、试件加载连接件，实现对梁、板等结构元件进行无冲击的柔性重复疲劳加载；4）本发明采用凸轮机构实现位控试验方式,该加载装置结构简单、性能可靠、设备造价低，为低能耗产品；5) 本发明采用简单的调压方式即可实现在不改变装置硬件结构的前提下,改变不同疲劳载荷的调节,且可以在试验过程中实现加载条件的改变。
附图说明
17.附图1是本发明的结构示意图。
18.附图2是凸轮机构与下活塞顶杆的连接示意图。
19.附图3是上活塞顶杆5、载荷传感器6、试件连接叉耳18之间的连接示意图。
20.附图4是大调压气缸10与大螺旋式活塞顶杆11之间的连接示意图。
21.附图中1是气缸，2是下活塞顶杆，2-1是下活塞，3是滚子，4是凸轮盘，5是上活塞顶杆，5-1是上活塞，6是载荷传感器，7是第一导气管，18是试件连接叉耳，8是气压计阀门，9是储气罐，10是大调压气缸，11是大螺旋式活塞顶杆，11-1是大调压气缸活塞，12是大旋转杠杆，13是大连接螺栓，14是大气缸气压计阀门，15是小调压气缸，16是小螺旋式活塞顶杆，16-1是小调压气缸活塞,17是小旋转杠杆，18是试件连接叉耳，19是第二导气管，20是大气缸顶盖，21是第三导气管，22是小连接螺栓，23是小气缸顶盖，24是动力源主轴，25是轴，26是连接螺栓，27是小气缸气压计阀门，28是大活塞环。
具体实施方式
22.一种气缸压力式疲劳加载装置，其结构包括主加载装置；所述主加载装置包括凸轮机构、气缸1、下活塞2-1、下活塞顶杆2、上活塞5-1、上活塞顶杆5，下活塞2-1和上活塞5-1位于气缸1内，下活塞2-1和上活塞5-1之间有气压调节区，上活塞5-1位于下活塞2-1上方，上活塞5-1的上表面与上活塞顶杆5的下端连接，上活塞顶杆5穿过气缸1的顶部，下活塞2-1的下表面与下活塞顶杆2的上端连接，下活塞顶杆2穿过气缸1的底部，下活塞顶杆2的下端与凸轮机构相接。
23.所述一种气缸压力式疲劳加载装置，其结构还包括载荷传感器6，载荷传感器6与上活塞顶杆5的上端连接；所述载荷传感器6优选为荷重传感器。
24.所述一种气缸压力式疲劳加载装置，其结构还包括试件连接叉耳18，上活塞顶杆5
的上端通过载荷传感器6与试件连接叉耳18连接。
25.所述一种气缸压力式疲劳加载装置，其结构还包括调压装置；所述调压装置包括大调压系统和小调压系统，大调压系统通过第一导气管7与气缸1的内部连通，小调压系统通过第二导气管19与气缸1的内部连通。
26.所述大调压系统通过第一导气管7与气缸1内部的气压调节区连通，所述小调压系统通过第二导气管19与气缸1内部的气压调节区连通。
27.所述凸轮机构包括凸轮盘4和动力源主轴24，动力源主轴24与凸轮盘4同轴连接；工作时，动力源主轴24与外部动力源连接，外部动力源工作带动动力源主轴24转动，动力源主轴24带动凸轮盘4转动，凸轮盘4转动带动下活塞顶杆2和下活塞2-1上下运动，随着活塞顶杆2、下活塞2-1的上下运动不断对气缸1内部的气压调节区进行往复挤压，在气压调节区被往复挤压的过程中能够带动上活塞5-1和上活塞顶杆5上下运动，通过上活塞顶杆5、载荷传感器6对所测试构件施加载荷，完成对构件的疲劳强度测试。
28.所述外部动力源可以为电机、柴油机、汽油机等所有能够提供动力的设备中的任意一种，对外部动力源的选用没有特殊要求。
29.所述凸轮盘4整体呈椭圆形；当椭圆形凸轮盘的短轴方向与下活塞顶杆2的长度方向在一条直线上时，下活塞顶杆2下落到最低处；当椭圆形凸轮盘的长轴方向与下活塞顶杆2的长度方向在一条直线上时，凸轮盘4长轴的一端顶着下活塞顶杆2达到最高处，此时通过下活塞顶杆2、下活塞2-1、气压调节区、上活塞5-1、上活塞顶杆5、载荷传感器6对所测试构件施加载荷。
30.所述下活塞顶杆2的下端有滚子3，下活塞顶杆2的下端通过滚子3与凸轮盘4相接触；通过滚子3减小了下活塞顶杆2与凸轮盘4之间的摩擦。
31.所述下活塞顶杆2的下端与滚子3之间为间隙配合连接；优选下活塞顶杆2的下端与滚子3之间通过轴25间隙配合连接，下活塞顶杆2的下端有凹槽，凹槽的开口朝向凸轮盘4，轴25、滚子3均位于凹槽内，轴25穿过滚子3的中心轴，轴25的两端与凹槽的侧壁固定连接，滚子3能绕轴25转动。
32.所述载荷传感器6上有螺纹孔，上活塞顶杆5的上端部分有外螺纹，上活塞顶杆5通过上端部分的外螺纹和螺纹孔中的内螺纹配合与载荷传感器6连接；所述载荷传感器6的上表面与试件连接叉耳18固定连接，优选载荷传感器6的上表面与试件连接叉耳18通过连接螺栓26固定连接；使用时，试件连接叉耳18用于固定连接所测试构件。
33.所述大调压系统包括大调压气缸10、大螺旋式活塞顶杆11、大气缸顶盖20、大调压气缸活塞11-1、储气罐9，大调压气缸10与储气罐9之间通过第三导气管21连通，储气罐9与气缸1之间通过第一导气管7连通，大气缸顶盖20的边沿通过若干大连接螺栓13固定在大调压气缸10的顶部，大调压气缸活塞11-1位于大调压气缸10内，大调压气缸活塞11-1的上表面与大螺旋式活塞顶杆11的下端连接，大螺旋式活塞顶杆11穿过大气缸顶盖20，大螺旋式活塞顶杆11上连接有大旋转杠杆12，大旋转杠杆12位于大调压气缸10的上方。
34.所述大螺旋式活塞顶杆11的上端开有大于大旋转杠杆12直径的孔洞，孔洞的方向与大螺旋式活塞顶杆11的长度方向垂直，大旋转杠杆12穿过孔洞贯穿大螺旋式活塞顶杆11，大螺旋式活塞顶杆11的侧表面有外螺纹，大气缸顶盖20中心部位开有与大螺旋式活塞顶杆11的侧表面外螺纹配合的螺纹孔；工作时，大螺旋式活塞顶杆11与大气缸顶盖20之间
螺旋连接，通过旋转大旋转杠杆12控制大螺旋式活塞顶杆11上行和下行，旋转大旋转杠杆12带动大螺旋式活塞顶杆11旋转，大螺旋式活塞顶杆11的外螺纹与大气缸顶盖20中心部位的螺纹孔螺旋配合实现大螺旋式活塞顶杆11带动大调压气缸活塞11-1的上行和下行，实现粗调载荷传感器6的载荷数值。
35.所述小调压系统包括小调压气缸15、小螺旋式活塞顶杆16、小旋转杠杆17、小气缸顶盖23、小调压气缸活塞16-1，小气缸顶盖23的边沿通过若干小连接螺栓22固定在小调压气缸15的顶部，小调压气缸活塞26-1位于小调压气缸15内，小调压气缸活塞16-1的上表面与小螺旋式活塞顶杆16的下端连接，小螺旋式活塞顶杆16穿过小气缸顶盖23，小螺旋式活塞顶杆16上连接有小旋转杠杆17，小旋转杠杆17位于小调压气缸15的上方，小调压气缸15通过第二导气管19与气缸1的内部连通。
36.所述小螺旋式活塞顶杆16的上端开有大于小旋转杠杆17直径的孔洞，孔洞的方向与小螺旋式活塞顶杆16的长度方向垂直，小旋转杠杆17穿过孔洞贯穿小螺旋式活塞顶杆16，小螺旋式活塞顶杆16的侧表面有外螺纹，小气缸顶盖23中心部位开有与小螺旋式活塞顶杆16的侧表面有外螺纹配合的螺纹孔；工作时，小螺旋式活塞顶杆16与小气缸顶盖23之间螺旋连接，通过旋转小旋转杠杆17控制小螺旋式活塞顶杆16的上行和下行,旋转小旋转杠杆17带动小螺旋式活塞顶杆16旋转，小螺旋式活塞顶杆16的外螺纹与小气缸顶盖23中心部位的螺纹孔螺旋配合实现小螺旋式活塞顶杆16带动小调压气缸活塞16-1的上行和下行，实现微调载荷传感器6的载荷数值。
37.所述大调压气缸活塞11-1与大调压气缸10的内侧壁接触，大调压气缸活塞11-1与大调压气缸10的内侧壁之间依次安装三圈大活塞环28保证气密性；同理，所述小调压气缸活塞16-1与小调压气缸15的内侧壁接触，小调压气缸活塞16-1与小调压气缸15的内侧壁之间依次安装三圈小活塞环保证气密性。
38.所述第一导气管7上串接有气压计阀门8，气压计阀门8处安装有气压计；所述第三导气管21上串接有大气缸气压计阀门14，大气缸气压计阀门14处也安装有气压计；工作时，大气缸气压计阀门14控制大调压气缸10内的气体向储气罐9输出,气压计阀门8控制储气罐9的气体向气缸1输出。
39.所述第二导气管19上串接有小气缸气压计阀门27，小气缸气压计阀门27处也安装有气压计,小气缸气压计阀门27控制小调压气缸15内的气体向气缸1输出。
40.本发明工作时：先通过外部动力源带动凸轮机构转动，将椭圆形凸轮盘的长轴方向与下活塞顶杆2的长度方向保持在一条直线上，此时椭圆形凸轮盘的长轴最上端顶着下活塞顶杆2上升到最高位置处保持不动；然后通过大气缸气压计阀门14和气压计阀门8粗调气缸1内气压调节区的气体压强，上活塞顶杆2通过载荷传感器6施加给被测试构件的载荷压力不断发生改变，读取载荷传感器6的数值,当载荷传感器6所显示载荷值与所需加载极限载荷值的误差在5%以内时关闭大气缸气压计阀门14和气压计阀门8；接着通过小气缸气压计阀门27微调气缸1内气压调节区的气体压强，随着气缸1内气压调节区的气体压强的改变，最终上活塞顶杆2通过载荷传感器6施加给被测试构件的载荷压力的载荷值达到测试需求所需加载极限载荷值时，关闭小气缸气压计阀门27，完成对气缸1内气压调节区的测试定标；此时，大气缸气压计阀门14、气压计阀门8、小气缸气压计阀门27均处于关闭状态，气缸1内气压调节区为一个封闭空间，接下来就可以通过控制凸轮机构的转动完成对测试构件的
疲劳加载测试；对被测试构件施加载荷时，只需要改变凸轮机构的转动速度，就可以实现对被测试构件施加载荷的施加速度，可以方便调节所施加载荷从零到极限载荷值的时间。
41.在利用本发明对测试构件进行疲劳加载测试时，由于测试之前已经完成了对气缸1内气压调节区的测试定标，只需要通过控制凸轮机构中凸轮盘4的转动控制下活塞顶杆2的上升和下降，当下活塞顶杆2上升到最高位置处时，实现对测试构件的疲劳加载，由于之前已经完成测试定标，气缸1内气压调节区在封闭状态下，只要下活塞顶杆2上升到最高位置，就能保证上活塞顶杆2通过载荷传感器6施加给被测试构件的载荷压力的载荷值达到测试需求所需加载的极限载荷值；只要被测试构件的测试需求不变，无论完成多少个同样被测试构件的测试，均不需要再次调整气缸1内的气压调节区，仅需要控制凸轮机构就能反复实现对被测试构件的疲劳加载测试；只有当被测试构件类型和测试需求发生改变时，才需要再次通过大气缸气压计阀门14、气压计阀门8、小气缸气压计阀门27对气缸1内的气压调节区再次进行测试定标。
42.本发明中大调压系统和小调压系统中各个部件的“大”与“小”只是大调压系统和小调压系统之间的比较，并没有其它特殊限定；比如：大调压系统中大调压气缸10的直径大于小调压系统中小调压气缸15的直径，当大螺旋式活塞顶杆11与小螺旋式活塞顶杆16下降同样高度时，分别通过大调压气缸10和小调压气缸15对气缸1内气压调节区产生的气压调节是不一样的，大调压系统产生的是粗调，小调压系统产生的是微调；优选大调压气缸10的直径为小调压气缸15直径的5倍～10倍，进一步优选为5倍或10倍。
43.一种利用气缸压力式疲劳加载装置进行疲劳加载的方法，该方法包括：（1）按需求将凸轮机构中的下活塞顶杆2静置于上行极限值,调节大调压气缸10中大旋转杠杆12的位置，改变气缸1内压力，读取载荷传感器6的数值,当载荷传感器6的数值与所需加载的极限载荷值的误差在5%以内时,将大旋转杠杆12与大气缸顶盖20锁紧；（2）调节小调压气缸15中小旋转杠杆17的位置，大调压气缸10与小调压气缸15容积不同,小螺旋式活塞顶杆16与大螺旋式活塞顶杆11下降同样的高度, 小调压气缸15压力调节范围小于大调压气缸10,进一步微调气缸1内压力，读取载荷传感器6的数值,满足试件加载需求。
44.一种利用气缸压力式疲劳加载装置进行疲劳加载的方法，该方法还包括：（3）当需要对不同材质的试验构件进行测试，极限载荷值发生变化时，在不改变硬件装置结构的前提下，只需通过大调压系统和小调压系统改变气缸1的压力，即可满足加载测试需求；所述不改变硬件装置结构包括不需要改变凸轮机构、气缸1、下活塞2-1、下活塞顶杆2、上活塞5-1、上活塞顶杆5、载荷传感器6等装置。
45.本发明通过动力源加载旋转凸轮机构，通过上活塞顶杆2将旋转运动转换为直线往复加载运动；启动外部动力源，依次通过凸轮盘4、滚子3、下活塞顶杆2、下活塞2-1、上活塞顶杆5、上活塞5-1、载荷传感器6向试件施加往复柔性疲劳载荷；通过调节大调压气缸10的大螺旋式活塞顶杆11高度，读取大气缸气压计阀门14处气压计数据，给定气缸1气压值，配合凸轮盘4运动行程条件下，满足试件疲劳加载最大载荷需求；调节小调压气缸15的小螺旋式活塞顶杆16高度，进一步微调气缸1气压值，保证载荷的精确度；储气罐保证试件加载期间气压稳定；本发明能够极大地降低机械间隙引起的载荷误差,通过小调压装置的气压调节,提高装置的载荷精度,在不改变装置结构的前提下,满足不同构件的加载载荷需求,
同时减小纯机械连接发生的噪音问题，实现对结构原件较高精度的柔性重复疲劳加载；另外，本发明通过气缸1内气压调节区的使用，改变了传统的纯刚性连接方式，气压调节区减小了刚性部件之间的磨损，延长了整个装置的使用寿命。