一种芯棒的压缩弹性模量测试装置及方法与流程

1.本发明属于压缩弹性模量测试技术领域，具体涉及一种芯棒的压缩弹性模量测试装置及方法。


背景技术：

2.虽然瓷或玻璃绝缘子用于高压外绝缘领域有多年的历史，但随着电压等级的提高，绝缘子所受的机电负荷加重，以及大气污染的加剧，瓷或玻璃绝缘子在使用中暴露出性能上固有的缺陷。为克服瓷或玻璃绝缘子固有的缺点，提高绝缘子的湿污闪电压，降低运输安装方面的不便性，复合绝缘子近年来得到快速发展，特别是在污秽等级较高的地区，更是广泛使用，具有重量轻、强度高，便于安装，不需要检测零值等优点。
3.芯棒是复合绝缘子承担机械负荷的主体，其质量好坏、机械强度高低，对复合绝缘子的寿命影响甚大，因此芯棒的机械强度参数是衡量复合绝缘子性能的关键，一般包括拉伸强度、弯曲强度、热态弯曲强度、剪切强度等等，以及其相应的拉伸弹性模量、弯曲弹性模量和压缩弹性模量。
4.目前绝缘子行业内芯棒压缩弹性模量的测量准确度较低，测得的压缩弹性模量数据波动较大，数值区间范围宽泛。现有技术常见以试验机配合位移尺寸量具进行测量压缩弹性模量，试验机多为常见的万能材料试验机或电子万能材料试验机，压缩变形量一般采用千分尺或辅助以试验机设备自身记录的载荷位移曲线进行测量，通过计算公式得到压缩弹性模量。若要测量压缩弹性模量，两个测量值压缩负荷增量和压缩变形量最为关键。目前压缩负荷的测量比较成熟，除了试验机本身的准确度等级区别外，无论是液压系统，还是电子加载系统，压缩负荷的测量都比较可靠和成熟。因此测量压缩弹性模量的最大难点在于压缩变形量的测量。
5.根据gb/t1448-2005规定，在试样高度中间位置安放测量变形的仪表，检查并调整试样及变形测量系统，使整个系统处于正常工作状态以及使试样两侧压缩变形比较一致。对于芯棒这种材料的压缩弹性模量测试，因为弹性范围内的压缩变形量非常非常小，变形量的精确测量并不容易实现，受到的影响因素也比较多，如试样上下两端的平行度高低，要求小于试样高度的0.1％，试样的中心线与试验机上、下压板的中心是否重合，以及试样两侧压缩变形是否一致等。依据芯棒材料特性，压缩弹性模量在几十gpa量级，弹性变形范围内压缩变形量为微米量级，而千分尺的千分位为估读数字，并不十分准确，因此一旦压缩变形量的测量误差偏大一点，带来的压缩弹性模量计算结果误差就会更大，甚至会产生错误的测量结果，所以目前现有技术中最主要的缺点是压缩变形量测量可靠性低和测量精度低。
6.可以看出压缩弹性模量测试准确度低和结果偏差大主要原因有两方面：
7.1)与一般电子万能材料试验上下压板相比较，样品尺寸较小，在上下压板中间直接测量芯棒压缩变形量困难；
8.2)芯棒压缩变形量非常非常小，测量精确度低。


技术实现要素：

9.本发明的目的在于提供一种芯棒的压缩弹性模量测试装置及方法，解决了目前压缩弹性模量测试准确度低和结果偏差大的问题。
10.本发明是通过以下技术方案来实现：
11.一种芯棒的压缩弹性模量测试装置，包括试验机和放置在试验机上的压缩变形测量装置；
12.压缩变形测量装置包括由上至下依次连接的上支撑杆、载物台和下支撑杆，载物台包括下基座、上基座和连接杆，上基座和连接杆连接，下基座上用于放置待测样品；在下基座上安装有对称设置的第一光栅尺和第二光栅尺；第一光栅尺和第二光栅尺连接有测控系统；
13.上支撑杆安装在上基座内，在上支撑杆内安装有可移动加载体，在可移动加载体内开有圆柱孔，在圆柱孔的底端开有半球形孔，在半球形孔内安装有平衡球；
14.在圆柱孔内安装有加载杆，加载杆的上端伸出可移动加载体，加载杆的下端开有半球形孔，两个半球形孔形成用于容纳平衡球的空间。
15.进一步，试验机采用电子万能材料试验机。
16.进一步，试验机包括试验机主体框架、可移动加载横梁、上压板和下压板，可移动加载横梁设置在试验机主体框架上端，上压板固定连接在可移动加载横梁的下方，下压板固定连接在试验机主体框架的下部；
17.下支撑杆与下压板同轴连接。
18.进一步，在圆柱孔的顶端安装有用于锁紧加载杆的锁径定位圈。
19.进一步，锁径定位圈为阶梯杆，在阶梯杆内开有与加载杆外径相同的通孔。
20.进一步，可移动加载体包括圆柱杆体和手柄，手柄横向贯穿在圆柱杆体下端；
21.手柄位于上基座与下基座之间。
22.进一步，上基座与下基座均为圆盘。
23.进一步，连接杆设置有4根，2根位于下基座一侧，其余2根位于下基座另一侧，第一光栅尺的探头位于其中2根连接杆中间，第二光栅尺的探头位于另外2根连接杆中间。
24.进一步，在下基座上的上表面上预制有三个不等径的圆。
25.一种芯棒的压缩弹性模量测试方法，包括以下步骤：
26.步骤一、晃动加载杆，确保加载杆、平衡球与圆柱孔底端的半球孔之间接触良好，之后将压缩变形测量装置放在试验机上，保证压缩变形测量装置与试验机的中心对齐，并将第一光栅尺和第二光栅尺的传输线与测控系统连接；
27.步骤二、打开试验机，将可移动加载体向上抬起，将芯棒试样放置在下基座的中心处，将可移动加载体放下，直至可移动加载体的底端与芯棒上表面接触，此时可移动加载体的底端与第一光栅尺和第二光栅尺的测量端接触；
28.打开测控系统，开始测量压缩弹性模量，压缩负荷方向传递至加载杆，加载杆借助平衡球传递至可移动加载体，此时压缩负荷通过可移动加载体最终施加至芯棒试样，当芯棒试样的两端不平行时，依靠平衡球使压缩方向始终与芯棒试样轴线同向；
29.压缩弹性模量的测试分为两步：
30.第一步：测量芯棒试样的压缩破坏负荷值，记录此破坏负荷值；
31.第二步：放入同一批制备的其它芯棒试样后，试验机开始加载，施加初始载荷，此时将第一光栅尺和第二光栅尺初始数值清零，继续增加压缩负荷，直至施加的压缩负荷增大至压缩破坏负荷值的50％时，停止增加压缩负荷，测取此时两个光栅尺的数值，压缩变形量为两个光栅尺的平均值，测控系统自动得出压缩弹性模量。
32.与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
33.本发明提供了一种芯棒的压缩弹性模量测试装置，压缩变形测量装置包括由上至下依次连接的上支撑杆、载物台和下支撑杆，在可移动加载体内开有圆柱孔，在圆柱孔的底端开有半球形孔，在半球形孔内安装有平衡球；在圆柱孔内安装有加载杆，加载杆的上端伸出可移动加载体，加载杆的下端开有半球形孔，两个半球形孔形成用于容纳平衡球的空间。当试样的两端稍有不平行时，利用平衡球自动调节功能，可保证压缩负荷通过芯棒的轴线，有效避免了偏心影响，确保芯棒样品呈轴向压缩，减少因平行度高带来的测量偏差问题，测试稳定性和可靠性得到大幅提升，且使用方便、快捷、效率高；如果未进行调节，压缩负荷与试样中心线偏离，试样有可能会产生偏移，测试无法可靠进行；
34.因芯棒样品尺寸过小，而试验机上下压板过大，本发明通过加载杆的设计来施加压力，加载杆的截面面积与芯棒样品尺寸相差不大，可减少测试过程中压缩负荷方向与芯棒样品中心不重合，带来的偏心问题，引起测量偏差；
35.传统都是测量试样一侧的变形量，并未有要求测量试样两侧的变形量，本发明在下基座上设计了两个光栅尺，两个光栅尺呈左右对称分布，压缩变形量取为两个光栅尺两者之和的平均值，进一步减少压缩变形量测量误差，有效降低目前现有技术中的单侧测量误差大，带来的压缩弹性模量误差会更进一步扩大的问题；且光栅尺的精度为0.03微米，极大地提高了小变形量的测量精确度，且可实时监控试样两侧压缩变形量，确保测试过程的准确性。
36.本发明巧妙设计压缩变形测量装置，其组部件密切相互配合，不仅可以完全满足现有标准的相关要求，而且进一步减少了试验测量中各种不确定性对测量结果的干扰和影响。实用性和通用性强，本测量装置不仅可以进行芯棒压缩弹性模量的测试，还可以进行其它材料样品(如各类型陶瓷、环氧树脂等)小变形量的测试试验。
37.进一步，下基座中心有3条不等径圆线，便于测试样品置于中心。
附图说明
38.图1为本发明的一种芯棒压缩弹性模量测试装置的装配结构示意图；
39.图2为电子万能材料试验机的结构示意图；
40.图3为压缩变形测量装置的主体结构示意图；
41.图4为图3的透视图；
42.图5为图3的爆炸图；
43.图6为可移动加载体的结构示意图；
44.图7为加载杆的结构示意图；
45.图8为锁径定位圈的结构示意图。
46.其中，1为加载杆，2为锁径定位圈，3为可移动加载体，4为平衡球，5为第一光栅尺，6为第二光栅尺，7为支撑杆，8为试验机主体框架，9为可移动加载横梁，10为上压板，11为下
压板，12为测控系统，13为芯棒样品，14为下基座，15为连接杆，16为上基座；
47.71为上支撑杆，72为下支撑杆；
48.31为圆柱杆，32为手柄，33为圆柱孔，34为半球形孔。
具体实施方式
49.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明了，以下结合附图及实施例进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅为本发明一部分实施例，而不是全部实施例。
50.本发明附图及实施例描述和示出的组件可以以各种不同的配置来布置和设计，因此，以下附图中提供的本发明实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而仅仅是表示本发明选定的一种实施例。基于本发明的附图及实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。
51.需要说明的是：术语“包含”、“包括”或者其他任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，使得包括一系列要素的过程、元素、方法、物品或者设备不仅仅只包括那些要素，还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括该其过程、元素、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，术语“水平”“竖直”是基于附图所示装置或部件的方位和位置关系，仅是为了更好的描述本发明，而不是要求所示的装置、部件或设备必须具有该特定方位，因此不能理解为对本发明的限制。
52.以下结合实施例对本发明的特征和性能进一步详细说明。
53.如图1所示，本发明公开了一种芯棒的压缩弹性模量测试装置，包括试验机和放置在试验机上的压缩变形测量装置；试验机采用电子万能材料试验机，与市面主流材料试验机并无多大区别，配备计算机自动测量系统，含光栅尺数据采集，可自动按照设定程序压缩负荷加载、试验数据采集和自动运算等功能.
54.试验机主体结构如图2所示，试验机包括试验机主体框架8、可移动加载横梁9、上压板10和下压板11，可移动加载横梁9设置在试验机主体框架8上端，上压板10固定连接在可移动加载横梁9的下方，下压板11固定连接在试验机主体框架8的下部。
55.如图3-图7所示，压缩变形测量装置包括由上至下依次连接的上支撑杆71、载物台和下支撑杆72，载物台包括下基座14、上基座16和连接杆15，下基座14和上基座16通过连接杆15连接，下基座14上用于放置待测样品；在下基座14上安装有对称设置的第一光栅尺5和第二光栅尺6；第一光栅尺5和第二光栅尺6连接有测控系统12；上支撑杆71安装在上基座16内，在上支撑杆71内安装有可移动加载体3，如图6所示，在可移动加载体3内开有圆柱孔33，在圆柱孔33的底端开有半球形孔34，在半球形孔34内安装有平衡球4；在圆柱孔33内安装有加载杆1，加载杆1的上端伸出可移动加载体3，如图7所示，加载杆1的下端开有半球形孔34，两个半球形孔34形成用于容纳平衡球4的空间。
56.压缩变形测量装置各部件设计功能介绍：
57.加载杆1：因芯棒样品13尺寸过小，而试验机上下压板11过大，本发明通过加载杆1的设计来施加压力，加载杆1的截面面积与芯棒样品13尺寸相差不大，可减少测试过程中压缩负荷方向与芯棒样品13中心不重合，带来的偏心问题，引起测量偏差；
58.如图8所示，锁径定位圈2：限定压缩加载杆1与调节平衡球4的移动方向，确保压缩
负荷中心严格与样品轴向同向加载；
59.平衡球4：利用球体形状的导向作用，当试样上下两端面不平行时，压缩力的施加方向可以在以轴向为中心线的一个360
°
扇形范围内全适度调整，可以起全方向适度调节作用，使压缩方向始终与试样轴线同向；
60.可移动加载体3：上半部分内部可依次放置调节平衡球4、锁径定位圈2和压缩加载杆1，下部两端有可供调节上下移动的手柄32，当安装好样品后，这时因为可移动手柄32有上下调整的空间，当试样不平行时，依靠可移动手柄32可以上下调整，依靠平衡球4可以左右方向上调整。
61.且手柄32的两侧面呈圆弧形设计，目的是当试样两端面前后不平行时，依靠调节平衡球4，有前后调节空间。下表面与芯棒样品13上表面、两个光栅尺的传感器探头接触；
62.载物台：如图4所示，下基座14中心有3条不等径圆线，便于测试样品置于中心；连接杆15设置有4根，2根位于下基座14一侧，其余2根位于下基座14另一侧，第一光栅尺5的探头位于其中2根连接杆15中间，第二光栅尺6的探头位于另外2根连接杆15中间。
63.两根连接杆15中间留出光栅尺的安装空间，以便光栅尺直接测量芯棒两端的压缩变形量。
64.光栅尺：分为第一光栅尺5和第二光栅尺6，光栅尺呈左右对称分布，目的一方面是借助光栅尺的高精度特性，解决小变形量测量误差大的问题；另一方面可实时监控试样两侧压缩变形量，确保测试过程的准确性，防止由于偏心带来的测量偏差。当两侧变形量偏差在合理范围内时，压缩变形量取为光栅尺1和光栅尺2两者之和的平均值。
65.下支撑杆72采用圆柱杆31体，以方便与试验机下压板11的中心圆线对齐。
66.本发明设计了一套压缩变形量测试装置与芯棒样品13相配套，解决了与电子万能材料试验上下压板11相比较，样品尺寸较小的问题。优点在于确保芯棒样品13完全呈轴向压缩，避免样品上下两端面平行度带来的测量偏差问题，测试稳定性和可靠性得到大幅提升。另外，压缩变形量测试装置可实现直接测试芯棒压缩变形量，解决在上下压板11中间直接测量芯棒压缩变形量困难的问题，避免承载压缩负荷时外部或工装组件配合间隙变小引起的误差。
67.压缩变形量测量引入2个光栅尺，其精度为
±
0.03μm，解决小变形量测量误差大的问题。2个光栅尺呈左右对称分布，可实时监控试样两侧压缩变形量，确保测试过程的准确性，防止由于偏心带来的测量偏差。当两侧变形量偏差在合理范围内时，压缩变形量取为光栅尺1和光栅尺2两者之和的平均值，进一步减少压缩变形量测量误差。
68.在电子万能材料试验测控系统12中，编制了标准规定的压缩弹性模量计算公式程序，可实现自动压缩负荷程序加载、力和变形量数据采集、数据曲线实时显示，然后自动计算得出压缩弹性模量结果。
69.一般测量压缩弹性模量的试样为宽厚高10mm
×
10mm
×
30mm的长方体，压缩弹性模量即是弹性变形范围内单向压缩应力状态下压缩应力除以该方向的压缩应变，以下为对应的计算公式：
[0070][0071]
式中：
[0072]
f——压缩载荷，单位n；
[0073]
b——试样宽度，单位mm；
[0074]
d——试样厚度，单位mm；
[0075]
e——压缩弹性模量，单位mpa；
[0076]
δf——载荷-变形曲线上初始直线段的载荷增量，单位n；
[0077]
δl——与载荷增量δf对应的标距l0内的变形增量，单位mm；
[0078]
l0——试样压缩方向上的标距，单位mm。
[0079]
一种芯棒的压缩弹性模量测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0080]
步骤一、晃动加载杆1以确保加载杆1、平衡球4与圆柱孔33底端半球孔之间接触良好，之后将压缩变形测量装置放在试验机上，保证压缩变形测量装置与试验机的中心对齐，并将第一光栅尺5和第二光栅尺6的传输线与测控系统12连接；
[0081]
步骤二、打开试验机，将可移动加载体3向上抬起，将芯棒试样放置在下基座14的中心处，将可移动加载体3放下，直至可移动加载体3的底端与芯棒上表面接触，此时可移动加载体3的底端与第一光栅尺5和第二光栅尺6的测量端接触；
[0082]
打开测控系统12，开始测量压缩弹性模量，压缩负荷方向传递至加载杆1，加载杆1借助平衡球4传递至可移动加载体3，此时压缩负荷通过可移动加载体3最终施加至芯棒试样，当芯棒试样的两端不平行时，依靠平衡球4使压缩方向始终与芯棒试样轴线同向；
[0083]
压缩弹性模量的测试分为两步：
[0084]
第一步：测量芯棒试样的压缩破坏负荷值，此时无需测量压缩变形量，记录此破坏负荷值；
[0085]
第二步：放入同一批制备的其它芯棒试样后，试验机开始加载，施加初始载荷(约5％第一部分测量的压缩破坏负荷)，此时将第一光栅尺5和第二光栅尺6初始数值清零，继续增加压缩负荷，直至施加到50％第一部分测量的压缩破坏负荷值，停止增加压缩负荷，测取此时两个光栅尺的数值，压缩变形量取为两个光栅尺的平均值，测控系统12自动得出压缩弹性模量。
[0086]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。