一种基于电机驱动的高温恒力加载装置及其试验方法

本发明涉及一种基于电机驱动的高温恒力加载装置及其试验方法，属于高温恒力加载。

背景技术：

1、随着社会发展，对材料热处理工艺有更多需求，需要在热处理时增加其他条件，例如施加恒定载荷(拉或压)。目前该问题主要解决方案是直接悬挂重物或者使用大型设备拉伸机，同时需要定制与拉伸机相匹配的高温炉和高温拉(压)夹具。

2、直接悬挂重物此方案存在以下问题：由于是使用重物，可选择恒力载荷大小有限；每次试验需要多人一起安装重物，操作十分不便，且实验期间试样断裂会造成安全隐患；缺少其他试验方式，只能施加恒定拉载荷，无法施加恒定压载荷。

3、使用拉伸机方案存在以下问题：拉伸机及与之匹配的高温炉和高温拉(压)夹具价格昂贵，占用空间较大，试验操作复杂；另外试样热处理需要较长时间，是对拉伸机资源的浪费。因此，基于普通热处理炉开发具有恒力加载特性的简易高温恒力加载装置，具有较强的经济和应用价值。

技术实现思路

1、为了解决目前存在的上述问题，本发明提供了一种基于电机驱动的高温恒力加载装置及其试验方法。该装置能够避免因为温度升高试样弹性模量降低，从而导致施加的恒力发生变化，通过增加一个电机，实现了恒定载荷的实时调控。该装置成本低，使用方便，可适用不同的试验环境。

2、本发明是通过以下技术方案实现：

3、本发明第一个目的在于提供一种基于电机驱动的高温恒力加载装置，包括支架，所述支架内安装有电机驱动机构、滚珠丝杆机构、夹持机构以及热处理炉(100～1000℃)，所述电机驱动机构与所述滚珠丝杆机构连接，所述夹持机构包括下杆和上杆，所述下杆与滚珠丝杆机构连接，所述电机驱动机构通过滚珠丝杆机构带动下杆移动；所述上杆与支架固定连接，所述下杆和上杆均连接有用于拉伸试样或压缩试样的夹具，所述夹具和试样位于所述热处理炉炉膛内，热处理炉上下开有通孔。

4、在本发明的一种实施方式中，所述电机驱动机构包括电机、减速直齿轮、传动轴、锥形齿轮、锥形齿轮箱和减速直齿轮箱，所述减速直齿轮箱内设有减速直齿轮，所述电机通过减速直齿轮与传动轴连接，所述传动轴的两端设置有锥形齿轮箱，所述锥形齿轮箱内设置有两个相互啮合的锥形齿轮，其中一个锥形齿轮与所述传动轴连接，另一个锥形齿轮与所述滚珠丝杆机构连接。

5、在本发明的一种实施方式中，所述滚珠丝杆机构包括下支撑平台、中间移动平台和上支撑平台，所述中间移动平台位于下支撑平台与上支撑平台之间，所述中间移动平台安装有丝杆螺母和下杆，所述丝杆螺母通过螺纹连接有滚珠丝杆，所述上支撑平台安装有滚珠丝杆上支座，所述下支撑平台安装有滚珠丝杆下支座，所述滚珠丝杆的两端分别与滚珠丝杆上支座和滚珠丝杆下支座连接。

6、在本发明的一种实施方式中，所述下支撑平台与上支撑平台之间还设置有导轨支柱，所述导轨支柱穿设于所述中间移动平台内。

7、在本发明的一种实施方式中，所述上支撑平台设有通孔，所述下杆穿过所述通孔并与中间移动平台固定连接。

8、在本发明的一种实施方式中，可更换夹具进行拉伸实验，所述夹具包括第一拉伸夹具和第二拉伸夹具，所述第一拉伸夹具设有拉伸夹具螺栓孔，所述第二拉伸夹具设置有拉伸夹具螺栓，所述拉伸夹具螺栓穿入所述拉伸夹具螺栓孔内并通过拉伸夹具螺母将第一拉伸夹具和第二拉伸夹具紧固在一起。

9、在本发明的一种实施方式中，所述第一拉伸夹具和第二拉伸夹具均设有夹具销孔，所述上杆与下杆设有销孔，所述第一拉伸夹具和第二拉伸夹具穿入至所述上杆与下杆内并将销孔与夹具销孔对齐，所述销穿过所述夹具销孔和销孔并通过紧固螺母将夹具固定在下杆与上杆上。

10、在本发明的一种实施方式中，可更换夹具进行压缩实验，所述夹具为压缩夹具，所述压缩夹具表面设有防滑环形纹路，所述压缩夹具设有夹具销孔，所述压缩夹具穿入至所述上杆与下杆内并将销孔与夹具销孔对齐，所述销穿过夹具销孔和销孔并通过紧固螺母将压缩夹具固定在下杆与上杆上。

11、在本发明的一种实施方式中，所述滚珠丝杆的数量为两个，两个滚珠丝杆分别与传动轴的两端连接，所述传动轴与电机连接，通过电机带动两个所述滚珠丝杆旋转。

12、在本发明的一种实施方式中，所述滚珠丝杆的底端通过滚珠丝杆联轴器与所述锥形齿轮连接。

13、本发明的第二个目的在于提供一种基于电机驱动的高温恒力加载装置的试验方法，应用了所述的高温恒力加载装置，所述方法包括如下步骤：

14、步骤一：电机驱动机构通过减速直齿轮和锥形齿轮连接，电机同时输出转矩至左右两个滚珠丝杆，使得夹持机构的下杆沿导轨支柱上下移动，从而达到对试样施加压力或者拉力，其公式为其中p：电机的额定功率，单位：kw；n：电机的转速，单位：r/min；根据滚珠丝杆推力公式，试样施加的恒力f为：其中l：丝杆导程，单位：mm，η：丝杆传动效率；

15、步骤二：安装好试样后，在试样上装夹高温引伸计，实时检测标矩内应变ε；使用热处理炉加热至实验温度时，试样弹性模量会随着温度升高而降低，其公式为其中α0：温度t等于0k时的线膨胀系数，a1：与材料微观物理结构有关的常数，e0：0k时试样弹性模量；由于热应变δl热造成的力值变化，通过实时调节电机转动距离进行补偿。

16、有益效果

17、1、本发明可实现在高温环境下对试样进行不同恒力的拉伸或压缩实验。

18、2、本发明提供的加载装置，可实现在升温过程中考虑试样弹性模量降低，进行精准控制恒力。

19、3、本发明装置可根据不同热处理炉尺寸进行调整，安装方便，可适用不同的试验环境。

20、4、本发明装置仅使用一个电机，整体成本低，操作简单。

技术特征：

1.一种基于电机驱动的高温恒力加载装置，其特征在于，包括支架，所述支架内安装有电机驱动机构、滚珠丝杆机构、夹持机构以及热处理炉，所述电机驱动机构与所述滚珠丝杆机构连接，所述夹持机构包括下杆和上杆，所述下杆与滚珠丝杆机构连接，所述电机驱动机构通过滚珠丝杆机构带动下杆移动；所述上杆与支架固定连接，所述下杆和上杆均连接有用于拉伸试样或压缩试样的夹具，所述夹具和试样位于所述热处理炉炉膛内。

2.根据权利要求1所述的高温恒力加载装置，其特征在于，所述电机驱动机构包括电机、减速直齿轮、传动轴、锥形齿轮、锥形齿轮箱和减速直齿轮箱，所述减速直齿轮箱内设有减速直齿轮，所述电机通过减速直齿轮与传动轴连接，所述传动轴的两端设置有锥形齿轮箱，所述锥形齿轮箱内设置有两个相互啮合的锥形齿轮，其中一个锥形齿轮与所述传动轴连接，另一个锥形齿轮与所述滚珠丝杆机构连接。

3.根据权利要求2所述的高温恒力加载装置，其特征在于，所述滚珠丝杆机构包括下支撑平台、中间移动平台和上支撑平台，所述中间移动平台位于下支撑平台与上支撑平台之间，所述中间移动平台安装有丝杆螺母和下杆，所述丝杆螺母通过螺纹连接有滚珠丝杆，所述上支撑平台安装有滚珠丝杆上支座，所述下支撑平台安装有滚珠丝杆下支座，所述滚珠丝杆的两端分别与滚珠丝杆上支座和滚珠丝杆下支座连接。

4.根据权利要求3所述的高温恒力加载装置，其特征在于，所述下支撑平台与上支撑平台之间还设置有导轨支柱，所述导轨支柱穿设于所述中间移动平台内。

5.根据权利要求4所述的高温恒力加载装置，其特征在于，所述上支撑平台设有通孔，所述下杆穿过所述通孔并与中间移动平台固定连接。

6.根据权利要求5所述的高温恒力加载装置，其特征在于，所述夹具包括第一拉伸夹具以及第二拉伸夹具，所述第一拉伸夹具设有拉伸夹具螺栓孔，所述第二拉伸夹具设置有拉伸夹具螺栓，所述拉伸夹具螺栓穿入所述拉伸夹具螺栓孔内并通过拉伸夹具螺母将第一拉伸夹具和第二拉伸夹具紧固在一起；或者所述夹具包括压缩夹具，所述压缩夹具表面设有防滑环形纹路。

7.根据权利要求6所述的高温恒力加载装置，其特征在于，所述上杆与下杆设有销孔，所述第一拉伸夹具和第二拉伸夹具均设有夹具销孔，所述第一拉伸夹具和第二拉伸夹具穿入至所述上杆与下杆内并将销孔与夹具销孔对齐，所述销穿过所述夹具销孔和销孔并通过紧固螺母将拉伸夹具固定在下杆与上杆上；所述压缩夹具设有夹具销孔，所述压缩夹具穿入至所述上杆与下杆内并将销孔与夹具销孔对齐，所述销穿过夹具销孔和销孔并通过紧固螺母将压缩夹具固定在下杆与上杆上。

8.根据权利要求7所述的高温恒力加载装置，其特征在于，所述滚珠丝杆的数量为两个，两个滚珠丝杆分别与传动轴的两端连接，所述传动轴与电机连接，通过电机带动两个所述滚珠丝杆旋转。

9.根据权利要求8所述的高温恒力加载装置，其特征在于，所述滚珠丝杆的底端通过滚珠丝杆联轴器与所述锥形齿轮连接。

10.一种基于电机驱动的高温恒力加载装置的试验方法，其特征在于，应用了权利要求1-9任一项所述的高温恒力加载装置，所述方法包括如下步骤：

技术总结
本发明公开了一种基于电机驱动的高温恒力加载装置及其试验方法，该装置包括支架，所述支架内安装有电机驱动机构、滚珠丝杆机构、夹持机构以及热处理炉，所述电机驱动机构与所述滚珠丝杆机构连接，所述夹持机构包括下杆和上杆，所述下杆与滚珠丝杆机构连接，所述电机驱动机构通过滚珠丝杆机构带动下杆移动；所述上杆与支架固定连接，所述下杆和上杆均连接有用于夹持试样的夹具，所述夹具和试样位于所述热处理炉内。本发明能够实现样品热处理时增加其他条件，例如施加恒定载荷(拉或压)；同时能避免因为温度升高，试样弹性模量降低，导致施加恒力发生变化，可实时调控恒力；并且仅使用一个电机，整体成本低，操作简单，可适用不同的实验环境。

技术研发人员：张建,王斌,任镜霖,徐志远,徐辰,吴子轩
受保护的技术使用者：江南大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12