[实用新型]渐开线式柔性材料多轴拉伸试验机

说明书

本实用新型公开了一种渐开线式柔性材料多轴拉伸试验机，包括机体以及安装在机体上的拉伸机构；拉伸机构包括下圆盘、上圆盘、夹具和连杆；上圆盘和下圆盘同轴设置，下圆盘与机体固接，上圆盘与机体转动连接，上圆盘的中心位置安装有凸台，夹具为多个并围绕凸台的中心环形设置在上圆盘上，上圆盘开设有与每个夹具对应的渐开线形导槽，下圆盘上设有与每个渐开线形导槽对应的直线导槽，连杆依次穿过对应的直线导槽和渐开线形导槽与每个夹具转动连接，连杆能在对应的直线导槽和渐开线形导槽内滑动。渐开线形导槽和对应的直线导槽配合，推动夹具沿直线导槽往复运动，由于对夹具的推力压力角为0，使机构运动中摩擦力最小，保证了拉力的同步性与相等性。

技术领域

本实用新型涉及拉伸试验设备技术领域，特别涉及一种渐开线式柔性材料多轴拉伸试验机。

背景技术

材料的力学性能通常指材料在受力条件下的变形状态，或材料在给定变形条件下所产生的力的作用效果。研究材料的力学性能，有时需要对材料试样施加多方向的力，以观察其在多轴力的作用下的变形情况。

理想的多轴拉伸试验机，应具备如下特点：

1.能同步施加多方向的力；2.保证被测量试样均匀拉伸；3.能准确测量各个方向的拉力；4.在拉伸过程中能同步测量试样的变形情况；5.方便材料试样装夹。最常见的双轴拉伸试验机实例是“十字型”材料等双轴拉伸试验机，其机械部分的基本工作原理是利用步进电机驱动滚珠丝杠转动，带动滑块在直线导轨上运动，以此产生对试样的拉力，其中4个或2组直线导轨呈十字型垂直分布，对于试样变形情况的观测一般采用悬置于拉伸平台上方的相机来实现。

通过相关专利检索可以发现，现有的材料双轴拉伸实验设备均采用“十字型”双轴拉伸方式，具体设备包括两种，一种是针对模量大于1GPa、变形小的金属材料，采用液压作动方式进行加载，产生的拉力通常在5kN以上；另一种是针对模量小于1MPa的薄膜材料，通常结构形式为在相互垂直的方向上安装两个导轨，由电机驱动丝杠转动，带动导轨上的夹具运动。

采用第一种设备存在的问题是：

1、测量精度低。由于结构驱动和控制装置复杂，载荷传感器量程较大，测量模量较小的柔性材料或其他模量较小的弹性体材料时，力值测量结果精度较低。

2、测量范围有限。由于采用“十字型”拉伸试样，试样表面处于有效的等双轴变形的区域面积较小，不能用于测量柔性材料或其他弹性体材料的大变形状态。

3、无法准确测量大变形量。由于金属材料双轴拉伸试验机通常采用贴应变片的方式进行变形测量，受限于应变片的使用条件，无法进行较大应变量的测量。

采用第二种设备可以用于柔性材料或其他模量较小的弹性体材料的等双轴拉伸测试，但存在如下几个缺点：

1、两个轴拉力的同步性和相等性不容易控制。由于实验装置需要两个步进电机同时驱动，因此对两个驱动电机的同步性和启停控制精度要求很高，如果两个电机不同步，则两个轴的拉伸力不同，进而导致材料试样被拉伸过程中的变形不均匀，不能满足等双轴变形的条件。而绝大多数步进电机的精度都不能真正满足同步性的控制要求；

2、测量范围有限。由于采用“十字型”拉伸试样，拉伸过程中试样表面处于有效的等双轴变形的区域面积较小，可以测量的最大变形范围受限于导轨和丝杠的长度。

3、只能用于进行材料试样的稳态或准静态等双轴拉伸实验，不能用于试样的循环拉伸疲劳试验。由于丝杠传动方式的机械间隙大，机械执行效率较低，且动态响应性能差，无法带动夹具进行高速的往复运动，因而无法将设备用于循环拉伸疲劳试验。

4、柔性材料或其他高弹性体材料具有特殊的物理性质，仅采用一次拉伸得到的应力-应变曲线不足以描述高弹性体完整的拉伸力学性能，目前的金属等双轴拉伸实验机没有针对高弹性体的有效实验方法和数据处理方法。

5、试样夹持困难，拉伸过程中材料容易脱夹或者夹断。