一种复合材料高低温液压大载荷压缩测试系统

技术领域

本发明涉及复合材料低温压缩试验技术领域，尤其涉及一种复合材料高低温液压大载荷压缩测试系统。

背景技术

碳纤维，玻璃纤维及其它聚合物纤维增强复合材料在风电、航空航天以及轨道交通等行业的应用越来越广泛，相应的复合材料的力学性能测试也成为其开发和应用的重要环节，压缩试验是测定材料在轴向静压力作用下的力学性能的试验，由于复合材料压缩试验样条厚度从一毫米逐步拓展至几十毫米，传统的压缩夹具以无法满足日益增长的载荷需求。

现有技术中，压缩夹具对测试样条的加载模式主要包括剪切加载模式和端部加载模式，然而在压缩测试过程中，随着对样条附加的载荷的增大，固定样件所需要的夹持力也越大，传统的剪切加载模式和端部加载模式无法保证对样条两端夹持力的稳定性，容易造成样条端部破坏等现象，无法精确的测试出样条的性能；

为了解决上述问题，现有技术中还提出一种通过削弱材料厚度的方式来测试，但由于测试前人为对样品进行破坏和干扰也会导致最终测试结果误差的增大。

相关技术中，发明人提出了一种应用液压缸作为夹紧样条的驱动源的压缩夹具，能够有效保证液压缸输出夹持力的均衡性，使得样条两端受到的夹紧力的加载中心和样条中心在一条直线上，保证了复合材料在大载荷条件下压缩强度测试的真实性和可靠性。然而当需要对样条在高低温环境下进行测试时，高低温环境会影响液压缸的工作，使得液压缸无法提供稳定的动力，导致对样条夹持不稳定，最终影响测试结果的准确性。

鉴于上述问题的存在，本发明人基于从事此类产品工程应用多年丰富的实务经验及专业知识，积极加以研究创新，以期创设一种复合材料高低温液压大载荷压缩测试系统，使其更具有实用性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种复合材料高低温液压大载荷压缩测试系统，以解决液压在高低温下的测试问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种复合材料高低温液压大载荷压缩测试系统，包括：

高低温环境箱，所述高低温环境箱内部具有容置腔，所述高低温环境箱具有顶面开口、底面开口和侧面开口；

压缩夹具，所述压缩夹具包括在竖直方向上相对设置的上夹座和下夹座，所述上夹座和下夹座设置在所述高低温环境箱内，且在外力的作用下所述上夹座和下夹座相对远离或者靠近；

所述上夹座和下夹座上均具有腔体，两所述腔体上均包括相对设置的第一开口端，两所述腔体内均设置有在水平方向上相对设置的移动夹块和固定夹块，所述固定夹块固定在所述腔体的内壁上；

所述上夹座和下夹座的外侧壁上均具有横向驱动组件，所述横向驱动组件用于驱动所述移动夹块靠近或者远离所述固定夹块，所述横向驱动组件包括传动杆、液压缸和套筒；

所述套筒穿过所述侧面开口设置，所述套筒的顶端固定在所述上夹座和下夹座的侧壁上，且所述套筒的底部设置在所述高低温环境箱外部，所述液压缸固定在所述套筒内的底部，所述液压缸的一端与所述液压缸连接，另一端穿过所述外侧壁后与所述移动夹块连接。

进一步地，所述高低温环境箱还包括正面开口端，所述侧面开口设置在所述正面开口端的一侧，所述顶面开口、底面开口和侧面开口均与所述正面开口端贯通设置，以便于所述压缩夹具的放置；

智能液压控制单元，与所述液压缸连接，在压缩测试时用于控制所述液压缸的压力跟随载荷变化。

进一步地，所述高低温环境箱还包括上补块、下部块和侧面补块，所述上补块的尺寸与所述顶面开口的贯通部分相适应，所述下部块与所述底面开口的贯通部分相适应，所述侧面补块与所述侧面开口的贯通部分相适应，所述上补块、下部块和侧面补块通过凸块滑槽结构分别嵌设在所述顶面开口、底面开口和侧面开口的贯通部分处。

进一步地，所述上夹座和下夹座的两所述腔体上还具有第二开口端，两所述第二开口端的开口方向与所述正面开口端的开口方向相同。

进一步地，所述横向驱动组件还包括直线轴承，所述直线轴承设置在所述套筒内且所述传动杆从所述直线轴承内穿过设置。

进一步地，所述传动杆朝向所述移动夹块的端面上设置有凹槽，所述移动夹块上朝向所述传动杆的面上设置有凸起部，所述凸起部嵌入至所述凹槽内，且所述凸起部的端面与所述凹槽的底面为球面接触结构。

进一步地，所述下夹座上朝向所述上夹座的移动方向还设置有至少两个导向柱，所述上夹座穿过所述导向柱设置。

进一步地，所述上夹座的顶部连接有上连接组件，所述下夹座底部固定有下连接座，所述上连接组件的顶部穿过所述顶面开口设置，所述下连接座的底部穿过所述底面开口设置。

进一步地，所述上连接组件包括固定在所述上夹座顶面的平衡台和与所述平衡台连接的上连接座，所述平衡台中心呈球面凸起，所述上连接座底部与所述平衡台接触的面设置为对应的凹球面形状。

进一步地，所述腔体内还设置有内夹块，所述内夹块固定在与所述第二开口端相对的内壁上。

进一步地，所述内夹块朝向所述第二开口端的方向上设置有凸台，所述凸台伸入至所述移动夹块与固定夹块之间的夹持区域内。

本发明的有益效果为：本发明通过高低温环境箱的设置，通过在高低温环境箱内灌入液氮形成低温环境，或者通过环境箱的自动加热功能形成高温环境，通过在高低温环境箱上设置的侧面开口，并将起到驱动作用的液压缸通过传动杆以及套筒的连接隔离在高低温环境箱外侧，从而减小了高低温环境对液压油的影响，保证了复合材料在低温环境下的大载荷压缩试验的顺利进行，提高试验结果的准确性；

通过将高低温环境箱的正面开口端以及顶面开口、底面开口、侧面开口的贯通设置，实现了高低温环境箱的快速装配，在需要高低温环境试验时装载高低温环境箱，在不需要时通过横移的方式取下，提高了装置适应性；

通过上补块、下部块以及侧面补块的设置，减缓了高低温环境箱内温度的扩散速度，而且通过凸块与滑槽的设置，提高了装配的精度和效率；

本发明通过在上夹座和下夹座上设置的第二开口端，方便对试验时样条的观察，同时也便于样条的安装与取下；

本发明通过直线轴承以及导向柱的设置，提高了压缩试验施力的精准性；以及，通过传动杆与移动夹块的磁性连接，和上连接座与平衡台在竖直方向上的球面接触，保证了移动夹块与固定夹块之间的相对运动具有稳定性，实现了在试验时移动夹块与固定夹块的夹紧面的平行度和液压缸动力输出的均衡性，最终有效的保证了样条的两端所收到的夹紧力的加载中心与样条在同一直线上，并且通过智能液压控制单元的设置，使得压缩测试过程中，样条所受到的夹持力随着载荷的增大而增大，从而使得在低温环境或者高温环境下样条的大载荷压缩试验的压缩强度的真实性和可靠性更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中复合材料高低温液压大载荷压缩测试系统的结构示意图；

图2为本发明实施例中图1中的A-A向剖视图；

图3为本发明实施例中图2中的B-B向剖视图；

图4为本发明实施例中高低温环境箱与压缩夹具的结构爆炸图；

图5为本发明实施例中压缩夹具的结构爆炸图；

图6为本发明实施例中图5中的C处局部放大图；

图7为本发明实施例中图5中的D处局部放大图；

图8为本发明实施例中图3中的E处局部放大图；

图9为本发明实施例中复合材料高低温液压大载荷压缩测试系统的整体结构示意图；

图10为本发明实施例中高低温环境箱的另一种结构形式；

图11为本发明实施例中智能液压控制单元的控制流程图；

图12为本发明实施例中液压控制模块的控制原理图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图1至图12所示的复合材料高低温液压大载荷压缩测试系统，包括高低温环境箱100、压缩夹具200和智能液压控制单元（图中未示出），其中：

高低温环境箱100内部具有容置腔110，高低温环境箱100具有顶面开口120、底面开口130和侧面开口140；高低温环境箱100的作用在于为压缩试验提供高低温环境并且实现隔温功能，在具体测试时，如图9所示，将高低温环境箱100固定在万能材料试验机的支架上，压缩夹具200的上下两端分别与万能试验机的驱动端连接以进行压缩试验。这里需要指出的是，在本发明的优选实施例中，压缩夹具200可以设置为沿横向滑轨可移动设置，通过这种设置可以便于高低温环境箱100的安装与拆卸，简化试验组装程序。

具体的，如图2所示，压缩夹具200包括在竖直方向上相对设置的上夹座210和下夹座220，上夹座210和下夹座220设置在高低温环境箱100内，且在外力的作用下上夹座210和下夹座220相对远离或者靠近；这里需要指出的是，这里的外力即万能材料试验机施加的载荷，万能材料试验机为现有技术，其具体形状和构造不再进行详细的赘述，通过万能材料试验机的施力，使得两端分别固定在上夹座210和下夹座220内的样条被压缩。

关于样条的夹持的具体结构请继续参照图2，上夹座210和下夹座220上均具有腔体211，两腔体211上均包括相对设置的第一开口端211a，两腔体211内均设置有在水平方向上相对设置的移动夹块212和固定夹块213，固定夹块213固定在腔体211的内壁上；在具体进行夹持时，将样条竖直放置在移动夹块212和固定夹块213之间，通过推动移动夹块212靠近固定夹块213将样条固定在二者之间；

关于移动夹块212的驱动结构，如图2和图3所示，上夹座210和下夹座220的外侧壁上均具有横向驱动组件230，横向驱动组件230用于驱动移动夹块212靠近或者远离固定夹块213，横向驱动组件230包括传动杆231、液压缸232和套筒233；

套筒233穿过侧面开口140设置，套筒233的顶端固定在上夹座210和下夹座220的侧壁上，且套筒的底部设置在高低温环境箱100外部，液压缸232固定在套筒233内的底部，液压缸232的一端与液压缸232连接，另一端穿过外侧壁后与移动夹块212连接。

请继续参照图9，智能液压控制单元与液压缸232连接，在压缩测试时用于控制所述液压缸232的压力跟随载荷变化。这里需要指出的是，这里的压力跟随载荷变化是指当载荷增大时液压缸232的夹持力增大，在载荷变小时液压缸232的夹持力变小，因为在压缩测试时，与载荷相比夹持力的过大或者过小都会导致样条受到不同程度的损坏从而影响测试结果。

在本发明实施例中，如图11所示，液压控制单元包括电气控制模块和液压控制模块，电气控制模块通过在压缩夹具200中设置信号输出，实时反馈样条所受到的载荷，从而电气模块发出指令控制液压缸232输出对应的压力，通过这种设置，保证了液压缸232输出的夹持力与载荷呈智能化自适应变化，从而保证了样条所受夹持力与载荷力之间的平衡。

请参照图12，在本发明实施例中，液压控制模块中通过动力单元连接一蓄能器组，并通过一蓄能器组输出两油路，液压缸232分别通过换向阀以及单向阀与两油路连接形成单独的液压控制组，通过这种设置，理论上可以通过一个蓄能器组连接N个液压缸，从而可以通过一个液压控制模块对多组压缩试验的液压缸232提供稳定的动力输出，提高了资源利用率。

套筒233的作用一方面在减少隔离箱内的高低温传递，另一方面通过套筒233通过传动杆231结构将液压缸232的位置延伸至环境箱的外部，通过液压缸232位置的改变进一步减少了高低温度液压缸232的影响；

在上述实施例中，通过在高低温环境箱100内灌入液氮形成低温环境，通过环境箱的自动加热功能形成高温环境，通过在高低温环境箱100上设置的侧面开口140，并将起到驱动作用的液压缸232通过传动杆231以及套筒233的连接隔离在高低温环境箱100外侧，从而减小了高低温环境对液压油的影响，保证了复合材料在低温环境下的大载荷压缩试验的顺利进行，提高试验结果的准确性。

为了提高高低温环境箱100的适应性，如图4所示，高低温环境箱100还包括正面开口端150，侧面开口140设置在正面开口端150的一侧，顶面开口120、底面开口130和侧面开口140均与正面开口端150贯通设置，以便于压缩夹具200的放置。在具体应用时，可以在高低温环境箱100底部设置滑块，在万能材料试验机的支架上设置与滑块相适应的轨道，轨道朝向靠近或者远离压缩夹具200的方向移动，通过上述设置实现了高低温环境箱100的快速装配，在需要高低温环境试验时装载高低温环境箱100，在不需要时通过横移的方式取下，提高了装置适应性。当然为了提高高低温环境箱100的保温性，可以在正面开口端150开设铰接的门，在横移时打开门即可。

请继续参照图4，在本发明实施例中，为了弥补顶面开口120、底面开口130和侧面开口140贯通导致温度外泄，高低温环境箱100还包括上补块121、下部块131和侧面补块141，上补块121的尺寸与顶面开口120的贯通部分相适应，下部块131与底面开口130的贯通部分相适应，侧面补块141与侧面开口140的贯通部分相适应，上补块121、下部块131和侧面补块141通过凸块滑槽结构分别嵌设在顶面开口120、底面开口130和侧面开口140的贯通部分处。具体可是在贯通处的侧壁上设置滑槽，在上补块121、下部块131和侧面补块141的相应位置处设置凸块，在安装时，通过凸块定位将各补块推入即可；这里需要指出的是，推入之后要留出横向驱动机构的移动空间以及顶面和底面与万能材料试验机连接的孔位。此外，在本发明实施例中，高低温环境箱100两用设置，如图10所示，侧面补块141上无孔位，通过这种设置，可以实现在其他无需伸出高低温环境箱100的压缩试验时继续使用该高低温环境箱100，通过这种设置，提高了高低温环境箱100的利用率。

为了提高样条的装配速度以及便于实验过程中对样条状态的观察，请继续参照图4，上夹座210和下夹座220的两腔体211上还具有第二开口端211b，两第二开口端211b的开口方向与正面开口端150的开口方向相同。通过这种设置，可以直接在高低温环境箱100内将样条装入移动夹块212和固定夹块213之间，也可以直接观察到样条的状态。

为了提高液压缸232横向驱动的精准性，如图2、图3和图5所示，横向驱动组件230还包括直线轴承234，直线轴承234设置在套筒233内且传动杆231从直线轴承234内穿过设置。通过直线轴承234的设置，一方面提供了导向功能，减少对移动夹块212推动时的偏移，另一方面也减少了传动杆231移动时的摩擦力，提高了装置的使用寿命。

在本发明实施例中，为了提高传动杆231施力的均衡性，传动杆231朝向移动夹块212的端面上设置有凹槽231a，移动夹块212上朝向传动杆231的面上设置有凸起部212a，凸起部212a嵌入至凹槽231a内，且凸起部212a的端面与凹槽231a的底面为球面接触结构。这里需要指出的是，凸起部212a的侧壁与凹槽231a的侧壁通过间隙配合连接，凸起部212a的顶部与凹槽231a的底部为弧形面，且两弧形面互相贴合，通过这种设置，使得传动杆231在输出动力时与移动夹块212的连接的稳定性，提高了动力输出的均衡性。

此外，在传动杆231与液压缸232之间采用磁铁连接，如图2和图3所示，在传动杆231与液压缸232之间设置有永磁铁，通过永磁体的磁场将二者连接在一起，通过这种设置，使得传动杆231不受其他方向的束缚，从而提高了传动杆231在力的传递过程中的稳定性。

此外，为了减少在试验过程中样条在竖直方向上的偏移，本发明实施例中还设置了内夹块217，如图3和图8所示，内夹块217设置在移动夹块212与固定夹块213之间，并且固定在与第二开口端211b相对的内壁上。通过内夹块217的设置，使得在竖直方向上的除了移动夹块212和固定夹块213侧壁对样条的夹紧之外还具有内侧内夹块217的支撑，防止样条在试验过程中在前后方向的偏移，使得样条一直处于竖直状态，提高了试验的成功率和试验结果的一致性。

而且，为了提高夹持样条的多样性，如图8所示，在本发明实施例中内夹块217朝向第二开口端211b的方向上设置有凸台217a，凸台217a伸入至移动夹块212与固定夹块213之间的夹持区域内。在夹持不同厚度的样条时，通过凸台217a的设置，减少了内夹块217与样条的接触面积，增大了移动夹块212与固定夹块213之间的可调节空间，凸台217a的位置偏向固定夹块213设置。

在本发明实施例中，为了提高竖直方向移动的稳定性，如图5所示，下夹座220上朝向上夹座210的移动方向还设置有至少两个导向柱221，上夹座210穿过导向柱221设置。

进一步的，关于与万能材料试验机的具体连接结构，请继续参照图5，上夹座210的顶部连接有上连接组件215，下夹座220底部固定有下连接座216，上连接组件215的顶部穿过顶面开口120设置，下连接座216的底部穿过底面开口130设置。通过上连接组件215穿过顶面开口120以及下连接座216的底部穿过底面开口130的设置，使得顶面开口120和底面开口130也具备一定的导向功能。

为了提高竖直方向受力的均衡性，如图7所示，本发明实施例中上连接组件215与上夹座210采用球面连接结构，具体的，上连接组件215包括固定在上夹座210顶面的平衡台215a和与平衡台215a连接的上连接座215b，平衡台215a中心呈球面凸起，上连接座215b底部与平衡台215a接触的面设置为对应的凹球面形状。通过球面连接结构的设置，使得从万能材料试验机上加载的点载荷通过平衡态转化为面载荷，从而提高了在压缩时施力的均衡性。

此外需要说明的是，该结构同样可以适用于气压缸在高低温环境下的使用。

本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。