专利名称：管环向变形测量的卡头、试样管、测量系统、测量方法
技术领域：
本发明属于管材力学试验装置技术，具体是指管环向变形测量的卡头、试样管、测量系统、夹持方法。
背景技术：
测定管材力学性能需要获得管材拉伸的数据，特别是更能够代表管材胀形过程的管材环向拉伸性能。对于小尺寸薄壁管材来说，由于管材直径小(最小可至Φ6πιπι)、管壁薄(管壁厚度最小可至O. 5mm)(如工业中常用的锆管、钛管等)，不可在试验中对试样使用刻槽或焊接凸台的方法来加载变形测量系统，因此测量小尺寸薄壁管材的环向变形比较困难，难度集中在变形系统对试样的夹持上。
为测定锆管环向拉伸性能，1999年美国阿贡实验室曾对Zr-Nb管的环向拉伸性能作了研究，但均未提到环向变形测量的实施方式。国内测量小尺寸管材环向拉伸方面的资料非常有限，且大多数测量方法均会对薄壁管材造成刻槽损伤。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单，不会对薄壁管的壁造成损伤的管环向变形测量的卡头、试样管、测量系统、夹持方法。本发明的目的通过下述技术方案实现为了方便描述，本发明内容将分四个部分阐述本发明的技术方案的实现原理；分别为管环向变形测量的卡头部分、管环向变形测量的试样管部分、管环向变形测量的测量系统部分、管环向变形测量的测量方法部分。管环向变形测量的卡头部分管环向变形测量的卡头，主要由结构相同且对称设置的上夹头和下夹头构成；所述上夹头和下夹头均由底座、以及设置在底座一侧的夹持结构构成，所述夹持结构为一面开有圆弧槽的矩形体，所述圆弧槽位于两个夹持结构相邻的一面，其圆弧槽的弧度与被测的试样管的外径弧度相匹配；且夹持结构还设置有凸起卡位柱，凸起卡位柱位于圆弧槽的底面与夹持结构远离底座的一面相交处，且所述凸起卡位柱开有卡位凹槽，卡位凹槽的底面位于圆弧槽底面上，且卡位凹槽的底面与夹持结构远离底座的一面相交。所述夹持结构远离底座的一面还开有缺口，所述缺口的底面与卡位凹槽底面相交。所述上夹头和下夹头均开有螺纹孔，且上夹头通过贯穿在螺纹孔内部的螺钉与下夹头连接。管环向变形测量的试样管部分与上述卡头相配合且用于管环向变形测量的试样管，所述试样管为两端的端面分别开有两个凹槽的圆形管，位于试样管两端且相邻的两个凹槽的中心点连接线与试样管的轴线平行。试样管没有开设凹槽的圆弧段的管长为试样管的最大管长，试样管开有凹槽的圆弧段的管长为试样管的最小管长。管环向变形测量的测量系统部分基于上述卡头和试样管的管环向变形测量的测量系统，主要由对称设置的两个如权利要求1、2、3所述的卡头，以及卡设在两卡头之间的一个如权利要求4所述的试样管；所述的卡头一个为上卡头、一个为下卡头；所述上卡头和下卡头分别连接有试验机拉杆夹具，且上卡头和下卡头还连接有测量装置。所述测量装置主要由分别连接上卡头和下卡头的引伸杆、以及与引伸杆连接的变形放大器构成。 弓I伸杆通过螺纹分别与上卡头和下卡头连接。所述卡位凹槽的宽度大于试样管的最小管长，卡位凹槽的宽度小于试样管的最大管长。当所述卡头为权利要求2所述的卡头时，其缺口的形状为喇叭口，其缺口的开口宽度为d,缺口的底面宽度为D, D > d >试样管的最小管长。所述试样管的外壁与圆弧槽相匹配。其中，为了使得将试样管卡�。痉⒚魃杓频目ㄎ话疾鄣目矶却笥谑匝艿淖钚」艹ぃㄎ话疾鄣目矶刃∮谑匝艿淖畲蠊艹�。管环向变形测量的测量方法部分基于测量系统的测量方法，包括如下步骤
步骤a、将环形试样管装夹在试验机拉杆夹具上；
步骤b、夹持试样管，包括步骤I、步骤2、步骤3、步骤4 ;
步骤I、组合上卡头对称设置上夹头和下夹头；
步骤2、在步骤I的基础上卡持试样管将试样管没有设置凹槽的圆弧段的外表面与圆弧槽底面相对放置，同时将试样管设置凹槽的圆弧段的外表面与卡位凹槽底面相对放置；步骤3、同步骤I 一样组合下卡头；
步骤4、紧固上卡头和下卡头在上述步骤1、2、3完成后，旋转设置在螺纹孔内部的螺钉，分别紧固上卡头和下卡头，保证圆弧槽底面与试样管外表面合适的间隙配合；
步骤C、开动试验机拉杆夹具，开始数据采集。基于上述四个部分的描述，现在我们阐述其实施的原理小尺寸薄壁管由于形状特殊，其环向拉伸的变形，未见到常规的变形测量系统能够固定、卡持。测量试样管环向变形时为了不对试样管的壁造成损伤，我们特改变以往传统的测量试样变形固定方式(传统的测量变形固定方式是在试样上刻槽或焊接凸台来固定变形测量装置，这个固定部分必然与试样管壁接触，这样，势必会对试样管的壁造成损伤。)，相比以往传统的变形测量固定方式，本发明改变变形测量装置固定位置的形状和卡持方式。本发明涉及的试样管为两端的端面分别开有两个凹槽的圆形管，位于试样管两端且相邻的两个凹槽的中心点连接线与试样管的轴线平行。本发明在上述造型的试样管的基础上，设计了一种特别的试样管变形测量固定卡头，卡头与试样管相匹配，将卡头加载在试样管开设的凹槽之上，即可实现对试样管的固定。为了夹持的稳固，本发明设计的卡头分为结构相同且对称设置的上夹头和下夹头，这样在夹持试样管时，可使得试样管的外壁与圆弧槽相匹配。本发明的目的是为测试试样管环向拉伸的变形测量，解决小尺寸薄壁管环向拉伸实验在标距段安装测量系统，对标距段进行变形测量，且不对试样管产生刻槽等机械损伤的问题。
本发明的作用客体为小尺寸薄壁管材这样的试样管，变形测量引出的卡头需要夹持在试样管的凹槽圆弧段端，以对标距段的变形进行数据采集。卡头采用与试样管外形相匹配的仿形的卡槽方式夹持试样管，卡槽为缺口和卡位凹槽的组合；卡头依照所测量的环形试样直径，具有与试样管相匹配的圆弧槽。仿形的卡槽与所夹持的凹槽的槽面贴合，并加载在试样管标距段两端的凹槽圆弧处。上述管环向变形测量的测量系统部分包含上下两个对称的上卡头和下卡头，上卡头和下卡头随着试样管标距段的变形而产生位移，进而将试样管的变形量传递到引伸杆上，再通过引伸杆与变形放大器的连接，将变形量转换到变形放大器上，从而将环向拉伸试样管标距段的变形测量出来。卡头与引伸杆的连接使用焊接连接，连接后销钉连接，使卡头与引伸杆成为一体；卡头装夹试样管的方式为螺纹加紧的方式，卡头与试样管间的间隙采用间隙配合；圆弧槽与试样管的圆弧接触面的粗糙度为3. 2，此圆弧槽采用线割加工，一次成型。这样可以使得 测试的结果更加精准。
本发明的有益效果本发明可以有效地获取环向拉伸试样管标距段的变形数据，过程方便快捷，且不会对试样管引入机械刻槽等损伤。可测定的变形范围为(T20mm，精度为O. 001mm。
图I为卡头的结构图。图2为测量系统的结构示意图。图3为试样管的示意图。附图中标记及相应的零部件名称1、上夹头；2、下夹头；3、底座；4、夹持结构；5、圆弧槽；6、凸起卡位柱；7、缺口 ；8、螺纹孔；9、卡位凹槽；10、试样管；11、引伸杆；12、变形放大器；13、试验机拉杆夹具；14、上卡头；15、下卡头。
具体实施例方式下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。实施例
如图1、2、3所示，本发明的作用客体为小尺寸薄壁管材这样的试样管10，变形测量引出的卡头需要夹持在试样管10的凹槽圆弧段端，以对标距段的变形进行数据采集。卡头采用与试样管10外形相匹配的仿形的卡槽方式夹持试样管10，卡槽为缺口 7和卡位凹槽9的组合；卡头依照所测量的环形试样直径，具有与试样管10相匹配的圆弧槽5。仿形的卡槽与所夹持的凹槽的槽面贴合，加载在试样管10标距段两端的凹槽圆弧处。上述管环向变形测量的测量系统部分包含上下两个对称的上卡头14和下卡头15，上卡头14和下卡头15随着试样管10标距段的变形而产生位移，进而将试样管10的变形量传递到引伸杆上，再通过引伸杆与变形放大器12的连接，将变形量转换到变形放大器12上，从而将环向拉伸试样管标距段的变形测量出来。卡头与引伸杆的连接使用焊接连接，连接后销钉连接，使卡头与引伸杆成为一体；卡头装夹试样管10的方式为螺纹加紧的方式，卡头与试样管10之间的间隙采用间隙配合；圆弧槽5与试样管10的圆弧接触面的粗糙度为3. 2，此圆弧槽5采用线割加工，一次成型。本发明应用在小尺寸薄壁管的环向拉伸标距段变形测量中，避免了以往以试验机拉杆位移代表整个环形试样管变形的情况，数据在反映试样环向变形方面更接近变形的真实情况，且不对试样引入机械刻槽等损伤，保证了试样的完整性。采用高温合金制造上下两对称的上卡头14和下卡头15。本发明需要与引伸杆、导轨、光栅尺、测量装置相连接，并需配备MTS、螺变试验机等拉伸试验装置施加载荷。1000°C以下的环境均可使用，可在高温大气炉及 气体环境试验箱中使用。基于测量系统的测量方法，包括如下步骤
步骤a、将环形试样管10装夹在试验机拉杆夹具13上；
步骤b、夹持试样管10，包括步骤I、步骤2、步骤3、步骤4 ;
步骤I、组合上卡头14、15 :对称设置上夹头I和下夹头2 ；
步骤2、在步骤I的基础上卡持试样管10 :将试样管没有设置凹槽的圆弧段的外表面与圆弧槽5底面相对放置，同时将试样管设置凹槽的圆弧段的外表面与卡位凹槽9底面相对放置；
步骤3、同步骤I 一样组合下卡头15 ；
步骤4、紧固上卡头和下卡头在上述步骤1、2、3完成后，旋转设置在螺纹孔8内部的螺钉，分别紧固上卡头14和下卡头15，保证圆弧槽5底面与试样管10外表面合适的间隙配合；
步骤C、开动试验机拉杆夹具13，开始数据采集。该方法可对如核工业中的锆合金管材、钛管等小尺寸管材进行测量。管环向变形测量的卡头部分管环向变形测量的卡头，主要由结构相同且对称设置的上夹头I和下夹头2构成；所述上夹头I和下夹头2均由底座3、以及设置在底座3 —侧的夹持结构4构成，所述夹持结构4为一面开有圆弧槽5的矩形体，所述圆弧槽5位于两个夹持结构4相邻的一面，其圆弧槽5的弧度与被测的试样管10的外径弧度相匹配；且夹持结构4还设置有凸起卡位柱6，凸起卡位柱6位于圆弧槽5的底面与夹持结构4远离底座3的一面相交处,且所述凸起卡位柱6开有卡位凹槽9，卡位凹槽9的底面位于圆弧槽5底面上，且卡位凹槽9的底面与夹持结构4远离底座3的一面相交。所述夹持结构4远离底座3的一面还开有缺口 7，所述缺口 7的底面与卡位凹槽9底面相交。所述上夹头I和下夹头2均开有螺纹孔8，且上夹头I通过贯穿在螺纹孔8内部的螺钉与下夹头2连接。管环向变形测量的试样管部分与上述卡头相配合且用于管环向变形测量的试样管，所述试样管10为两端的端面分别开有两个凹槽的圆形管，位于试样管10两端且相邻的两个凹槽的中心点连接线与试样管10的轴线平行。试样管10没有开设凹槽的圆弧段的管长为试样管10的最大管长，试样管10开有凹槽的圆弧段的管长为试样管10的最小管长。管环向变形测量的测量系统部分基于上述卡头和试样管的管环向变形测量的测量系统，主要由对称设置的两个如权利要求I或3所述的卡头，以及卡设在两卡头之间的一个如权利要求4所述的试样管10 ;所述的卡头一个为上卡头14、一个为下卡头15 ;所述上卡头14和下卡头15分别连接有试验机拉杆夹具13，其上卡头14和下卡头15还连接有测
量装置。所述测量装置主要由分别连接上卡头14和下卡头15的引伸杆11、以及与引伸杆11连接的变形放大器12构成。引伸杆11通过螺纹分别与上卡头14和下卡头15连接。当所述卡头为权利要求2所述的卡头时，其缺口 7的形状为喇叭口，其缺口 7的开口宽度为d，缺口 7的底面宽度为D，D > d >试样管10的最小管长。所述试样管10的外壁与圆弧槽5相匹配。其中，为了使得将试样管卡�。痉⒚魃杓频目ㄎ话疾鄣目矶却笥谑匝艿淖钚」艹ぃㄎ话疾鄣目矶刃∮谑匝艿淖畲蠊艹�。 管环向变形测量的夹持方法部分基于上述卡头和试样管的管环向变形测量的夹持方法，
包括如下步骤，
步骤I，组合上卡头14 :对称设置上夹头I和下夹头2 ；
步骤2，在步骤I的基础上放置试样管10 :将试样管10没有设置凹槽的圆弧段的外表面与圆弧槽5底面相对放置，同时将试样管10设置凹槽的圆弧段的外表面与卡位凹槽9底面相对放置，然后旋转贯穿螺纹孔8的螺钉，将试样管10固定在卡头上；
步骤3，同步骤I 一样组合下卡头15 ；
测量试样管环向变形时为了不对试样管10的壁造成损伤，我们改变以往传统的变形测量装置固定、卡持方式，传统的测量变形固定方式是在试样上刻槽或焊接凸台来固定变 形测量装置，这个固定部分必然与试样管壁接触，这样，势必会对试样管的壁造成损伤。相比以往传统的变形测量装置固定、卡持方式，本发明改变变形测量装置固定位置的形状和卡持方式。为了不对试样管的壁造成损伤，本发明涉及一种特别的试样管10，该试样管10为两端的端面分别开有两个凹槽的圆形管，其凹槽的内壁在夹持时，与凸起卡位柱6的外壁接触。本发明在上述造型的试样管10的基础上，设置与之相匹配的卡头，将卡头加载在试样管10开设的凹槽之上，即可实现对试样管10的固定。为了夹持的稳固，本发明设计的卡头分为结构相同且对称设置的上夹头I和下夹头2，这样在夹持试样管10时，可使得试样管10的外壁与圆弧槽5相匹配。试样管10开有凹槽的部分为标距段，即为需要测量的部分，其余部分为夹持部分，在夹持试样管10时，其夹持部分的圆弧表面与圆弧槽5底面相帖合即可，试样管10的凹槽壁与凸起卡位柱6的外表面贴合。本发明的目的是为测试试样管10环向拉伸提的变形测量，解决小尺寸薄壁管环向拉伸实验在标距段安装测量系统，对标距段进行变形测量，且不对试样管10产生刻槽等机械损伤的问题。如上所述，便可较好的实现本发明。
权利要求
1.管环向变形测量的卡头，其特征在于主要由结构相同且对称设置的上夹头(I)和下夹头(2 )构成；所述上夹头(I)和下夹头(2 )均由底座(3 )、以及设置在底座(3 ) 一侧的夹持结构(4)构成，所述夹持结构(4)为一面开有圆弧槽(5)的矩形体，所述圆弧槽(5)位于两个夹持结构(4)相邻的一面，其圆弧槽(5)的弧度与被测的试样管(10)的外径弧度相匹配；且夹持结构(4)还设置有凸起卡位柱(6)，凸起卡位柱(6)位于圆弧槽(5)的底面与夹持结构(4)远离底座(3)的一面相交处，且所述凸起卡位柱(6)开有卡位凹槽(9)，卡位凹槽(9)的底面位于圆弧槽(5)底面上，且卡位凹槽(9)的底面与夹持结构(4)远离底座(3)的一面相交。
2.根据权利要求I所述的管环向变形测量的卡头，其特征在于所述夹持结构(4)远离底座(3)的一面还开有缺口(7)，所述缺口(7)的底面与卡位凹槽(9)底面相交。
3.根据权利要求I所述的管环向变形测量的卡头，其特征在于所述上夹头(I)和下夹头(2)均开有螺纹孔(8)，且上夹头(I)通过贯穿在螺纹孔(8)内部的螺钉与下夹头(2)连接。
4.与上述卡头相配合且用于管环向变形测量的试样管，其特征在于所述试样管(10)为两端的端面分别开有两个凹槽的圆形管，位于试样管(10)两端且相邻的两个凹槽的中心点连接线与试样管(10)的轴线平行。
5.基于上述卡头和试样管的管环向变形测量的测量系统，其特征在于主要由对称设置的两个如权利要求1、2、3所述的卡头，以及卡设在两卡头之间的一个如权利要求4所述的试样管(10);所述的卡头一个为上卡头(14)、一个为下卡头(15);所述上卡头(14)和下卡头(15)分别连接有试验机拉杆夹具(13)，且上卡头(14)和下卡头(15)还连接有测量装置。
6.根据权利要求5所述的基于上述卡头和试样管的管环向变形测量的测量系统，其特征在于所述测量装置主要由分别连接上卡头(14)和下卡头(15)的引伸杆(11)、以及与引伸杆(11)连接的变形放大器(12 )构成。
7.根据权利要求6所述的基于上述卡头和试样管的管环向变形测量的测量系统，其特征在于引伸杆(11)通过螺纹分别与上卡头(14)和下卡头(15)连接。
8.根据权利要求5-7中任意一项所述的基于上述卡头和试样管的管环向变形测量的测量系统，其特征在于所述卡位凹槽(9)的宽度大于试样管(10)的最小管长，卡位凹槽(9)的宽度小于试样管(10)的最大管长。
9.基于测量系统的测量方法，其特征在于包括如下步骤 步骤a、将环形试样管(10)装夹在试验机拉杆夹具(13)上； 步骤b、夹持试样管(10)，包括步骤I、步骤2、步骤3、步骤4 ; 步骤I、组合上(14 )卡头对称设置上夹头(I)和下夹头(2 ); 步骤2、在步骤I的基础上卡持试样管(10):将试样管(10)没有设置凹槽的圆弧段的外表面与圆弧槽(5)底面相对放置，同时将试样管(10)设置凹槽的圆弧段的外表面与卡位凹槽(9)底面相对放置； 步骤3、同步骤I 一样组合下卡头(15);步骤4、紧固上卡头(14)和下卡头(15):在上述步骤1、2、3完成后，旋转设置在螺纹孔(8)内部的螺钉，分别紧固上卡头(14)和下卡头(15)，保证圆弧槽(5)底面与试样管(10)外表面合适的间隙配合； 步骤C、开动试验机拉杆夹具(13)，开始数据采集。
全文摘要
本发明公开了管环向变形测量的卡头、试样管、测量系统、测量方法，卡头采用仿形的卡槽方式夹持试样管，加载在环形试样管标距段两端的凹槽圆弧处，将环向拉伸试样管标距段的变形测量出来。本发明避免了以往以试验机拉杆位移代表整个环形试样管变形的情况，数据在反映试样管环向变形方面更接近变形的真实情况，且不对试样管引入机械刻槽等损伤，保证了试样管的完整性。
文档编号G01N3/02GK102735536SQ201210201569
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月19日 优先权日2012年6月19日
发明者刘鸿, 吴正武, 尹祁伟, 彭倩, 徐春容, 戴训, 梁波, 洪晓峰, 王朋飞, 赵文金, 邱军, 闫萌 申请人:中国核动力研究设计院
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