CN101071095A - 直线电机加速式冲击弹簧疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

一种直线电机加速式冲击弹簧疲劳试验装置，涉及受高频率、高速度、大负荷的冲击振动弹簧的疲劳寿命试验装置。本发明主要包括圆筒型直线感应电动机、电气控制部分和机身。由于本发明主要具有结构简单、效率高、能模拟实际工作环境给弹簧试样施加高速度、高频率、大推力及宽行程的冲击振动、检测精度高、操作简便等特点，故本发明可广泛应用于检测在工作过程中受高速度、高频率、大推力、宽行程的冲击振动的弹簧的疲劳寿命，特别是多股螺旋弹簧的疲劳寿命，为研制高频往复运动的弹簧提供较准确的依据，有助于提高其生产质量，从而可提高这类机械设备的性能和竞争力。

Description

直线电机加速式冲击弹簧疲劳试验装置

技术领域

本发明属于机械零件的试验装置，特别涉及受高频率、高速度、大负荷的冲击振动弹簧的疲劳寿命试验装置。

背景技术

弹簧作为弹性元件，在主机中所起的作用是非常重要的。弹簧性能的优劣对机器设备的性能及安全性有直接影响，特别是弹簧的疲劳寿命及可靠性对保证机器设备的稳定工作具有十分重要的意义。凡承受变载荷的弹簧，在企业内部的质量控制、用户交验、新产品定型鉴定、认证、行业抽检和工艺调整环节中，均必须进行疲劳性能检测。未经筛选试验的弹簧在使用中常因质量低劣、尺寸改变，甚至断裂而导致设备发生重大事故和人员伤亡。由于弹簧性能的优劣直接影响着我国机械装备的性能及安全性，所以，采用一种最适宜的疲劳试验装置，测试其疲劳寿命就显得极为重要。

弹簧在工作状态下所承受的力非常复杂，要模拟其实际工况进行疲劳试验是很困难的。比如在工作过程中受高频率、高负荷、高速度、宽振幅的冲击振动弹簧，特别是多股螺旋弹簧，它受到的振动波是冲击波，而不是正弦波等规则波形。所以，在对弹簧进行疲劳试验时，就要选择合适的试验装置，较精确地模拟其工作环境，才能得到比较精确的试验数据，有效地测试其疲劳寿命。

现有的弹簧疲劳试验装置主要为三种形式：机械式、电磁谐振式和电液伺服式，其主要特点如下：

1.机械式疲劳试验装置是采用曲轴或凸轮机构，或利用偏心重锤旋转的离心力，反复对试样加载的方式。这种试验机虽然价格便宜，振幅范围较大，可达到100mm，且振幅与频率可以调整来模拟工况进行试验。但是其振动频率较低，如凸轮式用于10～15HZ，而偏心重锤式用于5～60HZ，所以只适用于低频疲劳试验机。

2.电磁谐振式疲劳试验装置是采用电磁激励、试件共振原理工作的，主要由框架、电磁激振器、主振弹簧、测力传感器、试样及主振系统的配置质量构成机械振动系统，而振动由电磁激振器来激励和保持。其试验频率与试验机的机械振动系统的固有频率相同。固有频率的大小一方面决定于弹簧试样的弹性，另一方面决定于配置质量(如砝码)。通常情况下，其频率较高，为20-300HZ。主要缺点是：振幅很小(通常为几毫米)，负荷较小(最大动载荷为±22.5吨)，而且产生的振动波形是规则的正弦波，并非弹簧实际承受的冲击波。

3.电液伺服式疲劳试验装置是采用电液伺服控制，电子测力，由计算机进行数据处理、控制波形的，主要由负载部分(激振器)、电气控制部分和油压源三部分组成。其测试精度高，频率和负荷范围广，振幅大。目前，其频率范围为0.001-300HZ，最大负荷达±3000吨，振幅为100mm以内。但是该装置是通过伺服阀将电信号变换为油的流量而交替进入油缸，从而高速地推动活塞，使试样振动，其振动频率和振幅范围无法同时达到很大值。另外，虽然电气控制装置中的信号发生器可以产生任意波，但是所产生的冲击力和速度也无法满足实际需要。

因此，有必要研制出一种能够对在高频率、高负荷、高速度、宽振幅的冲击振动环境下工作的弹簧，特别是多股螺旋弹簧进行疲劳寿命试验的冲击疲劳试验装置。通过模拟其实际的工作状态、工作参数、工作环境来真实的再现弹簧在主机上的工作寿命，从而得到比较精确的试验数据，进而对弹簧的研制过程提供准确的依据，提高其在实际应用中的稳定性。

发明内容

本发明的目的是针对现有弹簧疲劳试验装置的不足，提供一种直线电机加速式冲击弹簧疲劳试验装置，具有能够模拟高频率、高速度、大推力、大振幅的冲击振动环境，对高频往复运动弹簧的疲劳寿命进行精确检测等特点。

实现本发明目的的技术方案是：一种直线电机加速式冲击弹簧疲劳试验装置，主要包括圆筒型直线电动机、电气控制部分和机身。其中圆筒型直线电动机主要由初级(包括绕组)和次级两部分组成；电气控制部分主要包括三相交流电源、PC机、控制器、变频器、2个速度传感器和2组位置传感器等；机身主要包括机座、2个调节螺杆、2个锁紧螺母、2个螺母、2个后挡板、2个外套、2个前挡板和导向杆等。

机身的2个调节螺杆、2个锁紧螺母、2个螺母、2个后挡板、2个外套、2个前挡板在机座上沿水平方向呈左右对称装设，机座与地面固接，是本发明装置的载体，使本发明装置在试验中保持稳定。2个外套分别固接在机座的两端，位于直线电机的外侧，2个外套的一端与直线电机的初级固接，另一端分别与2个螺母固接，用以约束放置于外套内的弹簧试样的变形。固接2个调节螺杆的2个锁紧螺母分别装设在2个螺母的外侧，并用以确保固接2个外套的2个螺母不脱落，通过调节调节螺杆的旋入长度，实现对不同长度规格的弹簧试样进行试验。2个前挡板分别设置在2个外套内的前端，用以承受直线电机产生的冲击并传递给弹簧试样。2个后挡板分别设置在2个外套内的后端，用以支撑和限制弹簧试样的运动。导向杆设置在2个外套的轴线处并兼作直线电机轴，还对电机次级、前挡板、后挡板的滑动进行导向。

圆筒型直线电动机设置于机身中部。直线电机的次级为一根金属管，与机身的导向杆滑动连接。与机身外套固接的初级的绕组，通过电源线和设置于机身外的电气控制部分的变频器与三相交流电源连接。当电机的初级绕组接通三相交流电源时，就会产生行波磁场，从而使次级沿着导向杆滑动，当次级与机身的前挡板碰撞以后，放置于机身前、后挡板之间的弹簧试样就会受到冲击并振动。通过改变三相交流电的电流频率以及相位关系，就可以改变次级运动的速度和方向以满足试验需要。因为直线电机能够将电能直接转换成直线运动的机械能，而不需要任何中间转换机构，而且直线电机还具有高速度、大推力、宽行程等特点，所以，直线电机在一种直线电机加速式冲击弹簧疲劳试验装置中的主要作用是：简化装置的结构，并且为本发明装置提供高速度、高频率、大推力、宽行程的冲击振动，从而实现弹簧在实际工作中的模拟环境。

设置于机身外的电气控制部分的PC机是整个控制系统的上位机，PC机与控制器之间采用串口通信线相连，其作用是为用户提供良好的人机界面，一方面便于用户根据试验要求输入试验参数，并自动生成相应的控制程序以串口通信方式输送给控制器；另一方面可以把从现场采集到的实际试验状态显示在界面上，便于用户监视。控制器与变频器之间采用串口通信线相连，与速度传感器和位置传感器之间采用信号线相连。控制器作为下位机的作用是：一方面，在接收到PC机传过来的控制程序以后，以串口通信的方式对变频器的输出频率进行控制；另一方面，控制器对速度传感器和位置传感器的信号进行检测，通过数据处理使变频器输出频率做相应的调整。变频器与三相交流电源和直线电机之间通过电源线相连。三相交流电源采用市电接入，为变频器提供三相工频电流；变频器受控制器的控制而调整其输出的电流频率，以便将工频电流的频率提高到试验所需的值，从而使直线电机的次级高速、高频运动，进而冲击弹簧试样。2个速度传感器分别固接在机身的2个外套的正下方，并且分别通过信号线与控制器连接，用以检测弹簧试样受冲击的速度。2组位置传感器分别固接在机身的2个外套上，沿导向杆轴向以5～50mm的间距呈一字排列，每组位置传感器的数量可根据外套的长度或被检测弹簧试样的最大长度而定，2组位置传感器分别通过信号线与控制器连接，用以检测直线电机的次级的运动状态。如果检测到次级开始反向运动，控制器就会感知该信号并改变变频器输出的三相电流的相位关系，为次级提供反向运动的动力，使直线电机的次级反向加速运动。

本发明采用上述技术方案后，主要有以下特点：

1.采用直线电机作为驱动装置，使承受高频率、高速度、大推力振动的弹簧的冲击疲劳试验装置的结构更简单、效率更高；

2.在试验过程中，能够给弹簧试样施加高速度、高频率、大推力以及宽行程的冲击振动，从而较精确地模拟弹簧的实际工作环境，检测精度大大提高。

3.本发明装置操作简便，将对承受高频率、高速度、大推力冲击振动的弹簧的研制提供依据，有助于提高其生产质量，从而可提高这类机械设备的性能和竞争力。

本发明可广泛应用于检测工作在高频率、高负荷、高速度、宽振幅环境下的弹簧的疲劳寿命，特别是检测多股螺旋弹簧的疲劳寿命。

附图说明

图1为本发明的结构图(剖视图)；

图2为本发明的工作状态图；

图3为电气控制部分的原理图；

图中：1、18调节螺杆，2、17锁紧螺母，3、16螺母，4、15后挡板，5、14外套，6、13弹簧试样，7、12前挡板，8次级，9初级，10导向杆，11绕组，19底座，20、22传感器信号线，21电源线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式进一步说明本发明。

如图1～3所示，：一种直线电机加速式冲击弹簧疲劳试验装置，主要包括圆筒型直线电动机、电气控制部分和机身。其中圆筒型直线电动机主要由初级9(包括绕组11)和次级8两部分组成；电气控制部分主要包括三相交流电源、变频器、2个速度传感器和2组位置传感器等；机身主要包括机座19，2个调节螺杆1、18，2个锁紧螺母2、17，2个螺母3、16，2个后挡板4、15，2个外套5、14，2个前挡板7、12和导向杆10等。

机身的2个调节螺杆1、18、2个锁紧螺母2、17、2个螺母3、16，2个后挡板4、15，2个外套5、14和2个前挡板7、12在机座19上沿水平方向呈左右对称装设，机座19与地面固接，是本发明装置的载体，使本发明装置在试验中保持稳定。2个外套5、14分别固接在机座19的两端，位于直线电机的外侧，2个外套5、14的一端与直线电机的初级9固接，另一端分别与2个螺母2、17固接，用以约束放置于外套内的弹簧试样6、13的变形。固接2个调节螺杆1、18的2个锁紧螺母2、17分别装设在2个螺母3、16的外侧，并用以确保固接2个外5、14套的2个螺母3、16不脱落，通过调节调节螺杆1、18的旋入长度，实现对不同长度规格的弹簧试样6、13进行试验。2个前挡板7、12分别设置在2个外套5、14内的前端，用以承受直线电机产生的冲击并传递给弹簧试样6、13。2个后挡板4、15分别设置在2个外套5、14内的后端，用以支撑和限制弹簧试样6、13的运动。导向杆10设置在2个外套5、14的轴线处并兼作直线电机轴，还对电机次级9、前挡板7、12、后挡板4、15的滑动进行导向。

圆筒型直线电动机设置于机身中部。直线电机的次级8为一根金属管，与机身的导向杆10滑动连接。与机身外套5、14固接的初级的绕组11，通过电源线21和设置于机身外的电气控制部分的变频器与三相交流电源连接。当电机的绕组11接通三相交流电源时，就会产生行波磁场，从而使次级8沿着导向杆10滑动，当次级8与前挡板7、12碰撞以后，弹簧试样6、13就会受到冲击并振动。通过改变三相交流电的电流频率以及相位关系，就可以改变次级8运动的速度和方向以满足试验需要。因为直线电机能够将电能直接转换成直线运动的机械能，而不需要任何中间转换机构，而且直线电机还具有高速度、大推力、宽行程等特点，所以，直线电机在一种直线电机加速式冲击弹簧疲劳试验装置中的主要作用是：简化装置的结构，并且为本发明装置提供高速度、高频率、大推力、宽行程的冲击振动，从而实现弹簧在实际工作中的模拟环境。

设置于机身外的电气控制部分的PC机是整个控制系统的上位机，PC机与控制器之间采用串口通信线相连，其作用是为用户提供良好的人机界面，一方面便于用户根据试验要求输入试验参数，并自动生成相应的控制程序以串口通信方式输送给控制器；另一方面可以把从现场采集到的实际试验状态显示在界面上，便于用户监视。控制器与变频器之间采用串口通信线相连，与速度传感器和位置传感器之间采用信号线20、22相连。控制器作为下位机的作用是：一方面，在接收到PC机传过来的控制程序以后，以串口通信的方式对变频器的输出频率进行控制；另一方面，控制器对速度传感器和位置传感器的信号进行检测，通过数据处理使变频器输出频率做相应的调整。变频器与三相交流电源和直线电机之间通过电源线21相连。三相交流电源采用市电接入，为变频器提供三相工频电流；变频器受控制器的控制而调整其输出的电流频率，以便将工频电流的频率提高到试验所需的值，从而使直线电机的次级8高速、高频运动，进而冲击弹簧试样6、13。2个速度传感器分别固接在机身的2个外套5、14的正下方，并且分别通过信号线20、22与控制器连接，用以检测弹簧试样6、13受冲击的速度。2组位置传感器分别固接在机身的2个外套5、14上，沿导向杆10轴向以40mm的间距呈一字排列，每组位置传感器的数量可根据外套5、14的长度或被检测弹簧试样6、13的最大长度而定，2组位置传感器分别通过信号线20、22与控制器连接，用以检测直线电机的次级8的运动状态。如果检测到次级8开始反向运动，控制器就会感知该信号并改变变频器输出的三相电流的相位关系，为次级8提供反向运动的动力，使直线电机的次级8反向加速运动。

本发明装置的工作过程如下：

首先，为本发明装置接通电源，并根据试验要求在PC机中的用户界面上输入试验参数，PC机会根据这些试验参数生成相应的控制程序，并以串口通信的方式传到控制器中，然后控制器就会调节变频器的输出频率到一定值。此时，直线电机的次级8就会沿着导向杆10滑动，其滑动方向取决于三相电流的相位关系。

假设电机次级8最初是向左滑动的，当次级8碰到前挡板7时，它就开始对弹簧试样6进行压缩，其动能也会逐渐转减少，一部分变成弹簧试样6的弹性势能，另一部分则转化为热能并最终消耗。当次级8的动能消减为零的时候，弹簧试样6也就不会再被压缩，并且此时的弹性势能会随着弹簧试样6的回弹而逐渐转变成次级8的动能，从而使次级8向右滑动。由于次级8开始反向运动的位置并不确定，所以在外套5、14的轴向安装了一系列位置传感器，当传感器感应到次级8向右运动时，控制器就会改变变频器输出三相电流的相位，从而给次级8提供向右运动的动力，增加其动能。

当次级8碰到前挡板12时，它就开始对弹簧试样13进行压缩，由于其动能比上一次向左运动时大，所以弹簧试样13被压缩的程度也更大，从而转化成的弹性势能和损失的热能也更大。当次级8的动能消减为零的时候，弹簧试样13也就不会再被压缩，并且此时的弹性势能会随着弹簧试样13的回弹而逐渐转变成次级8的动能，从而使次级8向左滑动。当外套14上的感应器感应到次级8向左运动时，控制器就会改变变频器输出三相电流的相位，从而给次级8提供向左运动的动力，增加其动能。

如此往复运动，当次级8得到的补充能量与损失的能量相同时，它的运动就会保持在一个平衡状态，从而对左右两端的弹簧试样6、13进行冲击疲劳试验。此时，由速度传感器检测出次级8在冲击前挡板时的初始速度，如果高于试验所需的速度，我们就应该相应地减小变频器的输出频率；反之，就要增大变频器的输出频率，直到满足试验要求为止。在整个过程中，用户都可以从PC机的界面上方便地监视实际试验状态。

Claims (2)

1.一种直线电机加速式冲击弹簧疲劳试验装置，其特征在于主要包括圆筒型直线电动机、电气控制部分和机身，其中圆筒型直线电动机主要由初级(9)和次级(8)两部分组成，电气控制部分主要包括三相交流电源、变频器、2个速度传感器和2组位置传感器，机身主要包括机座(19)，2个调节螺杆(1、18)，2个锁紧螺母(2、17)，2个螺母(3、16)，2个后挡板(4、15)，2个外套(5、14)，2个前挡板(7、12)和导向杆(10)，机身的2个调节螺杆(1、18)、2个锁紧螺母(2、17)、2个螺母(3、16)，2个后挡板(4、15)，2个外套(5、14)和2个前挡板(7、12)在机座(19)上沿水平方向呈左右对称装设，机座(19)与地面固接，2个外套(5、14)分别固接在机座(19)的两端，位于直线电机的外侧，2个外套(5、14)的一端与直线电机的初级(9)固接，另一端分别与2个螺母(2、17)固接，固接2个调节螺杆(1、18)的2个锁紧螺母(2、17)分别装设在2个螺母(3、16)的外侧，2个前挡板(7、12)分别设置在2个外套(5、14)内的前端，2个后挡板(4、15)分别设置在2个外套(5、14)内的后端，导向杆(10)设置在2个外套(5、14)的轴线处，圆筒型直线电动机设置于机身中部，直线电机的次级(8)为一根金属管，与机身的导向杆(10)滑动连接，与机身外套(5、14)固接的初级的绕组(11)，通过电源线(21)和设置于机身外的电气控制部分的变频器与三相交流电源连接，电气控制部分的PC机设置于机身外，PC机与控制器之间采用串口通信线相连，控制器与变频器之间采用串口通信线相连，与速度传感器和位置传感器之间采用信号线(20、22)相连，变频器与三相交流电源和直线电机之间通过电源线(21)相连，2个速度传感器分别固接在机身的2个外套(5、14)的正下方，并且分别通过信号线(20、22)与控制器连接，2组位置传感器分别固接在机身的2个外套(5、14)上，沿导向杆(10)轴向以5～50mm的间距呈一字排列，每组位置传感器的数量可根据外套(5、14)的长度或被检测弹簧试样(6、13)的最大长度而定，2组位置传感器分别通过信号线(20、22)与控制器连接。

2.按照权利要求书所述的直线电机加速式冲击弹簧疲劳试验装置，其特征在于一种直线电机加速式冲击弹簧疲劳试验装置，主要包括圆筒型直线电动机、电气控制部分和机身，其中圆筒型直线电动机主要由初级(9)和次级(8)两部分组成，电气控制部分主要包括三相交流电源、变频器、2个速度传感器和2组位置传感器，机身主要包括机座(19)，2个调节螺杆(1、18)，2个锁紧螺母(2、17)，2个螺母(3、16)，2个后挡板(4、15)，2个外套(5、14)，2个前挡板(7、12)和导向杆(10)，机身的2个调节螺杆(1、18)、2个锁紧螺母(2、17)、2个螺母(3、16)，2个后挡板(4、15)，2个外套(5、14)和2个前挡板(7、12)在机座(19)上沿水平方向呈左右对称装设，机座(19)与地面固接，2个外套(5、14)分别固接在机座(19)的两端，位于直线电机的外侧，2个外套(5、14)的一端与直线电机的初级(9)固接，另一端分别与2个螺母(2、17)固接，固接2个调节螺杆(1、18)的2个锁紧螺母(2、17)分别装设在2个螺母(3、16)的外侧，2个前挡板(7、12)分别设置在2个外套(5、14)内的前端，2个后挡板(4、15)分别设置在2个外套(5、14)内的后端，导向杆(10)设置在2个外套(5、14)的轴线处，圆筒型直线电动机设置于机身中部，直线电机的次级(8)为一根金属管，与机身的导向杆(10)滑动连接，与机身外套(5、14)固接的初级的绕组(11)，通过电源线(21)和设置于机身外的电气控制部分的变频器与三相交流电源连接，电气控制部分的PC机设置于机身外，PC机与控制器之间采用串口通信线相连，控制器与变频器之间采用串口通信线相连，与速度传感器和位置传感器之间采用信号线(20、22)相连，变频器与三相交流电源和直线电机之间通过电源线(21)相连，2个速度传感器分别固接在机身的2个外套(5、14)的正下方，并且分别通过信号线(20、22)与控制器连接，2组位置传感器分别固接在机身的2个外套(5、14)上，沿导向杆(10)轴向以40mm的间距呈一字排列，每组位置传感器的数量可根据外套(5、14)的长度或被检测弹簧试样(6、13)的最大长度而定，2组位置传感器分别通过信号线(20、22)与控制器连接。

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