CN101498575A - 用于测量转动叶片上的应力的装置及方法 - Google Patents

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CN101498575A CN200810185187.1A CN200810185187A CN101498575A CN 101498575 A CN101498575 A CN 101498575A CN 200810185187 A CN200810185187 A CN 200810185187A CN 101498575 A CN101498575 A CN 101498575A
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亚当·黑尼斯
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Abstract

一种用于测量转动叶片上的应力的应变仪装置，其包括应变仪组件、与转动叶片连接的转轴、与转轴连接的滑环、以及用于包覆沿应变仪的转轴布置的导线并与滑环连接的套管。本发明还涉及确定转动叶片的疲劳寿命的方法。

Description

用于测量转动叶片上的应力的装置及方法
技术领域
本发明主要涉及用于转动叶片的应变仪组件。更确切地说，本发明涉及用于测量转动叶片上的应力和应变的应变仪装置及方法、确定转动叶片的疲劳寿命的方法、以及作为验收标准的评价转动叶片的方法。
背景技术
转动叶片，例如高速转动叶片，表现出高转动力并因此而在实际使用环境下易遭受各种应力。例如，具有转动搅拌机叶片的搅拌机典型地被用以搅拌或混合各种物质，典型地为食品、液体、甚至冰。搅拌冰对于搅拌机叶片来说是最极端的工作环境之一。因而，这种搅拌机叶片在长期使用中易于疲劳失效。
转动叶片典型地由诸如钢这样的材料制成，足以抵抗诸如高剪切及冲击力这样的极端工作环境。结果，由于转动叶片常常工作于极端的工作环境下，故评价或测量正常或极端工作环境下转动叶片上的应力是困难的。另外，由于转动叶片所遭受的转速和经常工作于其中的苛刻环境，所以在实际使用期间测量转动叶片上的应力和应变是困难的，而上述两种情况均不利于使用常规的测量仪器或技术。在转动叶片的典型工作环境下，诸如应变仪这样的测量仪器可能因转动叶片的工作环境而在实体上受损或被毁坏，并且可能因流体的导电性而短路，其中所述流体可能与此类转动叶片相接触，例如像在混合与转动搅拌机叶片相关的饮料时那样。因此，评价或确定任何特定设计的转动叶片的工作寿命或疲劳寿命，或者制定与疲劳失效相关并用于转动叶片制造中的任何验收标准都是困难的。
因而，仍然具有如下需求：即需要提供一种用于测量转动叶片上的应力的应变仪装置、一种评价转动叶片的疲劳寿命的方法、以及一种用于评价转动叶片而可使用户能够确定这种转动叶片是否满足最低制造或其它验收标准的方法。
发明内容
在一实施方式中，本发明提供一种用于测量转动叶片上的应力的应变仪装置，其包括应变仪组件，该应变仪组件包括：用于测量转动叶片上的应变的应变仪，和连接至应变仪的导线；连接至转动叶片的转轴；以及连接至转轴和导线的滑环(slip ring)。
在另一实施方式中，本发明提供一种用于测量安装在搅拌机内的搅拌机叶片上的应力的应变仪装置，该应变仪包括：固定于搅拌机叶片上的应变仪；连接至搅拌机叶片并延伸穿过搅拌机的上部的转轴；连接至应变仪并沿转轴布线的导线；以及连接至导线和搅拌机的上部的转轴的滑环。
在又一实施例中，本发明提供一种测量转动叶片上的应力的方法，该方法包括以下步骤：将具有导线的应变仪固定在安装于叶片轴上的转动叶片上；将转轴连接至随其转动的叶片轴上；将具有滑环线的滑环连接至转轴；将导线沿转轴布置并且将导线连接至滑环；以及将滑环线连接至数据采集系统。
在进一步的实施例中，本发明提供一种确定转动叶片的疲劳寿命的方法，该方法包括以下步骤：获得实际使用环境下的转动叶片的原始应力数据；将该原始应力数据转换为第一数据组；获得模拟使用环境下的转动叶片上的模拟应力数据；将该模拟应力数据转换为第二数据组；以及评价所述第一和第二数据组以确定转动叶片的疲劳寿命。
在另一实施例中，本发明提供一种评价转动叶片的方法，该方法包括以下步骤：获得实际使用环境下的转动叶片的原始应力数据；将该原始应力数据转换为第一数据组；获得模拟使用环境下的转动叶片上的模拟应力数据；将该模拟应力数据转换为第二数据组；评价所述第一和第二数据组以确定转动叶片的疲劳寿命；以及将所述疲劳寿命与预定疲劳寿命值进行比较。
附图说明
结合附图，上面的简要说明以及下面的详细说明将被更好地理解。出于示例性说明本发明的目的，附图中示出了本发明目前优选的实施例。然而，应该明白，本发明不限于所示的具体装置和手段。其中：
图1是传统电动搅拌机的正视图；
图2是图1中所示的传统电动搅拌机的搅拌机叶片的立体图；
图3是根据本发明优选实施例的安装于搅拌机的应变仪装置的正视图，其用于测量搅拌机叶片的应变；
图4是图3所示的应变仪装置的放大正视图，其中为了清楚起见除去了搅拌机的一部分；
图5是图4中所示的应变仪装置的应变仪的进一步放大的正视图，其安装于图3中所示的搅拌机的搅拌机叶片上；
图6是应用于食品加工机时的图4所示的应变仪装置的另一实施例；
图7是本发明的另一实施例的流程图；
图8是本发明另一实施例的流程图；
图9是本发明另一实施例的流程图；
图10示出了可应用于本发明的叶片疲劳试验装置；
图11是例I的搅拌机叶片X的应力-周期数曲线(a Stressv.Number ofcycles curve)；
图12是例I的搅拌机叶片X的原始的随时间变化的应力数据(Rawtime history stress data)；
图13是例I的搅拌机叶片X上所测得的交变应力周期的雨流柱状图；
图14是例II的搅拌机叶片Y的应力-周期数曲线；
图15是例II的搅拌机叶片Y的原始的随时间变化的应力数据；
图16是例II的搅拌机叶片Y上所测得的交变应力周期的雨流柱状图。
具体实施方式
在下面的说明书中使用特定的术语仅出于方便而非限制的目的。词语“右”、“左”、“下”、“上”。词语“向内”和“向外”分别指朝向和远离部件的几何中心的方向。所述术语包括上面明确提及的词及其派生词和近似词。另外，本说明书中所用的词语“一”意指至少一个。
在一实施例中，本发明涉及一种用于测量转动叶片上的应力的应变仪装置。转动叶片可以是被构造为绕轴转动的任何叶片，诸如搅拌机叶片、食品加工叶片、混合叶片、涡轮叶片、螺旋桨叶片、切割叶片、割草机叶片、风机叶片等。仅通过示例性而非限制性，现以应用于转动搅拌机叶片为例来描述用于测量转动叶片上的应力的应变仪装置。应该理解，本发明的应变仪装置可应用于各种转动的叶片(即转动叶片)。而且，尽管本发明将针对应变仪而被描述，可预期当前已知的或将开发的能够测量应力、应变或疲劳的任何其它量器或装置都在本发明的保护范围内。
参照图1和图2，均使用附图标记10指示的传统电动搅拌机包括搅拌机罐12、盖14和底座16。搅拌机罐12在其底部设置有搅拌机叶片18(即转动叶片)。底座16内装有电动机(未示出)，当搅拌机罐12被装配于底座16时，该电动机驱动搅拌机叶片18。搅拌机叶片18被安装于搅拌机叶片轴28上，该搅拌机叶片轴28反而被电动机驱动从而转动搅拌机叶片18并在罐12内搅拌食物。
参照图3-5，本实施例的优选的应变仪装置20包括应变仪组件30、转轴22、滑环24和围绕转轴22的套管26。应变仪组件30包括应变仪32和从应变仪32伸出的一对导线34(为了方便仅示出一个导线)。导线34传输由应变仪32产生的电信号。应变仪典型地被用于测量应力，其在本领域是熟知的，因而对于彻底理解本发明来说，不必详细解释这种应变仪的结构和操作。然而，典型的应变仪包括箔式应变仪、半导体式应变仪、荷重式(load cell)应变仪等。
应变仪被用以测量物体的形变(应变)。例如，用箔式应变仪，应变仪被附贴于物体上，而当物体变形时测量应力。当物体形变时，箔片变形引起其电阻变化。可选地，惠斯通电桥(Wheatstone bridge)33也可被用以探测和/或放大与电阻变化相关联的电压变化。
如图4所示，应变仪32可选地包括惠斯通电桥33和放大器35，以便增大信号强度和减小由应变仪32测得的噪声。惠斯通电桥33和放大器35有利地减小由于应变仪32信号干扰而形成的电压，该干扰来自于在典型搅拌机试验环境中可能遭受的电磁场或其它电干扰。
回到图4，转轴22被设置为与搅拌机叶片18和搅拌机叶片轴28可连接，并在使用中随搅拌机叶片轴28和搅拌机叶片18一起转动。转轴22优选地通过使内外螺纹(未示出)紧密配合而被连接至搅拌机叶片轴28上。例如，转轴22可配置外(male)螺纹而搅拌机叶片轴28可配置相应的内(female)螺纹。或者，转轴22可通过任何其它连接而被连接至搅拌机叶片轴28上，其中该连接足以牢固地将转轴22安装到搅拌机叶片轴28上，从而使得转轴22随搅拌机叶片轴28一起转动。这种连接可包括卡口连接(bayonet connection)、快速连接(quick connection)、卡扣(snap fit)、锥形锁(taper lock)或者足以满足预期用途的任何其它连接。
转轴22可以是纵向构件，并且可以具有任何适宜于其预期用途的结构。例如，转轴22可以是具有正方形或六角形横截面或者具有能够耐受转轴22所遭遇的典型工作环境的任何横截面结构的小直径圆形横截面轴。转轴22的长度优选地使其足以从与搅拌机叶片轴28和搅拌机叶片18的连接延伸至与滑环24的连接。优选地由钢制成的转轴22可以由适宜于其预期用途的任何材料构成，例如金属、聚合材料或合成材料。
滑环24可以是任何传统类型的滑环，其涉及固定部分和转动部分之间的电力和/或电信号的传输。滑环在本领域通常是熟知的，因而对于完全理解本申请来说，不必详细解释滑环的结构和工作原理。然而，典型的滑环包括通孔滑环、帽型滑环、高速滑环、大直径滑环、光纤旋转关节(fiber optic rotary joint)滑环、多扭转或扭转帽型滑环(poly-twist or twistcapsules slip ring)、车用滑环(vehicular slip ring)等。典型的滑环包括安装在轴上并与其绝缘的导电圈或带。环与系统的转动部分进行电连接。固定触点或刷子与环接触，从而向系统的外部静止部分传输电力和/或信号。
在本实施例中，如图4所示，滑环24包括固定部分24a和转动部分24b。在优选实施例中，滑环24还包括安装于转动部分24b的惠斯通电桥33和放大器35。惠斯通电桥33和放大器35有助于提高被传输给数据采集系统37的数据质量。一对滑环线36(出于方便仅示出一个)向数据采集系统37传输从滑环24输出的电信号。例如，数据采集系统37可以是计算机、可编程逻辑控制器、或者足以满足其预期用途的任何本领域易于得知的其它设备。
参照图3，滑环24可通过安装结构23被安装到盖子14上。安装结构优选地由刚性材料构成，其中该刚性材料能够安装到传统盖子14上，并能够与滑环24的固定部分24a接合从而在试验和工作过程中将滑环24、转轴22和导线34相对于搅拌机10固定。安装结构23可被构造为安装在传统搅拌机盖子进料孔(未示出)中，或者盖子14可以特别适合于将安装结构23安装于其上。安装结构23不限于刚性聚合结构，可由能够呈现出安装结构23的普通形状、能够抵抗安装结构23的正常工作环境、并且能够将滑环24相对于搅拌机10固定的几乎任何基本刚性的结构材料构成。另外，安装结构23不限于被安装到盖子上，而且可以直接被安装到罐子12或几乎任何其它结构上，例如在试验过程中通常相对于搅拌机10固定的试验设备。然而，安装结构23优选地被安装到盖子14上，以便罐子12中的搅拌环境大体是罐子14中的典型的搅拌环境和流型模式的复制，从而使得搅拌机叶片18所经受的应力和应变与正常使用中所经受的应力和应变相似。
参照图4和5，套管或封罩26适宜于包封沿转轴22布置的导线34。套管26可以是包绕转轴22和/或导线34的柔性材料(例如，塑料套、橡胶体、箔等)，或者可以被构造为刚性轴，该刚性轴通常具有沿着转轴22而延伸的空腔，而流体不会进入该空腔。典型的套管26可以是环形套管，其内径略大于转轴22和导线34的最大横截面宽度。套管26优选地被构造为随转轴22同步转动。然而，套管26也可被构造为不随转轴22转动或者以与转轴22不同的速度转动。套管26为导线34和转轴22提供罩，并且进一步为导线提供防水罩。这样有利地减小了如下事实发生的可能性：即试验时电流可能从导线34流入搅拌机10内用于测试的流体中，并且由此而损害任何测试结果，例如通过在导线34之间并沿其长度方向上的任何一处地方引发短路。在另一实施例中，套管26可被构造为主要封罩沿转轴22布置的导线34，例如导线柔性套。
套管26可由金属、合成物、聚合材料或几乎任何其它材料构成，其中的任何其他材料能够呈现套管26的普通形状、能够展现套管26的优选功能、并能够抵抗套管26所经受的典型工作环境。优选地，套管26由聚合材料构成，诸如环氧树脂材料、热缩塑料壳(例如聚氯乙烯基塑料膜)或者任何其它防水膜等。
应变仪装置20还可以包括数据采集系统37，例如计算机或可编程逻辑控制器，以便测量、获取和/或记录由应变仪组件30所测得的数据。数据采集系统37还可被配置(例如用各种软件程序，例如nCcodeGlyphWorks)成用以分析该数据。
在工作中，应变仪装置20被装备到搅拌机叶片18上。也就是说，应变仪装置20经转轴22被连接至搅拌机叶片轴28上。应变仪32使用将应变仪32固定于搅拌叶片18的粘合剂或其它粘着机构(例如粘接剂或夹钳表(gauge clamp))被固定于搅拌机叶片18，以便使用中当搅拌机叶片18挠曲、变位或变形时，应变仪可变形。应变仪32和它们的与各表面连接的方法在本领域是公知的，而对于彻底理解本发明而言，不必详细说明用于连接传统应变仪的各种方法。优选地，应变仪32被粘附于搅拌机叶片18的基于工程原理，例如有限元分析、疲劳模式分析等，而具有最高预感应力的区域中，并且还优选地被安装在叶片18上的如下位置：即在此位置诸如冰块这样的碎片的潜在影响很小从而减小碎片剥离(delaminate)或影响应变仪32或者损坏/断开导线34的可能性。应变仪32不限于被连接至搅拌机叶片18的预感的最高应力位置，而且可以被置于叶片的如下位置：预想与搅拌机食物中碎片的接触较低的位置、预感到搅拌机叶片18的疲劳的位置，或沿搅拌机叶片18的几乎任何位置，只要可在使用和试验中监视该位置的应力和应变。
导线34优选地被缠绕在转轴22长度上，并被连接至滑环24的转动部分24b。优选地，导线34沿转轴22线圈式布置。套管26可被放置或叠置并覆于转轴22和导线34上，从而将导线34固定到位并保护导线34免于遭受搅拌机10内苛刻的搅拌环境的影响。例如在希望获得诸如约20,000RPM的每分钟非常高转数(RPM)的应力数据时，这种配置有利地保护了应变仪组件30免受搅拌机10内的工作环境的影响。另外，导线34优选地环绕在转轴22上，使得转轴22的任何扭转变位(torsionaldeflection)通常将导线34从转轴22上松开，而与缠紧转轴22而潜在地损坏导线34或导线34与应变仪32的连接相反。例如，在试验中，如果搅拌机叶片18碰撞大块冰而使转轴22遭受扭转变位，则导线34优选地将具有从转轴22松开而补偿该扭转变位的趋势。
应变仪32优选地粘附于搅拌机叶片18上并包覆有诸如环氧树脂的覆膜38，如图5中所示。在搅拌机10内的工作环境中，有利地，覆膜38(例如，环氧树脂)为应变仪32提供保护。覆膜38还为应变仪32和/或导线34提供防水，因为在试验中，搅拌机叶片18和应变仪装置20典型地易遭遇流体，这对应变仪38、导线34和整个应变仪装置20的工作和/或功能有不利的影响。例如，如果没有优选的覆膜38，则在试验中，有可能电流可从应变仪32流入应变仪32周围的流体，由此因对应变仪32引发短路而有损试验结果。然而，覆膜38不限于被包括在应变仪装置20中，并且尤其不限于提供防水特性的环氧树脂，而可以由几乎任何材料构成，其中该材料能够包覆导线34和/或应变仪32，或者为其提供保护或粘附/安装特性。典型的覆膜包括GageKote、M-Bond、M-Coat、和RTV覆膜，它们都可从宾夕法尼亚州(PA)Malvern的VishayIntertechnology Inc.公司获得。
图6示出了本实施例的应用于食品加工机100的食品加工叶片118的应变仪装置20。应变仪装置20可配置食品加工机100，类似于上面实施例的电动搅拌机10。食品加工机100可以是任何传统的食品加工机，其包括食品加工罐112、盖子114和底座116。底座116装有电动机(未示出)，当食品加工机罐112被装配于底座16时，该电动机驱动食品加工机叶片118。食品加工机叶片118被安装于食品加工机叶片轴128，该食品加工机叶片轴128随之被电动机驱动从而转动食品加工机叶片118以加工食品。
如图7的流程图所示，本发明还提供一种测量转动叶片上的应力的方法。在实施该方法中，具有导线34的应变仪32被固定在安装于叶片轴28的转动叶片上(步骤110)，并且转轴22被连接至叶片轴28(步骤112)。转轴22优选地被连接至叶片轴28，使得转轴和叶片轴28基本共轴并一起转动。具有滑环线36的滑环24被连接至转轴22的未安装端(步骤114)。应变仪导线34被沿转轴22布置并连接至滑环24(116)。接着，滑环线36被连接至数据采集系统37(例如，计算机)，从而测量和/或记录转动叶片工作时的应力数据(步骤118)。该方法进一步可包括用诸如环氧树脂的覆膜38包覆应变仪32的步骤。该方法还可包括包覆沿转轴22布置的导线34的步骤。封罩可以是如上面实施例所描述的套管26。
如图8中所示，本发明进一步提供一种确定转动叶片的疲劳寿命的方法。如通常所理解的术语“疲劳寿命”或“疲劳失效”是指出现结构毁坏例如破裂或断裂之前部件可抵抗的疲劳周期数。一般而言，“疲劳”是当材料经受周期载荷时出现的逐渐的局部化的结构损伤。在本实施例中，在实际使用环境下获得转动叶片上的原始应力数据(步骤210)。在测量转动叶片上的应力中，如上所描述的应变仪装置20被用于测量实际使用环境下的转动叶片上的应力。典型地以千磅/平方英寸(ksi)(即，MPa)-时间(即，秒)测得原始应力数据。接着，原始应力数据被转换为第一数据组(步骤212)。通过首先将原始数据换算成雨流柱状图而转换原始数据组。这可用诸如nCode GlyphWorks软件的计算机软件或数字方法完成。接着雨流柱状图的非零平均应力(nonzero mean stress)被归一化至等零平均应力(equivalent zero mean stress)数据组。此后，等零平均应力数据组被分组到共同归一化零平均应力数据范围的计数中。
而后，在模拟使用环境下获得模拟应力数据(步骤214)。通过屈挠试验机(flex tester)或疲劳试验装置，例如图10中所示的疲劳试验装置900，可产生这种模拟使用环境。疲劳试验装备包括叶片设备910、检测最终叶片失效的叶片传感器位置912、叶片尖夹具(blade tip grip)914、振荡位移传感器(未示出)、和振荡器916。振荡器916振荡并将周期载荷施加在转动叶片918上，其中周期载荷经由叶片尖夹具918附在转动叶片上。疲劳试验装置900特别地被配置成疲劳试验转动叶片918，然而，试验装备以及其结构和操作在本领域是公知的，因而对于彻底理解本发明来说，不必详细解释它们。在工作中，疲劳试验装置900将用于固定位移的固定周期载荷施加于转动叶片918。而后，基于转动叶片918的变位量确定转动叶片918上的应力，该变位量与应力的相互关系依据于校准应力-变位曲线。另一种方案，可通过为转动叶片918装备诸如应变仪的应变测量设备来确定转动叶片918上的应力。典型地，评价模拟使用环境下的一个或多个叶片，从而确定叶片疲劳周期数的统计平均值和标准偏差。
获得模拟应力数据作为给定应力或应力范围下的转动叶片疲劳周期数(也称为转动叶片的最大寿命)。而后，模拟应力数据被转换为第二数据组(步骤216)。第二数据组可以是由此而得到的应力-疲劳周期数数据曲线，也称为应力-疲劳寿命曲线(S-N曲线)或Wohler曲线。S-N曲线是周期应力(S)量级对疲劳周期(N)的对数标度的曲线图。而后，评价第一和第二数据组从而确定转动叶片的疲劳寿命(步骤218)。这通过使用Miner准则比较第一和第二数据组完成。也就是说，通过将公共零平均应力数的比率总数转化为预定数据范围的最大寿命来计算疲劳周期数。
在另一实施例中，如图9所示，本发明提供一种评价转动叶片的方法。即，本实施例提供一种评价转动叶片以评定特定叶片是否满足预定疲劳标准而无需在实际使用环境下进行随后的试验，例如其中的特定叶片来自批量生产、生产抛售(manufacturing run)、方法认证(processvalidation)或替换供应商(alternate vendor)。
在该实施例中，接着，原始应力数据被转换为第一数据组(步骤312)。而后，转动叶片的模拟应力数据被转换为第二数据组(步骤316)。然后，评价第一和第二数据组从而确定转动叶片的疲劳寿命(步骤318)。而后，将疲劳寿命与预定疲劳寿命验收标准进行比较来评定转动叶片疲劳寿命是否满足预定疲劳寿命值验收标准(步骤320)。例如，如果预定疲劳寿命验收标准是5,000周期，则疲劳寿命大于5,000周期的任何确定值将很好地满足疲劳寿命验收标准。
在实施本实施例中，典型地，每一叶片设计或几何结构仅获取一次原始应力数据，因为与收集模拟应力数据相比，这通常是劳动非常密集和昂贵的过程。因而，本发明的评价转动叶片的方法有利地考虑到源自各批量生产、生产抛售(manufacturing run)、方法认证(process validation)或替换供应商(alternate vendor)的转动叶片的高效和成本有效评定，从而易于确定这种转动叶片是否很好地满足预定疲劳验收标准而无需在实际使用环境下进行实时和昂贵的试验。
应用于本发明的疲劳理论在本领域是公知的，因而对于彻底理解本发明来说，不必详细解释各种方法。然而，典型的固定疲劳理论包括雨流计数方法(也称为雨流计数算法)。参见Downing，S.D.，Socie，D.F.SimDle Rainflow Counting Algorithms，International Journal of Fatigue，Vol.4，Issue1，January，pgs.31-40，(1982)，在此处其公开的内容通过引用而被并入相关部分。雨流计数法是熟知的技术，用在疲劳数据分析中以便将变动应力谱(spectrum of varying stresses)减少到一组简单应力反向(simple stress reversal)。其重要性是认可Miner准则的应用，以便评价经受复合载荷的结构的疲劳寿命。参见Fundamentals of Metal Fatigue Analysis，Bannatine，Comer Handrock(1990)和Metal Fatigue in Engineering，Stephens，Fatemi，Stephens，Fuchs，2nd版，在此处其公开的内容通过引用而被并入相关部分。
也称为Palmgren-Miner线性损伤准则的Miner准则论述了谱图中有k个不同的应力数值，Si(1≤i≤k)，(S＝周期应力数值；N＝周期数)每一个作用于ni(Si)周期，那么如果N(Si)是恒应力反向Si的疲劳周期数，那么当
Σ i = 1 k n i N i = C
时，出现疲劳。典型地，通过实验得到C在0.7和2.2之间，而对于常规用途典型地假设为1。
基本地，Miner准则评定每一数值的反向应力所消耗的疲劳寿命比例，接着形成其聚合的线性组合。
还可接合雨流计数法使用Goodman方程来进行实验疲劳数据关联。
下列确定叶片疲劳寿命和评价转动叶片的方法的例子将在下面通过示例性而非限制性的方式描述。
例I
下面是用于确定应用于搅拌机X的转动叶片疲劳寿命的方法的例子。
与图9中所示类似，第一搅拌机X受到叶片屈挠试验变位振荡器(即叶片疲劳试验装置)上的周期载荷。涉及搅拌机X的变位量被用以确定施加到搅拌机X上的应力数值。为了确定周期载荷施加到搅拌机X的应力范围，初步评价实际使用环境下所观测到的实际应力。
而后，因周期载荷而造成的搅拌机X上的应力被绘制在应力-周期数(S-N)曲线图上。周期数N代表直到疲劳失效为止的最大周期数，也被称为叶片的最大寿命。如图11中所示，而后，基于所测得的应力而扩展(develop)S-N曲线。
第二搅拌机X装备有应变仪装置。而后搅拌机X经历实际使用环境而获得如图12所示的原始应力数据。图12示出了当搅拌机X被用以搅拌菠萝混合料时，搅拌机X上所测得的应力，其中的混合料包括12盎司菠萝汁、9盎司椰浆、3盎司奶油和30方形冰格块(square ice tray cube)。
图12示出了在搅拌菠萝混合料过程中所测得的搅拌机X的合成原始数据(resulting raw data)。
接着，使用nCode Glyphworks软件对原始应力数据求根(extract)从而得出雨流柱状图。原始数据的雨流柱状图被显示在图13中。雨流柱状图示出了搅拌机X上所测得的交变应力周期。参见文后所附各表。表1是图13中数据的表格表示法。表2示出了非零平均计数至零平均应力计数，即，离散区间(即，应力范围)雨数(ni)的归一化雨流总数。
表3表示平均和交变应力的各离散组合的零平均应力当量。顶行表示交变应力(Sa)，而最左边一列表示平均应力(Sm)。为了计算各自交变应力/平均应力输入值的疲劳应力，Goodman方程被应用于各离散组合(或区间)。
方程1表示用于计算将恒载荷和恒平均应力全部反向的疲劳点的转换Goodman方程。
方程1. S a S Nf + S m S n = 1
如下面所示，平均和交变应力及材料的特性的关系可被用以将具有变动平均值的数据归一化。
方程2表示用以将非零平均雨流数据至零平均数据归一化的转换Goodman方程。
方程2. S Nf = S a ( 1 - S m S u )
输入值：交变应力  Sa＝2,500psi
平均应力          Sm＝70,000psi
最终张力          Su＝185,000psi
S Nf = S a ( 1 - S m S u ) = 2500 ( 1 - 70000 185000 ) = 4022 psi (等量零平均应力疲劳应力)
表3中给出了搅拌机X所获得的合成归一化零平均应力值。
表3中的区格或区间对应于表1中的区间。对于任何给定的归一化应力范围，在表3中包括一组区间。例如，65ksi至70ksi的应力范围在表3中包括所有的方框区间。这些对应于表1中的方框区间。表1中方框区间的总数是表2中所示的65至70的归一化雨流数。对于这一范围，仅有两个非零区间(Sa＝47,500ksi，Sm＝50,000，数量＝1)和(Sa＝52,500ksi，Sm＝40,000，数量＝6)。这一应力范围的总周期数是1+6＝7个归一化零平均交变应力具体值(occurrence)。
表4表示S-N曲线和搅拌机X的归一化雨流总数的比较。该表比较了当以恒应力级至实际数量的相同应力级的具体值(即，应力范围)循环时，搅拌机X的最大寿命。基于这一数据，接着利用Miner准则计算搅拌机X的总损伤。搅拌机X的损伤是所测具体值和最大寿命之比。损伤Di总和的倒数是搅拌机X的疲劳寿命。
方程3. D = n 1 N 1 + n 2 N 2 + n i N i + . . . (Miner准则方程)
根据搅拌机X的S-N曲线，测试时小于30ksi的应力值产生无限大寿命结果，Ni＝∞。因而，由于可忽略损伤，所以在预测计算中可不考虑它们。
因而，所确定的搅拌机X的疲劳寿命是7,210搅拌周期。
例II
下面是用于评价应用于搅拌机Y的转动叶片疲劳寿命的方法的例子。
在该例子中，评价搅拌机Y以确定搅拌机Y是否可以很好地满足1.5或更大的安全系数。通过按照为搅拌机Y所评价的最大饮料数分划已确定的叶片疲劳寿命来计算安全系数。对于搅拌机Y，最大饮料数评价为5,500饮料(drinks)。
与例I中的搅拌机X类似，第一搅拌机Y受到叶片屈挠试验变位振荡器上的周期载荷。而后，如图14中所示，绘制合成S-N曲线，以及基于所测得的应力而扩展(develop)的S-N曲线。
接着，第二搅拌机Y装备有应变仪装置。而后搅拌机Y经历实际使用环境而获得如图15所示的原始应力数据。图15示出了当搅拌机Y被用以搅拌菠萝混合料时，搅拌机Y上所测得的应力，其中的混合料包括12盎司菠萝汁、9盎司椰浆、3盎司奶油和30方形冰格块。
图15示出了在搅拌菠萝混合料过程中所测得的搅拌机Y的合成原始数据(resulting raw data)。
接着，使用nCode Glyphworks软件对原始应力数据求根(extract)从而得出雨流柱状图。原始数据的雨流柱状图被显示在图16中。雨流柱状图示出了搅拌机Y上所测得的交变应力周期。表5是图16中数据的表格表示法。表6示出了非零平均计数至零平均应力计数，即，离散区间(即，应力范围)雨数(ni)的归一化雨流总数。
表6表示平均和交变应力的各离散组合的零平均应力当量。顶行表示交变应力(Sa)，而最左边一列表示平均应力(Sm)。为了计算各自交变应力/平均应力输入值的疲劳应力，Goodman方程被应用于各离散组合(或区间)。
与例I类似，转换Goodman方程被用以将具有搅拌机Y的以下输入值的非零平均雨流数据至零平均数据归一化。
输入值：交变应力   Sa＝2,500psi
平均应力           Sm＝70,000psi
最终张力           Su＝185,000psi
表7中给出了搅拌机Y所获得的合成归一化零平均应力值。
表7中的区格或区间对应于表5中的区间。对于任何给定的归一化应力范围，在表3中包括一组区间。例如，65ksi至70ksi的应力范围在表7中包括所有的方框区间。这些对应于表5中的方框区间。表5中方框区间的总数是表2中所示的65至70的归一化雨流数。对于这一范围，仅有三个非零区间(Sa＝67,500ksi，Sm＝0，数量＝1)，(Sa＝52,500ksi，Sm＝-10,000，数量＝4)和(Sa＝55,500ksi，Sm＝30,000，数量＝1)。这一应力范围的总周期数是1+4+1＝6个归一化零平均交变应力具体值(occurrence)。
表8表示S-N曲线和搅拌机Y的归一化雨流总数的比较。该表比较了当以恒应力级至实际数量的相同应力级的具体值(即，应力范围)循环时，搅拌机Y的最大寿命。基于这一数据，接着利用Miner准则计算搅拌机Y的总损伤。搅拌机Y的损伤是所测具体值和最大寿命之比。损伤Di总和的倒数是搅拌机Y的疲劳寿命。
根据搅拌机Y的S-N曲线，测试时小于50ksi的应力值产生无限大寿命结果，Ni＝∞。因而，由于可忽略损伤，所以在预测计算中可不考虑它们。
因而，所确定的搅拌机Y的疲劳寿命是7,210搅拌周期。结果，安全系数是6,750/5,500＝1.3。因而，搅拌机Y不满足安全系数1.5。
本领域技术人员应明白，可对上述实施例作各种改变而不脱离本其宽泛的发明概念。因而应明白，本发明不限于所公开的具体实施例，而意在覆盖落入如所附权利要求所限定的本发明的实质和范围之内的各种修改。
表1.图13的表格表示法
Figure A200810185187D00221
表2.非零平均计数至零平均应力计数的归一化雨流总数表
Figure A200810185187D00231
表3.给定平均和交变应力的归一化应力值
Figure A200810185187D00241
表4.失效前的搅拌周期的计算
Figure A200810185187D00242
表5.图16的表格表示法
Figure A200810185187D00251
表6.非零平均计数至零平均应力计数的归一化雨流总数表
表7.给定平均和交变应力的归一化应力值
Figure A200810185187D00271
表8.失效前的搅拌周期的计算
Figure A200810185187D00272

Claims (25)

1、一种用于测量转动叶片上的应力的应变仪装置，所述应变仪装置包括：
应变仪组件，所述应变仪组件包括用于测量转动叶片上的应变的应变仪，和与所述应变仪连接的导线；
转轴，所述转轴与所述转动叶片相连接；以及
滑环，所述滑环与所述转轴和所述导线相连接。
2、根据权利要求1所述的应变仪装置，其特征在于，所述应变仪被固定于所述转动叶片。
3、根据权利要求1所述的应变仪装置，其特征在于，所述应变仪被包覆。
4、根据权利要求1所述的应变仪装置，其进一步包括包覆至少一部分所述导线的套管。
5、根据权利要求4所述的应变仪装置，其特征在于，所述套管是环形套管或柔性套。
6、根据权利要求1所述的应变仪装置，其进一步包括与所述应变仪通信的数据采集系统。
7、根据权利要求1所述的应变仪装置，其特征在于，所述转动叶片是搅拌机叶片、食品加工叶片、混合叶片、涡轮叶片、螺旋桨叶片或切割叶片。
8、一种用于测量安装在搅拌机内的搅拌机叶片上的应力的应变仪装置，所述应变仪装置包括：
应变仪，所述应变仪固定于搅拌机叶片上；
转轴，所述转轴与所述搅拌机叶片连接并延伸穿过所述搅拌机的上部；
导线，所述导线与所述应变仪连接并沿所述转轴布置；以及
滑环，所述滑环与所述导线和位于所述搅拌机上部的转轴连接。
9、根据权利要求8所述的应变仪装置，其特征在于，所述应变仪装置进一步包括安装结构，所述安装结构与所述搅拌机和所述滑环相啮合以便将所述滑环相对于所述搅拌机固定。
10、根据权利要求8所述的应变仪装置，其特征在于，所述滑环具有固定部分和转动部分，所述应变仪装置进一步包括：
搅拌机盖子；
安装结构，所述安装结构固定于所述盖子和所述固定部分；以及
其中所述转轴被固定于所述转动部分。
11、根据权利要求8所述的应变仪装置，其特征在于，所述应变仪装置进一步包括与所述应变仪通信的数据采集系统。
12、根据权利要求8所述的应变仪装置，其特征在于，所述应变仪装置进一步包括包覆至少一部分所述导线的套管。
13、一种测量转动叶片上的应力的方法，其包括以下步骤：
将具有导线的应变仪固定在安装于叶片轴上的转动叶片上；
将转轴连接至随其转动的所述叶片转轴上；
将具有滑环线的滑环连接至所述转轴；
沿所述转轴布置所述导线，并将所述导线连接至所述滑环；以及
将所述滑环线连接至所述数据采集系统。
14、根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括用覆膜包覆所述应变仪的步骤。
15、根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括包覆所述导线的步骤。
16、一种确定转动叶片的疲劳寿命的方法，所述方法包括以下步骤：
获得实际使用环境下转动叶片上的原始应力数据；
将所述原始应力数据转换为第一数据组；
获得模拟使用环境下所述转动叶片上的模拟应力数据；
将所述模拟应力数据转换为第二数据组；以及
评价所述第一和第二数据组从而确定所述转动叶片的疲劳寿命。
17、根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述转换所述原始应力数据的步骤还包括以下步骤：
将所述原始数据换算成雨流柱状图；
将所述雨流柱状图归一化至等零平均应力数据组；以及
对归一化等零平均应力数据组的共同零平均应力数据范围的计数分组。
18、根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述第二数据组是应力-周期数疲劳曲线。
19、根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述疲劳寿命是通过将Palmgren-Miner线性损伤准则应用于所述第一和第二数据组来确定的。
20、根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述获得原始应力数据的步骤包括以下步骤：
对所述转动叶片装备应变仪装置；
在实际使用环境下对所述转动叶片施加压力；以及
测量所述受压转动叶片上的应力。
21、一种评价转动叶片的方法，所述方法包括以下步骤：
获得实际使用环境下转动叶片上的原始应力数据；
将所述原始应力数据转换为第一数据组；
获得模拟使用环境下所述转动叶片上的模拟应力数据；
将所述模拟应力数据转换为第二数据组；
评价所述第一和第二数据组从而确定所述转动叶片的疲劳寿命；以及
比较所述疲劳寿命与预定疲劳寿命值。
22、根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述转换所述原始应力数据的步骤包括以下步骤：
将所述原始数据换算成雨流柱状图；
将所述雨流柱状图归一化至等零平均应力数据组；以及
对归一化等零平均应力数据组的共同零平均应力数据范围的计数分组。
23、根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述第二数据组是应力-周期数疲劳曲线。
24、根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述疲劳寿命是通过将Palmgren-Miner线性损伤准则应用于所述第一和第二数据组来确定的。
25、根据权利要求21所述的方法，其特征在于，所述获得原始应力数据的步骤包括以下步骤：
对所述转动叶片装备应变仪装置；
在实际使用环境下对所述转动叶片施加压力；以及
测量所述受压转动叶片上的应力。
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