CN101957290B - 一种适用于受拉试件的疲劳试验机及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于受拉试件的疲劳试验机，该疲劳试验机主要用于机械零部件的拉伸试验和拉伸疲劳试验。试验机包括疲劳施力机构、预紧力机构、矫直滚轮机构、试验固定架、辅助机构和控制系统。疲劳试验机的动力系统包括疲劳施力机构和预紧力机构，动力系统输出的拉力通过矫直滚轮机构改变方向后，传递到受拉试件上。疲劳试验机的疲劳施力机构、预紧力机构、矫直滚轮机构和辅助机构设在试验固定架上。本发明采用混合的气动和电动作为疲劳试验机的动力系统，并且能够掌握包括最大平均位移、最小平均位移、峰值位移、最大平均拉力、最小平均拉力、最小疲劳拉力、频率、累计试验次数和累计试验时间等众多参数，为受拉试件的优化设计提供依据。
Description
技术领域
本发明属于一种疲劳试验装置，特别是涉及受拉试件的疲劳试验装置及其方法。
背景技术
随着汽车设计水平和制造能力的不断提高，汽车的稳定性能也逐步提高，但是不可避免的是，任何一款汽车都有可能发生故障，尤其是在行驶中，如果汽车发生故障停靠在路边，此时汽车保险杠上的拖钩就发挥了其重要的作用。
假如保险杠的强度不过关，试想这样一种情况，前面的拖车在拖动后面的车上坡的过程中，拖钩突然断裂，后面的车在失去动力的情况下，必然发生危险；再加入前方车在转弯的过程中，保险杠因为承受不了较大的离心力而断裂，此事后面的车将被甩出弯道，这也是非常危险的事情；特别是室外的越野车，一旦车陷入泥潭，或者需要帮助才能驶上较大坡度时，拖钩的存在便直观重要，而且对疲劳强度要求更高。保险杠断裂是一件非常危险的事情，钢丝绳一头连着前车，另一头是坚硬的保险杠，这无异于一个流星锤飞舞在空中，砸到人后果不堪设想，这也是越野车迷们最怕发生的事情。
另外，汽车保险杠的使用，汽车保险杠的疲劳强度对与汽车保险杠的防撞强度之间也有非常大的关系，需要一种实验仪器能够对拖钩的疲劳进行模拟，然后进一步研究保险杠的防撞强度的影响。
保险杠的安全性能是汽车安全系统中不可忽视的一部分，不仅仅关系到保险杠本身，同时也与汽车保险杠的强度有很大关系。然而长久以来，人们一直对保险杠的拖钩的安全性能欠缺考虑，要么采用传统的加大加粗的方法，要么则是凭借经验或者计算对保险杠的拖钩进行设计，而简单使用的保险杠疲劳实验装置并没有得到推广和普遍的应用。
而且，产品的疲劳寿命是现代设计的一个重要指标，因为随着市场竞争的日趋激烈，产品的寿命对用户来说显得越来越重要。一般来说，受拉机械零部件的力学性能与材料、制造工艺等因素都有密切的关系，疲劳强度涉及到材料、力学和机械三个常规学科领域，并且从载荷统计、应力分析到寿命估算都与经典力学方法不相同。因此，在设计阶段就给以全面而精确的力学计算是十分困难而且要花费相当长的时间，为了保证设计的合理性、可靠性，就需要经过设计-样机-修改设计多次的反复过程。
另外要说明的是，仿生气动肌腱是一种新型的拉伸型执行元件。它以崭新的设计构思突破了气动驱动器做功必须由气体介质流体推动活塞这一传统概念。与传统的气缸相比，气缸具有活塞、(或叶片)活塞杆、密封围缸筒端盖等零部件但仿生气动肌腱却简单得多它没有活塞、活塞杆、缸筒、密封圈等诸多零部件，与能产生相等力的气缸相比，它的耗气量仅为普通气缸40％。没有任何机械零件运动如像气缸活塞运动所产生的摩擦运动。工作时动态特性优越，当工作行程临近终点时无蠕动现象，当管内通入压缩空气后仿生气动肌腱产生相当于同缸径气缸10倍的拉伸力。
发明内容
本发明目的是克服现有技术不足，提供一种适用于受拉试件的疲劳试验机及其方法。
适用于受拉试件的疲劳试验机，包括疲劳施力机构、预紧力机构、矫直滚轮机构、试验固定架、辅助机构和控制系统；疲劳施力机构包括支座、气动肌腱、连接器、后支撑架、前支撑架、钢丝绳、限位块、滑块、导轨和滑动支撑板，其中：支座固定在滑动支撑板上，气动肌腱的后端与支座连接，气动肌腱的前端与连接器连接，连接器与后支撑架连接，后支撑架与控制系统的拉力传感器的后端连接，前支撑架与拉力传感器的前端连接，前支撑架与钢丝绳连接，气动肌腱的中心、拉力传感器的中心和钢丝绳保持在同一条直线上，滑动支撑板上设有一条导轨，导轨的两端设有限位块，导轨上设有两个滑块，前支撑架和后支撑架分别与滑块连接，滑动支撑板的下表面依次固定两个滑块，两个滑块与固定在支撑矩管上的导轨配合；预紧力机构包括电机、电机支撑架、内齿轮组、丝杆前支撑座、丝杆、丝螺和丝杆后支撑座，其中：电机固定在电机支撑架上，电机与内齿轮组连接，内齿轮组与丝杆连接，丝杆安装在丝杆前支撑座和丝杆后支撑座上，丝螺固定在滑动支撑板的下表面，丝杆前支撑座、丝杆后支撑座和电机支撑架依次固定在辅助机构的固定支撑板上；
辅助机构包括定滑轮、吊绳、配重板、竖直T型槽平板、T形槽试件安装板、滑动安装板、固定支撑板、横向T型槽平板和支撑矩管，其中：吊绳的一端连接T形槽试件安装板，另一端连接配重板，吊绳绕在定滑轮上，竖直T型槽平板固定在试验固定架上，滑动安装板在竖直T型槽平板上，滑动安装板能够在竖直T型槽平板上滑动或者固定，矫直滚轮机构固定在固定支撑板上，固定支撑板能够在横向T型槽平板上左右滑动或者固定；控制系统包括位移传感器、温度传感器、拉力传感器、数据采集卡、工控机和显示器；其中：位移传感器 安装在受拉试件上，温度传感器固定在气动肌腱的出气口附近，位移传感器、温度传感器和拉力传感器通过电缆与数据采集卡连接，数据采集卡和显示器通过电缆与工控机连接。
试验机的受拉试件的疲劳试验方法包括以下步骤：
1)操作员将试件安装在T形槽试件安装板上，调整T型槽平板使受拉试件在试验竖直平面上进行Y轴方向的移动，调整安装板使受拉试件在试验竖直平面上进行X轴方向的移动；
2)操作员调整试验机位置：调整横向T型槽平板使疲劳试验主机在试验水平面上进行X轴方向的移动，最后得到受拉试件的拉力角度；
3)操作员调整矫直滚轮机构，使拉力传感器受到钢丝绳的拉伸力水平；
4)操作员启动电机控制开关，电机转动并产生预紧力；
5)操作员启动空压机开关，空压机驱动气动肌腱运动并产生疲劳拉力；
6)操作员监测显示器上显示数据采集卡上采集到的位移传感器、温度传感器和拉力传感器的图像和数据，这些图像和数据包括位移波动图、最大平均位移、最小平均位移、峰值位移、拉力波动图、最大平均拉力、最小平均拉力、最小疲劳拉力、频率、累计试验次数、累计试验时间和气动肌腱温度；
7)工控机报警并控制空压机停止工作后，操作员检查受拉试件和疲劳试验机，如果出现裂纹，试验结束，如果没有出现裂纹，重新调整疲劳试验机后继续试验；
8)试验结束后，对试件的实验参数进行保存和数据库管理。
本发明与现有技术相比本发明具有的有益效果在于：
1)本发明能够掌握受拉试件的最大平均位移、最小平均位移、峰值位移、最大平均拉力、最小平均拉力、最小疲劳拉力、频率、累计试验次数和累计试验时间等众多参数，还可以对试验参数进行数据库管理，为受拉试件的优化设计提供依据。
2)由于用现代化的控制技术和试验手段，可排除人为或自然界的干扰条件，对试件进行针对性安排试验方案，使得试验目的明确，试验的指导性、可靠性大大增加；
3)可以对零部件进行两种力学实验，包括疲劳拉伸试验和拉伸强度试验；
4)试验机可以对试件进行空间受拉的力学试验；
5)试验重复性强，因而增加了试验的可比性；
6)由于摒弃了传统的单一电机和机械机构提供动力源，采用先进的气动和 电动的混合动力系统作为疲劳试验机的动力源，这样可以大大节约试验的空间和经费，并有效地缩短了研制周期。
附图说明
图1为疲劳试验机的主视图；
图2为疲劳试验机的疲劳施力机构和预紧力机构的局部剖视图；
图3为疲劳试验机的俯视图；
图4为疲劳试验机的左视图；
图5为疲劳试验机的轴测视图；
图6为疲劳试验机的运行流程图。
图中，疲劳施力机构1、预紧力机构2、矫直滚轮机构3、试验固定架4、辅助机构、控制系统、支座11、气动肌腱12、连接器13、后支撑架14、前支撑架15、钢丝绳16、限位块17、滑块18、导轨19、滑动支撑板110、电机21、电机支撑架22、内齿轮组23、丝杆前支撑座24、丝杆25、丝螺26、丝杆后支撑座27、定滑轮51、吊绳52、配重板53、竖直T型槽平板54、T形槽试件安装板55、滑动安装板56、固定支撑板57、横向T型槽平板58、支撑矩管59、位移传感器61、温度传感器62、拉力传感器63、数据采集卡64、工控机65、显示器66。
具体实施方式
适用于受拉试件的疲劳试验机包括疲劳施力机构1、预紧力机构2、矫直滚轮机构3、试验固定架4、辅助机构和控制系统。
疲劳施力机构1包括支座11、气动肌腱12、连接器13、后支撑架14、前支撑架15、钢丝绳16、限位块17、滑块18、导轨19和滑动支撑板110，其中：支座11固定在滑动支撑板110上，气动肌腱12的后端与支座11连接，气动肌腱12的前端与连接器13连接，连接器13与后支撑架14连接，后支撑架14与控制系统的拉力传感器63的后端连接，前支撑架15与拉力传感器63的前端连接，前支撑架15与钢丝绳16连接，气动肌腱12的中心、拉力传感器63的中心和钢丝绳16保持在同一条直线上，滑动支撑板110上设有一条导轨19，导轨19的两端设有限位块17，导轨19上设有两个滑块18，前支撑架15和后支撑架16分别与滑块18连接，滑动支撑板110的下表面依次固定两个滑块18，两个滑块18与固定在支撑矩管59上的导轨19配合。
预紧力机构2包括电机21、电机支撑架22、内齿轮组23、丝杆前支撑座24、丝杆25、丝螺26和丝杆后支撑座27，其中：电机21固定在电机支撑架22 上，电机21与内齿轮组23连接，内齿轮组23与丝杆25连接，丝杆25安装在丝杆前支撑座24和丝杆后支撑座27上，丝螺26固定在滑动支撑板110的下表面，丝杆前支撑座24、丝杆后支撑座27和电机支撑架22依次固定在辅助机构的固定支撑板57上。
辅助机构包括定滑轮51、吊绳52、配重板53、竖直T型槽平板54、T形槽试件安装板55、滑动安装板56、固定支撑板57、横向T型槽平板58和支撑矩管59，其中：吊绳52的一端连接T形槽试件安装板55，另一端连接配重板53，吊绳52绕在定滑轮51上，竖直T型槽平板54固定在试验固定架4上，滑动安装板56在竖直T型槽平板54上，滑动安装板56能够在竖直T型槽平板54上滑动或者固定，矫直滚轮机构3固定在固定支撑板57上，固定支撑板57能够在横向T型槽平板58上左右滑动或者固定。
控制系统包括位移传感器61、温度传感器62、拉力传感器63、数据采集卡64、工控机65和显示器66；其中：位移传感器61安装在受拉试件上，温度传感器62固定在气动肌腱12的出气口附近，位移传感器61、温度传感器62和拉力传感器63通过电缆与数据采集卡64连接，数据采集卡64和显示器66通过电缆与工控机65连接；位移传感器61、温度传感器62和拉力传感器63的输出信号经过放大连接到A/D板进行数据采集；工控机65读取并处理经过数据采集卡收集的数据，并将处理后的数据传输到显示器66上，显示器66显示的内容包括位移波动图、最大平均位移、最小平均位移、峰值位移、实时位移、拉力波动图、最大平均拉力、最小平均拉力、最小疲劳拉力、实时位移、频率、累计试验次数、累计试验时间和气动肌腱温度；控制系统中预设位移警戒值、拉力警戒值和温度警戒值，在试验过程中出现满足预设三个警戒值中任何一个的时候，计算机报警并控制空压机停止工作，操作员检查受拉试件和疲劳试验机，如果出现裂纹，试验结束，如果没有出现裂纹，重新调整疲劳试验机后继续试验。
试验机的受拉试件的疲劳试验方法包括如下步骤：
1)操作员将试件安装在T形槽试件安装板55上，调整T型槽平板54使受拉试件在试验竖直平面上进行Y轴方向的移动，调整安装板56使受拉试件在试验竖直平面上进行X轴方向的移动；
2)操作员调整试验机位置：调整横向T型槽平板58使疲劳试验主机在试验水平面上进行X轴方向的移动，最后得到受拉试件的拉力角度；
3)操作员调整矫直滚轮机构，使拉力传感器63受到钢丝绳16的拉伸力水平；
4)操作员启动电机控制开关，电机21转动并产生预紧力；
5)操作员启动空压机开关，空压机67驱动气动肌腱12运动并产生疲劳拉力；
6)操作员监测显示器66上显示数据采集卡65上采集到的位移传感器61、温度传感器62和拉力传感器63的图像和数据，这些图像和数据包括位移波动图、最大平均位移、最小平均位移、峰值位移、拉力波动图、最大平均拉力、最小平均拉力、最小疲劳拉力、频率、累计试验次数、累计试验时间和气动肌腱温度；
7)工控机65报警并控制空压机67停止工作后，操作员检查受拉试件和疲劳试验机，如果出现裂纹，试验结束，如果没有出现裂纹，重新调整疲劳试验机后继续试验；
8)试验结束后，对试件的实验参数进行保存和数据库管理。
Claims (1)
1.一种适用于受拉试件的疲劳试验机，其特征在于包括疲劳施力机构(1)、预紧力机构(2)、矫直滚轮机构(3)、试验固定架(4)、辅助机构(5)和控制系统(6)；疲劳施力机构(1)包括支座(11)、气动肌腱(12)、连接器(13)、后支撑架(14)、前支撑架(15)、钢丝绳(16)、限位块(17)、滑块(18)、导轨(19)和滑动支撑板(110)，其中：支座(11)固定在滑动支撑板(110)上，气动肌腱(12)的后端与支座(11)连接，气动肌腱(12)的前端与连接器(13)连接，连接器(13)与后支撑架(14)连接，后支撑架(14)与控制系统(6)的拉力传感器(63)的后端连接，前支撑架(15)与拉力传感器(63)的前端连接，前支撑架(15)与钢丝绳(16)连接，气动肌腱(12)的中心、拉力传感器(63)的中心和钢丝绳(16)保持在同一条直线上，滑动支撑板(110)上设有一条导轨(19)，导轨(19)的两端设有限位块(17)，导轨(19)上设有两个滑块(18)，前支撑架(15)和后支撑架(16)分别与滑块(18)连接，滑动支撑板(110)的下表面依次固定两个滑块(18)，两个滑块(18)与固定在支撑矩管(59)上的导轨(19)配合；预紧力机构(2)包括电机(21)、电机支撑架(22)、内齿轮组(23)、丝杆前支撑座(24)、丝杆(25)、丝螺(26)和丝杆后支撑座(27)，其中：电机(21)固定在电机支撑架(22)上，电机(21)与内齿轮组(23)连接，内齿轮组(23)与丝杆(25)连接，丝杆(25)安装在丝杆前支撑座(24)和丝杆后支撑座(27)上，丝螺(26)固定在滑动支撑板(110)的下表面，丝杆前支撑座(24)、丝杆后支撑座(27)和电机支撑架(22)依次固定在辅助机构(5)的固定支撑板(57)上；辅助机构(5)包括定滑轮(51)、吊绳(52)、配重板(53)、竖直T型槽平板(54)、T形槽试件安装板(55)、滑动安装板(56)、固定支撑板(57)、横向T型槽平板(58)和支撑矩管(59)，其中：吊绳(52)的一端连接T形槽试件安装板(55)，另一端连接配重板(53)，吊绳(52)绕在定滑轮(51)上，竖直T型槽平板(54)固定在试验固定架(4)上，滑动安装板(56)在竖直T型槽平板(54)上，滑动安装板(56)能够在竖直T型槽平板(54)上滑动或者固定，矫直滚轮机构(3)固定在固定支撑板(57)上，固定支撑板(57)能够在横向T型槽平板(58)上左右滑动或者固定；控制系统(6)包括位移传感器(61)、温度传感器(62)、拉力传感器(63)、数据采集卡(64)、工控机(65)和显示器(66)；其中：位移传感器(61)安装在受拉试件上，温度传感器(62)固定在气动肌腱(12)的出气口附近，位移传感器(61)、温度传感器(62)和拉力传感器(63)通过电缆与数据采集卡(64)连接，数据采集卡(64)和显示器(66)通过电缆与工控机(65)连接。
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