CN102393286A

CN102393286A - 大吨位冲击疲劳试验机

Info

Publication number: CN102393286A
Application number: CN2011102685902A
Authority: CN
Inventors: 徐诚; 王亚平; 何玲; 徐家凡; 孙勇飞; 孙彬
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2012-03-28
Anticipated expiration: 2031-09-13
Also published as: CN102393286B

Abstract

本发明公开了一种大吨位冲击疲劳试验机，系统总体按立式布局，驱动机构布置在机身的后部下底板上，传动机构安装在机身的前后箱板之间，传动机构位于驱动机构的正上方，冲击加载装置布置在传动机构中的主轴前端，位于疲劳试验机的正面，工作台上方；大吨位冲击疲劳试验机工作时，主轴每转动一圈，由驱动机构通过传动机构将动力传递到主轴上，主轴将动力传递到冲击加载装置，冲击加载装置垂直下行加速对试件进行一次冲击，冲击完后冲击加载装置垂直上行完成复位功能，重复上述过程，进行多次冲击。本发明结构简单，调节方便。

Description

大吨位冲击疲劳试验机

技术领域

本发明属于试验设备，特别是一种能够进行多次重复冲击疲劳试验的大吨位冲击疲劳试验机。

背景技术

研制冲击疲劳试验机的核心问题在于解决冲击的可重复加载问题，加载机构是试验机的核心部件。加载机构的冲击速度受冲击频率的限制，在冲击速度确定的条件下，冲击脉冲的调节通过力脉冲发生器实现。因此，试验机对加载机构的主要要求是可靠地实现多次重复冲击加载。

目前疲劳试验机可分为电液伺服、气动和机械式三种类型，只适合于对试件或零部件重复施加动态载荷，无法施加大吨位高速冲击载荷，故只适用于普通疲劳试验。现有的冲击试验机主要用于材料或零部件的单次冲击试验，进行冲击疲劳试验的效率太低，无法满足冲击疲劳试验要求。目前国内外尚无成熟冲击疲劳试验机。

《多冲碰撞试验机研制及其系统动力学响应分析》（苏州大学硕士论文）一文中的冲击疲劳试验装置采用液压复位系统，需高速伺服阀和大功率电机，虽然该冲击试验机能够提供较大的冲击速度或冲击能量，但冲击频率较低，系统复杂、成本高。《枪械自动机冲击疲劳实验机加载机构设计优化及性能分析》（《兵工学报》）一文中的冲击加载装置采用凸轮滚子机构，冲头的复位依赖于弹簧，无法保证每次冲击的一致性，实现多次重复冲击加载的精度较低，且冲击频率不高、效率较低。

发明内容

针对现有技术所存在的结构复杂，操作不方便，不容易实现多次重复冲击加载和试验效率低等的技术问题，本发明的目的在于提供一种能够进行多次重复冲击疲劳试验的大吨位冲击疲劳试验机。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种大吨位冲击疲劳试验机，由冲击加载装置、传动机构、驱动机构和机身组成，机身采用C形开式结构，由钢板通过焊接的方式拼接而成，机身通过地脚螺栓固定在地面上，系统总体按立式布局，驱动机构布置在机身的后部下底板上，传动机构安装在机身的前后箱板之间，传动机构位于驱动机构的正上方，冲击加载装置布置在传动机构中的主轴前端，位于疲劳试验机的正面，工作台上方；大吨位冲击疲劳试验机工作时，主轴每转动一圈，由驱动机构通过传动机构将动力传递到主轴上，主轴将动力传递到冲击加载装置，冲击加载装置垂直下行加速对试件进行一次冲击，冲击完后冲击加载装置垂直上行完成复位功能，重复上述过程，进行多次冲击。

本发明与现有技术相比，其显著优点：（1）大吨位冲击疲劳试验机的加载机构采用双凸轮框式平底滑块机构，实现了滑块上行复位与下行加速阶段与传动机构连接，在冲击阶段滑块和冲头与传动机构分离功能，机构结构简单，在多次循环运动中，能够可靠地实现冲击脉冲的重复性，并能实现最高每分钟1000次的高频多次冲击；（2）采用不同形状、材料及其组合的力脉冲发生器改变冲击力脉宽，采用增加配重块调节冲击冲量和改变冲击力的大小，结构简单，调节方便；（3）采用优化的定位凸轮和加速凸轮外轮廓，大幅度减少了滑块传动过程中的碰撞，提高了冲击疲劳试验机的使用寿命。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1是本发明的主视示意图。

图2是本发明的左视示意图。

图3是本发明的局部放大示意图。

图4是本发明的冲击加载装置结构示意图。

图5是本发明的定位凸轮外轮廓。

图6是本发明的加速凸轮外轮廓。

附图标记及其所代表的组成部分为：1—电机座，2—机身，3—电机，4—带轮，5—皮带，6—离合器，7—飞轮，8—动平衡轮，9—箱板端盖，10—工作台板，11—导轨，12—橡胶垫片，13—铜垫片，14—定位凸轮，15—加速凸轮，16—主轴，17—滑块，18—冲头座，19—配重块，20—刚度调节块，21—冲头套，22—冲头，14-1—定位凸轮第一外轮廓，14-2—定位凸轮第二外轮廓，14-3—定位凸轮第三外轮廓，15-1—加速凸轮第一外轮廓，15-2—加速凸轮第二外轮廓，15-3—加速凸轮第三外轮廓，15-4—加速凸轮第四外轮廓。

具体实施方式

本发明的大吨位冲击疲劳试验机采用双凸轮框式平底滑块机构作为冲击加载机构，将旋转运动转换为直线运动，以往复运动形式通过力脉冲发生器将冲击动量传递到试件上，能够得到冲击力F为2-20万牛的大吨位。

结合图1、图2和图3，本发明大吨位冲击疲劳试验机，由冲击加载装置、传动机构、驱动机构和机身2组成，机身2采用C形开式结构，由钢板通过焊接的方式拼接而成，机身2通过地脚螺栓固定在地面上，系统总体按立式布局，驱动机构布置在机身2的后部下底板上，传动机构安装在机身2的前后箱板之间，传动机构位于驱动机构的正上方，冲击加载装置布置在传动机构中的主轴16前端，位于疲劳试验机的正面，工作台上方，为减小冲击疲劳试验机工作时的振动、改善机构工作性能，对冲击加载装置中的定位凸轮14和加速凸轮15进行了动平衡设计，动平衡轮8安装在主轴16的中间部位。大吨位冲击疲劳试验机工作时，主轴16每转动一圈，由驱动机构通过带轮4、皮带5将动力传递到主轴16上，主轴16将动力传递到冲击加载装置，冲击加载装置垂直下行加速后与滑块17脱离，对试件进行一次冲击，冲击完后滑块17垂直上行与定位凸轮14和加速凸轮15再次接触完成复位功能，重复上述过程，进行多次冲击。

结合图4，本发明大吨位冲击疲劳试验机的冲击加载装置由双凸轮框式平底滑块机构和力脉冲发生器组成，其中双凸轮框式平底滑块机构由定位凸轮14、加速凸轮15、滑块17、导轨11组成，力脉冲发生器由冲头座18、配重块19、刚度调节块20、冲头套21、冲头22组成。双凸轮框式平底滑块机构采用悬臂式布置方式，安装在传动机构中的主轴16前端，滑块17通过导轨11安装在机身2的前箱板上，滑块17沿导轨11垂直往复运动，加速凸轮15的后端面和定位凸轮14的前端面紧密结合在一起，并通过圆螺母、止动垫圈安装在传动机构中的主轴16前端。冲头座18安装在滑块17的下底面，配重块19对称固定在冲头座18的下方，冲头22通过冲头套21的螺纹连接在冲头座18上，刚度调节块20安装在冲头座18与冲头22之间。

本发明的滑块17采用框式结构，导轨11对称布置在滑块17左右两侧，框式滑块17的中间布置有加速凸轮15和定位凸轮14。切除滑块17下部平底与定位凸轮14发生干涉部分，即滑块17后侧的下平底。切除滑块17上部平底与加速凸轮15发生干涉部分，即滑块17前侧的上平底。双凸轮框式平底滑块机构的加速凸轮15与滑块17框架的下部平底前端面平齐，定位凸轮14的与滑块17框架的上部平底后端面平齐。滑块17垂直下行加速由加速凸轮15作用于滑块17下框接触面完成，滑块17垂直上行由定位凸轮14作用于滑块17上框接触面完成，定位凸轮14和加速凸轮15有一段共轭面，完成滑块17复位功能。切除相关部分后，滑块17在接近试件位置附近与定位凸轮14和加速凸轮15轮廓处于分离状态，满足了与试件的冲击过程中的让位要求。

结合图5和图6，本发明的加速凸轮15外轮廓和定位凸轮14外轮廓采用优化设计方案，即加速凸轮第一外轮廓15-10°~90°属于推程段，采用余弦加速曲线；加速凸轮第二外轮廓15-290°~165°属于过渡段，此时滑块17与加速凸轮15和定位凸轮14已处于分离状态；加速凸轮第三外轮廓15-3165°~260°为回程段，采用余弦加速度曲线；加速凸轮第四外轮廓15-4260~360°时，为休止段，采用一段圆弧；定位凸轮第一外轮廓14-10°~60°属于休止段，采用一段圆弧；定位凸轮第二外轮廓14-260°~260°属于推程段，采用余弦加速曲线；定位凸轮第三外轮廓14-3260°~360°属于休止段，采用一段圆弧；加速凸轮第一外轮廓15-1与加速凸轮第二外轮廓15-2连接处会产生尖角，为使滑块17运动的平稳性，将尖角处打磨成圆角。

加速凸轮15外轮廓的曲线方程：

Figure 2011102685902100002DEST_PATH_IMAGE006

定位凸轮14外轮廓的曲线方程：

Figure 2011102685902100002DEST_PATH_IMAGE010

Figure 2011102685902100002DEST_PATH_IMAGE012

O点为加速凸轮15和定位凸轮14的基圆的圆心。

本发明的力脉冲发生器中的冲头22可以采用不同的形状和材料，其形状可以采用圆柱头或球头，从而调节冲击力脉宽，且根据冲击加载的需要可以采用不同重量的配重块19，从而调节冲击冲量和改变冲击力的大小，刚度调节块20底部与冲头22上端面紧密接触，刚度调节块20可采用一组碟形弹簧或非金属圆柱块或圆柱形液压缓冲器，在力脉冲发生器的正下方布置有工作台板10。在滑块17与定位凸轮14的接触面间填充橡胶垫片12、铜垫片13，在滑块17与加速凸轮15的接触面间填充铜垫片，以吸收冲击能量减小冲击接触应力，定位凸轮14与加速凸轮15均采用高强度合金钢制造，其刚度远远大于铜垫片13。两者间磨损首先发生在铜垫片13上，铜垫片13可方便地进行更换，凸轮的使用寿命得到延长。

结合图1，本发明的传动机构主要由离合器6、飞轮7、动平衡轮8、主轴16、箱板端盖9组成，主轴16通过轴承、箱板端盖9安装在机身2的前箱板与后箱板上，离合器6和飞轮7配合在一起安装在主轴16后端，在主轴16的中间部位安装有动平衡轮8。驱动机构由电机座1、电机3、带轮4、皮带5组成，电机3布置在机身2后部轴下方并通过电机座1安装在机身2上，电机3上装有带轮4，带轮4经皮带5连接飞轮7。

如图1、图2、图3所示，本发明的大吨位冲击疲劳试验机工作时，主轴16每转动一圈，由驱动机构通过带轮4、皮带5将动力传递到主轴16上，主轴16将动力传递到冲击加载装置，冲击加载装置垂直下行加速后与滑块17脱离，对试件进行一次冲击，冲击完后滑块17垂直上行与定位凸轮14和加速凸轮15再次接触完成复位功能，重复上述过程，进行多次冲击。

具体操作为：电机3通过带轮4和皮带5拖动飞轮7旋转，离合器6在飞轮7储能完成后带动主轴16旋转，加速凸轮15首先推动滑块17下行作加速运动，随后定位凸轮14和加速凸轮15与滑块17分离，滑块17在重力作用下继续作加速运动，直到冲头22与试件接触。滑块17完成对试件的冲击后，滑块17反向运动并再次与定位凸轮14接触进入定位行程，定位凸轮14带动滑块17上升，在凸轮共轭段由定位凸轮14和加速凸轮15同时作用于滑块17，对滑块17进行上、下定位，使滑块17与两凸轮同步运动到终点即起点，重复上述运动过程实现对试件的冲击试验，试验结束后，电机3停止工作，制动器制动。通过调节电机3转速，可以调节冲击速度，通过改变力脉冲发生器中刚度调节块20、冲头22形状和材料及增加配重块19，可以调节冲击冲量和改变冲击力的大小。

Claims

1.一种大吨位冲击疲劳试验机，由冲击加载装置、传动机构、驱动机构和机身（2）组成，机身（2）采用C形开式结构，由钢板通过焊接的方式拼接而成，机身（2）通过地脚螺栓固定在地面上，其特征在于：系统总体按立式布局，驱动机构布置在机身（2）的后部下底板上，传动机构安装在机身（2）的前后箱板之间，传动机构位于驱动机构的正上方，冲击加载装置布置在传动机构中的主轴（16）前端，位于疲劳试验机的正面，工作台上方；大吨位冲击疲劳试验机工作时，主轴（16）每转动一圈，由驱动机构通过传动机构将动力传递到主轴（16）上，主轴（16）将动力传递到冲击加载装置，冲击加载装置垂直下行加速对试件进行一次冲击，冲击完后冲击加载装置垂直上行完成复位功能，重复上述过程，进行多次冲击。

2.根据权利要求1所述的大吨位冲击疲劳试验机，其特征在于：冲击加载装置由双凸轮框式平底滑块机构和力脉冲发生器组成，其中双凸轮框式平底滑块机构由定位凸轮（14）、加速凸轮（15）、滑块（17）、导轨（11）组成，力脉冲发生器由冲头座（18）、配重块（19）、刚度调节块（20）、冲头套（21）、冲头（22）组成，双凸轮框式平底滑块机构采用悬臂式布置方式，即安装在传动机构中的主轴（16）前端，滑块（17）通过导轨（11）安装在机身（2）的前箱板上，滑块（17）沿导轨（11）垂直往复运动，加速凸轮（15）的后端面和定位凸轮（14）的前端面结合在一起，并安装在传动机构中的主轴（16）前端；冲头座（18）安装在滑块（17）的下底面，两个配重块（19）对称固定在冲头座（18）的下方，冲头（22）通过冲头套（21）的螺纹连接在冲头座（18）上，刚度调节块（20）安装在冲头座（18）与冲头（22）之间。

3.根据权利要求2所述的大吨位冲击疲劳试验机，其特征在于：滑块（17）采用框式结构，导轨（11）对称布置在滑块（17）左右两侧，框式滑块（17）的中间布置有加速凸轮（15）和定位凸轮（14）；切除滑块（17）下部平底与定位凸轮（14）发生干涉部分，即滑块（17）后侧的下平底，切除滑块（17）上部平底与加速凸轮（15）发生干涉部分，即滑块（17）前侧的上平底；双凸轮框式平底滑块机构的加速凸轮（15）与滑块（17）框架的下部平底前端面平齐，定位凸轮（14）的与滑块（17）框架的上部平底后端面平齐，滑块（17）垂直下行加速由加速凸轮（15）作用于滑块（17）下框接触面完成，滑块（17）垂直上行由定位凸轮（14）作用于滑块（17）上框接触面完成，定位凸轮（14）和加速凸轮（15）有一段共轭面，完成滑块（17）复位功能。

4.根据权利要求2所述的大吨位冲击疲劳试验机，其特征在于：加速凸轮（15）外轮廓和定位凸轮（14）外轮廓采用优化设计方案，即加速凸轮第一外轮廓（15-1）0°~90°属于推程段，采用余弦加速曲线；加速凸轮第二外轮廓（15-2）90°~165°属于过渡段，此时滑块（17）与加速凸轮（15）和定位凸轮（14）已处于分离状态；加速凸轮第三外轮廓（15-3）165°~260°为回程段，采用余弦加速度曲线；加速凸轮第四外轮廓（15-4）260~360°时，为休止段，采用一段圆弧；定位凸轮第一外轮廓（14-1）0°~60°属于休止段，采用一段圆弧；定位凸轮第二外轮廓（14-2）60°~260°属于推程段，采用余弦加速曲线；定位凸轮第三外轮廓（14-3）260°~360°属于休止段，采用一段圆弧；加速凸轮第一外轮廓（15-1）与加速凸轮第二外轮廓（15-2）连接处会产生尖角，为使滑块（17）运动的平稳性，将尖角处打磨成圆角。

5.根据权利要求2所述的大吨位冲击疲劳试验机，其特征在于：力脉冲发生器中的冲头（22）采用不同的形状和材料，其形状采用圆柱头或球头，从而调节冲击力脉宽，且根据冲击加载的需要采用不同重量的配重块（19），从而调节冲击冲量和改变冲击力的大小，刚度调节块（20）底部与冲头（22）上端面接触，刚度调节块（20）采用一组碟形弹簧或非金属圆柱块或圆柱形液压缓冲器，在力脉冲发生器的正下方布置有工作台板（10）。

6.根据权利要求2所述的大吨位冲击疲劳试验机，其特征在于：在滑块（17）与定位凸轮（14）的接触面间填充橡胶垫片（12）、铜垫片（13），在滑块（17）与加速凸轮（15）的接触面间填充铜垫片，以吸收冲击能量减小冲击接触应力，定位凸轮（14）与加速凸轮（15）均采用高强度合金钢制造。