CN104006968A - 径向冲击负载下曲轴服役状态模拟装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种径向冲击负载下曲轴服役状态模拟装置及模拟方法，其特征是：设置液压加载台的加载杆的杆端通过力传感器与加载连接头上作为输入端的平面端装夹在一起；以加载连接头的另一端作为输出端，在加载连接头的输出端设置有孔圈；试验轴的试验承载段置于孔圈中，并且与孔圈为间隙配合；试验轴的两轴端分别通过滑动轴承支承在防震底座上；试验轴在一端通过联轴器与电机的输出轴相联；试验轴是指以被模拟曲轴的连杆颈为试验承载段，以被模拟曲轴的两端主轴颈为两轴端；并且试验轴的试验承载段与两轴端的中心轴线为共线。本发明用于模拟曲轴在浮动径向冲击性载荷下旋转的服役状态。

Description

径向冲击负载下曲轴服役状态模拟装置及模拟方法

技术领域

本发明涉及一种径向冲击负载下曲轴服役状态模拟装置及模拟方法。

背景技术

在传动机构中，一般常用曲轴等偏心件来完成回转运动与往复运动相互转换的功能，因此曲轴等偏心件在机械传动中应用的十分广泛，尤其是在轧钢、锻压等重型机器和汽车发动机等中应用广泛。曲轴作为重型机械核心传动部件之一，研究其失效状态及服役性能变化对研究整机的服役状态变化有重大意义。同时，基于大量的企业统计数据，曲轴类零件主要失效区域集中于曲轴的连杆颈处，因此需要着重对曲轴连杆颈部位进行服役模拟实验分析。对于这类模拟实验分析，首要是获取其在服役过程中的载荷变化信息，而后建立轴颈服役状态的模拟环境，最后搭建基于该模拟环境设计的试验装置。

现有关于曲轴类零件试验研究主要分为三类：仿真计算、实机试验和模拟疲劳试验，但这些研究基本都是针对产品整体性能的模拟和检测，或者某一零部件的近似试验分析，其结果与零部件服役真实情况存在差距。此外，重型机械中曲轴所受到的负载大部分是径向冲击性载荷作用，且作用点亦随着曲轴自身旋转而变化，在模拟加载试验中难以直接实现此类具有变作用点和冲击性特点的载荷的加载，故需一种可模拟曲轴负载状态的加载实验装置和方法。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种径向冲击负载下曲轴服役状态模拟装置及模拟方法，以实现模拟曲轴在浮动径向冲击性载荷下旋转的服役状态。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明径向冲击负载下曲轴服役状态模拟装置的结构特点是：设置液压加载台，所述液压加载台的加载杆的杆端通过力传感器与加载连接头上作为输入端的平面端装夹在一起；以所述加载连接头的另一端作为输出端，在所述加载连接头的输出端设置有孔圈；试验轴的试验承载段置于所述孔圈中，并且与所述孔圈为间隙配合；所述试验轴的两轴端分别通过滑动轴承支承在防震底座上；试验轴在一端通过联轴器与电机的输出轴相联；所述试验轴是指以被模拟曲轴的连杆颈为试验承载段，以被模拟曲轴的两端主轴颈为两轴端；并且所述试验轴的试验承载段与两轴端的中心轴线为共线。

本发明径向冲击负载下曲轴服役状态模拟装置的结构特点也在于：

所述电机、联轴器和试验轴的中心轴线共线为第一水平线；所述液压加载台的加载杆和加载连接头的中心轴线共线为第二水平线，所述第一水平线与第二水平线在同一水平面上相互垂直。

设置所述加载连接头的输出端孔圈是由呈哈夫结构的加载连接头和连接头盖通过绞制螺栓固定连接构成。

所述电机为三相异步电机，所述液压加载台为电液伺服加载装置，所述联轴器为膜片联轴器。

在所述防震底座上设置有上腔盖，由所述防震底座和上腔盖共同形成中空腔，所述试验轴的试验承载段处在所述中空腔内，在所述中空腔中设置有加热棒，以所述加热棒在所述中空腔内进行加热，使所述试验承载段处在设定温度的环境中。

本发明利用模拟装置实现径向冲击负载下曲轴服役状态模拟的方法的特点是：由电机通过联轴器带动试验轴转动模拟曲轴连杆颈的运动状态；以液压加载台的加载杆往复运动带动加载连接头，由加载连接头作用于试验轴的试验承载段模拟曲轴连杆颈的受力状态，实现以试验轴在周期性径向载荷下旋转的服役状态模拟曲轴在浮动径向冲击性载荷下旋转的服役状态。

本发明实现径向冲击负载下曲轴服役状态模拟的方法是按如下过程进行：

对于被模拟的曲轴，通过受力分析获得其在服役状态下处在连杆颈位置处的径向冲击性载荷谱曲线f(ψ)，所述径向冲击性载荷谱曲线f(ψ)是以曲轴转角为横坐标，以载荷大小为纵坐标；

将所述径向冲击性载荷谱曲线f(ψ)的横坐标按等时间段进行均分，以各等时间段的载荷平均值作为纵坐标，以时间为横坐标，通过描点连线得到试验轴载荷谱曲线f°(t)；

以所述力传感器输出的检测信号为反馈信号，以所述试验轴载荷谱曲线f°(t)作为所述液压加载台的驱动控制目标，对试验轴的试验承载段进行加载，实现径向冲击负载下曲轴服役状态模拟。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明是以试验轴在固定端周期径向载荷下旋转的服役状态模拟曲轴在浮动径向冲击性载荷下旋转的服役状态，使试验轴的试验承载段等效于曲轴的连杆颈，实现了曲轴在浮动径向冲击性载荷下旋转的服役状态的模拟。

2、现有技术中对于液压加载台的伺服控制驱动系统通常是利用加速度传感器以实现速度实时加载；而本发明将加速度传感器替换为力传感器，实现载荷谱曲线的实时加载，能够更加准确地模拟真实的服役状态。

3、由于重型机械中曲轴连杆颈的载荷谱曲线具有周期短、波峰很大，以及波峰-波谷相差很大的特点，本发明采用液压加载台，有足够的响应频率和加载力，可实现快速往复加载，同时液压加载为柔性加载，避免了硬性冲击可能带来的试件的损坏。

4、本发明采用哈夫结构设置加载连接头，其便于安装和拆卸。

5、本发明可广泛应用于对重型机械偏心轴进行模拟试验，以及针对各种浮动冲击性载荷作用下的旋转轴进行模拟试验。比如：针对发动机曲轴上连杆颈的结构给出模拟装置，通过模拟曲轴的连杆颈的服役状态，获取相关服役参数，进而对其服役效能进行分析研究。

附图说明

图1a为曲轴的运动及受力形式示意图；

图1b为本发明中试验轴的运动及受力形式示意图；

图2a为被模拟的曲轴连杆颈径向冲击性载荷谱曲线f(ψ)；

图2b为试验轴载荷谱曲线f°(t)；

图3为本发明装置结构示意图；

图4为本发明装置中试验轴与加载连接头之间连接结构示意图；

图5为本发明装置中试验轴与加载连接头之间连接结构截面示意图；

图中标号：1液压加载台，2加载连接头，3连接头盖，4试验轴，5力传感器，6滑动轴承，7防震底座，8联轴器，9电机，10上腔盖，11加热棒，12放油螺塞，14电机底座。

具体实施方式

参见图3、图4和图5，本实施例中径向冲击负载下曲轴服役状态模拟装置的结构特点是：设置液压加载台1，液压加载台1的加载杆的杆端通过力传感器5与加载连接头2上作为输入端的平面端装夹在一起；以加载连接头2的另一端作为输出端，在加载连接头2的输出端设置有孔圈；试验轴4的试验承载段置于孔圈中，并且与孔圈为间隙配合；试验轴4的两轴端分别通过滑动轴承6支承在防震底座7上；试验轴4在一端通过联轴器8与电机9的输出轴相联；试验轴4是指以被模拟曲轴的连杆颈为试验承载段，以被模拟曲轴的两端主轴颈为两轴端；并且试验轴4的试验承载段与两轴端的中心轴线为共线。

具体实施中，相应的结构设置也包括：

电机9、联轴器8和试验轴4的中心轴线共线为第一水平线；液压加载台1的加载杆和加载连接头2的中心轴线共线为第二水平线，第一水平线与第二水平线在同一水平面上相互垂直。设置加载连接头2的输出端孔圈是由呈哈夫结构的加载连接头2和连接头盖3通过绞制螺栓固定连接构成。电机9为三相异步电机，液压加载台1为电液伺服加载装置，联轴器8为膜片联轴器。在防震底座7上设置有上腔盖10，由防震底座7和上腔盖10共同形成中空腔，试验轴4的试验承载段处在中空腔内，在中空腔中设置有加热棒11，以加热棒11在中空腔内进行加热，使试验承载段处在设定温度的环境中。防震底座7是和电机9分别安装在相分隔的工作台上。

本实施例中的辅助结构包括温控系统、加油孔、放油孔，用以实现曲轴服役的环境模拟。温控系统包括加热棒11和温度传感器，温度传感器贴在上腔盖10的内壁，通过鲁棒原理调节加热棒使试验环境温度保持在设定范围。加油孔配置在上腔盖10的两端，方便对滑动轴承加油润滑，放油孔设置在防震底座7的底部，由放油螺塞12进行封堵，以便排放污油。另根据实际需求，还可在试验轴4的空闲端联接负载装置提供负载模拟。

试验过程中，由设置在电机底座14上电机9驱动试验轴4旋转，实现曲轴运动的模拟；由液压加载台1的加载杆带动加载连接头2往复运动，并以此作为对试验轴4的加载，实现曲轴连杆颈处浮动冲击性载荷的模拟。

本实施例中利用图3所示模拟装置实现径向冲击负载下曲轴服役状态模拟的方法是：由电机9通过联轴器8带动试验轴4转动模拟曲轴连杆颈的运动状态；以液压加载台1的加载杆往复运动带动加载连接头2，由加载连接头2作用于试验轴4的试验承载段模拟曲轴连杆颈的受力状态，实现以试验轴在周期性径向载荷下旋转的服役状态模拟曲轴在浮动径向冲击性载荷下旋转的服役状态。

本实施例中的模拟方法的具体实施按如下过程进行：

首先，对于被模拟的曲轴，通过受力分析获得其在服役状态下处在连杆颈位置处的径向冲击性载荷谱曲线f(ψ)，所述径向冲击性载荷谱曲线f(ψ)是以曲轴转角为横坐标，以载荷大小为纵坐标。

然后，将所述径向冲击性载荷谱曲线f(ψ)的横坐标按等时间段进行均分，以各等时间段的载荷平均值作为纵坐标，以时间为横坐标，通过描点连线可得试验轴载荷谱曲线f°(t)，等时间段取得越小，则得到的试验轴载荷谱曲线越精确。

最后，以所述力传感器5输出的检测信号为反馈信号，以所述试验轴载荷谱曲线f°(t)作为所述液压加载台1的驱动控制目标，对试验轴4的试验承载段进行加载，实现径向冲击负载下曲轴服役状态模拟。

本实施例中，试验轴4是用于替代被模拟的曲轴的试件，试验轴4与被模拟的曲轴的差别仅在于连杆颈部分，试验轴在该部位为非偏心结构，其它部位在结构、尺寸、制造工艺以及表面热处理工艺上均相同，以满足被模拟的曲轴的技术要求；采用本实施例中的模拟方法使试验轴4的试验承载段等效于曲轴连杆颈。

曲轴受力旋转运动的结构为曲柄滑块机构，其中滑块端的受力情况由大量监测数据可统计得出，通过对曲柄连杆机构的几何受力分析，可换算得曲轴连杆颈处的径向冲击性载荷谱曲线f(ψ)，活塞作直线往复运动，曲轴在连杆作用下旋转运动，曲轴转动一周，记录下载荷谱曲线f(ψ)上偏心轴颈上的力作用点，力作用点依次滑过曲轴连杆颈的外圆周，即曲轴连杆颈相对静止，力作用点相对于曲轴连杆颈作变速旋转。

本实施例中以试验轴4替代曲轴旋转，载荷的加载点位置相对固定不变，试验轴旋转一周，加载杆恰好输出一个周期载荷谱曲线的力加载到试验轴的试验承载段上，实现状态模拟。实际中，由于曲轴运动的不均衡性，力作用点依次滑过曲轴连杆颈的速率是变化的，而试验轴是匀速旋转，为实现对应的力加载到对应点上，本实施例中通过修正获得如图2b所示的试验轴载荷谱曲线f°(t)。试验时，将试验轴载荷谱曲线f°(t)输入液压加载台1的控制驱动系统作为输入信号，待平稳运转后，进行主动实时监测，最终止获得四个输出参数：疲劳裂纹、应力、温度和磨损。具体实施中，利用声发射技术非接触检测疲劳裂纹；利用近场红外遥测法检测应力；利用红外传感器检测温度；每运转固定间隔时间后，停机、拆下试验轴，测量获得试验轴的磨损量、几何尺寸、圆度误差和直线度误差。

本实施例中是以试验轴在固定端周期径向载荷下旋转的服役状态模拟曲轴在浮动径向冲击性载荷下旋转的服役状态，通过对试验轴进行主动实时监测，获取曲轴的服役状态参数。这一形式可延伸用于模拟高速旋转轴类零件在径向冲击性载荷作用下的服役状态。

Claims (7)

1.一种径向冲击负载下曲轴服役状态模拟装置，其特征是：设置液压加载台(1)，所述液压加载台(1)的加载杆的杆端通过力传感器(5)与加载连接头(2)上作为输入端的平面端装夹在一起；以所述加载连接头(2)的另一端作为输出端，在所述加载连接头(2)的输出端设置有孔圈；试验轴(4)的试验承载段置于所述孔圈中，并且与所述孔圈为间隙配合；所述试验轴(4)的两轴端分别通过滑动轴承(6)支承在防震底座(7)上；试验轴(4)在一端通过联轴器(8)与电机(9)的输出轴相联；所述试验轴(4)是指以被模拟曲轴的连杆颈为试验承载段，以被模拟曲轴的两端主轴颈为两轴端；并且所述试验轴(4)的试验承载段与两轴端的中心轴线为共线。

2.根据权利要求1所述的径向冲击负载下曲轴服役状态模拟装置，其特征是：所述电机(9)、联轴器(8)和试验轴(4)的中心轴线共线为第一水平线；所述液压加载台(1)的加载杆和加载连接头(2)的中心轴线共线为第二水平线，所述第一水平线与第二水平线在同一水平面上相互垂直。

3.根据权利要求1所述的径向冲击负载下曲轴服役状态模拟装置，其特征是：设置所述加载连接头(2)的输出端孔圈是由呈哈夫结构的加载连接头(2)和连接头盖(3)通过绞制螺栓固定连接构成。

4.根据权利要求1所述的径向冲击负载下曲轴服役状态模拟装置，其特征是：所述电机(9)为三相异步电机，所述液压加载台(1)为电液伺服加载装置，所述联轴器(8)为膜片联轴器。

5.根据权利要求1所述的径向冲击负载下曲轴服役状态模拟装置，其特征是：在所述防震底座(7)上设置有上腔盖(10)，由所述防震底座(7)和上腔盖(10)共同形成中空腔，所述试验轴(4)的试验承载段处在所述中空腔内，在所述中空腔中设置有加热棒(11)，以所述加热棒(11)在所述中空腔内进行加热，使所述试验承载段处在设定温度的环境中。

6.利用权利要求1所述模拟装置实现径向冲击负载下曲轴服役状态模拟的方法，其特征是：由电机(9)通过联轴器(8)带动试验轴(4)转动模拟曲轴连杆颈的运动状态；以液压加载台(1)的加载杆往复运动带动加载连接头(2)，由加载连接头(2)作用于试验轴(4)的试验承载段模拟曲轴连杆颈的受力状态，实现以试验轴在周期性径向载荷下旋转的服役状态模拟曲轴在浮动径向冲击性载荷下旋转的服役状态。

7.根据权利要求6所述的实现径向冲击负载下曲轴服役状态模拟的方法，其特征是：按如下过程进行：

对于被模拟的曲轴，通过受力分析获得其在服役状态下处在连杆颈位置处的径向冲击性载荷谱曲线f(ψ)，所述径向冲击性载荷谱曲线f(ψ)是以曲轴转角为横坐标，以载荷大小为纵坐标；

将所述径向冲击性载荷谱曲线f(ψ)的横坐标按等时间段进行均分，以各等时间段的载荷平均值作为纵坐标，以时间为横坐标，通过描点连线得到试验轴载荷谱曲线f°(t)；

以所述力传感器(5)输出的检测信号为反馈信号，以所述试验轴载荷谱曲线f°(t)作为所述液压加载台(1)的驱动控制目标，对试验轴(4)的试验承载段进行加载，实现径向冲击负载下曲轴服役状态模拟。