CN104897378A - 摆动疲劳试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摆动疲劳试验装置，包括：试件承载机构，用以固定试件；配重，用以模拟始终垂直向下的载荷；柔性连接件，其上、下端分别与所述试件和配重固定连接；驱动机构，用以输出往复直线运动；转动放大机构，用以将所述驱动机构输出的往复直线运动转换为摆动运动并进行放大；传动机构，用以传递所述转动放大机构输出的摆动运动，并驱使所述柔性连接件进行摇摆运动，进而带动试件进行往复摇摆运动；约束机构，用以将由柔性连接件传递给配重的摇摆运动约束为上下运动。本发明具有结构简单、成本低，安装方便等特点，能在进行摆动试验的过程中，使得负载在快速摆动下更加平稳，而不会出现破坏试件的现象。

Description

摆动疲劳试验装置

技术领域

本发明特别涉及一种摆动疲劳试验设备，主要运用于负载较重、摆动角度大、摆动频率偏低、运行时间长的疲劳试验中，用以完成考核产品的疲劳性能。

背景技术

在高铁、公交车等公共运输工具内，安装有吊环或者其他扶手部件以供乘客使用，吊环的使用工况为：其顶端部固定在车体内上方的横向支架上，其底端部为供乘客握持的胶条，在车体运动过程中，吊环会产生摆动，最大的摆动频率可为1Hz，摆动角度一般在±30°之内，同时吊环会承受部分的人体重量,大约为25kg、方向垂直向下的力。为了确保吊环在寿命周期内能满足使用要求，需要进行疲劳试验以测试其可靠性，从而保障乘客的人身安全。

传统的试验装置主要包括支架、驱动机构、摆动机构、所述驱动机构输出往复直线运动，并与所述摆动机构活动连接，通过所述摆动机构将往复直线运动转换为摆动运动，在试验时，将固定在试验架上的试件与摆动机构相连接。由于试件在其实际应用过程中存在垂直向下的负载，因而在试验中需以一配重连接试件来模拟代替负载，然配重质量集中，以致于在快速摆动时，会产生较大的惯量，对试件产生不必要的破坏。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种结构简单合理的摆动疲劳试验装置，其在实现产品摆动试验的同时，使得负载在快速摆动下更加平稳，不会出现破坏试件的现象。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种摆动疲劳试验装置，包括：

试件承载机构，用以固定试件；

配重，用以模拟始终垂直向下的载荷；

柔性连接件，上、下端分别与所述试件和配重固定连接；

驱动机构，用以输出往复直线运动；

转动放大机构，用以将所述驱动机构输出的往复直线运动转换为摆动运动并进行放大；

传动机构，用以传递所述转动放大机构输出的摆动运动，并驱使所述柔性连接件进行摇摆运动，进而带动试件进行往复摇摆运动；

约束机构，用以将由柔性连接件传递给配重的摇摆运动约束为上下运动。

进一步的，所述试件承载机构包括一圆柱，所述圆柱两端与刚性支架固定连接，所述试件固定在所述圆柱上。

例如，所述圆柱可通过法兰等刚性连接件连接在刚性支架上。

进一步的，所述刚性支架可具有框架结构，并可主要由H型钢和45钢固定连接形成。

进一步的，所述驱动机构可选用但不限于伸缩驱动机构，例如，气动伸缩驱动机构、液压伸缩驱动机构、电致伸缩驱动机构或磁致伸缩驱动机构。

进一步的，所述驱动机构包括固定设置在基座上的气缸及气缸控制单元。

其中，所述气缸控制单元可采用PLC、MCU或计算机系统等，籍以控制气缸输出的往复直线运动的行程和频率等工作参数。

进一步的，所述转动放大机构包括摆臂，所述摆臂下部经一轴承与基座可转动的连接，同时还与所述驱动机构传动连接，所述摆臂上部与所述传动机构传动连接。

进一步的，所述驱动机构的活动端通过一防松转接板与一加载轴连接，所述加载轴插入所述摆臂上的腰型孔内，且所述加载轴与所述腰型孔间隙配合，同时所述防松转接板上还设置有两组以上滚珠，所述滚珠均与所述摆臂贴合。

进一步的，所述传动机构包括至少一对传动滚轮，每一对传动滚轮中的两个传动滚轮相互耦合，所述柔性连接件从该两个传动滚轮之间穿过。

进一步的，所述约束机构包括至少一对约束滚轮，每一对约束滚轮中的两个约束滚轮相互耦合，所述柔性连接件从该两个约束滚轮之间穿过。

优选的，为避免柔性连接件在传动机构或约束机构内的运动幅度过大，可将两个传动滚轮或两个约束滚轮之间的间隙大小控制在与柔性连接件的直径基本相等的尺寸范围内。

进一步的，在所述摆动疲劳试验装置处于停工状态时，所述试件、配重、柔性连接件、传动机构和约束机构的中心在一条竖直线上。

进一步的，所述柔性连接件可采用具有一定强度和韧性的柔性连接件，例如钢丝绳等，且不限于此。

藉由前述设计，使得本发明较之现有技术至少具有如下优点：

（1）本发明提供的摆动疲劳试验装置结构简单、成本低，易于安装维护；

（2）本发明采用驱动机构以小行程往复直线运动推动转动放大机构，使转动放大机构进行往复摇摆运动，再通过传动机构带动柔性连接件进行摇摆运动，最终实现试件的往复摇摆运动，实施简单方便，成本低，性能稳定可靠，并且可以通过自由调节驱动机构输出的往复直线运动的行程和频率，从而可以满足不同的试验条件要求；

（3）本发明通过采用相互耦合的滚轮作为传动机构来推动柔性连接件，大幅度减少系统内部的摩擦，提高了系统的响应速度，并使得转动放大机构的转动有效的传递到柔性连接件上；

（4）本发明通过采用配重来模拟始终垂直向下的载荷，并采用滚轮机构将配重由左右摇摆约束为上下运动，使得负载在快速摆动下更加平稳，避免配重较大的惯量对试件的过试验。

附图说明

为了更清楚地说明本发明结构特征和技术要点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1为本发明一典型实施例中一种摆动疲劳试验装置的主视图；

图2为本发明一典型实施例中一种摆动疲劳试验装置（除却支架部分）的主视图；

图3为本发明实施例所公开的摆动疲劳试验装置（除却支架部分）的左视示意图；

图4为本发明实施例所公开的摆动疲劳试验装置的放大原理示意图。

附图标记说明：11-支架，12-气缸，13-防松转接板，14-加载轴，15-摆臂，15a-腰型孔，16-传动滚轮，17-约束滚轮，18-柔性连接件，19-配重，20-轴承，21-圆柱，22-试件。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1-4所示，该摆动疲劳试验装置包括支架11、驱动机构、转动放大机构、传动机构和约束机构等，其中驱动机构和转动放大机构位于一对支架11之间，支架11固定在地基上，驱动机构用以输出往复直线运动，并与转动放大机构传动连接，转动放大机构用以将驱动机构输出的往复直线运动转换为摆动运动，并实现行程的放大。传动机构包括一对相互耦合的传动滚轮16，传动滚轮16的一端通过轴杆连接转动放大机构的摆臂15。约束机构包括一对相互耦合的约束滚轮17，约束滚轮17的一端通过轴杆连接在支架11上，试件22的顶端部固定于两支架11之间的圆柱21上，其底端部通过一根具有一定强度和韧性的柔性连接件18连接一配重19，且柔性连接件18穿设于该些相互耦合的传动滚轮16之间以及相互耦合的约束滚轮17之间。

其中，驱动机构包括通过法兰固设于地基上的气缸12以及用于控制气缸12行程和频率的控制单元，如PLC。具体的，气缸12的行程由调速阀控制，频率由PLC控制，推力由压力阀控制，因而可以在一定范围内，自由地调节气缸12往复直线运动的行程和频率。优选气缸12，将其往复直线运动转换成摆动运动，实施简单方便，成本低。此外，通过控制单元可以自由的调节气缸12往复直线运动的行程和频率，从而可以满足不同的试验条件要求。

参见图2-3所示，转动放大机构包括加载轴14和摆臂15，摆臂15下部经轴承20与基座可转动的连接，摆臂15以连接点为支点进行摆动。摆臂15的底端部并位于连接点的上方位置开设有一竖直的腰型孔15a，气缸12经一防松转接板13连接加载轴14，加载轴14与摆臂15的腰型孔15a间隙配合，并垂直插设于腰型孔15a中。气缸12通过防松转接板13带动加载轴14往复直线运动，加载轴14再通过与腰型孔15a的配合将直线往复运动转换为摆臂15的往复摆动运动。

防松转接板13上设置有防转动部件，防转动部件为两组滚珠，滚珠与摆臂15相贴合，以避免加载轴14在腰型孔15a中往复运动过程时发生翻转，从而导致施力不均匀。柔性连接件18优选为一根钢丝绳。圆柱21通过法兰刚性连接于两支架11之间，而支架11由H型钢和45钢固定连接形成。

以下再结合附图4，对本发明的实施例作再进一步的说明。

在设计该摆动疲劳试验装置的尺寸时，参阅图4，若假设已知试件的长度为L2、摆动频率f、摆动的角度b、气缸的最大行程L4，摆臂的长度L1，则：

试件摆动的行程为L5=2×L2×sin(b)；

放大机构放大系数为k=L5/L4

摆臂的摆动角度为a=arcsin(L1/(L2×sin(b)))

气缸加载高度为L3=L4/(2×tan(a))

腰型孔的行程最小为L=L3/sin(a)-L3。

依据试验需求，对该摆动疲劳试验装置进行安装调节的操作步骤包括：

1）根据试验要求的摆动角度b、试件22的长度L2，计算出放大系数k、气缸12的加载高度L3、腰型孔15a的最小行程L，从而设计出合适的转动放大机构。 

2）通过螺栓将支架11固定在地基上，试件22的头部固定在支架11的圆柱21上，试件22的底端部通过钢丝绳连接配重19。

3）气缸12的端部通过法兰固定在地基上，其头部通过防松转接板13连接加载轴14，加载轴14插入摆臂15上的腰型孔15a内，防松转接板13上设置两组滚珠，滚珠与摆臂15贴合，摆臂15铰接于固定在地基上的轴承20。

4）将钢丝绳与传动滚轮16和约束滚轮17配合，保证试件22、钢丝绳、配重19、传动滚轮16和约束滚轮17的中心在一条竖直线上。

5）调节传动滚轮16和约束滚轮17的相对位置，以保证运动中不发生干涉，并将摆臂15的初始位置调节至竖直。

6）根据试验要求的摆动频率f，设定PLC程序，并调节压力大小以及调速阀开度，开启气动装置。

7）测量试件22的摆动角度，与要求值对比：若大于要求值，则降低压力或者减小调速阀开度；若小于要求值，则增大压力或者增大调速阀开度；

8）检查钢丝绳在传动滚轮16和约束滚轮17中的运动是否顺畅，是否有磨损；

9）检测气缸12行程是否变化，往复是否对称，若因为受到负载干扰而不平衡，则需要调节气缸12两端的调速阀进行补偿。

10）观察装置运行15分钟后无异常，说明装置趋于稳定，可定时检测，并定期维护加载轴14和钢丝绳，若磨损则及时更换。

综上所述，本发明的摆动疲劳试验装置具有结构简单、成本低，安装方便等特点，采用驱动机构以小行程往复直线运动推动转动放大机构，使转动放大机构进行往复摇摆运动，再通过传动机构带动柔性连接件18进行摇摆运动，最终实现试件22的往复摇摆运动。在此过程中，传动机构采用相互耦合的传动滚轮16来推动柔性连接件18，大幅度地减少系统传动滚轮16与柔性连接件18之间的摩擦，提高了试验装置的响应速度，并使得摆臂15的摆动有效地传递到柔性连接件18上；采用配重19来模拟始终垂直向下的负载，并采用约束滚轮17将配重19由左右摇摆约束为上下运动，使得负载在快速摆动下更加平稳，避免因配重19较大的惯量对产品造成不必要的破坏。

应当理解，上述具体实施方式仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上所述内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种摆动疲劳试验装置，其特征在于包括：

试件承载机构，用以固定试件；

配重，用以模拟始终垂直向下的载荷；

柔性连接件，其上、下端分别与所述试件和配重固定连接；

驱动机构，用以输出往复直线运动；

转动放大机构，用以将所述驱动机构输出的往复直线运动转换为摆动运动并进行放大；

传动机构，用以传递所述转动放大机构输出的摆动运动，并驱使所述柔性连接件进行摇摆运动，进而带动试件进行往复摇摆运动；

约束机构，用以将由柔性连接件传递给配重的摇摆运动约束为上下运动。

2.根据权利要求1所述的摆动疲劳试验装置，其特征在于所述试件承载机构包括一圆柱，所述圆柱两端与刚性支架固定连接，所述试件固定在所述圆柱上。

3.根据权利要求1所述的摆动疲劳试验装置，其特征在于所述驱动机构包括伸缩驱动机构，所述伸缩驱动机构包括气动伸缩驱动机构、液压伸缩驱动机构、电致伸缩驱动机构或磁致伸缩驱动机构。

4.根据权利要求1或3所述的摆动疲劳试验装置，其特征在于所述驱动机构包括固定设置在基座上的气缸及气缸控制单元。

5.根据权利要求1所述的摆动疲劳试验装置，其特征在于所述转动放大机构包括摆臂，所述摆臂下部经一轴承与基座可转动的连接，同时还与所述驱动机构传动连接，所述摆臂上部与所述传动机构传动连接。

6.根据权利要求5所述的摆动疲劳试验装置，其特征在于所述驱动机构的活动端通过一防松转接板与一加载轴连接，所述加载轴插入所述摆臂上的腰型孔内，且所述加载轴与所述腰型孔间隙配合，同时所述防松转接板上还设置有两组以上滚珠，所述滚珠均与所述摆臂贴合。

7.根据权利要求1-3、5-6中任一项所述的摆动疲劳试验装置，其特征在于所述传动机构包括与转动放大机构连接的至少一对传动滚轮，每一对传动滚轮中的两个传动滚轮相互耦合，所述柔性连接件从该两个传动滚轮之间穿过。

8.根据权利要求1-3、5-6中任一项所述的摆动疲劳试验装置，其特征在于所述约束机构包括与支架固定连接的至少一对约束滚轮，每一对约束滚轮中的两个约束滚轮相互耦合，所述柔性连接件从该两个约束滚轮之间穿过。

9.根据权利要求1-3、5-6中任一项所述的摆动疲劳试验装置，其特征在于，在所述摆动疲劳试验装置处于停工状态时，所述试件、配重、柔性连接件、传动机构和约束机构的中心在一条竖直线上。

10.根据权利要求1-3、5-6中任一项所述的摆动疲劳试验装置，其特征在于所述柔性连接件采用钢丝绳。