CN105021338A - 一种用于微型拉扭疲劳试验机的扭矩测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于微型拉扭疲劳试验机的扭矩测量装置及方法，扭矩传感器，通过弹性联轴器同轴一端连接空气止推轴承的轴承主轴、一端连接电机；扭矩传感器侧面固定于扭矩传感器固定板上；空气止推轴承外周固定于单边法兰套筒型轴承固定件，轴承固定件通过螺钉紧固在轴承固定板上，电机通过螺钉固定在电机固定板上。高精度扭矩传感器通过测量电机对试样施加的扭矩；空气止推轴承在扭矩传感器和刚性夹具之间传递扭矩，并将试验轴向载荷通过轴承固定构件传递到试验机机架上以避免扭矩传感器轴向过载损伤。应用于微型拉扭疲劳试验机中扭矩测量能够保证1mNm级扭矩测量结果准确性。填补微型拉扭疲劳试验系统中微牛米级扭矩测量装置和方法的空白。
Description
技术领域
本发明涉及材料力学性能测试装置及方法，特别是涉及一种用于微型拉扭疲劳试验机的扭矩测量装置及方法，具体是微型疲劳试验机扭转作动控制单元中应用空气轴承的扭矩测量装置及方法。
背景技术
微型拉扭疲劳试验机，是一种主要用于测定材料在较小拉伸、扭转或拉扭交变载荷作用下疲劳性能试验的装置。随着对材料多轴疲劳性能和尺度效应研究的不断深入，对试验载荷或扭矩传感器测量精度要求越来越高，微米级尺寸材料试验中拉伸和扭转作动范围可能小于10N和1mNm。试验机所应用的高精度传感器通常对所施加的轴向载荷、弯矩和扭矩有较严格的限制，试验机设计和使用中不仅仅需要考虑避免测量量过载，还需要尽量减小其他形式的载荷或力矩以延长传感器使用寿命防止过载损坏。适用于微米级尺寸材料试验的微型拉扭疲劳试验机要求扭矩传感器测量精度达到微牛米级，这样高精度的扭矩传感器对于所承受轴向载荷的限制通常接近或低于拉扭多轴试验中拉伸方向试验载荷，使得扭矩传感器面临过载危险。另一方面，为保证试验系统测量精度，扭矩测量轴下端扭矩传递过程中由于摩擦、偏心连接等引起的扭矩应在试验允许误差范围内，而应用止推轴承避免轴向载荷过载等常规方法将导致产生与试验扭矩同量级摩擦力矩，不能满足测量误差要求。以上两方面原因导致高精度扭矩传感器难以应用到微型拉扭多轴疲劳试验系统中进行微牛米级试验扭矩的测量。目前拉扭多轴试验机扭矩试验范围大多为牛米级，还没有具备微牛米级扭矩测量控制能力的微型拉扭疲劳试验机。
空气轴承是指用气体作为润滑剂的滑动轴承，它是利用气体弹性势来起支撑作用的一种新型轴承。空气轴承能够提供极高的轴向和旋转精度，摩擦阻力极小，使用寿命长，已经应用在高速磨头、离心分离机、陀螺仪表等高速、低摩擦场合中。
发明内容
本发明的目的是针对上述拉扭多轴试验系统中微牛米级扭矩测量问题，结合空气轴承的特点，提供一种用于微型拉扭多轴疲劳试验机的扭矩测量装置和方法，扭矩测量精度高，灵敏性好，并具有轴向过载保护作用；同时，结构通用性好，能够应用到现有微型拉扭试验装置中。
本发明的技术方案如下：
一种用于微型拉扭疲劳试验机的扭矩测量装置，其特征是扭矩传感器(1)，通过弹性联轴器(9)同轴一端连接空气止推轴承(2)的轴承主轴(3)、一端连接电机(4)；扭矩传感器(1)侧面固定于扭矩传感器固定板(5)上；空气止推轴承(2)外周固定于单边法兰套筒型轴承固定件(6)，轴承固定件(6)通过螺钉紧固在轴承固定板(7)上，电机(4)通过螺钉固定在电机固定板(8)上。
高精度扭矩传感器(1)测量电机(4)对试样施加的扭矩；空气止推轴承(2)在扭矩传感器(1)和刚性夹具之间传递扭矩，并将试验轴向载荷通过轴承固定构件(6)、(7)传递到试验机机架上以避免扭矩传感器轴向过载损伤。
轴承主轴(3)另一端加工为通用夹具连接结构与夹具连接；将该测量装置作为扭转作动测量单元于拉扭疲劳试验机上与轴向作动测量单元同轴相对安装；将试样夹装于试验机夹具，先夹装轴向单元端，然后将扭转单元轴自由扭转至夹装试样的角度位置，调整轴向单元轴至合适夹持距离，最后使扭转单元端夹具夹紧试样。
轴承主轴(3)另一端加工为通用夹具连接结构与夹具刚性连接；给空气轴承(2)持续供气；将该测量装置作为扭转作动测量单元于拉扭疲劳试验机上与轴向作动测量单元同轴相对安装；将试样夹装于试验机夹具，先夹装轴向单元端，然后将扭转单元轴自由扭转至夹装试样的角度位置，调整轴向单元轴至合适夹持距离，最后使扭转单元端夹具夹紧试样，即可开始试验，试验中，电机驱动下端轴扭转，依次通过弹性联轴器(9)、扭矩传感器(1)、弹性联轴器(9)、空气止推轴承(2)及其主轴(3)、夹具，将扭矩传递到试样，扭矩传感器测量所传递的扭矩，同时，轴向单元对试样施加的轴向试验载荷依次通过空气止推轴承(2)及其主轴(3)、轴承固定构件(6)、(7)传递到试验机机架，扭矩传感器不承受轴向试验载荷。
本发明选用空气止推轴承，安装在高精度扭矩传感器测量轴端，在扭矩传感器和刚性夹具之间传递扭矩，并将试验轴向载荷传递到机架上以避免扭矩传感器轴向过载损伤。轴承主轴和扭矩传感器测量轴之间采用狭缝型弹性联轴器连接，在保证扭矩传递的同时调整一定安装偏心。轴承主轴另一端可加工为通用连接结构与夹具刚性连接。该用于微型拉扭疲劳试验机的扭矩测量方法具有高精度扭矩测量准确性高、扭矩测量和传递系统灵敏性好、测量系统稳定、轴向过载保护、使用寿命长、通用性好的特点。
本发明的优点是：
1)应用空气止推轴承(2)在扭矩传感器(1)和刚性夹具之间传递扭矩，与传统止推轴承相比，空气止推轴承(2)提供极高的轴向和旋转精度，几乎不产生摩擦扭矩，应用于微型拉扭疲劳试验机中扭矩测量能够保证1mNm级扭矩测量结果准确性。
2)空气轴承(2)即使在高速旋转条件下也能具有极高的稳定性，因而该测量方法能够满足低频到高频疲劳试验要求，高频疲劳试验测量稳定性好。
3)空气止推轴承有一定轴向承载能力，应用空气止推轴承(2)可将试验轴向载荷通过轴承固定板传递到机架上，能够有效防止试验载荷或意外失控时的载荷冲击对扭矩传感器造成轴向过载损伤。
4)轴承主轴(3)和传感器(1)测量轴采用狭缝型弹性联轴器(9)连接，在保证扭矩传递的同时调整一定安装偏心，减小扭矩测量系统误差，延长传感器使用寿命。
5)由于扭矩传递中使用气体润滑，该扭矩测量传递过程基本无需维护。
6)本测量装置具有通用性，可方便的应用到现有拉扭多轴疲劳试验系统中。
上述说明，本测量方法具有高精度扭矩测量准确性高、扭矩测量和传递系统灵敏性好、测量系统稳定、提供轴向过载保护、使用寿命长、通用性好的优点，能够填补微型拉扭疲劳试验系统中微牛米级扭矩测量装置和方法的空白。
附图说明
图1为微型拉扭疲劳试验机扭转作动测量单元示意图。
图2为转角控制曲线。
图3为扭矩相应曲线。
图中：1.扭矩传感器，2.空气止推轴承，3.轴承主轴，4.电机，5.扭矩传感器固定板，6.空气轴承固定件，7.轴承固定板，8.电机固定板，9.弹性联轴器。
具体实施方式
如图1所示，一种用于微型拉扭疲劳试验机的扭矩测量装置，应用在扭矩测量作动单元中，主要包括高精度动态扭矩传感器Interface T11(1)，安装在高精度扭矩传感器测量轴端空气止推轴承OAVTB32i13(2)，轴承主轴(3)，安装在扭矩传感器驱动轴端提供扭转作动的直流电机(4)，以及分别连接电机输出轴-扭矩传感器驱动轴和扭矩传感器测量轴-轴承主轴的单节狭缝型弹性联轴器(9)。
扭矩传感器(1)通过侧面螺钉固定于扭矩传感器固定板(5)上。空气止推轴承(2)外周通过O型圈或胶水固定于单边法兰套筒型轴承固定件(6)，轴承固定件(6)通过螺钉紧固在轴承固定板(7)上。电机(4)通过螺钉固定在电机固定板(8)上。所述三个固定板应当于相应部件固定处提供一定安装位置调整空间，减小安装同轴误差。
选用的扭矩传感器Interface T11(1)量程为20mNm，精度达0.02mNm，最大轴向承载10N，安全过载为200％。
选用的空气轴承OAVTB32i13(2)径向承载为43.1N，轴向承载为81.4N，输入气压为0.41-0.68MPa。
完整的微型拉扭疲劳试验系统中匹配的轴向驱动电机作动能力为30N，空气止推轴承(2)的轴向承载能力大于轴向驱动电机作动能力约1.5倍。试验条件下轴承主轴(3)轴向、径向串动量小于0.005mm。
轴承主轴(3)采用铝合金材料，减小转动惯量，保证扭转系统控制灵敏性。
轴承主轴-扭矩传感器测量轴及扭矩传感器驱动轴-电机之间均采用单节狭缝型弹性联轴器(5)连接，联轴器具有较高的扭转刚性(130Nm/rad)和额定扭矩(0.4Nm)、较低的惯性矩(2.9E-7kgm2)和较高的同轴性，允许1度的安装偏角以及0.15mm的轴向偏差。试验扭矩条件下(不超过5mNm),联轴器锁紧扭矩小于传感器量程，可避免安装时损伤扭矩传感器。轴承主轴另一端加工为通用销钉连接结构与夹具刚性连接。
空气轴承(2)或轴承主轴(3)与传感器(1)安装同轴误差小于联轴器错位可调能力约50％。
该扭转作动单元安装于双立柱式微型拉扭疲劳试验机上梁，轴承固定板(7)与上梁通过螺钉紧固。上梁中心设置通孔，使得扭转作动单元中的轴承(2)、主轴(3)及其连接夹具穿过上梁，与安装于下梁的拉伸作动单元及其夹具共同组成一个完整的拉扭试验装置。
夹装试样时，先夹装轴向单元端，然后将扭转单元轴自由扭转至夹装试样的角度位置，调整轴向单元轴至合适夹持距离，最后使扭转单元端夹具夹紧试样。
应用该扭转测量作动单元的微型拉扭疲劳试验系统，所进行的一个扭转疲劳试验如下所述。
试验试样为200μm直径的316L不锈钢丝。试验方案为：轴向载荷保持在0.5N，扭转方向采用转角正弦波控制。转角控制曲线及扭矩响应曲线分别如图2、3所示。从图中可见，该实验扭矩范围为±400μNm，控制曲线及响应曲线质量良好。
Claims (4)
1.一种用于微型拉扭疲劳试验机的扭矩测量装置，其特征是扭矩传感器，通过弹性联轴器同轴一端连接空气止推轴承的轴承主轴、一端连接电机；扭矩传感器侧面固定于扭矩传感器固定板上；空气止推轴承外周固定于单边法兰套筒型轴承固定件，轴承固定件通过螺钉紧固在轴承固定板上，电机通过螺钉固定在电机固定板上。
2.如权利要求1所述的装置，其特征是所述轴承主轴另一端加工为通用夹具连接结构与夹具连接；将该测量装置作为扭转作动测量单元于拉扭疲劳试验机上与轴向作动测量单元同轴相对安装；将试样夹装于试验机夹具，先夹装轴向单元端，然后将扭转单元轴自由扭转至夹装试样的角度位置，调整轴向单元轴至合适夹持距离，最后使扭转单元端夹具夹紧试样。
3.权利要求1的装置用于微型拉扭疲劳试验机的扭矩测量方法，其特征是高精度扭矩传感器通过测量电机对试样施加的扭矩；空气止推轴承在扭矩传感器和刚性夹具之间传递扭矩，并将试验轴向载荷通过轴承固定构件传递到试验机机架上以避免扭矩传感器轴向过载损伤。
4.如权利要求3所述的方法，其特征是电机驱动下端轴扭转，依次通过弹性联轴器、扭矩传感器、弹性联轴器、空气止推轴承及其主轴、夹具，将扭矩传递到试样，扭矩传感器测量所传递的扭矩，同时，轴向单元对试样施加的轴向试验载荷依次通过空气止推轴承及其主轴、轴承固定构件、轴承固定板传递到试验机机架，扭矩传感器不承受轴向试验载荷。
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