CN106525591B - 基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置及检测方法，该检测装置包括机架、支撑旋转装置、驱动及调节装置、Z轴移动装置、加载装置和裂纹信息采集装置；支撑旋转装置包括电动机和活动安装于支架上、与电动机动力输出端连接的支撑轮轴，支撑轮轴固定安装有一支撑轮；裂纹信息采集装置包括断裂片、用于为断裂片提供激励电压并采集断裂片反馈的电位信号的无线信号传输模块和与无线信号传输模块通信的无线信号接收模块；驱动及调节装置包括活动安装于Z轴移动装置上的滑动结构和安装在Z轴移动装置上的伺服电动缸，滑动结构上安装有连接在一起的电主轴和轴箱，轴箱的输出轴上安装有用于装夹试样轴的液压夹头；试样轴的端部安装有与支撑轮滚动配合的试样轮。

Description

基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及材料检测技术领域，具体涉及基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置及检测方法。

背景技术

疲劳是指材料、零部件在循环应力或循环应变作用下，在一处或几处逐渐产生局部永久性累积损伤，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生完全断裂的过程。疲劳现象广泛存在于现代工业的各个方面，随着科学技术的发展，疲劳强度问题成为影响工程领域安全性、可靠性的重要因素，引起专家学者的广泛关注。旋转弯曲疲劳作为一种典型的零件失效形式，是由多种单一模式(如弯曲疲劳、拉压疲劳、扭转疲劳等)相耦合的复杂疲劳。主要发生在工作中既承受弯矩又承受转矩的转轴(如齿轮轴、火车轮轴、带轮轴等)中，对现代交通运输装备、工程机械装备和军事工程装备等构成重大的安全隐患。

目前，国内外对疲劳试验和损伤容限的研究主要是通过独立的试验或检测设备对结构材料进行研究，缺乏对材料进行旋转弯曲疲劳试验和损伤容限研究相结合的试验检测装置。然而对转轴类零件特别是动车轮轴的基于旋转弯曲疲劳试验的损伤容限的研究将直接影响其服役安全性、可靠性。因此，为准确、高效进行基于结构材料旋转弯曲疲劳试验的损伤容限研究，研发基于旋转弯曲疲劳试验的损伤容限在线检测装置具有较大的安全意义和经济价值。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置及检测方法能够实现既受弯矩又受扭矩的零件材料在预定工况下损伤容限的检测。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

第一方面，提供一种基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置，其包括机架、支撑旋转装置、用于带动试样轴旋转和在水平面移动的驱动及调节装置、用于带动驱动及调节装置在竖直方向移动的Z轴移动装置、用于给试样轴施加载荷的加载装置和用于采集试样轴上预制裂纹断裂扩展信息并将其进行上传的裂纹信息采集装置；

支撑旋转装置包括电动机和活动安装于支架上、与电动机动力输出端连接的支撑轮轴，支撑轮轴固定安装有一支撑轮；裂纹信息采集装置包括设置于试样轴上的断裂片、用于为断裂片提供激励电压并采集断裂片反馈的电位信号的无线信号传输模块和与无线信号传输模块通信的无线信号接收模块；

驱动及调节装置包括活动安装于Z轴移动装置上的滑动结构和安装在Z轴移动装置上带动滑动结构在水平面移动的伺服电动缸，滑动结构上安装有连接在一起的电主轴和轴箱，轴箱的输出轴上安装有一用于装夹试样轴的液压夹头；试样轴的端部安装有与支撑轮滚动配合的试样轮。

第二方面，提供一种采用基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置对材料损伤容限进行检测的检测方法，其包括以下步骤：

a、将试样轮压装在试样轴端部，并在试样轴上预制裂纹缺陷、粘贴断裂片和安装无线信号传输模块；

b、将装配好的试样轴装夹于液压夹头上，并启动液压夹头夹紧试样轴，控制伺服电动缸伸缩带动滑动结构在水平面上移动，直至试样轴端部与加载装置接触；

c、控制Z轴移动装置带动驱动及调节装置在竖直方向移动，直至试样轮与支撑轮之间的接触间隙为零；

d、控制加载装置对试样轴端部施加载荷，产生向下的径向弯曲载荷，通过加载装置上传的反馈值调整加载装置施加的弯曲载荷大小；

e.启动电动机和电主轴，分别驱动支撑轮相对于试样轮做纯滚动；

f.在试验过程中，通过无线信号传输模块将断裂片所反映的预制裂纹扩展实时信息输送至外部的采集系统，并通过“局部电位法”分析计算式得到试样轴在设定参数下的损伤容限：

式中：a为裂纹尺寸(mm)；a_r为初始裂纹尺寸(mm)；w为试样宽度(mm)；V为测量的裂纹端电压(mV)；V_r为对应于a_r的测量电压(mV)；y₀为从裂纹面到电压测量引线的跨距(mm)。

本发明的有益效果为：本方案通过驱动及调节装置带动试样轴旋转，同时给试样轴端部施加一个向下的压力而产生向下的径向弯曲载荷，并通过断裂片进行采集，之后再在上位机的协作下实现损伤容限准确、高效地检测；通过本装置，能够实现模拟既受弯矩又受扭矩的零件材料在预定工况下的损伤容限检测。

由于试样轮轴和支撑轮采用独立电机驱动的方式，可实现两轮的不同速度匹配模式，达到试样轴所受转矩可调的目的。

通过无线信号传输和断裂片法相结合的裂纹扩展检测方法实现了不停机在线检测，提高了试验检测效率，同时采用的图像分析法可对在线检测方式的结果加以验证，保证了试验测试结果的精准性。

附图说明

图1为基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置的立体图。

图2为基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置的主视图。

图3为基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置的左视图。

图4为断裂片粘贴与试样轴的预制裂纹两侧的结构示意图。

其中，1、机架；2、驱动及调节装置；21、伺服电动缸；22、固定板；23、电主轴；24、轴箱；25、液压夹头；26、试样轮；27、轴承组件；28、活动板；29、连接板；210、支撑防护架；3、支撑旋转装置；31、电动机；32、减速器；33、联轴器；34、支架；35、支撑轮轴；36、支撑轮；4、加载装置；41、第二伺服液压缸；42、载荷传感器；5、图像采集装置；51、伺服电机；52、电动伸缩模块；53、CCD图像传感器；6、Z轴移动装置；61、第一伺服液压缸；62、导向柱；63、导向套；64、托板；65、法兰盘；7、旋转编码器；8、断裂片；9、试样轴。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置包括机架1、支撑旋转装置3、用于带动试样轴9旋转和在水平面移动的驱动及调节装置2、用于带动驱动及调节装置2在竖直方向移动的Z轴移动装置6、用于给试样轴9施加载荷的加载装置4和用于采集试样轴9上预制裂纹断裂扩展信息并将其进行上传的裂纹信息采集装置。

在本发明的一个实施中，机架1可以采用高强度钢板焊接成箱式结构，通过螺栓连接组成，其具有高强度、高刚度等特点，从而可保证实际试验检测中具有最优的防震性能和宽温度范围内的尺寸稳定性。

本装置在实际使用时，为了进一步提高装置运行过程中的稳定性，可以在机架1整体的底部设置上防震垫，另外还可以在其安装的位置设置基坑，将装有防震垫的装置放置于基坑中。

在实施时，为了保证既受弯矩又受扭矩的零件材料在预定工况下的损伤容限检测的安全性，可以在机架1外设置包裹整个检测装置的防护罩。

如图1和图2所示，支撑旋转装置3包括电动机31和活动安装于支架34上、与电动机31动力输出端连接的支撑轮轴35，支撑轮轴35上固定安装有一支撑轮36；其中的电动机31和支架34均安装在机架1的底板上。

由于电动机31的转速较大，难以实现不同工况的模拟检测实验，于是本方案优选支撑旋转装置3还可以包括减速器32，减速器32分别与电动机31和支撑轮轴35连接。其中电动机31、减速器32和支撑轮轴35之间通过联轴器33依次连接。

作为一种优选，支撑旋转装置3的电动机31可以采用变频调速电机，这样设置之后其可以在变频调速器的控制下达到不同的转速，以适应不同试验参数需求。减速器32优选采用一级斜齿轮减速器32，其具有啮合平稳、冲击小、传动效率和传动稳定性高等优点，能将电机输出的扭矩放大使试验装置具备足够的启动转矩。

在实施时，可以在本方案中的支撑轮轴35两端安装圆柱滚子轴承，为了确保支撑轮轴35运动的稳定性，可以为支撑轮轴35配套润滑和冷却系统保证试验装置长时间运行的可靠性。

同时，本方案还包括在支撑轮轴35的端部设置的用于采集支撑轮轴35转速的旋转编码器7，旋转编码器7可对支撑轮36的转速进行精确测量并反馈给运动控制器，局部构成闭环控制系统。如图1和图2所示，旋转编码器7通过支撑架安装在机架1上，其位于支撑轮轴35的端部，但不与支撑轮轴35接触。

裂纹信息采集装置包括设置于试样轴9上的断裂片8、用于为断裂片8提供激励电压并采集断裂片8反馈的电位信号的无线信号传输模块和与无线信号传输模块通信的无线信号接收模块。

如图4所示，本方案优选设置两片断裂片8，两片断裂片8位于试样轴9的中部，且分别设置于试样轴9上预制裂纹的两侧；测试时，无线信号传输模块优选设置于试样轴9的中部。

再次参考图1和图2，驱动及调节装置2包括活动安装于Z轴移动装置6上的滑动结构和安装在Z轴移动装置6上带动滑动结构在水平面移动的伺服电动缸21，滑动结构上安装有连接在一起的电主轴23和轴箱24，轴箱24的输出轴上安装有一用于装夹试样轴9的液压夹头25；试样轴9的端部安装有与支撑轮36滚动配合的试样轮26。

由于在实际使用时，与支撑轮36形成对滚副的试样轮26所用材料硬度应略小于支撑轮36工作面硬度，以保证长期试验过程中试验装置具有较高的尺寸稳定性。其中的支撑轮36优先选用高强度耐磨钢加工而成，工作圆周表面热处理使硬度达到HRC≥60。

为了保证力矩传递的稳定性，驱动及调节装置2中的电主轴23和轴箱24之间通过联轴器33连接在一起，实施时，本方案提到的所有联轴器33均采用梅花联轴器33，该联轴器33能够有效吸收冲击和振动，并且具备角度、轴向伸缩膨胀和对中平行度的纠偏能力，能有效保障装置的使用安全。

如图1和图2所示，在机架1的中部平台上还安装有一支撑防护架210，测试时，试样轴9需要穿过支撑防护架210安装在液压夹头25上。无线信号接收模块安装在该支撑防护架210上。

在本发明的一个实施例中，Z轴移动装置6包括设置于机架1顶部的第一伺服液压缸61和至少一根设置于机架1上的导向柱62，导向柱62上通过导向套63活动安装有一托板64，托板64与第一伺服液压缸61固定连接；滑动结构和伺服电动缸21均安装在托板64上。

实施时，为了便于Z轴移动装置6带动检测装置移动的稳定性和阻力最小化，本方案优选采用四根导向柱62；在托板64上表面中心处安装有一法兰盖，第一伺服液压缸61通过法兰盘65与托板64固定连接在一起。

如图3所示，本方案的滑动结构可以优选包括固定安装于托板64下表面的固定板22和活动安装于固定板22下表面的滑槽内的活动板28；活动板28通过连接板29与伺服电动缸21连接。

为了确保滑动结构的稳定性和降低活动板28相对于滑槽运动时产生的阻力，本方案优选将滑槽设计成燕尾槽，活动板28设计成与燕尾槽形状相匹配的结构。

如图1-图3所示，加载装置4包括设置于机架1顶部的第二伺服液压缸41和设置于第二伺服液压缸41动力输出轴端部、用于采集试样轴9上压力的载荷传感器42。实施时，在试样轴9的端部安装有一轴承组件27，载荷传感器42与轴承组件27接触。

如图2所示，该基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置还包括用于采集试样轴9上预制裂纹断裂扩展信息的图像采集装置5。图像采集装置5作为测试试样轴9损伤容限的辅助装置，其可以提高试验检测的准确性。

在本发明的一个实施例中，图像采集装置5包括伺服电机51、安装在伺服电机51上的电动伸缩模块52和安装于电动伸缩模块52端部的CCD图像传感器53。在实际使用时，采用电动伸缩模块52驱动CCD图像传感器53对试验过程中试样轴9上的裂纹扩展状态进行采集，并将采集的数据上传至上位机信号采集系统进行分析处理。

为减小Z轴方向运动精度和稳定性对CCD图像传感器53对焦的影响，本方案中的电动伸缩模块52采用精密丝杠结构，可消除反向间隙，采用伺服电机51驱动可保证CCD图像传感器53在对焦过程中的稳定性。

至此，已完成对基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置结构的描述，下面接着对采用基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置对材料损伤容限进行检测的检测方法进行详细地描述：

该检测方法包括以下步骤：

a、将试样轮26压装在试样轴9端部，并在试样轴9上预制裂纹缺陷、粘贴断裂片8和安装无线信号传输模块；

b、将装配好的试样轴9装夹于液压夹头25上，并启动液压夹头25夹紧试样轴9，控制伺服电动缸21伸缩带动滑动结构在水平面上移动，直至试样轴9端部与加载装置4(此处是使安装在试样轴9上的轴承组件27与加载装置4的载荷传感器42接触)接触；

c、控制Z轴移动装置6带动驱动及调节装置2在竖直方向移动，直至试样轮26与支撑轮36之间的接触间隙为零；

d、控制加载装置4对试样轴9端部施加载荷，产生向下的径向弯曲载荷，通过加载装置4上传的反馈值调整加载装置4施加的弯曲载荷大小；

e.启动电动机31和电主轴23，分别驱动支撑轮36相对于试样轮26做纯滚动；

f.在试验过程中，通过无线信号传输模块将断裂片8所反映的预制裂纹扩展实时信息输送至外部的采集系统，并通过“局部电位法”分析计算式得到试样轴在设定参数下的损伤容限：

式中：a为裂纹尺寸(mm)；a_r为初始裂纹尺寸(mm)；w为试样宽度(mm)；V为测量的裂纹端电压(mV)；V_r为对应于a_r的测量电压(mV)；y₀为从裂纹面到电压测量引线的跨距(mm)。

在本发明的一个实施例中，为了提高试验检测的准确性，本检测方法还包括采集试样轴9上预制裂纹的实时图像信息，并传输至上位机，对预制裂纹的实时图像信息进行数值化处理、滤波降噪、信号增强后再进行图像二值化处理，并采用边缘提取算法对裂纹尺寸进行自动测量；通过试验过程中多次停机检测得出试样轴9预制扩展速率。

虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。在权利要求书所描述的范围内，本领域技术人员不经创造性劳动即可做出的各种修改和变形仍属本专利的保护范围。

Claims (9)

1.基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置，其特征在于，包括机架、支撑旋转装置、用于带动试样轴旋转和在水平面移动的驱动及调节装置、用于带动驱动及调节装置在竖直方向移动的Z轴移动装置、用于给试样轴施加载荷的加载装置和用于采集试样轴上预制裂纹断裂扩展信息并将其进行上传的裂纹信息采集装置；

所述支撑旋转装置包括电动机和活动安装于支架上、与电动机动力输出端连接的支撑轮轴，所述支撑轮轴上固定安装有一支撑轮；所述裂纹信息采集装置包括设置于试样轴上的断裂片、用于为断裂片提供激励电压并采集断裂片反馈的电位信号的无线信号传输模块和与无线信号传输模块通信的无线信号接收模块；

所述驱动及调节装置包括活动安装于Z轴移动装置上的滑动结构和安装在所述Z轴移动装置上带动滑动结构在水平面移动的伺服电动缸，所述滑动结构上安装有连接在一起的电主轴和轴箱，所述轴箱的输出轴上安装有一用于装夹试样轴的液压夹头；所述试样轴的端部安装有与所述支撑轮滚动配合的试样轮；

所述Z轴移动装置包括设置于机架顶部的第一伺服液压缸和至少一根设置于机架上的导向柱，所述导向柱上通过导向套活动安装有一托板，所述托板与第一伺服液压缸固定连接；所述滑动结构和伺服电动缸均安装在托板上。

2.根据权利要求1所述的基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置，其特征在于，所述滑动结构包括固定安装于所述托板下表面的固定板和活动安装于所述固定板下表面的滑槽内的活动板；所述活动板通过连接板与伺服电动缸连接。

3.根据权利要求1所述的基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置，其特征在于，所述加载装置包括设置于机架顶部的第二伺服液压缸和设置于第二伺服液压缸动力输出轴端部、用于采集试样轴上压力的载荷传感器。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置，其特征在于，还包括用于采集试样轴上预制裂纹断裂扩展信息的图像采集装置。

5.根据权利要求4所述的基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置，其特征在于，所述图像采集装置包括伺服电机、安装在伺服电机上的电动伸缩模块和安装于电动伸缩模块端部的CCD图像传感器。

6.根据权利要求1-3、5任一所述的基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置，其特征在于，还包括用于采集所述支撑轮轴转速的旋转编码器。

7.根据权利要求1-3、5任一所述的基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置，其特征在于，所述支撑旋转装置还包括减速器，所述减速器分别与所述电动机和支撑轮轴连接。

8.一种采用权利要求1-7任一所述的基于旋转弯曲疲劳的材料损伤容限检测装置对材料损伤容限进行检测的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、将试样轮压装在试样轴端部，并在试样轴上预制裂纹缺陷、粘贴断裂片和安装无线信号传输模块；

b、将装配好的试样轴装夹于液压夹头上，并启动液压夹头夹紧试样轴，控制伺服电动缸伸缩带动滑动结构在水平面上移动，直至试样轴端部与加载装置接触；

c、控制Z轴移动装置带动驱动及调节装置在竖直方向移动，直至试样轮与支撑轮之间的接触间隙为零；

d、控制加载装置对试样轴端部施加载荷，产生向下的径向弯曲载荷，通过加载装置上传的反馈值调整加载装置施加的弯曲载荷大小；

e．启动电动机和电主轴，分别驱动支撑轮相对于试样轮做纯滚动；

f．在试验过程中，通过无线信号传输模块将断裂片所反映的预制裂纹扩展实时信息输送至外部的采集系统，并通过“局部电位法”分析计算式得到试样轴在设定参数下的损伤容限：

式中，a为裂纹尺寸（mm）；a _r为初始裂纹尺寸（mm）；w为试样宽度（mm）；V为测量的裂纹端电压（mV）；V _r为对应于a _r的测量电压（mV）;y ₀为从裂纹面到电压测量引线的跨距（mm）。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，还包括采集试样轴上预制裂纹的实时图像信息，并传输至上位机，对预制裂纹的实时图像信息进行数值化处理、滤波降噪、信号增强后再进行图像二值化处理，并采用边缘提取算法对裂纹尺寸进行自动测量；通过试验过程中多次停机检测得出试样轴预制扩展速率。