CN106644337B

CN106644337B - 一种用于薄壁构件疲劳测试的振动实验平台

Info

Publication number: CN106644337B
Application number: CN201611010469.9A
Authority: CN
Inventors: 廖凯; 张萧笛; 熊冠华; 黄鑫; 张子凯; 周立朝; 方志源; 张文昊; 吕高贤
Original assignee: Central South University of Forestry and Technology
Current assignee: Central South University of Forestry and Technology
Priority date: 2016-11-17
Filing date: 2016-11-17
Publication date: 2019-06-11
Anticipated expiration: 2036-11-17
Also published as: CN106644337A

Abstract

本发明公布了一种用于薄壁构件疲劳测试的振动实验平台，它包括平台底座上的激振源测试装置和端头夹具；激振源测试装置包括U型支架；U型支架底部设有激光式位移传感器；U型支架上端两侧设有第一销轴；第一销轴上套接有箱体；箱体与第一销轴两端之间设有减震弹簧；箱体顶端设有活塞式激振器；箱体内水平设有第一丝杠；第一丝杠上设有两个相互对称的楔块；楔块下端接触有上夹板；箱体的底盖上设有下夹板；上夹板与下夹板相互配合构成用于夹住薄壁构件的夹具；薄壁构件上位于激振源测试装置一端设有速度传感器和加速度传感器。它能在较短时间内等效再现航空铝合金薄壁构件的疲劳过程，推算该构件的使用寿命、进行寿命评估。

Description

一种用于薄壁构件疲劳测试的振动实验平台

技术领域

本发明涉及材料检测设备技术领域，具体涉及到一种用于薄壁构件疲劳测试的振动实验平台。

背景技术

随着现代工业的快速进步，很多机器装备正朝着高速、高温差及高压的方向发展，由此造成设备结构件失效的因素也随之增多，其中振动造成的疲劳失效是最常见的。在航空中的设备，更是在相当严重的振动环境中服役。为了确保航空设备在服役中的安全使用，故此，对应用在航空制造中的铝合金薄壁构件抗疲劳性能和服役寿命的评估也变得尤为重要。在实际环境中,振动是工程结构服役中必须承受的载荷，从目前研究现状来看，对于薄壁类框架零件的振动疲劳实验技术还不够成熟，仍然缺少普适性的实验方法，还没有建立规范的实验步骤。

发明内容

本发明的目的是针对以上问题，提供一种用于薄壁构件疲劳测试的振动实验平台，该平台具有通用可调性，可以测试不同结构工件的不同部位；能够模拟构件在不同工况下的受力状态，具有足够的夹持力保证平台的稳定性，且在该夹持力的作用下不会使构件变形，可以进行振动疲劳、裂纹分析和振动时效等多个实验，从而能够对构件进行检测和预测使用年限。

为实现以上目的，本发明采用的技术方案是：一种用于薄壁构件疲劳测试的振动实验平台，它包括平台底座(1)，所述平台底座(1)上设置有激振源测试装置和用于固定薄壁构件(3)的端头夹具；所述激振源测试装置包括设置在平台底座(1)上的U型支架(4)；所述U型支架(4)底部中心设置有激光式位移传感器(19)；所述U型支架(4)上端两侧垂直对称设置有第一销轴(15)；所述第一销轴(15)上活动套接有箱体(9)；所述箱体(9)前后两侧为敞口状态；所述箱体(9)与第一销轴(15)两端之间设置有减震弹簧(13)；所述箱体(9)顶端设置有活塞式激振器(25)；所述箱体(9)内水平设置有第一丝杠(22)；所述第一丝杠(22)上设置有两个相互对称的楔块(24)；所述楔块(24)下端接触有上夹板(21)；所述箱体(9)的底盖(7)上设置有下夹板(20)；所述上夹板(21)与下夹板(20)相互配合构成用于夹住薄壁构件(3)的夹具；所述薄壁构件(3)上位于激振源测试装置一端设置有速度传感器(30)和加速度传感器(31)。

进一步的，所述端头夹具包括设置在平台底座(1)上的夹具底座(37)；所述夹具底座(37)上设置有U型夹具背板(34)；所述U型夹具背板(34)中心垂直设置有升降丝杠(33)；所述升降丝杠(33)上螺纹连接升降板(38)；所述夹具背板(34)上端垂直设置有用于顶住升降板(38)的紧固丝杠(32)。

进一步的，所述升降板(38)上均匀设置有上夹紧块(35)，每一个上夹紧块(35)均单独通过螺栓固定在升降板(38)上；所述夹具底座(37)下端均匀设置有与上夹紧块(35)配合的下夹紧块(36)，每一个下夹紧块(36)均单独通过螺栓固定在夹具底座(37)上；所述下夹紧块(36)上端面与激振源测试装置中的下夹板(20)上端面处于同一水平面。

进一步的，所述紧固丝杠(32)对称设置两根。

进一步的，所述平台底座(1)上设置有用于调节激振源测试装置和端头夹具之间间距的长条形T型槽(2)。

进一步的，所述第一销轴(15)上下两端均设置有减震橡胶垫(12)；所述箱体(9)与上下减震橡胶垫(12)之间均设置有减震弹簧(13)。

进一步的，所述箱体(9)内部两侧垂直对称设置有第二销轴(16)；所述上夹板(21)两端套接在第二销轴(16)上；所述第二销轴(16)上位于上夹板(21)与下夹板(20)之间设置有压缩弹簧(8)。

进一步的，所述U型支架(4)底部中心设置有传感器固定架(17)；所述传感器固定架(17)内设置有磁铁(18)；所述激光式位移传感器(19)设置在传感器固定架(17)顶端。

进一步的，所述上夹板(21)上端为等腰梯形形状；所述楔块(24)内侧下端设置有与上夹板(21)上端面配合的斜面。

进一步的，所述活塞式激振器(25)通过节流阀(26)连接气泵。

本发明的有益效果：

1、平台底座上设置有长条形的T型槽，激振源测试装置和端头夹具通过螺栓固定在T型槽上，通过松动螺栓可以调节激振源测试装置和端头夹具之间的间距，可以适应不同长度的薄壁构件的振动测试，提高使用范围。

2、端头夹具上添加的上下夹紧板可以使得端头夹具在竖直方向上夹持不同高度的薄壁构件，并且在不会破坏薄壁类构件的前提下使夹具能够夹持平板式、凹槽式等不同形状的薄壁类构件，提高了夹具的通用性。

3、端头夹具上增加的紧固丝杠与升降丝杠组成三点夹持阵列在提供足够夹持力的前提下大大增强了夹具在工况下稳定性使构件在振动过程中不易松动脱落。

4、端头夹具两侧没有设置挡板，每个上下夹紧块均独立通过螺栓固定，可以根据薄壁构件的形状选择上下夹紧块个数，并且可以对损坏的夹紧块进行更换，所夹持的薄壁构件宽度不受限制，对于少数特殊类型的不规则薄壁构件，只需根据构件尺寸加工相应的上下夹紧块形状就可完成夹持，使用更加灵活方便。

5、本装置选用活塞式激振器，质量轻、在空间任意方向安装使用、在管路上加节流阀可调频、使用方便，只需用一根通气管即可，振动力大。

6、激振源测试装置和端头夹具的组合设计，提供了一种新的工件疲劳测试、裂纹分析和振动时效的实验装置，振幅可调、传感器测量精准极大的增强了实验的灵活性，对以往的时效分析和裂纹分析用的振动平台进行了改进；平台底座上的T型槽可以实现激振源测试装置和端头夹具之间间距的调节，箱体前后两侧为敞口状态，可以实现改变激振源的位置真实反映出工件不同工况下的受力与裂纹分析，所得到的数据和结论更具有说服力和权威性。

7、激振源测试装置与支架间弹簧支撑和隔断的设计，在不影响振幅的前提下避免了激振力对激光测距传感器的测量带来的影响。

8、激振源测试装置箱体内的楔块机构的设计，丝杠的使用使夹具部分具有较大的夹持力且不易松动，机构简单，装夹和卸载便利。

9、激光位移传感器采用强力磁铁吸附的连接方式，在不破坏工件且测量数据精准的前提下实现了快速更换激光位移传感器的功能。

附图说明

图1为一种用于薄壁构件疲劳测试的振动实验平台的侧面剖视结构示意图。

图2为图1中激振源测试装置部分的放大结构示意图。

图3为图1中端头夹具部分的放大结构示意图。

图4为端头夹具部分正面示意图。

图5为激振源测试装置正面剖视示意图。

图6为本设备的数据采集系统示意图。

图7等壁厚对称三口型铝合金薄壁构件剖视图。

图8等壁厚对称三口型铝合金薄壁构件正视图。

图中：1、平台底座；2、T型槽；3、薄壁构件；4、U型支架；7、底盖；8、压缩弹簧；9、箱体；12、减震橡胶垫；13、减震弹簧；15、第一销轴；16、第二销轴；17、传感器固定架；18、磁铁；19、激光式位移传感器；20、下夹板；21、上夹板；22、第一丝杠；23、轴承；24、楔块；25、活塞式激振器；26、节流阀；30、速度传感器；31、加速度传感器；32、紧固丝杠；33、升降丝杠；34、夹具背板；35、上夹紧块；36、下夹紧块；37、夹具底座；38、升降板。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本发明的保护范围有任何的限制作用。

如图1-图6所示，本发明的具体结构为：一种用于薄壁构件疲劳测试的振动实验平台，它包括平台底座1，所述平台底座1上设置有激振源测试装置和用于固定薄壁构件3的端头夹具；所述激振源测试装置包括设置在平台底座1上的U型支架4；所述U型支架4底部中心设置有激光式位移传感器19；所述U型支架4上端两侧垂直对称设置有第一销轴15；所述第一销轴15上活动套接有箱体9；所述箱体9前后两侧为敞口状态；所述箱体9与第一销轴15两端之间设置有减震弹簧13；所述箱体9顶端设置有活塞式激振器25；所述箱体9内水平设置有第一丝杠22；所述第一丝杠22上设置有两个相互对称的楔块24；所述楔块24下端接触有上夹板21；所述箱体9的底盖7上设置有下夹板20；所述上夹板21与下夹板20相互配合构成用于夹住薄壁构件3的夹具；所述薄壁构件3上位于激振源测试装置一端设置有速度传感器30和加速度传感器31。

优选的，所述端头夹具包括设置在平台底座1上的夹具底座37；所述夹具底座37上设置有U型夹具背板34；所述U型夹具背板34中心垂直设置有升降丝杠33；所述升降丝杠33上螺纹连接升降板38；所述夹具背板34上端垂直设置有用于顶住升降板38的紧固丝杠32。

优选的，所述升降板38上均匀设置有上夹紧块35，每一个上夹紧块35均单独通过螺栓固定在升降板38上；所述夹具底座37下端均匀设置有与上夹紧块35配合的下夹紧块36，每一个下夹紧块36均单独通过螺栓固定在夹具底座37上；所述下夹紧块36上端面与激振源测试装置中的下夹板20上端面处于同一水平面。

优选的，所述紧固丝杠32对称设置两根。

优选的，所述平台底座1上设置有用于调节激振源测试装置和端头夹具之间间距的长条形T型槽2。

优选的，所述第一销轴15上下两端均设置有减震橡胶垫12；所述箱体9与上下减震橡胶垫12之间均设置有减震弹簧13。

优选的，所述箱体9内部两侧垂直对称设置有第二销轴16；所述上夹板21两端套接在第二销轴16上；所述第二销轴16上位于上夹板21与下夹板20之间设置有压缩弹簧8。

优选的，所述U型支架4底部中心设置有传感器固定架17；所述传感器固定架17内设置有磁铁18；所述激光式位移传感器19设置在传感器固定架17顶端。

优选的，所述上夹板21上端为等腰梯形形状；所述楔块24内侧下端设置有与上夹板21上端面配合的斜面。

优选的，所述活塞式激振器25通过节流阀26连接气泵。

优选的，第一丝杠22与箱体9之间设置有轴承23。

本发明具体实施例：

激光式位移传感器19采用ZLDS10X激光位移传感器；速度传感器30采用DH601磁电式速度传感器；加速度传感器31采用DH131压电式加速度传感器。

常规实验工况下，激光式位移传感器19由磁铁吸附在激振源夹持部分的支架底部，速度传感器30和加速度传感器31由螺栓固定在靠近激振源的薄壁构件上。各传感器实时测量并将数据输送到动态数据采集系统，进而由该系统通过网线链接PC终端，可在电脑操作系统中实现振动加速度、振动速度、振动位移的测试和分析。还能通过在工件上粘贴金属应变片，完成应力应变的测试和分析，最终完成振动四大要素的实时储存、实时显示和实时分析，其具体数据采集示意图如图6所示。

激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离以达到一定程度的精度。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接收器等部分组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个激光脉冲到检测物并返回至接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回至接收器所需的时间，以此计算出距离值，该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出。

对等壁厚对称三口型铝合金薄壁构件(图7、8所示)进行振动疲劳试验，处理方法如下：

第一步，将薄壁构件3放入到端头夹具内，对应构件凹槽调整上夹紧块35与下夹紧块36的排列位置，旋转升降丝杠33将薄壁构件夹紧，同时旋转紧固丝杠32进行固定。

第二步，将薄壁构件另一端放入到激振源测试装置内的上下夹板之间，根据需要调整薄壁构件夹紧部位，旋转第一丝杠22使上下夹板(21、20)固定住薄壁构件。拧紧U型4与平台底座1上的紧固螺栓3。

第四步，将加有节流阀的通气管道连接气泵和活塞式激振器25。

第五步，将激光式位移传感器19吸附在U型支架4底端调整位置，使光束正对箱体底盖7。将速度传感器30与位移传感器31用螺栓紧固在靠近激振源的薄壁构件上，实现刚性连接。将各传感器导线与动态数据采集系统连接，用网线将动态数据采集系统和PC终端连接，调试各传感器使其正常工作。

第六步，开启气泵，通过PC端数据变化调整节流阀改变振动的频率或者更换不同型号的活塞式激振器25使振动三要素达到预定标准后计时开始。

第七步，记时结束后，取下薄壁构件观察等壁厚非对称三口型铝合金薄壁构件从初始裂纹尺寸扩展到临界裂纹尺寸所经历的时间和临界裂纹尺寸的长度，推算该构件的使用寿命、进行寿命评估。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用于薄壁构件疲劳测试的振动实验平台，它包括平台底座（1），其特征在于，所述平台底座（1）上设置有激振源测试装置和用于固定薄壁构件（3）的端头夹具；所述激振源测试装置包括设置在平台底座（1）上的U型支架（4）；所述U型支架（4）底部中心设置有激光式位移传感器（19）；所述U型支架（4）上端两侧垂直对称设置有第一销轴（15）；所述第一销轴（15）上活动套接有箱体（9）；所述箱体（9）前后两侧为敞口状态；所述箱体（9）与第一销轴（15）两端之间设置有减震弹簧（13）；所述箱体（9）顶端设置有活塞式激振器（25）；所述箱体（9）内水平设置有第一丝杠（22）；所述第一丝杠（22）上设置有两个相互对称的楔块（24）；所述楔块（24）下端接触有上夹板（21）；所述箱体（9）的底盖（7）上设置有下夹板（20）；所述上夹板（21）与下夹板（20）相互配合构成用于夹住薄壁构件（3）的夹具；所述薄壁构件（3）上位于激振源测试装置一端设置有速度传感器（30）和加速度传感器（31）；所述端头夹具包括设置在平台底座（1）上的夹具底座（37）；所述夹具底座（37）上设置有U型夹具背板（34）；所述U型夹具背板（34）中心垂直设置有升降丝杠（33）；所述升降丝杠（33）上螺纹连接升降板（38）；所述夹具背板（34）上端垂直设置有用于顶住升降板（38）的紧固丝杠（32）。

2.根据权利要求1所述的一种用于薄壁构件疲劳测试的振动实验平台，其特征在于，所述升降板（38）上均匀设置有上夹紧块（35），每一个上夹紧块（35）均单独通过螺栓固定在升降板（38）上；所述夹具底座（37）下端均匀设置有与上夹紧块（35）配合的下夹紧块（36），每一个下夹紧块（36）均单独通过螺栓固定在夹具底座（37）上；所述下夹紧块（36）上端面与激振源测试装置中的下夹板（20）上端面处于同一水平面。

3.根据权利要求1所述的一种用于薄壁构件疲劳测试的振动实验平台，其特征在于，所述紧固丝杠（32）对称设置两根。

4.根据权利要求1所述的一种用于薄壁构件疲劳测试的振动实验平台，其特征在于，所述平台底座（1）上设置有用于调节激振源测试装置和端头夹具之间间距的长条形T型槽（2）。

5.根据权利要求1所述的一种用于薄壁构件疲劳测试的振动实验平台，其特征在于，所述第一销轴（15）上下两端均设置有减震橡胶垫（12）；所述箱体（9）与上下减震橡胶垫（12）之间均设置有减震弹簧（13）。

6.根据权利要求1所述的一种用于薄壁构件疲劳测试的振动实验平台，其特征在于，所述箱体（9）内部两侧垂直对称设置有第二销轴（16）；所述上夹板（21）两端套接在第二销轴（16）上；所述第二销轴（16）上位于上夹板（21）与下夹板（20）之间设置有压缩弹簧（8）。

7.根据权利要求1所述的一种用于薄壁构件疲劳测试的振动实验平台，其特征在于，所述U型支架（4）底部中心设置有传感器固定架（17）；所述传感器固定架（17）内设置有磁铁（18）；所述激光式位移传感器（19）设置在传感器固定架（17）顶端。

8.根据权利要求1所述的一种用于薄壁构件疲劳测试的振动实验平台，其特征在于，所述上夹板（21）上端为等腰梯形形状；所述楔块（24）内侧下端设置有与上夹板（21）上端面配合的斜面。

9.根据权利要求1所述的一种用于薄壁构件疲劳测试的振动实验平台，其特征在于，所述活塞式激振器（25）通过节流阀（26）连接气泵。