CN106885746B - 一种用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置，在底座上端面由下至上设置有通过导线与外部控制器系统连接的载荷传感器和用于支撑和定位被测试件的定位机构，底座上端面上位于定位机构的两侧对称且垂直的设置有2个丝杠，底座内设置有同时驱动2个丝杠旋转的电机，丝杠上设置有能够沿丝杠上下移动的横梁，横梁位于定位机构的上方，横梁上设置有动磁式电磁力直线电机，其输出轴贯穿横梁与定位机构的上端为接触连接，动磁式电磁力直线电机的信号输入端通过导线连接外部控制器系统，横梁的下端面设置有数字光栅尺，数字光栅尺的信号输出端通过导线连接外部控制器系统。本发明能实现宽频加载，并能满足大行程特性，还具有响应快、精度高、噪声小等特点。

Description

一种用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置
技术领域
本发明涉及一种橡胶材料疲劳试验装置。特别是涉及一种用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置。
背景技术
橡胶材料因其能承受大应变而不发生永久形变的特性，被广泛运用在轨道交通、汽车工业、航天航空、军用装备等领域。在上述领域中，疲劳失效是橡胶材料制件的主要失效形式。因此，对橡胶疲劳性能的研究近年来引发了大量关注。此外，上述用件在实际工况中，往往受到大变形和高频率的应力作用，而由于疲劳试验装置的限制，国内外针对橡胶材料在大变形和高频率加载条件下疲劳性能的研究非常有限。因此，针对橡胶材料疲劳性能并具有宽频响大行程特性的实验装置急需开发。
目前，大部分橡胶材料疲劳试验依旧应用传统的电液伺服疲劳试验机或机械式的电子万能疲劳试验机。这两种形式的试验机虽然能满足橡胶材料试验大行程的要求，但受到作动原理的限制，均不具备高频加载的特点。另外，电液伺服疲劳试验机存在能耗大、运行噪声大、维护成本高等缺点，而机械式疲劳试验机也有动态响应差等问题。另一方面，动磁式电磁力直线试验机因其输出平稳、响应速度快、加速度大、比推力大、方便、可靠性高等特点，在近年来有逐渐成为主流疲劳试验机的趋势。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能实现宽频加载，并能满足大行程特性的用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置。
本发明所采用的技术方案是：一种用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置，包括底座，所述的底座上端面的中部由下至上依次设置有通过导线与外部控制器系统连接的载荷传感器和用于支撑和定位被测试件的定位机构，所述的底座上端面上位于所述定位机构的两侧对称且垂直的设置有2个丝杠，所述的底座内设置有能够同时驱动2个丝杠旋转的电机，所述2个丝杠上设置有在丝杠旋转时能够沿所述丝杠上下移动的横梁，所述的横梁位于定位机构的上方，所述的横梁上设置有用于对所述的定位机构施加拉压力的动磁式电磁力直线电机，所述动磁式电磁力直线电机的输出轴贯穿所述横梁与所述的定位机构的上端为接触连接，所述动磁式电磁力直线电机的信号输入端通过导线连接外部控制器系统，所述横梁的下端面设置有用于对所述动磁式电磁力直线电机输出轴的位移进行测量的数字光栅尺，所述数字光栅尺的信号输出端通过导线连接外部控制器系统。
所述的定位机构包括有由下至上依次设置在所述载荷传感器上的支撑件，用于定位被测试件底端的下夹具，以及用于定位被测试件上端的上夹具，所述上夹具与所述动磁式电磁力直线电机的输出轴接触连接。
所述的动磁式电磁力直线电机的外壳上设置有用于收拢载荷传感器、动磁式电磁力直线电机和数字光栅尺与外部控制器系统相连的导线通道。
所述的2个丝杠上分别设置有与所述丝杠螺纹连接的滑块，所述的横梁的两端分别固定连接在两个所述的滑块上。
所述的2个丝杠均分别设置有用于限制横梁上升高度的上限位挡(14)，用于限制横梁下降高度的下限位挡。
所述的动磁式电磁力直线电机包括有固定在所述横梁上端面上的外壳，所述的外壳内侧分别设置有：对称设置且下端固定在所述横梁上端面上的左框架和右框架，设置在所述左框架和右框架之间的E形结构的第一铁芯和第二铁芯，所述E形结构的第一铁芯和第二铁芯的开口端的两个侧边对接连接，其中，第一铁芯的中间部分套有第一线圈，第二铁芯的中间部分套有第二线圈，相连接的第一铁芯和第二铁芯的中间部分形成有间隙，所述的间隙内设置有在第一线圈和第二线圈的作用下能够在所述的间隙内上下移动的永磁体机构，所述永磁体机构的上端固定连接有用于限制永磁体机构直线位移的上导向机构，所述永磁体机构的下端固定连接有用于限制永磁体机构直线位移的下导向机构，所述下导向机构的输出构成动磁式电磁力直线电机的输出轴贯穿所述横梁与定位机构中的上夹具为接触连接。
所述的永磁体机构包括有：永磁体框架以及设置在永磁体框架内的S极磁铁和N极磁铁。
所述的上导向机构包括有：两侧分别对应固定连接在所述左框架和右框架上的Π形框架，固定设置在所述Π形框架水平端面上端的上直线轴承，以及T形上轴，所述T形上轴的水平部分构成上连接法兰与永磁体机构中的永磁体框架的上端固定连接，所述T形上轴的垂直部分构成上轴依次贯穿所述Π形框架的水平端面和所述的上直线轴承，所述的T形上轴的垂直部分在位于Π形框架水平端面下面的部分上套有上弹簧。
所述的下导向机构包括有两侧分别对应固定连接在所述左框架和右框架上的倒Π形框架，固定设置在所述倒Π形框架水平端面下端的下直线轴承，以及T形下轴，所述T形下轴的水平部分构成下连接法兰与永磁体机构中的永磁体框架的下端固定连接，所述T形下轴的垂直部分构成输出轴依次贯穿所述倒Π形框架的水平端面、所述的下直线轴承以及所述的横梁与定位机构中的上夹具为接触连接，所述的T形下轴的垂直部分在位于倒Π形框架水平端面上面的部分上套有下弹簧。
本发明的一种用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置，能实现宽频加载，并能满足大行程特性，还具有响应快、精度高、噪声小等特点。能够实现对橡胶材料在大变形和高频率加载条件下疲劳性能的研究。本发明由动磁式电磁力直线电机为作动器，可实现宽频响、大行程作动输出。试验装置频率范围可达0-200Hz，最大行程可达50mm，最大输出载荷为1000N。通过载荷传感器及电机内部安装的光栅尺可将采集到的实时载荷及位移数据精确地输出给试验装置的控制器，并由上位机对采集到的数据实时显示、控制和存储，从而实现高精度的闭环控制。另外，装置自带温度保护，作动器内部装有温度传感器，能够将采集到的温度信号实时反馈给控制器。当作动器内温度超过限定温度时，则会触发温度保护装置，电机自动停止运行。应用自主开发的疲劳测试试验软件，可实现对控制方式、波形、试验条件等的自定义设置，能够满足橡胶材料在高频率、大变形条件下的拉伸、压缩、拉压交变载荷的疲劳试验，也可实现蠕变、预制裂纹、裂纹扩展等试验。由于动磁式电磁力直线电机的电磁力是由非接触的励磁线圈和永磁体相互作用产生，因此整体实验装置可以达到低噪音甚至无噪音。
附图说明
图1是本发明用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置的整体结构示意图；
图2是本发明动磁式电磁力直线电机的整体结构示意图；
图3是本发明动磁式电磁力直线电机的内部结构示意图；
图4是本发明动磁式电磁力直线电机中铁芯、线圈和永磁体机构结合的结构示意俯视图；
图5是图4中永磁体机构的结构示意图；
图6是采用本发明装置的疲劳试验控制系统的整体结构示意图。
图中
1：导线通道 2：动磁式电磁力直线电机
21：外壳 22：左框架
23：右框架 24：第一铁芯
25：第二铁芯 26：第一线圈
27：第二线圈 28：永磁体机构
281：永磁体框架 282：S极磁铁
283：N极磁铁 29：上导向机构
291：Π形框架 292：上直线轴承
293：T形上轴 294：上弹簧
210：下导向机构 2101：倒Π形框架
2102：下直线轴承 2103：T形下轴
2104：输出轴 2105：下弹簧
3：数字光栅尺 4：丝杠
5：横梁 6：支撑件
7：上夹具 8：被测试件
9：下夹具 10：载荷传感器
11：底座 12：下限位挡
13：滑块 14：上限位挡
1001：用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置
1002：控制器 10021：数字信号采集器
10022：AD转换器 10023：运动控制模块
10024：DA转换器 1003：上位机
1004：功率放大器
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置做出详细说明。
本发明的一种用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置，采用动磁式电磁力直线电机作为作动器。该电机是以永磁体为动子，励磁线圈及铁芯为定子，通过改变励磁线圈中电流的大小和方向，从而改变由定子部分产生的磁场场强及方向，进而使置于该磁场中的永磁铁受到不同大小和方向力的作用而运动，并带动与之连接的输出轴运动，最终实现该电机的直线往复作动形式。在理论上，动磁式直线电机输出的电磁力和励磁线圈中输入的电流成正比，并且电流方向及变化频率决定着电机作动的方向和频率。另外，由于动磁式直线电机的电磁力是由非接触的励磁线圈和永磁体相互作用产生，因此整体实验装置可以达到低噪音甚至无噪音。
区别于传统的电机，该电机的动子采用上下弹簧悬挂支撑系统来实现动子部分在气隙中的限位。动子的直线位移导向由上下两个直线轴承实现，也可采用空气轴承，以进一步减小摩擦阻力从而实现实验装置的更高频响应。
如图1、图2、图3所示，本发明的一种用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置，包括底座11，所述的底座11上端面的中部由下至上依次设置有通过导线与外部控制器系统连接的载荷传感器10和用于支撑和定位被测试件8的定位机构，所述的底座11上端面上位于所述定位机构的两侧对称且垂直的设置有2个丝杠4，所述的底座11内设置有能够同时驱动2个丝杠4旋转的电机(图中未示出)，所述2个丝杠4上设置有在丝杠4旋转时能够沿所述丝杠4上下移动的横梁5，所述的2个丝杠4上分别设置有与所述丝杠4螺纹连接的滑块13，所述的横梁5的两端分别固定连接在两个所述的滑块13上。所述的2个丝杠4均分别设置有用于限制横梁5上升高度的上限位挡14，用于限制横梁5下降高度的下限位挡12。
所述的横梁5位于定位机构的上方，所述的横梁5上设置有用于对所述的定位机构施加拉压力的动磁式电磁力直线电机2，所述动磁式电磁力直线电机2的输出轴贯穿所述横梁5与所述的定位机构的上端为接触连接，所述动磁式电磁力直线电机2的信号输入端通过导线连接外部控制器系统，所述横梁5的下端面设置有用于对所述动磁式电磁力直线电机2输出轴的位移进行测量的数字光栅尺3，所述数字光栅尺3的信号输出端通过导线连接外部控制器系统。
所述的动磁式电磁力直线电机2的外壳上设置有用于收拢载荷传感器10、动磁式电磁力直线电机2和数字光栅尺3与外部控制器系统相连的导线通道1。
所述的定位机构包括有由下至上依次设置在所述载荷传感器10上的支撑件6，用于定位被测试件8底端的下夹具9，以及用于定位被测试件8上端的上夹具7，所述上夹具7与所述动磁式电磁力直线电机2的输出轴接触连接。
如图2、图3、图4所示，所述的动磁式电磁力直线电机2包括有固定在所述横梁5上端面上的外壳21，所述的外壳21内侧分别设置有：对称设置且下端固定在所述横梁5上端面上的左框架22和右框架23，设置在所述左框架22和右框架23之间的E形结构的第一铁芯24和第二铁芯25，所述E形结构的第一铁芯24和第二铁芯25的开口端的两个侧边对接连接，其中，第一铁芯24的中间部分套有第一线圈26，第二铁芯25的中间部分套有第二线圈27，相连接的第一铁芯24和第二铁芯25的中间部分形成有间隙，所述的间隙内设置有在第一线圈26和第二线圈27的作用下能够在所述的间隙内上下移动的永磁体机构28，所述永磁体机构28的上端固定连接有用于限制永磁体机构28直线位移的上导向机构29，所述永磁体机构28的下端固定连接有用于限制永磁体机构28直线位移的下导向机构210，所述下导向机构的输出构成动磁式电磁力直线电机2的输出轴贯穿所述横梁5与定位机构中的上夹具7为接触连接。
如图5所示，所述的永磁体机构28包括有：永磁体框架281以及设置在永磁体框架281内的S极磁铁282和N极磁铁283。
如图2所示，所述的上导向机构29包括有：两侧分别对应固定连接在所述左框架22和右框架23上的Π形框架291，固定设置在所述Π形框架291水平端面上端的上直线轴承292，以及T形上轴293，所述T形上轴293的水平部分构成上连接法兰与永磁体机构28中的永磁体框架281的上端固定连接，所述T形上轴293的垂直部分构成上轴依次贯穿所述Π形框架291的水平端面和所述的上直线轴承292，所述的T形上轴293的垂直部分在位于Π形框架291水平端面下面的部分上套有上弹簧294。
如图2所示，所述的下导向机构210包括有两侧分别对应固定连接在所述左框架22和右框架23上的倒Π形框架2101，固定设置在所述倒Π形框架2101水平端面下端的下直线轴承2102，以及T形下轴2103，所述T形下轴2103的水平部分构成下连接法兰与永磁体机构28中的永磁体框架281的下端固定连接，所述T形下轴2103的垂直部分构成输出轴2104依次贯穿所述倒Π形框架2101的水平端面、所述的下直线轴承2102以及所述的横梁5与定位机构中的上夹具7为接触连接，所述的T形下轴2103的垂直部分在位于倒Π形框架2101水平端面上面的部分上套有下弹簧2105。
本发明中通过上下上弹簧和下弹簧悬挂支撑，使构成动子的永磁体机构的位移被限制在Π形框架和倒Π形框架之间，从而保证动子的安全往复运作。上直线轴承和下直线轴承导向保证了动子的直线位移，从而保证构成永磁体的S极磁铁和N极磁铁在间隙中不与两侧线圈端面发生接触和摩擦。在动子往复运动的过程中，弹簧往复形变并产生一定的回弹力，使得整个运动过程中不存在机械摩擦，从而大大减小了动子在运动过程中所受的阻尼，使动磁式电磁力直线电机的响应速率保持在一个较高水平。由于没有摩擦存在，动磁式电磁力直线电机的响应曲线也能达到很高的精度。
如图6所示，采用本发明的用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置的疲劳试验控制系统，包括有用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置1001，分别连接所述用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置1001信号输出端和信号输入端的控制器1002，所述控制器1002还通过外部总线USB连接上位机1003，实现数据与命令的双向传送；其中，所述的控制器1002包括有：数字信号采集器10021、AD转换器10022、对实时采集的任一数字信号或模拟信号进行高速PID运算后输出数字控制量的运动控制模块10023和DA转换器10024，所述数字信号采集器10021的信号输入端连接用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置1001中的位移信号输出端，所述AD转换器10022的信号输入端连接用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置1001中的载荷信号输出端，所述数字信号采集器10021和AD转换器10022的信号输出端分别连接所述运动控制模块10023的信号输入端，所述运动控制模块1023的信号输出入端通过所述的DA转换器1024连接外部的功率放大器1004的信号输入端，所述功率放大器1004的信号输出端连接所述用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置1001中的动磁式电磁力直线电机2的驱动信号输入端。
对被测试件施加的载荷通过载荷传感器进行测量，其大小由控制器的AD转换模块进行采集。采用数字光栅尺对动磁式电磁力直线电机输出轴的位移进行测量，通过控制器的数字信号采集模块进行计数采集。控制器还包括先进的运动控制模块，对实时采集的任一数字或模块信号进行高速PID运算，输出数字控制量。通过DA转换器，将运动控制输出的数字量转换为模拟控制量。将该模拟控制量输入功率放大器，可驱动动磁式直线电机在高电压、大电流下高速动作。
试验前，先打开疲劳测试试验软件，选择试验模式(单轴拉伸/压缩、单轴疲劳、蠕变、多步加载)，再打开电源，利用电机的伺服功能进行位移伺服控制。根据试件尺寸和试验方案，控制用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置中的横梁升降，初步确定试验操作空间。根据试验条件选择相应夹具，将被测试件夹持在上夹具中，检查载荷是否置零。然后，通过横梁升降调节或电机位移伺服功能，将被测试件放入下夹具中并夹紧。锁紧横梁，将动磁式电磁力直线电机转换为载荷伺服状态并将载荷与位移分别清零。在上位机的疲劳测试软件中输入相应试验条件，如控制方式、波形、均值、幅值、频率、结束条件等，设置好保护参数和数据存储方式后即可开始试验。试验过程中，由上位机产生的命令信号经控制器转化为运动控制数字信号，按照试验设定的控制方式及运动轨迹进行高速PID闭环控制。试验结束后，首先关闭电机伺服控制，再依次松开下夹具，松开横梁，将横梁升起后，松开上夹具并取出试样。最后关闭疲劳试验装置并关闭试验软件。

Claims (7)

1.一种用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置，包括底座（11），其特征在于，所述的底座（11）上端面的中部由下至上依次设置有通过导线与外部控制器系统连接的载荷传感器（10）和用于支撑和定位被测试件（8）的定位机构，所述的底座（11）上端面上位于所述定位机构的两侧对称且垂直的设置有2个丝杠（4），所述的底座（11）内设置有能够同时驱动2个丝杠（4）旋转的电机，所述2个丝杠（4）上设置有在丝杠（4）旋转时能够沿所述丝杠（4）上下移动的横梁（5），所述的横梁（5）位于定位机构的上方，所述的横梁（5）上设置有用于对所述的定位机构施加拉压力的动磁式电磁力直线电机（2），所述动磁式电磁力直线电机（2）的输出轴贯穿所述横梁（5）与所述的定位机构的上端为接触连接，所述动磁式电磁力直线电机（2）的信号输入端通过导线连接外部控制器系统，所述横梁（5）的下端面设置有用于对所述动磁式电磁力直线电机（2）输出轴的位移进行测量的数字光栅尺（3），所述数字光栅尺（3）的信号输出端通过导线连接外部控制器系统；
所述的定位机构包括有由下至上依次设置在所述载荷传感器（10）上的支撑件（6），用于定位被测试件（8）底端的下夹具（9），以及用于定位被测试件（8）上端的上夹具（7），所述上夹具（7）与所述动磁式电磁力直线电机（2）的输出轴接触连接；
所述的动磁式电磁力直线电机（2）包括有固定在所述横梁（5）上端面上的外壳（21），所述的外壳（21）内侧分别设置有：对称设置且下端固定在所述横梁（5）上端面上的左框架（22）和右框架（23），设置在所述左框架（22）和右框架（23）之间的E形结构的第一铁芯（24）和第二铁芯（25），所述E形结构的第一铁芯（24）和第二铁芯（25）的开口端的两个侧边对接连接，其中，第一铁芯（24）的中间部分套有第一线圈（26），第二铁芯（25）的中间部分套有第二线圈（27），相连接的第一铁芯（24）和第二铁芯（25）的中间部分形成有间隙，所述的间隙内设置有在第一线圈（26）和第二线圈（27）的作用下能够在所述的间隙内上下移动的永磁体机构（28），所述永磁体机构（28）的上端固定连接有用于限制永磁体机构（28）直线位移的上导向机构（29），所述永磁体机构（28）的下端固定连接有用于限制永磁体机构（28）直线位移的下导向机构（210），所述下导向机构的输出构成动磁式电磁力直线电机（2）的输出轴贯穿所述横梁（5）与定位机构中的上夹具（7）为接触连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置，其特征在于，所述的动磁式电磁力直线电机（2）的外壳上设置有用于收拢载荷传感器（10）、动磁式电磁力直线电机（2）和数字光栅尺（3）与外部控制器系统相连的导线通道（1）。
3.根据权利要求1所述的一种用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置，其特征在于，所述的2个丝杠（4）上分别设置有与所述丝杠（4）螺纹连接的滑块（13），所述的横梁（5）的两端分别固定连接在两个所述的滑块（13）上。
4.根据权利要求1所述的一种用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置，其特征在于，所述的2个丝杠（4）均分别设置有用于限制横梁（5）上升高度的上限位挡（14），用于限制横梁（5）下降高度的下限位挡（12）。
5.根据权利要求1所述的一种用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置，其特征在于，所述的永磁体机构（28）包括有：永磁体框架（281）以及设置在永磁体框架（281）内的S极磁铁（282）和N极磁铁（283）。
6.根据权利要求1所述的一种用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置，其特征在于，所述的上导向机构（29）包括有：两侧分别对应固定连接在所述左框架（22）和右框架（23）上的Π形框架（291），固定设置在所述Π形框架（291）水平端面上端的上直线轴承（292），以及T形上轴（293），所述T形上轴（293）的水平部分构成上连接法兰与永磁体机构（28）中的永磁体框架（281）的上端固定连接，所述T形上轴（293）的垂直部分构成上轴依次贯穿所述Π形框架（291）的水平端面和所述的上直线轴承（292），所述的T形上轴（293）的垂直部分在位于Π形框架（291）水平端面下面的部分上套有上弹簧（294）。
7.根据权利要求1所述的一种用于橡胶疲劳性能测试的宽频响大行程实验装置，其特征在于，所述的下导向机构（210）包括有两侧分别对应固定连接在所述左框架（22）和右框架（23）上的倒Π形框架（2101），固定设置在所述倒Π形框架（2101）水平端面下端的下直线轴承（2102），以及T形下轴（2103），所述T形下轴（2103）的水平部分构成下连接法兰与永磁体机构（28）中的永磁体框架（281）的下端固定连接，所述T形下轴（2103）的垂直部分构成输出轴（2104）依次贯穿所述倒Π形框架（2101）的水平端面、所述的下直线轴承（2102）以及所述的横梁（5）与定位机构中的上夹具（7）为接触连接，所述的T形下轴（2103）的垂直部分在位于倒Π形框架（2101）水平端面上面的部分上套有下弹簧（2105）。
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