CN108414170B - 一种大尺寸轴形零件弯扭同步加载条件下刚度测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种大尺寸轴形零件弯扭同步加载条件下刚度测量装置，属于机械设备技术领域。所述装置包括底座、方钢管、T型梁，扭矩加载臂和弯矩加载臂等部件，可应用于大尺寸轴形零件的刚度测量和薄壁管件、异形零件的刚度测量领域中。可同时同步施加弯矩和扭矩载荷，能提高零件在扭矩作用下弯曲刚度测量的准确性、以及弯矩作用下扭转刚度测量的准确性。

Description

一种大尺寸轴形零件弯扭同步加载条件下刚度测量装置

技术领域

本发明涉及一种大尺寸轴形零件弯扭同步加载条件下刚度测量装置，属于机械设备技术领域。

背景技术

弯曲和扭转的组合载荷是航空航天、桥梁建筑、石油化工、工程机械等领域最常见的零件或构件受载情况。服役条件下的材料、构件一旦失效，将造成极大的危害。这种在扭转、弯曲负载作用下的材料性能的预测不能单取决于其单一扭转或者弯曲负载作用下的性能测试，而更需要测试其在弯曲和扭转交互作用条件下的性能。

通过对现有技术文献进行检索发现，目前对复杂服役条件下零件及构件的刚度测试仍以单一扭转及单一弯曲载荷条件下的测试为主。如专利“一种扭转刚度测试装置”(申请号：201310704987.0)及专利“一种弯刚度测试装置”(申请号：201310442767.5)分别提出构件在单一扭转及弯曲载荷下刚度的测试方法。专利“一种绝缘子弯扭复合试验机”(申请号：201710307025.X)提出了绝缘子在弯曲及扭转载荷服役条件下机械性能的测试方法，但无法实现弯矩和扭矩同时施加，且保证弯扭之间的互不干涉。因此，对弯曲刚度及扭转刚度的测试均在单一载荷条件下进行，并未能实现扭转及弯曲的同步加载。上述表明，传统的可测试静态扭转和弯曲载荷下材料扭转/弯曲刚度的设备无法实现弯矩、扭矩的同步联合加载，或当弯矩和扭矩同时施加时易发生干涉从而影响测试结果的可靠性，进而无法对大尺寸轴形零件的刚度进行准确测量。

发明内容

本发明为了解决现有技术中刚度测量装置不能联合施加弯曲载荷及扭转载荷，无法实现大尺寸轴形零件在弯扭联合负载条件下的刚度测量的问题，提出了一种大尺寸轴形零件弯扭同步加载条件下刚度测量装置，所采取的技术方案如下：

一种大尺寸轴形零件弯扭同步加载条件下刚度测量装置，所述装置包括底座1；所述底座1上表面上固定安装有方钢管固定支座一2、方钢管固定支座二33和方钢管固定支座三34；所述方钢管固定支座一2、方钢管固定支座二33、方钢管固定支座三34上分别对应固定安装有方钢管一5、方钢管二30和方钢管三37；所述方钢管二30和方钢管三37的顶端安装有横梁19，所述方钢管一5的顶端与T型梁13横臂的一端固定相连；所述T型梁13横臂的另一端固定安装于横梁19侧壁；所述横梁19中间安装有轴承二23；所述轴承二23安装有扭矩加载连接件25；所述T型梁13竖臂的底端固定安装有弯矩加载连接件10；所述弯矩加载连接件10上安装有弯矩加载臂18；所述扭矩加载连接件25顶端安装有可扭转的轴对称扭矩加载臂42；所述扭矩加载连接件25的底端设有加载法兰26；所述底座1上表面上还设有固定法兰17；所述固定法兰17的位置与所述加载法兰26对应。

进一步地，所述扭矩加载连接件25包括柱状部件和n型部件；所述柱状部件设置于n型部件的上部；所述柱状部件通过轴承二23固定安装于横梁19，所述横梁19平行于底座1。

进一步地，在横梁19与扭矩加载臂42之间的所述柱状部件外侧设有支撑环二24，用于支撑扭矩加载臂42。

进一步地，所述加载法兰26的侧表面设有四曲面凸起；所述四曲面凸起卡嵌于所述n型部件的凹槽内用以实现所述扭矩加载连接件25与加载法兰26的连接。

进一步地，所述弯矩加载连接件10包括柱柄体；所述柱柄体通过轴承一11被夹持于T型梁13的竖臂底端；所述柱柄体垂直于所述T型梁13的竖臂，并且柱柄体面向加载法兰26的一端安装有固定卡件，所述固定卡件卡合于所述加载法兰26的法兰外沿；所述柱柄体的另一端设有螺母一9，并通过螺母一9固定于所述T型梁13的竖臂。

进一步地，在位于螺母一9和轴承一11之间的柱柄体上设有支撑环一8。

进一步地，所述横梁19上设有位移传感器一21和位移传感器二27；所述位移传感器一21和位移传感器二27与横梁19垂直；所述位移传感器一21和位移传感器二27的位移感应端分别安装于测点安装平面一20和测点安装平面二28上；所述测点安装平面一20和测点安装平面二28固定安装于加载法兰26的法兰外沿上。

进一步地，所述测点安装平面一20和测点安装平面二28均采用L型三面片体结构；L型三面片体结构由水平的横臂与垂直的竖壁形成的L型片体以及在所述L型片体的L型截面方向固定焊接的侧壁构成。

L型三面片体结构所述L型三面片体结构与所述加载法兰26的法兰沿体相配合；所述位移传感器一21和位移传感器二27分别安装于L型三面片体结构所述L型三面片体结构的横壁(所述横壁指L型三面片体结构的水平面方向的支臂)上；所述测点安装平面二28的L型三面片体结构的侧壁上固定安装有位移传感器三29；所述位移传感器三29平行于加载法兰26的法兰平面。

进一步地，所述测点安装平面一20和测点安装平面二28的竖壁面上分别安装有位移传感器四40和位移传感器五41；所述位移传感器四40和位移传感器五41平行于加载法兰26的法兰平面并垂直于所述横梁19。

本发明有益效果：

本发明提出的所述刚度测量装置能够实现对单个长度或组合长度大于1.8米的大尺寸轴形零件弯矩及扭矩同时同步加载，通过布置在零件周围的位移传感器测量在弯扭联合加载条件下零件的形变位移并计算出零件的弯曲刚度及扭转刚度。

零件通过固定法兰固定在底座上，零件另一端安装加载法兰。通过在零件周围安装单向约束方钢管，构成可单向自由变形的平行四边形结构的测量装置，保证加载过程中零件不受装置约束。在平行四边形的上边设置弯矩加载臂以及扭矩加载臂，实现对零件弯矩及扭矩的加载。在装置两侧支架上安装位移传感器，对加载过程中零件的微形变位移进行测量。

测量过程中，通过弯矩加载臂及扭矩加载臂实现对零件的同步梯度加载。通过载荷以及位移数据计算零件的弯曲刚度及扭转刚度。

本发明提出的刚度测量装置通过采用上述四边形结构的设计实现了在同时施加弯矩及扭矩条件下对轴形零件的刚度测量，并保证轴形零件在弹性变形过程中不受限制；

本发明提出的刚度测量装置，通过带有四曲面凸起的加载法兰及配套连接件机构的结构配合解决了弯扭联合加载条件由零件微形变导致的弯矩及扭矩加载相互干涉的问题，实现了弯扭同步联合加载过程中弯矩及扭矩同步互不干涉的效果。进而可实现零件在扭转(弯曲)条件下弯曲(扭转)刚度的测试(模拟实际工况)，减少了扭矩(弯矩)加载对零件弯曲(扭转)刚度测试过程中挠度的影响，因此对一些施加工况为弯矩和扭矩同时施加的零件，可提高零件在扭矩(弯矩)作用下弯曲(扭转)刚度测量的准确性，从而使得在弯矩和扭矩同时施加情况下测量准确的弯曲刚度和扭转刚度成为可能。

同时，本发明提出的刚度测量装置该装置可扩展到其他薄壁管件及异形零件刚度的测量，具有很强的实用性和广泛的应用范围。

附图说明

图1为本发明所述刚度测量装置的主视图。

图2为本发明所述刚度测量装置的左视图。

图3为本发明所述刚度测量装置的俯视图。

图4为本发明所述刚度测量装置的位移传感器安装位置示意图。

图5为本发明所述刚度测量装置的弯扭组合加载试验过程中弯矩和扭矩加载原理示意图。

(1，底座；2，方钢管固定支座一；3，螺栓一；4，销钉；5，方钢管一；6，螺栓二；7，轴承端盖一；8，支撑环一；9，螺母一；10，弯矩加载连接件；11，轴承一；12，螺母二；13，T型梁；14，螺栓三；15，螺栓四；16，被测轴形零件；17，固定法兰；18，弯矩加载臂；19，横梁；20，测点安装平面一；21，位移传感器一；22，轴承端盖二；23，轴承二；24，支撑环二；25，扭矩加载连接件；26，加载法兰；27，位移传感器二；28，测点安装平面二；29，位移传感器三；30，方钢管二；31，销钉二；32，螺栓五；33，方钢管固定支座二；34，方钢管固定支座三；35，螺栓六；36，销钉三；37，方钢管三；38，销钉四；37，方钢管三；38，销钉四；39，螺栓七；40，位移传感器四；41，位移传感器五；42，轴对称扭矩加载臂；43，销钉五；44，螺母三)

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但本发明不受实施例的限制。

实施例1：

一种大尺寸轴形零件弯扭同步加载条件下刚度测量装置，如图1至图3所示，所述装置包括底座1；所述底座1上表面上固定安装有方钢管固定支座一2、二33、三34；所述方钢管固定支座一2、二33、三34上通过螺栓一3、五32、六35和销钉一4、二31、三36固定安装有方钢管一5、二30、三37；所述方钢管一5的顶端通过螺母二12与T型梁13横臂的一端固定相连；所述T型梁13横臂的另一端固定安装于横梁19侧壁；所述横梁19中间安装有轴承二23；所述轴承二23安装有扭矩加载连接件25；所述T型梁13竖臂的底端固定安装有弯矩加载连接件10；所述弯矩加载连接件10上安装有弯矩加载臂18；所述扭矩加载连接件25顶端安装有可扭转的轴对称扭矩加载臂42；所述扭矩加载连接件25的底端设有加载法兰26；所述底座1上表面上还设有固定法兰17；所述固定法兰17的位置与所述加载法兰26对应，在所述加载法兰26与所述固定法兰17之间通过螺栓四15固定安装有被测轴形零件16。其中，所述被测轴形零件16要垂直于底座1。

所述扭矩加载连接件25包括柱状部件和n型部件；所述柱状部件设置于n型部件的上部；所述柱状部件的侧壁上通过轴承二23固定安装于横梁19，所述横梁19平行于底座1。所述横梁19的左右两端分别固定安装有垂直于底座1的方钢管二30和方钢管三37；所述方钢管二30和方钢管三37分别通过方钢管固定支座二33和方钢管固定支座三34固定安装于底座1上。在横梁19与扭矩加载臂42之间的所述柱状部件外侧设有支撑环二24，用于支撑扭矩加载臂42。

所述加载法兰26的侧表面设有四曲面凸起；所述四曲面凸起卡嵌于所述n型部件的凹槽内用以实现所述扭矩加载连接件25与加载法兰26的连接。

加载法兰下方接口尺寸可依据待测零件尺寸进行设计；加载法兰上侧的凸起为四曲面形状，与扭矩加载连接件相配合，两者可沿轴向自由串动。四曲面加载法兰与配套的连接件之间为线接触，加载法兰上侧的凸起的四曲面形状确保两者在保证良好接触情况下可在扭矩施加的水平面内、以及弯矩施加的竖直面内、在一定角度范围内自由摆动；在水平面内施加扭矩时，由于四曲面形状与加载连接件n形部件的切点所在的平面始终保持水平状态，扭矩的加载不受零件上施加的弯矩的影响，因此在竖直面内不会产生附加弯矩、扭矩与弯矩互不干涉；同样，在竖直面内施加弯矩时，法兰盘倾斜导致凸起的四曲面形状仅在竖直面内转动，因此在水平面内也不会产生扭矩。这样，通过凸起的四曲面形状加载装置，实现了水平和竖直面内的摆动互不干涉、即弯矩和扭矩可以同时施加且互不干涉。当弯矩同步加载时，由于零件发生形变而导致扭矩加载臂与零件不同轴。所述加载法兰与T型梁形成的结构可在一定弯曲角度范围内有效传递扭矩，实现扭矩及弯矩的同步互补干涉加载。

所述弯矩加载连接件10包括柱柄体；所述柱柄体通过轴承一11被夹持于T型梁13的竖臂底端，在轴承一11上配合有轴承端盖一7；所述柱柄体垂直于所述T型梁13的竖臂，并且柱柄体面向加载法兰26的一端安装有固定卡件，所述固定卡件卡合于所述加载法兰26的法兰外沿；所述柱柄体的另一端设有螺母一9，并通过螺母一9固定于所述T型梁13的竖臂。在位于螺母一9和轴承一11之间的柱柄体上设有支撑环一8，用于压紧压紧固定轴承一11

所述刚度测量装置上还包括五个位移传感器，位移传感器的安装位置如图1、图3和图4所示，所述横梁19上设有位移传感器一21和位移传感器二27；所述位移传感器一21和位移传感器二27与横梁19垂直；所述有位移传感器一21和位移传感器二27的位移感应端分别安装于测点安装平面一20和测点安装平面二28上；所述测点安装平面一20和测点安装平面二28固定安装于加载法兰26的法兰外沿上。所述测点安装平面一20和测点安装平面二28均采用L型三面片体结构；L型三面片体结构所述L型三面片体结构与所述加载法兰26的法兰沿体相配合；所述位移传感器一21和位移传感器二27分别安装于L型三面片体结构所述L型三面片体结构的横壁上；所述测点安装平面二28的L型三面片体结构的侧壁上固定安装有位移传感器三29；所述位移传感器三29平行于加载法兰26的法兰平面。所述测点安装平面一20和测点安装平面二28的竖壁上分别安装有位移传感器四40和位移传感器五41；所述位移传感器四40和位移传感器五41平行于加载法兰26的法兰平面并垂直于所述横梁19。

本发明所述刚度测量装置的测量原理如图5所示，左侧为通过加载砝码G施加弯矩载荷的原理图，右侧为通过在扭矩加载臂上施加加载砝码F施加扭矩载荷的原理图。

如图5所示为轴形被测零件弯扭组合加载试验过程中弯矩和扭矩加载原理示意图。在试验过程中，扭矩加载砝码重力F依靠软性钢丝绳和滑轮施加于总长为L_d的轴对称扭矩加载臂的两端，产生的扭矩(M_T＝F·L_d)经扭矩加载连接件和加载法兰施加于轴形被测零件。弯矩加载砝码的重力G依靠软性钢丝绳加载于总长为L_w的弯矩加载臂末端，弯矩(M_B＝G·L_w)施加于加载法兰，即在轴形被测零件上施加纯弯矩M_B。试验过程中弯矩和扭矩砝码交替或同时添加，实现弯扭载荷的同步加载。

具体测量过程如下：

步骤一：安装位移传感器

轴形被测零件弯曲刚度与扭转刚度主要通过检测弯矩和扭矩施加过程中轴形被测零件上端法兰盘扭转的角度(通过位移传感器四40、位移传感器五41的数据及加载法兰26的直径计算得到)和弯曲的角度(通过位移传感器一27、位移传感器二27及加载法兰26的直径计算得到)来获得，另外也可以通过位移传感器三29的挠度的检测来计算弯曲刚度。因此，通过在法兰盘和臂杆连接件附近安装位移传感器(传感器量程50mm，精确到0.001mm)的方式来获得加载过程中轴形被测零件扭转/弯曲导致的相应位置的位移变化，具体安装位移传感器的位置如图4所示，箭头方向为位移传感器一27、位移传感器二27安装方向，这两个传感器用于测量加载法兰26相对于水平面倾斜的位移从而计算弯曲角度；位移传感器四40、位移传感器五41用于测量加载法兰26的扭转位移从而计算扭转角度；位移传感器三29用于测量加载法兰26的横向位移。

步骤二：数据采集

试验过程弯扭同时加载，同时监测5个位移传感器的数据。位移数据通过多通道数据采集器及相应软件采集。

本发明提出的所述刚度测量装置能够实现对被测零件的弯扭联合加载，并实现对大尺寸轴形零件弯矩及扭矩同时同步加载，通过布置在零件周围的位移传感器测量在弯扭联合加载条件下零件的形变位移并计算出零件的弯曲刚度及扭转刚度。

零件通过固定法兰固定在底座上，零件另一端安装加载法兰。通过在零件周围安装单向约束方钢管，构成可单向自由变形的平行四边形结构的测量装置，保证加载过程中零件不受装置约束。在平行四边形的上边设置扭矩加载臂以及弯矩加载臂，实现对零件弯矩及扭矩的加载。在装置两侧支架上安装位移传感器，对加载过程中零件的微形变位移进行测量。

测量过程中，通过弯矩加载臂及扭矩加载臂实现对零件的同步梯度加载。通过载荷以及位移数据计算零件的弯曲刚度及扭转刚度。

本发明提出的刚度测量装置通过采用上述四边形结构的设计实现了在同时施加弯矩及扭矩条件下对轴形零件的刚度测量，并保证轴形零件在弹性变形过程中不受限制；

本发明提出的刚度测量装置，通过带有四曲面凸起的加载法兰及配套连接件机构的结构配合解决了弯扭联合加载条件由零件微形变导致的弯矩及扭矩加载相互干涉的问题，实现了弯扭同步联合加载过程中弯矩及扭矩同步互不干涉的效果。进而可实现零件在扭转(弯曲)条件下弯曲(扭转)刚度的测试(模拟实际工况)，减少了扭矩(弯矩)加载对零件弯曲(扭转)刚度测试过程中挠度的影响，因此对一些施加工况为弯矩和扭矩同时施加的零件，该可提高零件在扭矩(弯矩)作用下弯曲(扭转)刚度测量的准确性，从而使得在弯矩和扭矩同时施加情况下测量准确的弯曲刚度和扭转刚度成为可能。

同时，本发明提出的刚度测量装置该装置可扩展到其他薄壁管件及异形零件刚度的测量，具有很强的实用性和广泛的应用范围。

虽然本发明已以较佳的实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做各种改动和修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。

Claims (6)

1.一种大尺寸轴形零件弯扭同步加载条件下刚度测量装置，其特征在于，所述装置包括底座（1）；所述底座（1）上表面上固定安装有方钢管固定支座一（2）、方钢管固定支座二（33）和方钢管固定支座三（34）；所述方钢管固定支座一（2）、方钢管固定支座二（33）、方钢管固定支座三（34）上分别对应固定安装有方钢管一（5）、方钢管二（30）和方钢管三（37）；所述方钢管二（30）和方钢管三（37）的顶端安装有横梁（19），所述方钢管一（5）的顶端与T型梁（13）横臂的一端固定相连；所述T型梁（13）横臂的另一端固定安装于横梁（19）侧壁；所述横梁（19）中间安装有轴承二（23）；所述轴承二（23）安装有扭矩加载连接件（25）；所述T型梁（13）臂的底端固定安装有弯矩加载连接件（10）；所述弯矩加载连接件（10）上安装有弯矩加载臂（18）；所述扭矩加载连接件（25）顶端安装有可扭转的轴对称扭矩加载臂（42）；所述扭矩加载连接件（25）包括柱状部件和n型部件；所述柱状部件设置于n型部件的上部；所述柱状部件通过轴承二（23）固定安装于横梁（19），所述横梁（19）平行于底座（1）；所述扭矩加载连接件（25）的底端设有加载法兰（26）；所述底座（1）上表面上还设有固定法兰（17）；所述固定法兰（17）的位置与所述加载法兰（26）对应；其中，所述加载法兰（26）的侧表面设有四曲面凸起；所述四曲面凸起卡嵌于所述n型部件的凹槽内用以实现所述扭矩加载连接件（25）与加载法兰（26）的连接；四曲面加载法兰与配套的连接件之间为线接触；所述弯矩加载连接件（10）包括柱柄体；所述柱柄体通过轴承一（11）被夹持于T型梁（13）的竖臂底端；所述柱柄体垂直于所述T型梁（13）的竖臂，并且柱柄体面向加载法兰（26）的一端安装有固定卡件，所述固定卡件卡合于所述加载法兰（26）的法兰外沿；所述柱柄体的另一端设有螺母一（9），并通过螺母一（9）固定于所述T型梁（13）的竖臂。

2.根据权利要求1所述刚度测量装置，其特征在于，在横梁（19）与扭矩加载臂（42）之间的所述柱状部件外侧设有支撑环二（24），用于支撑扭矩加载臂（42）。

3.根据权利要求1所述刚度测量装置，其特征在于，在位于螺母一（9）和轴承一（11）之间的柱柄体上设有支撑环一（8）。

4.根据权利要求1所述刚度测量装置，其特征在于，所述横梁（19）上设有位移传感器一（21）和位移传感器二（27）；所述位移传感器一（21）和位移传感器二（27）与横梁（19）垂直；所述位移传感器一（21）和位移传感器二（27）的位移感应端分别安装于测点安装平面一（20）和测点安装平面二（28）上；所述测点安装平面一（20）和测点安装平面二（28）固定安装于加载法兰（26）的法兰外沿上。

5.根据权利要求4所述刚度测量装置，其特征在于，所述测点安装平面一（20）和测点安装平面二（28）均采用L型三面片体结构；所述L型三面片体结构由水平的横臂与垂直的竖壁形成的L型片体以及在所述L型片体的L型截面方向固定焊接的侧壁构成；所述L型三面片体结构与所述加载法兰（26）的法兰沿体相配合；所述位移传感器一（21）和位移传感器二（27）分别安装于所述L型三面片体结构的横臂上；所述测点安装平面二（28）的L型三面片体结构的侧壁上固定安装有位移传感器三（29）；所述位移传感器三（29）平行于加载法兰（26）的法兰平面。

6.根据权利要求5所述刚度测量装置，其特征在于，所述测点安装平面一（20）和测点安装平面二（28）的竖壁上分别安装有位移传感器四（40）和位移传感器五（41）；所述位移传感器四（40）和位移传感器五（41）平行于加载法兰（26）的法兰平面并垂直于所述横梁（19）。