CN108562429A - 基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置及试验方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置及试验方法，其装置包括平台底座，平台底座上固定安装有变频调速电机，变频调速电机的输出轴与减速器、主传动轮和制动盘依次传动连接；平台底座上架设有机架，机架上活动安装有升降机和侧向定位件；方法包括制作待试验的试样轮和试样轴，将试样轮与试样轴压装连接，然后在试样轴的轴颈部位压装轴承。本发明能够真实模拟机车轮轴在承受复杂交变载荷作用下的旋转弯曲疲劳损伤，得到轮轴在旋转弯曲载荷作用下的疲劳状况。

Description

基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置及试验方法
技术领域
本发明涉及疲劳试验技术领域，具体涉及一种基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置及试验方法。
背景技术
疲劳现象广泛存在于航天、航空、机械、电力、交通等领域，它是金属构件断裂的主要形式之一。过盈配合连接具有结构紧凑、对中性好以及冲击小等优点，被广泛用于传递动力和运动。但是，由于外界疲劳载荷、结构及位移约束的共同作用，轴—毂之间势必会产生非协调变形从而导致过盈面的微动疲劳损伤。大量工业实践表明，过盈配合面间的微动损伤极大地降低了过盈配合构件的疲劳强度，造成了巨大的经济及人员损失，其中轴的提早断裂失效现象尤为严重。
以列车轮轴微动疲劳损伤为例，按照其运动及疲劳载荷的施加方式，被称为旋转弯曲微动疲劳损伤，而其损伤的过程多种单一模式相耦合的复杂疲劳，如弯曲疲劳、拉压疲劳、扭转疲劳等。旋转弯曲疲劳作为一种典型的零件失效形式，主要发生在工作中既承受弯矩又承受转矩的转轴中，如齿轮轴、火车轮轴、带轮轴等。
但是，目前这一领域的研究大多集中在简化的轴的旋转弯曲疲劳或是扭转、弯曲等微动疲劳模式，旋转弯曲微动疲劳损伤的研究报道较少。疲劳试验设备作为一种重要的测试金属或非金属材料疲劳寿命和疲劳强度的设备，恰恰是过盈配合部件旋转弯曲疲劳研究方面薄弱的环节，尤其缺少大比例、高速、交变载荷、带扭矩的面向轨道交通轮轴配合的疲劳试验机及相应的试验方法。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，提供了一种能够真实模拟机车轮轴在承受复杂交变载荷作用下的旋转弯曲疲劳损伤，得到轮轴在旋转弯曲载荷作用下的疲劳状况的基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置及试验方法。
为解决上述技术问题，本发明采用了下列技术方案：
提供了一种基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置，其包括平台底座，平台底座上固定安装有变频调速电机，变频调速电机的输出轴与减速器、主传动轮和制动盘依次传动连接；平台底座上架设有机架，机架上活动安装有升降机和侧向定位件；
机架包括液压横梁，液压横梁上侧安装有电液伺服作动器，侧向定位件设置于液压横梁下表面两侧，液压横梁上贯穿设置有电液伺服作动器的输出轴；
升降机的下端与轴箱导向架铰接，轴箱导向架下端与副传动轴轴箱通过导轨连接，轴箱导向架的两侧与支撑座活动连接，支撑座通过轴箱底座架设于减速器上方，轴箱导向架上活动安装有伺服电缸，伺服电缸的输出轴与副传动轴轴箱端部连接，副传动轴轴箱内安装有副传动轴，副传动轴的后端与扭矩输入装置连接；副传动轴的前端与试样夹头连接。
上述技术方案中，优选的，变频调速电机与减速器间、减速器和主传动轮间分别通过膜片联轴器连接；制动盘与主动轮之间设置有电磁离合器。
上述技术方案中，优选的，主动轮通过两侧的主传动轴轴箱安装于平台底座上。
上述技术方案中，优选的，机架包括垂直安装于平台底座上的机架侧梁，机架侧梁共设置有四个，分别对称设置于平台底座的两侧；相邻一侧的两个机架侧梁上部固定安装有机架上梁。
上述技术方案中，优选的，机架上梁上固定安装有升降机横梁，升降机安装于升降机横梁下侧。
上述技术方案中，优选的，邻近侧向定位件一侧的机架侧梁上固定设置有电机横梁，电机横梁上安装有伺服电机，伺服电机的输出轴通过滚珠丝杠模组与液压横梁连接，液压横梁设置于机架上梁下侧并通过导轨与机架上梁活动连接；液压横梁上垂直安装有电液伺服作动器。
上述技术方案中，优选的，电液伺服作动器输出轴与压力传感器相套接，电液伺服作动器输出轴的下端与导向块活动连接，导向块通过线性导轨与侧向定位件活动连接，导向块的下端与轴承座固定连接。
上述技术方案中，优选的，扭矩输入装置为制动器，扭矩输入装置下端与制动器座连接，制动器座架设于膜片联轴器上方。
本发明还提供了一种上述基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置的试验方法，其包括如下步骤：
S1、制作待试验的试样轮和试样轴，将试样轮与试样轴压装连接，然后在试样轴的轴颈部位压装轴承；
S2、将试样轴与试样夹头连接，并将试样夹头安装于副传动轴上，通过伺服电缸调节副传动轴轴箱的位置，使试样轮位于主动轮上方；
S3、通过升降机调节轴箱导向架的高度，使试样轮与主动轮相接触；
S4、通过伺服电机与滚珠丝杠模组配合，调节液压横梁的位置，使轴承座与试样轮上的轴承相套接；
S5、启动变频调速电机，驱动主动轮转动，开始试验并记录转速值；
S6、通过电液伺服作动器移动轴承座，对试样轮和试样轴施加弯曲载荷，并通过压力传感器记录载荷值。
进一步地，在进行加载扭矩试验时，将扭矩输入装置与副传动轴通过联轴器连接。
本发明提供的上述基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置的主要有益效果在于：
本发明提供的基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置，通过机架、主从动轮等结构与过盈配合的试样部件的配合，实现了过盈配合部件旋转弯曲疲劳试验装置，通过变频调速电机、扭矩输入装置的配合，实现对速度、载荷加载方式等试验参数的组合，可以模拟大部分过盈配合部件的疲劳工况。
本发明提供的上述基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置的试验方法的主要有益效果在于：
在试验过程中，通过变频调速电机调节主动轮转速，通过电液伺服作动器调节轴承座施加载荷并输出交变载荷，通过制动器输出扭矩，模拟机车轮轴在承受复杂交变载荷作用下的旋转弯曲疲劳损伤，得到轮轴在旋转弯曲载荷作用下的疲劳寿命、疲劳强度，表面损伤情况和疲劳裂纹扩展速率等数据；且上述部件均采用闭环反馈控制，保证了试验结果的精准性。
附图说明
图1为基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验设备的结构示意图。
图2为试验设备的左视图。
图3为试验设备的右视图。
图4为侧向定位件部分的左视图。
图5为侧向定位件部分的半剖视图。
图6为试样轴部分的剖视图。
图7为副传动轴部分的剖视图。
图8为副传动轴部分的左视图。
其中，1、平台底座，2、机架，21、机架侧梁，22、机架上梁，23、升降机横梁，24、液压横梁，25、电机横梁，251、伺服电机，3、变频调速电机，31、膜片联轴器，32、减速器，33、主传动轴轴箱，331、轴座，34、电磁离合器，35、制动盘，4、电液伺服作动器，41、导轨，42、滚珠丝杠模组，43、侧向定位件，431、线性导轨，44、轴承座，45、主动轮，46、压力传感器，47、导向块，5、升降机，51、支撑座，511、轴箱导向架，512、燕尾导轨，513、燕尾滑块，514、伺服电缸，515、连接杆，52、轴箱底座，53、副传动轴轴箱，531、副传动轴，54、扭矩输入装置，541、制动器座，542、蜗轮蜗杆推杆，6、试样轴，61、试样轮，62、轴承，63、试样夹头。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，其为基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置的结构示意图。
本发明的基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置包括平台底座1，平台底座1上设置有梯形槽，并通过梯形槽和螺栓固定安装有变频调速电机3，变频调速电机3的输出轴与减速器32、主传动轮16和制动盘35依次传动连接；变频调速电机3与减速器32间、减速器32和主传动轮16间分别通过膜片联轴器31连接；制动盘35与主动轮45之间设置有电磁离合器34；主动轮45通过两侧的主传动轴轴箱33安装于平台底座1上。
减速器32采用一级斜齿齿轮输入轴在下，输出轴在上的安装的方法，并采用循环油冷却方式；主传动轴与主传动轮16过盈配合，主动轮轴安装在轴座331上，主传动轴轴颈位置各安装一对圆柱滚子轴承，以带动主传动轮16做旋转运动。
平台底座1上架设有机架，机架包括垂直安装于平台底座1上的机架侧梁21，机架侧梁21共设置有四个，分别通过螺栓和梯形槽固定设置于平台底座2的两侧边且相互对称；相邻一侧的两个机架侧梁21上部固定安装有机架上梁22。
如图2、图4和图5所示，机架包括液压横梁24，液压横梁24上侧安装有电液伺服作动器4，侧向定位件43设置于液压横梁24下表面两侧，侧向定位件43的上部贯穿设置有电液伺服作动器4的输出轴；邻近侧向定位件43一侧的机架侧梁21上固定设置有电机横梁25，电机横梁25上安装有伺服电机251，伺服电机251的输出轴通过滚珠丝杠模组42与液压横梁24连接，液压横梁24设置于机架上梁22下侧并通过导轨41与机架上梁22活动连接；液压横梁24上垂直安装有电液伺服作动器4。
电液伺服作动器4输出轴与压力传感器46相套接，电液伺服作动器4输出轴的下端与导向块47活动连接，导向块47通过线性导轨431与侧向定位件43活动连接，使得导向块47可以沿侧向定位件43侧壁作上下运动；导向块47的下端与轴承座44固定连接；轴承座44与待实验的过盈配合部件的试样轴6上的轴承相套接。
如图3、图7和图8所示，机架上梁22上固定安装有升降机横梁23，升降机5安装于升降机横梁23下侧；升降机5的下端与轴箱导向架511铰接，轴箱导向架511下端与副传动轴轴箱53通过线性滑轨连接，使得副传动轴轴箱53可以相对轴箱导向架511作左右移动；轴箱导向架511的两侧与支撑座51通过燕尾导轨512与燕尾滑块513结构活动连接，使得轴箱导向架511可以沿支撑座51作上下滑动。
支撑座51通过轴箱底座52架设于减速器32上方，副传动轴轴箱53上活动安装有伺服电缸514，伺服电缸514的输出轴与轴箱导向架511端部铰接，以带动副传动轴轴箱53移动，副传动轴轴箱53内安装有副传动轴531，副传动轴531轴颈位置各安装有一个圆锥滚子轴承；圆锥滚子轴承采用循环油润滑，循环油入口在两侧轴箱端盖上；所述圆锥滚子轴承游隙用螺纹调整环调节。
如图6所示，副传动轴531的前端与试样夹头63连接，试样夹头63与夹头盖25配合，共同起到夹持试样轴6的作用。
副传动轴531的后端与扭矩输入装置54连接；扭矩输入装置54为制动器，采用电机与变频控制器配合的方式实现，扭矩输入装置54下端与制动器座541连接，制动器座541架设于膜片联轴器31上方，制动器座541通过蜗轮蜗杆推杆542与平台底座1连接，使得制动器座541可以配合副传动轴531的所在高度，进行传动连接。
下面是上述基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置的试验方法，其包括如下步骤：
S1、制作待试验的试样轮61和试样轴6，将试样轮61与试样轴6压装连接，然后在试样轴6的轴颈部位压装轴承。
根据过盈配合部件实际工况设计并制造轮轴试样，轮轴试样包括试样轮61和试样轴6，分别检查试样轮61和试样轴6加工精度，达到要求后用工装压装试样，然后在试样轴6的轴颈部位压装相应轴承。
S2、将试样轴6与试样夹头63连接，并将试样夹头63安装于副传动轴531上，通过伺服电缸514调节副传动轴轴箱53的位置，使试样轮61位于主动轮45上方。
S3、通过升降机5调节轴箱导向架511的高度，使试样轮61与主动轮相接触。
S4、通过伺服电机251与滚珠丝杠模组42配合，调节液压横梁24的位置，使轴承座44与试样轮61上的轴承相套接。
控制液压横梁24左右移动，借助导向块47与试样轴承座44配合的方式，保证电液伺服作动器4加载力作用在轴承中心上。
在实际操作中，此处可选用内圈和外圈可在轴向产生2mm左右相对位移的轴承，对中前内外圈保证有2mm相对位移量，当液压横梁24左右移动使得导向块47与轴承座44中心偏差为1mm左右时控制电液伺服作动器4的输出轴向下移动，实现对中，试样安装完毕。
S5、启动变频调速电机3，驱动主动轮45转动，开始试验并记录转速值。
启动变频调速电机3，驱动主动轮45旋转，设定试验速度，开启减速器32循环油冷却系统和副传动轴轴箱53轴承循环油润滑系统，观察系统运行状况。
S6、通过电液伺服作动器4移动轴承座44，对试样轮61和试样轴6施加弯曲载荷，并通过压力传感器46记录载荷值。
进一步地，进行加载扭矩试验时，将扭矩输入装置54与副传动轴531通过联轴器连接。
当需要向试样轮轴施加交变载荷时，切换载荷加载方式，设定交变载荷加载波形、幅值、频率、循环次数信息。
上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。

Claims (10)

1.一种基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置，其特征在于，包括平台底座(1)，所述平台底座(1)上固定安装有变频调速电机(3)，变频调速电机(3)的输出轴与减速器(32)、主传动轮(45)和制动盘(35)依次传动连接；所述平台底座(1)上架设有机架(2)，所述机架(2)上活动安装有升降机(5)和侧向定位件(43)；
所述机架(2)包括液压横梁(24)，液压横梁(24)上侧安装有电液伺服作动器(4)，所述侧向定位件(43)设置于液压横梁(24)下表面两侧，液压横梁(24)上贯穿设置有电液伺服作动器(4)的输出轴；
所述升降机(5)的下端与轴箱导向架(511)铰接，所述轴箱导向架(511)下端与副传动轴轴箱(53)通过导轨连接，轴箱导向架(511)的两侧与支撑座(51)活动连接，支撑座(51)通过轴箱底座(52)架设于减速器(32)上方，所述轴箱导向架(511)上活动安装有伺服电缸(514)，伺服电缸(514)的输出轴与副传动轴轴箱(53)端部连接，所述副传动轴轴箱(53)内安装有副传动轴(531)，副传动轴(531)的后端与扭矩输入装置(54)连接；所述副传动轴(531)的前端与试样夹头(62)连接。
2.根据权利要求1所述的基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置，其特征在于，所述变频调速电机(3)与减速器(32)之间、减速器(32)和主动轮(45)之间分别通过膜片联轴器(31)连接；所述制动盘(35)与主动轮(45)之间设置有电磁离合器(34)。
3.根据权利要求2所述的基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置，其特征在于，所述主动轮(45)通过两侧的主传动轴轴箱(33)安装于平台底座(1)上。
4.根据权利要求1所述的基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置，其特征在于，所述机架包括垂直安装于平台底座(1)上的机架侧梁(21)，所述机架侧梁(21)共设置有四个，分别对称设置于平台底座(1)的两侧；相邻一侧的两个机架侧梁(21)上部固定安装有机架上梁(22)。
5.根据权利要求4所述的基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置，其特征在于，所述机架上梁(22)上固定安装有升降机横梁(23)，所述升降机(5)安装于升降机横梁(23)下侧。
6.根据权利要求4所述的基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置，其特征在于，邻近侧向定位件(43)一侧的机架侧梁(21)上固定设置有电机横梁(25)，电机横梁(25)上安装有伺服电机(251)，伺服电机(251)的输出轴通过滚珠丝杠模组(42)与液压横梁(24)连接，所述液压横梁(24)设置于机架上梁(22)下侧并通过导轨(41)与机架上梁(22)活动连接；所述液压横梁(24)上垂直安装有电液伺服作动器(4)。
7.根据权利要求1或6所述的基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置，其特征在于，所述电液伺服作动器(4)的输出轴与压力传感器(46)相套接，电液伺服作动器(4)的输出轴的下端与导向块(47)活动连接，所述导向块(47)通过线性导轨(431)与侧向定位件(43)活动连接，所述导向块(47)的下端与轴承座(44)固定连接。
8.根据权利要求1所述的基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置，其特征在于，所述扭矩输入装置(54)为制动器，扭矩输入装置(54)下端与制动器座(541)连接，所述制动器座(541)架设于膜片联轴器(31)上方。
9.一种根据权利要求1至7任一所述的基于旋转弯曲的过盈配合部件疲劳试验装置的试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制作待试验的试样轮(61)和试样轴(6)，将试样轮(61)与试样轴(6)压装连接，然后在试样轴(6)的轴颈部位压装轴承(62)；
S2、将试样轴(6)与试样夹头(63)连接，并将试样夹头(63)安装于副传动轴(531)上，通过伺服电缸(514)调节副传动轴轴箱(53)的位置，使试样轮(61)位于主动轮(45)上方；
S3、通过升降机(5)调节轴箱导向架(511)的高度，使试样轮(61)与主动轮(45)相接触；
S4、通过伺服电机(251)与滚珠丝杠模组(42)配合，调节液压横梁(24)的位置，使轴承座(44)与试样轮(61)上的轴承相套接；
S5、启动变频调速电机(3)，驱动主动轮(45)转动，开始试验并记录转速值；
S6、通过电液伺服作动器(4)移动轴承座(44)，对试样轮(61)和试样轴(6)施加弯曲载荷，并通过压力传感器(46)记录载荷值。
10.根据权利要求9所述的试验方法，其特征在于，在进行加载扭矩试验时，将扭矩输入装置(54)与副传动轴(531)通过联轴器连接。
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