CN110726542A - 一种弹簧疲劳寿命的分析方法 - Google Patents

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Abstract

本公开实施例公开了一种弹簧疲劳寿命的分析方法，所述方法包括：建立应力‑累积动作次数曲线；获取待测弹簧材料的应力‑寿命曲线；根据应力‑寿命曲线得到各所述累积动作次数对应的标准应力数据；建立标准应力数据与测试应力数据的应力对应关系；在应力‑寿命曲线上获取待测弹簧材料的极限寿命对应的极限应力；基于所述应力对应关系，得到所述极限应力对应的极限测试应力；基于所述极限测试应力以及所述应力‑累积动作次数曲线，预测极限测试寿命，并将所述极限测试寿命作为所述待测弹簧的疲劳寿命。该技术方案实能够真实地反应实际使用环境中的弹簧件的疲劳寿命，使得工程人员能够及时获知安全隐患，避免设备损坏。

Description

一种弹簧疲劳寿命的分析方法
技术领域
本公开涉及疲劳寿命分析技术领域，具体涉及一种弹簧疲劳寿命的分析方法。
背景技术
弹簧是基础的具有缓冲和减震作用的零部件，其质量的好坏影响设备的运行安全。弹簧的疲劳寿命分析能够为设备正常运行提供参考指标，避免带来安全隐患。弹簧疲劳寿命分析的实质是要确定弹簧材料的疲劳寿命曲线，在疲劳寿命曲线上，应力越小表明疲劳寿命越长。现有技术中材料疲劳寿命曲线的测定均是在标准试件上测出的，无法真实反映材料在实际使用环境中的疲劳寿命，工程上无法直接采用。
发明内容
为了解决相关技术中的问题，本公开实施例提供一种弹簧疲劳寿命的分析方法。
本公开实施例提供一种弹簧疲劳寿命的分析方法。
具体地，所述方法包括：
在实际工况下，采集多次待测弹簧的振动信号，根据所述振动信号获取测试应力数据，每次采集所述振动信号时，相应地记录所述待测弹簧的累积动作次数；
基于所述测试应力数据及其相应的累积动作次数，建立应力-累积动作次数曲线；
获取待测弹簧材料的应力-寿命曲线；
根据所述应力-寿命曲线得到各所述累积动作次数对应的标准应力数据；
建立所述标准应力数据与所述测试应力数据的应力对应关系；
在所述应力-寿命曲线上获取所述待测弹簧材料的极限寿命对应的极限应力；
基于所述应力对应关系，得到所述极限应力对应的极限测试应力；
基于所述极限测试应力以及所述应力-累积动作次数曲线，预测极限测试寿命，并将所述极限测试寿命作为所述待测弹簧的疲劳寿命。
可选地，所述根据所述振动信号获取测试应力数据，包括：
利用小波分析法处理所述振动信号获取时域特征；
从所述时域特征中提取加速度数据，并对所述加速度数据进行处理得到待测弹簧的形变量；
根据所述待测弹簧的形变量获取测试应力数据。
可选地，所述根据所述待测弹簧的形变量获取测试应力数据，被实施为：
建立待测弹簧在实际工况条件下的仿真模型；
输入所述待测弹簧的形变量，经过仿真计算获取测试应力数据。
可选地，在实际工况下，采集多次待测弹簧的振动信号之前，所述方法还包括：
在安装所述待测弹簧的设备上至少一个位置采集待测弹簧的振动信号；
比较不同位置处获取的振动信号经过处理得到的形变量，将所述形变量最大的位置作为所述待测弹簧的振动信号的采集点。
可选地，所述方法还包括：
获取待测弹簧的已使用寿命；
根据所述待测弹簧的已使用寿命以及所述待测弹簧的疲劳寿命，预测所述待测弹簧的剩余寿命。
本公开实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
根据本公开实施例提供的技术方案，在实际工况下，采集多次待测弹簧的振动信号，根据所述振动信号获取测试应力数据，每次采集所述振动信号时，相应地记录所述待测弹簧的累积动作次数；基于所述测试应力数据及其相应的累积动作次数，建立应力-累积动作次数曲线；获取待测弹簧材料的应力-寿命曲线；根据所述应力-寿命曲线得到各所述累积动作次数对应的标准应力数据；建立所述标准应力数据与所述测试应力数据的应力对应关系；在所述应力-寿命曲线上获取所述待测弹簧材料的极限寿命对应的极限应力；基于所述应力对应关系，得到所述极限应力对应的极限测试应力；基于所述极限测试应力以及所述应力-累积动作次数曲线，预测极限测试寿命，并将所述极限测试寿命作为所述待测弹簧的疲劳寿命。该技术方案通过建立待测弹簧的测试应力数据与待测弹簧材料在同样累积动作次数下的标准应力数据的对应关系，进一步地由二者的对应关系得到待测弹簧材料的极限应力对应的待测弹簧的极限测试应力，然后从待测弹簧的应力-累积动作次数曲线获得极限测试应力对应的待测弹簧的极限测试寿命，实现了分析待测弹簧在实际工况下的振动信号就能预测待测弹簧的疲劳寿命，能够真实地反应实际使用环境中的弹簧件的疲劳寿命，使得工程人员能够及时获知安全隐患，避免设备损坏。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
结合附图，通过以下非限制性实施方式的详细描述，本公开的其它标签、目的和优点将变得更加明显。在附图中：
图1示出根据本公开的实施例的弹簧疲劳寿命的分析方法的流程图；
图2示出根据本公开的实施例的获取测试应力数据的流程图；
图3示出根据本公开的实施例的确定采集点的流程图；
图4示出根据本公开的实施例的预测待测弹簧的剩余寿命的流程图。
具体实施方式
下文中，将参考附图详细描述本公开的示例性实施例，以使本领域技术人员可容易地实现它们。此外，为了清楚起见，在附图中省略了与描述示例性实施例无关的部分。
在本公开中，应理解，诸如“包括”或“具有”等的术语旨在指示本说明书中所公开的特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合的存在，并且不欲排除一个或多个其他特征、数字、步骤、行为、部件、部分或其组合存在或被添加的可能性。
另外还需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。
上文提及，弹簧是基础的具有缓冲和减震作用的零部件，其质量的好坏影响设备的运行安全。弹簧的疲劳寿命分析能够为设备正常运行提供参考指标，避免带来安全隐患。弹簧疲劳寿命分析的实质是要确定弹簧材料的疲劳寿命曲线，在疲劳寿命曲线上，应力越小表明疲劳寿命越长。现有技术中材料疲劳寿命曲线的测定均是在标准试件上测出的，无法真实反映材料在实际使用环境中的疲劳寿命，工程上无法直接采用。
考虑到上述缺陷，本公开实施例提供了一种弹簧疲劳寿命的分析方法，在实际工况下，采集多次待测弹簧的振动信号，根据所述振动信号获取测试应力数据，每次采集所述振动信号时，相应地记录所述待测弹簧的累积动作次数；基于所述测试应力数据及其相应的累积动作次数，建立应力-累积动作次数曲线；获取待测弹簧材料的应力-寿命曲线；根据所述应力-寿命曲线得到各所述累积动作次数对应的标准应力数据；建立所述标准应力数据与所述测试应力数据的应力对应关系；在所述应力-寿命曲线上获取所述待测弹簧材料的极限寿命对应的极限应力；基于所述应力对应关系，得到所述极限应力对应的极限测试应力；基于所述极限测试应力以及所述应力-累积动作次数曲线，预测极限测试寿命，并将所述极限测试寿命作为所述待测弹簧的疲劳寿命。该技术方案通过建立待测弹簧的测试应力数据与待测弹簧材料在同样累积动作次数下的标准应力数据的对应关系，进一步地由二者的对应关系得到待测弹簧材料的极限应力对应的待测弹簧的极限测试应力，然后从待测弹簧的应力-累积动作次数曲线获得极限测试应力对应的待测弹簧的极限测试寿命，实现了分析待测弹簧在实际工况下的振动信号就能预测待测弹簧的疲劳寿命，能够真实地反应实际使用环境中的弹簧件的疲劳寿命，使得工程人员能够及时获知安全隐患，避免设备损坏。
图1示出根据本公开的实施例的弹簧疲劳寿命的分析方法的流程图。
如图1所示，所述弹簧疲劳寿命的分析方法包括如下步骤S101-S108。
在步骤S101中，在实际工况下，采集多次待测弹簧的振动信号，根据所述振动信号获取测试应力数据，每次采集所述振动信号时，相应地记录所述待测弹簧的累积动作次数；
在步骤S102中，基于所述测试应力数据及其相应的累积动作次数，建立应力-累积动作次数曲线；
在步骤S103中，获取待测弹簧材料的应力-寿命曲线；
在步骤S104中，根据所述应力-寿命曲线得到各所述累积动作次数对应的标准应力数据；
在步骤S105中，建立所述标准应力数据与所述测试应力数据的应力对应关系；
在步骤S106中，在所述应力-寿命曲线上获取所述待测弹簧材料的极限寿命对应的极限应力；
在步骤S107中，基于所述应力对应关系，得到所述极限应力对应的极限测试应力；
在步骤S108中，基于所述极限测试应力以及所述应力-累积动作次数曲线，预测极限测试寿命，并将所述极限测试寿命作为所述待测弹簧的疲劳寿命。
根据本公开的实施例，所述实际工况指的是设备上待测弹簧的工作工况，根据设备的运行条件确定，比如设备的运行功率、运行时长或运行环境等。
根据本公开的实施例，在设备上待测弹簧附近选择合适的位置，通过振动信号采集装置采集振动信号，比如可以选择设备上靠近待测弹簧的位置或者振动信号变化剧烈的位置。采集多次振动信号后，经过仿真模型的计算获得各次的测试应力数据(下文以S'表示)。其中，仿真模型可以在ANSYS软件中建立，具体根据待测弹簧的参数进行等尺寸的模拟建模。
根据本公开的实施例，所述累积动作次数指的是待测弹簧在实际工况下的载荷作用的累积次数。比如可以采用计数器记录待测弹簧的累积动作次数。
根据本公开的实施例，所述应力-累积动作次数曲线指的是经过仿真模型计算的测试应力数据S'与累积动作次数的对应关系，该对应关系可以为线性关系，也可以由复杂函数描述，在此不做限制。
根据本公开的实施例，所述应力-寿命曲线指的是以材料标准试件疲劳强度为纵坐标，以疲劳寿命的对数值lg N为横坐标，表示一定循环特征下标准试件的疲劳强度与疲劳寿命之间关系的曲线。其中，S表示应力，N表示弹簧材料的疲劳寿命。在S-N曲线上，应力越小相应的疲劳寿命越长，疲劳寿命N趋于无穷大时为极限寿命，极限寿命所对应的应力S为极限应力Sf。
根据本公开的实施例，所述应力对应关系指的是待测弹簧在使用环境下的测试应力数据与待测弹簧材料通过疲劳试验确定的标准应力数据的对应关系。建立应力对应关系的实施方式是获取标准应力数据，具体是将待测弹簧的累积动作次数作为弹簧材料的疲劳寿命N，在S-N曲线上获取对应的外加应变力S，将S作为标准应力数据；然后根据累积动作次数建立标准应力数据与测试应力数据的对应关系。
比如，在累积动作次数分别为103、104、105时，采集待测弹簧的振动信号，根据振动信号获取测试应力数据S1'、S2'、S3'；从S-N曲线上分别获取累积动作次数对应的标准应力数据S1、S2、S3。将S1与S1'对应，S2与S2'对应，S3与S3'对应，进而建立标准应力数据S与测试应力数据S'的对应关系。
根据本公开的实施例，所述待测弹簧的疲劳寿命指的是待测弹簧在实际工况下发生疲劳破坏前所经历的动作次数。
根据本公开的实施例，根据标准应力数据S与测试应力数据S'的对应关系，可以获得极限应力Sf对应的极限测试应力Sf'，进一步从待测弹簧的应力-累积动作次数曲线获得极限测试应力Sf'对应的待测弹簧的极限测试寿命，实现了分析待测弹簧在实际工况下的振动信号就能预测待测弹簧的疲劳寿命即待测弹簧的极限测试寿命，能够真实地反应实际使用环境中的弹簧件的疲劳寿命，使得工程人员能够及时获知安全隐患，避免设备损坏。
图2示出根据本公开的实施例的获取测试应力数据的流程图。
如图2所示，根据所述振动信号获取测试应力数据包括步骤S201-S203。
在步骤S201中，利用小波分析法处理所述振动信号获取时域特征；
在步骤S202中，从所述时域特征中提取加速度数据，并对所述加速度数据进行处理得到待测弹簧的形变量；
在步骤S203中，根据所述待测弹簧的形变量获取测试应力数据。
根据本公开的实施例，对获取的振动信号采用小波分析法去噪后得到时域特征，提取时域特征中的加速度峰值，对加速度数据进行二次积分获得振动信号采集点的形变量。
在本实施方式中，所述根据所述待测弹簧的形变量获取测试应力数据，被实施为：建立待测弹簧在实际工况条件下的仿真模型；输入所述待测弹簧的形变量，经过仿真计算获取测试应力数据。比如在ANSYS软件中建立待测弹簧的仿真模型，设定边界等约束条件，通过输入形变量得到各振动信号对应的测试应力数据S'，获得测试应力数据集。
图3示出根据本公开的实施例的确定采集点的流程图。
如图3所示，所述弹簧疲劳寿命的分析方法除了步骤S101-S108之外，在实际工况下，采集多次待测弹簧的振动信号之前，还包括步骤S301-S302。
在步骤S301中，在安装所述待测弹簧的设备上至少一个位置采集待测弹簧的振动信号；
在步骤S302中，比较不同位置处获取的振动信号经过处理得到的形变量，将所述形变量最大的位置作为所述待测弹簧的振动信号的采集点。
根据本公开的实施例，为了更加有效地采集振动信号，进而更加合理地预测待测弹簧的疲劳寿命，需要在采集振动信号前确定合适的采集点的位置。在本实施方式中，首先在设备上的不同位置设置采集点，分别采集振动信号，然后分析各个振动信号进而得到不同采集点的形变量，最后将形变量最大的位置作为所述待测弹簧的振动信号的采集点。可以理解，所述采集点的位置即可以设置在待测弹簧上，也可以设置在设备上待测弹簧以外的其他位置。当采集点设置在设置上的其他位置时，可以用采集点的形变量表征待测弹簧的形变量。
图4示出根据本公开的实施例的预测待测弹簧的剩余寿命的流程图。
如图4所示，所述弹簧疲劳寿命的分析方法除了步骤S101-S108之外，还包括步骤S401-S402。
在步骤S401中，获取待测弹簧的已使用寿命；
在步骤S402中，根据所述待测弹簧的已使用寿命以及所述待测弹簧的疲劳寿命，预测所述待测弹簧的剩余寿命。
根据本公开的实施例，所述待测弹簧的已使用寿命指的是待测弹簧从开始工作起统计的累积动作次数，比如可以从计数器中读取待测弹簧的累积动作次数。在获取待测弹簧从开始工作起统计的累积动作次数后，可由待测弹簧的疲劳寿命(即待测弹簧发生疲劳断裂的循环次数)中减去该累积动作次数后得到待测弹簧的剩余寿命。
以上描述仅为本公开的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域开发人员应当理解，本公开中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本公开中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (5)

1.一种弹簧疲劳寿命的分析方法，其特征在于，包括：
在实际工况下，采集多次待测弹簧的振动信号，根据所述振动信号获取测试应力数据，每次采集所述振动信号时，相应地记录所述待测弹簧的累积动作次数；
基于所述测试应力数据及其相应的累积动作次数，建立应力-累积动作次数曲线；
获取待测弹簧材料的应力-寿命曲线；
根据所述应力-寿命曲线得到各所述累积动作次数对应的标准应力数据；
建立所述标准应力数据与所述测试应力数据的应力对应关系；
在所述应力-寿命曲线上获取所述待测弹簧材料的极限寿命对应的极限应力；
基于所述应力对应关系，得到所述极限应力对应的极限测试应力；
基于所述极限测试应力以及所述应力-累积动作次数曲线，预测极限测试寿命，并将所述极限测试寿命作为所述待测弹簧的疲劳寿命。
2.根据权利要求1所述的分析方法，其特征在于，所述根据所述振动信号获取测试应力数据，包括：
利用小波分析法处理所述振动信号获取时域特征；
从所述时域特征中提取加速度数据，并对所述加速度数据进行处理得到待测弹簧的形变量；
根据所述待测弹簧的形变量获取测试应力数据。
3.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于，所述根据所述待测弹簧的形变量获取测试应力数据，被实施为：
建立待测弹簧在实际工况条件下的仿真模型；
输入所述待测弹簧的形变量，经过仿真计算获取测试应力数据。
4.根据权利要求2所述的分析方法，其特征在于，在实际工况下，采集多次待测弹簧的振动信号之前，所述方法还包括：
在安装所述待测弹簧的设备上至少一个位置采集待测弹簧的振动信号；
比较不同位置处获取的振动信号经过处理得到的形变量，将所述形变量最大的位置作为所述待测弹簧的振动信号的采集点。
5.根据权利要求1-4中任意一项所述的分析方法，其特征在于，还包括：
获取待测弹簧的已使用寿命；
根据所述待测弹簧的已使用寿命以及所述待测弹簧的疲劳寿命，预测所述待测弹簧的剩余寿命。
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