CN110849566B - 一种磁致伸缩材料驱动的扭转疲劳试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于扭转疲劳强度测试技术领域，涉及一种磁致伸缩材料驱动的扭转疲劳试验装置。本发明提供的扭转疲劳试验装置包括：底座、固定框架、空气止推轴承、磁致伸缩驱动器、扭转角位移放大器和联轴转盘，磁致伸缩材料驱动器具有四个且对称错位设置在固定框架内侧，通过与磁致伸缩材料驱动器相连的联轴转盘和扭转角位移放大器，实现对试件的超高频扭转驱动和试验，稳定性好，可靠性高，且无疲劳，无过热失效问题，另外该装置产生扭转动力矩时，无附带横向力产生，避免了弯曲变形振动的产生。本发明还提供了一种扭转疲劳试验方法，简单易操作，适合于工业广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及扭转疲劳强度测试技术领域，尤其涉及一种磁致伸缩材料驱动的扭转疲劳试验装置及方法。
背景技术
疲劳是工程结构构件在循环载荷作用下发生破坏的现象。现代工程的许多装备或设施，如航空航天器(飞机、火箭、宇宙飞船等)、高速火车车辆及轨道、汽车、发电装备，工程机械、桥梁等，其主要零件或构件都是在随时间变化的荷载作用下工作，疲劳是其主要的失效形式。随着航空航天、汽车、高速铁路、核工业等领域技术的高速发展，许多装备的零部件在其服役期内，承受的振动载荷的循环次数，将高达109～1011，属于材料超高周疲劳范畴，但超高周疲劳强度往往小于常规疲劳试验得到的疲劳强度。
目前国内外对超高周疲劳研究的热点集中在轴向载荷作用下材料的疲劳性能，疲劳试验还局限于材料受到超高周拉压交变应力作用下疲劳强度的测定。其原理是用压电超声换能器产生20KHz的纵向波，用纵向位移放大器放大后再作用于待测材料拉伸试件，而拉伸试件设计为纵向自振最低频率为20KHz，这样在拉伸试件上产生纵向共振，从而实现材料的超高周疲劳试验。
作为传动机械的主要部件，传动轴在实际的工况下，扭转载荷是主要的工作载荷之一。虽然目前针对材料在超高周范围内受到扭转载荷作用的疲劳强度的研究工作较少，但也有研究人员提出了一个扭转疲劳试验解决方案；如公开号为CN103323341A的中国专利提出一种利用一个压电超声波换能器产生20kHz的纵向波，将此纵向波用纵向位移放大器放大，纵向位移放大器与耦合器通过螺杆连接，将纵向谐振波转换成扭转谐振波，再通过扭转放大器作用于扭转试件，从而实现超声扭转振动载荷的加载。但这种方法由于对试件的横向约束不够，在激发试件扭转共振时不仅会产生扭转疲劳，还有可能产生横向的弯曲疲劳破坏。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种磁致伸缩材料驱动的扭转疲劳试验装置及方法，该扭转疲劳试验装置稳定性好，消除了弯曲疲劳破坏的可能，可靠性高，且实验装置本身不会产生疲劳以及失效等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种磁致伸缩材料驱动的扭转疲劳试验装置，用于对试件进行扭转疲劳试验，其特征在于，所述扭转疲劳试验装置包括：底座、固定框架、空气止推轴承、磁致伸缩驱动器、扭转角位移放大器和联轴转盘；
所述底座呈矩形板状结构，所述底座的四个端角处垂直设置有固定框架导向柱；
所述固定框架呈矩形框架结构，所述固定框架上开设有与所述固定框架导向柱配合的导向孔；所述固定框架嵌套设置在固定框架导向柱上，可沿所述固定框架导向柱在竖直方向移动；
所述空气止推轴承设置在所述底座的中心位置，用于对所述试件的底端进行约束；
所述磁致伸缩驱动器具有四个且两两错位对称垂直设置于所述固定框架的内侧，所述磁致伸缩驱动器与所述底座平行，各个所述磁致伸缩驱动器的固定端与所述固定框架四面内侧壁固定连接，各个所述磁致伸缩驱动器的驱动杆均与所述联轴转盘的外轮廓连接，所述联轴转盘中心位置设置有用于与所述试件顶端连接的扭转角位移放大器，所述扭转角位移放大器与所述空气止推轴承同轴设置，所述磁致伸缩驱动器用于驱动所述联轴转盘带动所述扭转角位移放大器转动以实现所述试件的扭转疲劳试验。
优选的，所述磁致伸缩驱动器的驱动杆与所述联轴转盘的外轮廓连接处设置有伸出连接凸台，且每个所述伸出连接凸台上均开设有凸台销钉孔；所述磁致伸缩驱动器的驱动杆开有与所述凸台销钉孔同轴设置的驱动器销钉孔，以通过销钉依次穿过所述凸台销钉孔和所述驱动器销钉孔实现所述联轴转盘与与所述磁致伸缩驱动器驱动杆的连接。
优选的，所述试件的顶端、所述扭转角位移放大器与所述联轴转盘相连接的一端和所述联轴转盘上均设置有销钉孔；所述试件上的销钉孔、所述扭转角位移放大器上的销钉孔和所述联轴转盘上的销钉孔同轴设置，以通过销钉依次贯穿销钉孔实现试件、扭转角位移放大器和联轴转盘之间的固定连接。
本发明还提供了一种扭转疲劳试验方法，应用于上述扭转疲劳试验装置，所述扭转疲劳试验方法包括：
S1.根据预设的最低自振频率，进行有限元分析，确定试件的形状和尺寸；
S2.根据步骤S1确定的试件的形状和尺寸，制作试件，并将所述试件安装在扭转疲劳试验装置上；
S3.根据所述最低自振频率设定所述扭转疲劳试验装置中磁致伸缩驱动器的驱动频率；
S4.开启所述扭转疲劳试验装置，对所述试件进行扭转疲劳试验。
优选的，所述最低自振频率为15～20KHz。
优选的，所述试件两端的横截面直径为预设固定值。
与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：
1)本发明将磁致伸缩材料驱动器应用于扭转疲劳试验装置，其响应时间仅百万分之一秒，频率特性好，工作频率可达20KHz，可实现超高频振动；另外，磁致伸缩系数比常用的压电陶瓷的电致伸缩系数大1～2个数量级，磁致伸缩应变时产生的推力很大，能量转换效率高达70％，大于压电陶瓷的40～60％，因此，在扭转疲劳试验过程中稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。
2)本发明中采用成对磁致伸缩材料驱动器驱动联轴转盘通过扭转角位移放大器带动试件扭转，且试件的底端可由固定在底座的摩擦阻力极低的空气止推轴承约束，因此在进行扭转疲劳试验时可产生纯粹的扭转动力矩，无附带横向力产生，避免由于弯曲变形振动而产生的弯曲疲劳，确保扭转疲劳检测的精度。
3)本发明提供扭转疲劳试验装置中的固定框架可以沿着四根支柱上下滑动，根据扭转试件的长度改变其位置，可对任意长度的试件进行扭转疲劳试验，使用简单方便。
4)本发明提供的扭转疲劳试验方法中在进行试件形状和尺寸设计时，试件两端的横截面直径为固定值，以与空气止推轴承以及扭转角位移放大器相配合，解决了不同试件需要采用不同空气止推轴承或扭转角位移放大器的问题。
附图说明
图1为本发明的一种磁致伸缩材料驱动的扭转疲劳试验装置的立体结构图；
图2为本发明的一种磁致伸缩材料驱动的扭转疲劳试验装置的局部结构立体示意图。
附图标记：1.底座；11.固定框架导向柱；2.固定框架；3.磁致伸缩驱动器；4.试件；5.扭转角位移放大器；6.联轴转盘；61.伸出连接凸台；7.空气止推轴承。
具体实施方式
下面的实施例可以使本专业的技术人员更全面地理解本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
如图1和图2所示，本发明提供的一种磁致伸缩材料驱动的扭转疲劳试验装置，用于对试件4进行扭转疲劳试验，该扭转疲劳试验装置包括：底座1、固定框架2、空气止推轴承7、磁致伸缩驱动器3、扭转角位移放大器5和联轴转盘6。其中，底座1呈矩形板状结构，在底座1的四个端角处垂直设置有固定框架导向柱11。固定框架2呈矩形框架结构，固定框架2上开设有与固定框架导向柱11配合的导向孔，固定框架2通过导向孔嵌套设置在固定框架导向柱11上，且可沿着固定框架导向柱11在竖直方向移动，以便于安装不同长度的试件进行扭转疲劳实验。
为了在进行扭转疲劳试验时对试件4的底端进行约束，本发明将空气止推轴承7设置在底座1的中心位置，用于对试件4的底端进行约束，即通过试件4的底端与空气止推轴承7的配合实现对对试件4底端的约束。空气止推轴承7是运用气体做润滑剂的轴承，摩擦阻力极低，可以实现超高速转动，进而用来约束试件4另一端的弯曲挠度，并满足试件4的超高频扭转运动。磁致伸缩驱动器3具有四个且两两错位对称垂直设置于固定框架2的内侧，磁致伸缩驱动器3与底座1平行，各个磁致伸缩驱动器3的固定端分别与固定框架2四面内侧壁固定连接，譬如通过螺栓连接，各个磁致伸缩驱动器3的驱动杆均与联轴转盘6的外轮廓连接，联轴转盘6中心位置设置有扭转角位移放大器5，扭转角位移放大器5与空气止推轴承7同轴设置，进行试件4的扭转疲劳试验时，试件4的底端与空气止推轴承7配合连接，顶端与扭转角位移放大器5配合连接，开始进行试验时，四个对称错位设置的磁致伸缩驱动器3成对以同样频率伸长和缩短，驱动联轴转盘6带动扭转角位移放大器5转动以实现试件4的扭转疲劳。这种驱动方式可以实现纯粹的扭转振动，避免因受力不均引起的弯曲变形振动。本发明的扭转疲劳试验装置通过磁致伸缩驱动器3的伸缩运动，即可完成试件4的扭转疲劳试验，结构简单，且适应于不同长度的试件，灵活性高。另外，本发明将磁致伸缩材料驱动器应用于扭转疲劳试验装置，相比于普通压电陶瓷，响应时间仅百万分之一秒，频率特性好，工作频率可达20KHz，可实现超高频振动；另外，磁致伸缩系数比常用的压电陶瓷的电致伸缩系数大1～2个数量级，磁致伸缩应变时产生的推力很大，能量转换效率高达70％，大于压电陶瓷的40～60％，因此，在扭转疲劳试验过程中稳定性好，可靠性高，其磁致伸缩性能不随时间而变化，无疲劳，无过热失效问题。
为了使本发明中的磁致伸缩驱动器3的驱动杆与联轴转盘6外轮廓的连接更稳定，优选的，本发明中磁致伸缩驱动器3的驱动杆与联轴转盘6外轮廓的连接位置处设置有伸出连接凸台61，且每个伸出连接凸台61上均开设有凸台销钉孔；磁致伸缩驱动器3的驱动杆开有与凸台销钉孔同轴设置的驱动器销钉孔，以通过销钉依次穿过所述凸台销钉孔和驱动器销钉孔实现联轴转盘6与与磁致伸缩驱动器3的驱动杆的连接。当然，其他可以使本发明的磁致伸缩驱动器3的驱动杆与联轴转盘6外轮廓稳定连接的方式均可。
为方便试件4的装卸，本发明中试件4的顶端、扭转角位移放大器5与联轴转盘6相连接的一端和联轴转盘6上均设置有销钉孔；试件4上的销钉孔、扭转角位移放大器5上的销钉孔和联轴转盘6上的销钉孔同轴设置，通过销钉依次贯穿各销钉孔实现试件4、扭转角位移放大器5和联轴转盘6之间的固定连接。当然，其他可以使本发明中试件4、扭转角位移放大器5和联轴转盘6之间固定连接的方式均可。
本发明还提供了一种扭转疲劳试验方法，应用于上述扭转疲劳试验装置，具体包括以下步骤：
S1.根据预设的最低自振频率，进行有限元分析，确定试件的形状和尺寸；
S2.根据步骤S1确定的试件的形状和尺寸，制作试件，并将试件安装在扭转疲劳试验装置上；
S3.根据最低自振频率设定扭转疲劳试验装置中磁致伸缩驱动器的驱动频率；
S4.开启扭转疲劳试验装置，对试件进行扭转疲劳试验。
基于共振原理，磁致伸缩驱动器3的驱动频率应等于试件的最低自振频率，为了实现超高周疲劳试验，本发明中试件的最低自振频率优选采用15～20KHz。首先根据预先确定的试件的最低自振频率，考虑试件的材料特性，进行有限元分析，确定试件的形状和尺寸。另外在进行试件形状和尺寸设计时，试件两端的横截面直径为固定值，以方便与空气止推轴承以及扭转角位移放大器相配合，解决了不同试件需要采用不同空气止推轴承或扭转角位移放大器的问题。
试件的形状和尺寸确定后，制作试件，将试件安装在扭转疲劳试验装置上，根据试件的最低自振频率设定扭转疲劳试验装置中磁致伸缩驱动器的驱动频率，开启扭转疲劳试验装置，成对的磁致伸缩驱动器3的驱动杆同步以设定的相同的驱动频率伸出和收缩，带动联轴转盘6以同样频率进行转动，此转动谐振波经过扭转角位移放大器5放大后，作用于试件4使试件4达到扭转振动共振，实现超高频扭转振动载荷的加载。
本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (6)
1.一种磁致伸缩材料驱动的扭转疲劳试验装置，用于对试件进行扭转疲劳试验，其特征在于，所述扭转疲劳试验装置包括：底座、固定框架、空气止推轴承、磁致伸缩驱动器、扭转角位移放大器和联轴转盘；
所述底座呈矩形板状结构，所述底座的四个端角处垂直设置有固定框架导向柱；
所述固定框架呈矩形框架结构，所述固定框架上开设有与所述固定框架导向柱配合的导向孔；所述固定框架嵌套设置在固定框架导向柱上，可沿所述固定框架导向柱在竖直方向移动；
所述空气止推轴承设置在所述底座的中心位置，用于对所述试件的底端进行约束；
所述磁致伸缩驱动器具有四个且两两错位对称垂直设置于所述固定框架的内侧，所述磁致伸缩驱动器与所述底座平行，各个所述磁致伸缩驱动器的固定端分别与所述固定框架四面内侧壁固定连接，各个所述磁致伸缩驱动器的驱动杆均与所述联轴转盘的外轮廓连接，所述联轴转盘中心位置设置有用于与所述试件顶端连接的扭转角位移放大器，所述扭转角位移放大器与所述空气止推轴承同轴设置，四个所述磁致伸缩驱动器用于在试验时成对以同样频率伸长和缩短驱动所述联轴转盘带动所述扭转角位移放大器转动以实现所述试件的扭转疲劳试验。
2.根据权利要求1所述的扭转疲劳试验装置，其特征在于：所述磁致伸缩驱动器的驱动杆与所述联轴转盘的外轮廓连接处设置有伸出连接凸台，且每个所述伸出连接凸台上均开设有凸台销钉孔；所述磁致伸缩驱动器的驱动杆开有与所述凸台销钉孔同轴设置的驱动器销钉孔，以通过销钉依次穿过所述凸台销钉孔和所述驱动器销钉孔实现所述联轴转盘与所述磁致伸缩驱动器驱动杆的连接。
3.根据权利要求1所述的扭转疲劳试验装置，其特征在于：所述试件的顶端、所述扭转角位移放大器与所述联轴转盘相连接的一端和所述联轴转盘上均设置有销钉孔；所述试件上的销钉孔、所述扭转角位移放大器上的销钉孔和所述联轴转盘上的销钉孔同轴设置，以通过销钉依次贯穿各销钉孔实现试件、扭转角位移放大器和联轴转盘之间的固定连接。
4.一种扭转疲劳试验方法，应用于如权利要求1-3任一项所述的扭转疲劳试验装置，其特征在于，所述扭转疲劳试验方法包括：
S1.根据预设的最低自振频率，进行有限元分析，确定试件的形状和尺寸；
S2.根据步骤S1确定的试件的形状和尺寸，制作试件，并将所述试件安装在扭转疲劳试验装置上；
S3.根据所述最低自振频率设定所述扭转疲劳试验装置中磁致伸缩驱动器的驱动频率；
S4.开启所述扭转疲劳试验装置，对所述试件进行扭转疲劳试验。
5.根据权利要求4所述的扭转疲劳试验方法，其特征在于，所述最低自振频率为15～20KHz。
6.根据权利要求4所述的扭转疲劳试验方法，其特征在于，所述试件两端的横截面直径为预设固定值。
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2019
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