CN111412951A - 冲击载荷下机械零件振动疲劳载荷实时监测传感器及设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种冲击载荷下机械零件振动疲劳载荷实时监测传感器及设计方法，属于机械零部件振动疲劳寿命监测技术领域。利用振动疲劳载荷监测传感器的圆环安装座承受机械结构表面的应力并实时监测；通过随机械零部件工作时振动而摆动的振动摆杆，使得中心连接块与圆环安装座之间弹性杆发生变形，从而将机械零件被测位置工作时的振动特征转化为弹性杆的应变特征，并通过安装在弹性杆上的应变测量电路实现机械零件表面振动特征的实时监测，确保结构表面应变特征与振动特征的时序一致性，同时利用无线传输将结构振动疲劳载荷信息传入计算机监控平台，及时反馈给操作人员，对机械零部件振动疲劳寿命进行分析，防止突发事故的产生，确保机械设备安全可靠的运行。

Description

冲击载荷下机械零件振动疲劳载荷实时监测传感器及设计 方法
技术领域
本发明涉及一种应变式机械零部件表面振动疲劳载荷实时监测传感器及设计方法，具体涉及一种冲击载荷下机械结构表面加速度应变同步实时监测传感器，属于机械零部件振动疲劳寿命监测技术领域。
背景技术
结构疲劳是指在循环载荷作用下，结构某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹甚至完全断裂的现象，结构疲劳寿命预测问题一直是机械领域的重要课题。复杂机械系统的失效，例如飞机发动机、汽车、核电站、大型隧道掘进机等的事故，会引起重大的伤亡、巨大的经济损失以及环境破坏，因此，工程结构的疲劳监测问题亟需解决；目前，对于疲劳监测方面大多依赖传统应变传感器，实时监测结构表面应变，并对监测数据定期分析计算以此得到结构的疲劳寿命；而机械设备受到冲击载荷时，结构表面除循环应力外还伴有高频的冲击振动，这些冲击振动的存在会导致机械零部件性能快速退化，提前达到疲劳寿命极限，使机械设备的使用寿命严重降低且易造成突发事故；在结构疲劳监测时，若采用传统应变传感器与加速度传感器同时使用的方法会使监测系统体积庞大，且无法在零件承受高频载荷下实现结构表面单点的循环应力与振动特征之间的映射，因此，研究一种可监测结构表面循环应力及振动特性的机械结构振动疲劳载荷监测传感系统有着重要意义
基于以上情况，本发明提出了一种振动疲劳载荷实时监测传感器，能够在正服役机械设备零部件上实时监测其结构的振动疲劳载荷。基于应变转移技术，将结构表面应变转移到振动疲劳载荷传感器上，并通过应变电测技术实现结构表面循环应变的实时监测；同时基于结构力学特性，能够将结构表面振动特征转化为应变特征，并通过应变电测技术实现结构表面振动特征的实时监测，解决了结构表面循环应变与振动特征采集的时序一致问题，保证了结构振动疲劳分析数据来源的准确性，确保机械设备安全可靠运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种冲击载荷下机械结构振动疲劳载荷实时监测传感系统及设计方法，利用振动疲劳载荷监测传感器的圆环安装座承受机械结构表面的应力，并采用圆环安装座上的应变片实时监测零件被测位置应变；通过机械零部件在工作时振动疲劳载荷监测传感器中心块上方振动摆杆的摆动，使得中心连接块与圆环安装座之间弹性杆发生变形，从而将机械零件被测位置工作时的振动特征转化为弹性杆的应变特征，并通过安装在弹性杆上的应变测量电路实现机械零件表面振动特征的实时监测，确保结构表面应变特征与振动特征的时序一致性，同时利用无线传输将结构振动疲劳载荷信息传入计算机监控平台，及时反馈给操作人员，准确地对机械零部件振动疲劳寿命进行分析，防止突发事故的产生，确保机械设备安全可靠的运行。
本发明的技术方案：
一种机械零部件振动疲劳载荷监测传感器，包括机械结构主体1、数据处理单元2和封装盖板3；
所述的机械结构主体1的中心设有中心连接块1-2，通过四个弹性杆1-5与圆环安装座1-1联接，四个弹性杆1-5成十字分布；
所述的中心连接块1-2上设有一体结构的振动摆杆1-3；
所述的圆环安装座1-1上粘贴有应变片1-4和导线柱1-6；
所述的数据处理单元2安装在封装盖板3上；
所述的封装盖板3上设有弧形切口3-1、导线孔3-2和中心孔3-3。
一种冲击振动载荷下机械结构振动疲劳载荷监测传感器设计方法，传感器A通过应变提取、应变转移和参量转化的原理对机械结构表面应变与振动进行监测，在被测机械零部件B表面安装振动疲劳载荷监测传感器A，利用圆环安装座1-1承受结构表面应力，将机械结构表面应力转移到圆环安装座1-1上表面，并通过其上的应变片1-4提取到数据处理单元2中，实现机械零部件表面多轴应变监测；通过振动摆杆1-3感受机械零部件B在工作时的振动，并将振动信息通过中心连接块1-2转化为弹性杆1-5的变形，从而通过弹性杆1-5上的应变片1-4实现机械零件B表面振动特征的实时监测。振动疲劳载荷监测传感器A整体结构(如图1)。
从总体上来看，振动疲劳载荷监测传感器A包括五部分：将被测机械结构B表面应力进行传递的圆环安装座1-1；将各个弹性杆1-5和振动摆杆1-3进行连接的中心连接块1-2；感受机械零部件B表面振动的振动摆杆1-3；对应变数据进行采集的数据处理单元2；封装机械结构本体1并放置数据处理单元2的封装盖板3；机械结构振动疲劳载荷监测传感器A具体的设计方法如下：
(Ⅰ)构建振动疲劳载荷监测传感器结构设计模型
1)机械结构本体设计模型：根据被测机械零部件B表面环境，圆环安装座1-1通过胶水粘贴方式或焊接方式安装在被测机械零部件B表面，在圆环安装座1-1内侧壁通过焊接方式对称设计4个弹性杆1-5，圆环安装座1-1中心设有方形中心连接块1-2通过焊接方式分别与四条弹性杆1-5联接；中心连接块1-2中心处采用焊接或铆接方式固定振动摆杆1-3；四条弹性杆1-5上表面分别粘贴应变片1-4与导线柱1-6，并在圆环安装座1-1上表面沿圆周方向均匀布置6个应变片1-4；振动疲劳监测传感器机械结构本体设计模型(如图2)
2)封装盖板设计模型：根据机械结构本体1上的应变片1-4及导线柱1-6的分布位置，封装盖板3上设有6个弧形切口3-1和四个导线孔3-2，并根据振动摆杆1-3杆体直径，在封装盖板3中心位置开设中心孔3-3，封装盖板3通过胶水粘贴方式与圆环安装座1-1联接；数据处理单元2粘贴在封装盖板3上，并通过导线与导线柱1-6连接。振动疲劳载荷监测传感器封装盖板设计模型(如图3)。
(Ⅱ)等效主应变监测模型
1)针对承受单轴载荷的机械零部件B，在传感器A安装时，使圆环安装座1-1上粘贴的任意一个应变片1-4的丝栅方向与加载方向相同，等效主应变监测模型如下：
Figure BDA0002449674990000041
式中：ε1、ε2—圆环安装座上沿零件加载方向上两个应变片的应变值；
εO—机械零部件被测位置的等效主应变；
α—传感器尺寸影响系数，1.01～1.25，随待测机械零部件B与圆环安装座1-1厚度之比的增大而减小；
2)针对承受多轴载荷的机械零部件B，等效主应变监测模型如下：
Figure BDA0002449674990000042
式中：εO—机械零部件被测位置的等效主应变；
εi—圆环安装座上应变片的应变值，取任意一个应变片的应变值为ε1，沿顺时针方向其余应变片的应变值依次为ε2、ε3、ε4、ε5、ε6；
α—传感器尺寸影响系数，取值为1.01～1.25，随待测机械零部件B与圆环安装座1-1厚度之比的增大而减小；。
(Ⅲ)振动加速度监测模型
被测机械零部件B表面振动加速度监测模型为二维加速度，分别由两条在同一直线方向上的弹性杆1-5上应变片的应变值测量；
Figure BDA0002449674990000051
式中：ax,y—机械零部件被测位置的单向加速度；
m—振动摆杆质量；
b—弹性杆厚度；
l—弹性杆、振动摆杆长度；
x—弹性杆上应变片中心距离圆环安装座长度；
E—弹性杆的材料弹性模量；
ε1、ε2—弹性杆沿振动加速度指示方向上两个应变片的应变值；
误差说明：由于等效应变误差与机械零部件的结构形式、承受的载荷以及监测传感器尺寸有很大关系，因此这种监测传感器的尺寸不能过大，经过一些工程试验，圆环安装座的半径一般不超过100mm。由于机械零部件运行工况复杂，这种监测方法存在一定的误差，但在工程中可以接受。
本发明的有益效果：针对目前疲劳监测领域无法解决高频冲击载荷下机械零部件循环应力与振动加速度时序匹配的问题提出了一种机械零部件振动疲劳载荷监测传感器及设计方法，采用单一载荷测量器件、数据实时运算得到多物理场参数进行振动疲劳载荷实时监测，解决了当前国内外对机械零部件表面循环应力与振动特性无法在同一时序下监测问题，使机械结构振动疲劳分析理论可以与工程实际结合，确保机械设备安全可靠运行。
附图说明
图1是振动疲劳载荷监测传感器整体结构模型。
图2是机械结构主体图。
图3是封装盖板模型。
图4是振动疲劳载荷监测传感器具体工作示意图。
图中：1机械结构主体；1-1圆环安装座；1-2中心连接块；1-3振动摆杆；1-4应变片；1-5弹性杆；1-6导线柱；2数据处理单元；3封装盖板；3-1弧形切口；3-2导线孔；3-3中心孔；A冲击载荷下机械零件振动疲劳载荷实时监测传感器；B被测机械零部件。
具体实施方式
下面结合附图及技术方案，详细说明本发明的具体实施方式。
图4为振动疲劳载荷监测传感器具体工作示意图。振动疲劳载荷监测传感器A通过圆环安装座1-1安装在被测机械零部件B表面，利用圆环安装座1-1承受结构表面应力，将机械结构表面应力转移到圆环安装座1-1上表面，并通过其上的应变片1-4提取到数据处理单元2中，实现机械零部件表面多轴应变监测；通过振动摆杆1-3感受机械零部件B在工作时的振动，并将振动信息通过中心连接块1-2转化为弹性杆1-5的变形，从而通过弹性杆1-5上的应变片1-4实现机械零件B表面振动特征的实时监测。
(Ⅰ)构建振动疲劳载荷监测传感器结构设计模型
1)机械结构本体设计模型：根据被测机械零部件B表面环境，圆环安装座1-1通过胶水粘贴方式或焊接方式安装在被测机械零部件B表面，在圆环安装座1-1内侧壁通过焊接方式对称安装4个弹性杆1-5，圆环安装座1-1中心设有方形中心连接块1-2通过焊接方式分别与四条弹性杆1-5联接；中心连接块1-2中心处采用焊接或铆接方式固定振动摆杆1-3；四条弹性杆1-5上表面分别粘贴应变片1-4与导线柱1-6，并在圆环安装座1-1上表面沿圆周方向均匀布置6个应变片1-4；振动疲劳监测传感器机械结构本体设计模型(如图2)
2)封装盖板设计模型：根据机械结构本体1上的应变片1-4及导线柱1-6的分布位置，封装盖板3上设有6个弧形切口3-1和四个导线孔3-2，并根据振动摆杆1-3杆体直径，在封装盖板3中心位置开设中心孔3-3，封装盖板3通过胶水粘贴方式与圆环安装座1-1联接；数据处理单元2粘贴在封装盖板3上，并通过导线与导线柱1-6连接。振动疲劳载荷监测传感器封装盖板设计模型(如图3)。
模型说明：当机械零部件B表面环境较好且表面不平度较低时，选择胶水安装形式将圆环安装座1-1安装在机械零部件表面，当机械零部件B表面环境较差不适合胶水粘贴时选用焊接方式对圆环安装座1-1进行安装。
(Ⅱ)等效主应变监测模型
1)针对承受单轴载荷的机械零部件B，在传感器A安装时，使圆环安装座1-1上粘贴的任意一个应变片1-4的丝栅方向与加载方向相同，等效主应变监测模型如下：
Figure BDA0002449674990000071
式中：ε1、ε2—圆环安装座上沿零件加载方向上两个应变片的应变值；
εO—机械零部件被测位置的等效主应变；
α—传感器尺寸影响系数，1.01～1.25，随待测机械零部件B与圆环安装座1-1厚度之比的增大而减小；
2)针对承受多轴载荷的机械零部件B，等效主应变监测模型如下：
Figure BDA0002449674990000072
式中：εO—机械零部件被测位置的等效主应变；
εi—圆环安装座上应变片的应变值，取任意一个应变片的应变值为ε1，沿顺时针方向其余应变片的应变值依次为ε2、ε3、ε4、ε5、ε6；
α—传感器尺寸影响系数，取值为1.01～1.25，随待测机械零部件B与圆环安装座1-1厚度之比的增大而减小；。
模型说明：
(1)由于振动疲劳监测传感器A需要长时间承受交变载荷，在材料选择时圆环安装座1-1、中心连接块1-2、振动摆杆1-3采用合金钢材料，弹性杆1-5选用弹性模量低的材料。
(2)在结构设计允许情况下，适当减小圆环安装座半径可以有效提高振动疲劳载荷监测精度。
(3)由于振动疲劳载荷监测传感器A各个部件实际加工和安装误差、被测机械零件B表面结构及环境可能复杂多变，在进行振动疲劳载荷监测时在合理的范围内可能存在一定的误差。

Claims (4)

1.一种冲击载荷下机械零件振动疲劳载荷实时监测传感器，其特征在于，所述的冲击载荷下机械零件振动疲劳载荷实时监测传感器(A)包括机械结构主体(1)、数据处理单元(2)和封装盖板(3)；
所述的机械结构主体(1)包括圆环安装座(1-1)、中心连接块(1-2)、振动摆杆(1-3)、应变片(1-4)、弹性杆(1-5)和导线柱(1-6)；
所述的机械结构主体(1)的中心设有中心连接块(1-2)，通过四个弹性杆(1-5)与圆环安装座(1-1)联接，四个弹性杆(1-5)成十字分布；
所述的中心连接块(1-2)上设有一体结构的振动摆杆(1-3)；
所述的圆环安装座(1-1)上粘贴有应变片(1-4)和导线柱(1-6)；
所述的数据处理单元(2)安装在封装盖板(3)上；
所述的封装盖板(3)盖装在机械结构主体(1)上，其设有弧形切口(3-1)、导线孔(3-2)和中心孔(3-3)。
2.根据权利要求1所述的冲击载荷下机械零件振动疲劳载荷实时监测传感器，其特征在于，所述的圆环安装座(1-1)、中心连接块(1-2)和振动摆杆(1-3)采用合金钢材料，弹性杆(1-5)选用弹性模量低的材料。
3.一种冲击载荷下机械零件振动疲劳载荷实时监测传感器的设计方法，其特征在于，步骤如下：
冲击载荷下机械零件振动疲劳载荷实时监测传感器(A)包括五部分：将被测机械结构(B)表面应力进行传递的圆环安装座(1-1)；将各个弹性杆(1-5)和振动摆杆(1-3)进行连接的中心连接块(1-2)；感受机械零部件(B)表面振动的振动摆杆(1-3)；对应变数据进行采集的数据处理单元(2)；封装机械结构本体(1)并放置数据处理单元(2)的封装盖板(3)；机械结构振动疲劳载荷监测传感器(A)具体的设计方法如下：
(Ⅰ)构建振动疲劳载荷监测传感器结构设计模型
1)机械结构本体设计模型：根据被测机械零部件(B)表面环境，圆环安装座(1-1)通过胶水粘贴方式或焊接方式安装在被测机械零部件(B)表面，在圆环安装座(1-1)内侧壁通过焊接方式对称设计4个弹性杆(1-5)，圆环安装座(1-1)中心设有方形中心连接块(1-2)通过焊接方式分别与四条弹性杆(1-5)联接；中心连接块(1-2)中心处采用焊接或铆接方式固定振动摆杆(1-3)；四条弹性杆(1-5)上表面分别粘贴应变片(1-4)与导线柱(1-6)，并在圆环安装座(1-1)上表面沿圆周方向均匀布置6个应变片(1-4)；
2)封装盖板设计模型：根据机械结构本体(1)上的应变片(1-4)及导线柱(1-6)的分布位置，封装盖板(3)上设有6个弧形切口(3-1)和四个导线孔(3-2)，并根据振动摆杆(1-3)杆体直径，在封装盖板(3)中心位置开设中心孔(3-3)，封装盖板(3)通过胶水粘贴方式与圆环安装座(1-1)联接；数据处理单元(2)粘贴在封装盖板(3)上，并通过导线与导线柱(1-6)连接；
(Ⅱ)等效主应变监测模型
1)针对承受单轴载荷的机械零部件(B)，在传感器(A)安装时，使圆环安装座(1-1)上粘贴的任意一个应变片(1-4)的丝栅方向与加载方向相同，等效主应变监测模型如下：
Figure FDA0002449674980000021
式中：ε1、ε2—圆环安装座上沿零件加载方向上两个应变片的应变值；
εO—机械零部件被测位置的等效主应变；
α—传感器尺寸影响系数，1.01～1.25，随待测机械零部件(B)与圆环安装座(1-1)厚度之比的增大而减小；
2)针对承受多轴载荷的机械零部件(B)，等效主应变监测模型如下：
Figure FDA0002449674980000031
式中：εO—机械零部件被测位置的等效主应变；
εi—圆环安装座上应变片的应变值，取任意一个应变片的应变值为ε1，沿顺时针方向其余应变片的应变值依次为ε2、ε3、ε4、ε5、ε6；
α—传感器尺寸影响系数，取值为1.01～1.25，随待测机械零部件B与圆环安装座1-1厚度之比的增大而减小；
(Ⅲ)振动加速度监测模型
被测机械零部件(B)表面振动加速度监测模型为二维加速度，分别由两条在同一直线方向上的弹性杆(1-5)上应变片的应变值测量；
Figure FDA0002449674980000032
式中：ax,y—机械零部件被测位置的单向加速度；
m—振动摆杆质量；
b—弹性杆厚度；
l—弹性杆、振动摆杆长度；
x—弹性杆上应变片中心距离圆环安装座长度；
E—弹性杆的材料弹性模量；
ε1、ε2—弹性杆沿振动加速度指示方向上两个应变片的应变值。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其他特征在于，在结构设计允许情况下，减小圆环安装座半径有效提高振动疲劳载荷监测精度。
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