CN111413214A - 弹性试件谐振扭摆试验台及试验方法 - Google Patents

弹性试件谐振扭摆试验台及试验方法 Download PDF

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唐家兵
金红伟
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Abstract

本发明提供了一种弹性试件谐振扭摆试验台及试验方法。通过调节配重块的重量和摆动半径改变扭摆机构的谐振频率。启动电机驱动扭摆机构，在每个扭摆周期，闭环控制系统实时控制电机跟随扭摆方向顺向加载，产生激振并不断增强，使弹性试件的往复扭摆扭矩和角度逐渐增大，直到最大扭摆扭矩达到试验要求的最大扭矩。保持住该往复扭摆状态，进入疲劳扭摆试验，控制系统监控每次最大扭摆扭矩时的扭摆角度，当该角度突然增大并突变时，可判定弹性试件已损伤或失效。本发明利用谐振的原理，只须较小功率的电机即可驱动，适合各种弹性试件的疲劳扭摆试验，具有结构简单、尺寸小、节能、无噪声、无污染、频率高的特点。

Description

弹性试件谐振扭摆试验台及试验方法
技术领域
本发明涉及一种弹性试件谐振扭摆试验台及试验方法，试验台利用谐振的原理，只须较小功率的电机即可驱动，具有结构简单、尺寸小、节能、无噪声、无污染、频率高的特点，特别适合各种弹性试件的疲劳扭摆试验。
背景技术
目前国内外使用的弹性试件扭摆试验台主要采用伺服液压摆动油缸或电机直接驱动，没有配置能产生谐振的惯性摆杆和配重块等机构。伺服液压摆动油缸由于液压回流阻力、速度的限制，存在扭摆频率低，耗能高，试验台尺寸大，噪声和污染大的问题。电机直接驱动的试验台由于没有谐振机构，需配置很大功率的电机，能耗很高，整个试验台尺寸也很大。
发明内容
本发明提供了一种弹性试件谐振扭摆试验台及试验方法。通过调节配重块的重量和摆动半径改变扭摆机构的谐振频率。启动电机驱动扭摆机构，在每个扭摆周期，闭环控制系统实时控制电机跟随扭摆方向顺向加载，产生激振并不断增强，使弹性试件的往复扭摆扭矩和角度逐渐增大，直到最大扭摆扭矩达到试验要求的最大扭矩。保持住该往复扭摆状态，进入疲劳扭摆试验，控制系统监控每次最大扭摆扭矩时的扭摆角度，当该角度突然增大并突变时，可判定弹性试件已损伤或失效。本发明利用谐振的原理，只须较小功率的电机即可驱动，适合各种弹性试件的疲劳扭摆试验，具有结构简单、尺寸小、节能、无噪声、无污染、频率高的特点。
本发明的弹性试件谐振扭摆试验台主要由平板、惯性轴安装座、电机座子、电机(变频或伺服电机)、编码器、联轴器、惯性摆动轴、轴承座、轴承、惯性摆杆、配重块、扭转端法兰、弹性试件、测试端法兰、扭矩传感器、传感器安装座组成；平板是一块厚钢板，上面有T型槽，惯性轴安装座通过T型螺栓固定在平板上，电机座子安装在惯性轴安装座的一侧，电机固定在电机座子上，编码器装在电机后端；联轴器分别套装在电机输出轴和惯性摆动轴的输入轴，并用平键固定，惯性摆动轴的两侧轴肩分别装入轴承内孔中，轴承外圈装入轴承座中，两个轴承座分别装入惯性轴安装座两侧的装配孔中；惯性摆杆套装在惯性摆动轴的中间轴上，并用平键固定，配重块装在惯性摆杆的两侧；惯性摆动轴的输出轴安装在扭转端法兰的一侧内孔中，并用平键固定，弹性试件一侧的法兰盘与扭转端法兰的另一侧的法兰盘连接固定，弹性试件的另一侧法兰盘与测试端法兰盘连接固定；扭矩传感器通过法兰盘连接在测试端法兰盘的另一侧，扭矩传感器的另一侧法兰固定在传感器安装座上，传感器安装座通过T型螺栓固定在平板上。
试验台扭摆机构主要由电机、联轴器、惯性摆动轴、惯性摆杆、配重块、扭转端法兰、弹性试件、测试端法兰、扭矩传感器组成，扭摆机构的谐振周期公式是：
Figure BSA0000206489430000021
T-谐振周期
M-转动惯量
K-弹性试件扭转刚度
扭转刚度是由弹性试件的材料和尺寸决定的常数，转动惯量主要由惯性摆杆和装在上面的配重块重量以及惯性摆动半径决定，通过调节配重块的重量和摆动半径，就可改变谐振周期，谐振周期的倒数是扭摆机构的谐振频率。
弹性试件的往复扭摆角度和速度通过编码器实时检测，弹性试件的往复扭摆扭矩通过扭矩传感器实时检测。
弹性试件谐振扭摆试验方法、步骤如下：
①试验前将弹性试件安装固定在试验台上，把配重块装在惯性摆杆的两侧，启动电机向一个方向以扭矩方式产生一个扭矩(通常会用到电机的最大扭矩)，然后迅速释放电机扭矩，让电机处于自由状态，此时整个扭摆机构会产生幅值很小的往复扭摆，控制系统通过监测编码器的角度和速度信号便可得到往复扭摆的频率，该频率即为扭摆机构的谐振频率；
②反复多次调节配重块的重量和摆动半径改变扭摆机构的谐振频率，直到把扭摆机构的谐振频率调整到弹性试件试验要求的扭摆频率；
③启动电机驱动扭摆机构，在每个扭摆周期，闭环控制系统实时控制电机跟随扭摆方向顺向加载，产生激振并不断增强(类似于荡秋千的原理)，扭摆的幅度越来越大，使弹性试件的往复扭摆扭矩和角度逐渐增大，直到最大扭摆扭矩达到试验要求的最大扭矩；为保持住该最大扭矩幅值，控制系统自动调节每次往复扭摆时电机的加载扭矩及时间长短，使弹性试件正式处于试验要求的疲劳扭摆试验阶段；
④在弹性试件进入疲劳扭摆试验阶段后，控制系统监控每次最大扭摆扭矩时的扭摆角度，对于正常的弹性试件，在最大扭矩时，该最大扭摆角度通常是基本保持不变的；当该角度突然增大并突变时，可判定弹性试件已损伤或失效，控制系统自动停止试验，检查弹性试件；
⑤由于弹性试件的形状、尺寸，以及两侧连接方式各异，在做不同弹性试件的谐振扭摆试验时，需更换与之匹配的扭转端法兰、测试端法兰，以满足各种弹性试件的连接固定要求；
⑥根据弹性试件的不同的试验要求，通过将配重块装在惯性摆杆的两侧或单侧，可分别进行对称谐振扭摆试验或不对称式谐振扭摆试验。
本发明提供了一种弹性试件谐振扭摆试验台及试验方法，试验台利用谐振的原理，只须较小功率的电机即可驱动，具有结构简单、尺寸小、节能、无噪声、无污染、频率高的特点，特别适合各种弹性试件的疲劳扭摆试验，具有很好的应用价值。
附图说明
图1是本发明的弹性试件谐振扭摆试验台的配重块装在惯性摆杆两侧时的三维效果图。
图2是本发明的弹性试件谐振扭摆试验台的配重块装在惯性摆杆单侧时的三维效果图。
图3是本发明的弹性试件谐振扭摆试验台的电机到惯性摆动轴部分的局部的三维剖视图。
1-平板，2-惯性轴安装座，3-配重块，4-电机，5-惯性摆杆，6-轴承座，7-弹性试件，8-传感器安装座，9-编码器，10-电机座子，11-测试端法兰，12-扭矩传感器，13-联轴器，14-轴承，15-扭转端法兰，16-惯性摆动轴
具体实施方式
本发明的弹性试件谐振扭摆试验台主要由平板1、惯性轴安装座2、电机座子10、电机4(变频或伺服电机)、编码器9、联轴器13、惯性摆动轴16、轴承座6、轴承14、惯性摆杆5、配重块3、扭转端法兰15、弹性试件7、测试端法兰11、扭矩传感器12、传感器安装座8组成；平板1是一块厚钢板，上面有T型槽，惯性轴安装座2通过T型螺栓固定在平板1上，电机座子10安装在惯性轴安装座2的一侧，电机4固定在电机座子10上，编码器9装在电机4后端；联轴器13分别套装在电机4输出轴和惯性摆动轴16的输入轴，并用平键固定，惯性摆动轴16的两侧轴肩分别装入轴承14内孔中，轴承14外圈装入轴承座6中，两个轴承座6分别装入惯性轴安装座2两侧的装配孔中；惯性摆杆5套装在惯性摆动轴16的中间轴上，并用平键固定，配重块3装在惯性摆杆5的两侧；惯性摆动轴16的输出轴安装在扭转端法兰15的一侧内孔中，并用平键固定，弹性试件7一侧的法兰盘与扭转端法兰15的另一侧的法兰盘连接固定，弹性试件7的另一侧法兰盘与测试端法兰盘11连接固定；扭矩传感器12通过法兰盘连接在测试端法兰盘11的另一侧，扭矩传感器12的另一侧法兰固定在传感器安装座8上，传感器安装座8通过T型螺栓固定在平板1上。
试验台扭摆机构主要由电机4、联轴器13、惯性摆动轴16、惯性摆杆5、配重块3、扭转端法兰15、弹性试件7、测试端法兰15、扭矩传感器12组成，扭摆机构的谐振周期公式是：
Figure BSA0000206489430000031
T-谐振周期
M-转动惯量
K-弹性试件扭转刚度
扭转刚度是由弹性试件7的材料和尺寸决定的常数，转动惯量主要由惯性摆杆5和装在上面的配重块3重量以及惯性摆动半径决定，通过调节配重块3的重量和摆动半径，就可改变谐振周期，谐振周期的倒数是扭摆机构的谐振频率。
弹性试件7的往复扭摆角度和速度通过编码器9实时检测，弹性试件7的往复扭摆扭矩通过扭矩传感器12实时检测。
弹性试件7谐振扭摆试验方法、步骤如下：
1-平板，2-惯性轴安装座，3-配重块，4-电机，5-惯性摆杆，6-轴承座，7-弹性试件，8-传感器安装座，9-编码器，10-电机座子，11-测试端法兰，12-扭矩传感器，13-联轴器，14-轴承，15-扭转端法兰，16-惯性摆动轴
①试验前将弹性试件7安装固定在试验台上，把配重块3装在惯性摆杆5的两侧，启动电机4向一个方向以扭矩方式产生一个扭矩(通常会用到电机4的最大扭矩)，然后迅速释放电机4扭矩，让电机4处于自由状态，此时整个扭摆机构会产生幅值很小的往复扭摆，控制系统通过监测编码器9的角度和速度信号便可得到往复扭摆的频率，该频率即为扭摆机构的谐振频率；
②反复多次调节配重块3的重量和摆动半径改变扭摆机构的谐振频率，直到把扭摆机构的谐振频率调整到弹性试件7试验要求的扭摆频率；
③启动电机4驱动扭摆机构，在每个扭摆周期，闭环控制系统实时控制电机4跟随扭摆方向顺向加载，产生激振并不断增强(类似于荡秋千的原理)，扭摆的幅度越来越大，使弹性试件7的往复扭摆扭矩和角度逐渐增大，直到最大扭摆扭矩达到试验要求的最大扭矩；为保持住该最大扭矩幅值，控制系统自动调节每次往复扭摆时电机4的加载扭矩及时间长短，使弹性试件7正式处于试验要求的疲劳扭摆试验阶段；
④在弹性试件7进入疲劳扭摆试验阶段后，控制系统监控每次最大扭摆扭矩时的扭摆角度，对于正常的弹性试件7，在最大扭矩时，该最大扭摆角度通常是基本保持不变的；当该角度突然增大并突变时，可判定弹性试件7已损伤或失效，控制系统自动停止试验，检查弹性试件7：
⑤由于弹性试件7的形状、尺寸，以及两侧连接方式各异，在做不同弹性试件7的谐振扭摆试验时，需更换与之匹配的扭转端法兰15、测试端法兰11，以满足各种弹性试件7的连接固定要求；
⑥根据弹性试件7的不同的试验要求，通过将配重块3装在惯性摆杆5的两侧或单侧，可分别进行对称谐振扭摆试验或不对称式谐振扭摆试验。

Claims (2)

1.弹性试件谐振扭摆试验台，主要由平板、惯性轴安装座、电机座子、电机、编码器、联轴器、惯性摆动轴、轴承座、轴承、惯性摆杆、配重块、扭转端法兰、弹性试件、测试端法兰、扭矩传感器、传感器安装座组成；其特征是：平板是一块厚钢板，上面有T型槽，惯性轴安装座通过T型螺栓固定在平板上，电机座子安装在惯性轴安装座的一侧，电机固定在电机座子上，编码器装在电机后端；联轴器分别套装在电机输出轴和惯性摆动轴的输入轴，并用平键固定，惯性摆动轴的两侧轴肩分别装入轴承内孔中，轴承外圈装入轴承座中，两个轴承座分别装入惯性轴安装座两侧的装配孔中；惯性摆杆套装在惯性摆动轴的中间轴上，并用平键固定，配重块装在惯性摆杆的两侧；惯性摆动轴的输出轴安装在扭转端法兰的一侧内孔中，并用平键固定，弹性试件一侧的法兰盘与扭转端法兰的另一侧的法兰盘连接固定，弹性试件的另一侧法兰盘与测试端法兰盘连接固定；扭矩传感器通过法兰盘连接在测试端法兰盘的另一侧，扭矩传感器的另一侧法兰固定在传感器安装座上，传感器安装座通过T型螺栓固定在平板上；试验台扭摆机构主要由电机、联轴器、惯性摆动轴、惯性摆杆、配重块、扭转端法兰、弹性试件、测试端法兰、扭矩传感器组成；
2.根据权利要求1所述的弹性试件谐振扭摆试验台，其试验方法的特征是：试验前将弹性试件安装固定在试验台上，把配重块装在惯性摆杆的两侧，启动电机向一个方向以扭矩方式产生一个扭矩(通常会用到电机的最大扭矩)，然后迅速释放电机扭矩，让电机处于自由状态，此时整个扭摆机构会产生幅值很小的往复扭摆，控制系统通过监测编码器的角度和速度信号便可得到往复扭摆的频率，该频率即为扭摆机构的谐振频率；反复多次调节配重块的重量和摆动半径改变扭摆机构的谐振频率，直到把扭摆机构的谐振频率调整到弹性试件试验要求的扭摆频率；启动电机驱动扭摆机构，在每个扭摆周期，闭环控制系统实时控制电机跟随扭摆方向顺向加载，产生激振并不断增强(类似于荡秋千的原理)，扭摆的幅度越来越大，使弹性试件的往复扭摆扭矩和角度逐渐增大，直到最大扭摆扭矩达到试验要求的最大扭矩；为保持住该最大扭矩幅值，控制系统自动调节每次往复扭摆时电机的加载扭矩及时间长短，使弹性试件正式处于试验要求的疲劳扭摆试验阶段；在弹性试件进入疲劳扭摆试验阶段后，控制系统监控每次最大扭摆扭矩时的扭摆角度，对于正常的弹性试件，在最大扭矩时，该最大扭摆角度通常是基本保持不变的；当该角度突然增大并突变时，可判定弹性试件已损伤或失效，控制系统自动停止试验，检查弹性试件；由于弹性试件的形状、尺寸，以及两侧连接方式各异，在做不同弹性试件的谐振扭摆试验时，需更换与之匹配的扭转端法兰、测试端法兰，以满足各种弹性试件的连接固定要求；根据弹性试件的不同的试验要求，通过将配重块装在惯性摆杆的两侧或单侧，可分别进行对称谐振扭摆试验或不对称式谐振扭摆试验。
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CN112595503A (zh) * 2020-11-26 2021-04-02 浙江晟克科技有限公司 扭转疲劳试验驱动机构、试验机、测试方法和存储介质

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