CN111551456B - 多轴载荷下机械零部件疲劳寿命监测传感器及设计方法 - Google Patents

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Abstract

一种多轴载荷下机械零部件疲劳寿命监测传感器及设计方法，能够搭配疲劳寿命箔实现机械零部件的疲劳寿命状态，属于机械结构疲劳监测技术领域。通过布置在机械零部件表面的疲劳寿命监测传感器安装脚与固定支座承受零件表面的多轴应力，通过每个承载悬臂上的疲劳寿命箔实时承受结构表面单向应力，将机械零件表面循环加载历程实时转化为疲劳寿命箔的电阻累积变化量，并通过本发明提出的多轴疲劳寿命监测模型，根据监测到的每个承载悬臂上疲劳寿命箔的电阻累积变化量获得机械零部件被测位置的多轴疲劳寿命状态，利用无线节点传输至计算机监控平台，即使反馈给工作人员，准确地评估结构健康状态，防止突发事故发生，确保机械设备安全工作。

Description

多轴载荷下机械零部件疲劳寿命监测传感器及设计方法
技术领域
本发明涉及一种多轴载荷下机械零部件局部剩余疲劳寿命监测传感器及其设计方法，属于机械结构疲劳监测技术领域。
背景技术
疲劳是指结构受到循环载荷作用时，结构的某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环周次后形成裂纹甚至完全断裂的现象。机械结构疲劳寿命监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，据统计，50％-90％的机械结构破坏是由疲劳损伤引起，因此，如何有效的监测工程结构的剩余疲劳寿命显得尤为重要。
目前，对于结构疲劳监测大多通过传统应变传感器长期实时监测机械零部件表面应变情况，并对监测数据定期分析计算以此得到结构的疲劳寿命，这种方法大多只适应单轴疲劳寿命预测，且所用到的监测系统庞大复杂，存在较多的数据传递环节，预测精度低、实时性与工程适应性差，难以及时反馈给工作人员机械设备的疲劳寿命状态。疲劳寿命箔是一种具有电阻累积功能的特殊应变片，可以通过电阻的累积变化值反映出结构的循环加载历程，从而实现零件的疲劳损伤及剩余寿命监测，但目前疲劳寿命箔对工程结构疲劳寿命监测的研究大多局限于单轴疲劳寿命监测领域，在承受多轴载荷的零件上难以应用。
基于以上情况，本发明提出一种多轴加载机械零部件局部剩余疲劳寿命监测传感器及其设计方法，可以在服役机械设备上长期监测零部件的疲劳寿命状态。采用多片疲劳寿命箔组合的方式实现结构多轴疲劳损伤状态监测的目的，解决了当前疲劳寿命箔只能进行单轴寿命预测的问题，拓宽了疲劳寿命箔应用领域；提出了一种寿命监测传感器结构设计模型，可以结合工程结构载荷特征灵活调整传感器结构形式；提出一种结构多轴疲劳寿命监测模型，可以根据疲劳寿命箔电阻的累积变化实时获取结构累积疲劳损伤与剩余疲劳寿命，确保机械设备安全可靠的工作，具有很好的实时性与实用性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种多轴加载条件下机械零部件剩余疲劳寿命监测传感器，实现对服役机械零部件的多轴疲劳寿命状态实时监测。利用疲劳寿命监测传感器的安装脚与固定支座承受零件表面的多轴应力，通过每个承载悬臂上的疲劳寿命箔实时承受结构表面单向应力，将机械零件表面循环加载历程实时转化为疲劳寿命箔的电阻累积变化量，并通过本发明提出的多轴疲劳寿命监测模型，根据监测到的每个承载悬臂上疲劳寿命箔的电阻累积变化量获得机械零部件被测位置的多轴疲劳寿命状态，利用无线节点传输至计算机监控平台，即使反馈给工作人员，准确地评估结构健康状态，防止突发事故发生，确保机械设备安全工作。
本发明的技术方案：
一种多轴加载机械零部件剩余疲劳寿命监测传感器，包括承载悬臂A、固定支座B、支座端盖C、无线节点D、疲劳寿命箔E；
所述的承载悬臂A上固定约束端设有一体结构的弧形滑动槽F，自由端设有悬臂安装脚G和螺栓孔H，悬臂上表面中心处粘贴有疲劳寿命箔E；
所述的固定支座B上开设三个不贯通的螺栓孔I和环形滑动槽J；
所述的支座端盖C上设有三个一体结构的限位块K并开设三个贯通的螺栓孔L，支座端盖C上表面粘贴有无线节点D。
一种多轴加载机械零部件剩余疲劳寿命监测传感器的设计方法，寿命监测传感器S通过单轴应力提取、载荷历程转化、多轴疲劳寿命运算的原理实现机械零部件表面剩余疲劳寿命监测，在被测机械零部件M表面安装寿命监测传感器S，利用每个承载支臂A的安装脚G与固定支座B承受被测机械零部件M表面应力，通过承载悬臂A的拉压变形实现对机械零部件M表面单轴应力的提取，从而使每个疲劳寿命箔E分别记录被测机械零部件表面的单向载荷历程，并通过无线节点D将每个疲劳寿命箔E的电阻累积变化量传输到计算机监控平台，实现结构多轴疲劳寿命的监测。机械零部件剩余疲劳寿命监测传感器S整体结构(如图1)。
从总体来看，寿命监测传感器S包括三部分：提取机械零部件M表面单轴应力的承载悬臂A；将单向载荷历程转化为累积电阻变化量并进行采集传输的疲劳寿命箔E和无线节点D；连接三个承载悬臂A并固定传感器的固定支座B；寿命监测传感器具体的设计方法如下：
(Ⅰ)构建寿命监测传感器结构设计模型
根据被测机械零部件M表面环境，承载悬臂A采用焊接、螺栓联接或胶水粘贴的方式将安装脚G安装在被测机械零部件M表面，在安装脚G处设计上下贯通的螺栓孔H，悬臂固定约束端开设弧形滑动槽F并在固定支座上设计半径相同的环形滑动槽J，用于承载悬臂A与固定支座B的联接；在固定支座B上设计不贯通的螺栓孔I，并在支座端盖C相同位置设计贯通的螺栓孔L，用于固定支座B与和支座端盖C的连接；根据悬臂固定约束端弧形滑动槽F的尺寸，在支座端盖C上设计一体结构的限位块K，用于限制传感器S工作过程中承载悬臂A的转动；承载悬臂A上表面中心位置沿悬臂方向粘贴疲劳寿命箔E，并在支座端盖C上表面粘贴无线节点D，用于疲劳寿命箔E电阻累积变化量的采集与传输；承载悬臂模型(如图2)，固定支座模型(如图3)，支座端盖模型(如图4)。
模型说明：两个限位块K之间的支座端盖弧长与弧形滑动槽F内侧的弧长之比为1.05，使承载悬臂A通过小幅度滑动抵消被测机械零部件M表面的横向应力；
(Ⅱ)建立结构多轴疲劳寿命预测模型
根据被测机械零部件M表面应力状态，沿最大应力方向安装其中一条承载悬臂A，其余两条承载悬臂两侧对称分布，三条承载悬臂在圆周上均匀布置，结构被测位置处的多轴剩余疲劳寿命预测模型如下：
Figure GDA0002970987800000041
其中：D—结构被测位置的多轴剩余疲劳寿命；
e—自然底数；
ε1、ε2、ε3—结构被测位置处沿各个承载悬臂方向的应变均值；
ΔR1、ΔR2、ΔR3—三个疲劳寿命箔分别对应的累积电阻变化量；
R—初始电阻值；
N1、N2、N3—结构S-N曲线上应变幅值ε1、ε2、ε3对应的极限循环周次；
a、b、c、d—疲劳寿命箔材料特性曲线拟合系数，分别取5.3×10-6、0.16、3.2×10-4、4.8×10-8；
α—最大应变影响系数，取值0.928～1.375；
β—多轴加载影响系数，取值0.575～0.823。
模型说明：由于疲劳寿命箔正常工作的门槛值较高，多轴剩余疲劳寿命预测模型在高应变受载结构上精度较好；
本发明的有益效果：针对目前结构剩余疲劳寿命监测领域尚无成型的专用监测传感器情况提出了一种多轴加载下机械零部件剩余疲劳寿命监测传感器，采用疲劳寿命箔进行结构多轴疲劳寿命监测，拓宽了疲劳寿命箔的应用领域，解决了当前结构剩余疲劳寿命监测困难的问题。
附图说明
图1是机械零部件剩余疲劳寿命监测传感器整体结构模型。
图2是承载悬臂设计模型。
图3是固定支座设计模型。
图4(a)是主视角下，支座端盖设计模型。
图4(b)是仰视角下，支座端盖设计模型。
图5是机械零部件剩余疲劳寿命监测传感器具体工作示意图。
图中：A承载悬臂；B固定支座；C支座端盖；D无线节点；E疲劳寿命箔；F弧形滑动槽；G悬臂安装脚；H贯通的螺栓孔；I不贯通的螺栓孔；J环形滑动槽；K限位块；L螺栓孔；N紧固螺栓；S多轴加载机械零部件剩余疲劳寿命监测传感器；M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5为机械零部件剩余疲劳寿命监测传感器具体工作示意图。寿命监测传感器S安装在被测机械零部件M表面，利用每个承载支臂A的安装脚G与固定支座B承受被测机械零部件M表面应力，通过承载悬臂A的拉压变形实现对机械零部件M表面单轴应力的提取，从而使每个疲劳寿命箔E分别记录被测机械零部件表面的单向载荷历程，并通过无线节点D将每个疲劳寿命箔E的电阻累积变化量传输到计算机监控平台，实现结构多轴疲劳寿命的监测。
(Ⅰ)构建寿命监测传感器结构设计模型
根据被测机械零部件M表面环境，承载悬臂A采用焊接、螺栓联接或胶水粘贴的方式将安装脚G安装在被测机械零部件M表面，在安装脚G处设计上下贯通的螺栓孔H，悬臂固定约束端开设弧形滑动槽F并在固定支座上设计半径相同的环形滑动槽J，用于承载悬臂A与固定支座B的联接；在固定支座B上设计不贯通的螺栓孔I，并在支座端盖C相同位置设计贯通的螺栓孔L，用于固定支座B与和支座端盖C的连接；根据悬臂固定约束端弧形滑动槽F的尺寸，在支座端盖C上设计一体结构的限位块K，用于限制传感器S工作过程中承载悬臂A的转动；承载悬臂A上表面中心位置沿悬臂方向粘贴疲劳寿命箔E，并在支座端盖C上表面粘贴无线节点D，用于疲劳寿命箔E电阻累积变化量的采集与传输；承载悬臂模型(如图2)，固定支座模型(如图3)，支座端盖模型(如图4)。
(Ⅱ)建立结构多轴疲劳寿命预测模型
根据被测机械零部件M表面应力状态，沿最大应力方向安装其中一条承载悬臂A，其余两条承载悬臂两侧对称分布，三条承载悬臂在圆周上均匀布置，结构被测位置处的多轴剩余疲劳寿命预测模型如下：
Figure GDA0002970987800000061
其中：D—结构被测位置的多轴剩余疲劳寿命；
e—自然底数；
ε1、ε2、ε3—结构被测位置处沿各个承载悬臂方向的应变均值；
ΔR1、ΔR2、ΔR3—三个疲劳寿命箔分别对应的累积电阻变化量；
R—初始电阻值；
N1、N2、N3—结构S-N曲线上应变幅值ε1、ε2、ε3对应的极限循环周次；
a、b、c、d—疲劳寿命箔材料特性曲线拟合系数，分别取5.3×10-6、0.16、3.2×10-4、4.8×10-8；
α—最大应变影响系数，取值0.928～1.375；
β—多轴加载影响系数，取值0.575～0.823；
模型说明：
(1)由于机械零部件剩余疲劳寿命监测传感器S需要长时间承受交变载荷，在材料选择时承载悬臂A采用合金钢材料。
(2)两个限位块K之间的支座端盖弧长与弧形滑动槽F内侧的弧长之比为1.05，使承载悬臂A通过小幅度滑动抵消被测机械零部件M表面的横向应力；
(3)由于疲劳寿命箔正常工作的门槛值较高，多轴剩余疲劳寿命预测模型在高应变受载结构上精度较好。

Claims (3)

1.一种多轴载荷下机械零部件疲劳寿命监测传感器的设计方法，其特征在于：
所述的多轴载荷下机械零部件局部剩余疲劳寿命监测传感器(S)包括承载悬臂(A)、固定支座(B)、支座端盖(C)、无线节点(D)和疲劳寿命箔(E)；
所述的承载悬臂(A)上的固定约束端设有一体结构的弧形滑动槽(F)，自由端设有悬臂安装脚(G)和螺栓孔(H)，承载悬臂(A)上表面中心处粘贴有疲劳寿命箔(E)；
所述的固定支座(B)上开设三个不贯通的螺栓孔(I)和环形滑动槽(J)；
所述的支座端盖(C)上设有三个一体结构的限位块(K)并开设三个贯通的螺栓孔(L)，限位块(K)与固定支座(B)上的环形滑动槽(J)相互配合，贯通的螺栓孔(L)与不贯通的螺栓孔(I)位置对应；支座端盖(C)上表面粘贴有无线节点(D)；
多轴载荷下机械零部件局部剩余疲劳寿命监测传感器(S)的设计方法包括三部分：提取被测机械零部件(M)表面单轴应力的承载悬臂(A)；将单向载荷历程转化为累积电阻变化量并进行采集传输的疲劳寿命箔(E)和无线节点(D)；连接三个承载悬臂(A)并固定传感器的固定支座(B)；
寿命监测传感器具体的设计方法如下：
(Ⅰ)构建寿命监测传感器结构设计模型
根据被测机械零部件(M)表面环境，承载悬臂(A)采用焊接、螺栓联接或胶水粘贴的方式将安装脚(G)安装在被测机械零部件(M)表面，在安装脚(G)处设计上下贯通的螺栓孔(H)，承载悬臂(A)固定约束端开设弧形滑动槽(F)并在固定支座上设计半径相同的环形滑动槽(J)，用于承载悬臂(A)与固定支座(B)的联接；在固定支座(B)上设计不贯通的螺栓孔(I)，并在支座端盖(C)相同位置设计贯通的螺栓孔(L)，用于固定支座(B)与和支座端盖(C)的连接；根据承载悬臂(A)固定约束端弧形滑动槽(F)的尺寸，在支座端盖(C)上设计一体结构的限位块(K)，用于限制传感器(S)工作过程中承载悬臂(A)的转动；承载悬臂(A)上表面中心位置沿悬臂方向粘贴疲劳寿命箔(E)，并在支座端盖(C)上表面粘贴无线节点(D)，用于疲劳寿命箔(E)电阻累积变化量的采集与传输；
(Ⅱ)建立结构多轴疲劳寿命预测模型
根据被测机械零部件(M)表面应力状态，沿最大应力方向安装其中一条承载悬臂(A)，其余两条承载悬臂两侧对称分布，三条承载悬臂在圆周上均匀布置，结构被测位置处的多轴剩余疲劳寿命预测模型如下：
Figure FDA0002970987790000021
其中：D—结构被测位置的多轴剩余疲劳寿命；
e—自然底数；
ε1、ε2、ε3—结构被测位置处沿各个承载悬臂方向的应变均值；
ΔR1、ΔR2、ΔR3—三个疲劳寿命箔分别对应的累积电阻变化量；
R—初始电阻值；
N1、N2、N3—结构S-N曲线上应变幅值ε1、ε2、ε3对应的极限循环周次；
a、b、c、d—疲劳寿命箔材料特性曲线拟合系数，分别取5.3×10-6、0.16、3.2×10-4、4.8×10-8；
α—最大应变影响系数，取值0.928～1.375；
β—多轴加载影响系数，取值0.575～0.823。
2.根据权利要求1所述的设计方法，其特征在于，所述的承载悬臂(A)采用合金钢材料。
3.根据权利要求1或2所述的设计方法，其特征在于，所述的两个限位块(K)之间的支座端盖弧长与弧形滑动槽(F)内侧的弧长之比为1.05。
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