CN113567229A - 环氧树脂模型破裂试验的加载装置及调试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了环氧树脂模型破裂试验的加载装置及调试方法，属于实验力学技术领域，加载装置，由电控系统、检测传感系统、系统软件和机械工装组成，电控系统包括PLC可编程控制器、上位机、变频调速器和电机，机械工装包括用于支撑固定电机的基座、安装于电机输出轴的梅花节弹性联轴器、传动轴、立柱式轴承座和温箱内轴承座。本发明进行环氧树脂模型破裂试验时模拟原型的真实工作条件，利用模型的过渡态模拟原型的弹塑态，提高了试验精度。对环氧树脂模型增加周向预紧力减少了模型破裂前的变形量使试验更符合原型的真实工作条件。

Description

环氧树脂模型破裂试验的加载装置及调试方法

技术领域

本发明属于实验力学技术领域，具体是一种环氧树脂模型破裂试验的加载装置及调试方法。

背景技术

环氧树脂模型在实验力学领域应用比较多，它具有良好的光学性能与力学性能。它的试验装置一般都比较简单，适合施加拉、压、弯、扭、离心等载荷。目前的模型混合加载装置和光敏树脂模型离心加载装置均是为弹性应力分析设计的，它试验用的模型工作在高弹态，材料呈完全弹性，直接获得的模型应力通过相似理论转换为原型应力，该技术目前不能有效获取破裂转速及破裂位置。目前获取试验件破裂转速及破裂位置的试验技术成本高(试验设备与试验件成本都高)、周期长，它需要采取实物或实物模拟盘(对原型进行了一定简化)作为试验件。

用环氧树脂模型在温控条件下进行旋转破裂试验，目前尚无对应的试验装置，因此提供一种环氧树脂模型旋转破裂试验需要新研制试验装置。

发明内容

针对现有技术的缺点和不足，本发明旨在提供一种环氧树脂模型破裂试验的加载装置及调试方法，解决环氧树脂模型破裂试验过程中挠动量大、变形量大、机械振动值大等导致试验误差大的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种环氧树脂模型破裂试验的加载装置，由电控系统、检测传感系统、系统软件和机械工装组成，电控系统包括PLC可编程控制器、上位机、变频调速器和电机，电机受控于变频调速器，变频调速器受控于PLC可编程控制器，上位机编程系统软件储存于PLC可编程控制器，电机安装有编码器，变频调速器与编码器进行闭环控制，用于电机转速精准控制和无级调速；

机械工装固定连接于电机输出轴，检测传感系统用于实时测定机械工装部分的转速和加速度，检测传感系统测定的参数传递至上位机，检测传感系统包括用于测定传动轴转速的转速传感器、用于测定传动轴加速度的加速度传感器和用于监测电机运行状态的编码器，电机配置编码器可直接从变频器读取转速，传动轴设置齿轮测速，两级测速进行双重保护，系统监测被试件端多方向振动加速度。

进一步的，机械工装包括用于支撑固定电机的基座、安装于电机输出轴的梅花节弹性联轴器、传动轴、立柱式轴承座和温箱内轴承座，梅花节弹性联轴器与传动轴传动连接，通过梅花节弹性联轴器弹性环的弹性变形补偿两轴相对位移，实现减振缓冲，确保结构自身产生的振动小，立柱式轴承座固定于基座上，立柱式轴承座和温箱内轴承座与传动轴转动连接，温箱内轴承座位于传动轴端部。

进一步的，基座一侧设置温控箱，温箱内轴承座固定于温控箱内壁面，温控箱内设有模型试验件，且模型试验件固定于传动轴，轴与轴承座之间的间隙在0.01-0.05mm之间，当试验过程中发生挠动量大于允许范围时，轴与轴承座会刮磨从而发生异响，试验中止。

进一步的，系统软件包括PLC控制软件、触摸屏控制软件和上位工控机组态软件，系统软件采用自行开发软件平台及数据库，试验前，根据被测试品的工况要求，在上位机或触摸屏界面上设置好产品需进行试验的相关参数，然后点击启动试验按钮，系统按照设置的参数运行并记录试验数据，自动生成试验报告，并保存试验数据，试验数据可历史查询；运行数据主要包括实时曲线和实时报表，历史曲线和历史报表等；报警功能，当运行参数超过报警设置值时，系统会自动存储报警信息及编码并自动停机，报警信息可历史查询。

进一步的，PLC可编程控制器、上位机、变频调速器采用以太网通讯方式，上位机与变频器和PLC可编程控制器通过交换机相连，通信线路简单，通讯速度快，抗干扰性强，便于维护。

进一步的，基座采用铸件制作，一次成型，保证各加工面加工精度满足要求，电机的安装底座，设计可方便上下、左右、前后6个方向调节，本设计的优势首先是它的基频高，常温下4500rpm加载装置与模型不发生机械共振，在温控条件下4000rpm及以下加载装置与模型不发生机械共振。从而有效避免了传统装置的基频低，试验过程中提高转速时，模型与加载装置发生机械共振的不利情况。温控箱内部的轴承座控制了轴的挠动量。

环氧树脂模型破裂试验的加载装置调试方法，包括以下步骤：

S1、试验前，根据模型试验件的工况要求，在上位机上设置好模型试验件需进行试验的相关参数，包括试验速度，减速度参数，试验时间，当前试验，然后点击启动试验按钮；

S2、在常温下进行调试，模型旋转转速从0缓慢提升到4500rpm，整个过程无异响，监控的振动值不超过0.2g，如果调试过程中有异响或者监控的振动值超过0.2g，需查找原因，排除后重新调试；

S3、启动加载装置的温控程序，温控程序必须保证模型处于弹塑性状态，环氧树脂模型的组成成分不同，温控程序也不同，当温控达到设定的最高温度时(必须低于模型的冻结温度)，启动电机，旋转模型转速从0缓慢提升到预期破裂转速的80％，整个过程无异响，监控的振动值不超过0.4g，如果调试过程中有异响或者监控的振动值超过0.4g，需查找原因，排除后重新调试。

进一步的，电控系统按照设置的参数运行并记录试验数据，自动生成试验报告，并保存试验数据，试验数据能够历史查询。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明进行环氧树脂模型破裂试验时模拟原型的真实工作条件，利用模型的过渡态模拟原型的弹塑态，提高了试验精度。

2、对环氧树脂模型增加周向预紧力减少了模型破裂前的变形量使试验更符合原型的真实工作条件。

3、传动轴直径大有利于减小挠动，对环氧树脂模型增加周向预紧力，消除了试验过程中组件的摆动，避免模型破裂主要原因是摆动引起的疲劳破裂与真实情况不吻合的不利情况，这个预紧力不影响径向力的大小。

4、机械部分经过实测大幅提高了加载装置的固有频率，避免了试验过程中加载装置与环氧树脂模型机械共振，消除了试验过程中振动值变大的情况。

5、检测系统能及时发现振动值异常，确保试验安全，避免模型非正常破裂。

6、机械工装部分配置3个轴承座(基座2个，温控箱内部1个)，最大程度减小被试件的转动对整个系统造成的机械振动影响，外面两个轴承座可实现上下、左右、前后6个方向调节。本设计的优势首先是它的基频高，常温下4500rpm加载装置与模型不发生机械共振，在温控条件下4000rpm及以下加载装置与模型不发生机械共振。从而有效避免了传统装置的基频低，试验过程中提高转速时，模型与加载装置发生机械共振的不利情况。温控箱内部的轴承座控制了轴的挠动量。

附图说明

为了便于本领域技术人员理解，下面结合附图对本发明作进一步的说明。

图1为本发明的用于环氧树脂模型破裂试验的加载装置示意图；

图2为本发明的机械工装部分结构示意图。

图中：100、电机；101、梅花节弹性联轴器；102、立柱式轴承座；103、温箱内轴承座；104、传动轴；200、基座；300、控制柜；301、上位机；302、PLC可编程控制器；303、变频调速器；400、防护罩；500、转速传感器；600、加速度传感器；700、温控箱；800、模型试验件；

C、变频调速器与编码器的闭环控制；E、以太网。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在说明书中，相同或相似的附图标号指示相同或相似的部件。下述参照附图对本发明实施方式的说明旨在对本发明的总体发明构思进行解释，而不应当理解为对本发明的一种限制。

另外，在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本披露实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

参照图1-2所示，根据本发明的一个总体技术构思，本发明优选实施例公开了环氧树脂模型破裂试验的加载装置及调试方法具体的技术方案如下：

本发明的种环氧树脂模型破裂试验的加载装置及调试方法，加载装置由电控系统、检测传感系统，系统软件和机械工装等组成。

电控系统由PLC可编程控制器302、触摸屏、变频调速器303和低压电器等组成，监控系统输入电参数数据，并提供过压、过流、缺相等保护功能，变频调速器303：与编码器设计速度闭环控制，实现转速精准控制，无级调速，PLC可编程控制器302和上位机301设于控制柜300内。

检测传感系统：包括用于测定传动轴104转速的转速传感器500、用于测定传动轴104加速度的加速度传感器600和用于监测电机100运行状态的编码器。

设计两级测速：电机100配置编码器可直接从变频器读取转速，传动轴104设置齿轮测速，两级测速进行双重保护；

振动测量：系统监测被试件端多方向振动加速度。

系统软件：

系统软件主要包含PLC控制软件，触摸屏控制软件、上位工控机组态软件等，系统软件采用自行开发软件平台及数据库；

操作方法：试验前，根据被测试品的工况要求，在上位机301或触摸屏界面上设置好产品需进行试验的相关参数(包括试验速度，减速度参数，试验时间，当前试验)，然后点击启动试验按钮，系统按照设置的参数运行并记录试验数据，自动生成试验报告，并保存试验数据，试验数据可历史查询；

运行数据：主要包括实施曲线和实时报表，历史曲线和历史报表等；

报警功能：当系统实际运行参数超过报警设置数值时，系统会自动存储报警信息及编码并自动停机，报警信息可历史查询；

机械工装部分，参见图2，机械工装包括用于支撑固定电机100的基座200、安装于电机100输出轴的梅花节弹性联轴器101、传动轴104、立柱式轴承座102和温箱内轴承座103，梅花节弹性联轴器101与传动轴104传动连接，立柱式轴承座102固定于基座200上，立柱式轴承座102和温箱内轴承座103与传动轴104转动连接，温箱内轴承座103位于传动轴104端部，基座200采用铸件制作，一次成型，保证各加工面加工精度满足要求，梅花节弹性联轴器101和转速传感器500用防护罩400保护起来；

本实施例中，基座200一侧设置温控箱700，温箱内轴承座103固定于温控箱700内壁面，温控箱700内设有模型试验件800，且模型试验件800固定于传动轴104。

电机100的安装座，设计可方便上下、左右、前后6个方向调节，电机100输出轴传动连接梅花节弹性联轴器101，减少振动传递；机械工装系统配置3个轴承座，机座2个立柱式轴承座102，温控箱700内部1个温箱内轴承座103，最大程度减小被试件的转动对整个系统造成的振动影响，外面两个轴承座设计可实现上下、左右、前后6个方向调节。本设计的优势首先是它的基频高，从而有效避免了环氧树脂模型在转速提高的过程中与机械部分发生机械共振。在现有装置进行冻结试验过程中，环氧树脂模型与机械部分的共振频率实测到多个共振点，常见的发生共振的转速有1000转/分，2000转/分与2500转/分左右。

本设计的目的是提高机械部分的基频，使它的基频大于常温下环氧树脂模型试验件800在转速提高过程中的基频、倍频以及冻结条件下模型试验件800的基频、倍频，从而达到避免发生共振的目的；原有的传统装置的基频低，试验过程中提高转速时，多次监测到共振，与基频或倍频发生共振。光敏树脂模型离心加载装置，实测发生共振的转速在3700转/分左右，而本装置转速从零提升到4500转/分的全过程均没有发生共振。

本实施例中，为了保证更好的抗振性能，整个基座200采用灰铸铁制作，该灰铸铁主要成分是铁、碳、硅、锰、硫、磷以及石墨。内部石墨具有吸收振动的功能，用该材料制作基座200能有效地吸收机器振动的能量，可起到阻尼的作用。同时为了达到整个结构的稳定性，将基座200的重量控制在1吨左右，基座200的重量是上部分旋转结构整体重量的3倍左右，使得整体更加平稳，控制加载系统整体振动值≤0.6g。

本实施例中，基座200采用台阶式设计，将驱动变频电机100、轴承箱的安装形式变成直接安装在基座200上，不需要额外增加底座。这样的设计能够更好的提高上半部分旋转部件的稳定性，而且结构简单，便于安装。上半部分的旋转设计，采用驱动变频电机100拖动，梅花联轴器连接传动轴104传递转速，传动轴104采用深沟球轴承固定在轴承箱上。

梅花联轴器采用《GB/T5272-2002梅花弹性联轴器》中的LM型，通过弹性环的弹性变形补偿两轴相对位移，实现减振缓冲，确保结构自身产生的振动小。

本实施例中，传动轴104与轴承箱的设计则采用两组深沟球轴承进行支撑固定，每组两个轴承，共四个轴承座进行双向加固，结构上更加稳定，试验过程中挠动量小。另外在温控箱700内壁安装了一个轴承座，轴与轴承座之间的间隙在0.01-0.05mm之间，当试验过程中发生挠动量大于允许范围时，轴与轴承座会刮磨从而发生异响，试验中止。

模型前端采用锁紧螺母，前端螺纹锁紧，防止松动带来振动，同时方便模型更换。模型两边用薄板盖住并用螺母锁紧，给予模型一个预紧力，该预紧力幅值不大于离心力幅值的10％。

本装置核心控制器件采用以太网通讯方式，上位机301与变频器、触摸屏、PLC可编程控制器302等设备均通过交换机相连，通信线路简单，通讯速度快，抗干扰性强，便于维护。

环氧树脂模型破裂试验的加载装置调试方法：

以环氧树脂模型涡轮盘旋转破裂试验为例，说明一个具体调试方法：

先对环氧树脂模型涡轮盘(内孔带转接头，两边紧固两片压板)进行动平衡，然后把环氧树脂模型涡轮盘安装在传动轴104上，检查中间传动轴104与温控箱700内轴承座之间的间隙，确保轴与轴承座之间的间隙在0.01-0.05mm之间。准备工作完成后开展环氧树脂模型涡轮盘旋转破裂试验的调试。调试工作分两步，具体步骤如下。

第一步，常温下的调试：

开展本项调试主要目的是检查轴与轴承座之间的间隙在旋转状态下是否满足试验的技术要求，确保环氧树脂模型涡轮盘与模型加载装置之间不发生共振和试验过程中的挠动量小。通过PLC可编程控制器302的触摸屏设置程序、转速从0均速提升到4500rpm，升速时间为1小时，然后稳定在4500rpm，时间为0.5小时。设置完毕检查各参数无误后启动电机100，设备运行期间无异响，监控的振动值不超过0.2g。如果调试过程中有异响或者监控的振动值超过0.2g，需查找原因，排除后重新调试。

第二步，温控下的调试：

开展本项调试主要目的是检查环氧树脂模型涡轮盘在温控条件下旋转时模型的变形量是否小。通过PLC可编程控制器302的触摸屏设置程序、转速从0均速提升到3000rpm，升速时间为小0.5小时。通过温控箱700的温控表设定温控程序，温度在2小时内从常温升到80℃，然后以每小时5℃的速率升到140℃(该温度低于环氧树脂模型的冻结温度)，恒温0.5小时。设置完毕，检查各参数无误后启动温控箱700，当温度升到140℃时，启动电机100，转速从0均速提升到3000rpm，转速达到3000rpm(预期破裂转速为3750rpm)后，电机100自动停车，温控箱700自动关闭。整个过程模型与设备均无异响，监控的振动值不超过0.4g。如果调试过程中有异响或者监控的振动值超过0.4g，需查找原因，排除后重新调试。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.环氧树脂模型破裂试验的加载装置，由电控系统、检测传感系统、系统软件和机械工装组成，其特征在于，所述电控系统包括PLC可编程控制器(302)、上位机(301)、变频调速器(303)和电机(100)，所述电机(100)受控于变频调速器(303)，所述变频调速器(303)受控于PLC可编程控制器(302)，所述上位机(301)编程系统软件储存于PLC可编程控制器(302)，所述电机(100)安装有编码器，所述变频调速器(303)与编码器进行闭环控制，用于电机(100)转速精准控制和无级调速；

所述机械工装固定连接于电机(100)输出轴，所述检测传感系统用于实时测定机械工装部分的转速和加速度，所述检测传感系统测定的参数传递至上位机(301)。

2.根据权利要求1所述的环氧树脂模型破裂试验的加载装置，其特征在于，所述机械工装包括用于支撑固定电机(100)的基座(200)、安装于电机(100)输出轴的梅花节弹性联轴器(101)、传动轴(104)、立柱式轴承座(102)和温箱内轴承座(103)，所述梅花节弹性联轴器(101)与传动轴(104)传动连接，所述立柱式轴承座(102)固定于基座(200)上，所述立柱式轴承座(102)和温箱内轴承座(103)与传动轴(104)转动连接，所述温箱内轴承座(103)位于传动轴(104)端部。

3.根据权利要求2所述的环氧树脂模型破裂试验的加载装置，其特征在于，所述基座(200)一侧设置温控箱(700)，所述温箱内轴承座(103)固定于温控箱(700)内壁面，所述温控箱(700)内设有模型试验件(800)，且模型试验件(800)固定于传动轴(104)。

4.根据权利要求2所述的环氧树脂模型破裂试验的加载装置，其特征在于，所述检测传感系统包括用于测定传动轴(104)转速的转速传感器(500)、用于测定传动轴(104)加速度的加速度传感器(600)和用于监测电机(100)运行状态的编码器。

5.根据权利要求1所述的环氧树脂模型破裂试验的加载装置，其特征在于，所述系统软件包括PLC控制软件、触摸屏控制软件和上位工控机组态软件。

6.根据权利要求5所述的环氧树脂模型破裂试验的加载装置，其特征在于，所述PLC可编程控制器(302)、上位机(301)、变频调速器(303)采用以太网通讯方式，所述上位机(301)与变频器和PLC可编程控制器(302)通过交换机相连。

7.环氧树脂模型破裂试验的加载装置调试方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、试验前，根据模型试验件(800)的工况要求，在上位机(301)上设置好模型试验件(800)需进行试验的相关参数，包括试验速度，减速度参数，试验时间，当前试验，然后点击启动试验按钮；

S2、在常温下进行调试，模型旋转转速从0缓慢提升到4500rpm，整个过程无异响，监控的振动值不超过0.2g，如果调试过程中有异响或者监控的振动值超过0.2g，需查找原因，排除后重新调试；

S3、启动加载装置的温控程序，当温控达到设定的最高温度时，启动电机(100)，旋转模型转速从0缓慢提升到预期破裂转速的80％，整个过程无异响，监控的振动值不超过0.4g，如果调试过程中有异响或者监控的振动值超过0.4g，需查找原因，排除后重新调试。

8.根据权利要求7所述的环氧树脂模型破裂试验的加载装置调试方法，其特征在于，电控系统按照设置的参数运行并记录试验数据，自动生成试验报告，并保存试验数据，试验数据能够历史查询。

Images