CN1719226A - 自适应共轭共振式弹簧疲劳实验机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应共轭共振式弹簧疲劳实验机，包括振动系统和控制电路。振动系统为动态力封闭系统，动态力封闭系统由质量、刚度和弹簧位置完全相同的2个振动子系统组成，2个振动子系统对置地设置在一个刚性支架内。每个振动子系统包括上下设置的上板、中板、下板和竖丝杠，对称设置在上板与中板之间和中板与下板之间的多个弹簧。每个振动子系统设置有由手轮、齿轮和横丝杠组成的传动装置，用于通过所述竖丝杠带动上板和下板的移动。控制电路包括依次连接的传感器、反馈控制电路、稳幅电路、激振器电源和激振器，反馈控制电路与激振器电源之间连接有起振电路。本发明采用既简单又灵敏的方法使弹簧疲劳实验机始终工作在共振区内，结构简单、工作中没有机械传动，无机械磨损，可靠性高。

Description

自适应共轭共振式弹簧疲劳实验机

技术领域

本发明涉及工件疲劳实验装置，尤其是一种弹簧疲劳实验机。

背景技术

弹簧是工业产品的基础件之一，它在服役过程中，起到能量储存、自动控制、缓冲平衡、回位定位、安全保险等作用。因此，它广泛应用于航空航天、国防装备、机电设备、仪器仪表、石油化工、农业机械、交通能源和日常生活用品中。如果弹簧失效将产生难以预料的损失。如：发动机气门弹簧断，气门会掉入气缸，活塞上行时与气门碰撞将气缸顶破；高压油泵拄塞弹簧失效，油泵无法供油。

弹簧的疲劳试验是弹簧性能检测的关键工序，特别是发动机气门弹簧、油泵柱塞弹簧、离合器弹簧、摩托车减振弹簧、汽车悬架弹簧等关键弹簧，必须做弹簧产品的疲劳性能的可靠性评定和疲劳筛选实验。未经疲劳筛选实验的弹簧在使用中往往出现刚度下降，尺寸改变，甚至断簧等失效现象。因此，有必要开发自适应共轭共振式弹簧疲劳实验机。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种自适应共轭共振式弹簧疲劳实验机，它能始终工作在共振区内。

为了解决上述技术问题，本发明的自适应共轭共振式弹簧疲劳实验机，包括振动系统和控制电路。所述振动系统为动态力封闭系统，动态力封闭系统由质量、刚度和弹簧位置完全相同的2个振动子系统组成，2个振动子系统对置地设置在一个刚性支架内；每个振动子系统包括上下设置的上板、中板和下板，和对称设置在上板与中板之间和中板与下板之间的多个弹簧，上板设置有内螺纹通孔，中板的相同位置上设置有通孔，下板的相同位置上设置有内螺纹通孔，上板的内螺纹与下板的内螺纹的螺旋方向相反，上板内螺纹通孔、中板通孔和下板内螺纹通孔内连接有一竖丝杠，竖丝杠的上段丝与上板内螺纹相配合，竖丝杠的下段丝与下板内螺纹相配合；每个振动子系统设置有由手轮、齿轮和横丝杠组成的传动装置，用于通过所述竖丝杠带动上板和下板的移动；所述控制电路包括依次连接的传感器、反馈控制电路、稳幅电路、激振器电源和激振器，反馈控制电路与激振器电源之间连接有起振电路；所述传感器设置在所述中板上，用于检测振动系统的运动信号；所述激振器为多个，分别设置在每个振动子系统的上板和下板上，用于产生与新的固有频率相适应的同步同相的激振力，使振动系统工作在共振区内。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：(一)采用既简单又灵敏的方法使弹簧疲劳实验机始终工作在共振区内。(二)本发明的构思新颖、结构简单、工作中没有机械传动，无机械磨损，可靠性高，寿命长，噪声低，运行中振幅稳定，维修方便，造价低。

附图说明

图1是本发明自适应共轭共振式弹簧疲劳实验机的结构示意图；

图2是自适应共振控制系统的原理图；

图3是共轭机的原理图；

图4是双质点的振动系统图

附图说明：

1是主轴      2是横丝杠    3是齿轮    4是竖丝杠    5是上板

6是传感器    7是中板      8是弹簧    9是下板      10手轮

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作详细说明。

如图1所示，本发明的本发明的自适应共轭共振式弹簧疲劳实验机，包括振动系统和控制电路。振动系统为动态力封闭系统，动态力封闭系统由质量、刚度和弹簧位置完全相同的2个振动子系统组成，即图1中所示的子系统一和子系统二，2个振动子系统对置地设置在一个刚性支架内。子系统一包括上下设置的上板5、中板7和下板9，和对称设置在上板5与中板7之间和中板7与下板9之间的多个弹簧8。上板5设置有内螺纹通孔，中板7的相同位置上设置有通孔，下板9的相同位置上设置有内螺纹通孔。上板5的内螺纹与下板9的内螺纹的螺旋方向相反，上板内螺纹通孔、中板通孔和下板内螺纹通孔内连接有一竖丝杠4，竖丝杠4的上段丝与上板内螺纹相配合，竖丝杠4的下段丝与下板内螺纹相配合。传动装置由手轮10、齿轮3、横丝杠2和主轴1组成的传动装置，用于通过竖丝杠4带动上板和下板的移动，调节上板5与中板7之间的距离和中板7与下板9之间的距离，用以装卸弹簧8。子系统二与子系统一的结构相同，这里不再重复。

控制电路参见图2，它包括依次连接的传感器、反馈控制电路、稳幅电路、激振器电源和激振器，反馈控制电路与激振器电源之间连接有起振电路。传感器6设置在所述中板7上，用于检测振动系统的运动信号。激振器为多个，分别设置在每个振动子系统的上板和下板上，用于产生与新的固有频率相适应的同步同相的激振力，使振动系统工作在共振区内。

自适应共振方法是利用振动系统的固有频率反馈控制激振力，使振动系统始终稳定地工作于共振状态的一种方法。其工作原理见图2。

由震动学可知机械振动系统固有频率；

$f=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K}{m}}$

K-振动系统弹簧刚度

m-振动系统质量

由图2可知，当激振器给出与振动系统固有频率相同的激振力时，振动质量被激振进入共振状态，使弹簧在足够的振幅及振动次数下工作，弹簧经受疲劳试验。

在工作过程中，当弹簧的刚度下降或断裂时，由公式(1)可知，当刚度K下降时共振频率f将下降，自适应控制系统根据传感器检测到的振动系统的运动信号，经电路处理后输入激振器电源，激振器产生与新的固有频率相适应的同步同相的激振力，使振动系统又在新的共振区内工作。

图2是一种单一的振动系统，它传出很大的振动力，所以使得整机刚度设计受到限制，振动力计算方法如下：

设实验机工作频率f＝29.2Hz，双振幅2A＝10mm，振动质量m＝38kg

振动加速度a＝Aω²＝A(2πf)²   (2)

振动力F＝ma                   (3)

计算结果振动力为6.4kN。根据牛顿定律，弹簧实验机振动力的反作用力将全部由地基承担。如此大的振动力对周围环境及附近的仪器、设备造成严重的影响。

为了解决振动力外传，提高能量利用，我们设计了一个动态力封闭系统，用两个质量、刚度和弹簧位置完全相同的振动子系统对置地安装在一个刚性支架内，即共轭地安装在一起见图3。

上面子系统1的振动力通过机体传到下面的子系统2，从而引起子系统2共振，振动的方向与子系统1相反，振幅、频率相同。这正象力学中的双质点系统m₁和m₂通过弹簧联接，对m₁激振后m₂必然产生大小相等、方向相反的振动，见图4。

在弹簧实验机中对子系统1激振后，该系统在共振区内工作，与其共轭的子系统2也必须在同一共振区内工作，振动力相互平衡，消除了振动力外传，而且将传入地基的、呈破坏作用的能量有效大地利用起来，这种共轭共振式弹簧疲劳实验机不需要地基即可以正常工作。

主要性能参数的确定：

装机容量的确定：由于振动力在机器内部抵消，装机容量可以大幅度提高。为了适应弹簧成品疲劳性能的检测，发动机上常用的气门弹簧刚度一般在10～40N/mm之间。为了能装100～200支弹簧，又考虑激振器电磁铁的功率，设计实验机最大弹簧装机刚度为6×10⁶N/m。

驱动功率的确定：在满足驱动最大弹簧装机刚度振动的功率；为了多装簧，尽量少占中板位置，经计算和实验，激振器功率确定为0.5kW。如控制系统原理图1所示，考虑到单层激振失真小，易于平衡，优选单层激振，当驱动功率不足时可采用双层激振。

中板尺寸的确定：在保证中板振动中不变形，满足装簧个数的面积要求，同时质量符合工作频率段的刚度要求。由公式1确定振动质量。该机的设计工作频率在18～45Hz，设计刚度6×10⁶N/m故中板质量设定38kg，中板质量确定中板尺寸也确定。

与国外同类实验机性能比较：

该机的性能与代表国际水平的德国Reicherter公司生产的DV8-SZ型弹簧疲劳实验机的性能比较见表1。

表1

共轭弹簧疲劳实验机的结构和操作：

结构与功能：共轭共振弹簧疲劳实验机的结构示于图5，该机控制系统功能完善，能提供与自振频率一致的激振力，能扫频起振，具有调幅、稳幅等功能，还配备有四位数字频率显示、八位数字工作次数显示、预置工作次数停机、断簧报警保护、灵敏度调节和振幅指示等功能，构成一套完整的弹簧疲劳实验机自适应控制系统。

装弹簧的操作方法：先转动手轮9，通过主轴1和齿轮2使丝杠转动，上下板4、7相背移动，中板不动，将试验弹簧装在中板和下板的上面。再转动手轮9，使上下板4、7相向移动，压缩弹簧至工作位置。下箱(子系统2)用同样方法装簧。

起动机器的操作方法：开启电源，调整激振器频率，使激振器频率接近装簧后实验机的固有频率。中板开始振动(固有频率由公式(1)计算)。

调整振幅的操作方法：调整激振器电压，中板振幅变化，电压升高振幅增大，，电压降低振幅减小。根据弹簧实际工作情况调整振幅。

本发明的自适应共轭共振弹簧疲劳实验机构思新颖、结构简单、工作中没有机械传动，无机械磨损，可靠性高，寿命长，噪声低，运行中振幅稳定，维修方便，造价低。它是当前生产中大批量弹簧筛选试验的关键设备。

Claims (1)

1、一种自适应共轭共振式弹簧疲劳实验机，包括振动系统和控制电路，其特征是，所述振动系统为动态力封闭系统，动态力封闭系统由质量、刚度和弹簧位置完全相同的2个振动子系统组成，2个振动子系统对置地设置在一个刚性支架内；每个振动子系统包括上下设置的上板、中板和下板，和对称设置在上板与中板之间和中板与下板之间的多个弹簧，上板设置有内螺纹通孔，中板的相同位置上设置有通孔，下板的相同位置上设置有内螺纹通孔，上板的内螺纹与下板的内螺纹的螺旋方向相反，上板内螺纹通孔、中板通孔和下板内螺纹通孔内连接有一竖丝杠，竖丝杠的上段丝与上板内螺纹相配合，竖丝杠的下段丝与下板内螺纹相配合；每个振动子系统设置有由手轮、齿轮和横丝杠组成的传动装置，用于通过所述竖丝杠带动上板和下板的移动；所述控制电路包括依次连接的传感器、反馈控制电路、稳幅电路、激振器电源和激振器，反馈控制电路与激振器电源之间连接有起振电路；所述传感器设置在所述中板上，用于检测振动系统的运动信号；所述激振器为多个，分别设置在每个振动子系统的上板和下板上，用于产生与新的固有频率相适应的同步同相的激振力，使振动系统工作在共振区内。

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