CN211602757U - 一种压电体多场耦合致振动疲劳实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压电体多场耦合致振动疲劳实验装置，它包括激振装置、温度场加载装置以及电场加载装置；激振装置是通过利用旋转磁场和磁铁间的非接触磁力作为激振力，温度场加载装置是通过在实验对象周围布置加热线圈；电场加载装置是通过将实验对象接通外部可调节电源，给实验对象施加一个可控的电载荷。本实用新型简单易用、成本低廉，可控性高，能够给实验对象提供稳定可控的力载荷，或力、电载荷，或热、力载荷，或热、力、电载荷，实验结果的准确性值高，对研究压电结构在多场耦合加载作用下的振动疲劳寿命测试问题有重要价值。

Description

一种压电体多场耦合致振动疲劳实验装置

技术领域

本实用新型涉及机械振动领域，具体涉及一种压电体多场耦合致振动疲劳实验装置。

背景技术

振动是动力机械上零部件不可避免要承受的载荷之一。在振动载荷的持续作用下，零部件可能萌生疲劳裂纹，甚至发生疲劳断裂。尤其是对于有些机械零部件而言，它除了受到振动载荷的作用，还经常会受到电场载荷和热载荷的作用。在多场载荷的耦合作用下，机械零部件的疲劳寿命将大大缩短。为了开展机械零部件的振动疲劳寿命预测研究，实用新型用于机械零部件在多场耦合作用下的振动疲劳实验的测试装置是非常必要的。

现有的振动疲劳实验装置很多。按加载方式的不同，可分为接触式和非接触式振动疲劳加载装置。常见的接触式加载实验装置主要有液压式、电动式和气动式等，而非接触式加载装置以电磁式结构为主。其中，接触式加载装置的结构简单、制造成本低廉，而且可以提供稳定的加载力。但是，由于提供的是接触式的振动激励，振源与被测对象之间有着直接接触，会改变被测对象的物理属性，对实验结果产生影响，最终影响实验的准确性。非接触式的加载装置主要是依靠电磁铁的磁力作为激振力，激振力和激振频率调控方便，而且不与被测对象直接接触。但由于电磁铁线圈的发热问题致其不能长时间工作，因此该装置每工作20~30分钟就需停止工作一段时间，以让线圈冷却。此外，这些实验装置只涉及到了激振力对被测对象的影响，未考虑到其他场的作用，而实际机械零部件（如超声电机定子、能量收集器的压电体）在工作过程中，除受振动载荷的影响之外，还受到周围电场、温度场的耦合作用。因此，实用新型一种能够进行多场耦合加载的振动疲劳装置及其测试方法，对于推动多场耦合结构动力学及其疲劳寿命预测研究非常重要。

实用新型内容

本实用新型的目的在于针对现有技术的缺陷和不足，提供一种压电体多场耦合致振动疲劳实验装置，解决压电结构振动疲劳实验时难以实现多场耦合加载的问题。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：它包含激振装置、温度场加载装置和电场加载装置；

所述的激振装置分为发出激励端和接收激励端；发出激励端包含电机支架、调速电机、联轴器、转角器及转角器支座、法兰盘、激振圆盘、磁铁A；所述的调速电机通过电机支架固定在底板上；调速电机的输出轴通过联轴器与转角器的输入轴连接；转角器通过转角器支座固定在底板上；转角器的输出轴通过法兰盘与激振圆盘连接；激振圆盘上沿同一圆周方向等距嵌入有若干块磁极方向、外形尺寸、磁场强度都一致的磁铁A；接收激励端包含磁铁B、工字形夹具；工字形夹具固定在底板上；工字形夹具上装夹有实验对象；实验对象的自由端固定有一块磁铁B，且该磁铁B上表面与激振圆盘上的磁铁A下表面为同性或异性磁极并位于其下方；发出激励端的调速电机的轴线与激振装置的接收激励端的中轴线共线；

所述的温度场加载装置包含导线一、环绕在实验对象周围的加热线圈、线圈内部的温度传感器以及温度控制系统；加热线圈环绕在已完成装夹的实验对象的四周，温度传感器放置于被环绕的空间内，二者分别通过导线一与温度控制系统相连接；由温度控制系统给加热线圈发出加热指令，由温度传感器测量被加热区域温度并反馈给温度控制系统，温度控制系统根据反馈信息判断是否继续加热；

所述的电场加载装包含导线二和外部电源；实验对象通过导线二与外部电源接通；外部电源输出端一极与实验对象的压电体相连，另一极与基体相连，根据实验要求设置电源的输出电压、电流以及频率参数，以此实验对实验对象施加一个可控的电场载荷。

进一步地，所述的工字形夹具包含装夹锁紧螺钉、上压板、可调下压板、定位锁紧螺钉和底座；所述的底座上设有四个长腰孔，底座通过螺栓及长腰孔固定在底板上；长腰孔的长度方向与调速电机轴线方向一致；底座上部的圆柱形导轨安装在可调下压板的导轨孔中，并通过定位锁紧螺钉固定可调下压板的位置；上压板通过装夹锁紧螺钉与可调下压板连接。

激振装置所提供的激振力的大小的调节方式包含以下两种：一、通过改变磁铁A和磁铁B间的垂直高度，即调整工字形夹具上的可调下压板的位置，以改变两磁铁间磁力的大小，从而改变激振力的大小；二、通过更换磁场强度不同的磁铁，以改变两磁铁间磁力的大小，从而改变激振力的大小；

激振装置所提供的激振频率的大小的调节方式包含以下两种：一、通过调整调速电机的转速来改变激振圆盘的转速，从而改变旋转磁场与磁铁B间的激振力的作用频率，从而改变激振频率；二、通过改变激振圆盘上磁铁A的数量，也可以实现改变激振力的作用频率，从而改变激振频率。

压电体多场耦合致振动疲劳测试方法包含如下步骤：

一、将实验对象的自由端固定一块磁铁B，且该磁铁的中心位于实验对象的中轴线上，然后布置电场加载装置，利用导线二将实验对象与外部电源相连接，其中电源输出端一极与实验对象的压电体相连，另一极与基体相连；

二、将经过上述处理的实验对象装夹在工字形夹具上，适当调整其位置使得固定在实验对象上的磁铁B处于激振圆盘上磁铁A的正下方（即当激振圆盘上的某个磁铁A处于调速电机轴线上时），然后布置温度场加载装置；在实验对象周围布置加热线圈，接着将温度传感器布置在线圈加热所加热的空间中，并将加热线圈和温度传感器接入温度控制系统；

三、打开电场加载装置或温度场加载装置或同时这两个装置，并设置合适的实验参数，然后打开调速电机，根据n=60f / N调整电机转速，其中n为调速电机转速，f为实验所需施加的激振频率，N为激振圆盘上的磁铁A数量；

四、设置好所有实验相关参数后，实时观察实验对象的状态，并记录从实验开始至实验对象开始产生裂纹的时间、裂纹扩展耗时、裂纹长度等相关实验数据；

五、更换不同的实验对象，或改变某一个或多个载荷的大小来进行不同的实验研究。

采用上述方案后，本实用新型有益效果为：本实用新型所述的一种压电体多场耦合致振动疲劳实验装置，结构简单、成本低廉，利用调速电机驱动激振圆盘转动，长时间不断转动且转速可控的激振圆盘和若干块磁铁A构成一个旋转磁场，在不改变实验对象物理属性的前提下，依靠旋转磁场和磁铁B间产生的非接触的磁力作为激振力，提高了实验结果的准确性，另外，本实用新型还可以给实验对象施加可控的电场载荷和温度场载荷，并提出了简单可靠的调节与测试方法，进而可以开展在实验对象在力载荷，或力、电载荷，或热、力载荷，或热、力、电载荷作用下的振动疲劳实验，对研究压电结构在多场耦合加载作用下的振动疲劳寿命测试问题有重要价值。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型的整体结构示意图；

图2是实验对象的结构示意图；

图3是激振圆盘的结构示意图；

图4是工字形夹具的爆炸图；

图5是热载荷和电载荷施加方式示意图；

图6是温度场加载装置的控制系统的负反馈调节控制流程图。

附图标记说明：

1、底板；2、调速电机；3、电机支架；4、激振圆盘；5、加热线圈；6、温度传感器；7、工字形夹具；8、实验对象；9、磁铁Ｂ；10、磁铁Ａ；11、法兰盘；12、转角器支座；13、转角器；14、联轴器；15、温度控制系统；16、外部电源；7.1、装夹锁紧螺钉；7.2、上压板；7.3、可调下压板；7.4、定位锁紧螺钉；7.5、底座；8.1、自由端；8.2、基体；8.3、压电体；8.4、固定端。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型作进一步的说明。

参看图1-4所示，本具体实施方式采用的技术方案是：它包含激振装置、温度场加载装置和电场加载装置；

所述的激振装置分为发出激励端和接收激励端；

所述的发出激励端包含电机支架3、调速电机2、联轴器14、转角器13及转角器支座12、法兰盘11、激振圆盘4、磁铁A 10；所述的调速电机2通过电机支架3固定在底板1上；调速电机2的输出轴通过联轴器14与转角器13的输入轴连接；转角器13通过转角器支座12固定在底板1上；转角器13的输出轴通过法兰盘11与激振圆盘4连接，由转角器13将沿X轴方向的转动转变成Z轴方向的转动后驱动激振圆盘4转动；激振圆盘4上沿同一圆周方向等距设有若干块磁极方向、外形尺寸、磁场强度都一致的磁铁A 10；磁铁A 10镶嵌激振圆盘4中；当激振圆盘4转动时，其上呈圆周分布的磁铁A 10也会随之转动；

所述的接收激励端包含磁铁B 9、工字形夹具7；工字形夹具7固定在底板1上；工字形夹具7上装夹有实验对象8；实验对象8的自由端8.1固定有一块磁铁B 9，且该磁铁B 9上表面与激振圆盘4上的磁铁A 10下表面为同性或异性磁极并位于其下方，此磁铁A 10的中心也与调速电机2轴线延长线重合；发出激励端的调速电机2的轴线与激振装置的接收激励端的中轴线共线；

随激振圆盘4的转动而做圆周转动的若干个磁铁A 10在磁铁B 9的上方会产生一个旋转磁场，由于磁铁A 10和磁铁B 9间的磁力作用，在激振圆盘4和实验对象8间会产生一个呈周期性不断变化的非接触的激振力，该力直接作用在实验对象8的自由端8.1，从而引起实验对象8产生振动；

参看图1-3所示，磁铁A 10和磁铁B 9间相互吸引或排斥的磁力即为激振装置所提供的激振力，该激振力大小的调节方式有两种：一、保持磁铁A 10和磁铁B 9间的垂直高度不变，更换磁场强度不同的磁铁，以改变两磁铁间作用力的大小，即改变了激振力的大小；二、在不更换磁铁的前提下，通过调整两磁铁间的垂直高度，即通过调节工字形夹具7的高度，以改变两磁铁间作用力的大小，即改变了激振力的大小；

参看图4所示，工字形夹具7的底座7.5上的四个安装孔设计为长腰孔，便于工字形夹具7在调速电机2轴线方向上左右调节位置，底座7.5上部的圆柱形导轨安装在可调下压板7.3的导轨孔中，使得可调下压板7.3可以沿着圆形导轨在竖直方向调整位置，即可以调整两磁铁间的垂直高度，并通过定位锁紧螺钉7.4固定可调下压板7.3的位置；

参看图1所示，激振装置的激振力作用在实验对象8上的频率即为激振装置所提供的激振频率，此激振频率的调节方式有两种：一、转速不变的前提下，通过改变磁铁A 10的数量来改变激振力作用在实验对象8上的频率，进而改变激振频率；二、磁铁A 10的数量不变的前提下，通过调节调速电机2的转速来改变激振力作用在实验对象8上的频率，进而改变激振频率。

参看图1、图2、图5所示，用导线二将实验对象8与外部电源16相连接，其中外部电源16的输出端一极接在压电体8.3上，另一极接在基体8.2上，通过将外部电源16的输出电压、电流以及频率参数调至实验所需值，以此来实现实验对象8电载荷的施加；

参看图1、图5、图6所示，在实验对象8周围布置加热线圈5，在加热线圈5所环绕的内部空间放置一个温度传感器6，并保证实验对象8处于最大振幅位置时不会和两者相接触，然后将此二者接入温度控制系统15；在温度控制系统15中设定好实验所需温度，接着由加热线圈5加热实验对象8周围环境温度，当温度传感器6检测到温度达到设定值时并将此信号反馈给温度控制系统15，由其控制加热线圈5停止加热；一段时间后，当温度传感器6检测到温度低于设定值时并将此信号再次反馈给温度控制系统15，由其控制加热线圈5继续加热，如此循环以达到给实验对象8施加一个稳定的热载荷；为防止温度过高导致实验对象8上的焊点脱落，加热温度设定值一般不超过150℃。

本实用新型压电体多场耦合致振动疲劳测试方法包含如下步骤：

一、将实验对象8自由端固定一块磁铁B 9，磁铁B 9上表面与激振圆盘4上的磁铁A10下表面为同性或异性磁极，且该磁铁B 9的中心位于实验对象8的中轴线上，然后布置电场加载装置，利用导线将实验对象8与外部电源16相连接，其中外部电源输出端一极接在压电体8.3上，另一极接在基体8.2上；

二、将经过上述处理的实验对象8装夹在工字形夹具7上，适当调整工字形夹具7的位置使得实验对象8上的磁铁B 9处于激振圆盘上磁铁A 10的正下方（当激振圆盘上的某个磁铁A 10的中心处于调速电机2轴线上），然后布置温度场加载装置，在实验对象8周围布置加热线圈5，并确保实验对象8处于最大振幅位置时不会与其相接触，接着将温度传感器6布置在线圈加热5空间中不会与实验对象8和加热线圈5接触的位置，然后将加热线圈5和温度传感器6接入温度控制系统15；

三、打开电场加载装置或温度场加载装置或同时打开这两种加载装置，并设置合适的实验参数，然后打开调速电机2，根据n=60f / N调整电机转速，其中n为调速电机2转速，f为实验所需施加的激振频率，N为激振圆盘4上的磁铁A 10数量；

四、设置好所有实验相关参数后，实时观察实验对象8的状态，并记录从实验开始至实验对象8开始产生裂纹的时间、裂纹扩展耗时、裂纹长度等相关实验数据；

五、更换不同的实验对象8，或改变某一个或多个载荷的大小来进行不同的实验研究。

以上所述，仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案所做的其它修改或者等同替换，只要不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。

Claims (3)

1.一种压电体多场耦合致振动疲劳实验装置，其特征在于它包含激振装置、温度场加载装置和电场加载装置；

所述的激振装置分为发出激励端和接收激励端；发出激励端包含电机支架、调速电机、联轴器、转角器及转角器支座、法兰盘、激振圆盘、磁铁A；所述的调速电机通过电机支架固定在底板上；调速电机的输出轴通过联轴器与转角器的输入轴连接；转角器通过转角器支座固定在底板上；转角器的输出轴通过法兰盘与激振圆盘连接；激振圆盘上沿同一圆周方向等距嵌入有若干块磁极方向、外形尺寸、磁场强度都一致的磁铁A；接收激励端包含磁铁B、工字形夹具；工字形夹具固定在底板上；工字形夹具上装夹有实验对象；实验对象的自由端固定有一块磁铁B，且该磁铁B上表面与激振圆盘上的磁铁A下表面为同性或异性磁极并位于其下方；发出激励端的调速电机的轴线与激振装置的接收激励端的中轴线共线；

所述的温度场加载装置包含导线一、环绕在实验对象周围的加热线圈、线圈内部的温度传感器以及温度控制系统；加热线圈环绕在已完成装夹的实验对象的四周，温度传感器放置于被环绕的空间内，二者分别通过导线一与温度控制系统相连接；由温度控制系统给加热线圈发出加热指令，由温度传感器测量被加热区域温度并反馈给温度控制系统，温度控制系统根据反馈信息判断是否继续加热；

所述的电场加载装包含导线二和外部电源；实验对象通过导线二与外部电源接通；外部电源输出端一极与实验对象的压电体相连，另一极与基体相连，根据实验要求设置电源的输出电压、电流以及频率参数，以此实验对实验对象施加一个可控的电场载荷。

2.根据权利要求1所述的一种压电体多场耦合致振动疲劳实验装置，其特征在于所述的工字形夹具包含装夹锁紧螺钉、上压板、可调下压板、定位锁紧螺钉和底座；所述的底座上设有四个长腰孔，底座通过螺栓及长腰孔固定在底板上；长腰孔的长度方向与调速电机轴线方向一致；底座上部的圆柱形导轨安装在可调下压板的导轨孔中，并通过定位锁紧螺钉固定可调下压板的位置；上压板通过装夹锁紧螺钉与可调下压板连接。

3.根据权利要求1所述的一种压电体多场耦合致振动疲劳实验装置，其特征在于激振装置所提供的激振力的大小的调节方式包含以下两种：一、通过改变磁铁A和磁铁B间的垂直高度，即调整工字形夹具上的可调下压板的位置，以改变两磁铁间磁力的大小，从而改变激振力的大小；二、通过更换磁场强度不同的磁铁，以改变两磁铁间磁力的大小，从而改变激振力的大小。

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