WO2015039429A1 - 高频脉冲发生器及其加载系统 - Google Patents

Abstract

高频脉冲发生器及其加载系统，包括高频脉冲发生器和高频脉冲发生器的加载系统；其中高频脉冲发生器，包括静盘、动盘、主传动轴、外壳、圆锥滚柱轴承组、旋转密封圈、骨架油封、轴承盖、前端盖、后端盖、"O"形密封圈；高频脉冲发生器的加载系统，包括压力表、蓄能器、压油过滤器、交流伺服电机、脉冲发生器、加载作动器、单向阀、定量油泵、网式过滤器、油箱，变频调速电机、溢流阀；本发明彻底改变了目前疲劳试验的加载技术，是疲劳试验加载技术一个划里程的突破。本发明包含了静态、低频、和高频试验加载的一切可能，把它们有机的整合为一体；简化了疲劳试验机设计，降低了测控的难度，提升了疲劳试验机的性能，具有广阔的市场前景和良好的社会效益。

Description

高频脉冲发生器及其加载系统

技术领域

本发明涉及疲劳试验机疲劳测试技术领域，尤其是涉及一种用于疲劳试验机的高频脉冲发生器及其加载系统。

背景技术

金属、非金属和复合材料等，在可变载荷作用下，都会产生疲劳现象。在工程结构和设备中，疲劳破坏更为广泛。据统计，50～90%的机械破坏属于疲劳破坏，而疲劳破坏经常是在较长的作用时间和较多的载荷循环次数之后发生的，通过疲劳试验可以用来测试各种金属材料和一些非金属材料抵抗疲劳断裂性能，绘制疲劳寿命曲线（S-N 曲线）；配以各种专用夹具，可以用来测试各种零部件的疲劳寿命。疲劳试验被广泛地应用在航空、航天、冶金、交通、机械、材料、高等院校教学、科研和工业生产等各部门。目前很多高等院校、科研部门和工矿企业的力学实验室均采用高频疲劳试验机进行断裂韧性试验，测试金属材料裂纹扩展速率及材料的门坎值。

现有的疲劳试验有低周疲劳与高频疲劳之分。低周疲劳试验加载通常是液压驱动，油源输出一个恒定压力与流量的液压油，通过伺服阀控制作动器往复运动，对试件交变加载；作动器是一个高精度双杆双伸全对称的油缸，作动器的前端安装了负荷传感器，检测加载负荷力值，作动器的尾端安装了磁滞位移传感器，检测运动的位移；通过测控系统,选择负荷力或位移（振幅）值向试件往复加载。其试验频率在通常0.1～50Hz之间。目前加载力最大可达1000KN。作动器的往复运动由伺服阀控制，而伺服阀实现换向则是依靠阀芯左右移动来改变液压油的流向，但是，阀芯有一定质量，运动时有一定的惯性，此外,液压油有一定的粘滞力，因为这些原因的限制，阀芯左右移动的频率不可能太高，因此限制了这种加载技术仅能适应低周疲劳。由于工作频率低，完成一个疲劳寿命试验往往需要数十天的时间，能源消耗也将持续数十天，这是它的缺点。

高频疲劳则是由框架、电磁激振器、主振弹簧、测力传感器、试样、及主振系统的配置质量构成机械振动系统，振动由电磁激振器来激励和保持。当激振器产生的激振力的频率和相位与振动系统的固有频率一致时，系统便发生了共振，这时,配置质量在共振状态下所产生的惯性力，往复作用在试样上，来完成对试样的疲劳试验。由于高频振荡系由电磁激振器、主振弹簧、测力传感器、试样、及主振系统的配置质量构成机械谐振系统共振产生，且配置质量（砝码）不可能太重，所以这种加载方法出力不可能太大，一般在200KN以下。另一方面，操作中需要繁琐的移相和调谐操作，系统起振困难，对主机的谐振品质Q值要求也较高。对操作者需要具备一定的经验。这些就是目前高频试验机亟待提高的地方。

发明内容

本发明目的是克服现有技术的不足，提供一种同时具有频率高、加载吨位大、启振快、结构简单、操作方便、成本低廉的高频脉冲发生器及其加载系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：高频脉冲发生器及其加载系统，包括高频脉冲发生器和高频脉冲发生器的加载系统；其中高频脉冲发生器，包括静盘、动盘、主传动轴、外壳、圆锥滚柱轴承组、旋转密封圈、骨架油封、轴承盖、前端盖、后端盖、“O”形密封圈；所述静盘为一圆柱体，该圆柱体一端面的圆周上等距切制有4个弧长与间隔完全相等的弧形槽，其中两两相对的弧形槽对称设置；所述对称设置的两弧形槽通过圆柱体内部的通道相连通，所述静盘外圆柱面上设有与弧形槽相连通的槽口；所述动盘为一圆柱体，该圆柱体一端面的圆周上等距切制有4个弧长与间隔完全相等且与静盘弧形槽完全相同的弧形槽，其中两两相对的弧形槽对称设置；所述对称设置的两弧形槽通过圆柱体内部的通道相连通，所述动盘外圆柱面上设有与弧形槽相连通的槽口；所述静盘和动盘的外圈套设外壳，其中静盘末端部设有后端盖，动盘前端设有前端盖；所述外壳、后端盖和前端盖组成一密封腔体，动盘和静盘设置在该腔体内；所述外壳上设有压力油入口、压力油输出口、回油输入口、回油出口，该外壳内部设有与压力油入口、压力油输出口、回油输入口、回油出口分别相连通的矩形环槽；所述外壳内壁与动盘的外壁之间设有旋转密封圈，外壳内壁与静盘的外壁之间设有“O”形密封圈。

高频脉冲发生器的加载系统，包括压力表、蓄能器、压油过滤器、交流伺服电机、脉冲发生器、加载作动器、单向阀、定量油泵、网式过滤器、油箱，变频调速电机、溢流阀；所述油箱的液压油出油口处设有网式过滤器，液压油经网式滤油器进入油泵；所述油泵与变频调速电机连接，该油泵泵出的压力油经单向阀进入压油过滤器，压力油通过压油过滤器过滤后进入脉冲发生器；所述脉冲发生器与加载作动器连接，该脉冲发生器由伺服电机驱动；所述单向阀与压油过滤器之间设有由压力表、蓄能器、溢油阀，其中溢油阀为电磁比例溢油阀，该电磁比例溢油阀与脉冲发生器连通；所述溢流阀用于限制最高压力、压力表用于显示工作压力，蓄能器用于消除油压的脉动。

作为优选，所述动盘和静盘外圆柱面上开设的槽口分别与矩形环槽相连通。

作为优选，所述旋转密封圈设置在与压力油入口、回油出口相连通的矩形环槽两侧；“O”形密封圈设置在与压力油输出口、回油输入口相连通的矩形环槽两侧。

作为优选，所述动盘与静盘切制有弧形槽的端面完全贴合，且动盘端面圆周上切制的弧形槽与静盘端面圆周上切制的弧形槽一一对应。

作为优选，所述动盘设置弧形槽的端面圆周上设有多圈润滑槽，该动盘轴心位置开设有花键孔。

作为优选，所述后端盖设有压力油通孔，该压力油通孔进油口与压力油入口相连通，压力油通孔出油口设置在静盘后端面，其中后端盖与静盘后端面之间设有“O”形密封圈。

作为优选，所述后端盖与静盘通过圆柱销定位连接，该后端盖与外壳通过紧定螺钉固定；所述外壳与前端盖通过紧定螺钉固定，前端盖与轴承盖通过紧定螺钉固定。

作为优选，所述主传动轴由滚珠轴承组支撑，该主传动轴左端由增速器输出轴带动旋转，右端通过花键与动盘连接带动动盘旋转；所述滚珠轴承组包括两套圆锥滚珠轴承，该滚珠轴承组前端部设有轴承盖，轴承盖与主传动轴之间设有骨架油封。

本发明将动盘、静盘安装在外壳、后端盖和前端盖组成一密封腔体内，并加上定位、支撑、密封、连接、润滑和驱动，组成了一个全新的高频疲劳试验加载脉冲发生器。并通过一套完整的液压系统与其相结合，从而彻底改变了目前疲劳试验的加载技术，是疲劳试验加载技术一个划里程的突破。本发明包含了静态、低频、和高频试验加载的一切可能，把它们有机的整合为一体；简化了疲劳试验机设计，降低了测控的难度，提升了疲劳试验机的性能，提高了试验机的性价比；有着确实的实用价值，具有广阔的市场前景和良好的社会效益。

附图说明

图1是本发明脉冲发生器的结构示意图。

图2是本发明静盘端面结构示意图。

图3是本发明动盘端面结构示意图。

图4是本发明脉冲发生器的加载系统的结构原理图。

图5是本发明脉冲发生器的加载系统的控制框图。

具体实施方式

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说明。

图1是本发明脉冲发生器的结构示意图。由图1可知，高频脉冲发生器，主要由静盘14、动盘1、主传动轴22、外壳6、圆锥滚柱轴承组26、旋转密封圈2、骨架油封24、轴承盖25、前端盖20、后端盖13、“O”形密封圈7等组成。其中，静盘14选用轴承钢GCr15，动盘1也选用轴承钢GCr15，静盘14与动盘1结合面嵌入不少于5mm的锡青铜ZQSn6-6-3，主传动轴22选用合金结构钢40Cr，外壳6选用HT350，“O”形密封圈7选用耐高温氟橡胶，旋转密封圈2选用铜粉填料四氟乙烯材料。

图2是本发明静盘端面结构示意图，结合图2可知，静盘14为一圆柱体，该圆柱体一端面的圆周上等距切制有4个弧长与间隔完全相等的弧形槽AA、BB，其中两两相对的弧形槽AA、BB对称设置；所述对称设置的两弧形槽AA、BB通过圆柱体内部的通道相连通，所述静盘14外圆柱面上设有与弧形槽相连通的槽口10。

图3是本发明动盘端面结构示意图，结合图3进一步可知，动盘1为一圆柱体，该圆柱体一端面的圆周上等距切制有4个弧长与间隔完全相等且与静盘弧形槽完全相同的弧形槽PP、TT，其中两两相对的弧形槽PP、TT对称设置，对称设置的两弧形槽通过圆柱体内部的通道相连通，所述动盘1外圆柱面上设有与弧形槽PP、TT相连通的槽口4。动盘1设置弧形槽的端面圆周上设有多圈润滑槽28，通过从动盘1上液压油高压腔引出一只高压油，进入其润滑环槽28，实施对动盘1、静盘14结合面的润滑。动盘1轴心位置开设有花键孔27与主传动轴22一端的花键23连接。

主传动轴22由滚珠轴承组26支撑，该主传动轴22左端由增速器输出轴带动旋转，其中增速器选用行星轮式结构，同轴安装，主传动轴22右端通过花键23与动盘1连接并带动动盘1旋转。滚珠轴承组26包括两套圆锥滚珠轴承，该滚珠轴承组26前端部设有轴承盖25，轴承盖25与主传动轴22之间设有骨架油封24。

静盘14和动盘1的外圈套设外壳6，其中静盘14后端部设有后端盖13，动盘1前端设有前端盖20；所述外壳6、后端盖14和前端盖20组成一密封腔体，动盘1和静盘14设置在该腔体内。动盘1与静盘14切制有弧形槽的端面完全贴合，且动盘1端面圆周上切制的弧形槽与静盘14端面圆周上切制的弧形槽一一对应。后端盖13与静盘14通过圆柱销15定位连接，该后端盖13与外壳6通过紧定螺钉16固定；所述外壳6与前端盖20通过紧定螺钉19固定，前端盖20与轴承盖25通过紧定螺钉21固定。

外壳6上设有压力油入口61、压力油输出口62、回油输入口63、回油出口64，该外壳6内部设有与压力油入口61、压力油输出口62、回油输入口63、回油出口64分别相连通的矩形环槽5、矩形环槽9、矩形环槽17、矩形环槽18；动盘1和静盘14外圆柱面上开设的槽口4和槽口10分别与矩形环槽相连通。

外壳6内壁与动盘1的外壁之间设有旋转密封圈2，外壳6内壁与静盘14的外壁之间设有“O”形密封圈7。旋转密封圈2设置在与压力油入口61、回油出口64相连通的矩形环槽5、矩形环槽18两侧；“O”形密封圈7设置在与压力油输出口62、回油输入口63相连通的矩形环槽9、矩形环槽17两侧。

后端盖13设有压力油通孔12，该压力油通孔12进油口与压力油入口61相连通，压力油通孔12出油口设置在静盘14后端面，其中后端盖13与静盘14后端面之间设有“O”形密封圈11。通过从压力油中引出高压油，直接加在静盘14后端面，从而压实静盘14与动盘1的结合面，实现动、静盘间集合面的密封。

其工作过程：

主传动轴22由滚珠轴承组26支撑，左端由增速器输出轴带动旋转，右端通过花键23与动盘1连接，从而带动动盘1旋转。压力油从外壳6上的压力油入口61进入，外壳6上压力油入口61内部有一个矩形环槽5，该矩形环槽5两边各有一条旋转密封圈2封闭，压力油通过矩形环槽5从动盘1外圆柱面的两个槽口4进入，然后从其右侧端面PP弧形槽的槽口输出。当PP弧形槽的槽口与静盘14端面AA弧形槽的槽口连通时，压力油进入静盘14的AA弧形槽的槽口，并通过外壳6上压力油输出口62内部的矩形环槽9从压力油输出口62输出，进入外部作动器上腔体内，使作动器活塞向下运动；同时，作动器下腔之油，则进入外壳6上的回油输入口63，及外壳6上回油输入口63内部的矩形环槽17从静盘14左侧端面BB弧形槽的槽口流出，由于结构的原因，此时静盘14上的BB弧形槽的槽口也一定与动盘1右端面上的TT弧形槽的槽口相通，作动器下腔之油进入动盘1的TT弧形槽的槽口，并通过外壳6上回油出口64内部的矩形环槽18从回油出口64流回油箱。

当动盘1旋转过900后，其端面PP弧形槽的槽口与静盘14端面的BB弧形槽的槽口连通，压力油改由BB弧形槽的槽口,并通过外壳6上回油输入口63内部的矩形环槽17从回油输入口63输出，进入外部作动器下腔，使作动器活塞向上运动。而作动器上腔之油，则进入外壳6上的压力油输出口62，及外壳6上压力油输出口62内部的矩形环槽9从静盘14左侧端面AA弧形槽的槽口流出，由于结构的原因，此时静盘14上的AA弧形槽的槽口也一定与动盘1右端面上的TT弧形槽的槽口相通，作动器上腔之油进入动盘1的TT弧形槽的槽口，并通过外壳6上回油出口64内部的矩形环槽18从回油出口64流回油箱。因此，作动器完成了一个周期的振荡。动盘1继续前转900，则又回到了最开始的工况。周而复始，作动器实现了往复疲劳加载。

由上可知，动盘1的端面与定盘14的端面完全贴合，当动盘1旋转一圈时，P槽分别与定盘的A槽、B槽连通2次，T槽也分别与定盘的B槽、A槽连通2次，换言之，动盘1旋转一圈，作动器实现了2个周期的振荡。假定动盘1的速度为250rpm/s，分钟转速为15000rpm/min，那么，作动器的振荡频率将达到500Hz。此时没有伺服阀阀芯的频繁换向，只有动盘定向旋转的转动惯量。如果继续提高动盘转速，试验频率将继续提高。其关系：频率=2×转速，即f=2n。从结构可知，动盘必须有轴承支撑，且外圆有格来圈密封，因此其转速将受到轴承极限转速的限制，同时还受到了格来圈极限限速限制，将转速控制在n≤5000 rpm/min，此时可以满足各方面的要求，为了降低动盘的转速，同时保证高频的需求，可以增加动、静盘上的槽口对数，若槽口对数为k，转速为n，其关系：频率=kn。

图4是本发明脉冲发生器的加载系统的结构原理图。由图4可知，高频脉冲发生器的载系统，包括压力表101、蓄能器103、压油过滤器105、交流伺服电机108、脉冲发生器111、加载作动器112、单向阀106、定量油泵107、网式过滤器104、油箱102，变频调速电机110、溢流阀109。油箱102的液压油出油口处设有网式过滤器104，液压油经网式滤油器104进入油泵107；所述油泵107与变频调速电机110连接，该油泵107泵出的压力油经单向阀106进入压油过滤器105，压力油通过压油过滤器105过滤后进入脉冲发生器111。脉冲发生器111与加载作动器112连接，该脉冲发生器111由伺服电机驱动108；所述单向阀106与压油过滤器105之间设有由压力表101、蓄能器103、溢油阀109，其中溢油阀109为电磁比例溢油阀，该电磁比例溢油阀109与脉冲发生器111连通。溢流阀109用于限制最高压力、压力表101用于显示工作压力，蓄能器103用于消除油压的脉动。液压油经网式滤油器104进入油泵107，油泵107泵出的压力油经单向阀106进入系统，溢流阀109限制系统最高压力，压力表101显示系统工作压力，蓄能器103消除系统油压的脉动，压力油再通过压油过滤器105进入脉冲发生器111，伺服电机108驱动脉冲发生器111内动盘旋转，静盘A、B口交替输出压力油和回油，使加载作动器112上、下腔交替进油、回油，活塞上、下往复运动对试件加载。

图5是本发明脉冲发生器的加载系统的控制框图。由图5可知，本系统共有力伺服控制、位置伺服控制、频率控制三个控制通道：其中力伺服控制通道：首先设置负力载的峰、谷值，通过计算机内部智能运算，给出一个合适的电压（或电流），使电磁比例溢流阀给液压系统输出一个接近实况的工作压力，同时在工作中负荷传感器不断采样，输入计算机，经PID智能运算不断给出新的控制指令，放大后驱动比例电磁铁，保持系统合适的压力，达到力伺服控制目的。

位置伺服控制通道：首先设置位置（振幅）的峰、谷值，通过计算机内部智能运算，给出一个相应的脉冲，控制油泵驱动电机以一定速度运转，液压系统输出一定压力和流量的压力油，工作过程中，位移传感器不断采样，输入计算机，经PID智能运算不断给出新的脉冲控制指令，调整和控制油泵驱动电机的转速，保持满足位置伺服加载足够的流量，达到位置伺服控制目的。

频率控制通道：试验频率设置后，由伺服电机以一定转速带动“脉冲发生器”动盘旋转，其尾部编码器不断检测旋转数据，输入计算机，智能运算后发出新的脉冲控制指令，直至系统保持预设频率恒定运行。

本发明的这种控制方法可以达到没有超压溢流，没有流量过剩，使得系统的温升和能耗大幅降低，本发明抛弃了低周疲劳加载刚性油源的各种弊端，使液压系统压力与流量完全自敏适应，是一个自敏适应，节能显巨，柔性的伺服加载油源。它提高了高频疲劳试验的频率，加大了高频输出的功率，解决了电磁高频难于起振的状况，甚至还可以进行静态加载的实时控制。另外，它控制相对简单，结构也不复杂，操作十分方便，成本比较低廉。是高频疲劳试验一种全新的加载技术。

Claims (9)

1. 高频脉冲发生器及其加载系统，包括高频脉冲发生器和高频脉冲发生器的加载系统；其中高频脉冲发生器，包括静盘、动盘、主传动轴、外壳、圆锥滚柱轴承组、旋转密封圈、骨架油封、轴承盖、前端盖、后端盖、“O”形密封圈；其特征是，所述静盘为一圆柱体，该圆柱体一端面的圆周上等距切制有4个弧长与间隔完全相等的弧形槽，其中两两相对的弧形槽对称设置；所述对称设置的两弧形槽通过圆柱体内部的通道相连通，所述静盘外圆柱面上设有与弧形槽相连通的槽口；所述动盘为一圆柱体，该圆柱体一端面的圆周上等距切制有4个弧长与间隔完全相等且与静盘弧形槽完全相同的弧形槽，其中两两相对的弧形槽对称设置；所述对称设置的两弧形槽通过圆柱体内部的通道相连通，所述动盘外圆柱面上设有与弧形槽相连通的槽口；所述静盘和动盘的外圈套设外壳，其中静盘末端部设有后端盖，动盘前端设有前端盖；所述外壳、后端盖和前端盖组成一密封腔体，动盘和静盘设置在该腔体内；所述外壳上设有压力油入口、压力油输出口、回油输入口、回油出口，该外壳内部设有与压力油入口、压力油输出口、回油输入口、回油出口分别相连通的矩形环槽；所述外壳内壁与动盘的外壁之间设有旋转密封圈，外壳内壁与静盘的外壁之间设有“O”形密封圈。
2. 高频脉冲发生器的载系统，包括压力表、蓄能器、压油过滤器、交流伺服电机、脉冲发生器、加载作动器、单向阀、定量油泵、网式过滤器、油箱，变频调速电机、溢流阀；其特征是，所述油箱的液压油出油口处设有网式过滤器，液压油经网式滤油器进入油泵；所述油泵与变频调速电机连接，该油泵泵出的压力油经单向阀进入压油过滤器，压力油通过压油过滤器过滤后进入脉冲发生器；所述脉冲发生器与加载作动器连接，该脉冲发生器由伺服电机驱动；所述单向阀与压油过滤器之间设有由压力表、蓄能器、溢油阀，其中溢油阀为电磁比例溢油阀，该电磁比例溢油阀与脉冲发生器连通；所述溢流阀用于限制最高压力、压力表用于显示工作压力，蓄能器用于消除油压的脉动。
3. 根据权利要求1所述的高频脉冲发生器，其特征是，所述旋转密封圈设置在与压力油入口、回油出口相连通的矩形环槽两侧；“O”形密封圈设置在与压力油输出口、回油输入口相连通的矩形环槽两侧。
4. 根据权利要求1所述的高频脉冲发生器，其特征是，所述动盘与静盘切制有弧形槽的端面完全贴合，且动盘端面圆周上切制的弧形槽与静盘端面圆周上切制的弧形槽一一对应。
5. 根据权利要求1或4所述的高频脉冲发生器，其特征是，所述动盘和静盘外圆柱面上开设的槽口分别与矩形环槽相连通。
6. 根据权利要求1所述的高频脉冲发生器，其特征是，所述动盘设置弧形槽的端面圆周上设有多圈润滑槽，该动盘轴心位置开设有花键孔。
7. 根据权利要求1所述的高频脉冲发生器，其特征是，所述后端盖设有压力油通孔，该压力油通孔进油口与压力油入口相连通，压力油通孔出油口设置在静盘后端面，其中后端盖与静盘后端面之间设有“O”形密封圈。
8. 根据权利要求1或7所述的高频脉冲发生器，其特征是，所述后端盖与静盘通过圆柱销定位连接，该后端盖与外壳通过紧定螺钉固定；所述外壳与前端盖通过紧定螺钉固定，前端盖与轴承盖通过紧定螺钉固定。
9. 根据权利要求1所述的高频脉冲发生器，其特征是，所述主传动轴由滚珠轴承组支撑，该主传动轴左端由增速器输出轴带动旋转，右端通过花键与动盘连接带动动盘旋转；所述滚珠轴承组包括两套圆锥滚珠轴承，该滚珠轴承组前端部设有轴承盖，轴承盖与主传动轴之间设有骨架油封。