CN102539160B - 一种谐振式内燃机微动疲劳模拟实验*** - Google Patents

一种谐振式内燃机微动疲劳模拟实验*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种谐振式内燃机微动疲劳模拟实验***，属于内燃机疲劳强度技术领域。该***包括微动疲劳装置、加速度计、电子控制部件、电动激振器、激振器推杆和两块惯性振板；微动疲劳装置包括试件、预紧螺栓、压头、U型连接器、基座、加载推杆和载荷施加轴。利用该***可以用来研究内燃机典型特征载荷作用下结构件的微动疲劳问题，跟传统微动疲劳模拟实验相比，可以考虑平面和平面接触，可以通过改变总载荷大小和切向载荷与法向载荷的比例关系，进行不同载荷特征及载荷水平作用下试件的微动疲劳问题的研究。

Description

一种谐振式内燃机微动疲劳模拟实验***
技术领域
本发明涉及一种谐振式内燃机微动疲劳模拟实验***，属于内燃机疲劳强度技术领域。
背景技术
在内燃机工作状态下，机体隔板和主轴承盖接触面承受预紧力和交变法向和切向载荷的共同作用，容易在接触面附近发生微动损伤，加速零部件的失效。研究表明，在相同的交变外载荷作用下，微动疲劳的作用会降低试件的疲劳寿命30%～50%。微动疲劳损伤规律的研究近年来逐渐成为相关研究领域内的研究热点。
实验研究是微动疲劳损伤研究中最重要的研究手段。微动疲劳实验有多种方式，其中的差异主要集中在压头的形状上。压头的形状有很多种，不同压头会导致不同的应力分布。现阶段最常用的压头有桥式压头、圆柱式压头和球形压头等。通常能够为标准疲劳试件提供固定的法向压力和可控的循环变化体力。但是，该实验很难模拟周期性法向压力与周期性切向力共同作用下的微动疲劳失效过程。牛津大学的Ruiz开发的燕尾榫结构微动疲劳实验台，该实验***的基础是一台电液伺服疲劳实验机。通过双轴非比例激励分别模拟航空发动机工作状态下的离心力和空气对叶片的作用力，通过一个附加的高周疲劳激励实现微动幅值的控制。实现了叶片结构件的微动疲劳实验。（参考文献Ruiz C,Boddington PHB,Chen KC.An investigation on fatigue and fretting in a dovetailjoint.Exp Mech1984;24:208-17.）现阶段还没有关于内燃机典型特征载荷作用下结构件的谐振微动疲劳实验***的相关论文和报道。
发明内容
本发明的目的是为了能够充分模拟内燃机载荷特征下的微动疲劳损伤过程，研制一种谐振式内燃机微动疲劳模拟实验***。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
本发明的一种谐振式内燃机微动疲劳模拟实验***，该***包括微动疲劳装置1、加速度计2、电子控制部件3、电动激振器4、激振器推杆5和两块惯性振板6；两块惯性振板6通过钢丝绳悬挂在轨道上；微动疲劳装置1通过法兰固定在两块惯性振板6之间；激振器推杆5的一端固定在电动激振器4上；激振器推杆5的另一端固定在一块惯性振板6上；加速度计2通过磁力粘在另一块惯性振板6上，其位置与激振器推杆5相对称；电子控制部件3用于控制电动激振器4；
其中，微动疲劳装置1包括试件7、预紧螺栓8、压头9、U型连接器10、基座11、加载推杆12和载荷施加轴13；基座11为整体为一个柱体；在柱体的下侧面挖有两个对称凹槽，两个凹槽之间形成一个梯形支撑架，柱体两端的剩余部分用于与惯性振板6固定连接；梯形支撑架的两侧各有一个试件安装槽，用于固定和安装试件7，试件7的一侧有一个半圆孔，压头9的一侧有一个半圆孔，压头9放在试件7的上表面，压头9的半圆孔与试件7的半圆孔整好形成一个圆孔；试件7与压头9通过预紧螺栓8固定连接在梯形支撑架的两侧；载荷施加轴13穿过压头9和试件7形成的圆孔；载荷施加轴13的两端固定在U型连接器10的两臂上；U型连接器与基座11通过加载推杆12固定连接。
电子控制部件3在试验过程中对曲轴弯曲疲劳模拟***的谐振幅度和谐振频率进行闭环控制，形成闭环控制电路；首先信号发生器将信号输入给伺服控制器，伺服控制器通过功率放大器向电动激振器4发出一个标准的正弦型指令信号，使电动激振器4激起***谐振，然后安装在惯性振板6上的加速度计2将测得的加速度信号通过电荷放大器后一部分作为***的响应信号反馈回伺服控制器，一部分通过谐振跟踪单元反馈给信号发生器，每循环一次计数器累加一次。伺服控制器对指令信号和响应信号的幅值和频率进行比较，以修正指令信号或中止试验；控制电路中还设置了载荷幅值限制和谐振频率限制两个单元，当载荷幅值和频率的变化超出限制单元的预定值时，限制单元可以中止试验以保护试验装置；计数器能够记录试验中止时的循环加载次数，测得相应的疲劳寿命。
通过闭环控制可以保持惯性振板6上的加速度幅值恒定，加速度幅值为位移幅值的二次导数，位移幅值又与试验的弯矩幅值存在对应关系，这样也就使试验过程中疲劳弯矩幅值保持恒定。而当曲轴单拐试件的圆角处萌生了裂纹或锥套联接出现松动时，***的弯曲刚度下降，谐振频率随之降低，控制电路又可以调整激励频率以保持***始终处于谐振状态。
其中，机械谐振部分主要包括试件、压头、卡具和加载机构。其中试件、压头的结构形式需与机体隔板和主轴承盖的结构形式相似。卡具和压头之间横贯螺栓预紧力，为试件提供了一个与机体隔板类似的工作环境。加载机构包括惯性振板、电动激振器和推杆三部分。惯性振板与卡具构成一个音叉谐振***，通过改变惯性振板的长度，调整音叉***的固有频率，将一阶固有频率调整到内燃机在工作状态下的载荷频率附近。电动激振器通过推杆向惯性振板传递载荷，惯性振板通过U型推杆将载荷施加在试件和压头上，实现接触面的微动。
电子控制部分能够实现三个功能：保持实验过程中载荷恒定、保证实验时***始终处于谐振状态、适时中止实验。
实验过程中的载荷恒定是通过加速度闭环控制来实现的。***工作时，放置在振板上的加速度计所产生的电荷经电荷放大器放大并转换成标准量化的电压信号后，作为***的响应信号送至伺服控制器。指令信号由函数发生器给出，同时送至伺服控制器，其波形为正弦波，频率等于机械部分的共振频率，幅度与所需的实验载荷对应。指令与响应信号进入伺服控制器后，伺服控制器对它们的幅度进行比较，并输出一信号到功率放大器，激励电动激振器推动另一振板以一定的幅度振动。实验过程中当某种因素使载荷发生变化时，回路可通过负反馈自动纠正这种变化，从而保持载荷恒定。
实验过程中的共振状态是通过频率闭环控制来实现的。实验过程中试件可能因出现裂纹或夹持松动等原因而使刚度下降，则共振频率将随之降低，此时原有共振状态遭破坏。为此在电路中设计了一个共振频率跟踪单元，它与函数发生器等构成频率自动调节回路。指令信号与相应信号输入到共振跟踪单元，经检测、放大后反馈至函数发生器，修正指令信号频率使之与***当前的共振频率相等，从而确保***的共振状态。
测试***用来测量微动量和试件与压头上的载荷量。用光栅位移传感器测量试件和压头接触副之间的位移微动量，由于微动疲劳实验过程中，接触副之间的微动量在100μm以内，因此实验过程中，拟选用分辨率为0.1μm的光栅传感器。用力传感器测量U型推杆施加在试件和压头上的载荷的大小。
该微动疲劳模拟***可以获得载荷、微动量和寿命之间的关系。其中，载荷包括螺栓预紧力和加载机构的周期性作用力。周期性作用力沿接触面方向可以被分解为法向力和切向力。通过改变加载机构与接触面之间的角度，实现切向力和法向力比值的变化。
模拟实验通过以下几个步骤实现：
通过内燃机多工况下的整机多体动力学分析，确定内燃机典型工况下的切向力与法向力比值，在此基础上确定实验中加载机构与接触面之间的角度；
改变电动激振器的输出载荷，通过力传感器测量U型推杆施加在试件上的载荷大小，将该载荷和卡具模拟的预紧力进行叠加，从而得到电动激振器的输出载荷与试件所承受循环载荷的关系；
当切向力与法向力比值一定时，改变电动激振器输出载荷的大小，通过光栅传感器测量接触副的微动量，获得微动量随电动激振器输出载荷变化的曲线。通过该曲线能够实现对微动量的控制。
控制预紧螺栓的预紧力、切向力与法向力比值及接触副之间微动量等参数，进行微动疲劳损伤实验，获得各参数与微动疲劳损伤寿命之间的关系。
有益效果
利用该***可以用来研究内燃机典型特征载荷作用下结构件的微动疲劳问题，跟传统微动疲劳模拟实验相比，可以考虑平面和平面接触，可以通过改变总载荷大小和切向载荷与法向载荷的比例关系，进行不同载荷特征及载荷水平作用下试件的微动疲劳问题的研究。可以进行的具体工作包括：
电动激振器的输出载荷与试件所承受循环载荷之间规律的研究；
接触副之间微动量的控制研究；
内燃机特征载荷作用下的微动疲劳损伤规律的研究。
微动裂纹的观测和测量研究
附图说明
图1为一种谐振式内燃机微动疲劳模拟实验***的结构示意图；
图2为微动疲劳装置结构示意图；
图3电子控制部件的组成示意图；
其中，1-微动疲劳装置，2-加速度计3-电子控制部件，4-电动激振器，5-激振器推杆，6-惯性振板，7-试件，8-预紧螺栓，9-压头，10-U型连接器，11-基座，12-加载推杆，13-载荷施加轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例
一种谐振式内燃机微动疲劳模拟实验***，该***包括微动疲劳装置1、加速度计2、电子控制部件3、电动激振器4、激振器推杆5和两块惯性振板6；两块惯性振板6通过钢丝绳悬挂在轨道上；微动疲劳装置1通过法兰固定在两块惯性振板6之间；激振器推杆5的一端固定在电动激振器4上；激振器推杆5的另一端固定在一块惯性振板6上；加速度计2通过磁力粘在另一块惯性振板6上，其位置与激振器推杆5相对称；电子控制部件3用于控制电动激振器4；
其中，微动疲劳装置1包括试件7、预紧螺栓8、压头9、U型连接器10、基座11、加载推杆12和载荷施加轴13；基座11为整体为一个柱体；在柱体的下侧面挖有两个对称凹槽，两个凹槽之间形成一个梯形支撑架，柱体两端的剩余部分用于与惯性振板6固定连接；梯形支撑架的两侧各有一个试件安装槽，用于固定和安装试件7，试件7的一侧有一个半圆孔，压头9的一侧有一个半圆孔，压头9放在试件7的上表面，压头9的半圆孔与试件7的半圆孔整好形成一个圆孔；试件7与压头9通过预紧螺栓8固定连接在梯形支撑架的两侧；载荷施加轴13穿过压头9和试件7形成的圆孔；载荷施加轴13的两端固定在U型连接器10的两臂上；U型连接器与基座11通过加载推杆12固定连接。
电子控制部件3在试验过程中对曲轴弯曲疲劳模拟***的谐振幅度和谐振频率进行闭环控制，形成闭环控制电路；首先信号发生器将信号输入给伺服控制器，伺服控制器通过功率放大器向电动激振器4发出一个标准的正弦型指令信号，使电动激振器4激起***谐振，然后安装在惯性振板6上的加速度计2将测得的加速度信号通过电荷放大器后一部分作为***的响应信号反馈回伺服控制器，一部分通过谐振跟踪单元反馈给信号发生器，每循环一次计数器累加一次。伺服控制器对指令信号和响应信号的幅值和频率进行比较，以修正指令信号或中止试验；控制电路中还设置了载荷幅值限制和谐振频率限制两个单元，当载荷幅值和频率的变化超出限制单元的预定值时，限制单元可以中止试验以保护试验装置；计数器能够记录试验中止时的循环加载次数，测得相应的疲劳寿命。
通过内燃机多工况下的整机多体动力学分析，确定内燃机典型工况下的切向力与法向力比值，在此基础上确定实验中加载机构与接触面之间的角度，作为设计卡具镶嵌试件7处斜面角度的依据。为了使该微动疲劳实验***能够充分模拟内燃机载荷特征下的微动疲劳损伤过程，必须使试件7和机体隔板关键尺寸满足结构相似性，二者满足材料一致性；压头9和主轴承盖关键尺寸满足机构相似性，二者满足材料一致性。当压头9、试件7、卡具和U型推杆的尺寸确定下来之后，对惯性振板6进行设计。两个相同的惯性振板6对称地固定在卡具两端，构成了一个音叉谐振***。通过改变惯性振板6的长度，调整音叉***的固有频率，将一阶固有频率调整到内燃机在工作状态下的载荷频率附近。
将设计制造的机械谐振***安装至实验台架。
利用电子控制部分控制电动激振器4的输出载荷大小和频率。
改变电动激振器4的输出载荷，通过力传感器测量U型推杆施加在试件7和压头9上的载荷大小，将该载荷和卡具模拟的预紧力进行叠加，从而得到电动激振器4的输出载荷与试件7、压头9所承受循环载荷的关系。
当切向力与法向力比值一定时，改变电动激振器4输出载荷的大小，通过光栅传感器测量试件7和压头9接触副的微动量，获得该微动量随电动激振器4输出载荷变化的曲线。通过该曲线能够实现对微动量的控制。
控制预紧螺栓8的预紧力、切向力与法向力比值及接触副之间微动量等参数，进行微动疲劳损伤实验，获得各参数与微动疲劳损伤寿命之间的关系。

Claims (1)

1.一种谐振式内燃机微动疲劳模拟实验***，其特征在于：该***包括微动疲劳装置（1）、加速度计（2）、电子控制部件（3）、电动激振器（4）、激振器推杆（5）和两块惯性振板（6）；两块惯性振板（6）通过钢丝绳悬挂在轨道上；微动疲劳装置（1）通过法兰固定在两块惯性振板（6）之间；激振器推杆（5）的一端固定在电动激振器（4）上；激振器推杆（5）的另一端固定在一块惯性振板（6）上；加速度计（2）通过磁力粘在另一块惯性振板（6）上，其位置与激振器推杆（5）相对称；电子控制部件（3）用于控制电动激振器（4）；
微动疲劳装置（1）包括试件（7）、预紧螺栓（8）、压头（9）、U型连接器（10）、基座（11）、加载推杆（12）和载荷施加轴（13）；基座（11）为整体为一个柱体；在柱体的下侧面有两个对称凹槽，两个凹槽之间形成一个梯形支撑架，柱体两端的剩余部分用于与惯性振板（6）固定连接；梯形支撑架的两侧各有一个试件安装槽，用于固定和安装试件（7），试件（7）的一侧有一个半圆孔，压头（9）的一侧有一个半圆孔，压头（9）放在试件（7）的上表面，压头（9）的半圆孔与试件（7）的半圆孔正好形成一个圆孔；试件（7）与压头（9）通过预紧螺栓（8）固定连接在梯形支撑架的两侧；载荷施加轴（13）穿过压头（9）和试件（7）形成的圆孔；U型连接器（10）为两个，两个U型连接器（10）对称固定在两个凹槽内,其中U型连接器（10）的两臂分别固定载荷施加轴（13）的两端，两个U型连接器（10）分别与基座（11）通过加载推杆（12）固定连接；
电子控制部件（3）中信号发生器将信号输入给伺服控制器，伺服控制器通过功率放大器向电动激振器（4）发出一个标准的正弦型指令信号，使电动激振器（4）激起***谐振，然后安装在惯性振板（6）上的加速度计（2）将测得的加速度信号通过电荷放大器后一部分作为***的响应信号反馈回伺服控制器，一部分通过谐振跟踪单元反馈给信号发生器，每循环一次计数器累加一次；伺服控制器对指令信号和响应信号的幅值和频率进行比较，以修正指令信号或中止试验；电子控制部件（3）中还设置了载荷幅值限制和谐振频率限制两个单元，当载荷幅值和频率的变化超出限制单元的预定值时，限制单元可以中止试验以保护试验装置；计数器能够记录试验中止时的循环加载次数，测得相应的疲劳寿命。
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