CN103234722B - 飞轮壳疲劳试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种飞轮壳疲劳试验装置和试验方法，试验装置包括：底座；主动摆臂、从动摆臂，飞轮壳夹持于所述主动摆臂和所述从动摆臂之间；应力检测元件，安装于飞轮壳，检测飞轮壳的应力；激振装置，安装于主动摆臂上；加速度检测元件，检测激振的加速度。本发明通过加速度的变化，监测飞轮壳是否产生裂纹，该监测方式具有客观标准，相较于背景技术中依靠人工观测，显然试验精度较高，试验结果更接近真实状态；与此同时，由于不需要人工观测，试验安全系数也得以提高。另外，激振力在共振作用下得以放大而产生较大载荷，相较于背景技术中低频液压加载方式，试验周期得以缩短，且该试验装置结构简单，占地空间较小。

Description

飞轮壳疲劳试验装置及试验方法

技术领域

本发明涉及工程机械技术领域，特别涉及一种飞轮壳疲劳试验装置及试验方法。

背景技术

飞轮壳安装于发动机缸体与变速箱之间，外接曲轴箱、起动机、油底壳等，内置飞轮总成，起到连接机体、防护和载体的作用。

基于此，飞轮壳是具有复杂结构的壳体，其受力情况及破坏情况均较为复杂。通过统计分析，飞轮壳大约共有八种失效模式，包括：裂纹、破裂、损伤(机械损伤)、尺寸超差、缩松、外观质量、尺寸加工不合格、错装。

其中，飞轮壳失效模式中大约有94％的失效和疲劳有关，因此，对飞轮壳进行疲劳试验，对飞轮壳质量的提高有关键作用。现阶段发动机领域内对发动机疲劳试验的研究尚处于起步阶段。

目前，一般采用液压式飞轮壳疲劳试验机对飞轮壳进行疲劳试验。该方式主要是通过液压加载气缸体实现对飞轮壳进行循环加载，从而使飞轮壳产生疲劳破坏。

然而，上述疲劳试验方式存在下述技术问题：

第一、疲劳破坏而产生的裂纹，需要人为监测，主观性较强，判断标准不统一，导致试验精度较低，可参照性偏低；而且人为观测时，存在安全隐患；

第二、采用液压式飞轮壳疲劳试机进行疲劳试验时，由于液压频率较低，试验周期很长，而且必须使用气缸体，占地空间较大。

有鉴于此，如何提供一种飞轮壳疲劳试验装置，以提高试验精度和试验安全系数，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的为提供一种飞轮壳疲劳试验装置及试验方法。该试验装置和试验方法可以提高飞轮壳疲劳试验的精度和安全系数。

本发明提供的飞轮壳疲劳试验装置，包括：

底座，飞轮壳安装于所述底座上；

主动摆臂、从动摆臂，所述飞轮壳夹持于所述主动摆臂和所述从动摆臂之间；

应力检测元件，安装于所述飞轮壳，检测所述飞轮壳的应力；

激振装置，安装于所述主动摆臂上；

加速度检测元件，检测激振的加速度。

该试验装置试验时，先对飞轮壳进行静态标定，通过加载装置和应力检测元件可以得到静态载荷和应力的对应曲线。激振装置加载时，加速度检测元件检测激振加速度，加速度产生异常时，飞轮壳产生裂纹，可以记录当前应力，并根据当前应力以及载荷、应力对应曲线，获得与当前应力对应的载荷，进而获得使飞轮壳产生裂纹的载荷，达到试验目的。可见，本发明通过加速度的异常，监测飞轮壳是否产生裂纹，该监测方式具有客观标准，相较于背景技术中依靠人工观测，显然试验精度较高，试验结果更接近真实状态；与此同时，由于不需要人工观测，试验安全系数也得以提高。另外，由于采用了激振装置进行循环加载，激振力在共振作用下得以放大而产生较大载荷，相较于背景技术中低频液压加载方式，试验周期得以缩短，且该试验装置结构简单，占地空间较小。

优选地，所述飞轮壳具有内侧螺纹部，所述应力检测元件安装于所述飞轮壳的内侧螺纹部的边缘部位。

内侧螺纹部的边缘部位为飞轮壳的薄弱部位，也是最易产生的裂纹的部位，检测该部位的应力，能够更为准确地得出飞轮壳疲劳损伤时的载荷。

优选地，所述激振装置包括安装于所述主动摆臂上的电机和由所述电机驱动旋转的偏心轮。

电机和偏心轮的配合使用，电机转速改变时可以改变激振力大小，调节偏心轮偏心量可改变整个***的自振频率，具有易于安装、操作方便，且成本较低的优势。

优选地，还包括加载装置，用于对飞轮壳逐步静态加载。

设置加载装置后，该试验装置试验时，无需临时采用其他能够实施静态加载的装置，提高试验效率。

优选地，所述加载装置包括固定销、加载螺杆、设置于所述加载螺杆上的压力传感器，以及活动挡板；

所述主动摆臂和/或所述从动摆臂上设有与所述固定销配合的销孔；

加载时，所述加载螺杆的一端通过所述固定销与所述主动摆臂或所述从动摆臂上的所述销孔固定，所述加载螺杆的另一端贯穿所述活动挡板，且所述活动挡板相应地置于所述从动摆臂或所述主动摆臂的外沿。

加载螺杆作为静标加载装置，易于对飞轮壳实施静态加载，且结构简单，成本较低。

优选地，所述加速度检测元件设置于所述主动摆臂和/或所述从动摆臂上。

飞轮壳夹持于两摆臂之间，为了不受安装限制，可以将加速度检测元件设置于主动摆臂和/或从动摆臂上。

优选地，还包括置于所述底座上的两夹板，两所述夹板的外侧分别固定所述主动摆臂和所述从动摆臂；所述飞轮壳夹持于两所述夹板的内侧。

两夹板分别相当于发动机的缸体和齿轮箱，即通过夹板夹紧固定飞轮壳模拟了飞轮壳的真实安装情况，使得试验结果更接近真实状态。而且，飞轮壳的充分夹紧由两夹板实现，而两摆臂传递振动的功能更为明显，以便放大激振加载的力矩。

优选地，所述主动摆臂以及所述从动摆臂与所述底座之间设有平衡弹簧。

设置平衡弹簧后，通过调节平衡弹簧，可以消除激振力在其他方向的分力，使激振力与加载装置施加的载荷方向相同，提高试验结果的精准度。

本发明还提供一种飞轮壳疲劳试验方法，包括下述步骤：

对飞轮壳逐步加载产生弯矩，加载过程中实时检测飞轮壳的应力；

记录飞轮壳应力随载荷变化的曲线；

对飞轮壳实施激振，检测不同激振力下，激振的加速度以及飞轮壳的应力；

记录激振时，加速度随激振力变化的曲线，以及应力随激振力变化的曲线；

当加速度出现异常时，获取与变化异常时激振力所对应的应力，并根据应力随载荷变化的曲线，获取与当前激振力对应的载荷。

该试验方法与上述试验装置的工作原理相同，能够达到同样的技术效果，此处不再赘述。

优选地，检测应力时，检测飞轮壳的倒角部位或内侧螺纹边缘部位的应力。

内侧螺纹边缘部位为飞轮壳的薄弱部位，也是最易产生的裂纹的部位，检测该部位的应力，能够更为准确地得出飞轮壳疲劳损伤时的载荷。

优选地，通过电机和由所述电机驱动的偏心轮实施激振加载，所述激振强度为所述电机的转速。

附图说明

图1为本发明所提供飞轮壳疲劳试验装置一种具体实施方式的立体结构示意图；

图2为图1中试验装置的俯视图；

图3为本发明所提供飞轮壳疲劳试验方法一种具体实施方式的流程图；

图4为本发明所提供试验装置中加载装置一种具体实施例的结构示意图。

图1-4中：

11飞轮壳、121a第一销孔、122a第二销孔、121主动摆臂、122从动摆臂、13激振装置、131电机、132偏心轮、14加速度传感器、151第一夹板、152第二夹板、21连接销孔、22压力传感器、23垫块、24活动挡板、25加载螺杆

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为本发明所提供飞轮壳疲劳试验装置一种具体实施方式的立体结构示意图；图2为图1中试验装置的俯视图。

该飞轮壳11疲劳试验装置，包括底座、主动摆臂121、从动摆臂122、加载装置、应力检测元件、激振装置13，以及加速度检测元件。

其中，飞轮壳11安装于底座上，另外，飞轮壳11还夹持于主动摆臂121和从动摆臂122之间，即飞轮壳11相对于主动摆臂121、从动摆臂122固定，形成刚性整体，主动摆臂121和从动摆臂122能够在激振装置13作用下振动。

试验装置的应力检测元件设置于飞轮壳11上，比如在飞轮壳11上粘贴应变片，应变片成本较低，且检测精度较高，适于此处的应力读取需求；当然，也可以是应力检测传感器、测试仪等，此类检测元件成本偏高，实际上适于更为复杂的应力检测场合。

试验装置的加载装置主要用于对飞轮壳11逐步静态加载，逐步静态加载，即对飞轮壳11施加数值渐变的载荷，比如施加数值递增的载荷。载荷会对飞轮壳11产生弯矩，飞轮壳11上产生应力，应力检测元件能够检测到该应力。当载荷递增时，应力检测元件检测的应力也逐渐变化，可以记录飞轮壳11应力随载荷变化的曲线。可以想到，逐步加载，也可以是施加数值递减的载荷，此时压力检测元件检测到的应力也随载荷的变化而变化。可以理解，试验装置不包括加载装置也是可以的，试验时，可以临时采用其他能够进行静态加载的装置。当然，专门设置与该试验装置配合的加载装置，使得试验效率更高。

试验装置的激振装置13，安装于主动摆臂121上。激振装置13振动时，带动主动摆臂121受迫振动，主动摆臂121再带动飞轮壳11、从动摆臂122振动。此处，主动和从动表示一种振动传递关系，设有激振装置13的摆臂必然首先振动，即为主动摆臂121，另一摆臂相应地即为从动摆臂122。从图1可以看出，主动摆臂121和从动摆臂122可以加工为相同的结构，任一摆臂上均可以预留出安装激振装置13的安装位。

另外，还设置了加速度检测元件，用于检测激振的加速度，可以是一般的加速度传感器14，结构简单，易于安装，也可以是加速度计、陀螺仪等。激振的加速度体现于整个振动***的加速度，如上所述，主动摆臂121、从动摆臂122以及飞轮壳11连接为刚性整体后，激振加速度即为该刚性整体的加速度。飞轮壳11夹持于两摆臂之间，加速度传感器14的安装可能受到限制，则加速度传感器14可以设置于主动摆臂121和/或从动摆臂122上。由于主动摆臂121上设有激振装置13，故为了便于测量加速度，可以将加速度检测元件设置于从动摆臂122上，如图2所示。

上述试验装置可以通过下述试验方法进行疲劳试验，请参考图3理解，图3为本发明所提供飞轮壳疲劳试验方法一种具体实施方式的流程图。该试验方法采用“静标动测”的方式达到疲劳试验目的。

该飞轮壳11疲劳试验方法具体包括下述步骤：

S1、对飞轮壳11逐步加载产生弯矩，加载过程中实时检测飞轮壳11的应力；

如上所述，加载过程中，应力检测元件可以实时检测飞轮壳11的应力变化，主要是检测应力检测元件安装位置的应力变化。

S2、记录飞轮壳11应力随载荷变化的曲线；

根据检测的应力和对应的载荷，可以获取相应的曲线。步骤S1、S2实现“静标”，为后续步骤提供载荷参考。

S3、对飞轮壳11实施激振，检测不同激振强度下，激振的加速度以及飞轮壳11的应力；

通过上述激振装置13激振时，产生的激振力能够对飞轮壳11循环加载，改变激振力大小，则可实现对飞轮壳11的逐步加载。飞轮壳11夹紧于两摆臂之间后，上述刚性整体形成形如音叉的谐振***，如图1、2所示，两摆臂相对且平行设置。此时，可以将激振装置13的激振频率设定在上述谐振***的共振点附近，即无限接近或是等于刚性整体的共振频率，则谐振***对飞轮壳11的加载力矩得以数十倍的放大，从而使飞轮壳11受到足够大的循环载荷，激振力达到一定程度时，飞轮壳11会产生疲劳损坏，产生裂纹。

S4、记录激振时，应力随激振强度变化的曲线；

S3-S4实现“动测”。

S5、判断加速度是否出现异常；若否，则返回S3，若是，则进入步骤S6；

飞轮壳11以及摆臂作为一个刚性整体，未产生裂纹时，刚度不变，该整体的自振频率是固定的，步骤S3中，激振频率与该***自振频率基本相等产生共振，随激振力的变化，加速度不变，为一固定值。当飞轮壳11产生裂纹时，整个***刚度发生变化，自振频率改变，此时，加速度会出现波动，即检测的整个试验装置的激振加速度出现异常。为便于观测何时加速度变化异常，可以将检测的加速度随时间或是激振力绘制为变化曲线，以便于及时获悉裂纹产生的时间，以及此时间对应的激振力。

S6、获取与当前激振强度对应的应力，并根据应力随载荷变化的曲线，获取与当前激振强度对应的载荷。

当加速度出现异常时，表明此时飞轮壳11、摆臂等组成的刚性整体的自振频率发生了变化，影响了共振，则飞轮壳11此时必然产生了裂纹，可以获取此时应力检测元件检测的当前应力。步骤S2中通过“静标”已经获得了应力随载荷变化的曲线，根据检测的当前应力和步骤S2中获取的曲线，可以获取当前激振强度对飞轮壳11所产生的载荷，由此，可获得使飞轮壳11疲劳产生裂纹的载荷，达到试验目的。激振强度可以是激振力的大小，或是根据激振的其他参数确定。

上述实施例步骤S5中，当加速度变化异常时，即进行步骤S6获得与当前应力对应的载荷。实际上，试验可以是连续的过程，技术人员获取各类曲线后，经过后续的对比分析可以获取裂纹产生时对应的载荷，而且，按照该种方式，还可以获得裂纹产生大小与载荷的关系。当然，按照上述步骤进行，产生裂纹时，即可停止激振，实现自动化控制。

本发明通过加速度和激振强度对应关系的变化，监测飞轮壳11是否产生裂纹，该监测方式具有客观标准，相较于背景技术中依靠人工观测，显然试验精度较高，试验结果更接近真实状态；与此同时，由于不需要人工观测，试验安全系数也得以提高。另外，由于采用了激振装置13进行循环加载，激振力在共振作用下得以放大而产生较大载荷，相较于背景技术中低频液压加载方式，试验周期得以缩短，从图1、2也可以看出，试验装置结构简单，占地空间较小。

针对上述实施例，飞轮壳11一般具有内侧螺纹部，检测应力时，可以检测飞轮壳11内侧螺纹部边缘部位的应力。即将应力检测元件设置于飞轮壳11内侧螺纹部的边缘部位，一般而言，内侧螺纹部的边缘部位为飞轮壳11的薄弱部位，也是最易疲劳产生裂纹的部位，检测该部位的应力，能够更为准确地得出飞轮壳11疲劳损伤时的载荷。也可以检测飞轮壳11上倒角部位的应力，倒角部位同样属于易于疲劳的部位。实际应用中，根据飞轮壳11结构的不同，可以判断其最薄弱部位，将应力检测元件设置于其薄弱部位即可。

具体地，激振装置13可以包括安装于主动摆臂121上的电机131和由电机131驱动旋转的偏心轮132，如图2所示。激振加载前，可以使偏心轮132的激振频率与整个***自振频率大致相同，整个***共振，激振频率由激振力和偏心轮132的偏心量共同决定，激振力的大小可以通过调节电机131转速来改变。整个***由于受迫振动对飞轮壳11施加循环载荷，并产生疲劳破坏，进而产生裂纹。电机131和偏心轮132的配合使用，具有易于安装、操作方便，且成本较低的优势。

当然，采用液压激振装置、电磁激振装置等也是可以的。

针对上述各实施例，加载装置的具体结构可参考图4理解，图4为本发明所提供试验装置中加载装置一种具体实施例的结构示意图。

该加载装置具体包括加载螺杆25和设置于加载螺杆25上的压力传感器22，另外，还包括活动挡板24、垫块23、连接块、螺帽以及固定销(图中未示出)，连接块上设有连接销孔21，主动摆臂121和从动摆臂122上分别设有与连接销孔21配合的第一销孔121a和第二销孔122a，如图1、2所示。加载螺杆25贯穿垫块23，垫块23用于支撑整个加载装置，加载螺杆25也贯穿活动挡板24。

步骤S1、S2“静标”时，将连接块上的连接销孔21与第一销孔121a通过固定销配合定位，并将活动挡板24置于从动摆臂122的外沿，或是与第二销孔122a配合定位，将活动挡板24置于主动摆臂121的外沿；然后，通过与加载螺杆25配合的螺帽旋转，以使活动挡板24抵压摆臂而施加载荷。此时，在摆臂上会产生压力，相应地，飞轮壳11上产生压力，压力传感器22可以实时检测到该压力，即获得施加的载荷。

加载螺杆25作为加载装置，易于同摆臂配合，且结构简单，成本较低。可以想到，采用液压加载、气压加载等其他加载装置也是可以的。需要说明的是，激振装置进行激振加载时，通过摆臂传递加载力，故“静标”通过加载于摆臂的方式对飞轮壳11施加载荷，可以确保“静标”能够为“动标”提供精确的标准。

当激振装置采用电机131和偏心轮132，加载装置采用加载螺杆25时，上述方法中激振强度可以直接通过电机131的转速来体现。整个试验过程可以描述为：

静态标定：通过螺帽旋转，在飞轮壳11上静态加载，获得应力与载荷的关系；

动态标定：电机131旋转，在飞轮壳11上激振加载，获得电机131转速与应力的关系，则可获得转速与载荷之间的关系，并能够获悉与疲劳裂纹产生时对应的转速。

因此，真正地进行加载时，根据获得的载荷-转速曲线，可以确定与所需加载载荷对应的转速，从而控制电机转速进行加载，还可以有效避免飞轮壳11产生疲劳。

针对上述各实施例，试验装置还可以进一步包括置于底座上的两夹板，两夹板与底座固定。两夹板的外侧分别固定主动摆臂121和从动摆臂122；而飞轮壳11夹持于两夹板的内侧，即飞轮壳11通过两夹板安装于底座，且通过两夹板夹持于两摆臂之间。如图1所示，两夹板分别为第一夹板151和第二夹板152，飞轮壳11可以通过工装夹紧于两夹板之间。此时，第一夹板151和第二夹板152分别相当于发动机的缸体和齿轮箱，即通过夹板夹紧固定飞轮壳11模拟了飞轮壳11的真实安装情况，使得试验结果更接近真实状态。

主动摆臂121和从动摆臂122分别固定在第一夹板151和第二夹板152的外侧，可以通过过度紧固螺钉固定，或是铆接、压接等常规固定方式固定。固定后，两夹板、两摆臂以及飞轮壳11形成刚性整体。如此设计，飞轮壳11的充分夹紧由两夹板实现，两摆臂基本用于传递振动，则两摆臂传递振动的功能更为明显，以便放大激振加载的力矩，如图1、2所示，两摆臂的左端用于连接夹板，其余部分接近悬臂状态。

进一步地，主动摆臂121以及从动摆臂122与底座之间设有平衡弹簧。平衡弹簧的高度能够调节，以便适应飞轮壳11的定位位置。如图2所示，加载装置加载时，可以施加垂直于纸面的载荷，即载荷方向与飞轮壳11的盘面平行，而激振装置13产生的激振力的方向与加载装置加载的载荷方向可能存在偏角，则试验后期需要利用载荷和应力曲线获取与激振力相对应的载荷时，可能存在偏差。设置平衡弹簧后，通过调节平衡弹簧，可以消除激振力在其他方向的分力，使激振力与“静标”时加载装置施加的载荷方向相同，提高试验结果的精准度。

以上对本发明所提供的一种飞轮壳试验装置和试验方法均进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种飞轮壳疲劳试验装置，其特征在于，包括：

底座，飞轮壳(11)安装于所述底座上；

主动摆臂(121)、从动摆臂(122)，所述飞轮壳(11)夹持于所述主动摆臂(121)和所述从动摆臂(122)之间；

应力检测元件，安装于所述飞轮壳(11)，检测所述飞轮壳(11)的应力；

激振装置(13)，安装于所述主动摆臂(121)上；

加速度检测元件，检测激振的加速度；

还包括加载装置，用于对飞轮壳(11)逐步静态加载。

2.如权利要求1所述的飞轮壳疲劳试验装置，其特征在于，所述飞轮壳(11)具有内侧螺纹部，所述应力检测元件安装于所述飞轮壳(11)的所述内侧螺纹部的边缘部位。

3.如权利要求1所述的飞轮壳疲劳试验装置，其特征在于，所述激振装置(13)包括安装于所述主动摆臂(121)上的电机(131)和由所述电机(131)驱动旋转的偏心轮(132)。

4.如权利要求1所述的飞轮壳疲劳试验装置，其特征在于，所述加载装置包括固定销、加载螺杆(25)、设置于所述加载螺杆(25)上的压力传感器(22)，以及活动挡板(24)；

所述主动摆臂(121)和/或所述从动摆臂(122)上设有与所述固定销配合的销孔；

加载时，所述加载螺杆(25)的一端通过所述固定销与所述主动摆臂(121)或所述从动摆臂(122)上的所述销孔固定，所述加载螺杆(25)的另一端贯穿所述活动挡板(24)，且所述活动挡板(24)相应地置于所述从动摆臂(122)或所述主动摆臂(121)的外沿。

5.如权利要求1所述的飞轮壳疲劳试验装置，其特征在于，所述加速度检测元件设置于所述主动摆臂(121)和/或所述从动摆臂(122)上。

6.如权利要求1-5任一项所述的飞轮壳疲劳试验装置，其特征在于，还包括置于所述底座上的两夹板，两所述夹板的外侧分别固定所述主动摆臂(121)和所述从动摆臂(122)；所述飞轮壳(11)夹持于两所述夹板的内侧。

7.如权利要求1-5任一项所述的飞轮壳疲劳试验装置，其特征在于，所述主动摆臂(121)以及所述从动摆臂(122)与所述底座之间设有平衡弹簧。

8.一种飞轮壳疲劳试验方法，其特征在于，包括下述步骤：

对飞轮壳(11)逐步加载产生弯矩，加载过程中实时检测飞轮壳(11)的应力；

记录飞轮壳(11)应力随载荷变化的曲线；

对飞轮壳(11)实施激振，检测不同激振强度下，激振的加速度以及飞轮壳(11)的应力；

记录激振时，应力随激振强度变化的曲线；

当加速度出现异常时，获取与出现异常时激振强度所对应的应力，并根据应力随载荷变化的曲线，获取与当前激振强度对应的载荷。

9.如权利要求8所述的飞轮壳疲劳试验方法，其特征在于，检测应力时，检测飞轮壳(11)倒角部位或其内侧螺纹部边缘部位的应力。

10.如权利要求8所述的飞轮壳疲劳试验方法，其特征在于，通过电机(131)和由所述电机(131)驱动的偏心轮(132)实施激振加载，所述激振强度为所述电机(131)的转速。