CN104266910A - 疲劳试验力的加载方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种疲劳试验力的加载方法及其装置，通过伺服液压缸对十字加力盘施加复合力，从而实现试件力的加载；施力装置主要包括加载机构：十字加力盘、第一伺服液压缸、第二伺服液压缸，第一伺服液压缸固定于固定板上，其活塞杆连接力传感器，并固定于十字加力盘的上端面，第二伺服液压缸固定于固定框的内侧边上，其活塞杆连接力传感器，并固定于十字加力盘的一侧。本发明力的加载方法通过将十字加力盘上平面施加的力转换为弯矩、扭矩、循环弯矩，从而实现了复合力的加载；本发明力的加载装置通过伺服液压缸实现对试件力的加载，由于伺服液压缸出力大、体积小、控制精度高，且可靠性较高，从而克服了现有技术的不足。

Description

疲劳试验力的加载方法及其装置

技术领域

本发明属于力学试验技术领域，具体涉及疲劳试验力的加载方法，以及采用此方法的装置。

背景技术

疲劳是指材料或结构在交变载荷循环作用下的损伤累积直至破坏的现象。疲劳行为根据发生疲劳破坏所需的载荷循环周次，分为低周疲劳（循环周次少于105）、高周疲劳（循环周次在105到107之间）以及超高周疲劳（循环周次在107以上）。

例如，飞机发动机风扇轴是飞机的关键零件之一，其在高速、高温、受力复杂的条件下运转，其质量和性能直接影响到发动机性能、寿命和可靠性。为了保证发动机主轴的质量和性能，其在工作时必须具备足够的疲劳强度。通常，对疲劳试验测试主要力包括轴向力、扭矩、弯矩、循环弯矩等。

常见的疲劳试验力的加载方法是通过步进电机或伺服电机或普通电机配备加减速箱及辅助机构来实现力的加载。但是，当扭矩加载值较大时，步进电机或伺服电机常常达不到出力要求；采用普通电机配备加减速箱的方式加载力，其机构整体体积较大、控制精度较低，且能以实现高周循环。因而，以上加载力的方法都存在一定的局限性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种体积小、控制精度高，且可靠性较高的疲劳试验力的加载方法及其装置。

为了实现上述目的，本发明技术方案如下:

一种疲劳试验力的加载方法，包括以下步骤： 

（1）将试件固设于十字加力盘的底端，通过伺服液压缸对十字加力盘施加复合力，以作用于试件上，具体施加的复合力包括：

a.轴向施力伺服液压缸对十字加力盘的上端面施加垂直向上的拉力F4；

b.弯矩施力伺服液压缸对十字加力盘的上端面的纵向对称地施加一对方向相反、大小相等的拉力F1和推力F1'；

c.弯矩施力伺服液压缸对十字加力盘的上端面的横向对称地施加一对方向相反、大小相等的拉力F2和推力F2'；

d.扭矩施力伺服液压缸对十字加力盘的横向或纵向的侧边对称地施加一对方向相反、大小相等的拉力F3和推力F3'；

（2）步骤（1）中施加在十字加力盘上的各力分别作用于试件，则试件所承受的轴向力为F4，试件所承受的拉力F1和推力F1'以一推一拉的形式形成弯矩M1，M1=F1*L1，或M1=F1'*L1，试件所承受的拉力F2和推力F2'以一推一拉的形式形成弯矩M2，M2=F2*L2，或M2=F2'*L2，试件所承受的拉力F3和推力F3'以一推一拉的形式形成扭矩M3，M3=F3*L3，其中，L1、L2、L3为对应力的力臂；

（3）弯矩M1和弯矩M2的方向成90度交叉，弯矩M1为正弦变化弯矩，M2为余弦变化弯矩，当弯矩M1和弯矩M2同时施加,且频率相同时，根据李萨如图形定理，运动方向相互垂直的两个简谐信号可合成稳定的运动轨迹，且其运动轨迹为椭圆，则弯矩M1和弯矩M2根据所述李萨如图形定理可合成循环弯矩M0，M0的运动轨迹为椭圆。

作为本发明的优选方案之一，当M1和M2的幅值相等时，M0的运动轨迹为圆形，M0的幅值即等于M1和M2的幅值。

作为本发明的优选方案之一，步骤（1）中施加在所述十字加力盘上的各力通过力传感器感应，所述力传感器将力信号转换为电信号，并将电信号传递给与之相连接的采集控制***，采集控制***将电信号转换成数字信号，并传递给与之相连的计算机数据处理***，所述计算机数据处理***对数字信号进行处理及计算，以直接得出F1、M1、M2、M3、M0的值。

一种疲劳试验力的加载装置，包括底座、导柱、固定平台、力加载机构，四根所述导柱对称地固设于所述底座上，该些导柱的顶端部固连一顶盖板上，所述导柱上位于所述顶盖板的下方还依次套设有一固定板和固定框，所述固定平台固设于所述底座上，其上设置有用于固定试件的固定组件，且所述固定平台位于该些导柱的中间；

所述力加载机构包括位于所述固定组件上方的十字加力盘、第一伺服液压缸、第二伺服液压缸，所述第一伺服液压缸经连接件垂直固定于所述固定板上，其活塞杆连接力传感器，并经连接件固定于所述十字加力盘的上端面，所述第二伺服液压缸经连接件固定于所述固定框的内侧边上，其活塞杆连接力传感器，并经连接件固定于所述十字加力盘的一侧。

作为本发明的优选方案之一，所述第一伺服液压缸包括一固设于所述十字加力盘上端面中间区域的轴向施力伺服液压缸、固设有所述十字加力盘四个角处的弯矩施力伺服液压缸，所述第二伺服液压缸包括固定于所述十字加力盘一侧的一对扭矩施力伺服液压缸。

作为本发明的优选方案之一，该加载装置还包括一用于调节试件高度的提升机构，所述提升机构包括两个对称地固设于所述底座上的调节器，且所述调节器的活塞杆与所述固定框相固连。

作为本发明的优选方案之一，所述固定组件包括固设于所述固定平台上的轴承以及轴承座。

作为本发明的优选方案之一，所述连接件包括一球形铰链。

作为本发明的优选方案之一，所述底座的两端分别固设有一侧板，所述侧板的顶端面与所述顶盖板相固连。

与现有技术相比，本发明的优点至少在于：本发明的疲劳试验力的加载方法通过将十字加力盘上平面施加的力转换为弯矩、扭矩、循环弯矩，从而实现了疲劳试验复合力的加载；本发明的疲劳试验力的加载装置通过伺服液压缸将力施加于十字加力盘上从而实现对试件力的加载，由于伺服液压缸出力大、体积小、控制精度高，且可靠性较高，从而克服了现有技术的不足。

附图说明

为了更清楚地说明本发明结构特征和技术要点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

图1为本发明实施例所公开的一种疲劳试验力的加载装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所公开的一种疲劳试验力的加载装置的主视图；

图3为本发明实施例所公开的一种疲劳试验力的加载装置的俯视图；

图4为本发明实施例所公开的固定组件的结构示意图；

图5为本发明实施例所公开的连接件与伺服液压缸连接的结构示意图；

图6为本发明实施例所公开的疲劳试验***框架图；

图7为本发明实施例所公开的复合力的加载示意图。

附图标记说明：11-底座，12-导柱，13-固定平台，14-顶盖板，15-固定板，16-固定框，17-十字加力盘，181-轴向施力伺服液压缸，182-弯矩施力伺服液压缸，19-扭矩施力伺服液压缸，20-连接件，21-调节器，22-固定组件，23-侧板，24-试件。

具体实施方式

下面将结合本实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行具体、清楚、完整地描述。

参见图1-7所示，一种疲劳试验力的加载方法，包括以下步骤：

（1）将试件24固设于十字加力盘17的底端，通过伺服液压缸对十字加力盘17施加复合力，以作用于试件24（飞机发动机风扇轴）上，具体施加的复合力包括：

a.轴向施力伺服液压缸181对十字加力盘17的上端面施加垂直向上的拉力F4；

b.弯矩施力伺服液压缸182对十字加力盘17的上端面的纵向对称地施加一对方向相反、大小相等的拉力F1和推力F1'；

c.弯矩施力伺服液压缸182对十字加力盘17的上端面的横向对称地施加一对方向相反、大小相等的拉力F2和推力F2'；

d.扭矩施力伺服液压缸19对十字加力盘17的横向或纵向的侧边对称地施加一对方向相反、大小相等的拉力F3和推力F3'，以如图7所示的复合力的加载示意图为例，扭矩施力伺服液压缸19对十字加力盘17的纵向的侧边对称地施加一对方向相反、大小相等的拉力F3和推力F3'；

（2）步骤（1）中施加在十字加力盘17上的各力分别作用于试件24，则试件24所承受的轴向力为F4，试件24所承受的拉力F1和推力F1'以一推一拉的形式形成弯矩M1，M1=F1*L1，或M1=F1'*L1，试件24所承受的拉力F2和推力F2'以一推一拉的形式形成弯矩M2，M2=F2*L2，或M2=F2'*L2，试件24所承受的拉力F3和推力F3'以一推一拉的形式形成扭矩M3，M3=F3*L3，其中，L1、L2、L3为对应力的力臂，如图7所示的复合力的加载示意图，L3=L1，则M3=F3*L1；

（3）弯矩M1和弯矩M2的方向成90度交叉，弯矩M1为正弦变化弯矩，M2为余弦变化弯矩，当弯矩M1和弯矩M2同时施加,且频率相同时，根据李萨如图形定理，运动方向相互垂直的两个简谐信号可合成稳定的运动轨迹，且其运动轨迹为椭圆，则弯矩M1和弯矩M2根据李萨如图形定理可合成循环弯矩M0，M0的运动轨迹为椭圆。

当M1和M2的幅值相等时，M0的运动轨迹为圆形，M0的幅值即等于M1和M2的幅值。

步骤（1）中施加在十字加力盘17上的各力通过力传感器感应，力传感器将力信号转换为电信号，并将电信号传递给与之相连接的采集控制***，采集控制***将电信号转换成数字信号，并传递给与之相连的计算机数据处理***，计算机数据处理***对数字信号进行处理及计算，以直接得出F1、M1、M2、M3、M0的值。

本发明的疲劳试验力的加载方法通过将十字加力盘17上平面施加的力（即施加在十字加力盘17上端面和侧端的力）通过已知的力学公式以及力学原理将其转换为弯矩、扭矩、循环弯矩，从而实现了疲劳试验力的加载。

参见图1-5所示，一种疲劳试验力的加载装置，包括底座11、导柱12、固定平台13、力加载机构，四根导柱12对称地固设于底座11上，该些导柱12的顶端部固设于一顶盖板14上，导柱12上位于顶盖板14的下方还依次套设有一固定板15和固定框16，固定平台13固设于底座11上，其上设置有用于定位及固定试件24的固定组件22，且固定平台13位于该些导柱12的中间；

力加载机构包括位于固定组件22上方的十字加力盘17、第一伺服液压缸、第二伺服液压缸，第一伺服液压缸经连接件20垂直固定于固定板15上，其活塞杆连接力传感器，并经连接件20固定于十字加力盘17的上端面，第二伺服液压缸经连接件20固定于固定框16的内侧边上，其活塞杆连接力传感器，并经连接件20固定于十字加力盘17的一侧。底座11的两端分别固设有一侧板23，侧板23的顶端面与顶盖板14相固连。

具体的，参见图1所示，第一伺服液压缸包括一固设于十字加力盘17上端面中间区域的轴向施力伺服液压缸181、位于轴向施力伺服液压缸181两侧的一对弯矩施力伺服液压缸182。第二伺服液压缸包括一对设于十字加力盘17侧端的扭矩施力伺服液压缸19。其中，轴向力通过轴向施力伺服液压缸181加载实现，加载力为拉力；弯矩通过一对弯矩施力伺服液压缸182加载的两个相反方向的拉力和推力来实现，加载点也可以根据实际需要进行调整。扭矩通过一对扭矩施力伺服液压缸19加载的两个相反方向的拉力和推力来实现。

该加载装置还包括一用于调节试件24高度的提升机构，优选的，提升机构包括两个对称地固设于固定框16底端的调节器21，当调节器21的活塞杆伸长时，固定框16向上运动，如此能够将原先放置的较短的风扇轴取下，换上较长的风扇轴。反之同样适用，如此，通过提升机构，本装置能够适应于不同长度的风扇轴。

参见图4所示，固定组件22包括固设于固定平台13上的轴承以及轴承座。固定组件22能够保证在十字加力盘17上施加力时，风扇轴不会出现晃动的现象。

参见图5所示，所有伺服液压缸的两端都与连接件20相连接，连接件20为一球形铰链，用以补偿扭矩和弯矩试验偏转角。

参见图1所示，固定板15和固定框16中设有轴套，导柱12穿设于轴套中，便于导向。

本复合力的加载装置，在使用时还需要与习知的机构及***相连接，具体如图6所示疲劳试验***框架图，伺服液压缸依次与液压伺服阀和液压泵站相连接，力传感器依次与采集控制***和计算机数据处理***相连接，且采集控制***还与液压伺服阀相连接。

本发明通过伺服液压缸对十字加力盘17施加力从而实现对试件24力的加载，由于伺服液压缸出力大、体积小、控制精度高，且可靠性较高，从而克服了现有技术的不足。此外，本发明还适用于其它类似轴类零件，因而本发明的适用范围具有一定的广泛性。

上述具体实施方式，仅为说明本发明的技术构思和结构特征，目的在于让熟悉此项技术的相关人士能够据以实施，但以上所述内容并不限制本发明的保护范围，凡是依据本发明的精神实质所作的任何等效变化或修饰，均应落入本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.疲劳试验力的加载方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将试件固设于十字加力盘的底端，通过伺服液压缸对十字加力盘施加复合力，以作用于试件上，具体施加的复合力包括：

a.轴向施力伺服液压缸对十字加力盘的上端面施加垂直向上的拉力F4；

b.弯矩施力伺服液压缸对十字加力盘的上端面的纵向对称地施加一对方向相反、大小相等的拉力F1和推力F1'；

c.弯矩施力伺服液压缸对十字加力盘的上端面的横向对称地施加一对方向相反、大小相等的拉力F2和推力F2'；

d.扭矩施力伺服液压缸对十字加力盘的横向或纵向的侧边对称地施加一对方向相反、大小相等的拉力F3和推力F3'；

（2）步骤（1）中施加在十字加力盘上的各力分别作用于试件，则试件所承受的轴向力为F4，试件所承受的拉力F1和推力F1'以一推一拉的形式形成弯矩M1，M1=F1*L1，或M1=F1'*L1，试件所承受的拉力F2和推力F2'以一推一拉的形式形成弯矩M2，M2=F2*L2，或M2=F2'*L2，试件所承受的拉力F3和推力F3'以一推一拉的形式形成扭矩M3，M3=F3*L3，其中，L1、L2、L3为对应力的力臂；

（3）弯矩M1和弯矩M2的方向成90度交叉，弯矩M1为正弦变化弯矩，M2为余弦变化弯矩，当弯矩M1和弯矩M2同时施加,且频率相同时，根据李萨如图形定理，运动方向相互垂直的两个简谐信号可合成稳定的运动轨迹，且其运动轨迹为椭圆，则弯矩M1和弯矩M2根据所述李萨如图形定理可合成循环弯矩M0，M0的运动轨迹为椭圆。

2.根据权利要求1所述的疲劳试验力的加载方法，其特征在于，当M1和M2的幅值相等时，M0的运动轨迹为圆形，M0的幅值即等于M1和M2的幅值。

3.根据权利要求1所述的疲劳试验力的加载方法，其特征在于，步骤（1）中施加在所述十字加力盘上的各力通过力传感器感应，所述力传感器将力信号转换为电信号，并将电信号传递给与之相连接的采集控制***，采集控制***将电信号转换成数字信号，并传递给与之相连的计算机数据处理***，所述计算机数据处理***对数字信号进行处理及计算，以直接得出F1、M1、M2、M3、M0的值。

4.一种疲劳试验力的加载装置，其特征在于，包括底座、导柱、固定平台、力加载机构，四根所述导柱对称地固设于所述底座上，该些导柱的顶端部固连一顶盖板上，所述导柱上位于所述顶盖板的下方还依次套设有一固定板和固定框，所述固定平台固设于所述底座上，其上设置有用于固定试件的固定组件，且所述固定平台位于该些导柱的中间；

所述力加载机构包括位于所述固定组件上方的十字加力盘、第一伺服液压缸、第二伺服液压缸，所述第一伺服液压缸经连接件垂直固定于所述固定板上，其活塞杆连接力传感器，并经连接件固定于所述十字加力盘的上端面，所述第二伺服液压缸经连接件固定于所述固定框的内侧边上，其活塞杆连接力传感器，并经连接件固定于所述十字加力盘的一侧。

5.根据权利要求4所述的疲劳试验力的加载装置，其特征在于，所述第一伺服液压缸包括一固设于所述十字加力盘上端面中间区域的轴向施力伺服液压缸、固设有所述十字加力盘四个角处的弯矩施力伺服液压缸，所述第二伺服液压缸包括固定于所述十字加力盘一侧的一对扭矩施力伺服液压缸。

6.根据权利要求4所述的疲劳试验力的加载装置，其特征在于，该加载装置还包括一用于调节试件高度的提升机构，所述提升机构包括两个对称地固设于所述底座上的调节器，且所述调节器的活塞杆与所述固定框相固连。

7.根据权利要求4所述的疲劳试验力的加载装置，其特征在于，所述固定组件包括固设于所述固定平台上的轴承以及轴承座。

8.根据权利要求4所述的疲劳试验力的加载装置，其特征在于，所述连接件包括一球形铰链。

9.根据权利要求4所述的疲劳试验力的加载装置，其特征在于，所述底座的两端分别固设有一侧板，所述侧板的顶端面与所述顶盖板相固连。