CN107664601B - 一种可变加载幅频的耦合振动拉伸试验装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变加载幅频的耦合振动拉伸试验装置及其控制方法，本发明的试验装置包括框架机身、固接于框架机身一端的主加载装置、固接于框架机身另一端的变幅频振动加载装置和中央控制器，主加载装置对测试样件一端实施主动加载，变幅频振动加载装置对测试样件另一端耦合一个变幅频振动信号，中央控制器对实验装置的反馈信号进行整合和发出控制指令。通过主加载装置和变幅频振动加载装置的协调控制，实现耦合振动噪声的拉伸特性实验；通过对行星齿轮机构的齿圈和行星轮的主动控制，利用行星齿轮机构的可变传动比特性，将振动噪声和附加载位移耦合到主加载模式上，实现可变位移和频率的拉伸加载特性，可以实现复杂振动工况下的拉伸特性实验。

Description

一种可变加载幅频的耦合振动拉伸试验装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及用于材料力学性能测试的拉伸试验装置，具体的说是一种可变加载幅频的耦合振动拉伸试验装置及其控制方法。

背景技术

拉伸试验机大量应用于材料的力学性能测试，包括单轴拉伸、多轴拉伸、以及疲劳试验，加载模式多采用线性加载或者周期性的往复加载。

不同于理想试验状况下的加载环境，实际工况中往往存在着中不同的振动噪声，微幅的高频振动会影响材料微观缺陷的萌生以及扩展，进而影响材料的实际服役性能。不同于周期性规律性的疲劳试验加载特性，实际工况中的振动噪声包含着各种频率的特征信号，并且具有非周期性的随机特性，在这些特征信号的往复交互作用下，影响着材料的实际服役性能。

然而，当前的拉伸测试试验机还无法满足特殊振动工况下的力学实验要求，如中国专利授权公告号 CN 102252909 B，公开了一种拉伸测试装置，其是利用油缸、夹托组件和直线导轨的四轴卧式拉伸试验机，可以完成双轴拉伸试验，其不足之处在于大推力的液压油缸无法实现几百到上千赫兹的运动加载，无法实现疲劳加载。中国专利公开号CN104568591 A，公开了一种双轴拉伸测试装置，其是在卧式的正十字加载滑轨四个臂的端部均安装有伺服油缸，可应用于单轴拉伸试验机、双轴拉伸试验机实现多种试验功能，但是无法实现高频振动的加载模拟，仅能实现低周循环往返拉伸试验。中国专利公开号CN106769565A，公开了一种疲劳试验机，其特征是采用上置的直线电机直接驱动，进行疲劳试验的加载；同时，中国专利公开号CN 106813975A，名称为“电机下置式疲劳试验机”，也公开了一种疲劳试验机，其特征是采用下置式的直线电机直接驱动，进行疲劳试验的加载；两者不足之处是由于受电机转动惯量的影响，无法实现几千赫兹的高频运动，且动力越大频率越低。中国专利公开号CN 106053272 A，名称为“一种宽频疲劳试验机”，公开了一种宽频疲劳试验机，其特征是采用下置式的交变运动的驱动源作为疲劳试验机的加载装置，可实现大驱动力、大位移、宽频带的疲劳试验，其不足在于依靠单一的电磁驱动装置，无法实现耦合微幅振动的大位移拉伸试验要求。中国专利公开号CN 106813981 A，名称为“一种拉伸疲劳试验机”，公开了一种拉伸疲劳试验机，其特征是采用下置式的电动激振器驱动，实现微小试验件的疲劳试验，其不足是仅适用于微小试验件的单一加载试验，无法实现大位移的拉伸试验。

显然，现有的这些拉伸试验装置都无法实现多频振动噪声环境下的材料特性的测试，因此，我们需要一种能够模拟多频振动噪声环境下的材料特性实验装置，以研究复杂工况下的材料服役性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够模拟多频振动噪声环境的可变加载幅频的耦合振动拉伸试验装置，以实现针对复杂振动工况下的材料特性拉伸试验。同时，本发明的另一目的是提供可变加载幅频的耦合振动拉伸试验装置的操作方法，以模拟多频振动噪声环境下的材料特性，研究复杂工况下的材料服役性能。

本发明的目的是这样实现的：

一种可变加载幅频的耦合振动拉伸试验装置，包括框架机身、固接于框架机身一端的主加载装置、固接于框架机身另一端的变幅频振动加载装置和中央控制器，具体的，所述：

主加载装置：包括相对于框架机身固定的主加载驱动电机、由主加载驱动电机驱动沿纵向直线往复移动的主加载悬臂、固接于主加载悬臂顶端的主加载夹头机构和检测主加载过程中力与位移信号的力与位移传感器；

变幅频振动加载装置：包括行星齿轮机构、振动加载夹头机构、电磁振动加载机构和附加载驱动机构；所述行星齿轮机构相对于框架机身固定设置，其包括中央轮、行星轮、行星轮旋转轴和齿圈；所述振动加载夹头机构通过中央轮运动转换机构连接所述中央轮，所述电磁振动加载机构通过齿圈运动转换机构将电磁振动加载机构的电磁振动驱动头的横向直线往复运动转换为齿圈的旋转运动；所述附加载驱动机构通过所述行星轮旋转轴将附加载驱动机构的电机的转动转换为行星轮旋转运动；

中央控制器：中央控制器连接主加载装置的主加载驱动电机和力与位移传感器，以及连接变幅频振动加载装置的电磁振动加载机构和附加载驱动机构，以对力与位移传感器的反馈信号、电磁振动加载机构的反馈信号和附加载驱动机构的反馈信号进行整合。

所述的可变加载幅频的耦合振动拉伸试验装置，所述行星齿轮机构通过一个固接于框架机身上的行星齿轮机构基座实现与所述框架机身的相对固定设置，具体的，所述行星轮旋转轴安装于所述行星齿轮机构基座上。

所述的可变加载幅频的耦合振动拉伸试验装置，所述电磁振动加载机构包括固接于框架机身上的电磁振动加载基座、安装于电磁振动加载基座上的电磁振动加载壳体、设置于电磁振动加载壳体内的电磁振动加载线圈、由电磁振动加载线圈驱动的电磁振动驱动头和电磁振动驱动头导向结构。

所述的可变加载幅频的耦合振动拉伸试验装置，所述主加载夹头机构由设置于主加载悬臂顶端的C型主加载夹头和主加载夹头张口内的主加载夹头水平调节机构构成，所述振动加载夹头机构由设置于中央轮运动转换机构上的C型振动加载夹头和振动加载夹头张口内的振动加载夹头水平调节机构构成；测试样件的一端夹持于主加载夹头水平调节机构的夹口内，测试样件的另一端夹持于振动加载夹头水平调节机构的夹口内，实现测试样件的横向位置调整。

基于所述可变加载幅频的耦合振动拉伸试验装置的控制方法，包括以下步骤：

（1）预设好主加载模式信号和振动加载模式信号，中央控制器根据预设的纵向主加载模式信号和振动加载模式信号，制定出主加载装置的控制策略，以及变幅频振动加载装置的控制策略；

（2）主加载装置的主加载驱动电机驱动主加载悬臂纵向运动，实现对测试样件拉伸过程的主动加载动作；同时变幅频振动加载装置中的电磁振动加载机构和附加载驱动机构共同驱动行星齿轮机构，齿圈的旋转运动和行星轮的旋转运动形成中央轮的变幅频运动，然后通过中央轮运动转换机构将中央轮的变幅频运动转换形成变幅频振动信号并加载到振动加载夹头机构上夹持的测试样件上，实现在测试样件拉伸过程中耦合振动噪声加载动作；

（3）耦合加载过程中，中央控制器接收主动加载过程中来自力与位移传感器的力与位移反馈信号，同时接收电磁振动加载机构和附加载驱动机构的反馈信号，进行实时的跟踪调整，实现主动加载耦合振动噪声加载过程中的主动加载模式和变幅频振动加载模式协同作用下的准确加载。

本发明通过主加载驱动电机和轴向模拟实际工况中的附加振动的变幅频振动加载装置的协调控制，实现振动噪声的拉伸特性实验；通过对行星齿轮机构的齿圈和行星轮的主动控制，利用行星齿轮机构的可变传动比特性，将振动噪声和附加加载位移耦合到主加载模式上，实现可变位移和频率的拉伸加载特性，可以实现复杂振动工况下的拉伸特性实验。本发明采用实时反馈控制，通过中央控制器对拉伸过程中力与位移反馈信号以及各驱动单元的反馈信号，实现实时的调整，使实验过程加载过程中的变幅频特性更加准确。

附图说明

图1是本发明装置结构示意图。

图2是本发明的变幅频振动加载装置的结构示意图。

图中：1、框架机身，2、主加载平台，3、主加载驱动电机，4、主加载悬臂，5、主加载夹头，6、力与位移传感器，7、主加载夹头水平调节机构，8、测试样件，9、振动加载夹头机构，10、行星齿轮机构，11、电磁振动加载机构，12、附加载驱动机构，13、行星齿轮机构基座，14、中央控制器，15、振动加载夹头水平调节机构，16、振动加载夹头，17、中央轮，18、行星轮，19、齿圈，20、中央轮运动转换机构，21、行星轮旋转轴，22、电磁振动加载机构基座，23、电磁振动加载机构壳体，24、电磁振动加载线圈，25、电磁振动驱动头，26、齿圈运动转换机构，27、电磁振动驱动头导向结构。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明创造做进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明的可变加载幅频的耦合振动拉伸试验装置，由框架机身1、主加载装置、变幅频振动加载装置和中央控制器14组成。

框架机身1主要起到结构支持的作用，包括固定于地面上的底板和两个相对于底板竖直设置的支撑架。

主加载装置设置于框架机身1的支撑架的上端，由主加载平台2、主加载驱动电机3、主加载悬臂4、主加载夹头机构和力与位移传感器6构成：

主加载平台2两端分别固定设置于框架机身1的两个支撑架顶端；主加载驱动电机3固定设置于主加载平台2上；主加载悬臂4也设置于主加载平台2上且由主加载驱动电机3驱动沿Z轴方向上下运动；主加载夹头机构设置于主加载悬臂4下端，跟随主加载悬臂4上下运动，实现对测试样件8的Z向加载，其由的C形的主加载夹头5和设置于主加载夹头5张口内的主加载夹头水平调节机构7构成，力与位移传感器6设置于主加载悬臂4上并和中央控制器14连接，以检测主加载过程中的力与位移数据并传递给中央控制器14。

变幅频振动加载装置（如图1、图2所示）由振动加载夹头机构9、行星齿轮机构10、电磁振动加载机构11、附加载驱动机构12、行星齿轮机构基座13以及中央轮运动转换机构20、齿圈运动转换机构26构成：

行星齿轮机构10主要由中央轮17、行星轮18、齿圈19和行星轮旋转轴21构成。行星轮旋转轴21安装于行星齿轮机构基座13（行星齿轮机构基座13固定设置于框架机身1的底板上，）以实现行星齿轮机构10相对于框架机身1的相对固定设置，附加载驱动机构12的电机亦安装于行星齿轮机构基座13上，且电机通过驱动行星轮旋转轴21实现行星轮18在行星齿轮机构基座13上的旋转运动。电磁振动加载机构11由固接于框架机身1底板上的电磁振动加载基座22、安装于电磁振动加载基座22上的电磁振动加载壳体23、设置于电磁振动加载壳体23内的电磁振动加载线圈24、由电磁振动加载线圈24驱动的电磁振动驱动头25和电磁振动驱动头导向结构27。电磁振动加载机构11的电磁振动驱动头25通过齿圈运动转换机构26连接行星齿轮机构10的齿圈19，将电磁振动驱动头25的直线往复运动转换为齿圈19的旋转运动。行星齿轮机构10的中央轮17通过中央轮运动转换机构20连接振动加载夹头机构9，振动加载夹头机构9由设置于中央轮运动转换机构20上的C型振动加载夹头16和振动加载夹头16张口内的振动加载夹头水平调节机构15构成，振动加载夹头水平调节机构15可实现测试样件8在X方向的位置调整。电磁振动加载机构11和附加载驱动机构12共同驱动行星齿轮机构10，将可变幅频的振动信号通过与行星齿轮机构10相连的中央轮运动转换机构20加载到振动加载夹头机构9上夹持的测试样件8。通过主加载装置的主动加载与变幅频振动加载装置的变幅频振动加载的共同作用，测试样件8在原有主动加载模式的基础上，将增加一个振动噪声的加载，从而实现复杂振动工况下的材料特性拉伸试验。

实施例2

本发明工作时，首先中央控制器14根据预设的Z向主加载模式信号和振动加载模式信号，制定出主加载装置的主加载驱动电机3的控制策略，以及变幅频振动加载装置的电磁振动加载机构11和附加载驱动机构12的控制策略。主加载驱动电机3驱动主加载悬臂4沿Z向运动，实现测试样件8拉伸过程的主动加载动作；同时变幅频振动加载装置中的电磁振动加载机构11和附加载驱动机构12共同作用，电磁振动加载线圈24通过驱动电磁振动驱动头25沿X向往复运动，与电磁振动驱动头25相连的齿圈运动转换装置26将电磁振动驱动头25的X向往复运动转换为行星齿轮机构10的齿圈19的旋转运动；从而通过行星齿轮机构10可以将电磁振动加载机构11的往复振动和附加载驱动机构12的附加加载模式叠加转换为行星齿轮机构10的中央轮17的变幅频运动，通过中央轮运动转换机构20作用到测试样件8上，由此实现测试样件8在主加载模式基础上耦合变幅频的振动加载，实现耦合振动噪声的拉伸特性加载实验。实验过程中，中央控制器14接收来自力与位移传感器6的主加载过程中的力与位移反馈信号、电磁振动加载装置11的反馈信号和和附加载驱动装置12的反馈信号，进行实时的跟踪调整，实现实验过程中的主动加载模式和耦合振动模式的准确加载。

Claims (5)

1.一种可变加载幅频的耦合振动拉伸试验装置，其特征是，包括框架机身、固接于框架机身一端的主加载装置、固接于框架机身另一端的变幅频振动加载装置和中央控制器，具体的，所述：

主加载装置：包括相对于框架机身固定的主加载驱动电机、由主加载驱动电机驱动沿纵向直线往复移动的主加载悬臂、固接于主加载悬臂顶端的主加载夹头机构和检测主加载过程中力与位移信号的力与位移传感器；

变幅频振动加载装置：包括行星齿轮机构、振动加载夹头机构、电磁振动加载机构和附加载驱动机构；所述行星齿轮机构相对于框架机身固定设置，其包括中央轮、行星轮、行星轮旋转轴和齿圈；所述振动加载夹头机构通过中央轮运动转换机构连接所述中央轮，所述电磁振动加载机构通过齿圈运动转换机构将电磁振动加载机构的电磁振动驱动头的横向直线往复运动转换为齿圈的旋转运动；所述附加载驱动机构通过所述行星轮旋转轴将附加载驱动机构的电机的转动转换为行星轮旋转运动；

中央控制器：中央控制器连接主加载装置的主加载驱动电机和力与位移传感器，以及连接变幅频振动加载装置的电磁振动加载机构和附加载驱动机构，以对力与位移传感器的反馈信号、电磁振动加载机构的反馈信号和附加载驱动机构的反馈信号进行整合。

2.根据权利要求1所述的可变加载幅频的耦合振动拉伸试验装置，其特征是，所述行星齿轮机构通过一个固接于框架机身上的行星齿轮机构基座实现与所述框架机身的相对固定设置，具体的，所述行星轮旋转轴安装于所述行星齿轮机构基座上。

3.根据权利要求1所述的可变加载幅频的耦合振动拉伸试验装置，其特征是，所述电磁振动加载机构包括固接于框架机身上的电磁振动加载基座、安装于电磁振动加载基座上的电磁振动加载壳体、设置于电磁振动加载壳体内的电磁振动加载线圈、由电磁振动加载线圈驱动的电磁振动驱动头和电磁振动驱动头导向结构。

4.根据权利要求1所述的可变加载幅频的耦合振动拉伸试验装置，其特征是，

所述主加载夹头机构由设置于主加载悬臂顶端的C型主加载夹头和主加载夹头张口内的主加载夹头水平调节机构构成，所述振动加载夹头机构由设置于中央轮运动转换机构上的C型振动加载夹头和振动加载夹头张口内的振动加载夹头水平调节机构构成；测试样件的一端夹持于主加载夹头水平调节机构的夹口内，测试样件的另一端夹持于振动加载夹头水平调节机构的夹口内，实现测试样件的横向位置调整。

5.基于权利要求1所述可变加载幅频的耦合振动拉伸试验装置的控制方法，其特征是，包括以下步骤：

（1）预设好主加载模式信号和振动加载模式信号，中央控制器根据预设的纵向主加载模式信号和振动加载模式信号，制定出主加载装置的控制策略，以及变幅频振动加载装置的控制策略；

（2）主加载装置的主加载驱动电机驱动主加载悬臂沿Z向运动，实现对测试样件拉伸过程的主动加载动作；同时变幅频振动加载装置中的电磁振动加载机构和附加载驱动机构共同驱动行星齿轮机构，齿圈的旋转运动和行星轮的旋转运动形成中央轮的变幅频运动，然后通过中央轮运动转换机构将中央轮的变幅频运动转换形成变幅频振动信号并加载到振动加载夹头机构上夹持的测试样件上，实现在测试样件拉伸过程中耦合振动噪声加载动作；

（3）耦合加载过程中，中央控制器接收主动加载过程中来自力与位移传感器的力与位移反馈信号，同时接收电磁振动加载机构和附加载驱动机构的反馈信号，进行实时的跟踪调整，实现主动加载耦合振动噪声加载过程中的主动加载模式和变幅频振动加载模式协同作用下的准确加载。