CN110361451A - 一种自适应频率式超声疲劳试验机 - Google Patents

一种自适应频率式超声疲劳试验机 Download PDF

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CN110361451A CN201810006116.4A CN201810006116A CN110361451A CN 110361451 A CN110361451 A CN 110361451A CN 201810006116 A CN201810006116 A CN 201810006116A CN 110361451 A CN110361451 A CN 110361451A
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Abstract

本发明涉及一种材料试验设备领域用的自适应频率式超声疲劳试验机。它解决超声疲劳试验频率适应和平均应力加载的问题。其技术方案是：换能定位座、固定支座和位移放大器的固有频率均为20kHz，调整换能定位座、固定支座和位移放大器连接位置的旋合尺寸，可以有效调节超生发生组件整体的固有频率在一定范围内调整；试件后端和位移放大器前端用螺柱固紧，加载支座可以对试件施加拉、压应力载荷。本发明可以在实现超声疲劳试验中的平均应力加载；采用PID闭环控制自动调整超声发生组件固有频率和试件固有频率匹配，有效提高了超声疲劳试验精度，保证试验数据有效性；本发明可实现20kHz频率疲劳试验，有效缩短疲劳试验时间，可高效完成1010周次疲劳测试。

Description

一种自适应频率式超声疲劳试验机
技术领域
本发明涉及一种材料试验设备领域用的自适应频率式超声疲劳试验机。
背景技术
材料试验设备是指对材料、零件、构件进行力学性能和工艺性能试验的仪器和设备，是在各种条件、环境下测定金属材料、非金属材料、机械零件、工程结构等的机械性能、工艺性能、内部缺陷的精密测试仪器。
机械零件比如轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种随着时间作周期性变化的应力称之为交变应力。在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作后会产生裂纹或突然发生断裂，该现象称之为疲劳。材料的疲劳特性已经成为衡量其使用性能的重要指标之一，因此对材料的疲劳特性进行测试对工程应用具有非常重要的意义。
常规疲劳试验仅能完成106～107周次范围内材料的疲劳性能，然而在许多工业部门(例如高速列车、汽车、飞机等)，其某些结构和零件的实际使用寿命往往需要达到108～1010周次，例如一台以3000r/min运行的高速航空涡轮发动机在20年服役期内要经历1010个应力循环。然而常规疲劳试验设备的加载频率不超过200Hz，完成高周疲劳试验需要消耗巨大的时间，进而导致很多高周疲劳试验甚至不可能完成。
超声疲劳是一种加速共振式的疲劳试验方法，它的测试频率(20kHz)远远超过了常规疲劳测试频率(小于200Hz)。超声疲劳的实质是在被加载式样上建立机械谐振波。超声疲劳试验研究表明许多工程材料直到1010周次应力循环后仍然会发生疲劳断裂，因此107周次的疲劳试验数据进行疲劳强度设计并不能满足很多工程实际需求。使用超声疲劳试验技术，加载频率为20kHz，同样完成一次109周次循环的疲劳试验仅需运行14个小时，可以顺利建立一条109周次循环的S-N曲线。
超声疲劳试验设备是进行超声疲劳试验必不可少的核心设备，目前关于超声疲劳试验的方法和设备已经在实验室中进行了大量的前期研究，具备准确测试不同材料属性试件疲劳特性的能力。超声疲劳试验设备实现共振的前提是位移放大器和试件固有频率设定一致，基本维持在超声波换能器输出机械频率20kHz一定范围内，然而由于理论计算误差和实际加工误差等多种因素，导致试件和位移放大器的实际固有频率均与理论固有频率有所偏差，严重影响了试验的准确性。根据常规疲劳试验相关规范，疲劳试验应该对试件施加一定范围的平均应力，而目前的超声疲劳试验设备几乎不具备该功能。
基于上述技术背景，本发明特提供自适应频率式超声疲劳试验机，采用PID控制，根据试验实际固有频率，自动调整位移放大器固有频率，使得试验和位移放大器始终保持相同的固有频率，完全达到共振要求，提高超声疲劳试验的准确性；本发明设置了平均应力施加装置，满足平均应力加载需求。
发明内容
本发明的目的是：为了解决超声疲劳试验频率适应和平均应力加载的问题，特提供一种自适应频率式超声疲劳试验机。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：一种自适应频率式超声疲劳试验机，是由超声发生组件、动力输出组件、平均应力加载组件、后锁紧组件、前锁紧组件、锁紧输出组件、后调频组件、前调频组件、调频输出组件、离合传动组件a、离合传动组件b、离合传动组件c、离合传动组件d、定位立板、导杆a、导杆固定座、导杆b、前离合安装座、后离合安装座和试件构成；超声发生组件包括换能器、换能定位座、后锁紧螺母、固定支座、前锁紧螺母、位移放大器；动力输出组件包括伺服电机、减速器、联轴器、传动接头、推力轴承a、推力轴承b、动力输出齿轮、传动丝杠；平均应力加载组件包括拉力螺杆、加载支座、托盘、滑套a、滑动板、载荷支座、载荷传感器、滑套b、防转臂、滑套c、推力套筒、丝杠螺母；后锁紧组件包括后锁紧轴、后锁紧锥齿轮、后锁紧齿轮；前锁紧组件包括前锁紧轴、前锁紧锥齿轮、前锁紧齿轮；锁紧输出组件包括锁紧输出锥齿轮a、锁紧输入齿轮、锁紧输出轴、锁紧输出锥齿轮b；后调频组件包括后调频齿轮、后调频轴、后调频锥齿轮；前调频组件包括前调频轴、前调频锥齿轮、前调频齿轮；调频输出组件包括调频输出锥齿轮a、调频输入齿轮、调频输出轴、调频输出锥齿轮b；离合传动组件a、离合传动组件b、离合传动组件c、离合传动组件d的结构组成相同，均包括离合输出锥齿轮、输出齿轮轴、电磁铁、弹簧、绝磁花键轴、导磁花键套、绝磁齿轮轴、离合输入锥齿轮；其结构特征是：导杆a和导杆b外圆两端设置有台阶轴，导杆a和导杆b两端外圆设置为公螺纹；定位立板安装在导杆a和导杆b的后端台阶轴上，导杆固定座安装在导杆a和导杆b前端台阶轴上；导杆a和导杆b的两端分别用螺母锁紧，定位立板和导杆固定座分别与机架固定连接；在超声发生组件中，换能器可以把超声频率发生器输出的电信号转化为机械振动信号输出，换能器前端和换能定位座后端用螺柱连接固紧；换能定位座前端内腔设置为母螺纹，换能定位座外圆前端设置为齿轮结构；后锁紧螺母内腔设置为母螺纹，外部设置为齿轮结构；前锁紧螺母内腔设置为母螺纹，外部设置为齿轮结构；固定支座中部设置为法兰结构，法兰结构上均匀设置六个通孔，固定支座外圆两端设置为公螺纹结构；位移放大器后端内腔设置为母螺纹，位移放大器外圆后端设置为齿轮结构，位移放大器前端轮廓直径小于后端轮廓直径，位移放大器前端设置有螺纹孔；后锁紧螺母安装在固定支座后端公螺纹上，换能定位座前端母螺纹和固定支座后端公螺纹配合；前锁紧螺母安装在固定支座前端的公螺纹上，位移放大器后端和固定支座前端公螺纹配合；在超声发生组件中，换能定位座、固定支座和位移放大器的固有频率均为20kHz，调整换能定位座、固定支座和位移放大器连接位置的旋合尺寸，可以有效调节超生发生组件整体的固有频率在一定范围内调整，使之匹配试件实际固有频率，并可以始终保证固定支座中部法兰结构位于谐振波零位移面上；固定支座中部的法兰结构用螺钉固定在定位立板上部；前离合安装座用螺钉固定在定位立板前端面，后离合安装座用螺钉固定在定位立板后端面；在动力输出组件中，伺服电机和减速器后端用螺钉固定，减速器前端和后离合安装座用螺钉固定，减速器的输出轴穿过后离合安装座后部的通孔；联轴器后端和减速器输出轴平键传动，联轴器前端和传动接头后端平键传动；传动丝杠外圆前部设置为丝杠结构，传动丝杠外圆中部设置有键槽，传动丝杠后端设置为螺纹；动力输出齿轮和传动丝杠外圆中部用平键连接，推力轴承a和推力轴承b分别安装在传动丝杠后部外圆上，传动接头前端和传动丝杠后端螺纹固紧；传动丝杠穿过定位立板中部通孔，推力轴承a和定位立板后端面贴合，推力轴承b和定位立板前端面贴合；在平均应力加载组件中，加载支座内腔设置为台阶孔，加载支座和滑动板上部法兰连接，拉力螺杆放置于加载支座内腔台阶孔内；托盘和滑动板用螺钉固紧，托盘安装在加载支座下方位置；滑套a外圆和滑动板上部通孔配合，滑套a和滑动板用螺钉固定；滑套b和滑动板下部通孔配合，滑套b和滑动板用螺钉固定；载荷传感器为轮辐式结构，载荷传感器内腔和载荷支座外圆中部丝扣固紧，载荷传感器和滑动板中部用螺钉固紧；载荷支座后端和推力套筒前端用螺钉固紧；滑套c安装在防转臂下部通孔内，滑套c和防转臂用螺钉固定，防转臂上端和推力套筒外圆用螺钉固定；丝杠螺母外圆在推力套筒内腔前部配合，丝杠螺母和推力套筒用螺钉固定；丝杠螺母和传动丝杠前部的丝杠结构配合，构成丝杠螺母副，滑套a内腔套在导杆a外圆上，滑套b和滑套c的内腔分别套在导杆b外圆上；离合传动组件a、离合传动组件b、离合传动组件c、离合传动组件d的结构组成相同，离合输出锥齿轮和输出齿轮轴上端用螺钉固紧；绝磁花键轴用绝磁材料制成，绝磁花键轴外圆中部设置有台阶，绝磁花键轴外圆下端设置为轴花键；电磁铁安装在绝磁花键轴外圆中部台阶上，绝磁花键轴上端和输出齿轮轴下端丝扣固紧，弹簧套在绝磁花键轴外圆下部；离合输入锥齿轮和绝磁齿轮轴下端用螺钉固紧；绝磁齿轮轴外圆上端设置为轴花键；导磁花键套用导磁材料制成，导磁花键套内腔设置为台阶孔，导磁花键套内腔下部设置为孔花键；导磁花键套内腔下部孔花键和绝磁齿轮轴外圆上端轴花键间隙配合，轴向滑动灵活；离合传动组件a和离合传动组件c分别安装在后离合安装座上，离合传动组件b和离合传动组件d分别安装在前离合安装座上；在锁紧输出组件中，锁紧输出锥齿轮a和锁紧输出轴前端用螺钉固紧，锁紧输出锥齿轮b和锁紧输出轴后端用螺钉固紧，锁紧输入齿轮和锁紧输出轴前部用键连接；锁紧输出轴前端用轴承安装在前离合安装座安装孔内，锁紧输出轴后端用轴承安装在后离合安装座安装孔内；锁紧输入齿轮和动力输出齿轮啮合，锁紧输出锥齿轮a和离合传动组件b中的离合输入锥齿轮啮合，锁紧输出锥齿轮b和离合传动组件a中的离合输入锥齿轮啮合；在调频输出组件中，调频输出锥齿轮a和调频输出轴前端用螺钉固紧，调频输出锥齿轮b和调频输出轴后端用螺钉固紧，调频输入齿轮和调频输出轴前部用键连接；调频输出轴前端用轴承安装在前离合安装座安装孔内，调频输出轴后端用轴承安装在后离合安装座安装孔内；调频输入齿轮和动力输出齿轮啮合，调频输出锥齿轮a和离合传动组件d中的离合输入锥齿轮啮合，调频输出锥齿轮b和离合传动组件c中的离合输入锥齿轮啮合；在后锁紧组件中，后锁紧锥齿轮和后锁紧轴后部用螺钉固紧，后锁紧齿轮和后锁紧轴前部用键连接；后锁紧齿轮和后锁紧螺母啮合，后锁紧锥齿轮和离合传动组件a中的离合输出锥齿轮啮合；后锁紧轴前端用轴承安装在定位立板安装孔内，后锁紧轴后端用轴承安装在后离合安装座安装孔内；在前锁紧组件中，前锁紧锥齿轮和前锁紧轴前部用螺钉固紧，前锁紧齿轮和前锁紧轴后部用键连接；前锁紧齿轮前锁紧螺母啮合，前锁紧锥齿轮和离合传动组件b中的离合输出锥齿轮啮合；前锁紧轴前端用轴承安装在前离合安装座安装孔内，前锁紧轴后端用轴承安装在定位立板安装孔内；在后调频组件中，后调频齿轮和后调频轴后部用键连接，后调频锥齿轮和后调频轴前部用螺钉固紧；后调频齿轮和换能定位座前端齿轮结构啮合，后调频锥齿轮和离合传动组件c中的离合输出锥齿轮啮合；后调频轴前端用轴承安装在定位立板安装孔内，后调频轴后端用轴承安装在后离合安装座安装孔内；在前调频组件中，前调频锥齿轮和前调频轴前部用螺钉固紧，前调频齿轮和前调频轴后部用键连接；前调频齿轮和位移放大器后端齿轮结构啮合，前调频锥齿轮和离合传动组件d中的离合输出锥齿轮啮合；前调频轴前端用轴承安装在前离合安装座安装孔内，前调频轴后端用轴承安装在定位立板安装孔内；试件后端和位移放大器前端用螺柱固紧，在进行受压平均应力加载试验时，加载支座直接顶在试件前端施加压应力载荷，在进行受拉平均应力加载试验时，试件前端与拉力螺杆后端螺纹固紧，加载支座拉动拉力螺杆施加拉应力载荷。
在本自适应频率式超声疲劳试验机中，调整换能定位座、固定支座和位移放大器连接位置的旋合尺寸，始终保证换能定位座、固定支座和位移放大器旋合固紧后整体的固有频率和试件固有频率一致，换能定位座、固定支座和位移放大器旋合固紧后整体轴向长度为n/2个谐振波波长，加载支座的轴向长度为(2n+1)/4个谐振波波长，其中n为自然数；固定支座和定位立板连接面位置处，谐振波振幅为零；加载支座和滑动板连接面位置处，谐振波振幅为零；试件中间截面谐振波振幅为零，内部应力最大，为疲劳断裂面。
本发明的有益效果是：(1)本发明可以在实现超声疲劳试验中的平均应力加载，使超声疲劳试验更加完整，进一步拓宽了超声疲劳试验的测试范围；(2)本发明采用PID闭环控制自动调整超声发生组件固有频率和试件固有频率匹配，有效提高了超声疲劳试验精度，保证试验数据有效性；(3)本发明采用电信号控制，相比传统电液伺服疲劳试验机，功耗小，控制精度高；(4)本发明可实现20kHz频率疲劳试验，有效缩短疲劳试验时间，可高效完成1010周次疲劳测试；(5)本发明可以根据试件固有频率自动适应，降低了对试件的要求，大大降低了试验成本。
附图说明
图1是本发明一种自适应频率式超声疲劳试验机的三维结构结构示意图；
图2是本发明一种自适应频率式超声疲劳试验机的结构示意图；
图3是图2的俯视图；
图4是图2A-A截面的剖视图；
图5是图3B-B截面的剖视图；
图6是图3C-C截面的剖视图；
图7是图3D-D截面的剖视图；
图8是超声发生组件的三维结构示意图；
图9是丝杠螺母副的三维结构示意图；
图10是离合传动组件a的三维结构示意图
图中：01.超声发生组件、02.动力输出组件、03.平均应力加载组件、04.后锁紧组件、05.前锁紧组件、06.锁紧输出组件、07.后调频组件、08.前调频组件、09.调频输出组件、31.离合传动组件a、32.离合传动组件b、33.离合传动组件c、34.离合传动组件d、11.定位立板、12.导杆a、13.导杆固定座、14.导杆b、15.前离合安装座、16.后离合安装座、17.试件、011.换能器、012.换能定位座、013.后锁紧螺母、014.固定支座、015.前锁紧螺母、016.位移放大器、021.伺服电机、022.减速器、023.联轴器、024.传动接头、025.推力轴承a、026.推力轴承b、027.动力输出齿轮、028.传动丝杠、031.拉力螺杆、032.加载支座、033.托盘、034.滑套a、035.滑动板、036.载荷支座、037.载荷传感器、038.滑套b、039.防转臂、0310.滑套c、0311.推力套筒、0312.丝杠螺母、041.后锁紧轴、042.后锁紧锥齿轮、043.后锁紧齿轮、051.前锁紧轴、052.前锁紧锥齿轮、053.前锁紧齿轮、061.锁紧输出锥齿轮a、062.锁紧输入齿轮、063.锁紧输出轴、064.锁紧输出锥齿轮b、071.后调频齿轮、072.后调频轴、073.后调频锥齿轮、081.前调频轴、082.前调频锥齿轮、083.前调频齿轮、091.调频输出锥齿轮a、092.调频输入齿轮、093.调频输出轴、094.调频输出锥齿轮b、301.离合输出锥齿轮、302.输出齿轮轴、303.电磁铁、304.弹簧、305.绝磁花键轴、306.导磁花键套、307.绝磁齿轮轴、308.离合输入齿轮。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图4、图5、图6和图7所示，本发明一种自适应频率式超声疲劳试验机，是由超声发生组件01、动力输出组件02、平均应力加载组件03、后锁紧组件04、前锁紧组件05、锁紧输出组件06、后调频组件07、前调频组件08、调频输出组件09、离合传动组件a31、离合传动组件b32、离合传动组件c33、离合传动组件d34、定位立板11、导杆a12、导杆固定座13、导杆b14、前离合安装座15、后离合安装座16和试件17构成；超声发生组件01包括换能器011、换能定位座012、后锁紧螺母013、固定支座014、前锁紧螺母015、位移放大器016；动力输出组件02包括伺服电机021、减速器022、联轴器023、传动接头024、推力轴承a025、推力轴承b026、动力输出齿轮027、传动丝杠028；平均应力加载组件03包括拉力螺杆031、加载支座032、托盘033、滑套a034、滑动板035、载荷支座036、载荷传感器037、滑套b038、防转臂039、滑套c0310、推力套筒0311、丝杠螺母0312；后锁紧组件04包括后锁紧轴041、后锁紧锥齿轮042、后锁紧齿轮043；前锁紧组件05包括前锁紧轴051、前锁紧锥齿轮052、前锁紧齿轮053；锁紧输出组件06包括锁紧输出锥齿轮a061、锁紧输入齿轮062、锁紧输出轴063、锁紧输出锥齿轮b064；后调频组件07包括后调频齿轮071、后调频轴072、后调频锥齿轮073；前调频组件08包括前调频轴081、前调频锥齿轮082、前调频齿轮083；调频输出组件09包括调频输出锥齿轮a091、调频输入齿轮092、调频输出轴093、调频输出锥齿轮b094；离合传动组件a31、离合传动组件b32、离合传动组件c33、离合传动组件d34的结构组成相同，均包括离合输出锥齿轮301、输出齿轮轴302、电磁铁303、弹簧304、绝磁花键轴305、导磁花键套306、绝磁齿轮轴307、离合输入锥齿轮308。
导杆a12和导杆b14外圆两端设置有台阶轴，导杆a12和导杆b14两端外圆设置为公螺纹；定位立板11安装在导杆a12和导杆b14的后端台阶轴上，导杆固定座13安装在导杆a12和导杆b14前端台阶轴上；导杆a12和导杆b14的两端分别用螺母锁紧，定位立板11和导杆固定座13分别与机架固定连接；前离合安装座15用螺钉固定在定位立板11前端面，后离合安装座16用螺钉固定在定位立板11后端面。
如图8所示，在超声发生组件01中，换能器011可以把超声频率发生器输出的电信号转化为机械振动信号输出，换能器011前端和换能定位座012后端用螺柱连接固紧；换能定位座012前端内腔设置为母螺纹，换能定位座012外圆前端设置为齿轮结构；后锁紧螺母013内腔设置为母螺纹，外部设置为齿轮结构；前锁紧螺母015内腔设置为母螺纹，外部设置为齿轮结构；固定支座014中部设置为法兰结构，法兰结构上均匀设置六个通孔，固定支座014外圆两端设置为公螺纹结构；位移放大器016后端内腔设置为母螺纹，位移放大器016外圆后端设置为齿轮结构，位移放大器016前端轮廓直径小于后端轮廓直径，位移放大器016前端设置有螺纹孔；后锁紧螺母013安装在固定支座014后端公螺纹上，换能定位座012前端母螺纹和固定支座014后端公螺纹配合；前锁紧螺母015安装在固定支座014前端的公螺纹上，位移放大器016后端和固定支座014前端公螺纹配合；在超声发生组件01中，换能定位座012、固定支座014和位移放大器016的固有频率均为20kHz，调整换能定位座012、固定支座014和位移放大器016连接位置的旋合尺寸，可以有效调节超声发生组件01整体的固有频率在一定范围内调整，使之匹配试件17实际固有频率，并可以始终保证固定支座014中部法兰结构位于谐振波零位移面上；固定支座014中部的法兰结构用螺钉固定在定位立板11上部。
如图9所示，在动力输出组件02中，伺服电机021和减速器022后端用螺钉固定，减速器022前端和后离合安装座16用螺钉固定，减速器022的输出轴穿过后离合安装座16后部的通孔；联轴器023后端和减速器022输出轴平键传动，联轴器023前端和传动接头024后端平键传动；传动丝杠028外圆前部设置为丝杠结构，传动丝杠028外圆中部设置有键槽，传动丝杠028后端设置为螺纹；动力输出齿轮027和传动丝杠028外圆中部用平键连接，推力轴承a025和推力轴承b026分别安装在传动丝杠028后部外圆上，传动接头024前端和传动丝杠028后端螺纹固紧；传动丝杠028穿过定位立板11中部通孔，推力轴承a025和定位立板11后端面贴合，推力轴承b026和定位立板11前端面贴合；在平均应力加载组件03中，加载支座032内腔设置为台阶孔，加载支座032和滑动板035上部法兰连接，拉力螺杆031放置于加载支座032内腔台阶孔内；托盘033和滑动板035用螺钉固紧，托盘033安装在加载支座032下方位置；滑套a034外圆和滑动板035上部通孔配合，滑套a034和滑动板035用螺钉固定；滑套b038和滑动板035下部通孔配合，滑套b038和滑动板035用螺钉固定；载荷传感器037为轮辐式结构，载荷传感器037内腔和载荷支座036外圆中部丝扣固紧，载荷传感器037和滑动板035中部用螺钉固紧；载荷支座036后端和推力套筒0311前端用螺钉固紧；滑套c0310安装在防转臂039下部通孔内，滑套c0310和防转臂039用螺钉固定，防转臂039上端和推力套筒0311外圆用螺钉固定；丝杠螺母0312外圆在推力套筒0311内腔前部配合，丝杠螺母0312和推力套筒0311用螺钉固定；丝杠螺母0312和传动丝杠028前部的丝杠结构配合，构成丝杠螺母副，滑套a034内腔套在导杆a12外圆上，滑套b038和滑套c0310的内腔分别套在导杆b14外圆上。
如图10所示，离合传动组件a31、离合传动组件b32、离合传动组件c33、离合传动组件d34的结构组成相同，离合输出锥齿轮301和输出齿轮轴302上端用螺钉固紧；绝磁花键轴305用绝磁材料制成，绝磁花键轴305外圆中部设置有台阶，绝磁花键轴305外圆下端设置为轴花键；电磁铁303安装在绝磁花键轴305外圆中部台阶上，绝磁花键轴305上端和输出齿轮轴302下端丝扣固紧，弹簧304套在绝磁花键轴305外圆下部；离合输入锥齿轮308和绝磁齿轮轴307下端用螺钉固紧；绝磁齿轮轴307用绝磁材料制成，绝磁齿轮轴307外圆上端设置为轴花键；导磁花键套306用导磁材料制成，导磁花键套306内腔设置为台阶孔，导磁花键套306内腔下部设置为孔花键；导磁花键套306内腔下部孔花键和绝磁齿轮轴307外圆上端轴花键间隙配合，轴向滑动灵活。
离合传动组件a31和离合传动组件c33分别安装在后离合安装座16上，离合传动组件b32和离合传动组件d34分别安装在前离合安装座15上；在锁紧输出组件06中，锁紧输出锥齿轮a061和锁紧输出轴063前端用螺钉固紧，锁紧输出锥齿轮b064和锁紧输出轴063后端用螺钉固紧，锁紧输入齿轮062和锁紧输出轴063前部用键连接；锁紧输出轴063前端用轴承安装在前离合安装座15安装孔内，锁紧输出轴063后端用轴承安装在后离合安装座16安装孔内；锁紧输入齿轮062和动力输出齿轮027啮合，锁紧输出锥齿轮a061和离合传动组件b32中的离合输入锥齿轮308啮合，锁紧输出锥齿轮b064和离合传动组件a31中的离合输入锥齿轮308啮合；在调频输出组件09中，调频输出锥齿轮a091和调频输出轴093前端用螺钉固紧，调频输出锥齿轮b094和调频输出轴093后端用螺钉固紧，调频输入齿轮092和调频输出轴093前部用键连接；调频输出轴093前端用轴承安装在前离合安装座15安装孔内，调频输出轴093后端用轴承安装在后离合安装座16安装孔内；调频输入齿轮092和动力输出齿轮027啮合，调频输出锥齿轮a091和离合传动组件d34中的离合输入锥齿轮308啮合，调频输出锥齿轮b094和离合传动组件c33中的离合输入锥齿轮308啮合；在后锁紧组件04中，后锁紧锥齿轮042和后锁紧轴041后部用螺钉固紧，后锁紧齿轮043和后锁紧轴041前部用键连接；后锁紧齿轮043和后锁紧螺母013啮合，后锁紧锥齿轮042和离合传动组件a31中的离合输出锥齿轮301啮合；后锁紧轴041前端用轴承安装在定位立板11安装孔内，后锁紧轴041后端用轴承安装在后离合安装座16安装孔内；在前锁紧组件05中，前锁紧锥齿轮052和前锁紧轴051前部用螺钉固紧，前锁紧齿轮053和前锁紧轴051后部用键连接；前锁紧齿轮053和前锁紧螺母015啮合，前锁紧锥齿轮052和离合传动组件b32中的离合输出锥齿轮301啮合；前锁紧轴051前端用轴承安装在前离合安装座15安装孔内，前锁紧轴051后端用轴承安装在定位立板11安装孔内；在后调频组件07中，后调频齿轮071和后调频轴072后部用键连接，后调频锥齿轮073和后调频轴072前部用螺钉固紧；后调频齿轮071和换能定位座012前端齿轮结构啮合，后调频锥齿轮073和离合传动组件c33中的离合输出锥齿轮301啮合；后调频轴072前端用轴承安装在定位立板11安装孔内，后调频轴072后端用轴承安装在后离合安装座16安装孔内；在前调频组件08中，前调频锥齿轮082和前调频轴081前部用螺钉固紧，前调频齿轮083和前调频轴081后部用键连接；前调频齿轮083和位移放大器016后端齿轮结构啮合，前调频锥齿轮082和离合传动组件d34中的离合输出锥齿轮301啮合；前调频轴081前端用轴承安装在前离合安装座15安装孔内，前调频轴081后端用轴承安装在定位立板11安装孔内；试件17后端和位移放大器016前端用螺柱固紧，在进行受压平均应力加载试验时，加载支座032直接顶在试件17前端施加压应力载荷，在进行受拉平均应力加载试验时，试件17前端与拉力螺杆031后端螺纹固紧，加载支座032拉动拉力螺杆031施加拉应力载荷。
在本自适应频率式超声疲劳试验机中，调整换能定位座012、固定支座014和位移放大器016连接位置的旋合尺寸，始终保证换能定位座、固定支座014和位移放大器016旋合固紧后整体的固有频率和试件17固有频率一致，换能定位座、固定支座014和位移放大器016旋合固紧后整体轴向长度为n/2个谐振波波长，加载支座032的轴向长度为(2n+1)/4个谐振波波长，其中n为自然数；固定支座014和定位立板11连接面位置处，谐振波振幅为零；加载支座032和滑动板035连接面位置处，谐振波振幅为零；试件17中间截面谐振波振幅为零，内部应力最大，为疲劳断裂面。
本发明一种自适应频率式超声疲劳试验机采用PID闭环控制，在进行超声疲劳试验过程中，根据功率反馈，快速调整超声发生组件的固有频率以及超声频率发生器输出信号频率，以匹配试件真实固有频率需求；具体工作原理为利用伺服电机作为动力输出，经减速器获得足够的输出扭矩带动传动丝杠028正反转，动力输出齿轮027将运动传递分别传递给调频输出组件09和锁紧输出组件06；离合传动组件a31、离合传动组件b32、离合传动组件c33、离合传动组件d34，利用电磁铁303吸附和释放导磁花键套306实现离合功能，进而可以分别控制后锁紧组件04、前锁紧组件05、后调频组件07和前调频组件08运动和停止，进而达到调整换能定位座012、固定支座014和位移放大器016连接位置的旋合尺寸，改变整体固有频率的效果，并将该状态锁紧保持；此外利用传动丝杠028和丝杠螺母0312构成丝杠螺母副，可以实现滑动板的直线运动，从而可以实现对试件17施加拉、压应力载荷的效果，并利用载荷传感器037进行实时监测和反馈。

Claims (3)

1.一种自适应频率式超声疲劳试验机，是由超声发生组件(01)、动力输出组件(02)、平均应力加载组件(03)、后锁紧组件(04)、前锁紧组件(05)、锁紧输出组件(06)、后调频组件(07)、前调频组件(08)、调频输出组件(09)、离合传动组件a(31)、离合传动组件b(32)、离合传动组件c(33)、离合传动组件d(34)、定位立板(11)、导杆a(12)、导杆固定座(13)、导杆b(14)、前离合安装座(15)、后离合安装座(16)和试件(17)构成；超声发生组件(01)包括换能器(011)、换能定位座(012)、后锁紧螺母(013)、固定支座(014)、前锁紧螺母(015)、位移放大器(016)；动力输出组件(02)包括伺服电机(021)、减速器(022)、联轴器(023)、传动接头(024)、推力轴承a(025)、推力轴承b(026)、动力输出齿轮(027)、传动丝杠(028)；平均应力加载组件(03)包括拉力螺杆(031)、加载支座(032)、托盘(033)、滑套a(034)、滑动板(035)、载荷支座(036)、载荷传感器(037)、滑套b(038)、防转臂(039)、滑套c(0310)、推力套筒(0311)、丝杠螺母(0312)；后锁紧组件(04)包括后锁紧轴(041)、后锁紧锥齿轮(042)、后锁紧齿轮(043)；前锁紧组件(05)包括前锁紧轴(051)、前锁紧锥齿轮(052)、前锁紧齿轮(053)；锁紧输出组件(06)包括锁紧输出锥齿轮a(061)、锁紧输入齿轮(062)、锁紧输出轴(063)、锁紧输出锥齿轮b(064)；后调频组件(07)包括后调频齿轮(071)、后调频轴(072)、后调频锥齿轮(073)；前调频组件(08)包括前调频轴(081)、前调频锥齿轮(082)、前调频齿轮(083)；调频输出组件(09)包括调频输出锥齿轮a(091)、调频输入齿轮(092)、调频输出轴(093)、调频输出锥齿轮b(094)；离合传动组件a(31)、离合传动组件b(32)、离合传动组件c(33)、离合传动组件d(34)的结构组成相同，均包括离合输出锥齿轮(301)、输出齿轮轴(302)、电磁铁(303)、弹簧(304)、绝磁花键轴(305)、导磁花键套(306)、绝磁齿轮轴(307)、离合输入锥齿轮(308)；其特征在于：导杆a(12)和导杆b(14)外圆两端设置有台阶轴，导杆a(12)和导杆b(14)两端外圆设置为公螺纹；定位立板(11)安装在导杆a(12)和导杆b(14)的后端台阶轴上，导杆固定座(13)安装在导杆a(12)和导杆b(14)前端台阶轴上；导杆a(12)和导杆b(14)的两端分别用螺母锁紧，定位立板(11)和导杆固定座(13)分别与机架固定连接；在超声发生组件(01)中，换能器(011)可以把超声频率发生器输出的电信号转化为机械振动信号输出，换能器(011)前端和换能定位座(012)后端用螺柱连接固紧；换能定位座(012)前端内腔设置为母螺纹，换能定位座(012)外圆前端设置为齿轮结构；后锁紧螺母(013)内腔设置为母螺纹，外部设置为齿轮结构；前锁紧螺母(015)内腔设置为母螺纹，外部设置为齿轮结构；固定支座(014)中部设置为法兰结构，法兰结构上均匀设置六个通孔，固定支座(014)外圆两端设置为公螺纹结构；位移放大器(016)后端内腔设置为母螺纹，位移放大器(016)外圆后端设置为齿轮结构，位移放大器(016)前端轮廓直径小于后端轮廓直径，位移放大器(016)前端设置有螺纹孔；后锁紧螺母(013)安装在固定支座(014)后端公螺纹上，换能定位座(012)前端母螺纹和固定支座(014)后端公螺纹配合；前锁紧螺母(015)安装在固定支座(014)前端的公螺纹上，位移放大器(016)后端和固定支座(014)前端公螺纹配合；固定支座(014)中部的法兰结构用螺钉固定在定位立板(11)上部；前离合安装座(15)用螺钉固定在定位立板(11)前端面，后离合安装座(16)用螺钉固定在定位立板(11)后端面；在动力输出组件(02)中，伺服电机(021)和减速器(022)后端用螺钉固定，减速器(022)前端和后离合安装座(16)用螺钉固定，减速器(022)的输出轴穿过后离合安装座(16)后部的通孔；联轴器(023)后端和减速器(022)输出轴平键传动，联轴器(023)前端和传动接头(024)后端平键传动；传动丝杠(028)外圆前部设置为丝杠结构，传动丝杠(028)外圆中部设置有键槽，传动丝杠(028)后端设置为螺纹；动力输出齿轮(027)和传动丝杠(028)外圆中部用平键连接，推力轴承a(025)和推力轴承b(026)分别安装在传动丝杠(028)后部外圆上，传动接头(024)前端和传动丝杠(028)后端螺纹固紧；传动丝杠(028)穿过定位立板(11)中部通孔，推力轴承a(025)和定位立板(11)后端面贴合，推力轴承b(026)和定位立板(11)前端面贴合；在平均应力加载组件(03)中，加载支座(032)内腔设置为台阶孔，加载支座(032)和滑动板(035)上部法兰连接，拉力螺杆(031)放置于加载支座(032)内腔台阶孔内；托盘(033)和滑动板(035)用螺钉固紧，托盘(033)安装在加载支座(032)下方位置；滑套a(034)外圆和滑动板(035)上部通孔配合，滑套a(034)和滑动板(035)用螺钉固定；滑套b(038)和滑动板(035)下部通孔配合，滑套b(038)和滑动板(035)用螺钉固定；载荷传感器(037)为轮辐式结构，载荷传感器(037)内腔和载荷支座(036)外圆中部丝扣固紧，载荷传感器(037)和滑动板(035)中部用螺钉固紧；载荷支座(036)后端和推力套筒(0311)前端用螺钉固紧；滑套c(0310)安装在防转臂(039)下部通孔内，滑套c(0310)和防转臂(039)用螺钉固定，防转臂(039)上端和推力套筒(0311)外圆用螺钉固定；丝杠螺母(0312)外圆在推力套筒(0311)内腔前部配合，丝杠螺母(0312)和推力套筒(0311)用螺钉固定；丝杠螺母(0312)和传动丝杠(028)前部的丝杠结构配合，构成丝杠螺母副，滑套a(034)内腔套在导杆a(12)外圆上，滑套b(038)和滑套c(0310)的内腔分别套在导杆b(14)外圆上；离合传动组件a(31)和离合传动组件c(33)分别安装在后离合安装座(16)上，离合传动组件b(32)和离合传动组件d(34)分别安装在前离合安装座(15)上；在锁紧输出组件(06)中，锁紧输出锥齿轮a(061)和锁紧输出轴(063)前端用螺钉固紧，锁紧输出锥齿轮b(064)和锁紧输出轴(063)后端用螺钉固紧，锁紧输入齿轮(062)和锁紧输出轴(063)前部用键连接；锁紧输出轴(063)前端用轴承安装在前离合安装座(15)安装孔内，锁紧输出轴(063)后端用轴承安装在后离合安装座(16)安装孔内；锁紧输入齿轮(062)和动力输出齿轮(027)啮合，锁紧输出锥齿轮a(061)和离合传动组件b(32)中的离合输入锥齿轮(308)啮合，锁紧输出锥齿轮b(064)和离合传动组件a(31)中的离合输入锥齿轮(308)啮合；在调频输出组件(09)中，调频输出锥齿轮a(091)和调频输出轴(093)前端用螺钉固紧，调频输出锥齿轮b(094)和调频输出轴(093)后端用螺钉固紧，调频输入齿轮(092)和调频输出轴(093)前部用键连接；调频输出轴(093)前端用轴承安装在前离合安装座(15)安装孔内，调频输出轴(093)后端用轴承安装在后离合安装座(16)安装孔内；调频输入齿轮(092)和动力输出齿轮(027)啮合，调频输出锥齿轮a(091)和离合传动组件d(34)中的离合输入锥齿轮(308)啮合，调频输出锥齿轮b(094)和离合传动组件c(33)中的离合输入锥齿轮(308)啮合；在后锁紧组件(04)中，后锁紧锥齿轮(042)和后锁紧轴(041)后部用螺钉固紧，后锁紧齿轮(043)和后锁紧轴(041)前部用键连接；后锁紧齿轮(043)和后锁紧螺母(013)啮合，后锁紧锥齿轮(042)和离合传动组件a(31)中的离合输出锥齿轮(301)啮合；后锁紧轴(041)前端用轴承安装在定位立板(11)安装孔内，后锁紧轴(041)后端用轴承安装在后离合安装座(16)安装孔内；在前锁紧组件(05)中，前锁紧锥齿轮(052)和前锁紧轴(051)前部用螺钉固紧，前锁紧齿轮(053)和前锁紧轴(051)后部用键连接；前锁紧齿轮(053)和前锁紧螺母(015)啮合，前锁紧锥齿轮(052)和离合传动组件b(32)中的离合输出锥齿轮(301)啮合；前锁紧轴(051)前端用轴承安装在前离合安装座(15)安装孔内，前锁紧轴(051)后端用轴承安装在定位立板(11)安装孔内；在后调频组件(07)中，后调频齿轮(071)和后调频轴(072)后部用键连接，后调频锥齿轮(073)和后调频轴(072)前部用螺钉固紧；后调频齿轮(071)和换能定位座(012)前端齿轮结构啮合，后调频锥齿轮(073)和离合传动组件c(33)中的离合输出锥齿轮(301)啮合；后调频轴(072)前端用轴承安装在定位立板(11)安装孔内，后调频轴(072)后端用轴承安装在后离合安装座(16)安装孔内；在前调频组件(08)中，前调频锥齿轮(082)和前调频轴(081)前部用螺钉固紧，前调频齿轮(083)和前调频轴(081)后部用键连接；前调频齿轮(083)和位移放大器(016)后端齿轮结构啮合，前调频锥齿轮(082)和离合传动组件d(34)中的离合输出锥齿轮(301)啮合；前调频轴(081)前端用轴承安装在前离合安装座(15)安装孔内，前调频轴(081)后端用轴承安装在定位立板(11)安装孔内；试件(17)后端和位移放大器(016)前端用螺柱固紧，在进行受压平均应力加载试验时，加载支座(032)直接顶在试件(17)前端施加压应力载荷，在进行受拉平均应力加载试验时，试件(17)前端与拉力螺杆(031)后端螺纹固紧，加载支座(032)拉动拉力螺杆(031)施加拉应力载荷。
2.根据权利要求1所述的自适应频率式超声疲劳试验机，其特征是：所述超声发生组件(01)中，调整换能定位座(012)、固定支座(014)和位移放大器(016)连接位置的旋合尺寸，始终保证换能定位座(012)、固定支座(014)和位移放大器(016)旋合固紧后整体的固有频率和试件(17)固有频率一致，换能定位座(012)、固定支座(014)和位移放大器(016)旋合固紧后整体轴向长度为n/2个谐振波波长，加载支座(032)的轴向长度为(2n+1)/4个谐振波波长，其中n为自然数；固定支座(014)和定位立板(11)连接面位置处，谐振波振幅为零；加载支座(032)和滑动板(035)连接面位置处，谐振波振幅为零。
3.根据权利要求1所述的自适应频率式超声疲劳试验机，其特征是：所述离合传动组件a(31)、离合传动组件b(32)、离合传动组件c(33)、离合传动组件d(34)的结构组成相同，离合输出锥齿轮(301)和输出齿轮轴(302)上端用螺钉固紧；绝磁花键轴(305)用绝磁材料制成，绝磁花键轴(305)外圆中部设置有台阶，绝磁花键轴(305)外圆下端设置为轴花键；电磁铁(303)安装在绝磁花键轴(305)外圆中部台阶上，绝磁花键轴(305)上端和输出齿轮轴(302)下端丝扣固紧，弹簧(304)套在绝磁花键轴(305)外圆下部；离合输入锥齿轮(308)和绝磁齿轮轴(307)下端用螺钉固紧；绝磁齿轮轴(307)用绝磁材料制成，绝磁齿轮轴(307)外圆上端设置为轴花键；导磁花键套(306)用导磁材料制成，导磁花键套(306)内腔设置为台阶孔，导磁花键套(306)内腔下部设置为孔花键；导磁花键套(306)内腔下部孔花键和绝磁齿轮轴(307)外圆上端轴花键间隙配合，轴向滑动灵活。
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