CN115307859A

CN115307859A - 一种高频落锤式冲击疲劳试验装置

Info

Publication number: CN115307859A
Application number: CN202210823328.8A
Authority: CN
Inventors: 孙蓓蓓; 江秋博; 严岩; 倪中华
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2022-07-13
Filing date: 2022-07-13
Publication date: 2022-11-08

Abstract

本发明公开了一种高频落锤式冲击疲劳试验装置，由驱动机构、圆轮举升机构、拉杆冲锤机构、承载机构、弹簧机构等组成。弹簧机构与拉杆冲锤机构固定连接，承载机构、圆轮举升机构和拉杆冲锤机构固定于支架上，支架和夹具固定于基座上，基座水平固定于地面上。动力经过电机和减速器传递到圆轮举升机构，圆轮举升机构和拉杆冲锤机构通过螺旋轨道和滚轮将圆轮的旋转运动转换成拉杆的往复直线运动，实现冲锤对试件的循环冲击。在冲锤的下落阶段，冲锤在重力势能和弹性势能的双重作用下以超过一个g的加速度快速向下运动，进而缩短下落时间，实现冲锤对试件的高频冲击。该装置实现了低成本、高效率、稳定可靠的机械零部件循环冲击疲劳试验过程。

Description

一种高频落锤式冲击疲劳试验装置

技术领域

本发明涉及抗冲击疲劳性能测试技术领域，尤其涉及一种高频落锤式冲击疲劳试验装置。

背景技术

在许多工程结构中，如海洋沉桩***中的替打、舰载机上的拦阻钩、石油开采用的钻头钻杆等，这些部件在重复冲击载荷的作用下，常常因疲劳损伤而发生断裂失效，最终造成严重的工程事故。因此，机械零部件的抗冲击疲劳性能十分重要，正逐渐被国内外学者所重视。

机械零部件的抗冲击疲劳性能可以通过专用的冲击疲劳试验装置而测得。然而，由于冲击疲劳问题的复杂性，至今尚未形成***的基础理论和统一的试验标准，试验方法也各不相同，目前市场上还没有出现成熟的冲击疲劳试验装置。

现有的冲击疲劳试验装置大多通过摆锤、落锤的形式连续撞击试件从而模拟重复冲击载荷作用，其工作原理是利用锤体的自身重力，通过将重力势能转换为动能的方式去冲击试件，然后再将锤体提升到原定高度继续释放，如此往复实现对试件的循环冲击过程。例如授权号为CN110926967B、公开号CN113820119A两项专利中的落锤式冲击疲劳试验机，该类装置结构简单，冲击效果好，但有一个共性问题是冲击频率太低，仅有约1Hz，从而严重影响冲击效率，致使整个试验周期耗时过长。公开号为CN113237624A的专利中公开了一种类似落锤式的冲击疲劳试验机，不同之处在于视为锤体的第一冲击单元的滑块由曲柄机构驱动而不是重力，这样可以提高冲击频率，但该装置包含两个冲击单元，结构较为复杂，且冲击力经过两层传递才到试件，导致其冲击效果不甚理想。

发明内容

本发明目的在于针对现有技术的缺陷，提供了一种高频落锤式冲击疲劳试验装置，通过该装置实现低成本、高效率、稳定可靠的机械零部件循环冲击疲劳试验过程。

为解决上述技术问题，本发明提供技术方案如下：

一种高频落锤式冲击疲劳试验装置，其特征在于：包括驱动机构、圆轮举升机构、拉杆冲锤机构、承载机构，所述承载机构包括基座以及设置在所述基座上的支架、夹具，所述夹具用于夹持固定试件，所述驱动机构设置在所述支架的顶部，所述圆轮举升机构包括圆轮，所述圆轮的中心设置有圆轮轴，所述圆轮轴与所述驱动机构连接，所述圆轮在垂直方向上设置有螺旋轨道，所述螺旋轨道沿着圆轮的边缘逐渐向中心延伸，所述拉杆冲锤机构包括滚轮、拉杆、滑套、冲锤，所述滚轮、拉杆、冲锤从上至下依次连接，所述滑套固定连接在支架上，所述滚轮与螺旋轨道滚动连接，所述拉杆穿设在滑套内，所述冲锤位于所述试件的上方。

进一步的，当所述冲锤位于最低点时，冲锤和所述试件刚好接触。

进一步的，所述滑套包括上滑套和下滑套，在所述上滑套和下滑套之间设置有穿设在所述拉杆上的弹簧机构，所述弹簧机构包括上弹簧座、下弹簧座、弹簧，所述上弹簧座的上端穿设在上滑套的下端，所述下弹簧座固定连接在拉杆上，所述弹簧设置在上弹簧座和下弹簧座之间。

进一步的，在所述上滑套的下端自上而下螺纹连接有锁紧螺母和调节螺母，所述调节螺母的下端抵靠所述上弹簧座的上端，通过调节所述调节螺母和锁紧螺母能够改变所述上弹簧座与上滑套的相对位置。

进一步的，所述下弹簧座的下端固定连接有橡胶块，所述滚轮和螺旋轨道之间留有一间隙。

进一步的，所述圆轮举升机构包括圆轮轴支座、防尘罩，所述圆轮轴设置在所述圆轮轴支座上，所述防尘罩罩设在所述圆轮上。

进一步的，所述驱动机构包括电机、减速器，所述电机的输出轴与所述减速器的输入轴固定连接，所述减速器的输出轴与所述圆轮轴固定连接。

进一步的，所述电机、减速器、圆轮轴之间通过联轴器固定连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明的拉杆冲锤机构在圆轮举升机构的驱动下实现连续冲击运动，圆轮举升机构的周期性运动特点确保冲锤的每次冲击过程稳定，试件的冲击疲劳试验结果准确可靠。

2、本发明可以通过改变电机转速或减速器传动比而实现冲击频率的调节，并且很容易实现每分钟1000～2000次的高频冲击，冲击效率高，进而缩短冲击疲劳试验周期，降低冲击疲劳试验成本。

3、本发明可以通过改变冲锤质量、螺旋轨道行程、弹簧刚度或弹簧预压缩量四个参数中的一个或多个而实现冲击能量、冲击速度或冲击力的调节。也就是能够以不同的冲击效果模拟不同实际场景下的冲击工况，满足不同待测对象的多样化需求，适用范围广泛。

4、本发明的主要工作部件为立式布置，便于机器的安装、调试、使用和维护；同时，除电机提供动力外，其余部件均为机械结构，***组成简单，制造费用较低。

附图说明

图1为本发明实施例立体结构示意图；

图2为本发明实施例主视图；

图3为本发明实施例俯视图；

图4为本发明实施例圆轮举升机构、拉杆冲锤机构局部结构示意图；

图5为本发明实施例弹簧机构局部剖视图；

图6(a)为本发明实施例冲锤位移-时间关系曲线图；

图6(b)为本发明实施例冲锤速度-时间关系曲线图；

图6(c)为本发明实施例试件所受冲击力-时间关系曲线图。

其中：10-驱动机构，11-电机，12-减速器，20-承载机构，21-基座，22-支架，23-夹具，30—圆轮举升机构，31—圆轮轴支座，32—圆轮轴，33—圆轮，34—螺旋轨道，35—防尘罩；40—拉杆冲锤机构，41—滚轮，42—滚轮销，43—拉杆，44—上滑套，45—下滑套，46—冲锤；50—弹簧机构，51—锁紧螺母，52—调节螺母，53—上弹簧座，54—弹簧，55—下弹簧座，56—橡胶块；60—试件，z₁—竖直向上方向，z₂—竖直向下方向。

具体实施方式

为了加深本发明的理解，下面我们将结合附图对本发明作进一步详述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。

图1-5示出了一种高频落锤式冲击疲劳试验装置的具体实施例，包括圆轮举升机构30、拉杆冲锤机构40、弹簧机构50、驱动机构10，以及承载机构20，如图1、2所示。其中，驱动机构10包括电机11、减速器12，承载机构20包括基座21以及设置在基座21上的支架22、夹具23，驱动机构10设置在支架22的顶部。电机11的输出轴通过联轴器与减速器12的输入轴固定连接；减速器12的输出轴通过联轴器与圆轮举升机构30的圆轮轴32固定连接；拉杆冲锤机构40的滚轮41放置在圆轮举升机构30的螺旋轨道34上；弹簧机构50的下弹簧座55与拉杆冲锤机构40的拉杆43固定连接；电机11、减速器12和圆轮举升机构30的圆轮轴支座31固定于支架22上，拉杆冲锤机构40的上滑套44和下滑套45固定于支架22的支柱上；支架22和夹具23固定于基座21上；夹具23上固定有试件60；基座21水平固定于地面上。

如图3、4所示，圆轮举升机构30包括圆轮轴支座31、圆轮轴32、圆轮33、螺旋轨道34、防尘罩35。其中，圆轮轴32安装在圆轮轴支座31上，并可绕自身轴线转动；圆轮轴32一端与减速器12的输出轴固定连接，另一端与圆轮33中心固定连接；圆轮33内部垂直方向上固定有螺旋轨道34，螺旋轨道沿着圆轮33的边缘逐渐向中心延伸，外部则套有防尘罩35；圆轮轴支座31固定于支架22上。

如图4、5所示，拉杆冲锤机构40包括滚轮41、滚轮销42、拉杆43、上滑套44、下滑套45、冲锤46。其中，滚轮41放置在螺旋轨道34上，二者之间留有一小段间隙；滚轮41与滚轮销42固定连接，并可绕自身轴线转动；滚轮销42与拉杆43的上端固定连接，且二者的轴线相互垂直；拉杆43的中部通过上滑套44和下滑套45实现运动导向，底端则与冲锤46固定连接；上滑套44和下滑套45固定于支架22的支柱上。

如图4、5所示，弹簧机构50包括锁紧螺母51、调节螺母52、上弹簧座53、弹簧54、下弹簧座55、橡胶块56。其中，上滑套44的下端攻有外螺纹，锁紧螺母51和调节螺母52通过该外螺纹安装在上滑套44的下端；上弹簧座53的上端抵靠在调节螺母52的下端；下弹簧座55固定于拉杆43上，下端与橡胶块56连接；弹簧54安装限制在上弹簧座53和下弹簧座55之间。

下面对该高频落锤式冲击疲劳试验装置的工作原理与工作过程进行说明。

各部件安装好后，需要将待测试件60固定在夹具23上；同时，根据冲击工况的实际要求，还需要通过调节螺母52改变上弹簧座53和下弹簧座55之间的距离，从而起到调节弹簧54预压缩量的作用，并用锁紧螺母51进行锁紧。初始状态的滚轮41处于螺旋轨道上的最低位，此时冲锤46刚好与试件60相接触。

启动电机11，动力经减速器12传递到圆轮轴32，这一过程实现了电机驱动的减速增矩效果。与圆轮轴32固定连接的圆轮33获得动力后带动螺旋轨道34同步做顺时针转动，随着螺旋轨道34在竖直方向上的曲率半径逐渐减小，将不断地提升轨道上的滚轮41，这一过程把圆轮轴32的旋转运动转换成了滚轮41的直线运动。也就是说，滚轮41在沿着螺旋轨道34做相对滚动的同时，由于受到轨道的提升作用还在竖直向上移动，并进一步通过拉杆43逐渐将冲锤46向上提起。在拉杆43向上移动的过程中，与其固定连接的下弹簧座55一同向上移动，下弹簧座55和上弹簧座53之间的距离逐渐减小，从而逐渐压缩弹簧54。

当滚轮41相对运动到螺旋轨道34的末端时，滚轮41处于最高位，此时冲锤46被提到上极限位置，弹簧54处于最大压缩量状态。当滚轮41越过螺旋轨道34的末端时，由于滚轮41失去了螺旋轨道34的支撑，滚轮41连同滚轮销42、拉杆43和冲锤46在重力势能以及弹簧54的弹性势能的双重作用下快速向下运动，加速度超过一个g，下落时间比自由落体时间短。最后冲锤46以一定的速度撞击固定在夹具23上的试件60，完成一次冲击动作。在电机11的持续驱动下，圆轮33一直转动使拉杆43不停地做往复直线运动，即冲锤46连续冲击试件60，从而实现机械零部件的循环冲击疲劳试验过程。

此外，该高频落锤式冲击疲劳试验装置还包括了一种保护机制。在试件60因冲击疲劳的损伤累积而发生断裂时，冲锤46的冲击行程将变大，为了避免滚轮41下落时撞击螺旋轨道34，在安装时保证初始位置的滚轮41与螺旋轨道34之间留有一定间隙，并在下滑套45和下弹簧座55之间安装橡胶块56，橡胶块56起着对下弹簧座55限位和缓冲的作用，从而保护螺旋轨道34免受滚轮41冲击。

下面对上述实施例的工作性能具体说明。

电机11的转速n＝2400r/min，减速器12的传动比z＝2，螺旋轨道34的圆弧段半径R＝50mm，螺旋轨道34提升行程s＝25mm，弹簧54预压缩量d＝20mm，弹簧54刚度k₁＝10N/mm，冲锤46质量m＝1kg，试件60的材料刚度和阻尼分别为k₂＝10⁵N/mm、c₂＝10N·s/mm，则圆轮33转速为ω＝40πrad/s，即f＝20Hz。

以竖直向上为正方向、以冲锤46和试件60接触位置为原点建立笛卡尔直角坐标系。设螺旋轨道34满足等角螺线方程，在极坐标系(r,θ)中表示为r＝ae^kθ，其中r为极径，θ为极角，a、k为待定参数。在一个圆周中，令螺旋轨道34前π/2角度为圆弧线，即曲率半径不变，以保留足够的时间让冲锤46下落去冲击试件60；令后3π/2角度为等角螺线，即曲率半径逐渐缩小，目的是用来提升冲锤46，使其具备重力势能和弹性势能。由此可确定等角螺线参数a＝25、k＝0.1471。则在直角坐标系下冲锤46的位移满足方程

其中n＝0,1,2…。当冲锤46在重力势能和弹性势能的双重作用下加速下落时满足方程

冲锤46在撞击试件60的过程中满足方程

值得注意的是，①式只在n＝0时(第一个周期)成立，即在电机11启动后的[0,π/2]范围内才有x＝0，而在n﹥0的其他时刻[2nπ,π/2+2nπ]范围内，x应为③式和④式的解。

将各参数带入上述四个式子，便可解出冲锤46位移x在任意时刻的值，进一步可以求出试件60受到冲锤46的冲击力。由图6(a)可知，在0～0.0125s内(第一个周期的前90°)，滚轮41在螺旋轨道34的圆弧段运动，冲锤46静止不动，其位移符合①式；在0.0125～0.05s内(第一个周期的后270°)，滚轮41在螺旋轨道34的螺线段运动，冲锤46被逐渐提起，其位移符合②式；在0.05～0.0625s内(第二个周期的前90°)，滚轮41脱离螺旋轨道34，冲锤46下落撞击试件60，其位移符合③式和④。图6(b)中冲锤46速度的负值表示沿z₂方向，即竖直向下。由图6(b)可知，冲锤46撞击前的瞬时速度约为3.9m/s，则计算得冲击能量为7.6J。从图6(c)可以看出，在1秒内的连续撞击中，试件60受到的冲击力大小保持在3.1×10⁴N附近，有轻微浮动，平均误差约6.3％，总体上冲击效果明显，冲击过程稳定。

该高频落锤式冲击疲劳试验装置在工作原理上与一般的摆锤式和落锤式冲击疲劳试验装置有较大的不同：传统的摆锤式和落锤式冲击疲劳试验装置只是利用了锤体的重力势能完成冲击动作，下落时间较长，虽然冲击效果很好，但是冲击频率很低，通常情况下小于1Hz，由于像钢材这样的金属材料其循环基数很大，一般为(1～10)×10⁶次，这就很容易造成整个试验周期过长，试验成本较高；而本发明的新型落锤式冲击疲劳试验装置则同时利用了锤体的重力势能和弹簧的弹性势能共同完成冲击动作，下落时间短，不但冲击效果好，关键是冲击频率有了很大提升，可实现每分钟1000～2000次的高频冲击，冲击效率高，进而缩短冲击疲劳试验周期，降低冲击疲劳试验成本。由此可见，本发明的高频落锤式冲击疲劳试验装置优势明显，应用前景较好。

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

1.一种高频落锤式冲击疲劳试验装置，其特征在于：包括驱动机构(10)、圆轮举升机构(30)、拉杆冲锤机构(40)、承载机构(20)，所述承载机构(20)包括基座(21)以及设置在所述基座(21)上的支架(22)、夹具(23)，所述夹具(23)用于夹持固定试件(60)，所述驱动机构(10)设置在所述支架(22)的顶部，所述圆轮举升机构(30)包括圆轮(33)，所述圆轮(33)的中心设置有圆轮轴(32)，所述圆轮轴(32)与所述驱动机构(10)连接，所述圆轮(33)在垂直方向上设置有螺旋轨道(34)，所述螺旋轨道(34)沿着圆轮(33)的边缘逐渐向中心延伸，所述拉杆冲锤机构(40)包括滚轮(41)、拉杆(43)、滑套、冲锤(46)，所述滚轮(41)、拉杆(43)、冲锤(46)从上至下依次连接，所述滑套固定连接在支架(22)上，所述滚轮(41)与螺旋轨道(34)滚动连接，所述拉杆(43)穿设在滑套内，所述冲锤(46)位于所述试件(60)的上方。

2.根据权利要求1所述一种高频落锤式冲击疲劳试验装置，其特征在于：当所述冲锤(46)位于最低点时，冲锤(46)和所述试件(60)刚好接触。

3.根据权利要求2所述一种高频落锤式冲击疲劳试验装置，其特征在于：所述滑套包括上滑套(44)和下滑套(45)，在所述上滑套(44)和下滑套(45)之间设置有穿设在所述拉杆(43)上的弹簧机构(50)，所述弹簧机构(50)包括上弹簧座(53)、下弹簧座(55)、弹簧(54)，所述上弹簧座(53)的上端穿设在上滑套(44)的下端，所述下弹簧座(55)固定连接在拉杆(43)上，所述弹簧(54)设置在上弹簧座(53)和下弹簧座(55)之间。

4.根据权利要求3所述一种高频落锤式冲击疲劳试验装置，其特征在于：在所述上滑套(44)的下端自上而下螺纹连接有锁紧螺母(51)和调节螺母(52)，所述调节螺母(52)的下端抵靠所述上弹簧座(53)的上端，通过调节所述调节螺母(52)和锁紧螺母(51)能够改变所述上弹簧座(53)与上滑套(44)的相对位置。

5.根据权利要求4所述一种高频落锤式冲击疲劳试验装置，其特征在于：所述下弹簧座(55)的下端固定连接有橡胶块(56)，所述滚轮(41)和螺旋轨道(34)之间留有一间隙。

6.根据权利要求1所述一种高频落锤式冲击疲劳试验装置，其特征在于：所述圆轮举升机构(30)包括圆轮轴支座(31)、防尘罩(35)，所述圆轮轴(32)设置在所述圆轮轴支座(31)上，所述防尘罩(35)罩设在所述圆轮(33)上。

7.根据权利要求1所述一种高频落锤式冲击疲劳试验装置，其特征在于：所述驱动机构(10)包括电机(11)、减速器(12)，所述电机(11)的输出轴与所述减速器(12)的输入轴固定连接，所述减速器(12)的输出轴与所述圆轮轴(32)固定连接。

8.根据权利要求7所述一种高频落锤式冲击疲劳试验装置，其特征在于：所述电机(11)、减速器(12)、圆轮轴(32)之间通过联轴器固定连接。