徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬裝置及模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬裝置及模擬方法，其特征是：設(shè)置液壓加載臺的加載桿的桿端通過力傳感器與加載連接頭上作為輸入端的平面端裝夾在一起；以加載連接頭的另一端作為輸出端，在加載連接頭的輸出端設(shè)置有孔圈；試驗軸的試驗承載段置于孔圈中，并且與孔圈為間隙配合；試驗軸的兩軸端分別通過滑動軸承支承在防震底座上；試驗軸在一端通過聯(lián)軸器與電機(jī)的輸出軸相聯(lián)；試驗軸是指以被模擬曲軸的連桿頸為試驗承載段，以被模擬曲軸的兩端主軸頸為兩軸端；并且試驗軸的試驗承載段與兩軸端的中心軸線為共線。本發(fā)明用于模擬曲軸在浮動徑向沖擊性載荷下旋轉(zhuǎn)的服役狀態(tài)。
【專利說明】徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬裝置及模擬方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬裝置及模擬方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在傳動機(jī)構(gòu)中，一般常用曲軸等偏心件來完成回轉(zhuǎn)運(yùn)動與往復(fù)運(yùn)動相互轉(zhuǎn)換的功能，因此曲軸等偏心件在機(jī)械傳動中應(yīng)用的十分廣泛，尤其是在軋鋼、鍛壓等重型機(jī)器和汽車發(fā)動機(jī)等中應(yīng)用廣泛。曲軸作為重型機(jī)械核心傳動部件之一，研究其失效狀態(tài)及服役性能變化對研究整機(jī)的服役狀態(tài)變化有重大意義。同時，基于大量的企業(yè)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，曲軸類零件主要失效區(qū)域集中于曲軸的連桿頸處，因此需要著重對曲軸連桿頸部位進(jìn)行服役模擬實驗分析。對于這類模擬實驗分析，首要是獲取其在服役過程中的載荷變化信息，而后建立軸頸服役狀態(tài)的模擬環(huán)境，最后搭建基于該模擬環(huán)境設(shè)計的試驗裝置。
[0003]現(xiàn)有關(guān)于曲軸類零件試驗研究主要分為三類:仿真計算、實機(jī)試驗和模擬疲勞試驗，但這些研究基本都是針對產(chǎn)品整體性能的模擬和檢測，或者某一零部件的近似試驗分析，其結(jié)果與零部件服役真實情況存在差距。此外，重型機(jī)械中曲軸所受到的負(fù)載大部分是徑向沖擊性載荷作用，且作用點亦隨著曲軸自身旋轉(zhuǎn)而變化，在模擬加載試驗中難以直接實現(xiàn)此類具有變作用點和沖擊性特點的載荷的加載，故需一種可模擬曲軸負(fù)載狀態(tài)的加載實驗裝置和方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，提供一種徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬裝置及模擬方法，以實現(xiàn)模擬曲軸在浮動徑向沖擊性載荷下旋轉(zhuǎn)的服役狀態(tài)。
[0005]本發(fā)明為解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案:
[0006]本發(fā)明徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬裝置的結(jié)構(gòu)特點是:設(shè)置液壓加載臺，所述液壓加載臺的加載桿的桿端通過力傳感器與加載連接頭上作為輸入端的平面端裝夾在一起；以所述加載連接頭的另一端作為輸出端，在所述加載連接頭的輸出端設(shè)置有孔圈；試驗軸的試驗承載段置于所述孔圈中，并且與所述孔圈為間隙配合；所述試驗軸的兩軸端分別通過滑動軸承支承在防震底座上；試驗軸在一端通過聯(lián)軸器與電機(jī)的輸出軸相聯(lián)；所述試驗軸是指以被模擬曲軸的連桿頸為試驗承載段，以被模擬曲軸的兩端主軸頸為兩軸端；并且所述試驗軸的試驗承載段與兩軸端的中心軸線為共線。
[0007]本發(fā)明徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬裝置的結(jié)構(gòu)特點也在于:
[0008]所述電機(jī)、聯(lián)軸器和試驗軸的中心軸線共線為第一水平線；所述液壓加載臺的加載桿和加載連接頭的中心軸線共線為第二水平線，所述第一水平線與第二水平線在同一水平面上相互垂直。
[0009]設(shè)置所述加載連接頭的輸出端孔圈是由呈哈夫結(jié)構(gòu)的加載連接頭和連接頭蓋通過絞制螺栓固定連接構(gòu)成。
[0010]所述電機(jī)為三相異步電機(jī)，所述液壓加載臺為電液伺服加載裝置，所述聯(lián)軸器為膜片聯(lián)軸器。
[0011]在所述防震底座上設(shè)置有上腔蓋，由所述防震底座和上腔蓋共同形成中空腔，所述試驗軸的試驗承載段處在所述中空腔內(nèi)，在所述中空腔中設(shè)置有加熱棒，以所述加熱棒在所述中空腔內(nèi)進(jìn)行加熱，使所述試驗承載段處在設(shè)定溫度的環(huán)境中。
[0012]本發(fā)明利用模擬裝置實現(xiàn)徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬的方法的特點是:由電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動試驗軸轉(zhuǎn)動模擬曲軸連桿頸的運(yùn)動狀態(tài)；以液壓加載臺的加載桿往復(fù)運(yùn)動帶動加載連接頭，由加載連接頭作用于試驗軸的試驗承載段模擬曲軸連桿頸的受力狀態(tài)，實現(xiàn)以試驗軸在周期性徑向載荷下旋轉(zhuǎn)的服役狀態(tài)模擬曲軸在浮動徑向沖擊性載荷下旋轉(zhuǎn)的服役狀態(tài)。
[0013]本發(fā)明實現(xiàn)徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬的方法是按如下過程進(jìn)行:
[0014]對于被模擬的曲軸，通過受力分析獲得其在服役狀態(tài)下處在連桿頸位置處的徑向沖擊性載荷譜曲線f (Ψ)，所述徑向沖擊性載荷譜曲線f (Ψ)是以曲軸轉(zhuǎn)角為橫坐標(biāo)，以載荷大小為縱坐標(biāo)；
[0015]將所述徑向沖擊性載荷譜曲線f (Ψ)的橫坐標(biāo)按等時間段進(jìn)行均分，以各等時間段的載荷平均值作為縱坐標(biāo)，以時間為橫坐標(biāo)，通過描點連線得到試驗軸載荷譜曲線
r⑴；
[0016]以所述力傳感器輸出的檢測信號為反饋信號，以所述試驗軸載荷譜曲線f° (t)作為所述液壓加載臺的驅(qū)動控制目標(biāo)，對試驗軸的試驗承載段進(jìn)行加載，實現(xiàn)徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬。
[0017]與已有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在:
[0018]1、本發(fā)明是以試驗軸在固定端周期徑向載荷下旋轉(zhuǎn)的服役狀態(tài)模擬曲軸在浮動徑向沖擊性載荷下旋轉(zhuǎn)的服役狀態(tài)，使試驗軸的試驗承載段等效于曲軸的連桿頸，實現(xiàn)了曲軸在浮動徑向沖擊性載荷下旋轉(zhuǎn)的服役狀態(tài)的模擬。
[0019]2、現(xiàn)有技術(shù)中對于液壓加載臺的伺服控制驅(qū)動系統(tǒng)通常是利用加速度傳感器以實現(xiàn)速度實時加載；而本發(fā)明將加速度傳感器替換為力傳感器，實現(xiàn)載荷譜曲線的實時加載，能夠更加準(zhǔn)確地模擬真實的服役狀態(tài)。
[0020]3、由于重型機(jī)械中曲軸連桿頸的載荷譜曲線具有周期短、波峰很大，以及波峰-波谷相差很大的特點，本發(fā)明采用液壓加載臺，有足夠的響應(yīng)頻率和加載力，可實現(xiàn)快速往復(fù)加載，同時液壓加載為柔性加載，避免了硬性沖擊可能帶來的試件的損壞。
[0021]4、本發(fā)明采用哈夫結(jié)構(gòu)設(shè)置加載連接頭，其便于安裝和拆卸。
[0022]5、本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于對重型機(jī)械偏心軸進(jìn)行模擬試驗，以及針對各種浮動沖擊性載荷作用下的旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行模擬試驗。比如:針對發(fā)動機(jī)曲軸上連桿頸的結(jié)構(gòu)給出模擬裝置，通過模擬曲軸的連桿頸的服役狀態(tài)，獲取相關(guān)服役參數(shù)，進(jìn)而對其服役效能進(jìn)行分析研究。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0023]圖1a為曲軸的運(yùn)動及受力形式示意圖；
[0024]圖1b為本發(fā)明中試驗軸的運(yùn)動及受力形式示意圖；
[0025]圖2a為被模擬的曲軸連桿頸徑向沖擊性載荷譜曲線f( Ψ);[0026]圖2b為試驗軸載荷譜曲線f° (t)；
[0027]圖3為本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖4為本發(fā)明裝置中試驗軸與加載連接頭之間連接結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖5為本發(fā)明裝置中試驗軸與加載連接頭之間連接結(jié)構(gòu)截面示意圖；
[0030]圖中標(biāo)號:1液壓加載臺，2加載連接頭，3連接頭蓋，4試驗軸，5力傳感器，6滑動軸承，7防震底座，8聯(lián)軸器，9電機(jī)，10上腔蓋，11加熱棒，12放油螺塞，14電機(jī)底座。
【具體實施方式】
[0031]參見圖3、圖4和圖5，本實施例中徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬裝置的結(jié)構(gòu)特點是:設(shè)置液壓加載臺1，液壓加載臺I的加載桿的桿端通過力傳感器5與加載連接頭2上作為輸入端的平面端裝夾在一起；以加載連接頭2的另一端作為輸出端，在加載連接頭2的輸出端設(shè)置有孔圈；試驗軸4的試驗承載段置于孔圈中，并且與孔圈為間隙配合；試驗軸4的兩軸端分別通過滑動軸承6支承在防震底座7上；試驗軸4在一端通過聯(lián)軸器8與電機(jī)9的輸出軸相聯(lián)；試驗軸4是指以被模擬曲軸的連桿頸為試驗承載段，以被模擬曲軸的兩端主軸頸為兩軸端；并且試驗軸4的試驗承載段與兩軸端的中心軸線為共線。
[0032]具體實施中，相應(yīng)的結(jié)構(gòu)設(shè)置也包括:
[0033]電機(jī)9、聯(lián)軸器8和試驗軸4的中心軸線共線為第一水平線；液壓加載臺I的加載桿和加載連接頭2的中心軸線共線為第二水平線，第一水平線與第二水平線在同一水平面上相互垂直。設(shè)置加載連接頭2的輸出端孔圈是由呈哈夫結(jié)構(gòu)的加載連接頭2和連接頭蓋3通過絞制螺栓固定連接構(gòu)成。電機(jī)9為三相異步電機(jī)，液壓加載臺I為電液伺服加載裝置，聯(lián)軸器8為膜片聯(lián)軸器。在防震底座7上設(shè)置有上腔蓋10，由防震底座7和上腔蓋10共同形成中空腔，試驗軸4的試驗承載段處在中空腔內(nèi)，在中空腔中設(shè)置有加熱棒11，以加熱棒11在中空腔內(nèi)進(jìn)行加熱，使試驗承載段處在設(shè)定溫度的環(huán)境中。防震底座7是和電機(jī)9分別安裝在相分隔的工作臺上。
[0034]本實施例中的輔助結(jié)構(gòu)包括溫控系統(tǒng)、加油孔、放油孔，用以實現(xiàn)曲軸服役的環(huán)境模擬。溫控系統(tǒng)包括加熱棒11和溫度傳感器，溫度傳感器貼在上腔蓋10的內(nèi)壁，通過魯棒原理調(diào)節(jié)加熱棒使試驗環(huán)境溫度保持在設(shè)定范圍。加油孔配置在上腔蓋10的兩端，方便對滑動軸承加油潤滑，放油孔設(shè)置在防震底座7的底部，由放油螺塞12進(jìn)行封堵，以便排放污油。另根據(jù)實際需求，還可在試驗軸4的空閑端聯(lián)接負(fù)載裝置提供負(fù)載模擬。
[0035]試驗過程中，由設(shè)置在電機(jī)底座14上電機(jī)9驅(qū)動試驗軸4旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)曲軸運(yùn)動的模擬；由液壓加載臺I的加載桿帶動加載連接頭2往復(fù)運(yùn)動，并以此作為對試驗軸4的加載，實現(xiàn)曲軸連桿頸處浮動沖擊性載荷的模擬。
[0036]本實施例中利用圖3所示模擬裝置實現(xiàn)徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬的方法是:由電機(jī)9通過聯(lián)軸器8帶動試驗軸4轉(zhuǎn)動模擬曲軸連桿頸的運(yùn)動狀態(tài)；以液壓加載臺I的加載桿往復(fù)運(yùn)動帶動加載連接頭2，由加載連接頭2作用于試驗軸4的試驗承載段模擬曲軸連桿頸的受力狀態(tài)，實現(xiàn)以試驗軸在周期性徑向載荷下旋轉(zhuǎn)的服役狀態(tài)模擬曲軸在浮動徑向沖擊性載荷下旋轉(zhuǎn)的服役狀態(tài)。
[0037]本實施例中的模擬方法的具體實施按如下過程進(jìn)行:
[0038]首先，對于被模擬的曲軸，通過受力分析獲得其在服役狀態(tài)下處在連桿頸位置處的徑向沖擊性載荷譜曲線?.(ψ)，所述徑向沖擊性載荷譜曲線?.(ψ)是以曲軸轉(zhuǎn)角為橫坐標(biāo)，以載荷大小為縱坐標(biāo)。
[0039]然后，將所述徑向沖擊性載荷譜曲線f (Ψ)的橫坐標(biāo)按等時間段進(jìn)行均分，以各等時間段的載荷平均值作為縱坐標(biāo)，以時間為橫坐標(biāo)，通過描點連線可得試驗軸載荷譜曲線f° (t)，等時間段取得越小，則得到的試驗軸載荷譜曲線越精確。
[0040]最后，以所述力傳感器5輸出的檢測信號為反饋信號，以所述試驗軸載荷譜曲線f° (t)作為所述液壓加載臺I的驅(qū)動控制目標(biāo)，對試驗軸4的試驗承載段進(jìn)行加載，實現(xiàn)徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬。
[0041 ] 本實施例中，試驗軸4是用于替代被模擬的曲軸的試件，試驗軸4與被模擬的曲軸的差別僅在于連桿頸部分，試驗軸在該部位為非偏心結(jié)構(gòu)，其它部位在結(jié)構(gòu)、尺寸、制造工藝以及表面熱處理工藝上均相同，以滿足被模擬的曲軸的技術(shù)要求；采用本實施例中的模擬方法使試驗軸4的試驗承載段等效于曲軸連桿頸。
[0042]曲軸受力旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的結(jié)構(gòu)為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其中滑塊端的受力情況由大量監(jiān)測數(shù)據(jù)可統(tǒng)計得出，通過對曲柄連桿機(jī)構(gòu)的幾何受力分析，可換算得曲軸連桿頸處的徑向沖擊性載荷譜曲線f (Ψ)，活塞作直線往復(fù)運(yùn)動，曲軸在連桿作用下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，曲軸轉(zhuǎn)動一周，記錄下載荷譜曲線f (Ψ)上偏心軸頸上的力作用點，力作用點依次滑過曲軸連桿頸的外圓周，即曲軸連桿頸相對靜止，力作用點相對于曲軸連桿頸作變速旋轉(zhuǎn)。
[0043]本實施例中 以試驗軸4替代曲軸旋轉(zhuǎn)，載荷的加載點位置相對固定不變，試驗軸旋轉(zhuǎn)一周，加載桿恰好輸出一個周期載荷譜曲線的力加載到試驗軸的試驗承載段上，實現(xiàn)狀態(tài)模擬。實際中，由于曲軸運(yùn)動的不均衡性，力作用點依次滑過曲軸連桿頸的速率是變化的，而試驗軸是勻速旋轉(zhuǎn)，為實現(xiàn)對應(yīng)的力加載到對應(yīng)點上，本實施例中通過修正獲得如圖2b所示的試驗軸載荷譜曲線f° (t)。試驗時，將試驗軸載荷譜曲線f° (t)輸入液壓加載臺I的控制驅(qū)動系統(tǒng)作為輸入信號，待平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)后，進(jìn)行主動實時監(jiān)測，最終止獲得四個輸出參數(shù):疲勞裂紋、應(yīng)力、溫度和磨損。具體實施中，利用聲發(fā)射技術(shù)非接觸檢測疲勞裂紋；利用近場紅外遙測法檢測應(yīng)力；利用紅外傳感器檢測溫度；每運(yùn)轉(zhuǎn)固定間隔時間后，停機(jī)、拆下試驗軸，測量獲得試驗軸的磨損量、幾何尺寸、圓度誤差和直線度誤差。
[0044]本實施例中是以試驗軸在固定端周期徑向載荷下旋轉(zhuǎn)的服役狀態(tài)模擬曲軸在浮動徑向沖擊性載荷下旋轉(zhuǎn)的服役狀態(tài)，通過對試驗軸進(jìn)行主動實時監(jiān)測，獲取曲軸的服役狀態(tài)參數(shù)。這一形式可延伸用于模擬高速旋轉(zhuǎn)軸類零件在徑向沖擊性載荷作用下的服役狀態(tài)。
【權(quán)利要求】
1.一種徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬裝置，其特征是:設(shè)置液壓加載臺(1)，所述液壓加載臺(I)的加載桿的桿端通過力傳感器(5)與加載連接頭(2)上作為輸入端的平面端裝夾在一起；以所述加載連接頭(2)的另一端作為輸出端，在所述加載連接頭(2)的輸出端設(shè)置有孔圈；試驗軸(4)的試驗承載段置于所述孔圈中，并且與所述孔圈為間隙配合；所述試驗軸(4)的兩軸端分別通過滑動軸承(6)支承在防震底座(7)上；試驗軸(4)在一端通過聯(lián)軸器(8)與電機(jī)(9)的輸出軸相聯(lián)；所述試驗軸(4)是指以被模擬曲軸的連桿頸為試驗承載段，以被模擬曲軸的兩端主軸頸為兩軸端；并且所述試驗軸(4)的試驗承載段與兩軸端的中心軸線為共線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬裝置，其特征是:所述電機(jī)(9)、聯(lián)軸器(8)和試驗軸(4)的中心軸線共線為第一水平線；所述液壓加載臺(I)的加載桿和加載連接頭(2)的中心軸線共線為第二水平線，所述第一水平線與第二水平線在同一水平面上相互垂直。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬裝置，其特征是:設(shè)置所述加載連接頭(2)的輸出端孔圈是由呈哈夫結(jié)構(gòu)的加載連接頭(2)和連接頭蓋(3)通過絞制螺栓固定連接構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬裝置，其特征是:所述電機(jī)(9)為三相異步電機(jī)，所述液壓加載臺⑴為電液伺服加載裝置，所述聯(lián)軸器⑶為膜片聯(lián)軸器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬裝置，其特征是:在所述防震底座(7)上設(shè)置有上腔蓋(10)，由所述防震底座(7)和上腔蓋(10)共同形成中空腔，所述試驗軸(4)的試驗承載段處在所述中空腔內(nèi)，在所述中空腔中設(shè)置有加熱棒(11)，以所述加熱棒(11)在所述中空腔內(nèi)進(jìn)行加熱，使所述試驗承載段處在設(shè)定溫度的環(huán)境中。
6.利用權(quán)利要求1所述模擬裝置實現(xiàn)徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬的方法，其特征是:由電機(jī)(9)通過聯(lián)軸器(8)帶動試驗軸(4)轉(zhuǎn)動模擬曲軸連桿頸的運(yùn)動狀態(tài)；以液壓加載臺(I)的加載桿往復(fù)運(yùn)動帶動加載連接頭(2)，由加載連接頭(2)作用于試驗軸(4)的試驗承載段模擬曲軸連桿頸的受力狀態(tài)，實現(xiàn)以試驗軸在周期性徑向載荷下旋轉(zhuǎn)的服役狀態(tài)模擬曲軸在浮動徑向沖擊性載荷下旋轉(zhuǎn)的服役狀態(tài)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的實現(xiàn)徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬的方法，其特征是:按如下過程進(jìn)行: 對于被模擬的曲軸，通過受力分析獲得其在服役狀態(tài)下處在連桿頸位置處的徑向沖擊性載荷譜曲線f (Ψ)，所述徑向沖擊性載荷譜曲線f (Ψ)是以曲軸轉(zhuǎn)角為橫坐標(biāo)，以載荷大小為縱坐標(biāo)； 將所述徑向沖擊性載荷譜曲線f (HO的橫坐標(biāo)按等時間段進(jìn)行均分，以各等時間段的載荷平均值作為縱坐標(biāo)，以時間為橫坐標(biāo)，通過描點連線得到試驗軸載荷譜曲線f° (t)； 以所述力傳感器(5)輸出的檢測信號為反饋信號，以所述試驗軸載荷譜曲線f° (t)作為所述液壓加載臺(I)的驅(qū)動控制目標(biāo)，對試驗軸(4)的試驗承載段進(jìn)行加載，實現(xiàn)徑向沖擊負(fù)載下曲軸服役狀態(tài)模擬。
【文檔編號】G01M13/02GK104006968SQ201410277288
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】宋守許, 柯慶鏑, 周旋 申請人:合肥工業(yè)大學(xué)