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专利摘要

一种钢丝多轴微动疲劳试验装置及方法，装置包括基架、拉‑扭疲劳系统、摆动加载系统、状态监测系统：基架包括底座、对称设置在底座上的支撑立柱、设置在支撑立柱顶部的承载梁、置于支撑立柱中部的支撑夹块；拉‑扭疲劳系统包括支撑系统、扭转驱动系统、拉‑拉疲劳系统；摆动加载系统包括摆动驱动系统和加载系统；状态监测系统包括微动测量系统、轴向疲劳载荷测量系统、扭转测量系统、摆动测量系统。通过调整偏心块的偏心位置，经曲柄连杆机构的疲劳钢丝扭转角；能够实现拉‑拉疲劳、扭转和变交叉角摆动等复合运动模式下钢丝的多轴微动疲劳实验，用于揭示钢丝多轴微动疲劳断裂机理、定量评价钢丝的多轴微动疲劳损伤演化和多轴微动疲劳寿命。 ......

基本信息

专利类型:
发明专利
申请/专利号:
CN201410525508.3
申请日期:
2014-10-08
专利申请人:
中国矿业大学
分类号:
G01N3/00; G01N3/10; G01N3/26
发明/设计人:
王大刚，郭永波，张德坤，朱真才，茅献彪，葛世荣，王世博，彭玉兴
权利要求: 1.一种钢丝多轴微动疲劳试验装置，其特征在于：它包括基架、设在基架上的拉-扭疲劳系统、设在基架中部的摆动加载系统、疲劳钢丝（5）、状态监测系统；所述的基架包括底座（8）、对称设置在底座（8）上的两个支撑立柱（2）、两个支撑立柱（2）的顶部设有承载梁（1），支撑立柱（2）的中部对称套装有左右两个支撑夹块（9）；所述支撑夹块（9）为分体式带圆弧孔块体，靠近疲劳钢丝（5）一侧的支撑夹块（9）带有固定轴承支座（28）的半圆柱状凸台；所述拉-扭疲劳系统包括设在支撑夹块（9）上方的支撑系统、设在承载梁（1）与疲劳钢丝（5）之间的扭转驱动系统、设在底座（8）上的拉-拉疲劳系统；所述支撑系统包括嵌装于承载梁（1）中部孔槽底部的垫板（14）、通过螺钉（13）与垫板（14）固定在一起的内螺纹轴（15），内螺纹轴（15）的下部设有圆锥滚子轴承（17）；所述扭转驱动系统包括设在承载梁（1）上的电机一（12）、与电机一（12）输出轴连接的偏心块一（11）、与偏心块一（11）连接的连杆一（10）、与连杆一（10）相连接的驱动盘（16）、与驱动盘（16）通过螺钉连接的杯状连接套（18），杯状连接套（18）的杯底连接有拉扭传感器（19），所述的偏心块一（11）、连杆一（10）和驱动盘（16）构成曲柄连杆机构，所述的驱动盘（16）套装在内螺纹轴（15）上，并与圆锥滚子轴承（17）相配合；所述的拉-拉疲劳系统包括设在底座（8）上的液压缸（7）和与液压缸（7）相对设在拉扭传感器（19）上的上夹持块（20），液压缸（7）的活塞杆上设有下夹持块（6）、上夹持块（20）和下夹持块（6）之间垂直固定有用于试验的疲劳钢丝（5）；所述的摆动加载系统包括摆动驱动系统和加载系统；所述摆动驱动系统包括分别经轴承支座（28）对称设在左右两个支撑夹块（9）上的传动轴一（41）和传动轴二（42），传动轴一（41）和传动轴二（42）相对一端之间设有将连为一体呈凹形状的支撑平台（27），支撑平台（27）上固定有上压板（38），传动轴一（41）的外端固定有摇杆（21），左侧的支撑夹块（9）上设有电机支架（31），电机支架（31）上设有与传动轴一（41）并排布置的电机二（32），电机二（32）正反转，以实现支撑平台（27）的摆动和微动区交叉接触钢丝的变交叉角度微动作用，电机二（32）的输出轴上设有偏心块二（30），偏心块二（30）上设有连杆二（29），连杆二（29）与摇杆（21）相连，摇杆（21）在连杆二（29）的驱动下绕传动轴一（41）的中心线往复旋转，实现交叉接触钢丝之间的变交叉角度微动作用；所述加载系统包括位于支撑平台（27）内对称设在疲劳钢丝（5）两侧的左载加块（35）和右载加块（43），左载加块（35）和右载加块（43）上分别水平固定有与疲劳钢丝（5）相垂直的左加载钢丝（44）和右加载钢丝（40），左载加块（35）上连接有L形滑块一（34），右载加块（43）上连接有多维力传感器（25），多维力传感器（25）上连接有与L形滑块一（34）相对的L形滑块二（33），两个L形滑块的上下部分别设有滚珠导轨（39），上部的滚珠导轨（39）与固定在支撑平台（27）上的压板（38）相接触，下部的滚珠导轨（39）与支撑平台（27）相接触，L形滑块二（33）与L形滑块一（34）的左侧对称布置有固定在支撑平台（27）上的两个导向轮一（37），L形滑块一（34）的右侧设有固定在支撑平台（27）上的一个导向轮二（26），L形滑块二（33）上固定有尼龙线（36），尼龙线（36）绕过两个导向轮一（37）经L形滑块一（34）再绕过导向轮二（26）与配重（4）相连；尼龙线（36）在配重（4）作用下绕经导向轮二（26）带动L形滑块一（34）和左载加块（35）以及绕经导向轮一（37）带动L形滑块二（33）和右载加块（43），使左右两个加载块上的左加载钢丝（44）和右加载钢丝（40）挤压疲劳钢丝（5）至设定钢丝间接触载荷，实现对疲劳钢丝（5）的一体化加载，在微动疲劳过程中钢丝发生磨损时，在尼龙线（36）的作用下发生位置实时调整，从而保证加载钢丝对疲劳钢丝（5）施加的接触载荷保持不变；所述状态监测系统包括置于摆动加载系统上的微动测量系统和摆动测量系统、置于拉-扭疲劳系统上的轴向疲劳载荷测量系统、扭转测量系统；所述微动测量系统包括与L形滑块一（34）相连的接触载荷测量系统、与下夹持块（6）相连的微动振幅测量系统、与右加载钢丝（40）相连的摩擦力测量系统，所述接触载荷测量系统包括尼龙线、导向轮二（26）和配重（4），钢丝间接触载荷值等于配重（4）载荷值的一半；所述微动振幅测量系统包括设在液压缸（7）内的位移传感器，疲劳钢丝（5）与下夹持块（6）连接处位移等于位移传感器的位移值，根据疲劳钢丝（5）变形大小通过比例缩放间接获得微动区接触的钢丝间微动振幅；所述摩擦力测量系统包括右载加块（43）、多维力传感器（25）、L形滑块二（33），用于动态监测右载加块（43）上的右加载钢丝（40）与疲劳钢丝（5）之间的摩擦力；所述轴向疲劳载荷测量系统包括与杯状连接套（18）杯底相连接的拉扭传感器（19）、上夹持块（20）、疲劳钢丝（5）和下夹持块（6），所述拉扭传感器（19）用于动态监测疲劳钢丝（5）的动态交变载荷；所述扭转测量系统包括偏心块一（11）、连杆一（10）和驱动盘（16）构成的曲柄连杆机构以及拉扭传感器（19），通过机构学理论对所述曲柄连杆机构分析间接计算疲劳钢丝（5）扭转角大小，所述拉扭传感器（19）用于动态监测扭转过程中疲劳钢丝（5）的扭矩；所述摆动测量系统包括变频器、电机二（32）和贴于传动轴一（41）上的应变片；所述电机二（32）通过变频器设定其正反转角度，间接确定摆动驱动系统的摆动角度，进而获得疲劳钢丝与接触钢丝之间的交叉角度变化幅值；所述应变片用于动态地测量支撑平台（27）所需的驱动扭矩大小。2.根据权利要求1所述的钢丝多轴微动疲劳试验装置，其特征在于：所述的摇杆（21）呈扇形状，沿扇形外圆周开有供连杆二（29）摆动的弧形槽。3.根据权利要求1所述的钢丝多轴微动疲劳试验装置，其特征在于：所述左右两个加载块的加载面上分别设有嵌入加载钢丝的半圆弧凹槽。4.根据权利要求1所述的钢丝多轴微动疲劳试验装置，其特征在于：所述导向轮二（26）上焊接有四分之一凹形圆弧盖，凹形圆弧直径足够大使得支撑平台（27）摆动时不约束与配重（4）相连接的尼龙线（36）偏摆。5.根据权利要求1所述的钢丝多轴微动疲劳试验装置，其特征在于：所述两个L形滑块、支撑平台（27）和上压板（38）的相邻面均设有半圆形导向凹槽，设在滚珠导轨（39）中的滚珠体可在导向凹槽中往复滚动。6.一种使用权利要求1所述装置的钢丝多轴微动疲劳试验方法，其特征在于：包括以下步骤：a. 调整偏心块一（11）的偏心位置，经曲柄连杆机构理论计算获得设定的疲劳钢丝（5）扭转角；b. 用螺栓（22）将连杆二（29）的凸出轴固定于摇杆（21）的弧形槽中间位置，通过变频器调整电机二（32）的正反转角度，获得设定的微动区接触钢丝间交叉角度变化幅值；c. 通过计算机调整液压系统压力，控制液压缸（7）伸出活塞的交变位移进而获得预定的接触钢丝间微动振幅；d. 将疲劳钢丝（5）穿过支撑平台（27）中部的方孔，并将疲劳钢丝（5）的两端分别固定在上夹持块（20）和下夹持块（6）上，启动液压系统通过液压缸（7）将疲劳钢丝（5）向下拉伸至试验设定初始载荷，停止液压缸（7）继续动作；e. 移动L形滑块一（34）使左载加块（35）上的左加载钢丝（44）接触到疲劳钢丝（5），将装有配重（4）的托盘与尼龙线（36）连接，慢慢松开托盘，通过尼龙线（36）将配重（4）荷重经导向轮二（26）、L形滑块一（34）、和导向轮一（37）传递，带动L形滑块二（33）在滚珠导轨（39）上滑动，使L形滑块二（33）的右载加块（43）上的右加载钢丝（40）与疲劳钢丝（5）接触，同时压紧设在左载加块（35）上的左加载钢丝（44）；f. 同时通过控制带有位移传感器的液压缸（7）上下运动、打开电机一（12）使疲劳钢丝（5）发生扭转运动、打开电机二（32）使加载钢丝随支撑平台（27）前后摆动，实现疲劳钢丝（5）的多轴微动疲劳现象，同时给拉扭传感器（19）、多维力传感器（25）、应变片（24）通电；液压缸（7）上下运动对疲劳钢丝（5）施加交变载荷，使疲劳钢丝（5）在设定的交变应力范围内伸缩变化，让疲劳钢丝（5）与设于右载加块（43）上的右加载钢丝（40）之间产生微米级的相对错动，钢丝间相对错动位移通过对液压缸（7）内置传感器测量值比例缩小获得，疲劳钢丝（5）交变应力由拉扭传感器（19）测量；疲劳钢丝（5）扭矩由拉扭传感器（19）测量，疲劳钢丝（5）与加载钢丝之间切向力由多维力传感器（25）测量，支撑平台（27）摆动所需驱动扭矩由贴于传动轴一（41）上的应变片（24）测量；通过电机一（12）和电机二（32）的速度曲线，获得疲劳钢丝（5）扭转角度和接触钢丝间交叉角度的动态演化；g. 实时记录疲劳钢丝（5）的位移幅值、交变载荷、扭矩、扭转角、切向力以及钢丝间交叉角度和摆动驱动扭矩，直至疲劳钢丝（5）因多轴微动疲劳损伤而断裂时停止试验；h. 改变各电机频率和正反转角度幅值、液压缸振动频率和振幅、偏心块偏心距离和载荷块重量，进行不同微动频率、扭转角、微动振幅、交叉角度幅值和接触载荷条件下钢丝间多轴微动疲劳实验；在拉伸、扭转和摆动复合运动形式下，固定其中一种或两种形式的运动，即现两种运动形式复合或单一运动形式下的钢丝微动疲劳实验。