專利名稱：一種諧振式內(nèi)燃機微動疲勞模擬實驗系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種諧振式內(nèi)燃機微動疲勞模擬實驗系統(tǒng)，屬于內(nèi)燃機疲勞強度技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在內(nèi)燃機工作狀態(tài)下，機體隔板和主軸承蓋接觸面承受預(yù)緊力和交變法向和切向載荷的共同作用，容易在接觸面附近發(fā)生微動損傷，加速零部件的失效。研究表明，在相同的交變外載荷作用下，微動疲勞的作用會降低試件的疲勞壽命30% 50%。微動疲勞損傷規(guī)律的研究近年來逐漸成為相關(guān)研究領(lǐng)域內(nèi)的研究熱點。實驗研究是微動疲勞損傷研究中最重要的研究手段。微動疲勞實驗有多種方式， 其中的差異主要集中在壓頭的形狀上。壓頭的形狀有很多種，不同壓頭會導(dǎo)致不同的應(yīng)力分布。現(xiàn)階段最常用的壓頭有橋式壓頭、圓柱式壓頭和球形壓頭等。通常能夠為標(biāo)準(zhǔn)疲勞試件提供固定的法向壓力和可控的循環(huán)變化體力。但是，該實驗很難模擬周期性法向壓力與周期性切向力共同作用下的微動疲勞失效過程。牛津大學(xué)的Ruiz開發(fā)的燕尾榫結(jié)構(gòu)微動疲勞實驗臺，該實驗系統(tǒng)的基礎(chǔ)是一臺電液伺服疲勞實驗機。通過雙軸非比例激勵分別模擬航空發(fā)動機工作狀態(tài)下的離心力和空氣對葉片的作用力，通過一個附加的高周疲勞激勵實現(xiàn)微動幅值的控制。實現(xiàn)了葉片結(jié)構(gòu)件的微動疲勞實驗。(參考文獻Ruiz C,Boddington PHB, Chen KC. An investigation on fatigue and fretting in a dovetail joint. Exp Mech 1984;24:208-17.)現(xiàn)階段還沒有關(guān)于內(nèi)燃機典型特征載荷作用下結(jié)構(gòu)件的諧振微動疲勞實驗系統(tǒng)的相關(guān)論文和報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了能夠充分模擬內(nèi)燃機載荷特征下的微動疲勞損傷過程，研制一種諧振式內(nèi)燃機微動疲勞模擬實驗系統(tǒng)。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的。本發(fā)明的一種諧振式內(nèi)燃機微動疲勞模擬實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括微動疲勞裝置1、 加速度計2、電子控制部件3、電動激振器4、激振器推桿5和兩塊慣性振板6 ；兩塊慣性振板 6通過鋼絲繩懸掛在軌道上；微動疲勞裝置1通過法蘭固定在兩塊慣性振板6之間；激振器推桿5的一端固定在電動激振器4上；激振器推桿5的另一端固定在一塊慣性振板6上；加速度計2通過磁力粘在另一塊慣性振板6上，其位置與激振器推桿5相對稱；電子控制部件 3用于控制電動激振器4;其中，微動疲勞裝置1包括試件7、預(yù)緊螺栓8、壓頭9、U型連接器10、基座11、加載推桿12和載荷施加軸13 ；基座11為整體為一個柱體；在柱體的下側(cè)面挖有兩個對稱凹槽，兩個凹槽之間形成一個梯形支撐架，柱體兩端的剩余部分用于與慣性振板6固定連接； 梯形支撐架的兩側(cè)各有一個試件安裝槽，用于固定和安裝試件7，試件7的一側(cè)有一個半圓孔，壓頭9的一側(cè)有一個半圓孔，壓頭9放在試件7的上表面，壓頭9的半圓孔與試件7的半圓孔整好形成一個圓孔；試件7與壓頭9通過預(yù)緊螺栓8固定連接在梯形支撐架的兩側(cè)； 載荷施加軸13穿過壓頭9和試件7形成的圓孔；載荷施加軸13的兩端固定在U型連接器 10的兩臂上；U型連接器與基座11通過加載推桿12固定連接。電子控制部件3在試驗過程中對曲軸彎曲疲勞模擬系統(tǒng)的諧振幅度和諧振頻率進行閉環(huán)控制，形成閉環(huán)控制電路；首先信號發(fā)生器將信號輸入給伺服控制器，伺服控制器通過功率放大器向電動激振器4發(fā)出一個標(biāo)準(zhǔn)的正弦型指令信號，使電動激振器4激起系統(tǒng)諧振，然后安裝在慣性振板6上的加速度計2將測得的加速度信號通過電荷放大器后一部分作為系統(tǒng)的響應(yīng)信號反饋回伺服控制器，一部分通過諧振跟蹤單元反饋給信號發(fā)生器，每循環(huán)一次計數(shù)器累加一次。伺服控制器對指令信號和響應(yīng)信號的幅值和頻率進行比較，以修正指令信號或中止試驗；控制電路中還設(shè)置了載荷幅值限制和諧振頻率限制兩個單元，當(dāng)載荷幅值和頻率的變化超出限制單元的預(yù)定值時，限制單元可以中止試驗以保護試驗裝置；計數(shù)器能夠記錄試驗中止時的循環(huán)加載次數(shù)，測得相應(yīng)的疲勞壽命。工作過程將兩個試件安裝在基座梯形支撐架的凹槽內(nèi)，將加載推桿和壓頭壓在試件上表面，壓頭與梯形支撐架通過預(yù)緊螺栓固定且相互壓緊，利用扭力扳手調(diào)整預(yù)緊螺栓預(yù)緊力的大小，從而獲得與所研究發(fā)動機接觸面相同大小的初始壓應(yīng)力，加載推桿通過U 形連接器與基座相連?；c慣性振板構(gòu)成音叉諧振系統(tǒng)。當(dāng)激振器以一定頻率和幅度激勵音叉諧振系統(tǒng)時，慣性振板的慣性力所產(chǎn)生的彎矩將施加在基座上?；ㄟ^U形連接器和載荷推桿將彎矩轉(zhuǎn)化為水平方向的循環(huán)推力。由于試件和壓頭與水平方向呈一定角度，因此該循環(huán)推力作用在試件和壓頭上形成沿接觸面法向和接觸面切向的循環(huán)載荷，該載荷與發(fā)動機在最大爆發(fā)壓力作用下對機體隔板和主軸承蓋的載荷類似，通過對接觸面相對位移和慣性振板振幅的控制能夠?qū)崿F(xiàn)模擬發(fā)動機載荷特征作用下一定微動量和載荷幅值作用下的接觸面微動疲勞規(guī)律的功能?？刂葡到y(tǒng)通過閉環(huán)控制，實現(xiàn)激振力載荷幅值和頻率的控制，每激勵一次計數(shù)器累加一次，從而實現(xiàn)計數(shù)的功能。在一定激振力載荷幅值下，控制循環(huán)次數(shù)，每循環(huán)一定次數(shù)之后，將試件取下切片，觀測微動裂紋擴展的方向，測量微動裂紋的長度，從而獲得循環(huán)次數(shù)與微動裂紋之間的關(guān)系。通過多次試驗，獲得不同載荷幅值下，微動疲勞裂紋長度與載荷循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。通過閉環(huán)控制可以保持慣性振板6上的加速度幅值恒定，加速度幅值為位移幅值的二次導(dǎo)數(shù)，位移幅值又與試驗的彎矩幅值存在對應(yīng)關(guān)系，這樣也就使試驗過程中疲勞彎矩幅值保持恒定。而當(dāng)曲軸單拐試件的圓角處萌生了裂紋或錐套聯(lián)接出現(xiàn)松動時，系統(tǒng)的彎曲剛度下降，諧振頻率隨之降低，控制電路又可以調(diào)整激勵頻率以保持系統(tǒng)始終處于諧振狀態(tài)。其中，機械諧振部分主要包括試件、壓頭、卡具和加載機構(gòu)。其中試件、壓頭的結(jié)構(gòu)形式需與機體隔板和主軸承蓋的結(jié)構(gòu)形式相似?？ň吆蛪侯^之間橫貫螺栓預(yù)緊力，為試件提供了一個與機體隔板類似的工作環(huán)境。加載機構(gòu)包括慣性振板、電動激振器和推桿三部分。慣性振板與卡具構(gòu)成一個音叉諧振系統(tǒng)，通過改變慣性振板的長度，調(diào)整音叉系統(tǒng)的固有頻率，將一階固有頻率調(diào)整到內(nèi)燃機在工作狀態(tài)下的載荷頻率附近。電動激振器通過推桿向慣性振板傳遞載荷，慣性振板通過U型推桿將載荷施加在試件和壓頭上，實現(xiàn)接觸面的微動。
電子控制部分能夠?qū)崿F(xiàn)三個功能保持實驗過程中載荷恒定、保證實驗時系統(tǒng)始終處于諧振狀態(tài)、適時中止實驗。實驗過程中的載荷恒定是通過加速度閉環(huán)控制來實現(xiàn)的。系統(tǒng)工作時，放置在振板上的加速度計所產(chǎn)生的電荷經(jīng)電荷放大器放大并轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)量化的電壓信號后，作為系統(tǒng)的響應(yīng)信號送至伺服控制器。指令信號由函數(shù)發(fā)生器給出，同時送至伺服控制器，其波形為正弦波，頻率等于機械部分的共振頻率，幅度與所需的實驗載荷對應(yīng)。指令與響應(yīng)信號進入伺服控制器后，伺服控制器對它們的幅度進行比較，并輸出一信號到功率放大器，激勵電動激振器推動另一振板以一定的幅度振動。實驗過程中當(dāng)某種因素使載荷發(fā)生變化時，回路可通過負(fù)反饋自動糾正這種變化，從而保持載荷恒定。實驗過程中的共振狀態(tài)是通過頻率閉環(huán)控制來實現(xiàn)的。實驗過程中試件可能因出現(xiàn)裂紋或夾持松動等原因而使剛度下降，則共振頻率將隨之降低，此時原有共振狀態(tài)遭破壞。為此在電路中設(shè)計了一個共振頻率跟蹤單元，它與函數(shù)發(fā)生器等構(gòu)成頻率自動調(diào)節(jié)回路。指令信號與相應(yīng)信號輸入到共振跟蹤單元，經(jīng)檢測、放大后反饋至函數(shù)發(fā)生器，修正指令信號頻率使之與系統(tǒng)當(dāng)前的共振頻率相等，從而確保系統(tǒng)的共振狀態(tài)。測試系統(tǒng)用來測量微動量和試件與壓頭上的載荷量。用光柵位移傳感器測量試件和壓頭接觸副之間的位移微動量，由于微動疲勞實驗過程中，接觸副之間的微動量在 100 μ m以內(nèi)，因此實驗過程中，擬選用分辨率為0. 1 μ m的光柵傳感器。用力傳感器測量U 型推桿施加在試件和壓頭上的載荷的大小。該微動疲勞模擬系統(tǒng)可以獲得載荷、微動量和壽命之間的關(guān)系。其中，載荷包括螺栓預(yù)緊力和加載機構(gòu)的周期性作用力。周期性作用力沿接觸面方向可以被分解為法向力和切向力。通過改變加載機構(gòu)與接觸面之間的角度，實現(xiàn)切向力和法向力比值的變化。模擬實驗通過以下幾個步驟實現(xiàn)通過內(nèi)燃機多工況下的整機多體動力學(xué)分析，確定內(nèi)燃機典型工況下的切向力與法向力比值，在此基礎(chǔ)上確定實驗中加載機構(gòu)與接觸面之間的角度；改變電動激振器的輸出載荷，通過力傳感器測量U型推桿施加在試件上的載荷大小，將該載荷和卡具模擬的預(yù)緊力進行疊加，從而得到電動激振器的輸出載荷與試件所承受循環(huán)載荷的關(guān)系；當(dāng)切向力與法向力比值一定時，改變電動激振器輸出載荷的大小，通過光柵傳感器測量接觸副的微動量，獲得微動量隨電動激振器輸出載荷變化的曲線。通過該曲線能夠?qū)崿F(xiàn)對微動量的控制。控制預(yù)緊螺栓的預(yù)緊力、切向力與法向力比值及接觸副之間微動量等參數(shù)，進行微動疲勞損傷實驗，獲得各參數(shù)與微動疲勞損傷壽命之間的關(guān)系。有益效果利用該系統(tǒng)可以用來研究內(nèi)燃機典型特征載荷作用下結(jié)構(gòu)件的微動疲勞問題，跟傳統(tǒng)微動疲勞模擬實驗相比，可以考慮平面和平面接觸，可以通過改變總載荷大小和切向載荷與法向載荷的比例關(guān)系，進行不同載荷特征及載荷水平作用下試件的微動疲勞問題的研究?？梢赃M行的具體工作包括電動激振器的輸出載荷與試件所承受循環(huán)載荷之間規(guī)律的研究；接觸副之間微動量的控制研究；
內(nèi)燃機特征載荷作用下的微動疲勞損傷規(guī)律的研究。微動裂紋的觀測和測量研究


圖1為一種諧振式內(nèi)燃機微動疲勞模擬實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為微動疲勞裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3電子控制部件的組成示意圖；其中，1-微動疲勞裝置，2-加速度計3-電子控制部件，4-電動激振器，5-激振器推桿，6-慣性振板，7-試件，8-預(yù)緊螺栓，9-壓頭，IO-U型連接器，11-基座，12-加載推桿， 13-載荷施加軸。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步說明。實施例一種諧振式內(nèi)燃機微動疲勞模擬實驗系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)包括微動疲勞裝置1、加速度計2、電子控制部件3、電動激振器4、激振器推桿5和兩塊慣性振板6 ；兩塊慣性振板6通過鋼絲繩懸掛在軌道上；微動疲勞裝置1通過法蘭固定在兩塊慣性振板6之間； 激振器推桿5的一端固定在電動激振器4上；激振器推桿5的另一端固定在一塊慣性振板 6上；加速度計2通過磁力粘在另一塊慣性振板6上，其位置與激振器推桿5相對稱；電子控制部件3用于控制電動激振器4 ；其中，微動疲勞裝置1包括試件7、預(yù)緊螺栓8、壓頭9、U型連接器10、基座11、加載推桿12和載荷施加軸13，如圖2所示；基座11為整體為一個柱體；在柱體的下側(cè)面挖有兩個對稱凹槽，兩個凹槽之間形成一個梯形支撐架，柱體兩端的剩余部分用于與慣性振板6 固定連接；梯形支撐架的兩側(cè)各有一個試件安裝槽，用于固定和安裝試件7，試件7的一側(cè)有一個半圓孔，壓頭9的一側(cè)有一個半圓孔，壓頭9放在試件7的上表面，壓頭9的半圓孔與試件7的半圓孔整好形成一個圓孔；試件7與壓頭9通過預(yù)緊螺栓8固定連接在梯形支撐架的兩側(cè)；載荷施加軸13穿過壓頭9和試件7形成的圓孔；載荷施加軸13的兩端固定在 U型連接器10的兩臂上；U型連接器與基座11通過加載推桿12固定連接。電子控制部件3在試驗過程中對曲軸彎曲疲勞模擬系統(tǒng)的諧振幅度和諧振頻率進行閉環(huán)控制，形成閉環(huán)控制電路；如圖3所示，首先信號發(fā)生器將信號輸入給伺服控制器，伺服控制器通過功率放大器向電動激振器4發(fā)出一個標(biāo)準(zhǔn)的正弦型指令信號，使電動激振器4激起系統(tǒng)諧振，然后安裝在慣性振板6上的加速度計2將測得的加速度信號通過電荷放大器后一部分作為系統(tǒng)的響應(yīng)信號反饋回伺服控制器，一部分通過諧振跟蹤單元反饋給信號發(fā)生器，每循環(huán)一次計數(shù)器累加一次。伺服控制器對指令信號和響應(yīng)信號的幅值和頻率進行比較，以修正指令信號或中止試驗；控制電路中還設(shè)置了載荷幅值限制和諧振頻率限制兩個單元，當(dāng)載荷幅值和頻率的變化超出限制單元的預(yù)定值時，限制單元可以中止試驗以保護試驗裝置；計數(shù)器能夠記錄試驗中止時的循環(huán)加載次數(shù)，測得相應(yīng)的疲勞壽命。通過內(nèi)燃機多工況下的整機多體動力學(xué)分析，確定內(nèi)燃機典型工況下的切向力與法向力比值，在此基礎(chǔ)上確定實驗中加載機構(gòu)與接觸面之間的角度，作為設(shè)計卡具11鑲嵌試件7處斜面角度的依據(jù)。為了使該微動疲勞實驗系統(tǒng)能夠充分模擬內(nèi)燃機載荷特征下的微動疲勞損傷過程，必須使試件7和機體隔板關(guān)鍵尺寸滿足結(jié)構(gòu)相似性，二者滿足材料一致性；壓頭9和主軸承蓋關(guān)鍵尺寸滿足機構(gòu)相似性，二者滿足材料一致性。當(dāng)壓頭9、試件 7、卡具11和U型推桿10的尺寸確定下來之后，對慣性振板6進行設(shè)計。兩個相同的慣性振板6對稱地固定在卡具兩端，構(gòu)成了一個音叉諧振系統(tǒng)。通過改變慣性振板6的長度，調(diào)整音叉系統(tǒng)的固有頻率，將一階固有頻率調(diào)整到內(nèi)燃機在工作狀態(tài)下的載荷頻率附近。將設(shè)計制造的機械諧振系統(tǒng)安裝至實驗臺架。利用電子控制部分控制電動激振器4的輸出載荷大小和頻率。改變電動激振器4的輸出載荷，通過力傳感器測量U型推桿10施加在試件7和壓頭9上的載荷大小，將該載荷和卡具11模擬的預(yù)緊力進行疊加，從而得到電動激振器4的輸出載荷與試件7、壓頭9所承受循環(huán)載荷的關(guān)系。當(dāng)切向力與法向力比值一定時，改變電動激振器4輸出載荷的大小，通過光柵傳感器測量試件7和壓頭9接觸副的微動量，獲得該微動量隨電動激振器4輸出載荷變化的曲線。通過該曲線能夠?qū)崿F(xiàn)對微動量的控制?？刂祁A(yù)緊螺栓8的預(yù)緊力、切向力與法向力比值及接觸副之間微動量等參數(shù)，進行微動疲勞損傷實驗，獲得各參數(shù)與微動疲勞損傷壽命之間的關(guān)系。
權(quán)利要求
1.一種諧振式內(nèi)燃機微動疲勞模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括微動疲勞裝置 (1)、加速度計(2)、電子控制部件(3)、電動激振器(4)、激振器推桿(5)和兩塊慣性振板 (6)；兩塊慣性振板(6)通過鋼絲繩懸掛在軌道上；微動疲勞裝置(1)通過法蘭固定在兩塊慣性振板(6)之間；激振器推桿( 的一端固定在電動激振器(4)上；激振器推桿( 的另一端固定在一塊慣性振板(6)上；加速度計( 通過磁力粘在另一塊慣性振板(6)上，其位置與激振器推桿(5)相對稱；電子控制部件(3)用于控制電動激振器⑷；微動疲勞裝置(1)包括試件(7)、預(yù)緊螺栓(8)、壓頭(9)、U型連接器(10)、基座(11)、 加載推桿(1 和載荷施加軸(1 ；基座(11)為整體為一個柱體；在柱體的下側(cè)面有兩個對稱凹槽，兩個凹槽之間形成一個梯形支撐架，柱體兩端的剩余部分用于與慣性振板(6) 固定連接；梯形支撐架的兩側(cè)各有一個試件安裝槽，用于固定和安裝試件(7)，試件(7)的一側(cè)有一個半圓孔，壓頭(9)的一側(cè)有一個半圓孔，壓頭(9)放在試件(7)的上表面，壓頭 (9)的半圓孔與試件(7)的半圓孔整好形成一個圓孔；試件(7)與壓頭(9)通過預(yù)緊螺栓 (8)固定連接在梯形支撐架的兩側(cè)；載荷施加軸(1 穿過壓頭(9)和試件(7)形成的圓孔； 載荷施加軸(1 的兩端固定在U型連接器(10)的兩臂上；U型連接器與基座(11)通過加載推桿(1 固定連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振式內(nèi)燃機微動疲勞模擬實驗系統(tǒng)，其特征在于電子控制部件(3)中信號發(fā)生器將信號輸入給伺服控制器，伺服控制器通過功率放大器向電動激振器(4)發(fā)出一個標(biāo)準(zhǔn)的正弦型指令信號，使電動激振器(4)激起系統(tǒng)諧振，然后安裝在慣性振板(6)上的加速度計( 將測得的加速度信號通過電荷放大器后一部分作為系統(tǒng)的響應(yīng)信號反饋回伺服控制器，一部分通過諧振跟蹤單元反饋給信號發(fā)生器，每循環(huán)一次計數(shù)器累加一次。伺服控制器對指令信號和響應(yīng)信號的幅值和頻率進行比較，以修正指令信號或中止試驗；電子控制部件⑶中還設(shè)置了載荷幅值限制和諧振頻率限制兩個單元， 當(dāng)載荷幅值和頻率的變化超出限制單元的預(yù)定值時，限制單元可以中止試驗以保護試驗裝置；計數(shù)器能夠記錄試驗中止時的循環(huán)加載次數(shù)，測得相應(yīng)的疲勞壽命。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種諧振式內(nèi)燃機微動疲勞模擬實驗系統(tǒng)，屬于內(nèi)燃機疲勞強度技術(shù)領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括微動疲勞裝置、加速度計、電子控制部件、電動激振器、激振器推桿和兩塊慣性振板；微動疲勞裝置包括試件、預(yù)緊螺栓、壓頭、U型連接器、基座、加載推桿和載荷施加軸。利用該系統(tǒng)可以用來研究內(nèi)燃機典型特征載荷作用下結(jié)構(gòu)件的微動疲勞問題，跟傳統(tǒng)微動疲勞模擬實驗相比，可以考慮平面和平面接觸，可以通過改變總載荷大小和切向載荷與法向載荷的比例關(guān)系，進行不同載荷特征及載荷水平作用下試件的微動疲勞問題的研究。
文檔編號G01M15/04GK102539160SQ20121001188
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月16日
發(fā)明者孫德林, 左正興, 廖日東, 李文 申請人:北京理工大學(xué)