專利名稱：自適應(yīng)共軛共振式彈簧疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及工件疲勞實(shí)驗(yàn)裝置，尤其是一種彈簧疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)。
背景技術(shù)：
彈簧是工業(yè)產(chǎn)品的基礎(chǔ)件之一，它在服役過(guò)程中，起到能量?jī)?chǔ)存、自動(dòng)控制、緩沖平衡、回位定位、安全保險(xiǎn)等作用。因此，它廣泛應(yīng)用于航空航天、國(guó)防裝備、機(jī)電設(shè)備、儀器儀表、石油化工、農(nóng)業(yè)機(jī)械、交通能源和日常生活用品中。如果彈簧失效將產(chǎn)生難以預(yù)料的損失。如發(fā)動(dòng)機(jī)氣門彈簧斷，氣門會(huì)掉入氣缸，活塞上行時(shí)與氣門碰撞將氣缸頂破；高壓油泵拄塞彈簧失效，油泵無(wú)法供油。
彈簧的疲勞試驗(yàn)是彈簧性能檢測(cè)的關(guān)鍵工序，特別是發(fā)動(dòng)機(jī)氣門彈簧、油泵柱塞彈簧、離合器彈簧、摩托車減振彈簧、汽車懸架彈簧等關(guān)鍵彈簧，必須做彈簧產(chǎn)品的疲勞性能的可靠性評(píng)定和疲勞篩選實(shí)驗(yàn)。未經(jīng)疲勞篩選實(shí)驗(yàn)的彈簧在使用中往往出現(xiàn)剛度下降，尺寸改變，甚至斷簧等失效現(xiàn)象。因此，有必要開(kāi)發(fā)自適應(yīng)共軛共振式彈簧疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是，提供一種自適應(yīng)共軛共振式彈簧疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，它能始終工作在共振區(qū)內(nèi)。
為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的自適應(yīng)共軛共振式彈簧疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，包括振動(dòng)系統(tǒng)和控制電路。所述振動(dòng)系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)力封閉系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)力封閉系統(tǒng)由質(zhì)量、剛度和彈簧位置完全相同的2個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)組成，2個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)對(duì)置地設(shè)置在一個(gè)剛性支架內(nèi)；每個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)包括上下設(shè)置的上板、中板和下板，和對(duì)稱設(shè)置在上板與中板之間和中板與下板之間的多個(gè)彈簧，上板設(shè)置有內(nèi)螺紋通孔，中板的相同位置上設(shè)置有通孔，下板的相同位置上設(shè)置有內(nèi)螺紋通孔，上板的內(nèi)螺紋與下板的內(nèi)螺紋的螺旋方向相反，上板內(nèi)螺紋通孔、中板通孔和下板內(nèi)螺紋通孔內(nèi)連接有一豎絲杠，豎絲杠的上段絲與上板內(nèi)螺紋相配合，豎絲杠的下段絲與下板內(nèi)螺紋相配合；每個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)設(shè)置有由手輪、齒輪和橫絲杠組成的傳動(dòng)裝置，用于通過(guò)所述豎絲杠帶動(dòng)上板和下板的移動(dòng)；所述控制電路包括依次連接的傳感器、反饋控制電路、穩(wěn)幅電路、激振器電源和激振器，反饋控制電路與激振器電源之間連接有起振電路；所述傳感器設(shè)置在所述中板上，用于檢測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)；所述激振器為多個(gè)，分別設(shè)置在每個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)的上板和下板上，用于產(chǎn)生與新的固有頻率相適應(yīng)的同步同相的激振力，使振動(dòng)系統(tǒng)工作在共振區(qū)內(nèi)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果(一)采用既簡(jiǎn)單又靈敏的方法使彈簧疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)始終工作在共振區(qū)內(nèi)。(二)本發(fā)明的構(gòu)思新穎、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作中沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)，無(wú)機(jī)械磨損，可靠性高，壽命長(zhǎng)，噪聲低，運(yùn)行中振幅穩(wěn)定，維修方便，造價(jià)低。


圖1是本發(fā)明自適應(yīng)共軛共振式彈簧疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是自適應(yīng)共振控制系統(tǒng)的原理圖；圖3是共軛機(jī)的原理圖；圖4是雙質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)系統(tǒng)圖

1是主軸 2是橫絲杠3是齒輪4是豎絲杠5是上板6是傳感器7是中板 8是彈簧9是下板 10手輪具體實(shí)施方式
以下結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)說(shuō)明。
如圖1所示，本發(fā)明的本發(fā)明的自適應(yīng)共軛共振式彈簧疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，包括振動(dòng)系統(tǒng)和控制電路。振動(dòng)系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)力封閉系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)力封閉系統(tǒng)由質(zhì)量、剛度和彈簧位置完全相同的2個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)組成，即圖1中所示的子系統(tǒng)一和子系統(tǒng)二，2個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)對(duì)置地設(shè)置在一個(gè)剛性支架內(nèi)。子系統(tǒng)一包括上下設(shè)置的上板5、中板7和下板9，和對(duì)稱設(shè)置在上板5與中板7之間和中板7與下板9之間的多個(gè)彈簧8。上板5設(shè)置有內(nèi)螺紋通孔，中板7的相同位置上設(shè)置有通孔，下板9的相同位置上設(shè)置有內(nèi)螺紋通孔。上板5的內(nèi)螺紋與下板9的內(nèi)螺紋的螺旋方向相反，上板內(nèi)螺紋通孔、中板通孔和下板內(nèi)螺紋通孔內(nèi)連接有一豎絲杠4，豎絲杠4的上段絲與上板內(nèi)螺紋相配合，豎絲杠4的下段絲與下板內(nèi)螺紋相配合。傳動(dòng)裝置由手輪10、齒輪3、橫絲杠2和主軸1組成的傳動(dòng)裝置，用于通過(guò)豎絲杠4帶動(dòng)上板和下板的移動(dòng)，調(diào)節(jié)上板5與中板7之間的距離和中板7與下板9之間的距離，用以裝卸彈簧8。子系統(tǒng)二與子系統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)相同，這里不再重復(fù)。
控制電路參見(jiàn)圖2，它包括依次連接的傳感器、反饋控制電路、穩(wěn)幅電路、激振器電源和激振器，反饋控制電路與激振器電源之間連接有起振電路。傳感器6設(shè)置在所述中板7上，用于檢測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)。激振器為多個(gè)，分別設(shè)置在每個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)的上板和下板上，用于產(chǎn)生與新的固有頻率相適應(yīng)的同步同相的激振力，使振動(dòng)系統(tǒng)工作在共振區(qū)內(nèi)。
自適應(yīng)共振方法是利用振動(dòng)系統(tǒng)的固有頻率反饋控制激振力，使振動(dòng)系統(tǒng)始終穩(wěn)定地工作于共振狀態(tài)的一種方法。其工作原理見(jiàn)圖2。
由震動(dòng)學(xué)可知機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率；f=12πKm]]>K-振動(dòng)系統(tǒng)彈簧剛度m-振動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量由圖2可知，當(dāng)激振器給出與振動(dòng)系統(tǒng)固有頻率相同的激振力時(shí)，振動(dòng)質(zhì)量被激振進(jìn)入共振狀態(tài)，使彈簧在足夠的振幅及振動(dòng)次數(shù)下工作，彈簧經(jīng)受疲勞試驗(yàn)。
在工作過(guò)程中，當(dāng)彈簧的剛度下降或斷裂時(shí)，由公式(1)可知，當(dāng)剛度K下降時(shí)共振頻率f將下降，自適應(yīng)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感器檢測(cè)到的振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)，經(jīng)電路處理后輸入激振器電源，激振器產(chǎn)生與新的固有頻率相適應(yīng)的同步同相的激振力，使振動(dòng)系統(tǒng)又在新的共振區(qū)內(nèi)工作。
圖2是一種單一的振動(dòng)系統(tǒng)，它傳出很大的振動(dòng)力，所以使得整機(jī)剛度設(shè)計(jì)受到限制，振動(dòng)力計(jì)算方法如下設(shè)實(shí)驗(yàn)機(jī)工作頻率f＝29.2Hz，雙振幅2A＝10mm，振動(dòng)質(zhì)量m＝38kg振動(dòng)加速度a＝Aω2＝A(2πf)2(2)振動(dòng)力F＝ma (3)計(jì)算結(jié)果振動(dòng)力為6.4kN。根據(jù)牛頓定律，彈簧實(shí)驗(yàn)機(jī)振動(dòng)力的反作用力將全部由地基承擔(dān)。如此大的振動(dòng)力對(duì)周圍環(huán)境及附近的儀器、設(shè)備造成嚴(yán)重的影響。
為了解決振動(dòng)力外傳，提高能量利用，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)動(dòng)態(tài)力封閉系統(tǒng)，用兩個(gè)質(zhì)量、剛度和彈簧位置完全相同的振動(dòng)子系統(tǒng)對(duì)置地安裝在一個(gè)剛性支架內(nèi)，即共軛地安裝在一起見(jiàn)圖3。
上面子系統(tǒng)1的振動(dòng)力通過(guò)機(jī)體傳到下面的子系統(tǒng)2，從而引起子系統(tǒng)2共振，振動(dòng)的方向與子系統(tǒng)1相反，振幅、頻率相同。這正象力學(xué)中的雙質(zhì)點(diǎn)系統(tǒng)m1和m2通過(guò)彈簧聯(lián)接，對(duì)m1激振后m2必然產(chǎn)生大小相等、方向相反的振動(dòng)，見(jiàn)圖4。
在彈簧實(shí)驗(yàn)機(jī)中對(duì)子系統(tǒng)1激振后，該系統(tǒng)在共振區(qū)內(nèi)工作，與其共軛的子系統(tǒng)2也必須在同一共振區(qū)內(nèi)工作，振動(dòng)力相互平衡，消除了振動(dòng)力外傳，而且將傳入地基的、呈破壞作用的能量有效大地利用起來(lái)，這種共軛共振式彈簧疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)不需要地基即可以正常工作。
主要性能參數(shù)的確定裝機(jī)容量的確定由于振動(dòng)力在機(jī)器內(nèi)部抵消，裝機(jī)容量可以大幅度提高。為了適應(yīng)彈簧成品疲勞性能的檢測(cè)，發(fā)動(dòng)機(jī)上常用的氣門彈簧剛度一般在10～40N/mm之間。為了能裝100～200支彈簧，又考慮激振器電磁鐵的功率，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)機(jī)最大彈簧裝機(jī)剛度為6×106N/m。
驅(qū)動(dòng)功率的確定在滿足驅(qū)動(dòng)最大彈簧裝機(jī)剛度振動(dòng)的功率；為了多裝簧，盡量少占中板位置，經(jīng)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，激振器功率確定為0.5kW。如控制系統(tǒng)原理圖1所示，考慮到單層激振失真小，易于平衡，優(yōu)選單層激振，當(dāng)驅(qū)動(dòng)功率不足時(shí)可采用雙層激振。
中板尺寸的確定在保證中板振動(dòng)中不變形，滿足裝簧個(gè)數(shù)的面積要求，同時(shí)質(zhì)量符合工作頻率段的剛度要求。由公式1確定振動(dòng)質(zhì)量。該機(jī)的設(shè)計(jì)工作頻率在18～45Hz，設(shè)計(jì)剛度6×106N/m故中板質(zhì)量設(shè)定38kg，中板質(zhì)量確定中板尺寸也確定。
與國(guó)外同類實(shí)驗(yàn)機(jī)性能比較該機(jī)的性能與代表國(guó)際水平的德國(guó)Reicherter公司生產(chǎn)的DV8-SZ型彈簧疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)的性能比較見(jiàn)表1。
表1 共軛彈簧疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)和操作結(jié)構(gòu)與功能共軛共振彈簧疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)示于圖5，該機(jī)控制系統(tǒng)功能完善，能提供與自振頻率一致的激振力，能掃頻起振，具有調(diào)幅、穩(wěn)幅等功能，還配備有四位數(shù)字頻率顯示、八位數(shù)字工作次數(shù)顯示、預(yù)置工作次數(shù)停機(jī)、斷簧報(bào)警保護(hù)、靈敏度調(diào)節(jié)和振幅指示等功能，構(gòu)成一套完整的彈簧疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)自適應(yīng)控制系統(tǒng)。
裝彈簧的操作方法先轉(zhuǎn)動(dòng)手輪9，通過(guò)主軸1和齒輪2使絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，上下板4、7相背移動(dòng)，中板不動(dòng)，將試驗(yàn)彈簧裝在中板和下板的上面。再轉(zhuǎn)動(dòng)手輪9，使上下板4、7相向移動(dòng)，壓縮彈簧至工作位置。下箱(子系統(tǒng)2)用同樣方法裝簧。
起動(dòng)機(jī)器的操作方法開(kāi)啟電源，調(diào)整激振器頻率，使激振器頻率接近裝簧后實(shí)驗(yàn)機(jī)的固有頻率。中板開(kāi)始振動(dòng)(固有頻率由公式(1)計(jì)算)。
調(diào)整振幅的操作方法調(diào)整激振器電壓，中板振幅變化，電壓升高振幅增大，，電壓降低振幅減小。根據(jù)彈簧實(shí)際工作情況調(diào)整振幅。
本發(fā)明的自適應(yīng)共軛共振彈簧疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)思新穎、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作中沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)，無(wú)機(jī)械磨損，可靠性高，壽命長(zhǎng)，噪聲低，運(yùn)行中振幅穩(wěn)定，維修方便，造價(jià)低。它是當(dāng)前生產(chǎn)中大批量彈簧篩選試驗(yàn)的關(guān)鍵設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種自適應(yīng)共軛共振式彈簧疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，包括振動(dòng)系統(tǒng)和控制電路，其特征是，所述振動(dòng)系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)力封閉系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)力封閉系統(tǒng)由質(zhì)量、剛度和彈簧位置完全相同的2個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)組成，2個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)對(duì)置地設(shè)置在一個(gè)剛性支架內(nèi)；每個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)包括上下設(shè)置的上板、中板和下板，和對(duì)稱設(shè)置在上板與中板之間和中板與下板之間的多個(gè)彈簧，上板設(shè)置有內(nèi)螺紋通孔，中板的相同位置上設(shè)置有通孔，下板的相同位置上設(shè)置有內(nèi)螺紋通孔，上板的內(nèi)螺紋與下板的內(nèi)螺紋的螺旋方向相反，上板內(nèi)螺紋通孔、中板通孔和下板內(nèi)螺紋通孔內(nèi)連接有一豎絲杠，豎絲杠的上段絲與上板內(nèi)螺紋相配合，豎絲杠的下段絲與下板內(nèi)螺紋相配合；每個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)設(shè)置有由手輪、齒輪和橫絲杠組成的傳動(dòng)裝置，用于通過(guò)所述豎絲杠帶動(dòng)上板和下板的移動(dòng)；所述控制電路包括依次連接的傳感器、反饋控制電路、穩(wěn)幅電路、激振器電源和激振器，反饋控制電路與激振器電源之間連接有起振電路；所述傳感器設(shè)置在所述中板上，用于檢測(cè)振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)信號(hào)；所述激振器為多個(gè)，分別設(shè)置在每個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)的上板和下板上，用于產(chǎn)生與新的固有頻率相適應(yīng)的同步同相的激振力，使振動(dòng)系統(tǒng)工作在共振區(qū)內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種自適應(yīng)共軛共振式彈簧疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)，包括振動(dòng)系統(tǒng)和控制電路。振動(dòng)系統(tǒng)為動(dòng)態(tài)力封閉系統(tǒng)，動(dòng)態(tài)力封閉系統(tǒng)由質(zhì)量、剛度和彈簧位置完全相同的2個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)組成，2個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)對(duì)置地設(shè)置在一個(gè)剛性支架內(nèi)。每個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)包括上下設(shè)置的上板、中板、下板和豎絲杠，對(duì)稱設(shè)置在上板與中板之間和中板與下板之間的多個(gè)彈簧。每個(gè)振動(dòng)子系統(tǒng)設(shè)置有由手輪、齒輪和橫絲杠組成的傳動(dòng)裝置，用于通過(guò)所述豎絲杠帶動(dòng)上板和下板的移動(dòng)?？刂齐娐钒ㄒ来芜B接的傳感器、反饋控制電路、穩(wěn)幅電路、激振器電源和激振器，反饋控制電路與激振器電源之間連接有起振電路。本發(fā)明采用既簡(jiǎn)單又靈敏的方法使彈簧疲勞實(shí)驗(yàn)機(jī)始終工作在共振區(qū)內(nèi)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作中沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)，無(wú)機(jī)械磨損，可靠性高。
文檔編號(hào)G01M13/00GK1719226SQ200510014450
公開(kāi)日2006年1月11日 申請(qǐng)日期2005年7月8日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者唐琦, 張寶歡, 史春濤, 秦德, 夏淑敏, 張寶如 申請(qǐng)人:天津大學(xué)