（机械电子工程专业论文）旋转弯曲疲劳试验机的系统研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文旋转弯曲疲劳试验机的系统研究是本 人在指导教师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。除文中己经注明引用的内 容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经技表或撰写过的作品成果c 对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 作者签名垃垒鲨_ 年l 月三互日 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定一同意长春理工大学保留并向中国科学信息研宄所、中国优秀博硕士学位论支全 文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电 子版允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工夫学町l l 将本学位论文的全部或部 分内容编八有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和儿编 学位论文。 作者签名 指导导师整名 啪伟 挺 业年三一月互l e 1 兰型l p 一月2 l l 摘要 针对目前我国液压导管旋转弯曲疲劳试验机加载标定手段落后、试验效率、自动 化、智能化水平较低、无法实现过程监拉等情况，本文研宄并设计了新型旋转弯曲疲 劳试验系统。 文中分析j 。飞机液压导管及其连接件的实际工况对其受到的弯曲力矩进行建模 分析，使用应力分析法研究其疲劳问题，对比传统的旋转弯曲疲劳试验机的试验原理， 调研国内外试验机技术的发展现状结合h b 6 4 4 2 - 9 0 中描述的液压导管弯曲试验的基 本方法提出了新旋转弯曲疲劳试验系统的整体方案。 该方案中试件的力矩加载采用偏移加载、应变标定的方式。设计了偏移加载装 置和自动定心结构以及应变实时测量模块米解决传统旋转弯曲疲劳试验机无法对 加载力进行在线标定的问题。电机控制采用闭环伺服控制技术实现多路电机的无级 调速。上位机基于l a b v i e w 编写人机对话宙叭实现初状态的静态和动态标定设置 试验次数、试验转速、监控试验过程、故障判断、自动停机、数据自动保存、处理等 功能。使用a n s y s 应力分析软件对试件的应力、应变分布进行仿真得到了仿真云图 及分布曲线= 关键词：旋转弯曲疲劳试验测控系统人机对话状态标定 a b s t r a c t t h ec h i c h is i t u a t i o no th y d r a u l i ct u b er o l a l i n gb e n d i n gf a t i g u em a c h i n e u s e di n o u rc o n l na r eo u l d a l e dl o a d i n gc a l i b r a t i o nm e t h o d 1 0 w e rt e s te t f i c i e n c x a u t o m a t i ca n d i n t e l l i g e n ll e v e la n du n a b l et or e a l i z ep r o c e s sc o n t r o lt os o l v et h ep r o b l e m s an e d , 5 ) s t e mo f r o t a t i n gb e n d i n gf a t i g u et e s li ss t u d i e da n dd e s i g n e di nt h i sp a p e r t h i sp a p e ra n a l 3 z e s t h ea c t u a l w o r k i n gc o n d i t i o no f t h ea i r c r a f th j d r a u l i c t u b ea n d f i l l i n g s e s t a b l i s h e sm e c h a n i c a lm o d e la n da n a l z e st h eb e n d i n gm o m e n to nt h et u b e u s e s s t r e s sa n a l 3s i sm e t h o dt os t u d 3t h ef a t i g u ep r o b l e m so ni tc o n l r a s t sc l a s s i cb e n d i n gf a l i g u e t e s te n g i n e r 5o f r o t a t i n g t e s lp r i n c i p l e r e s e a r c h e s t h ed e xe l o p m e n ls i t u a t i o no f d o m e s t i ca n d l b r e i g nt e s t e rt e c h n o i o0 、c o m b e st h eb a s i cm e t h o do f h v d r a u l i ct u b eb e n d i n gl e s td e s c r i b e d i n t h e l i b 6 4 4 2 9 0p u t s t b r w a r d t h e w h o l es c h e m eo lan e wr o t a t i n gb e n d i n g f a t i g u e t e s t s 、s l e m i nt h i sp l a n t h r o u g ht h eu a 3o f o f l _ s e tl o a d i n gt h e nc a l i b r a t es t r a i nt ol o a db e n d i n g m o m e ml b rs p e c i m e nt h eo t l _ s e tl o a d i n gd e v i c e sa n d s e l f _ c e n t e r i n gs l r u c l u r e sa n dt h es t r a i n r e a l t i m em e a s u r e m e n tm o d u l e si sd e s i g n e dt os o l v et h ep r o b l e mo iu n a b l et ol o a d c a i i b r a t i o no nt h et r a d i t i o n a lr o t a t i n gb e n d i n gf a l i g u et e s t e r c l o s e ds e r 、oc o n t r o lt e c h n o l o d i sa d o p t e dt or e a l i z em u l t i p l em o l o rs t e p l e s ss p e e d r e g u l a t i o n b a s e do ni _ a b 、l e u t h e m a n m a c h i n ed i a l o g u eu i n d o ui s m a d eo n t h ep ct or e a l i z e t h ee a r l 3s t a l l 2o fs t a t i ca n d d y n a m i cc a l i b r a t i o n s e tt h et e s t i n gt i m e t e s ts p e e dm o n i t o rt e s tp r o c e s sa n di u d g ef a u l t a u t o m a t i cs t o pa u t o m a t i c a l l p r e s e r v ea n dp r o c e s sd a t aa n ds oo nu s i n g a n s y ss t r e s s a n a l s i ss o f l u a r et os i m u l a t ea c t u a ls t r e s sa n ds t r a i nd i s l r i b u t i o no f l e s lp i e c e s a n dt h e n c l o u dp i c t u r ea n dd i s t r i b u t i o nc u r 、ei so b t a i n e d k e s o r d s ：r o t a t i n gb e n d i n gf a t i g u et e s t m e a s u r m e n ta n dc o n t r o l8 ，s t e m m a n - m a c h i n ed i a l o g u es h l ec a l i b r a t i o n 摘要 a b s t r a c t 目录 第一章绪论 1 1 课题的研宄背景 目录 癌劳与疲劳试验 i ：液压导管疲劳的基本问题 2 i3 液压导营弯曲疲劳试验方法 2 2 国内外疲劳试验机的发展背景及技术现状 5 3 课题的来源及研究意义 7 i3 i 课题的桌源 7 i32谋题的研宄意义8 4课题研究的主要内容8 第二章旋转弯曲疲劳试验系统总体方案9 1 l 系统万寨的提出9 11 单试件机械试验台的基本结构1 1 23 测控系统方案设计一 2 4 系统的软件方案及试验流程 2 5 本章小结 第三章旋转弯曲疲劳试验机测控系统设计 31 电机伺月k 控制模块 3 1 i 伺服系统概述 3 i2 交流间服电机 1 4 15 1 6 17 i7 1 8 2 0 3 13 伺服驱动单元 2 314m a c 3 0 0 2 5 s p 4 蛮现伺服控制 3 2f ! 王变采集模块 3 2 a v r a t m e g a l 6 慨进 ：7 3 22 电测量技术 3 23 应娈片测量原理 3 24 动卷应蹙信号处理 2 8 2 9 3 0 3 25 宵源滤波电路设计 3 ： 3 26 四路a i d 转于典硬件电路设计 3 3u s b 通信模块 3 4 3 7 3 32 u s b 通信硬件电路设3 7 3 33u s b 通信的单片机软件实现3 9 3 34u s b 通信的上位机软件实现 34 本章小结 4 0 4 2 第四章旋转弯曲疲劳试验系统软件实现。 4il a b v i e 、概述，互也并 4 3 4 3 4 l1l a b v i e 慨述 4 3 4 l2l a b v i e u 与u s b 酒f ； 4 l3l a b v i e nm l 线捌台 41 旋转弯曲疲劳试验系统人机界面4 5 43 初始状态标定4 6 44 试验运行管理4 8 4 5 试验数据打印5 0 46 车章小结 5 1 第五章 应力疲劳分析法及液压导管的力学仿真5 2 5 】应力疲劳丹析法 5 二 5 1 l 应力疲劳试验5 二 5 i2s - n 曲线拟台 5 i3 小予样升降法 5 2 液压导管的力学建模仿真 5 2 1a n s y s 软件概述 5 22 液压导管力学模型 5 23 液压导管加裁仿真分析 5 3 本章小结 结论 致谢 参考文献 附录 5 6 5 7 6 3 6 4 6 5 6 6 6 8 第一童绪论 11 课题的研究背景 1 1 l 疲劳与疲劳试验 疲劳是机械零件失效的主要原因之一现实生活中大部分材料、零部件的破坏失 效部属于疲劳破坏。具统计失效的机器零件中大约有5 0 9 0 为疲劳破坏，疲劳破 坏前没有明显的变形，经常造成重大事故，因此各国非常重视对疲劳问题的研究。 疲劳破坏是交变应力反复作用而产生的结果。交变应力是应力的大小和方向或者 大小方向同时随时间做周期性变化的应力有的呈现规律性或者呈现随机性。交变 载荷是机械构件工作刚承受的典型载荷如传动轴、手刹车、飞机螺旋桨、轴承、液 压导管等等。 随着科学技术的发展，材料强度理论及疲劳试验手段有了很大程度的提高。各种 疲劳试验机应运而生；针对引起疲劳破坏的主要因素，将疲劳试验分为多种形式，下 面列举一些基本疲劳试验的分类方法： i ) 根据试验环境的不同可分为：室温疲劳试验、低温疲劳试验、高温疲劳试验、 热疲劳试验、腐蚀疲劳试验、接触疲劳试验、微动磨损疲劳试验等： 2 ) 根据试件断裂时静态应力循环周期次数的高低可分为：低阁疲劳试验、高周疲 劳试验。其中失效( 断裂) 循环周期次数大于5 x i 一则称为高周疲劳试验小 于5 x 1 0 4 的则为低周疲劳试验： 3 1 根据试件的加载方式不同可分为：单自由度拉压疲劳试验、弯曲疲劳试验、 空f 训扭转疲劳试验、复合( 拉一压一扭) 应力疲劳试验：其中根据交变载荷的产 生方式不同弯曲疲劳试验叉可分为圆弯曲疲劳试验、平面弯曲疲劳试验、旋 转弯曲疲劳试验：根据弯矩加载方式不同叉可分为两点、三点、四点弯曲的简 支粱弯曲疲劳试验、悬臂弯曲疲劳试验： 4 按循环应力的类型可分为：等幅疲劳试验、动态变频疲劳试验、程序控制疲劳 试验、随机疲劳试验等： 5 )按应力比可分为：对称疲劳试验，非对称疲劳试验。非对称疲劳试验叉可以 丹为单向、双同加载疲劳试验。单向加载疲劳试验叉可以舒为脉动加载疲劳试 验、波动加载疲劳试验： 6 ) 根据试验目的不同可分为：性能测试疲劳试验、影响系数测试疲劳试验、对比 疲劳试验、筛选疲劳试验、验证疲劳试验等； 7 ) 按试件有无预制裂纹可分为：常规疲劳试验、疲劳裂纹扩展试验。 通过疲劳试验得到材料或构件的疲劳极限，即试件进行无限次( 一般金属取1 0 7 ) 交变载荷作用而不发生破坏所受到的最大应力称为疲劳强睦或疲劳极限。该数据将 作为机械零部件船安全性和可靠性的重要依据对安全生产、节约资金、降低危险系 数、合理利用资源起到了保障作用与国家经济、国防建设、科学研究、人民生活有 着密切的联系。 112 液压导管疲劳的基本问题 液压系统作为飞机的组成部分之一，在飞机起落架收放、传动系供压中起着至关 重要的作用。萁工作性能的稳定性和安全性对飞机的安全具有直接影啊。液压导管是 液压系的重要组成部分，主要用于连接液压系统中各个组成元部件及装置咀完成能量 的传递。当液压导管因疲劳或磨损出现破裂时将导致液压系统的液压油外漏，使其 传动压力迅速降低并停止工作。在飞机执行飞行任务时如果液压导管破裂，将使液 压系统在短时间内迅速失效直接危及到飞机及乘客的生命安全。 近年来对于飞机液压导营的强度理论、试验方法以及液压管路的疲劳寿命问题 受到了世界各国的极大关注。对发生破裂失效的液压导管进行分析，结果显示弯曲和 液压拉伸复台交变载荷引起的应力疲劳是其破裂失效的主要原因。因此对液压导管工 作强度和可靠性的研究归结为对其疲劳极限的研宄。 对b 机液压导管进行受力分析可知其工作状态下的受力主要有弯曲振动和径向 振动t 导管f i n n 曲振动即导管反复受到弯曲应力的作用。渡振动是由飞机振动产生的 且不同结构处的振动频率和振幅4 , i n 使结台处产生较强的振动情况。此外，导管内 的液压脉动也会对导管弯曲处产生冲击，引起弯曲振动，当压力变化频率与导管的固 有频率达到一致时会引起强烈的弯曲振动，容易使导管产生疲劳裂纹。径向振动 即导管内部液压油压力产生的沿径向方向的变形，当压力不稳定或成周期性变化时 导管将产生径问振动。在曲率较大的部位会产生应力集中多次振动后容易产生疲 劳断裂此外还有弯曲不良、运动磨损等等因素川。 综上所述影啊飞机液压导管疲劳的因素比较复杂，但基本可以归结为交变载荷 作用下的疲劳问题来处理。因此用于液压导管疲劳测试的试验系统孕育而生。 ll 3 液压导管弯曲疲劳试验方法 目前液压导昔弯曲疲劳试验一般按如下三种方法进行i “，分别为悬臂梁弯曲试验 洼简支粱弯曲试验法旋转弯曲疲劳试验法。前两种试骑方法属于平面弯曲试验， 第三种属于空间弯曲试验。 平面悬许粱弯曲酏验方i a n 圈ll 所示，包括一个频率调节范围至少2 5 1 4 0 h z z 问的振动台一个安装41 、以上试件的歧管装置一套可以保持静态工作压力的液压 系统该系统可以单独给备试件提供工作压力。 将跌件对称安装到歧管两恻歧管刚性地固定在振动台上，用一组软管组件将歧 管和液压源相连，试验在试验台共振状态附近进行。 ；口 圉1l 平面悬臂梁弯曲试验方法 计算试件长度的方法： p + ! ! 塑! ：! ：型 ：l ( 3 z 一8 ) ( 卅+ m 1 ) 6 4 ( 3 a 一8 ) ( m + m 1 ) 其中，l 为悬臂粱试件的计算长度m ：，为试件的- - n 谐振频率h 2 ：m 为试件自 由端的集中质量k 甚：m 为导管单位长旺质量k g m ：m ，为导管内单位长度的液压油 的质量k g m ：e 为导管材料弹性模量，p a ：j 为导管剖面惯性矩，m 。 试验中弯曲应力的标定通过静态加载动态测量的方式来实现。谚方式是将试件 按要求安装到试验机上加静态载荷力f ，通过应变片应变仪、示被器等组成的应变 测量单元观察弯曲应力s 达到理论要求值。然后在液压端通入规定的系统压力p 在液压作用下产生轴向拉力此时通过应变测量单元显示出组台应力s ，静态标 定完成。 最后除去静态加载力f ，启动振动台调整振动幅值直到测试单元上显示出先 前确定的组台应力值为止。通过调整振动台的振动频率实现对交变应力加载次数的设 置。 平面简支粱弯曲试验方法如图】2 所示该试验机包舍个试件夹具，用于将试件 固定在振动台上。一个提供试验恒定压力p 的恒压源。一个工作频率可调至少 2 5 一1 4 0 h z 之问的振动台。中央处有一个陌力f 施加装置。工作设定在试验机共振的频 率附近进，亍。在试件的一例使用电阻应变片来测量试件的组合应力实现加载标定测 量。 试件长睦计算公式 图l2 平面简支粱弯曲试验方法 一+ 二生，；： ! 型 月7 + 4 ( m + ) ，l 其中：l 为简支粱试件的计算长度m ：为试件的一阶谐振频率，h z ：m 为试件中 部的集中质量，k g ：矾为导管单位长度质量，k g m ：e 为导管材料的弹性模量p a ： j 为导管剖面惯性矩1 14 。 组合应力的标定方法与悬臂梁的标定方法基本相同，不再赘述。 旋转弯曲疲劳试验方法如图13 所示该试验机由一台转速电机，一个叵压源一 个调节偏心挠曲的加载装置构成。将试件的一侧固定在尾座上试验时通入工作压力p 另一侧通过接头、挠曲加载机构与头座连接。在试件的应力集处通过电阻应变片来测 量试件受到的组台应力从而实现加载标定等功能。 罔l3 旋转弯曲癍劳试验方法 其试件长度计算公式： = 3 5 n 磋s 3 ) 式中：l 为旋转弯曲试件长度m m ：d 为管外径m m ：s 为导管的巧曲应力p a ：e c 为导管材料弹性摸量，p a ：x 为试件偏移量m m 12 国内外疲劳试验机的发展背景及技术现状 1 、疲劳试验机的发展背景 自从世界上第一台疲劳试验机诞生以来，通过试验的方法来测定材料或构件的疲 劳特性己成为疲劳界永恒的话题。各种材料、零组件乃至整个产品需要经过疲劳试验 来确定其疲劳性能参数为使用过程中的安全问题提供保障。各种试验测试设备和系 统不断出现在社会的各行各业中得到了广泛应用。随着科学技术的进步试验手段 不断拓展试验自动化程度不断提高，试验系统的性能不断完善疲劳寿命预测理论 以及抗疲劳技术1 3 趋成熟人们为解决疲劳问题进行着不懈的努力。 使用疲劳试验机对产品的性能进行测试是产品实际使用寿命、安全性能的可靠 保障。其发达程度反映了一个国家的工业化发展水平。弯曲疲劳试验机作为测试材料 或产品机械性能的重要设备，其有悠久的历史。随着科学技术的发展大规模集成电 路、电液伺服技术广泛用于疲劳试验机的开发过程中，电液伺服动态疲劳试验机，在 此背景下孕育而生并迅速推广。这种试验机能够进行动态的高周、低周疲劳试验、程 序控制疲劳试验同时可咀进行静忘的恒速率、恒应变、恒应力下的各种常规的力学 性能试验能够进行部分振动和冲击试验、断裂力学试验也司以进行材料或构件的 疲劳寿命、裂纹扩展、断裂韧性性能测试、实际试件的安全性评价、工况模拟等。因 此有着巨大的性能优势，在目前国际疲劳界中倍受欢迎卜i i 。 ! 、国内外疲劳试验机的发展现状 国外试验机对电液伺服技术的应用很早，从十九世纪五十年代开始先后生产了 各种电液伺服系统的试验机如美国m t s ( 注：m t s 最先通过与m o o g 公司的台作 将电液伺服阀应用于材料测试系统树立丁其在动态测试领域的领导地位j 、德国 s e h e n c h 、瑞士a m s l e r 、英国i n s t r o n 咀及日本岛津公司都先后成功地研制处各种电液 伺服试验机； 圈i4a m s l e r m t s 曲轴弯扭城劳试验机 目前美国的m t s 公司的产品占有国内汽车和航空领域中仿真模拟试验设备的 8 0 。并且参与制定美国的材料试验标准，在试验机领域拥有最权威的技术，如图14 为a m s l e r m t s 曲轴弯扭疲劳试验机。 瑞士r u m u l 是制造高频疲劳试验机的专业制造商。共振测试机如图15 所示， 通过静志负载、标本、结构、动态装载叠加而产生共振。动态装载是由共振系统( 谐 振器泊固有频率产生共振而加载的，振动系统包括机器结构质量、弹簧以及被测的 试件部分谐振器是电磁体系统激发共振的重要装置，且共振电力消费非常低。 罔i5 瑞士r u m u 高频癌劳试验机国i6l n s t r o n 电 酲伺服试骀系统 英国l n s t r o n 公司生产的8 8 0 l 系列电液伺服试验系统如图】6 所示用于较大载 荷疲劳和静态测试，提供更大的测试空问、更高的作动器动作极大地满足了用户个 性化的需求。可用于生物医药、先进材料和生产部件等的测试。 国内对试验机的研宄起步较晚2 0 世纪7 0 年代初才开始研制静态和动志试验机； 在国家支持下长春试验机研宄所、长春试验机厂、红山试验机厂和济南试验机厂等 先后成功地开发出电液伺服疲劳试验机；至此，静态、动态试验机在国内发展起来。 通过这段时间的成功实践历练出一批试验机技术人员，刨建了我国电液伺服技术发 展的平台奠定，国内在该技术领域的基础。四十年来国内电液伺服试验机的开发 取得了巨大进步计算机技术、电液伺服技术、高精度测量技术广泛应用到疲劳试验 机领域其中研制成功的某些产品工况动态试验| 殳各及j 崖劳分析仪器不断填补着国 内试验机拿觅域的空白。但与国外试验机同行相比，特别是在高技术试验应用领域距 离国外发达国家的技术水平还有着很大差距”。 目前，我国生产疲劳试验机的厂家很多，其中长春试验机研宄所在于2 0 0 6 年开发 的全数字 g p l g 0 0 d 型高翱癌劳试验机a i g p s 系列高频疲劳试验机。其数字化微机 控制高频疲劳试验目l 的技术指标和性能在国内属领先水平摹本选到丁当代国外例娄 属一一 产品先进水平 且 麈【砖垦 猷 图i7g p s 系列高频疲劳试验机 它抛掉了传统的控制箱，由一台通用微机控制利用c p l d 大规模可编程器件 通过p c i 总线接u ，实现了高度的机电一体化。该试验机采用了全数字伺服控制技术、 p w m 控制技术、计算 j l p c i 总线接口技术、i g b t 大功率驱动技术、虚拟砸1 板技术及 w i n d o w s 环境下窭时控制技术等。它不仅具有数字化的优势更重要的是极夫地提高了 设备的性价比、工作稳定性及可靠性。尤其是i g b t 技术的应用，使开关功率放大器的 薄弱环节得到解决，驱动功率加大、可靠性加强队 国内旋转弯曲疲劳试验机的发展比较缓慢传统的旋转弯曲疲劳试验机仍然广泛 应用。该试验机自动化程度不高，无法实现载荷在线标定，过程监控等功能。 13 课题的来源及研究意义 l3 l 课题的来源 本研究课题模拟e 机液压导管及其连接件的实际工况，测试管件或材料在承受复 合交变应力作用下的疲劳强度。该试验机要满足以下要求： 1 ) 液压管路压力倮持3 5 m p a 恒定试件破损或试验压力波动范围超过2 h , j 口 动报警和停车： ! l 试件数带：可同时进行同规格4 个试件的疲劳试验： 3 1 试验机试件安装的静态跳动量不超过0 0 3 r a m 动态径向跳动量不超过 00 6 m m ： 4 ) 试验转速：1 5 0 0 r m i n - 3 6 0 0 r m i n 之间无极调速： 5 ) 试验长度范围1 3 0 m m 一4 0 0 m m ：外径k 寸范围：5 m m - 4 0 m m ； 6 ) 虚| 殳育应变片、接线血应变仪、a k d 转换等数据采集系统实时测量数据： 7 ) 制作i 上算机系统界面，实现试验参数设置、试验：尢数实时显示试验数措存储、 打印等， l32 课题的研究意义 本课题建立在h b6 4 4 2 - 9 0 飞机液压导管及连接件弯曲疲劳试验及g b 4 3 3 7 - $ 4 金属旋转弯曲疲劳试验方法的基础上i l 分析交变弯曲应力和液压拉伸作用下 e 机液压系统中液压导管承受交变复台应力的状态。根据旋转弯曲疲劳试验原理，模 拟该交变负荷的加载过程提出了新的旋转弯曲疲劳试验系统。 该系统自动化程度较高，采用l 下位机协同控制方式，下位机引入伺服控制技术， 实现了电机的闭环控制。假设调速电机的转速设置为1 5 0 0 r m i n 取预定疲劳试验基数 为l o 次则单次试验循环时间4 天零6 小时，耗时耗力。本系统中4 个同规格试件可 以成组、同时进行，大夫缩短了疲劳试验时间提高了试验效率。试验机模拟液压导 管的实际工况，对试件进行静态加载，通过应变采集电路，初状态标定采用静态标定 和动态标定相结合的方式试验过程全程在线监控比较准确地实现r 试件性能的评 估及验证为旋转弯曲疲劳试验机的发展提供了一定的理论依据和现实价值。试验系 统智能性强通过人机对话宙口实现了试验数据的实时测量、显示过程监控数据 自动倮存、处理放障自动停机等功能。 14 课题研究的主要内容 课题主要的研究工作可以概括为以f 几个方面： i 、本文在调研国内外疲劳试验机技术水平的前提下，综台分析现有的弯曲疲劳试 验方法研究分析疲劳问题的基本理论结台传统旋转弯曲疲劳试验的基本原理对 b 机液压导管的实际工况进行分析根据分析结果| 殳计该旋转弯曲疲劳试验交变应 力的循环加载结构建立该疲劳试验机的三维模型为测试飞机液压导管疲劳强度， 开发旋转弯曲疲劳试验系统建立了理论依据： 2 、根据试验要求，选择台理的控制方式和控制参数，| 殳计试验系统的总体方案。 采用伺服控制技术基于电机控制i - - 、电机驱动器、交流伺服电机构建电机伺服控制 系统宴现4 路电机构无缀变速速度反馈实时在线调速等功能： 3 、使辟ja d 7 8 7 4 与a t m e g a l 6 设计应变数据采集和处理电路实现4 路试件应变 的实时测量，基于c h 3 7 5 应用u s b 20 通信接口技术，将应变一应力测量数据发送到 _ 控机中： 4 、基于l a b v i e w 开发l 位机软件界面| 殳计友好的人机交互群面设置试验参 数进行初始状志标定监控试验过程实现测量结果可视化、良观化，试验数据目 动保存、故障判断、自动停 【等功能： 5 、使用a n s y s 应力分析软件对诚件上的应力、应变分布进行仿真分析得到其 仿真云图及分布曲线。为旋转弯曲疲劳试验系统的进一步开发提供参考。 第二章旋转弯曲疲劳试验系统总体方案 2 l 系统方案的提出 理论i - 算和试验是研究材料、构件疲劳性能的有效方法。在零件的设计阶段应 用强度理论进行建模、分析、计算可以大大缩短其设计周期、降低设计成本。由于 飞机液压导管工作环境复杂，受到内压的脉动冲击、振动等复台作用且自身属于重 婴零件使用试验的方法验证其疲劳寿命显得尤为重要，旋转弯曲疲劳试验更能直观、 准确地测试其疲劳性能。 1 、传统旋转弯曲疲劳试验机原理及结构 旋转弯曲疲劳试验机是使用时旬最长、积累数据最多、历史最悠九，迄今仍在广 泛应用的疲劳试验发各是建屯在拟轴类工况f 逐步发展起来的典型试验机。 传统的旋转弯曲疲劳试验机结构如图! 】所示。 犁鞲分j m * 2 、# 3 、建m 机4 “轴b5 ，1 f 教g 6 加裁懒7 斟* 忏8 手裁手轮 图2i 驰型旋转弯曲瘫劳试驻机结构图翻22 试验原理图 选取适当尺寸金属棒( 碳钢、特种钢材料) 作为试验样件试件1 与左、右弹簧夹 头相连接整体构成一个旋转粱结构f 简支梁结构) 试验原理如图! 二所示。使用左、 右两对滚动轴承在一对转简2 内形成四点支撑调速电机3 上连有一个计数装置5 ，提供 试验转速、并记录转动次数。试验时调速电机通过联轴器4 带动试件在转筒2 内旋转 通过横粱6 、吊杆7 和硅码构成的弯矩加载装置将加载力作用到转筒二上在试件旋转时 产生一个恒定弯矩。弯矩加载装置不动，旋转梁结构在转筒内转动则在试件的横截 面j 一产生一个交变f 、! 力s 该交变应力属于对称的循环弯曲应力。 试验过程中，i 式什发生疲劳断裂时转筒! 落下触动电机的停车开关，同时计数器 记下循环断裂法数n ，眩斌- 9 斟f t 转速一般在3 0 0 0 】0 0 0 0 r j m i n 。手动卸载手轮用米去除 加载到! 个转简内例的负载力将吊杆一砝码与加载横粱分离。 一。一一 该试验机试验过程自动化水平较低，不能实现多试件同时测试：不能进行试验过 程监控、加载标定、数据实时显示、试验数据的自动测量和保存数据处理等功能： 对试验参数的设置较为繁琐，其负载力的加载主要依靠计算法来完成试验精度不高 无法进行远程试验管理、过程控制等环节智能化程度较低。 在总结传统疲劳试验机设计原理的基础上提出了测量液压导管、金属管疲劳性 能的新型旋转弯曲疲劳试验系统，该系统实现了载荷数字化静态标定、动态标定，试 件表面复合应力、应变的自动测量、实时显示，调速电机的无级变速、动态加减速 失效判断故障处理、试验数据自动保存、数据处理等功能。 2 、新旋转弯曲疲劳试验系统设计方案 从上面的分析可以看出当前国内旋转弯曲疲劳试验机存在的主要问题是其自动 化程度较低，智能化水平较差载荷的标定手段落后，无法实现试验数据在线观测等。 为了实现试验系统的自动化和智能化，在车旋转弯曲疲劳试验系绩中采用e 下位机 协同控制方式、上位机通过人机对话界面对试验过程进行管理、监控、试验应变状态 实时显示、试验故障的逻辑判断试验数据自动保存、数据处理等功能新的试验系 统方案如图23 所示。 一l 6 广l r 鬲兰兰三一 _ - 一卫- - _ ? 瑟面 u 一忍兰二f f i l 亍坠兰u 亡 hk*22 m m m 3 m * 日o4 ，m n 自，m # * 7 h 8t # 帆 q 堑* 理电镕1 0 、* 移n i 戟帆构 图2 3 新的旋转弯曲疲劳试验系统方案 新的旋转弯曲疲劳试验系统可咀同时对4 个试件进行疲劳试验，极大的提高了试 验破率。试验系统由4 个部分组成：试验台f l 3 1 j t 械结构，电机控制模块应变采集模 块【一位机人机对话管理模块。如图2 3 昕示机械部分包括偏移加裁机构、旋转白 定心结构、试验压力供给装置等：测控单元分为电机控制模块和应变采集模块，电机 控制模块主要实现4 路电机的无缀调速、转速反馈、稳定加减速、转动次数控制等功 能：应变采集模块进仟4 路试件的应变检测，a d 转换与上位机实时通信等功能： 上位机人机对话管理模块包括初始状志加载标定、试验转速 件应变实时检测、过程控制、管理、试验数据自动保存、处理 体方案模块如图2 4 所示。 试验次数设置，各试 故障判断等功能。具 h 【m 圈2 4 旋转弯曲疲劳试驻系统万案模块 二2 单试件机械试验台的基本结构 c a t i a 三维造型软件是注国达索( d a s s a n l t ) 公司开发研制的c a d c a m c a e 一体 化软件，在世界c a d c a m c a e 技术领域中处j 1 领先地位。被广泛片j 于航空航天、汽 车、机械制造、电予等行业其f , q 部设计的解决方案覆盖丁产品设计和制造领域的方 方面面”：根据旋转弯曲疲劳试验原理厦本试验系统的机械方案利用c a t i a v 5 r 1 7 三维造型软件建立旋转弯曲疲劳试验机单件试验的实体模型如图25 示。 l 电n2 联轴3 ，过w 艟4 、* 5 、* # 1 j 口辊机构6 、自o 转7 、e 接接文 8 * qr io # 台1 i k 接女1 2 、e 驰古 图：5 旋转弯曲疲劳斌验机单件试验模型图 一。嶝声ln 引l 一 “轧。别_ | 一 嚣_ 1一睦 别一刮一 司引矧盥 一层慷m 一 广。慌 一 圈叫引茧了孰引0 j 一惮恤撤m怕一 试验机工作过程如下将导管组件装入尾座，并拧紧可拆液压接头，使用自定心 转盘中自动定心轴承粗略对中，将转接接头7 拧八头窿端同时将尾座液匪接头1 i 小 心拧紧以防止出现偏心。应变量可以通过试件8 上的应变片进行测量不允许超过2 0 个微应变。此时通过偏移加载机构调整自动定心转盘与头座之间相对偏移量当应 变测量显示的复合应力达到规定的弯曲应力时，锁紧头座上的螺钉。引入规定压力p 根据要求转速启动电机，进行试验。 图2 6 旋转弯曲疲劳试验机单件试验示愈圈 1 、偏移量加载结构 本试验系统使用偏移量加载机构代替传统的静力加载机构通过偏移加载的控制 与旋转电机一起作用于试件，提供其动态交变复合应力，实现弯曲应力的加载过程： 使用该机构进行加载时，转动加载轮同时观察读数盘的数值当达到要求的偏移量 时停止加载并使用螺栓将自动定心转盘紧固到头直上，完成偏移加载。 2 、旋转自定心结构 在与头座连接的自动定心转盘中安装一个低摩擦自动定心轴承当系统径向挠曲 加载完成后为保障整个旋转过程中试件受到的载荷与试件的端而垂直减少轴承连 接处的扭矩，采用自动定心球轴承，使试件的回转中心晕台在主轴的中心线上保障 电机在旋转过程中头座带动试件以主轴为回转中心，以径向偏移x 为丽转半径，绕 轴旋转完成旋转弯矩的循环加载过程而减少摩擦| l “。 如图17 昕示自动调心球轴承有两列球，外轮轨道面呈现球面状。内轮与钢珠可 相对外轮自由倾斜因此轴承可以自动调心某种程度的装配误差( 不对心】或轴心 的橇曲可以自动调整。它特别适用于那些可能产生相当大的轴挠曲或不对中的轴承应 用场台。另外自调心球轴承在所有的滚动轴承中摩捧最低从而在较高转速下也能 操持相对较低的温度。 叫肾f 图27 旋转自定心轴承结构 3 、液压自动切断保护装置 液压恒压系统中，除了传统的液压源供压外在本试验系统中设计了如图2 8 所示 的液压系统保护装置，为恒压环境f 试验系统的安全提供了必要的保障1 2 “。 i ，h f * 2 、，j 3 、十自目4 、k 讴5 6m 行程* * 7 、气# 隅离式蔷能镕8 单向阀 9 ，山1 i1 0 、k 镕氨气 图2 8 自动切断保护装置 如图28 所示液压源( 油源和油泵组成) 通过单向嗍3 、试验液压接头1 给试件 提供3 5 m p a 的恒定试验压力，保障试验在恒压下进行。气体式蓄能器7 、单向阀8 、 压缩氮气1 0 构成气压系统，在液压缸5 内达到压力平衡。在试验过程中，当试件疲劳 断裂或者困故障而引起液压管路中压力降低或者管路堵塞导致压力升高时即液压 的波动范围在2 以上时，液压缸内建立的压力平衡被打破活塞向压力较低的- - n 运动活塞的运动将带动与它连接的微动开关控制液压系统的通断。从而实现液压 的自切断，保障试验在安全、有序的环境下进行。 函蚴 2 3 测控系统方案设计 根据旋转弯曲疲劳试验的性能指标和试验要求，本旋转弯曲疲劳试验系统的测控 单元由电机伺服控制模块与应变检测模块两部分构成其中电机伺服控制模块由工业 计算机、控制器、伺服驱动器、伺服电机、测速传感器组成：应变检测模块由电阻应 变片、应变仅、a d 转换电路、u s b 通信电路构成。 如图2 9 所示，其中各组成部分的功能如下： 夺工业计算机：本试验系统选用台湾研华的i p c 6 l o h 工业控制机作为上位机与普 通p c 机相比具有较强的抗电磁干扰、抗冲击及抗震能力保障了上位机在环境 复杂的工业现场连续、可靠地运行口。设计上位机人机对活界面进行电机转速 转动圈数加载偏移等参数设置实现电机转速、试验次数、试件应变的实时显示， 控制电机启动，故障判断、自动停机，数据处理等功能： 圈2 9 旋转弯曲瘫劳试验机删控系统崮 l 、电机伺服控制模块 夺伺服控制器：按照一定的控制规律，向伺服驱动单元发送控制信号( 模拟电压信号， 脉冲信号) 同时接收检测传感器删量的位置、角噎信号经运算处理实现闭环控 制，该控制器能在i n d o u 2 0 0 0 x p 等操作系统下，通过p c i i s a 文线与v b ， v c _ 干l a b v i e 、等面刚对歙语言软件进行通信。 喾 攫刁 夺伺服驱动单元：接收控制端发送的电机控制信号，同时通过内环处理对角度传感器 ( 光电编码器) 反馈的角度信号进行滤波、校正，功率放大实现速度、位置的闭环 控制。 夺伺服电机：提供试验系统中各试件的转动速度，进行平滑调速。 夺检测传感器：本系统中使用光电编码器，进行角度测量，将电机转轴的位置信号转 换为脉冲电压信号经伺服放大器，反馈到控剃器中实现速度闭环。 ! 、应变测量模块 夺电阻应变片组：测量试件在弯曲加载和液压压强的复台应力下产生的应变值： 夺应变仅：处理各组应变片电阻变化，得到应变量进行信号放大滤波。 夺a ，d 转换电路：将应变仪输出的应变信号进行a ，d 转换得到实时应变量： u s b 通信电路：将测量的应变值传送给工控机在人机界面窗口显示实现过程 监拉。 2 4 系统的软件方案及试验流程 本试验系统上位机采用工控机、下位机采用电机控制卡和单片机分别实现4 路电机 控制和4 路试验件应变测量。下位机发挥各自在控制和测量领域的优势单片机在信 号测量领域技术成熟，简单且成本较低适合测量电路：运动控制卡在多路电机控制 中具有稳定、平滑、性能较高、控制精度高等优点。谚测控系统完美的实现丁管理 层、信息层和执行层的切同功能。其中管理层由上位工控机完成，实现对试验的实时 监测、管理。信息层实现了对数据的测量传输本系统采用p c i 及u s b 总线通信方式。 执行层通过伺服控制单元实现对电机转速的伺服控制。 ( 旋转弯曲瘥劳试验) 旋转弯曲疲劳试验机测拄系统主界面 初 状 卷 标 定 参 数 设 置 应 变 采 集 模 块 电 机 控 制 模 块 过 程 监 控 数 据 处 理 l 电ll 试 4 静ll 动l 机ll 验 双 i 路il 伺 动 自ll 故曲ll 打 态ll 志l 参ll 参 机 应l l 服 态动ll 障线ll 印 标ll 标i 数ll 数 通 变il 控调 停ll 判给ll 报 定1l 定】设ll 设 信 i 显ll 制 速 机ll 断制ll 告 1 置ll 最示l 圈2j 0 旋转弯曲瘫萤试验# 【软件功能j 芟块组成结构 本系统的上位机软件包括数据的实时显示、静态和动态标定、数据处理、数据的 自动保存，通过数据库进行调用数据结果、曲线拟合、打印报告单等功能率试验机 的软件系统实现了在整个试验过程中的自动化控制。 根据试验要求对试件进行静态加载、初状态标定、监控试验过程、实时显示采 集到应变及应力，通过4 轴控制卡，实现电机的测速、调速、显示和控制方便试验 员操作使用上位机与下位机拼从工作上位机实现试验参数的预设置包括电机转 速转动次数试验压力，加速方式等，通过友好的人机对话窗口来完成简单直观。 加入设置确认、范围限定等软件优化手段，可以防止误操作出现引起不必要的事故。 下幢机控制上位机控制 l 羽21 i 系统试验流程图 应变测量模块中下位机采用a v r 系列a t m e g a l 6 单片机通过u s b 通信接口保 证了数据传输的高速性。整个试验过程中，操作者不需要操作下位机和执行器从而 减少了外界环境的对试验的影响。本试验系统的整个试验过程如图21 1 所示。 ：5 本章小结 本章在对传统的旋转弯曲姨劳试验机殴计方案进行分析、对比的基础 ，结合目 前飞机液压导管弯曲疲劳试验方法提出了新的旋转弯曲玻劳试验系统方案。使用三 维造型骞j = 件c a t i a v 5 r 1 7 对试验机结构建模，许i 殳计了其偏移加载装置、旋转自定心结 构、液压自动切断保护装置的基本结构。提出了测控系统的总体方案、臻个试验流程 及软件| 殳计方案； 第三章旋转弯曲疲劳试验机测控系统设计 3 1 电机伺服控制模块 旋转弯曲疲劳试验机的电机伺服控制模块如图41 所示町同时进i 亍4 个试件的疲 劳试验。根据试验要求，控制系统应能够单独控制4 个电机实现无级调速、故障停 车、平滑加减速等功能调速范围至少i5 0 0 r m i n 一3 6 0 0 r r a i n 。 p c i 总线 一 目31 电机问服控制摸堍结构框图 选择交流伺服电机作为执行电机提供试件的试验转速