CN110207917B - 轴向共振疲劳测试装置及装夹方法、测试系统及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种轴向共振疲劳测试装置及装夹方法、试样件响应同轴度校准测试系统及校准方法。其中，轴向共振疲劳测试装置包括振动台、安装底板、试样支撑框架、试样件、预紧螺栓和质量块。校准测试系统包括轴向共振疲劳测试装置、振动控制仪和加速度传感器，振动控制仪连接着振动台，振动台产生振动并传递给试样件；振动台上或者测试装上设置至少一个加速度传感器，在质量块上的对称位置设置有多个加速度传感器。测试系统的校准方法，先是获得试样件的共振频率点以及该点的响应加速度值；然后计算质量块上的多个加速度传感器的响应加速度差值进而判断试样件响应同轴度。本发明能对试样件进行轴向共振疲劳性能测试，能进行试样件响应同轴度校准。

Description

轴向共振疲劳测试装置及装夹方法、测试系统及校准方法

技术领域

本发明属于共振疲劳技术领域，涉及一种轴向共振疲劳测试装置，尤其是一种用于金属棒状试样件在共振状态下测量振动疲劳寿命的振动疲劳试验装置。

背景技术

振动是机械或结构系统在其平衡位置附近的往复运动，是物质运动的普遍形式之一。在汽车、飞机等运输设备、工业机械等中，振动是多数工程结构服役中必须承受的载荷，特别是，当激励频率分布与工程结构的共振频率分布具有交集或相接近时，结构发生共振而产生更大的响应，容易引起共振失效。为此获得使用材料在共振下的疲劳寿命非常重要。

试样共振时，相同振动量级的激励力，材料的动响应幅值远大于非共振时的动响应幅值。当试样件处于共振状态时，试验系统能用较少的输出能获得较大响应，减少试验功耗。

目前广泛使用的液压伺服疲劳试验机的工作频率在几十到一百赫兹左右，电磁疲劳试验机的工作频率能达到500Hz，假设试样的轴向一阶共振频率为1500Hz。常规疲劳机实施1×10⁹次的重复应力的负载需要24天左右的试验天数，当试样达到轴向一阶共振频率时，需要8天左右的试验天数，大大缩减了试验周期。

此外因为当前疲劳试验设备受限，常规疲劳试验通常在试样件疲劳试验中处于非共振状态。这就使得常规的疲劳测试所获得材料疲劳性能试验数据与实际工况存在一定差异。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种轴向共振疲劳测试装置，使得金属棒状试样在轴向方向处于共振状态成为了可能，进而实现了在轴向测量其疲劳性能。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种轴向共振疲劳测试装置，包括振动台、安装底板、试样支撑框架、试样件、预紧螺栓和质量块，所述安装底板固定在所述振动台上，所述试样支撑框架为倒U字形，所述试样支撑框架的底部固定在所述安装底板上，所述试样支撑框架的中间开有安装孔，所述预紧螺栓从所述安装孔的上部装入，所述试样件从所述安装孔的下部装入，所述试样件的顶部抵在所述预紧螺栓的底部，所述试样件固定在所述质量块上，所述质量块位于所述试样支撑框架的倒U字形空间内。

本发明进一步设置为，穿过所述质量块固定有两个限位杆，所述限位杆对称的位于所述试样件的两侧，所述限位杆的顶部和底部分别固定在所述试样支撑框架和所述安装底板上。

本发明进一步设置为，所述质量块上开有两个限位孔，所述限位杆穿过所述限位孔，所述质量块顶部和底部的所述限位杆上均装有缓冲环，所述缓冲环的外侧装有轴用锁紧挡圈。

本发明进一步设置为，所述限位杆与所述限位孔之间留有缝隙，所述限位杆的直径比所述限位孔的直径小至少1mm。

本发明进一步设置为，所述试样件的上部装有用于锁紧所述试样支撑框架的第一防松螺母，所述试样件的下部装有用于锁紧所述质量块的第二防松螺母。

本发明提供的第二个技术方案为上述轴向共振疲劳测试装置的装夹方法，包括以下步骤：

第一步：将所述安装底板与所述试样支撑框架使用螺栓连接在一起；

第二步：将所述安装底板通过螺栓固定在所述振动台的台面上；

第三步：从所述试样件的两端分别旋进所述第一防松螺母和所述第二防松螺母，所述第一防松螺母和所述第二防松螺母的内螺纹面与所述试样件的螺纹内终线大致重合；

第四步：所述试样件的下部设有外螺纹，所述质量块上开有用于放置所述试样件底部的凹槽，通过所述试样件自身的外螺纹旋入所述质量块的凹槽内，所述凹槽内设有内螺纹，当所述试样件的外螺纹与所述第二防松螺母贴合即可，然后将所述第二防松螺母拧紧；

第五步：将所述试样件与所述质量块移至所述试样支撑框架内，将其旋入所述试样支撑框架的所述安装孔中，使得所述试样件的螺纹与所述第一防松螺母贴合即可；

第六步：将所述试样支撑框架的所述预紧螺栓旋入所述试样支撑框架上端的螺纹中，拧紧；然后将试样件上端的所述第一防松螺母拧紧即可；

第七步：将两根所述限位杆穿过所述质量块的所述限位孔中，并固定，再在所述限位杆上安装所述缓冲环和所述轴用锁紧挡圈。

本发明提供的第三个技术方案为：一种试样件响应同轴度校准测试系统，包括上述的轴向共振疲劳测试装置以及振动控制仪和加速度传感器，所述振动控制仪连接着所述振动台并为所述振动台提供振动信号，所述振动台产生振动并传递给所述试样件；所述振动台上设置至少一个加速度传感器，在所述质量块上的对称位置设置有多个加速度传感器，所述质量块上的加速度传感器质量相等、均匀对称分布。

本发明提供的第四个技术方案为上述测试系统的校准方法，包括以下步骤：

第一步：打开校准测试系统，对所述试样件进行共振探查，获得所述试样件的共振频率点，以及该点的响应加速度值；

第二步：计算第i次(1≤i≤n)所述质量块上的所述加速度传感器的响应加速度差值的极值，差值的极值与多个响应加速度的平均值比值即为x_i，对单次计算的平均值比值进行平方运算，即为x_i ²，再将n次(n≥3)共振探查的平均值比值平方值求和再开根方，即如果得到的值在1％以内，即Y≤1％，表明所述试样件的响应同轴度良好，反之，则表明所述试样件的响应同轴度不好。

本发明进一步设置为，对所述试样件进行共振探查的方法为正弦扫频探查，先进行预探查，后进行正式探查，控制元素包含：控制加速度、扫频范围、扫频速率、扫频循环次数；预探查的控制加速度为0.1-2g，扫频范围为5-2000Hz，扫频速率0.5-2Oct/min，一次扫频循环，包括正向一次和反向一次，获取正、反向扫频的共振频率点和该点的响应加速度值；正式探查的控制参数根据预探查的结果，调整控制加速度大小、频率范围、扫频速率。

本发明进一步设置为，对所述试样件进行共振探查的方法为随机探查方法，先进行预探查，后进行正式探查，控制元素包含：控制功率谱密度值、频率范围、振动持续时间；预探查的控制功率谱密度值0.001-0.05g²/Hz，频率范围为5-2000Hz的白噪声谱，试样件响应稳定后的振动持续时间30-120秒，获得试样件的共振频率点以及相应的响应加速度值；正式探查的控制参数根据预探查的结果，调整控制功率谱密度值大小、频率范围大小，试样件响应稳定后的振动持续时间。

本发明进一步设置为，对所述试样件进行共振探查时，需要至少进行3次，取平均值作为最终的共振频率点和响应加速度值。

本发明的基本原理为，质量块和试样件组成弹簧-质量的单自由度振动系统，通过试样支撑框架为该系统提供了两端固支的刚性约束。通过振动台的动态输出，激发该试样的轴向一阶固有频率，使得在该频率质量块与试样进行上下往复运动，从而试样处于共振状态。

综上所述，本发明具有以下有益效果：能对试样件进行轴向共振疲劳性能测试；能进行试样件响应同轴度校准；能防止试样大幅度摆动；能防止质量块飞溅、试样件加载过冲以及失效时砸伤振动台或者质量块。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种轴向共振疲劳测试装置的结构示意图(不含限位杆)；

图2为本发明一种轴向共振疲劳测试装置的结构示意图(含限位杆)；

图3为本发明一种轴向共振疲劳测试装置(含限位杆)的剖面图；

图4为图3的俯视图；

图5为安装底板的俯视图。

其中，1、振动台；2、安装底板；3、试样支撑框架；4、试样件；5、预紧螺栓；6、质量块；7、安装孔；8、限位杆；9、限位孔；10、缓冲环；11、轴用锁紧挡圈；12、第一防松螺母；13、第二防松螺母；15、插槽。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明首先提供一种轴向共振疲劳测试装置，参见图1，作为本发明的一个实施例，该轴向共振疲劳测试装置包括振动台1、安装底板2、试样支撑框架3、试样件4、预紧螺栓5和质量块6，安装底板2固定在振动台1上，试样支撑框架3为倒U字形，试样支撑框架3的底部固定在安装底板2上，试样支撑框架3的中间开有安装孔7，预紧螺栓5从安装孔7的上部装入，试样件4从安装孔7的下部装入，试样件4的顶部抵在预紧螺栓5的底部，试样件4的底部固定在质量块6上，质量块6位于试样支撑框架3的倒U字形空间内，质量块6固定在安装底板2上。

为了防止试样在振动过程中出现摇摆的现象，使用限位杆8用于限制试样件4的大幅摆动，参见图2、图3和图4。两个限位杆8穿过质量块6，限位杆8对称的位于试样件4的两侧，限位杆8的顶部和底部分别固定在试样支撑框架3和安装底板2上。质量块6上开有两个限位孔9，限位杆8穿过限位孔9。进一步的，质量块6顶部和底部的限位杆8上均装有起缓冲作用的缓冲环10，缓冲环10的外侧装有其防冲撞的轴用锁紧挡圈11。

限位杆8与限位孔9之间留有缝隙，限位杆8的作用有三个，一是如果振动过于剧烈或者试样件4的同轴性度不好，容易出问题，限位杆8与试样件4不接触，能很好的防止试样件大幅摆动；二是在试样件4断裂后，质量块6容易飞出，限位杆8限制了质量块6飞出；三是能保护振动台1。优选的，限位杆8的直径比限位孔9的直径小至少1mm。

见图2和图3，试样件4的上部装有用于锁紧试样支撑框架3的第一防松螺母12，试样件4的下部装有用于锁紧质量块6的第二防松螺母13。本发明所涉及的结构中，使用的试样件4为两端带有螺纹的疲劳试样，该结构借助螺纹的特征保证了良好的对中性，降低了安装的难度；在重要的螺纹联接处设计有防松螺母(第一防松螺母12和第二防松螺母13)，使用两个防松螺母能进一步防止在振动试验过程中出现螺纹松动。

本发明提供的第二个技术方案为上述轴向共振疲劳测试装置的装夹方法，包括以下步骤：

第一步：将安装底板2与试样支撑框架3使用螺栓连接在一起；例如使用8颗螺栓连接，分别在试样支撑框架3的两个端部的下面各使用4个，这时的安装底板2可参见图5，其上设置有8个用于固定安装底板2的螺纹孔；

第二步：将安装底板2通过螺栓固定在振动台1的台面上，参见图5，安装底板2上设置有多个用于固定振动台1的螺纹孔；

第三步：从试样件4的两端分别旋进第一防松螺母12和第二防松螺母13，所述第一防松螺母和所述第二防松螺母的内螺纹面与所述试样件的螺纹内终线大致重合；

第四步：试样件4的下部设有外螺纹，质量块6上开有用于放置试样件4底部的凹槽，通过试样件4自身的外螺纹旋入质量块6的凹槽内，凹槽内设有内螺纹，当试样件4的外螺纹与第二防松螺母13贴合即可，然后将第二防松螺母13拧紧；

第五步：将试样件4与质量块6移至试样支撑框架3内，将其旋入试样支撑框架3的安装孔7中，使得试样件4的螺纹与第一防松螺母12贴合即可；

第六步：将试样支撑框架3的预紧螺栓5旋入试样支撑框架3上端的螺纹中，拧紧；然后将试样件4上端的第一防松螺母12拧紧即可；

第七步：将两根限位杆8穿过质量块6的限位孔9中，并将限位杆8的底部插入安装底板2上对应的插槽15里，限位杆8的顶部固定在试样支撑框架3上，再在限位杆上安装缓冲环10和轴用锁紧挡圈11，用于防止试样件4过冲以及试样件4断裂时砸伤装置或者毁坏质量块6。

本发明提供的第三个技术方案为：一种试样件响应同轴度校准测试系统，包括上述的轴向共振疲劳测试装置以及振动控制仪和加速度传感器，振动控制仪连接着振动台1并为振动台1提供振动信号，振动台1产生振动并传递给试样件4。为了实时获得试样件4的载荷情况，质量块6上同轴的对称位置设置有多个加速度传感器，质量块6上的加速度传感器质量相等、均匀对称分布。在试验装置的质量块6直径的对称位置分别设置有与加速度传感器尺寸相匹配的安装装置。加速度传感器对称的设置在质量块6的安装装置上，还有一个加速度传感器设置在振动台1上。对于小体积的试样件4，选用两个加速度传感器即可，对于大体积的试样件4，可以选用更多个加速度传感器。

本发明提供的第四个技术方案为上述测试系统的校准方法，包括以下步骤：

第一步：打开校准测试系统，对试样件4进行共振探查，获得试样件4的共振频率点，以及该点的响应加速度值；

第二步：计算第i次(1≤i≤n)质量块6上的加速度传感器的响应加速度差值的极值，差值的极值与多个响应加速度的平均值比值即为x_i，对单次计算的平均值比值进行平方运算，即为x_i ²，再将n次(n≥3)共振探查的平均值比值平方值求和再开根方，即如果得到的值在1％以内，即Y≤1％，表明试样件4的响应同轴度良好，反之，则表明试样件4的响应同轴度不好。

可以使用正弦扫频探查或者随机探查方法进行试验，对试样件4进行共振探查时，至少需要进行3次，取平均值作为最终的共振频率点更为准确。

选择试样件4分别进行正弦扫频探查和随机探查，选择GB/T 3075-2008中的圆形横截面的试样件，材料为7050铝合金。选择的两个质量相等的加速度传感器的品牌为PCB，量程为500g，1号加速度传感器灵敏度为9.93mv/g，2号加速度传感器灵敏度为10.03mv/g，进行以下测试。

其一，对试样件4进行共振探查的方法为正弦扫频探查，先进行预探查，后进行正式探查，控制元素包含：控制加速度、扫频范围、扫频速率、扫频循环次数；预探查的控制加速度为0.1-2g，扫频范围为5-2000Hz，扫频速率0.5-2Oct/min，一次扫频循环，包括正向一次和反向一次，获取正、反向扫频的共振频率点和该点的响应加速度值；正式探查的控制参数根据预探查的结果，调整控制加速度大小、频率范围、扫频速率。

正式探查，控制参数：控制加速度值为1g，扫频频率范围为200-500Hz，扫频速率0.5Oct/min，3个扫频循环(正向3次，反向3次)，测试结果如下：

最终计算得：

试样件固频点为：375.5Hz。

其二，对试样件进行共振探查的方法为随机探查方法，先进行预探查，后进行正式探查，控制元素包含：控制功率谱密度值、频率范围、振动持续时间；预探查的控制功率谱密度值0.001-0.05g²/Hz，频率范围为5-2000Hz的白噪声谱，试样件响应稳定后的振动持续时间30-120秒，获得试样件的共振频率点以及相应的响应加速度值；正式探查的控制参数根据预探查的结果，调整控制功率谱密度值大小、频率范围大小，试样件响应稳定后的振动持续时间。

正式探查，控制参数：频率范围200-500Hz，加速度谱密度值0.01g²/Hz，响应稳定振动持续时间30s。

最终计算得：

试样件的固频点为：375.5Hz。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种轴向共振疲劳测试装置，其特征在于：包括振动台、安装底板、试样支撑框架、试样件、预紧螺栓和质量块，所述安装底板固定在所述振动台上，所述试样支撑框架为倒U字形，所述试样支撑框架的底部固定在所述安装底板上，所述试样支撑框架的中间开有安装孔，所述预紧螺栓从所述安装孔的上部装入，所述试样件从所述安装孔的下部装入，所述试样件的顶部抵在所述预紧螺栓的底部，所述试样件的底部与所述质量块固定，所述质量块位于所述试样支撑框架的倒U字形空间内；

穿过所述质量块固定有两个限位杆，所述限位杆对称的位于所述试样件的两侧，所述限位杆的顶部和底部分别固定在所述试样支撑框架和所述安装底板上。

2.根据权利要求1所述的轴向共振疲劳测试装置，其特征在于：所述质量块上开有两个限位孔，所述限位杆穿过所述限位孔，所述质量块顶部和底部的所述限位杆上均装有缓冲环，所述缓冲环的外侧装有轴用锁紧挡圈。

3.根据权利要求2所述的轴向共振疲劳测试装置，其特征在于：所述限位杆与所述限位孔之间留有缝隙，所述限位杆的直径比所述限位孔的直径小至少1mm。

4.根据权利要求2所述的轴向共振疲劳测试装置，其特征在于：所述试样件的上部装有用于锁紧所述试样支撑框架的第一防松螺母，所述试样件的下部装有用于锁紧所述质量块的第二防松螺母。

5.根据权利要求4所述的轴向共振疲劳测试装置的装夹方法，包括以下步骤：

第一步：将所述安装底板与所述试样支撑框架使用螺栓连接在一起；

第二步：将所述安装底板通过螺栓固定在所述振动台的台面上；

第三步：从所述试样件的两端分别旋进所述第一防松螺母和所述第二防松螺母，所述第一防松螺母和所述第二防松螺母的内螺纹面与所述试样件的螺纹内终线大致重合；

第四步：所述试样件的下部设有外螺纹，所述质量块上开有用于放置所述试样件底部的凹槽，通过所述试样件自身的外螺纹旋入所述质量块的凹槽内，所述凹槽内设有内螺纹，当所述试样件的外螺纹与所述第二防松螺母贴合即可，然后将所述第二防松螺母拧紧；

第五步：将所述试样件与所述质量块移至所述试样支撑框架内，将其旋入所述试样支撑框架的所述安装孔中，使得所述试样件的螺纹与所述第一防松螺母贴合即可；

第六步：将所述试样支撑框架的所述预紧螺栓旋入所述试样支撑框架上端的螺纹中，拧紧；然后将试样件上端的所述第一防松螺母拧紧即可；

第七步：将两根所述限位杆穿过所述质量块的所述限位孔中，并固定，再在所述限位杆上安装所述缓冲环和所述轴用锁紧挡圈。

6.一种试样件响应同轴度校准测试系统，包括权利要求1-4任一项所述的轴向共振疲劳测试装置以及振动控制仪和加速度传感器，所述振动控制仪连接着所述振动台并为所述振动台提供振动信号，所述振动台产生振动并传递给所述试样件；所述振动台上设置有至少一个加速度传感器，在所述质量块的对称位置设置有多个加速度传感器，所述质量块上的加速度传感器质量相等、均匀对称分布。

7.根据权利要求6所述的测试系统进行校准的方法，包括以下步骤：

第一步：打开校准测试系统，对所述试样件进行共振探查，获得所述试样件的共振频率点，以及该点的响应加速度值；

第二步：计算第i次(1≤i≤n)所述质量块上的所述加速度传感器的响应加速度差值的极值，差值的极值与多个响应加速度的平均值比值即为x_i，对单次计算的平均值比值进行平方运算，即为x_i ²，再将n次(n≥3)共振探查的平均值比值平方值求和再开根方，即如果得到的值在1％以内，即Y≤1％，表明所述试样件的响应同轴度良好，反之，则表明所述试样件的响应同轴度不好。

8.根据权利要求7所述的校准方法，其特征在于：对所述试样件进行共振探查的方法为正弦扫频探查，先进行预探查，后进行正式探查，控制元素包含：控制加速度、扫频范围、扫频速率、扫频循环次数；预探查的控制加速度为0.1-2g，扫频范围为5-2000Hz，扫频速率0.5-2Oct/min，一次扫频循环，包括正向一次和反向一次，获取正、反向扫频的共振频率点和该点的响应加速度值；正式探查的控制参数根据预探查的结果，调整控制加速度大小、频率范围、扫频速率。

9.根据权利要求7所述的校准方法，其特征在于：对所述试样件进行共振探查的方法为随机探查方法，先进行预探查，后进行正式探查，控制元素包含：控制功率谱密度值、频率范围、振动持续时间；预探查的控制功率谱密度值0.001-0.05g²/Hz，频率范围为5-2000Hz的白噪声谱，试样件响应稳定后的振动持续时间30-120秒，获得试样件的共振频率点以及相应的响应加速度值；正式探查的控制参数根据预探查的结果，调整控制功率谱密度值大小、频率范围大小，试样件响应稳定后的振动持续时间。