专利名称：曲轴弯曲疲劳试验系统及试验方法
技术领域：
本发明涉及机械领域，特别地，涉及一种应用于机械产品可靠性评估和研究的曲轴弯曲疲劳试验系统及试验方法。
背景技术：
机械产品的可靠性问题因在人类生产生活中产生重要影响而一直为人们所关注。作为内燃机的一个关键承载零部件，曲轴可靠性的主要内容之一是它在高周疲劳应力作用下的弯曲疲劳问题。随着内燃机的不断强化，这个问题必然还会作为热点而长期存在。
由于曲轴疲劳问题的复杂性，通过计算分析曲轴在实际工作中的可靠性问题在现有技术水平下还有着很多局限性，通过试验方法来模拟其工作过程以获得研究中所需要的一些数据必不可少。试验方法的主要优点在于可以比较全面的考核曲轴在特定结构、材料和工艺条件下曲轴的承载能力，并能直接给出曲轴的实际安全系数与疲劳极限。
曲轴弯曲疲劳试验机因加载形式的不同有若干不同类型，如万能试验机、液压脉动疲劳试验机，电液伺服程控疲劳试验机、谐振疲劳试验机以及高频谐振疲劳试验机等。由于在试验的可操作性、试验机稳定性和整体性价比方面表现出较强的优势，谐振式疲劳试验机应用较为广泛。
目前在我国，大部分应用中的曲轴弯曲疲劳试验系统普遍陈旧，主要问题可总结成如下三点(1)试验装置载荷精度偏低，约为±5％；(2)载荷标定计算方法相对落后；没有充分利用精确的数理统计和分析方法处理试验数据；试验结果和分析结果都存在真实性和准确性差的问题。
(3)没有采用现代试验控制技术和科学的试验组织管理手段；系统的智能化、自动化水平较低。

发明内容
为了解决上述主要问题，本发明的目的在于提供一种曲轴弯曲疲劳试验系统及试验方法。
本发明解决上述问题所采用的技术方案是一种曲轴弯曲疲劳试验系统，它包括一谐振台体，由曲轴和摆臂组成；一激振器，主要由偏心轮和电机组成，与摆臂的主动臂相连；一变频器，与激振器的电机相连；一可编程逻辑控制器，与变频器相连；一传感器组，包括应变传感器、加速度传感器和转速传感器；转速传感器装在激振器的电机上，并与可编程逻辑控制器相连；应变传感器由应变片、补偿应变片和桥盒组成，应变片和补偿应变片贴在曲轴上；加速度传感器吸附在摆臂上；一应变放大仪，分别与应变传感器、加速度传感器和可编程逻辑控制器相连；一计算机，与可编程逻辑控制器相连。
一种上述曲轴弯曲疲劳试验系统的试验方法，包括以下步骤(1)感器组接收信号应变传感器、加速度传感器和转速传感器分别获取谐振台体的应变信号、振动信号和电机的转速信号；应变信号和振动信号经应变放大仪放大调理后，与转速信号一起传送到可编程逻辑控制器中；(2)信号A/D转换可编程逻辑控制器将传感器组传来的模拟信号转换成数字信号，并将其送入计算机；(3)反馈控制计算机根据试验要求和系统当前状态产生控制量，并传送给可编程逻辑控制器来控制变频器；在试验运行阶段，可编程逻辑控制器也可脱离计算机独立控制变频器；(4)调节电机转速变频器根据可编程逻辑控制器的要求改变电机转速，实现对系统的控制。
本发明具有以下技术效果本发明大量减轻了人力负担、方便了试验人员的试验操作、减少了易引入操作性误差的人为参与环节，并且使精确度较高的复杂算法得以应用，显著的提高了曲轴疲劳试验的精确性。


图1是本发明的曲轴弯曲疲劳试验系统结构示意图；
图2是图1所示系统的谐振台体结构示意图；图3是本发明的激振力矩可调节加载偏心轮的截面图；具体实施方式
下面根据附图详细说明本发明。
图1～3示出了本发明的曲轴弯曲疲劳试验系统的详细结构。本发明采用了操作方便的卧置式高速谐振台体以及摆臂惯量和激振力矩都可以调节的加载机构；以具有较强数据管理和运算处理能力的计算机和具有长时间稳定运行能力及掉电保护能力的可编程控制器组成的上下位机构成了系统的测控核心。
如图1所示，曲轴1和摆臂11组成谐振台体。应变片2贴在曲轴1的圆角上，补偿应变片3贴在曲轴1上，应变片2和补偿应变片3均与桥盒4相连，它们共同组成应变传感器。应变放大仪5与桥盒4相连。加速度传感器12吸附在摆臂11上，并与应变放大仪5相连。可编程逻辑控制器7与应变放大仪5相连。激振器9主要由偏心轮和电机组成，连接在摆臂11的主动臂上。转速传感器10装在激振器9的电机上，并与可编程逻辑控制器7相连。变频器8分别与激振器9和可编程逻辑控制器7相连。计算机6与可编程逻辑控制器7相连。
加载后，应变片2和补偿应变片3在桥盒4中产生应变信号，加速度传感器12产生振动信号，应变信号和振动信号经应变放大仪5放大调理后进入可编程逻辑控制器7，进行A/D转换，转换成的数字信号送入计算机。转速传感器10获取激振器9的电机的转速信号，也由可编程逻辑控制器7送入计算机。计算机6根据可编程逻辑控制器7传来的信号将试验系统的各参数实时显示出来，同时也可以通过计算机6输入参数来灵活配置试验系统参数以使试验系统适用于各种曲轴型号和各种不同的试验要求。可编程逻辑控制器7可以在根据计算机6的控制量对系统进行控制调节，同时在标定完成进入运行阶段之后也可以根据各传感器的反馈信息独立的对试验运行进行控制。这样在计算机6发生死机等意外事件的情况下可以控制系统继续运行，可编程逻辑控制器7的掉电保持功能也可以保证系统在停电情况下可靠保存当前的运行状态从而可以在再次启动时使系统从掉电前的状态开始，保证了试验数据的准确性。可编程逻辑控制器7通过驱动变频器8，改变激振器9的电机转速实现对谐振台体的控制。
图2示出了谐振台体的基本结构，质量块13嵌在摆臂11的被动臂上，位置可调，通过调节质量块13在摆臂11的被动臂上的相对位置可以实现对台体谐振惯量的调节。
图3示出了激振器9的截面图。激振器9主要由偏心轮和电机组成，偏心轮包括内偏心轮93和外偏心轮94，内偏心轮93通过平键92与电机的转动轴91相连，外偏心轮94套在内偏心轮93外，它们之间的相对夹角可调节，调节后由内紧定螺钉95和外紧定螺钉96固定。通过调节内偏心轮93和外偏心轮94之间的相对夹角，可使整个偏心轮的偏心距在一定的范围内变化，从而使激振力矩得以调节。该谐振台体的惯量可调节机构和激振力矩可调节使的激振器能够很好的适应对不同型号曲轴的试验，可按照试验方案的不同灵活对试样以不同应力水平进行加载。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种曲轴弯曲疲劳试验系统，其特征在于，它包括一谐振台体，由曲轴和摆臂组成。一激振器，主要由偏心轮和电机组成，与摆臂的主动臂相连。一变频器，与激振器的电机相连。一可编程逻辑控制器，与变频器相连。一传感器组，包括应变传感器、加速度传感器和转速传感器；转速传感器装在激振器的电机上，并与可编程逻辑控制器相连；应变传感器由应变片、补偿应变片和桥盒组成，应变片和补偿应变片贴在曲轴上；加速度传感器吸附在摆臂上。一应变放大仪，分别与应变传感器、加速度传感器和可编程逻辑控制器相连。一计算机，与可编程逻辑控制器相连。
2.根据权利要求1所述的曲轴弯曲疲劳试验系统，其特征在于，所述摆臂带有一可调节摆臂惯量的质量块。
3.根据权利要求1所述的曲轴弯曲疲劳试验系统，其特征在于，所述偏心轮包括内偏心轮和外偏心轮，内偏心轮通过平键与电机的转动轴相连，外偏心轮套在内偏心轮外，内偏心轮和外偏心轮之间的相对夹角可调节，调节后由内紧定螺钉和外紧定螺钉固定。
4.一种应用权利要求1所述的曲轴弯曲疲劳试验系统的试验方法，其特征在于，包括以下步骤(1)传感器组接收信号应变传感器、加速度传感器和转速传感器分别获取谐振台体的应变信号、振动信号和电机的转速信号；应变信号和振动信号经应变放大仪放大调理后，与转速信号一起传送到可编程逻辑控制器中。(2)信号A/D转换可编程逻辑控制器将传感器组传来的模拟信号转换成数字信号，并将其送入计算机。(3)反馈控制计算机根据试验要求和系统当前状态产生控制量，并传送给可编程逻辑控制器来控制变频器；在试验运行阶段，可编程逻辑控制器也可脱离计算机独立控制变频器。(4)调节电机转速变频器根据可编程逻辑控制器的要求改变电机转速，实现对系统的控制。
全文摘要
本发明公开了一种曲轴弯曲疲劳试验系统及试验方法，系统主要由谐振台体、激振器、变频器、可编程逻辑控制器、传感器组、应变放大仪和计算机组成。本发明大量减轻了人力负担、方便了试验人员的试验操作、减少了易引入操作性误差的人为参与环节并且使精确度较高的复杂算法得以应用，显著的提高了曲轴疲劳试验的精确性。
文档编号G01N3/00GK1598528SQ20041005439
公开日2005年3月23日 申请日期2004年9月6日 优先权日2004年9月6日
发明者周迅, 俞小莉, 刘震涛, 沈瑜铭, 齐放 申请人:浙江大学