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弯扭疲劳试验机的研制

发布时间:2023年07月01日

1 引言

材料、构件的疲劳问题严重威胁着现代工业设备的安全。压力波动、频繁间歇操作、复杂的外力等都会造成设备的疲劳破坏, 这些设备一旦发生破坏, 将造成极大的危害。这些设备长期在高压及交变载荷工况条件下工作, 在扭转、弯曲负荷作用下的材料性能不单取决于材料的单方向扭转疲劳性能或弯曲疲劳性能, 也取决于扭转和弯曲的交互作用。扭转和弯曲交互作用所造成的损伤, 已成为限制此类设备使用寿命的重要因素。因此, 有必要对该类设备所用材料进行弯扭疲劳交互作用的研究。

单方向的扭转疲劳试验机很多, 而弯扭组合试验机开发和研制工作起步较晚。目前, 国内一般是静态扭转和弯曲的加载。性能优良的弯扭疲劳试验机, 是获得准确可靠弯扭性能数据不可或缺的设备, 主要应用于石油化工、航空航天、电力、工程机械等领域。针对复杂外力等极端条件, 研发了弯扭疲劳试验机, 模拟工程机械钻杆工作中产生的外力 (钻杆主轴倾斜向下所产生的径向力) 影响时的受力状态及力学性能, 解决了弯矩产生的径向力对摆动缸的不利影响, 对提升我国弯扭疲劳设备的制造水平, 带动行业的技术进步, 具有重要意义。

2 弯扭材料受力分析

图1是一段薄壁环形截面梁受弯扭组合载荷的力学模型。当圆杆发生扭转时, 沿圆周各点处剪应力的方向与圆周相切, 且数值相等, 弯矩为零, 横截面各点处剪应力的方向与圆周相切, 且其数值相等, 剪应力τρ为:

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式中, G为剪变模量, γ为剪应变。

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图1 弯扭组合载荷的力学模型   


当梁上有横向力作用时, 一般来说, 横截面上既有弯矩又有剪力。在弯矩最大的横截面上, 距中性轴最远处有最大正应力σmax, 而在剪力最大的横截面上中性轴的各点处有最大剪应力τ (如图2所示) 。

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式中, Mmax为横截面上的弯矩, Y为所求应力的点到中性轴的距离, Iz为横截面对中性轴Z的惯性矩, Qmax为横截面上的剪力, Szmax为距中性轴为Y的横线以外部分的横截面积对中性轴的静矩, b为截面宽度。

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图2 最大剪应力、最大正应力  


3 弯扭疲劳试验机的关键技术分析

3.1 解决摆动缸不受弯矩

根据扭转疲劳试验机具有高速、高频、响应快的特点, 叶片式摆动缸直接加载是最优选择。当有横向力作用时, 加载驱动系统的使用寿命主要受最大正应力影响。本套系统采用叶片式摆动缸加载扭矩 (见图3) , 摆动缸动叶片与缸盖之间的间隙为Δ, 如果最大正应力产生的变形大于间隙Δ, 将会产生叶片与缸盖之间的磨损, 从而破坏摆动缸。所有, 必须解决弯矩的问题。

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图3 摆动缸内部结构   


注:图中椭圆形标识处为摆动缸动叶片与缸盖之间的间隙Δ

笔者采用摆动缸前端安装轴承的方式消除摆动缸主轴的弯矩, 考虑主轴的受力, 采用两个圆锥滚子轴承进行背对背安装 (见图4) , 再调节轴承的游隙和预紧力。如果圆锥滚子轴承的预紧力大于摆动缸内部轴承的预紧力, 圆锥滚子轴承的游隙大于Δ, 那么摆动缸叶片将不会摩擦到缸盖。

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图4 轴承安装结构   


1.轴承2.背母3.轴承座

3.2 弯矩加载系统的设计

弯矩加载系统选择双铰接直线缸作为加载执行 (见图5) , 具有控制性好、输出负荷大、体积小、结构简单的特点, 双铰接可以避免直线缸的活塞杆产生径向力。当材料受到纯弯矩作用时, 材料会以x为半径、以点A为圆心作偏转运动 (见图6、图7) , R2=R1+L。

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图5 双铰接直线缸机械原理   


1、2.球铰3.油缸

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图6 材料弯曲时运动轨迹简图   


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图7 材料弯曲加载示意图  


3.3 消除换向间隙

在疲劳往复运动中, 间隙的存在不仅使试验曲线不好, 不能反映材料的真实数据, 还直接影响到设备的使用寿命, 加快设备的磨损。所以, 设备中不能存在换向间隙, 零件在传递扭矩中的连接应避免采用平键或花键。胀紧套 (见图8) 和螺栓连接均属于靠摩擦力传递扭矩, 且可以承受弯矩。

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图8 胀紧套结构  


4 组成及原理

弯扭疲劳试验机是由工作台、扭矩驱动系统、弯矩驱动系统、尾座组件组成的封闭框架结构 (见图9) 。工作台上, 一端安装扭矩驱动系统 (加载端) , 一端安装尾座 (固定端) 。扭矩驱动系统由摆动缸、轴承座、胀套等构成。摆动缸与扭矩传感器、试样连接法兰通过主轴与扭矩传感器连接。试样的一端与尾座固定, 另一端与试样连接法兰固定。弯曲加载缸采用双铰接结构, 球铰一端固定在弯曲加载缸支座上, 一端固定在摆动缸支座上, 通过控制电磁换向阀对弯曲加载油缸驱动, 从而推动摆动缸支座沿着移动导向板上的导向槽以固定一点为中心偏转。偏转角度采用光电编码器测量, 安装在摆动缸支座的后下端。尾座组件由导向轴、浮板、尾座组成。尾座安装在工作台的另一端, 采用浮动尾座。浮板在导向轴上滑动, 以消除试验中的变形。导向轴固定在尾座上, 尾座固定在平台上。

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图9 弯扭疲劳试验机结构原理图   


1.导向轴2.浮板3.尾座4.试样5.试样连接法兰6.弯曲加载油缸7.轴承座8.扭矩传感器9.摆动缸10.丝杠螺母11.工作台12.偏角测量装置13.扭角传感器

工作台采用焊接结构, 为降低主机中心高度以提高设备的操作性和稳定性, 平台中间放试样处下沉一方孔。平台与地面用地脚连接, 固定试验台底部, 提高刚度, 减小变形。框架整体应具有足够的刚度, 除理论计算外, 应进行力学模型分析, 最大应力应该控制在100MPa以内 (见图10) 。

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图1 0 主机框架受力分析  


5 试验曲线

试验曲线 (见图11) 表明, 负荷反馈实时值与命令值高度一致, 设备满足试验要求, 运行稳定、可靠。

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图1 1 试验曲线   


6 结论

本文对一种弯扭疲劳试验机的结构和原理进行了阐述, 结果表明, 研发的试验机可以满足材料的弯扭过零交互作用试验需求, 从而为材料的疲劳寿命预测和完整性评估提供可靠的依据。该试验机应用范围宽, 操作简单。随着弯扭负荷试验越来越多, 该试验机的市场需求会逐年提高, 有着非常广阔的应用前景。