本發(fā)明涉及材料檢測技術領域，具體涉及基于旋轉彎曲疲勞的材料損傷容限檢測裝置及檢測方法。

背景技術：

疲勞是指材料、零部件在循環(huán)應力或循環(huán)應變作用下，在一處或幾處逐漸產生局部永久性累積損傷，經一定循環(huán)次數(shù)后產生裂紋或突然發(fā)生完全斷裂的過程。疲勞現(xiàn)象廣泛存在于現(xiàn)代工業(yè)的各個方面，隨著科學技術的發(fā)展，疲勞強度問題成為影響工程領域安全性、可靠性的重要因素，引起專家學者的廣泛關注。旋轉彎曲疲勞作為一種典型的零件失效形式，是由多種單一模式(如彎曲疲勞、拉壓疲勞、扭轉疲勞等)相耦合的復雜疲勞。主要發(fā)生在工作中既承受彎矩又承受轉矩的轉軸(如齒輪軸、火車輪軸、帶輪軸等)中，對現(xiàn)代交通運輸裝備、工程機械裝備和軍事工程裝備等構成重大的安全隱患。

目前，國內外對疲勞試驗和損傷容限的研究主要是通過獨立的試驗或檢測設備對結構材料進行研究，缺乏對材料進行旋轉彎曲疲勞試驗和損傷容限研究相結合的試驗檢測裝置。然而對轉軸類零件特別是動車輪軸的基于旋轉彎曲疲勞試驗的損傷容限的研究將直接影響其服役安全性、可靠性。因此，為準確、高效進行基于結構材料旋轉彎曲疲勞試驗的損傷容限研究，研發(fā)基于旋轉彎曲疲勞試驗的損傷容限在線檢測裝置具有較大的安全意義和經濟價值。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中的上述不足，本發(fā)明提供的基于旋轉彎曲疲勞的材料損傷容限檢測裝置及檢測方法能夠實現(xiàn)既受彎矩又受扭矩的零件材料在預定工況下?lián)p傷容限的檢測。

為了達到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術方案為：

第一方面，提供一種基于旋轉彎曲疲勞的材料損傷容限檢測裝置，其包括機架、支撐旋轉裝置、用于帶動試樣軸旋轉和在水平面移動的驅動及調節(jié)裝置、用于帶動驅動及調節(jié)裝置在豎直方向移動的Z軸移動裝置、用于給試樣軸施加載荷的加載裝置和用于采集試樣軸上預制裂紋斷裂擴展信息并將其進行上傳的裂紋信息采集裝置；

支撐旋轉裝置包括電動機和活動安裝于支架上、與電動機動力輸出端連接的支撐輪軸，支撐輪軸固定安裝有一支撐輪；裂紋信息采集裝置包括設置于試樣軸上的斷裂片、用于為斷裂片提供激勵電壓并采集斷裂片反饋的電位信號的無線信號傳輸模塊和與無線信號傳輸模塊通信的無線信號接收模塊；

驅動及調節(jié)裝置包括活動安裝于Z軸移動裝置上的滑動結構和安裝在Z軸移動裝置上帶動滑動結構在水平面移動的伺服電動缸，滑動結構上安裝有連接在一起的電主軸和軸箱，軸箱的輸出軸上安裝有一用于裝夾試樣軸的液壓夾頭；試樣軸的端部安裝有與支撐輪滾動配合的試樣輪。

第二方面，提供一種采用基于旋轉彎曲疲勞的材料損傷容限檢測裝置對材料損傷容限進行檢測的檢測方法，其包括以下步驟：

a、將試樣輪壓裝在試樣軸端部，并在試樣軸上預制裂紋缺陷、粘貼斷裂片和安裝無線信號傳輸模塊；

b、將裝配好的試樣軸裝夾于液壓夾頭上，并啟動液壓夾頭夾緊試樣軸，控制伺服電動缸伸縮帶動滑動結構在水平面上移動，直至試樣軸端部與加載裝置接觸；

c、控制Z軸移動裝置帶動驅動及調節(jié)裝置在豎直方向移動，直至試樣輪與支撐輪之間的接觸間隙為零；

d、控制加載裝置對試樣軸端部施加載荷，產生向下的徑向彎曲載荷，通過加載裝置上傳的反饋值調整加載裝置施加的彎曲載荷大??；

e.啟動電動機和電主軸，分別驅動支撐輪相對于試樣輪做純滾動；

f.在試驗過程中，通過無線信號傳輸模塊將斷裂片所反映的預制裂紋擴展實時信息輸送至外部的采集系統(tǒng)，并通過“局部電位法”分析計算式得到試樣軸在設定參數(shù)下的損傷容限：

式中：a為裂紋尺寸(mm)；a_r為初始裂紋尺寸(mm)；w為試樣寬度(mm)；V為測量的裂紋端電壓(mV)；V_r為對應于a_r的測量電壓(mV)；y₀為從裂紋面到電壓測量引線的跨距(mm)。

本發(fā)明的有益效果為：本方案通過驅動及調節(jié)裝置帶動試樣軸旋轉，同時給試樣軸端部施加一個向下的壓力而產生向下的徑向彎曲載荷，并通過斷裂片進行采集，之后再在上位機的協(xié)作下實現(xiàn)損傷容限準確、高效地檢測；通過本裝置，能夠實現(xiàn)模擬既受彎矩又受扭矩的零件材料在預定工況下的損傷容限檢測。

由于試樣輪軸和支撐輪采用獨立電機驅動的方式，可實現(xiàn)兩輪的不同速度匹配模式，達到試樣軸所受轉矩可調的目的。

通過無線信號傳輸和斷裂片法相結合的裂紋擴展檢測方法實現(xiàn)了不停機在線檢測，提高了試驗檢測效率，同時采用的圖像分析法可對在線檢測方式的結果加以驗證，保證了試驗測試結果的精準性。

附圖說明

圖1為基于旋轉彎曲疲勞的材料損傷容限檢測裝置的立體圖。

圖2為基于旋轉彎曲疲勞的材料損傷容限檢測裝置的主視圖。

圖3為基于旋轉彎曲疲勞的材料損傷容限檢測裝置的左視圖。

圖4為斷裂片粘貼與試樣軸的預制裂紋兩側的結構示意圖。

其中，1、機架；2、驅動及調節(jié)裝置；21、伺服電動缸；22、固定板；23、電主軸；24、軸箱；25、液壓夾頭；26、試樣輪；27、軸承組件；28、活動板；29、連接板；210、支撐防護架；3、支撐旋轉裝置；31、電動機；32、減速器；33、聯(lián)軸器；34、支架；35、支撐輪軸；36、支撐輪；4、加載裝置；41、第二伺服液壓缸；42、載荷傳感器；5、圖像采集裝置；51、伺服電機；52、電動伸縮模塊；53、CCD圖像傳感器；6、Z軸移動裝置；61、第一伺服液壓缸；62、導向柱；63、導向套；64、托板；65、法蘭盤；7、旋轉編碼器；8、斷裂片；9、試樣軸。

具體實施方式

下面對本發(fā)明的具體實施方式進行描述，以便于本技術領域的技術人員理解本發(fā)明，但應該清楚，本發(fā)明不限于具體實施方式的范圍，對本技術領域的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。

如圖1所示，該基于旋轉彎曲疲勞的材料損傷容限檢測裝置包括機架1、支撐旋轉裝置3、用于帶動試樣軸9旋轉和在水平面移動的驅動及調節(jié)裝置2、用于帶動驅動及調節(jié)裝置2在豎直方向移動的Z軸移動裝置6、用于給試樣軸9施加載荷的加載裝置4和用于采集試樣軸9上預制裂紋斷裂擴展信息并將其進行上傳的裂紋信息采集裝置。

在本發(fā)明的一個實施中，機架1可以采用高強度鋼板焊接成箱式結構，通過螺栓連接組成，其具有高強度、高剛度等特點，從而可保證實際試驗檢測中具有最優(yōu)的防震性能和寬溫度范圍內的尺寸穩(wěn)定性。

本裝置在實際使用時，為了進一步提高裝置運行過程中的穩(wěn)定性，可以在機架1整體的底部設置上防震墊，另外還可以在其安裝的位置設置基坑，將裝有防震墊的裝置放置于基坑中。

在實施時，為了保證既受彎矩又受扭矩的零件材料在預定工況下的損傷容限檢測的安全性，可以在機架1外設置包裹整個檢測裝置的防護罩。

如圖1和圖2所示，支撐旋轉裝置3包括電動機31和活動安裝于支架34上、與電動機31動力輸出端連接的支撐輪軸35，支撐輪軸35上固定安裝有一支撐輪36；其中的電動機31和支架34均安裝在機架1的底板上。

由于電動機31的轉速較大，難以實現(xiàn)不同工況的模擬檢測實驗，于是本方案優(yōu)選支撐旋轉裝置3還可以包括減速器32，減速器32分別與電動機31和支撐輪軸35連接。其中電動機31、減速器32和支撐輪軸35之間通過聯(lián)軸器33依次連接。

作為一種優(yōu)選，支撐旋轉裝置3的電動機31可以采用變頻調速電機，這樣設置之后其可以在變頻調速器的控制下達到不同的轉速，以適應不同試驗參數(shù)需求。減速器32優(yōu)選采用一級斜齒輪減速器32，其具有嚙合平穩(wěn)、沖擊小、傳動效率和傳動穩(wěn)定性高等優(yōu)點，能將電機輸出的扭矩放大使試驗裝置具備足夠的啟動轉矩。

在實施時，可以在本方案中的支撐輪軸35兩端安裝圓柱滾子軸承，為了確保支撐輪軸35運動的穩(wěn)定性，可以為支撐輪軸35配套潤滑和冷卻系統(tǒng)保證試驗裝置長時間運行的可靠性。

同時，本方案還包括在支撐輪軸35的端部設置的用于采集支撐輪軸35轉速的旋轉編碼器7，旋轉編碼器7可對支撐輪36的轉速進行精確測量并反饋給運動控制器，局部構成閉環(huán)控制系統(tǒng)。如圖1和圖2所示，旋轉編碼器7通過支撐架安裝在機架1上，其位于支撐輪軸35的端部，但不與支撐輪軸35接觸。

裂紋信息采集裝置包括設置于試樣軸9上的斷裂片8、用于為斷裂片8提供激勵電壓并采集斷裂片8反饋的電位信號的無線信號傳輸模塊和與無線信號傳輸模塊通信的無線信號接收模塊。

如圖4所示，本方案優(yōu)選設置兩片斷裂片8，兩片斷裂片8位于試樣軸9的中部，且分別設置于試樣軸9上預制裂紋的兩側；測試時，無線信號傳輸模塊優(yōu)選設置于試樣軸9的中部。

再次參考圖1和圖2，驅動及調節(jié)裝置2包括活動安裝于Z軸移動裝置6上的滑動結構和安裝在Z軸移動裝置6上帶動滑動結構在水平面移動的伺服電動缸21，滑動結構上安裝有連接在一起的電主軸23和軸箱24，軸箱24的輸出軸上安裝有一用于裝夾試樣軸9的液壓夾頭25；試樣軸9的端部安裝有與支撐輪36滾動配合的試樣輪26。

由于在實際使用時，與支撐輪36形成對滾副的試樣輪26所用材料硬度應略小于支撐輪36工作面硬度，以保證長期試驗過程中試驗裝置具有較高的尺寸穩(wěn)定性。其中的支撐輪36優(yōu)先選用高強度耐磨鋼加工而成，工作圓周表面熱處理使硬度達到HRC≥60。

為了保證力矩傳遞的穩(wěn)定性，驅動及調節(jié)裝置2中的電主軸23和軸箱24之間通過聯(lián)軸器33連接在一起，實施時，本方案提到的所有聯(lián)軸器33均采用梅花聯(lián)軸器33，該聯(lián)軸器33能夠有效吸收沖擊和振動，并且具備角度、軸向伸縮膨脹和對中平行度的糾偏能力，能有效保障裝置的使用安全。

如圖1和圖2所示，在機架1的中部平臺上還安裝有一支撐防護架210，測試時，試樣軸9需要穿過支撐防護架210安裝在液壓夾頭25上。無線信號接收模塊安裝在該支撐防護架210上。

在本發(fā)明的一個實施例中，Z軸移動裝置6包括設置于機架1頂部的第一伺服液壓缸61和至少一根設置于機架1上的導向柱62，導向柱62上通過導向套63活動安裝有一托板64，托板64與第一伺服液壓缸61固定連接；滑動結構和伺服電動缸21均安裝在托板64上。

實施時，為了便于Z軸移動裝置6帶動檢測裝置移動的穩(wěn)定性和阻力最小化，本方案優(yōu)選采用四根導向柱62；在托板64上表面中心處安裝有一法蘭蓋，第一伺服液壓缸61通過法蘭盤65與托板64固定連接在一起。

如圖3所示，本方案的滑動結構可以優(yōu)選包括固定安裝于托板64下表面的固定板22和活動安裝于固定板22下表面的滑槽內的活動板28；活動板28通過連接板29與伺服電動缸21連接。

為了確?；瑒咏Y構的穩(wěn)定性和降低活動板28相對于滑槽運動時產生的阻力，本方案優(yōu)選將滑槽設計成燕尾槽，活動板28設計成與燕尾槽形狀相匹配的結構。

如圖1-圖3所示，加載裝置4包括設置于機架1頂部的第二伺服液壓缸41和設置于第二伺服液壓缸41動力輸出軸端部、用于采集試樣軸9上壓力的載荷傳感器42。實施時，在試樣軸9的端部安裝有一軸承組件27，載荷傳感器42與軸承組件27接觸。

如圖2所示，該基于旋轉彎曲疲勞的材料損傷容限檢測裝置還包括用于采集試樣軸9上預制裂紋斷裂擴展信息的圖像采集裝置5。圖像采集裝置5作為測試試樣軸9損傷容限的輔助裝置，其可以提高試驗檢測的準確性。

在本發(fā)明的一個實施例中，圖像采集裝置5包括伺服電機51、安裝在伺服電機51上的電動伸縮模塊52和安裝于電動伸縮模塊52端部的CCD圖像傳感器53。在實際使用時，采用電動伸縮模塊52驅動CCD圖像傳感器53對試驗過程中試樣軸9上的裂紋擴展狀態(tài)進行采集，并將采集的數(shù)據(jù)上傳至上位機信號采集系統(tǒng)進行分析處理。

為減小Z軸方向運動精度和穩(wěn)定性對CCD圖像傳感器53對焦的影響，本方案中的電動伸縮模塊52采用精密絲杠結構，可消除反向間隙，采用伺服電機51驅動可保證CCD圖像傳感器53在對焦過程中的穩(wěn)定性。

至此，已完成對基于旋轉彎曲疲勞的材料損傷容限檢測裝置結構的描述，下面接著對采用基于旋轉彎曲疲勞的材料損傷容限檢測裝置對材料損傷容限進行檢測的檢測方法進行詳細地描述：

該檢測方法包括以下步驟：

a、將試樣輪26壓裝在試樣軸9端部，并在試樣軸9上預制裂紋缺陷、粘貼斷裂片8和安裝無線信號傳輸模塊；

b、將裝配好的試樣軸9裝夾于液壓夾頭25上，并啟動液壓夾頭25夾緊試樣軸9，控制伺服電動缸21伸縮帶動滑動結構在水平面上移動，直至試樣軸9端部與加載裝置4(此處是使安裝在試樣軸9上的軸承組件27與加載裝置4的載荷傳感器42接觸)接觸；

c、控制Z軸移動裝置6帶動驅動及調節(jié)裝置2在豎直方向移動，直至試樣輪26與支撐輪36之間的接觸間隙為零；

d、控制加載裝置4對試樣軸9端部施加載荷，產生向下的徑向彎曲載荷，通過加載裝置4上傳的反饋值調整加載裝置4施加的彎曲載荷大??；

e.啟動電動機31和電主軸23，分別驅動支撐輪36相對于試樣輪26做純滾動；

f.在試驗過程中，通過無線信號傳輸模塊將斷裂片8所反映的預制裂紋擴展實時信息輸送至外部的采集系統(tǒng)，并通過“局部電位法”分析計算式得到試樣軸在設定參數(shù)下的損傷容限：

式中：a為裂紋尺寸(mm)；a_r為初始裂紋尺寸(mm)；w為試樣寬度(mm)；V為測量的裂紋端電壓(mV)；V_r為對應于a_r的測量電壓(mV)；y₀為從裂紋面到電壓測量引線的跨距(mm)。

在本發(fā)明的一個實施例中，為了提高試驗檢測的準確性，本檢測方法還包括采集試樣軸9上預制裂紋的實時圖像信息，并傳輸至上位機，對預制裂紋的實時圖像信息進行數(shù)值化處理、濾波降噪、信號增強后再進行圖像二值化處理，并采用邊緣提取算法對裂紋尺寸進行自動測量；通過試驗過程中多次停機檢測得出試樣軸9預制擴展速率。

雖然結合附圖對本發(fā)明的具體實施方式進行了詳細地描述，但不應理解為對本專利的保護范圍的限定。在權利要求書所描述的范圍內，本領域技術人員不經創(chuàng)造性勞動即可做出的各種修改和變形仍屬本專利的保護范圍。