趙洪昌，谷春華，尹廷林

(長春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，吉林 長春 130103)

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ZQP-30000型曲軸疲勞試驗臺研制

趙洪昌，谷春華，尹廷林

(長春機(jī)械科學(xué)研究院有限公司，吉林 長春 130103)

摘要：ZQP-30000型曲軸疲勞試驗臺是通過電磁共振原理進(jìn)行工作的，主要用來測試曲軸在彎曲疲勞狀態(tài)下的性能，主要用于曲軸疲勞強(qiáng)度評估試驗、新設(shè)計、變更工藝、變更材料、產(chǎn)品質(zhì)量抽檢及其它可能引起疲勞顯著變化等情況。

關(guān)鍵詞：曲軸；扭轉(zhuǎn)；疲勞；力學(xué)特征；大型液壓夾具

1引言

隨著大型客機(jī)、船舶等交通運(yùn)輸工具的制造規(guī)模越來越大，以及國有自主品牌的研制與開發(fā)越來越國有化和現(xiàn)代化，對相關(guān)的設(shè)備和使用的零部件力學(xué)性能要求也越來越高，需要研發(fā)和測試的內(nèi)容也會逐漸增加，核心部件大型發(fā)動機(jī)和壓縮機(jī)的曲軸性能測試更是急待解決。目前，國內(nèi)對曲軸性能測試的直徑都是小于200mm的試驗設(shè)備，ZQP-30000型曲軸疲勞試驗臺可以填補(bǔ)這方面的空白，此試驗臺與同類設(shè)備相比，在以下幾方面具有創(chuàng)新性和優(yōu)越性：

(1)主機(jī)采用30kN激振器作為動力源，性能穩(wěn)定可靠。激振器振頭角度可調(diào)，可以垂直工作，也可以水平工作。激振器配備功放柜、冷風(fēng)機(jī)等。

(2)懸掛系統(tǒng)采用移動式行車吊裝夾具，吊裝移動方便，試件橫向、縱向調(diào)整也比較便捷。

(3)試件工裝夾具采用液壓夾具形式，液壓夾具采用楔形結(jié)構(gòu)，由超高壓油泵供油。

2ZQP-30000型曲軸疲勞試驗臺的主要技術(shù)指標(biāo)

(1)最大激振力：30000N；

(2)最大輸出功率：30kVA；

(3)工作頻率范圍：5-2000Hz；

(4)頻率指示分度：0.01Hz；

(5)長期連續(xù)運(yùn)行能力107h，斷電后具有記憶功能。

3試驗臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)及試驗安裝操作

試驗臺的機(jī)械結(jié)構(gòu)包括行車、吊具、臺架、激振器、風(fēng)冷卻系統(tǒng)、曲軸彎曲夾具、曲軸扭轉(zhuǎn)夾具、電控柜(包括功率放大器、函數(shù)發(fā)生器、動態(tài)應(yīng)變儀)，如圖1所示。

1.平衡梁　2.鋼絲繩　3.彎曲夾具　4.彎曲標(biāo)定裝置 5.激振器　6.吊裝行車　7.扭轉(zhuǎn)夾具　8.扭轉(zhuǎn)夾具軸承座 9.振桿　10.支撐座　11.扭轉(zhuǎn)標(biāo)定裝置圖1　ZQP-30000型曲軸疲勞試驗臺主機(jī)結(jié)構(gòu)圖

3.1彎曲試驗安裝操作說明

(1)先將曲軸試件一端裝入工裝，再將另一端裝入工裝另一側(cè)。將試件調(diào)正，即將貼應(yīng)變片的一側(cè)轉(zhuǎn)到正上方。對于手動夾具，在擰緊緊固螺釘時，需要多次循環(huán)擰緊，直到所有螺釘達(dá)到緊固要求；對于液壓夾具，只需按夾緊按鈕即可。

(2)將裝好曲軸試樣的工裝用行車吊起，先將振桿一端與過渡盤連接好，再將螺紋另一端旋入工裝端，但螺母不緊固，微調(diào)行車，將過渡盤的安裝孔對準(zhǔn)激振器的安裝孔，旋入螺釘并緊固，最后旋緊工裝端的螺母緊固。

(3)將加速度傳感器吸到工裝振臂的外側(cè)，接好應(yīng)變片信號線，即可準(zhǔn)備試驗。

3.2彎曲標(biāo)定操作說明

(1)將校力裝置放置于臺面上，將校力接頭旋入振臂上的螺紋孔內(nèi)，將裝好曲軸試件的工裝往下落，校力接頭與傳感器壓頭對正。

(2)將千斤頂油管接好，壓動千斤頂手壓泵的壓桿，使千斤頂壓頭伸出，即可進(jìn)行加載。壓振臂時，觀察與傳感器連接的顯示儀表并讀數(shù)。

(3)將力臂長度和加載力值的乘積與軟件顯示的彎矩進(jìn)行比對進(jìn)行標(biāo)定。

3.3扭轉(zhuǎn)試驗安裝操作說明

(1)先將曲軸試件一端裝入扭轉(zhuǎn)工裝，再將另一端裝入工裝另一側(cè)。將試件調(diào)正，即將貼應(yīng)變片的一側(cè)轉(zhuǎn)到正上方。擰緊緊固螺釘時，需要多次循環(huán)擰緊，直到所有螺釘達(dá)到緊固要求。

(2)將裝好曲軸試樣的工裝通過軸承裝至軸承座上，再將軸承座裝在扭轉(zhuǎn)工裝支座上，調(diào)整位置，使振桿的過渡盤上的安裝孔與激振器上的安裝孔對準(zhǔn)，微調(diào)振桿使振臂接近水平，然后緊固(如圖2所示)。

圖2　扭轉(zhuǎn)試驗安裝示意圖

(3)將加速度傳感器吸到工裝振臂的上側(cè)，接好應(yīng)變片信號線，即可準(zhǔn)備試驗。

3.4扭轉(zhuǎn)標(biāo)定操作說明

(1)將校力裝置放置于臺面上，將軸承座和安裝板以及承載裝置固定在平臺上，調(diào)整好位置，使扭轉(zhuǎn)工裝振臂一邊上面頂在傳感器上，另一邊下側(cè)頂在千斤頂上。

(2)將千斤頂油管接好，壓動千斤頂手壓泵的壓桿，使千斤頂壓頭伸出，即可進(jìn)行加載。壓振臂時，觀察與傳感器連接的顯示儀表并讀數(shù)，如圖3所示。

圖3　扭矩標(biāo)定示意圖

(3)將力臂長度和加載力值的乘積與軟件顯示的扭矩進(jìn)行比對進(jìn)行扭矩標(biāo)定。

4電氣系統(tǒng)

4.1電氣原理

在計算機(jī)上首先設(shè)定一頻率及幅值信號給信號發(fā)生器，信號發(fā)生器輸出該頻率與幅值信號給功率放大器，功率放大器驅(qū)動激振器使曲軸裝置做強(qiáng)迫振動，計算機(jī)實時監(jiān)視放大器板卡(動態(tài)應(yīng)變儀)的輸出信號及功率放大器的輸出電流，根據(jù)二者的變化情況來控制信號發(fā)生器的輸出頻率及幅度，在輸出功率一定的情況下，電流最小時的振動頻率即為共振頻率，即通過自動掃描共振頻率，實現(xiàn)共振；通過功率放大器進(jìn)一步調(diào)整輸出功率，從而達(dá)到試驗要求。原理方框圖如圖4所示。

圖4　電氣原理圖

4.2應(yīng)變片的標(biāo)定

靜態(tài)標(biāo)定：在被測曲軸上貼上電阻應(yīng)變片，通過標(biāo)定裝置標(biāo)定應(yīng)變片輸出的電壓信號與曲軸彎矩值對應(yīng)關(guān)系，確定曲軸所受彎矩或扭矩。

(1)正確裝夾好曲軸試件；

(2)按正確的方法在曲軸上貼好應(yīng)變片，并焊好引出線，與應(yīng)變儀橋盒正確連接，并牢固接好地線；

(3)裝好靜態(tài)標(biāo)定夾具裝置及測力傳感器(此時測力傳感器顯示儀表示值應(yīng)為零，否則應(yīng)清零)；

(4)加力于測力傳感器至預(yù)加負(fù)載，撤去負(fù)載后，重新調(diào)整動態(tài)電阻應(yīng)變儀靜態(tài)零點(diǎn)；

(5)再次加力于測力傳感器至預(yù)加負(fù)載，記錄動態(tài)應(yīng)變儀讀數(shù)及計算機(jī)軟件上彎矩示值，撤去負(fù)載；

(6)撤去靜態(tài)標(biāo)定裝置，調(diào)整動態(tài)電阻應(yīng)變儀零點(diǎn)，準(zhǔn)備進(jìn)行動態(tài)試驗。

5結(jié)束語

目前，此種大型曲軸彎曲及扭轉(zhuǎn)試驗設(shè)備在國內(nèi)尚屬首臺，因此市場發(fā)展前景可觀，應(yīng)用領(lǐng)域會逐漸拓寬。

參考文獻(xiàn)

[1]汪克廉.扭轉(zhuǎn)試驗及扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)[J].試驗技術(shù)與試驗機(jī),1993,33(3):7-15.

[2]GB/T9370-1999扭轉(zhuǎn)試驗機(jī)技術(shù)條件[S].

[3]GB/T239-1999金屬線材扭轉(zhuǎn)試驗方法[S].

[收稿日期]2016-03-03

[作者簡介]趙洪昌(1979-)，男，工程師，主要研究方向：機(jī)械設(shè)計。

中圖分類號：TH87

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.02.014

Development of ZQP-30000 Crankshaft Fatigue Testing Machine

Zhao Hongchang, Gu Chunhua, Yin Tinglin

(Changchun Research Institute for Mechanical Science Co., Ltd. Changchun 130103, Jilin, China)

Abstract：ZQP crankshaft fatigue testing machine, which works according to the magnetic resonance principle, is the testing equipment which is mainly used to test the bending fatigue performance of crankshaft. The testing equipment is usually used for the crankshaft fatigue strength assessment, new design, material and technical change, supplier identification, sampling inspection of product quality and other conditions of significant fatigue change, and so on.

Keywords:crankshaft; torsion; fatigue; mechanical feature; large hydraulic fixture