一種彈性推拉桿加載裝置的設(shè)計及應(yīng)用

王文龍，孫澤明，付鑫濤，王清河，郭成偉，張?zhí)煨?/p>

(1．承德石油高等?？茖W(xué)校 a.工業(yè)技術(shù)中心；b.機械工程系，河北 承德 067000；2．常州朗銳凱邇必減震技術(shù)有限公司，江蘇 常州 213000)

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一種彈性推拉桿加載裝置的設(shè)計及應(yīng)用

王文龍1a，孫澤明2，付鑫濤1b，王清河1a，郭成偉1a，張?zhí)煨?a

(1．承德石油高等?？茖W(xué)校 a.工業(yè)技術(shù)中心；b.機械工程系，河北 承德 067000；2．常州朗銳凱邇必減震技術(shù)有限公司，江蘇 常州 213000)

為實現(xiàn)材料疲勞試驗、剛度檢測中的載荷加載工作，利用推拉桿裝置進行載荷加載，利用彈性元件提高加載分辨率，設(shè)計了一種彈性推拉桿加載裝置，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、實用性強的優(yōu)點。

加載裝置；推拉桿；彈性元件

載荷加載是產(chǎn)品疲勞試驗、剛度檢測過程中至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，其加載效果直接影響到檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。目前按照加載執(zhí)行元件的不同，載荷加載系統(tǒng)主要分為機械式加載系統(tǒng)、電力式加載系統(tǒng)和電液式加載系統(tǒng)[1]。其中，電力式加載系統(tǒng)主要以伺服電機為執(zhí)行元件，由工控機、控制器、伺服電機、傳感器系統(tǒng)構(gòu)成，具有加載分辨率高、系統(tǒng)穩(wěn)定、振動小、噪音小等優(yōu)點[2]。本文設(shè)計了一種由伺服電機驅(qū)動的載荷加載裝置，該裝置可以適用于簡單的單向載荷加載，具有結(jié)構(gòu)簡單、加工方便、成本較低等特點。

1 加載原理

推拉桿加載裝置原理如圖1所示。該裝置利用伺服電機作為動力源，通過傳動裝置將電機的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為絲杠與絲母間的螺旋運動，其中絲杠沿軸向固定，絲母與加力裝置為關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，進而實現(xiàn)加力裝置在軸向的位移，并將載荷沿連接機構(gòu)傳遞到測試件上，完成對測試件的加載[3]。

如圖1所示，推拉桿的加載力F是由推拉桿拉伸或壓縮的運動位移產(chǎn)生的，設(shè)推拉桿的剛度系數(shù)為k，電機對其作用的位移為t(“+”為拉伸，“-”為壓縮)，則根據(jù)胡克定律可知推拉桿的加載力F為[4]：

F=±kt

(1)

由電機編碼器分辨率與絲杠螺距可計算得到推拉桿的最小位移增量Δt，則當(dāng)推拉桿剛度系數(shù)k確定時，可以得到力臂推拉桿加載辨識力為：

ΔF=Δtk

(2)

2 加載裝置設(shè)計注意事項

2.1 加載力辨識率的提高

為了提高加載裝置的精度，設(shè)計過程中應(yīng)提高加載力辨識率。由式(2)可知，當(dāng)位移增量Δt為定值時，加載辨識力隨推拉桿剛度系數(shù)k的增大而增大，即推拉桿的剛度系數(shù)k越大，則在相同的位移增量情況下，所加載裝置提供的加載辨識力越大，可以更有效、及時地實現(xiàn)力傳感器對加載力的檢測并做出反饋，從而提高加載力的辨識率。綜上，本文選用一段剛度系數(shù)較大的拉壓彈簧加裝到加力裝置上，利用較大的彈簧剛度系數(shù)k提高加載力辨識率。

2.2 彈性推拉桿處附加彎矩產(chǎn)生與消除

彈性推拉桿通過連接機構(gòu)與測試件相連接，當(dāng)彈性推拉桿進行力加載時，彈性推拉桿前端的加力裝置沿導(dǎo)軌運動，當(dāng)加力裝置與被測試件不在同一中心時，由于過約束會在加載過程中產(chǎn)生附加彎矩。

為去除附加彎矩在連接機構(gòu)與加載部分連接處添加一對關(guān)節(jié)軸承。關(guān)節(jié)軸承由一個有外球面的內(nèi)圈和一個有內(nèi)球面的外圈組成，由于滑動表面為球面形，故可以一定角度范圍內(nèi)作傾斜運動，即調(diào)心運動，因此可以去除由于加力裝置與被測試件不同心所產(chǎn)生的附加彎矩。

3 彈性推拉桿加載裝置設(shè)計及應(yīng)用

彈性推拉桿加載裝置如圖2所示，現(xiàn)以壓縮彈簧進行力的加載為例，對該裝置加載原理進行說明：

加載過程中，首先伺服電機通過同步帶帶動絲杠轉(zhuǎn)動，使絲母與絲杠間產(chǎn)生螺旋運動，實現(xiàn)絲母沿絲杠軸向的直線移動，此時絲母與滑塊1為關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)，共同沿著推桿基座上的導(dǎo)軌做直線滑動，并對拉壓彈簧進行壓縮；壓縮彈簧將位移變化轉(zhuǎn)成壓力，通過滑塊2在推桿基座上的滑動，傳遞到為消除附加彎矩而添加的一對關(guān)節(jié)軸承上，并最終作用到測試件上；同時為了實現(xiàn)準(zhǔn)確控制力的加載，在彈性推拉桿上裝有力傳感器，在加載過程中實時監(jiān)控加載力大小，并發(fā)送反饋信號控制伺服電機完成精確加載。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了一種彈性推拉桿加載裝置，該裝置引用彈性元件提高加載分辨率，利用關(guān)節(jié)軸承去除加載過程中的附加彎矩，整體結(jié)構(gòu)簡單、加工方便，可以實現(xiàn)疲勞試驗、剛度檢測過程中的單向載荷加載工作。

[1] 李衛(wèi)權(quán),鄒克武,劉春哲，等. 纏繞式卷揚機滾筒襯板繩槽切削裝置的設(shè)計與應(yīng)用[J]．承德石油高等專科學(xué)校學(xué)報，2015(3):16-17，34．

[2] 萬德安，朱元佳，鮑凌霞．微型撓性接頭剛度測試系統(tǒng)開發(fā)[J]．計量技術(shù)，2006(12): 24-26．

[3] 李云峰，王廣林，盧澤生．基于接觸理論的彈簧管剛度測量技術(shù)的研究[J]．儀器儀表學(xué)報，2007(1): 53-56．

[4] 楊新峰，苑秉成．深彈舵機電動力加載控制系統(tǒng)的建模與仿真[J]．計算機仿真，2010(1)：13-16．

Design and Application of Elastic Push-Rod Loading Device

WANG Wen-long1a, SUN Ze-ming2, FU Xin-tao1b, WANG Qing-he1a,GUO Cheng-wei1a, ZHANG Tian-xu1a

(1.a.Industrial Technology Center; b.Department of Mechanical Engineering, Chengde Petroleum College; Chengde 067000, Hebei, China; 2.Changzhou KYB LEADRUN Vibration Reduction Technology, Changzhou 213000, Jiangsu, China)

In order to complete load loading work for fatigue test and stiffness test, the structure of push-pull rod is used to achieve load in this paper, and the loading resolution is improved by introducing elastic components. An elastic push-rod loading device is designed, which has the advantages of simple structure and practicability.

loading device; push-pull rod; elastic components

2016-11-27

王文龍(1987-)，男，黑龍江綏化人，助教，碩士，主要從事機械設(shè)計及制造研究工作，E-mail:wangwenlong_hrb@126.com。

TH122

B

1008-9446(2017)03-0037-02