一種小型疲勞試驗(yàn)裝置往復(fù)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

劉永興 王強(qiáng)

【摘? 要】許多零件在實(shí)際工作狀態(tài)中承受動(dòng)載荷的作用，與受到靜載荷作用而產(chǎn)生破壞時(shí)會(huì)出現(xiàn)明顯變形的情況不同，這些零件往往是在并未發(fā)生顯著變形的情況下出現(xiàn)疲勞破壞現(xiàn)象。針對(duì)目前大多數(shù)高職院校的實(shí)驗(yàn)室都沒(méi)有疲勞試驗(yàn)設(shè)備，無(wú)法給學(xué)生開(kāi)展疲勞試驗(yàn)，嚴(yán)重影響了金屬材料疲勞過(guò)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，因此，研制一臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、易操作的小型扭轉(zhuǎn)與軸向拉壓疲勞試驗(yàn)裝置具有非常必要的現(xiàn)實(shí)意義。論文對(duì)這種小型疲勞試驗(yàn)裝置的往復(fù)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與研究。

【Abstract】Many components are subject to dynamic loads in the actual operating state， unlike those that exhibit significant deformation when damage caused by static loads， and these parts tend to experience fatigue damage without significant deformation. In view of the fact that most of the laboratories in vocational colleges and universities do not have fatigue test equipment， they can't carry out fatigue test for students， which seriously affects the current situation of experimental teaching of metal material fatigue process， so it is of great practical significance to develop a small fatigue test device with simple structure， low cost and easy operation. This paper is the design and research of the reciprocating torsion mechanism of this small fatigue test device.

【關(guān)鍵詞】疲勞試驗(yàn)裝置;往復(fù)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu);設(shè)計(jì)

【Keywords】fatigue test device; reciprocating torsion mechanism; design

【中圖分類號(hào)】TH112? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號(hào)】1673-1069（2021）09-0185-03

1 引言

許多小型零部件在實(shí)際工作狀態(tài)中，會(huì)受到反復(fù)的扭轉(zhuǎn)、拉伸等載荷的作用。當(dāng)這種循環(huán)應(yīng)力或應(yīng)變達(dá)到一定次數(shù)時(shí)，零部件會(huì)產(chǎn)生疲勞現(xiàn)象，在應(yīng)力或應(yīng)變集中處出現(xiàn)裂紋直至發(fā)生斷裂。目前很少有專門針對(duì)小型零部件的小載荷疲勞試驗(yàn)機(jī)，且國(guó)內(nèi)大多數(shù)高職院校的實(shí)驗(yàn)室或?qū)嵱?xùn)基地都沒(méi)有疲勞試驗(yàn)設(shè)備，無(wú)法給學(xué)生開(kāi)展疲勞試驗(yàn)，嚴(yán)重影響了金屬材料疲勞過(guò)程實(shí)驗(yàn)教學(xué)的現(xiàn)狀，因此，研制一臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低成本、易操作的小型扭轉(zhuǎn)與軸向拉壓疲勞試驗(yàn)裝置具有非常必要的現(xiàn)實(shí)意義。本文是對(duì)這種小型疲勞試驗(yàn)裝置的往復(fù)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究。

2 往復(fù)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的基本結(jié)構(gòu)與原理

該往復(fù)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)旨在盡量通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械結(jié)構(gòu)來(lái)模擬實(shí)際工作狀態(tài)中扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)情況，主要實(shí)現(xiàn)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)為執(zhí)行裝置完成與鉛垂方向左右擺角相等的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，與此同時(shí)，該往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)頻率和擺角大小需要實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)性。通過(guò)對(duì)比凸輪機(jī)構(gòu)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、加工難易程度、經(jīng)濟(jì)型等條件，選擇使用曲柄搖桿機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。如圖1所示，曲柄AB與減速器連接，以恒定角速度ω進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，搖桿CD實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，曲柄AB轉(zhuǎn)動(dòng)1周，搖桿CD就跟隨擺動(dòng)1次，擺動(dòng)幅度為極限位置C1D至極限位置C2D，擺動(dòng)角度為φ，亦為極位夾角。

3 曲柄搖桿機(jī)構(gòu)各桿件的參數(shù)關(guān)系

本課題往復(fù)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是為了使小型疲勞試驗(yàn)裝置實(shí)現(xiàn)確定角度的往復(fù)擺動(dòng)，故擺動(dòng)角度與2個(gè)極限位置已知。即在已知曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿極限位置C1D、C2D和極位夾角φ的條件下，利用三角形正弦定理和余弦定理來(lái)求出各桿件之間的長(zhǎng)度關(guān)系。當(dāng)各個(gè)桿件之間的長(zhǎng)度關(guān)系確定之后，整個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律也就隨之確定。所以應(yīng)該首先對(duì)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析。運(yùn)動(dòng)分析有如解析法、圖解法等多種方法，這里主要采用速度瞬心法進(jìn)行曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，在已知曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中搖桿極限位置C1D、C2D和極位夾角φ的條件下，利用三角形正弦定理和余弦定理求解各桿件之間的長(zhǎng)度關(guān)系。

曲柄搖桿機(jī)構(gòu)ABCD中，設(shè)AD為機(jī)架，曲柄AB與減速器連接，以恒定角速度ω2進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)，則曲柄AB為原動(dòng)件，連桿CD為搖桿，各桿件AB、BC、CD與機(jī)架AD之間直接以轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，所以，可以直接確定它們之間的瞬心位置，其速度瞬心位置就是轉(zhuǎn)動(dòng)副的轉(zhuǎn)動(dòng)中心點(diǎn)，分別為桿件1、2對(duì)應(yīng)的瞬心P12、桿件2、3對(duì)應(yīng)的瞬心P23、桿件3、4對(duì)應(yīng)的瞬心P34、桿件1、4對(duì)應(yīng)的瞬心P41。然而，桿件2、4對(duì)應(yīng)的速度瞬心P24并不能直接觀察得到，可通過(guò)三心定理進(jìn)行確定：四連桿機(jī)構(gòu)中，作平面平行運(yùn)動(dòng)的3個(gè)構(gòu)件共有3個(gè)瞬心，它們位于同一直線上。速度瞬心P24的確定：對(duì)于桿件2、3、4來(lái)說(shuō)，速度瞬心P24必然在瞬心P23和瞬心P34所確定的直線上，而對(duì)于桿件1、2、4來(lái)說(shuō)，速度瞬心P24必然在瞬心P12和瞬心P14所確定的直線上，于是，我們可以確定，速度瞬心P24為直線P23P34與直線P12P41延長(zhǎng)線的交點(diǎn)。具體速度瞬心位置如圖2所示。

曲柄AB以角速度ω2做圓周運(yùn)動(dòng)，通過(guò)計(jì)算便可以得出搖桿CD的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω4和C點(diǎn)速度Vc。速度瞬心P24為構(gòu)件2和構(gòu)件4的重合點(diǎn)，故有：

ω4 · P12P24=ω4 · P14P24? ? ? ? ? ? ? （1）

Vc=ω4 · CD? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

由于搖桿CD要實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)角度為φ的往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，則其擺動(dòng)幅度分別對(duì)應(yīng)為極限位置C1D至極限位置C2D，如圖1所示。所以有：

Vc1=Vc2=0? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

ω4=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

根據(jù)式（1），有：

ω4=ω2=0? ? ? ? ? ? ? ? ? （5）

在式（5）中，P14P24作為分母不能取0，所以，只能分子P12P24=0。于是，我們可以得出這樣的結(jié)論：瞬心P12和瞬心P24的位置重合，即搖桿CD的極限位置點(diǎn)C1與對(duì)應(yīng)曲柄位置A1、B兩點(diǎn)在同一條直線上，極限位置點(diǎn)C2與對(duì)應(yīng)曲柄位置A2、B兩點(diǎn)在同一條直線上。由于極限位置點(diǎn)C1、C2位置已知，選取其中一點(diǎn)任做一條不過(guò)另外一點(diǎn)的直線，使其與水平線相交，兩線交角為θ。連接點(diǎn)C1、C2得到線段C1C2，過(guò)線段C1C2的中點(diǎn)做垂線，那么點(diǎn)D必在這條中垂線上。這樣就可以有無(wú)窮多組連桿機(jī)構(gòu)可以選取，如圖3所示。

搖桿CD的極限位置點(diǎn)C1、C2，分別與對(duì)應(yīng)曲柄位置A1、B和A2、B在同一條直線上，并與所表示機(jī)架的桿1、表示搖桿的桿4構(gòu)成三角形，根據(jù)他們?cè)跇O限位置時(shí)的幾何關(guān)系，利用三角形的余弦定理可以求解出各個(gè)桿件之間的長(zhǎng)度關(guān)系。假設(shè)桿2長(zhǎng)為α，桿3長(zhǎng)為b，桿4長(zhǎng)為c，桿1長(zhǎng)為d，C1、C2=H，擺角為？覫，極位夾角為θ，在中？駐AC1C2中，AC1=b-α，AC2=b+α，根據(jù)余弦定理有：

cosθ=? ? ? ? ? （6）

在？駐AC2D中，設(shè)∠AC2D=β，則有：

cosβ=? ? ? ? ? ? ? ?（7）

其中，設(shè)∠B2C2E=α，β=α-。在？駐EC2D中，根據(jù)三角形內(nèi)角和得出：∠EC2D=。而在Rt？駐AB2E中，設(shè)EB2=h。

h=? ? ? ? ? ? ? ?（8）

所以，在Rt？駐AB2C2中，設(shè)EB=h，則tαnα=。

α=arctan（）? ? ? ? ? ? （9）

又因cosβ=coscos（α+）+sinsin（α+），且在？駐DFC2中，因？駐DC1C2為等腰三角形，故：

sin=? ? ? ? ?（10）

cos=? ? ? ? ? ? ? ?（11）

cos（α+）·sin（α+=（12）

即：

在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)行過(guò)程中，搖桿CD與連桿BC的夾角∠BCD的大小是不斷變化的，該夾角∠BCD即為傳動(dòng)角γ。連桿對(duì)搖桿在C點(diǎn)的力通過(guò)分解可知，傳動(dòng)角γ越大，力在搖桿運(yùn)動(dòng)方向的分力越大，機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效果越好。所以為保證機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)性能，應(yīng)使γmin≥40℃。對(duì)于曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，γmin出現(xiàn)在機(jī)架所表示的桿件1與曲柄表示的桿件2的共線處，如圖4所示。

在？駐BCD中，BD=d-α，則有：

過(guò)上面各式，在一些參數(shù)已知的情況下便可計(jì)算出各桿件參數(shù)關(guān)系。

4 擺動(dòng)角度的調(diào)節(jié)

本疲勞試驗(yàn)裝置要實(shí)現(xiàn)對(duì)往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的擺角大小可調(diào)節(jié)功能，可通過(guò)將曲柄設(shè)置為旋轉(zhuǎn)盤來(lái)實(shí)現(xiàn)。不同的擺動(dòng)角度對(duì)應(yīng)搖桿不同的極限位置，通過(guò)上述計(jì)算式可以得到不同擺動(dòng)角度對(duì)應(yīng)的曲柄長(zhǎng)度。在旋轉(zhuǎn)盤上即可得到不同的角度調(diào)節(jié)孔，如圖5所示，由減速器與旋轉(zhuǎn)盤的電機(jī)孔聯(lián)接，電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤做圓周運(yùn)動(dòng)，連桿與旋轉(zhuǎn)盤中對(duì)應(yīng)角度調(diào)節(jié)孔聯(lián)接。通過(guò)計(jì)算，根據(jù)需要的擺桿擺動(dòng)角度，獲得不同的角度調(diào)節(jié)孔中心到旋轉(zhuǎn)盤中心的距離。在實(shí)際操作過(guò)程中，通過(guò)改變連桿與旋轉(zhuǎn)盤間的角度調(diào)節(jié)孔，從而實(shí)現(xiàn)不同的擺桿擺動(dòng)角度。

5 擺動(dòng)頻率的調(diào)節(jié)

本疲勞試驗(yàn)裝置要實(shí)現(xiàn)對(duì)往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)頻率可調(diào)節(jié)功能，可通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)實(shí)現(xiàn)。電動(dòng)機(jī)通過(guò)減速器與曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的曲柄聯(lián)接，當(dāng)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)后，曲柄角速度ω亦隨之變化，從而實(shí)現(xiàn)搖桿擺動(dòng)頻率的變化。同時(shí)，綜合考慮電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)體積、輸出功率、調(diào)速范圍、維護(hù)方便和經(jīng)濟(jì)價(jià)格等方面的因素，初步選用微特電機(jī)D02系列三相異步電動(dòng)機(jī)D02-5024，其主要參數(shù)為：額定電壓220V，功率25W，轉(zhuǎn)速r=1400r/min，效率η=0.38，功率因數(shù)0.82，外形尺寸為L(zhǎng)×B×H=155×110×150。

6 結(jié)語(yǔ)

小型疲勞實(shí)驗(yàn)裝置往復(fù)扭轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)最主要的是實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)的擺動(dòng)頻率和擺動(dòng)角度的可調(diào)節(jié)性，通過(guò)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)功能;使用旋轉(zhuǎn)盤代替曲柄，可以實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)角度的可調(diào)節(jié)性，旋轉(zhuǎn)盤上角度調(diào)節(jié)孔中心到電機(jī)孔中心的距離亦可以通過(guò)計(jì)算獲得;通過(guò)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)擺動(dòng)頻率的可調(diào)節(jié)性。本機(jī)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)主要是結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，機(jī)構(gòu)體積較小，故而加工、安裝和操作都比較容易。

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