許安鵬

（佛山智能裝備技術研究院，廣東佛山528225）

圓柱螺旋彈簧疲勞試驗機的設計與實現(xiàn)

許安鵬

（佛山智能裝備技術研究院，廣東佛山528225）

彈簧疲勞壽命是對彈簧施加周期性的變載荷，在給定的失效條件下，所試彈簧達到的最大循環(huán)次數(shù)。本試驗機可用于拉伸彈簧或壓縮彈簧的疲勞測試，通過拉壓力傳感器和位移傳感器，實時保存并分析相關數(shù)據(jù)完成彈簧的疲勞試驗。通過對圓柱螺旋彈簧疲勞試驗機的設計，最終實現(xiàn)了試驗樣機的研制。

彈簧；疲勞；試驗機；設計；實現(xiàn)

彈簧是一種彈性元件，多數(shù)機械設備均離不開彈簧。彈簧利用本身的彈性，受載后產(chǎn)生較大變形，卸載后變形消失而彈簧將恢復原狀。彈簧在產(chǎn)生變形和恢復原狀時，能夠將機械功或動能轉變?yōu)樽冃文埽虬炎冃文苻D變?yōu)闄C械功或動能［1］。彈簧的類型很多，按結構形狀來分，彈簧大致分為圓柱螺旋彈簧、非圓柱螺旋彈簧和其他彈簧。圓柱螺旋彈簧又可分為螺旋壓縮、螺旋拉伸和螺旋扭轉彈簧等。一般彈簧在工作中承受的是變載荷，疲勞破壞是彈簧失效的主要形式［2］，故必須對彈簧進行疲勞性能試驗。彈簧疲勞試驗機是一種對彈簧進行循環(huán)應力加載的試驗設備，通過對彈簧施加周期性的變載荷來達到檢查彈簧疲勞壽命的目的。目前，彈簧疲勞試驗機有機械式、電磁諧振式和電液伺服式等［3］。

本設計的圓柱彈簧疲勞試驗機可適用于汽車電動撐桿壓縮彈簧、汽車自吸鎖扣拉伸彈簧以及其他用途的壓縮彈簧或拉伸彈簧的疲勞試驗。

1 系統(tǒng)組成與工作原理

圓柱螺旋彈簧疲勞試驗機組成結構示意如圖1所示。

（1）機械系統(tǒng)。機械系統(tǒng)組成包括伺服電機、定位軸、上板、移動板、滾珠絲桿、鋁合金機架、調節(jié)腳下板、導向圓柱、測試壓縮彈簧、直線滑塊、絲桿螺母、上軸承座、行星減速機、下軸承座、腳輪和立板等。

（2）電氣系統(tǒng)。電氣系統(tǒng)組成有伺服驅動器、拉壓力傳感器與放大器、位移傳感器、上限位開關、下限位開關和急停按鈕等。

（3）控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)組成有工控機、運動控制卡、A/D接口卡、I/O接口卡、顯示屏和鍵盤等。

圖1 彈簧衰減試驗機的組成結構示意

試驗機的工作原理如圖2所示，工控機是試驗機的核心控制系統(tǒng)，開發(fā)程序是基于Windows環(huán)境的一種面向對象的可視化編程語言Visual C++［4］。

圖2 彈簧衰減試驗機的工作原理

由圖2可知，試驗機的工作原理為：工控機將運動指令發(fā)送到運動控制卡，運動控制卡向伺服驅動器發(fā)送高頻率的脈沖串，實現(xiàn)對伺服電機進行運動控制。伺服電機經(jīng)過行星減速機減速后驅動滾珠絲桿，并將旋轉運動轉化為直線運動，從而實現(xiàn)移動板的上下往復運動。

測試前將待測試彈簧安裝到定位軸上，彈簧的上下兩端分別與移動板和拉壓力傳感器連接。測試時，伺服電機驅動移動板在豎向導向機構的導向下作上下往復運動，從而對待測試壓縮彈簧產(chǎn)生壓力（拉伸彈簧產(chǎn)生拉力），通過拉壓力傳感器實時檢測彈簧的壓力或拉力，位移傳感器實時檢測彈簧的變形，保存并分析相關的數(shù)據(jù)，從而完成彈簧的疲勞試驗。

2 主要技術指標

彈簧衰減試驗機的主要技術指標分別為：1）試驗頻率可調范圍為0.01～1 Hz。2）振幅可調范圍為0～700 mm。3）最大試驗載荷為5 000 N。4）被測彈簧最大外徑為150 mm。5）被測彈簧自由長度范圍為10～1 000mm。6）計次范圍為1～1 000 000次。7）位移傳感器精度為0.01mm。8）拉壓力傳感器精度為0.5%。

3 機械系統(tǒng)設計

機械系統(tǒng)主要有伺服電機、滾珠絲桿螺母、鋁合金機架、導向圓柱、直線滑塊、行星減速機和腳輪等。已知試驗機的相關參數(shù)如下：試驗載荷為5 000 N，最大行程為700 mm，最快進給速度為80mm/s，加減速時間為0.1 s，滾珠絲桿的效率為0.9。

3.1 滾珠絲桿的計算

3.1.1 絲桿軸全長B L

絲桿軸全長可表示為

其中，最大行程為700 mm，螺母長度為62 mm，余量為30 mm，軸端尺寸為72 mm，聯(lián)軸器安裝尺寸為36mm，故絲桿軸全長BL=900mm。

3.1.2 絲桿軸徑B D

負載作用點間距l(xiāng)=絲桿軸全長-軸端尺寸/2，故負載作用點間距l(xiāng)為828mm。由試驗載荷5 000 N，查表可得軸徑應大于15 mm，故取軸徑BD=20mm。

3.1.3 導程s

根據(jù)絲桿軸徑為20mm時，對應的導程有5、10和20mm，從節(jié)約成本方面考慮，這里取導程s=10mm。

3.1.4 容許軸向負載P

容許軸向負載可表示為

其中，P為容許負載轉矩；m為滾珠絲桿的支撐方式系數(shù)，這里m=10；d為絲桿軸螺紋內徑，這里d=17.5 mm；l為負載作用點間距。將數(shù)據(jù)代入式（2），可得容許軸向負載P=13 680 N。P＞5 000 N，滿足要求。

3.1.5 最大轉速n max

最大轉速可表示為

其中，vmax為最快進給速度，這里vmax=80mm/s。將數(shù)據(jù)代入式（3），可得最大轉速為nmax=480 r/min。

3.1.6 容許轉速N C

容許轉速可表示為

其中，NC為容許轉速；g為滾珠絲桿的支撐方式系數(shù)，這里g=15.1。將數(shù)據(jù)代入式（4），可得容許軸向負載 NC=3 854 r/min。NC＞480 r/min，滿足要求。

因此，可確定滾珠絲桿的型號為BSSC2010-900。

3.2 減速機的計算

3.2.1 減速比i

減速比可表示為

其中，nmax為伺服電機的最高轉速，這里為5 000 r/min；s為絲桿導程，這里為10mm；vmax為試驗機的最快進給速度，這里為80mm/s。將數(shù)據(jù)代入式（5）后，可得減速比為1∶10.4，故取i=1∶10。

3.2.2 試驗機的最快進給速度v max

試驗機的最快進給速度可表示為

將數(shù)據(jù)代入式（6）后，可得試驗機的最快進給速度vmax=83.3mm/s。vmax＞80mm/s，滿足要求。

3.2.3 減速機的負載轉矩T1

減速機的負載轉矩可表示為

其中，T1為減速機的負載轉矩；P為軸向外部負載；L為滾珠絲桿的導程；η為滾珠絲桿的效率，η=0.9。這里忽略重力和摩擦的影響，將數(shù)據(jù)代入式（7），可得負載轉矩T1=8.84 N·m。

3.3 伺服電機的計算

3.3.1 伺服電機的運行轉矩T0

伺服電機的運行轉矩可表示為

其中，T0為伺服電機的運行轉矩，T1為減速機的負載轉矩，i為減速比。將數(shù)據(jù)代入式（8），可得伺服電機的負載轉矩為T0=0.884 N·m。

因此，可以暫時選擇伺服電機的型號為MSMF04，減速機型號為VRB-060-10，其技術參數(shù)均如表1所示。

表1 伺服電機、減速機的技術參數(shù)

3.3.2 輸出與輸入的轉動慣量比q

3.3.2.1 絲桿的轉動慣量JB

絲桿的轉動慣量可表示為

其中，BW為絲桿的質量；ρ為絲桿的密度，這里為7.9×103kg/m3。將數(shù)據(jù)代入式（9），可得絲桿的轉動慣量JB=1.12×10-4kg·m2。

3.3.2.2 移動板的轉動慣量JW

移動板的轉動慣量可表示為

其中，W為移動板的質量，這里為8 kg。將數(shù)據(jù)代入式（10），可得移動板的轉動慣量JW=0.20×10-4kg·m2。

3.3.2.3 減速機的轉動慣量JC

由表1可知，減速機的轉動慣量JC=0.14×10-4kg·m2。。

3.3.2.4 輸出與輸入的轉動慣量比q

輸出與輸入的轉動慣量比可表示為

其中，JM為伺服電機轉子慣量。將參數(shù)代入式（11），可得轉動慣量比q=4.87。q＜30，滿足要求。

3.3.3 最大轉矩T max

3.3.3.1 角加速度α

角加速度可表示為

其中，t為加速時間，這里為0.1 s。將數(shù)據(jù)代入式（12），可得角加速度α=502.4 rad/s。

3.3.3.2 最大轉矩Tmax

伺服電機的最大轉矩為伺服電機啟動時的輸出轉矩，即為運行轉矩加上啟動時的慣性轉矩，可表示為

將數(shù)據(jù)代入式（13），可得最大轉矩 Tmax=0.96 N·m。Tmax＜3.82 N·m，滿足要求。

因此，可確定伺服電機的型號為MSMF04，減速機型號為VRB-060-10。

4 電氣系統(tǒng)設計

電氣系統(tǒng)組成有伺服驅動器、拉壓力傳感器與放大器、位移傳感器、上限位開關、下限位開關和急停按鈕等。

4.1 拉壓力傳感器

拉壓力傳感器主要有應變式壓力傳感器、硅壓阻壓力傳感器、陶瓷壓力傳感器以及電容式壓力傳感器等［5］。

（1）電阻應變式壓力傳感器。電阻應變式壓力傳感器是目前使用較廣的一種傳感器，以電阻應變計為轉換單元的電阻應變式測力傳感器，在被測力的作用下，彈性體產(chǎn)生與其正比的彈性變形，在彈性體特定部位上粘貼的電阻應變計將應變轉換成與其成正比的電阻變化，電阻應變計組成惠斯登電橋，在橋的兩端施加激勵電壓，在橋的另外兩端得到與被測力近似線性關系的電壓變化，通過對電壓變化的測量即可測出力的變化［2］。

（2）輪輻拉壓力傳感器。輪輻拉壓力傳感器為電阻應變式壓力傳感器，在大型稱重系統(tǒng)中應用極廣，該傳感器采用輪輻式彈性體結構，具有低外形、抗偏載、精度高、強度好、安裝方便、拉壓輸出對稱性好等特點。廣泛應用于工業(yè)系統(tǒng)中力的測量和天平秤、軌道衡、料斗秤等各種稱重、測力的工業(yè)自動化測量控制系統(tǒng)。

本研究選用的拉壓力傳感器選擇型號為MIK-LCLY。傳感器的量程為0～100 kg，精度為0.5%，輸出信號-5～5 V，具體技術參數(shù)如表2所示。

表2 MIK-LCLY拉壓力傳感器技術參數(shù)

4.2 直線位移傳感器

位移傳感器主要有電位器式、電阻應變式、電容式、電感式、磁敏式、光電式以及超聲波位移傳感器等［6］。位移傳感器主要用于控制、調節(jié)和測量系統(tǒng)中對位移和長度的直接精確測量。

TLH系列直線位移傳感器為電位器式位移傳感器，采用無桿設計，使傳感器滑刷在傳感器側面，沿傳感器長度方向移動，避免了傳感器由于“泵”效應引起的傳感器失效。同時，新型的球鉸可消除不平或傾斜產(chǎn)生的扭力，使傳感器的承受拉力均勻。

本研究直線位移傳感器選擇型號為TLH-0750，該傳感器的精度為0.01mm，其具體技術參數(shù)如表3所示。

表3 TLH-075直線位移傳感器的技術參數(shù)

4.3 電氣連接

本彈簧衰減試驗機系統(tǒng)中運動控制卡型號為ADT-8940A1，模擬量輸入卡型號為PC-6325A，開關量輸入輸出卡型號為PC-6408。查閱相關技術資料，得到電氣連接如圖3所示。

圖3 電氣連接

圖3中，運動控制卡ADT-8940A1與伺服驅動器采用差動接法，抗干擾性強。拉壓力傳感器和位移傳感器連接到模擬量輸入卡PC-6325A，將相應的模量量轉換為數(shù)字量并讀入到工控機。開關量輸入輸出卡PC-6408將外部限位開關、急停按鈕和伺服報警等開關量狀態(tài)讀入到工控機，同時輸出控制電源指示燈、伺服使能等。

通過對圓柱螺旋彈簧疲勞試驗機的設計，最終實現(xiàn)了試驗樣機的研制，實物如圖4所示。

圖4 圓柱螺旋彈簧疲勞試驗機

5 小結

本彈簧疲勞試驗機通過設置拉壓力傳感器和位移傳感器實時檢測彈簧的彈力和變形量，通過保存并分析相關數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了對彈簧的疲勞試驗。同時，本彈簧疲勞試驗機既能用于測試拉伸彈簧，又能用于測試壓縮彈簧，具有良好的可靠性、穩(wěn)定性、通用性，因此應用更加廣泛。

［1］王為,汪建曉.機械設計［M］.武漢:華中科技大學出版社,2007.

［2］傅華棟.圓柱螺旋彈簧疲勞試驗方法研究［D］.北京:機械科學研究總院,2007.

［3］張英會,劉輝航,王德成,等.彈簧手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社,1997.

［4］明日科技.VisualC++從入門到精通［M］.北京:清華大學出版社,2008.

［5］郭冰,王沖.壓力傳感器的現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.中國儀器儀表,2009（5）:72-75.

［6］劉焱,王燁.位移傳感器的技術發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.儀器儀表與檢測技術,2013,32（6）:76-80.

Design and implementation of circular coilspring fatigue testmachine

XU An-peng
（Foshan Institute of Intelligent Equipment Technology,Foshan 528225,China）

The spring fatigue life is themaximum number of cycles thata periodic variable load is applied to the springundera given failure condition.The testmachine can beused to the spring fatigue testnotonly stretch but also compression the spring,the spring fatigue test can be carry by save and analysis the real-time data of the pull pressure sensor and displacement sensor,and ultimately complete spring fatigue test.The prototype was developed with the design of the cylindricalcoilspring fatigue testingmachine.

spring;fatigue;testingmachine;design;implementation

TH873.3

A

1008-0171（2017）06-0029-06

2017-03-07

許安鵬（1988-），男，廣東潮州人，佛山智能裝備技術研究院工程師。

任小平 renxp90@163.com】