一种平面弹簧疲劳试验装置及试验方法与流程

1.本发明涉及平面弹簧疲劳试验技术领域，尤指一种平面弹簧疲劳试验装置及试验方法。


背景技术：

2.目前，低温制冷机一般是指制冷温度在120k以下的制冷机，在军事、能源、运输、医疗等领域，尤其是气体液化以及工业气体制备领域有重要作用。常规的低温制冷机是由电动压缩机产生的交变压力波驱动，在制冷机冷头产生冷量。
3.常用的低温制冷机包括行波热声低温制冷机、斯特林脉管低温制冷机、斯特林低温制冷机。
4.其中，行波热声低温制冷机是利用热声效应进行制冷。热声效应也就是热能与声能之间相互转换的现象，它是由于处于声场中的固体介质和气体工质的相互作用，从而导致的在距固体壁面一定范围内产生沿声波传播方向的温度梯度的现象。热声制冷机具有无运动部件和不需要电能驱动等优点。
5.斯特林脉管低温制冷机是利用无阀压缩机产生的压力波对脉管空腔充放气过程而获得的制冷效果。由于斯特林脉管制冷机冷端无运动部件，因此具有结构简单、低振动、可靠性高、运行寿命长等优点。
6.自由活塞斯特林制冷机采用了直线电机驱动、板弹簧支撑、气体轴承、纯气动膨胀机等先进技术，通过动力活塞部件及配气活塞部件之间稳定谐振实现制冷，具有可靠性高、震动低、寿命长、免维护等优点，在超低温制冷领域，相较传统制冷设备斯特林制冷机更具优势。
7.平面弹簧被广泛应用于自由活塞斯特林发动机或制冷机，是此类机械设备的核心零部件，直接影响到装备的性能和效率。平面弹簧通过简谐变形循环往复释放和存储活塞运动动能，保证设备稳定运行。平面弹簧疲劳寿命直接影响着此类设备的使用寿命。
8.但在现有技术中，对平面弹簧的疲劳试验没有针对性，不能完全模拟平面弹簧在自由活塞斯特林制冷机里的受力变形和震动频率，而且结构复杂。
9.因此，生产一种能模拟平面弹簧在自由活塞斯特林制冷机运作过程中的受力变形和震动频率，从而对其疲劳寿命进行检测且结构简单的平面弹簧疲劳试验装置十分必要。


技术实现要素：

10.为解决上述问题，本发明提供一种平面弹簧疲劳试验装置，结构简单，能通过模拟平面弹簧在自由活塞斯特林制冷机运作过程中的受力变形和震动频率，从而检测其疲劳寿命，保证自由活塞斯特林制冷机的平稳运作。
11.本发明提供的技术方案如下：
12.一种平面弹簧疲劳试验装置包括：
13.固定支座，用于固定待试验的平面弹簧；
14.形变组件，所述形变组件作用于所述平面弹簧的中心区域，通过改变所述平面弹簧的受力状态，使所述平面弹簧简谐变形，所述形变组件包括第一凸轮和第二凸轮，所述第一凸轮和所述第二凸轮对称设置在所述平面弹簧的两侧，夹紧所述平面弹簧，通过改变所述第一凸轮和所述第二凸轮的转速可改变所述平面弹簧的震动频率；
15.动力组件，所述动力组件和所述形变组件驱动连接，用于给所述形变组件提供动力。
16.在一些实施方式中，所述第一凸轮包括第一椭圆弧和第二椭圆弧，所述第一椭圆弧和所述第二椭圆弧角度均为180
°
，且所述第一椭圆弧圆心至所述第一椭圆弧的最短距离即为第一椭圆弧短半径，所述第二椭圆弧圆心至所述第二椭圆弧的最长距离即为第二椭圆弧长半径，所述第一椭圆弧短半径和所述第二椭圆弧长半径大小一致；
17.及所述第二凸轮包括第三椭圆弧和第四椭圆弧，所述第三椭圆弧和所述第四椭圆弧角度均为180
°
，且所述第三椭圆弧圆心至所述第三椭圆弧的最短距离即为第三椭圆弧短半径，所述第四椭圆弧圆心至所述第四椭圆弧的最长距离即为第四椭圆弧长半径，所述第三椭圆弧短半径和所述第四椭圆弧长半径大小一致；
18.所述第一凸轮和所述第二凸轮摆放方向一致，同步转动，且初始位置时，所述第一椭圆弧短半径和所述第三椭圆弧短半径均垂直所述平面弹簧。
19.在一些实施方式中所述动力组件包括控制件、驱动件、传动件，所述控制件电连接至所述驱动件，用于控制所述驱动件的运行，所述驱动件为旋转电机；
20.所述传动件连接所述驱动件和所述形变组件，用于输出传递所述驱动件的扭力。
21.在一些实施方式中，所述传动件包括主动齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮、主动连轴、第一从动连轴和第二从动连轴；
22.所述主动连轴具有两端，一端和所述驱动件驱动连接，另一端和所述主动齿轮连接；
23.所述第一从动连轴具有两端，一端和所述第一从动齿轮连接，另一端和所述第一凸轮可拆卸连接，且所述第二从动连轴具有两端，一端和所述第二从动齿轮连接，另一端和所述第二凸轮可拆卸连接；
24.所述第一从动齿轮和所述第二从动齿轮对称分布在所述主动齿轮两侧并分别和所述主动齿轮啮合。
25.在一些实施方式中，所述第一凸轮和所述第一从动连轴采用键连接；
26.所述第二凸轮和所述第二从动连轴采用键连接。
27.在一些实施方式中，所述驱动件转速可调，由所述控制件控制，通过改变所述形变组件的频率，改变所述平面弹簧的震动频率。
28.在一些实施方式中，所述固定支座包括支撑部和固定部，所述固定部用于固定所述平面弹簧，所述支撑部用于支撑整个所述固定支座，所述固定部和所述支撑部互成90
°
连接。
29.在一些实施方式中，所述固定部开设有一圆孔，供所述形变组件作用于所述平面弹簧上；
30.所述支撑部和所述固定部均为矩形板状结构。
31.在一些实施方式中，所述第一凸轮和所述第二凸轮结构、大小相一致。
32.本发明还提供一种平面弹簧疲劳试验装置的试验方法，在如上述任一项所述的一种平面弹簧疲劳试验装置上进行试验，并按照如下步骤执行：
33.1)将所述平面弹簧安装至所述固定支座上；
34.2)确定需要模拟的类型，确定所述平面弹簧的最大变形幅值a，确定所述第一凸轮和所述第二凸轮的转速n，确定所述动力组件运行的时间t，选取合适的所述第一凸轮和所述第二凸轮，和所述动力组件驱动连接，且分别固定在设置在所述平面弹簧的两侧，夹紧所述平面弹簧；
35.3)开启所述动力组件，带动所述第一凸轮和所述第二凸轮转动；
36.转动时，所述第一凸轮或所述第二凸轮先挤压所述平面弹簧，使所述平面弹簧向远离该凸轮方向逐渐变形至最大变形幅值a，后逐渐恢复至初始状态；
37.继续转动，另一凸轮继续挤压所述平面弹簧，使所述平面弹簧向远离该凸轮方向逐渐变形至最大变形幅值a，后逐渐恢复至初始状态，完成一个周期的形变运动；
38.4)稳定运行预设时间t后，关闭所述动力组件，拆下所述第一凸轮、所述第二凸轮和所述平面弹簧，根据试验结果得出结论。
39.与现有技术相比，本发明所提供的一种平面弹簧疲劳试验装置具有以下有益效果：
40.本发明所提供的一种平面弹簧疲劳试验装置，其第一凸轮和第二凸轮对称设置在平面弹簧的两侧，作用于平面弹簧的中心区域，使平面弹簧发生简谐变形，且可通过改变第一凸轮和第二凸轮的转速来调节平面弹簧的震动频率，从而模拟平面弹簧在自由活塞斯特林制冷机运作过程中的受力变形和震动频率。
附图说明
41.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
42.图1是本发明产品在一种状态下的立体结构示意图；
43.图2是本发明产品在另一种状态下的立体结构示意图；
44.图3是本发明产品形变组件和动力组件在一种状态下的装配图；
45.图4是本发明产品形变组件和动力组件在另一种状态下的装配图；
46.图5是本发明产品固定支座和平面弹簧在一种状态下的装配图；
47.图6是本发明产品固定支座和平面弹簧在另一种状态下的装配图；
48.图7是本发明产品固定支座的立体结构示意图；
49.图8是本发明产品第一凸轮的立体结构示意图；
50.图9是本发明产品第一凸轮、第二凸轮和平面弹簧在一种状态下的结构示意图；
51.图10是本发明产品第一凸轮、第二凸轮和平面弹簧在另一种状态下的结构示意图；
52.图11是本发明产品第一凸轮、第二凸轮和平面弹簧在又一种状态下的结构示意图；
53.图12是本发明产品第一凸轮、第二凸轮和平面弹簧在又一种状态下的结构示意图。
54.附图标号说明：
55.100、固定支座；110、支撑部；120、固定部；121、圆孔；
56.200、形变组件；210、第一凸轮；211、第一椭圆弧；212、第二椭圆弧；220、第二凸轮
57.300、动力组件；310、驱动件；320、传动件；321、主动齿轮；322、第一从动齿轮；323、第二从动齿轮；324、主动连轴；325、第一从动连轴；326、第二从动连轴；
58.400、平面弹簧。
具体实施方式
59.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
60.为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
61.还应当进一步理解，在本技术说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
62.在本文中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
63.另外，在本技术的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
64.作为一个实施例，参见图1和图2，一种平面弹簧疲劳试验装置，包括固定支座100、形变组件200和动力组件300。其中，固定支座100用于固定待试验的平面弹簧400，两者可通过螺钉或螺栓固定连接，便于形变组件200能作用于该平面弹簧400，通过改变该平面弹簧400的受力状态，使其发生简谐变形。动力组件300和形变组件200驱动连接，用于给形变组件200提供动力。该形变组件200具体可包括第一凸轮210和第二凸轮220，两者对称设置在平面弹簧400的两侧，夹紧该平面弹簧400，并作用在平面弹簧400的中心区域，使平面弹簧400发生形变。此外，还能通过改变第一凸轮210和第二凸轮220的转速来改变平面弹簧400的震动频率，从而模拟平面弹簧400在自由活塞斯特林制冷机运作过程中的受力变形和震动频率，进而对平面弹簧400的疲劳寿命进行检测。
65.因为，自由活塞斯特林制冷机是通过动力活塞部件及配气活塞部件之间稳定谐振实现制冷的。此时，平面弹簧通400过简谐变形循环往复释放和存储活塞运动动能，保证设备稳定运行。而且，在简谐变形过程中，平面弹簧400的主要受力点位于其中心区域。
66.所以，通过将第一凸轮210和第二凸轮220对称设置在平面弹簧400的两侧，夹紧该平面弹簧400，并作用在平面弹簧400的中心区域，能模拟平面弹簧400在自由活塞斯特林制冷机运作过程中的受力变形和震动频率，从而对平面弹簧400的疲劳寿命进行检测，保证自
由活塞斯特林制冷机活塞部套的稳定运行。
67.在实际生产中，也可将凸轮换成圆形偏心轮，视具体模拟情况而定。
68.在一个实施例中，参见图8，以第一凸轮210为例，第一凸轮210包括第一椭圆弧211和第二椭圆弧212，且第一椭圆弧211和第二椭圆弧212均为角度为180
°
的椭圆弧。其中，第一椭圆弧211圆心至第一椭圆弧211的最短距离即为第一椭圆弧211短半径，最长距离即为第一椭圆弧211长半径。以此类推，第二椭圆弧212圆心至第二椭圆弧212的最短距离即为第二椭圆弧212短半径，最长距离即为第二椭圆弧212长半径。此时，第一椭圆弧211短半径和第二椭圆弧212长半径大小一致。
69.相对应地，第二凸轮220包括第三椭圆弧和第四椭圆弧，且第三椭圆弧和第四椭圆弧均为角度为180
°
的椭圆弧。其中，第三椭圆弧圆心至第三椭圆弧的最短距离即为第三椭圆弧短半径，最长距离即为第三椭圆弧长半径。以此类推，第四椭圆弧圆心至第四椭圆弧的最短距离即为第四椭圆弧短半径，最长距离即为第四椭圆弧长半径。此时，第三椭圆弧短半径和第四椭圆弧长半径大小一致。
70.具体地，当预设的平面弹簧400的最大变形幅值为a，第一椭圆弧211短半径为r1，第三椭圆弧短半径为r2，则第一椭圆弧211长半径为r1+a，第二椭圆弧212的半径为r
1-a，第三椭圆弧长半径为r2+a，第四椭圆弧短半径为r
2-a。
71.为保证整个实验过程中，平面弹簧400能按特定曲线方式，如正弦曲线和余弦曲线方式进行位移振幅变化，实现简谐变形，第一凸轮210和第二凸轮220的摆放方向应一致，并同步转动，且初始位置时，第一椭圆弧211和第三椭圆弧的短半径应均垂直于该平面弹簧400。
72.具体地，参见图9至图12，当第一凸轮210和第二凸轮220旋转0-90
°
时，该平面弹簧400受力区域变形振幅由0逐渐增加到+a；当旋转90-180
°
时，该平面弹簧400受力区域变形振幅由+a逐渐减少到0；当旋转180-270
°
时，该平面弹簧400受力区域变形振幅由0逐渐增加到-a；当旋转180-360
°
时，该平面弹簧400受力区域变形振幅由-a逐渐增加到0。整个过程即为平面弹簧400在自由活塞斯特林制冷机运作过程中的一个周期的简谐变形过程。
73.具体地，当预设的平面弹簧400的最大变形幅值为6mm，第一椭圆弧211短半径为20mm，第三椭圆弧短半径为25mm，则第一椭圆弧211长半径为26mm，第二椭圆弧212的半径为14mm，第三椭圆弧长半径为31mm，第四椭圆弧短半径为19mm。
74.此时，参见图9至图12，当第一凸轮210和第二凸轮220逐渐旋转至90
°
时，平面弹簧400受力区域变形振幅逐渐由0变为+6mm；当第一凸轮210和第二凸轮220由90
°
旋转至180
°
时，平面弹簧400受力区域变形振幅逐渐由+6mm变为0；当第一凸轮210和第二凸轮220由180
°
旋转至270
°
时，平面弹簧400受力区域变形振幅逐渐从0变为-6mm；当第一凸轮210和第二凸轮220由270
°
旋转至360
°
时，平面弹簧400受力区域变形振幅逐渐从-6mm变回0，完成一个周期的简谐变形过程。
75.在一个实施例中，参见图3和图4，动力组件300包括控制件、驱动件310、传动件320。其中，控制件通过有线或无线电连接至驱动件310，用于控制驱动件310的运行。该驱动件310具体可为一旋转电机。传动件320连接该驱动件310和形变组件200，用于输出传递驱动件310的扭力，使第一凸轮210和第二凸轮220能进行旋转，从而挤压平面弹簧400，使平面弹簧400发生简谐变形。
76.在一个实施例中，传动件320包括主动齿轮321、第一从动齿轮322、第二从动齿轮323、主动连轴324、第一从动连轴325和第二从动连轴326。主动连轴324具有两端，一端和驱动件310驱动连接，另一端和主动齿轮321连接。第一从动连轴325也具有两端，一端和第一从动齿轮322连接，另一端和第一凸轮210可拆卸连接，相对地，第二从动连轴326具有两端，一端和第二从动齿轮323连接，另一端和第二凸轮220可拆卸连接。
77.此时，控制件控制驱动件310转动，驱动件310通过主动连轴324带动主动齿轮321转动，主动齿轮321从而带动第一从动齿轮322和第二从动齿轮323转动，第一从动齿轮322和第二从动齿轮323再通过第一从动连轴325和第二从动连轴326分别带动第一凸轮210和第二凸轮220转动，结构简单。
78.在实际生产中，也可使驱动件310直接驱动第一凸轮210或第二凸轮220转动，为保证第一凸轮210和第二凸轮220同步转动，可在第一凸轮210和第二凸轮220之间设置一个传动齿轮或者传动连杆，也可在第一凸轮210和第二凸轮220对应连轴或齿轮上套设一传送带，实现两者之间的同步转动。
79.此外，将第一凸轮210和第一从动连轴325、第二凸轮220和第二从动连轴326设置成可拆卸连接，便于平面弹簧400和固定支座100的放置和拿出。
80.参见图2，当需要放置平面弹簧400和固定支座100时，先装上第一凸轮210或第二凸轮220，然后放置平面弹簧400和固定支座100，调整平面弹簧400和固定支座100的位置，使第一凸轮210和第二凸轮220能作用在平面弹簧400的中间区域，然后再装上另一凸轮。
81.当需要拿出平面弹簧400和固定支座100时，可先取下第一凸轮210或第二凸轮220，或者将两者皆取下，然后拿出平面弹簧400和固定支座100。
82.作为优选实施例，第一凸轮210和第一从动连轴325可采用键连接，同样地，第二凸轮220和第二从动连轴326也采用键连接。
83.在实际生产中，也可通过其他方式进行可拆卸安装，本实施例仅提出一种最优方案。例如在第一从动连轴325与第一凸轮210连接处设置连接部，第一从动连轴325和第一凸轮210通过螺栓连接。同样地，第二从动连轴326与第二凸轮220连接处也设置有连接部，第二从动连轴326和第二凸轮220通过螺栓连接，该连接方式也能实现凸轮和从动连轴之间的可拆卸连接。
84.作为进一步优选，在第一从动连轴325与第一凸轮210连接处设置卡簧槽，将卡簧卡进去，实现两者的连接，且使第一从动连轴325转动更为稳固，需要拆卸时，用卡簧钳取出卡簧，再取下第一凸轮210。同样地，第二从动连轴326与第二凸轮220也采用该方法连接。
85.具体地，控制件可以调节驱动件310的转速，从而改变形变组件200旋转的频率，进而改变平面弹簧400的震动频率，使平面弹簧400能按照设定的震动频率进行疲劳试验。
86.在一个实施例中，参见图5至图7，固定支座100包括支撑部110和固定部120，固定部120用于固定平面弹簧400，支撑部110用于支撑整个固定支座100，且固定部120和支撑部110互成90
°
连接。
87.在实际生产中，平面弹簧400上设有紧固孔用于固定安装在自由活塞斯特林制冷机内，固定部120对应平面弹簧400紧固孔区域同样设有用于固定平面弹簧的紧固孔，两者通过螺栓固定。
88.具体地，固定部120开设有一圆孔121，供形变组件200作用于平面弹簧400上。为尽
量减少对疲劳试验结构的影响，该圆孔121应尽可能的接近平面弹簧400在实际运作过程中固定区域所开设的开孔，保证试验结果的可靠性。
89.在一个实施例中，支撑部110和固定部120均为矩形板状结构。在实际生产中，支撑部110和固定部120的形状结构不限。支撑部110也可以为四周边角延伸出的支撑脚，但支撑脚的稳定性低于矩形板状结构的稳定性。
90.在一个优选实施例中，参见图4、9、10、11、12，第一凸轮210和第二凸轮220结构、大小相一致，便于生产制作。
91.参见图8至图9，采用本发明还提供一种平面弹簧疲劳试验方法，在如上述任一项实施例所述的一种平面弹簧疲劳试验装置上进行试验，并按照如下步骤执行：
92.1)将平面弹簧400安装至固定支座100上；
93.2)确定需要模拟的类型，确定平面弹簧400的最大变形幅值a，确定第一凸轮210和第二凸轮220的转速n，确定动力组件300运行的时间t，选取合适的第一凸轮210和第二凸轮220，和动力组件300驱动连接，且分别固定在设置在平面弹簧400的两侧，夹紧该平面弹簧400；
94.3)开启动力组件300，使其带动第一凸轮210和第二凸轮转动220；
95.转动时，第一凸轮210或第二凸轮220先挤压该平面弹簧400，使平面弹簧400向远离该凸轮方向逐渐变形至最大变形幅值a，后逐渐恢复至初始状态；
96.继续转动，另一凸轮继续挤压该平面弹簧400，使平面弹簧400向远离该凸轮方向逐渐变形至最大变形幅值a，后逐渐恢复至初始状态，完成一个周期的形变运动；
97.4)稳定运行预设时间t后，关闭动力组件300，拆下第一凸轮210、第二凸轮220和平面弹簧400，根据试验结果得出结论。
98.具体地，如：需要模拟的平面弹簧400的最大变形幅值为6mm，变形频率为50hz，则第一凸轮210和第二凸轮220的转速为50r/s，即驱动件310的转速为50r/s，且需要模拟2000h，则驱动件310转动的时间为2000h。
99.此时，先将平面弹簧400通过螺栓或螺钉固定安装到固定支座100上。
100.然后根须需要模拟的数据选取合适的第一凸轮210和第二凸轮220，分别固定在第一从动连轴325和第二从动连轴326上，且第一椭圆弧211短半径和第三椭圆弧短半径均垂直与平面弹簧400。
101.接着开启驱动件310，使其带动第一凸轮210和第二凸轮220转动。以第一椭圆弧211先挤压该平面弹簧400为例，当第一凸轮210和第二凸轮220开始转动时，第一凸轮210的第一椭圆弧211部分挤压该平面弹簧400，使其向第二凸轮220方向产生形变；当转动90
°
时，平面弹簧400向第二凸轮220方向变形最大；当转动180
°
时，平面弹簧400恢复到最初无变形阶段；继续转动，第二凸轮220第三椭圆弧部分挤压该平面弹簧400，使其向第一凸轮210方向产生形变；转动270
°
时，平面弹簧400向第一凸轮210方向变形最大；转动360
°
时，平面弹簧400恢复到最初无变形阶段，完成一个周期的形变运动。
102.最后稳定运行2000h后，关闭驱动件310，拆下第一凸轮210、第二凸轮220和平面弹簧400，根据试验结果得出结论，若平面弹簧400能恢复如初，则可以投入生产使用，若有明显变形或断裂则不能使用。
103.本发明利用较为简单的机械结构，实现了平面弹簧400疲劳试验的形变要求。可通
过调节第一凸轮210和第二凸轮220的相关设计参数，实现平面弹簧400形变最大幅值的调节；可通过调节驱动件310的转速，实现平面弹簧400的震动频率调节。
104.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。