一种机械结构疲劳损伤在线监测试验装置的制造方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于机械结构强度测试技术领域，具体涉及一种机械结构疲劳损伤在 线监测试验装置。
【背景技术】
[0002] 在外部交变荷载作用下，机械结构的材料性能呈现出无规律的衰减过程，也就是 通常所说的疲劳裂纹的发生、发展、形成宏观裂纹、剥落直至发生断裂的全过程。疲劳损伤 已成为导致机械结构失效的重要因素。据统计，工程实际中发生的疲劳断裂破坏，占全部力 学破坏的50%~90%，疲劳损伤断裂是机械结构失效的最常见形式。因此，由疲劳引起的 损伤断裂在工程失效中越来越突出。如何在机械结构疲劳现象出现的早期监测出疲劳信 息，是目前工程界急需解决的问题。
[0003] 为了能够及时地获得机械结构的疲劳状况信息，仅依靠对结构件进行定期测量是 无法满足要求的。中国专利申请号CN201110414705. 4公开了一种在役机械装备结构疲劳 状态估算方法，该方法是通过建立机械结构关键部位应变与反映机械装备工作状态参数之 间的具有统计学意义上的关联关系，获得机械结构材料弹性模量的具有统计学意义上的变 化，从而实现对在役机械结构疲劳状态的测量和评价。但是该方法是对在役机械相关参数 的实际运行数据进行采集，从而对其机械结构疲劳状态进行估算，并没有给出实验室条件 下建立试验条件可控的试验装置来评估材料的疲劳损伤规律。
[0004] 现有技术中有一种受迫振动系统，该系统是通过激振器使悬臂梁产生受迫振动， 由信号发生器向激振器提供周期性电压信号，使激振器产生周期性策动力，对弹性梁激振， 这样弹性梁就产生受迫振动。这种振动系统的不足之处在于激振器对弹性梁施加周期策动 力时，激振器与悬臂梁为接触非连接状态。激振器在安装时与被激试样有间隙要求（一般 要求0. 5±0.1 mm的间隙），且只能在这种情况下，激振器才能产生最大激振力。若使悬臂 梁试样发生疲劳损伤，则须要产生一定的挠度。经计算，试样发生疲劳损伤所需的振幅大于 激振器与试样之间的安装间隙，这使得激振器与试样间发生碰撞干涉，因此采用激振的方 法不可行；此外，实际工程中机械装备多为电机驱动，激振器的驱动方式与实际工况不太符 合。因此，需要提供一种能够更接近实际的运动方式来驱动悬臂梁运动。 【实用新型内容】
[0005] 本实用新型的目的是提供一种实验室条件下的机械结构疲劳损伤在线监测试验 装置，对被测试件的疲劳损伤状态进行在线监测。
[0006] 为了实现以上目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种机械结构疲劳损伤在 线监测试验装置，包括一个一端固定的悬臂梁试件，该悬臂梁试件的另一端连接有一个用 于驱动悬臂梁试件摆动的往复驱动机构；该装置还包括用于测量所述往复驱动机构传递给 悬臂梁试件的应变量的应变传感器和用于测量摆动过程中悬臂梁试件应变量的应变传感 器。
[0007] 该装置还包括用于测量当前试验温度对应变量影响的应变传感器。
[0008] 所述各应变传感器均为光纤光栅应变传感器，所述各光纤光栅应变传感器的信号 输出端均通过光环形器与波长解调模块连接，所述光环形器的光输入端连接有光源，所述 波长解调模块的信号输出端用于与监测主机连接。
[0009] 所述往复驱动机构包括曲柄和连杆，所述连杆的动力输出端与悬臂梁试件铰接。
[0010] 所述曲柄为电机驱动的偏心轮。
[0011] 所述连杆通过一个滑动轴套和销轴与偏心轮连接，滑动轴套的一端与连杆相接， 另一端通过销轴与偏心轮相连；所述偏心轮上设有T型槽滑道，所述销轴穿过滑动轴套固 定于T型槽滑道内。
[0012] 所述销轴通过两侧安装于T型槽滑道内的T型螺母进行固定。
[0013] 所述连杆通过固定于悬臂梁试件上的连杆支架与悬臂梁试件利用轴销铰接。
[0014] 所述悬臂梁试件的固定端与梁支座固连。
[0015] 本实用新型的机械结构疲劳损伤在线监测试验装置采用的往复驱动机构与悬臂 梁试件为连接状态，悬臂梁在摆动过程中均受到驱动机构施加的力，避免了悬臂梁试件在 摆动过程中受到往复驱动机构的叠加振动，该驱动方式也更接近实际工况，所采集的数据 也更为准确，利用应变传感器能够获得能够表征机械结构疲劳状态的信息，从而得到机械 结构的当量弹性模量，通过考核当量弹性模量的变化规律就能够得到机械结构的疲劳情 况。该装置结构简单，易于实现，适用理论合理，能够有效的对机械结构关键部件的疲劳损 伤过程进行在线监测，其既能用于测量机械结构件的疲劳，也能够作为教学科研仪器使用， 具有重大的应用价值。
[0016] 采用由电机驱动的偏心轮结构能够对机械结构间施加幅度、频率可调整的交变循 环载荷。另外，电机驱动能够直接的反应实际工况，还可将电机功率、转速等信息作为广义 载荷使用。
【附图说明】
[0017] 图1为本实用新型试验装置的机械结构示意图；
[0018] 图2为本实用新型试验装置测量结构示意图；
[0019] 图3为偏心轮与T型螺母连接示意图；
[0020] 图4为滑动轴套连接示意图；
[0021] 图5为光纤光栅传感器组件的结构示意图；
[0022] 图6为光纤光栅应变测量原理图；
[0023] 图7为加载原理图；
[0024] 图8连杆上FBGl测量的波长变化图；
[0025] 图9为悬臂梁试件FBG3测量的波长变化图；
[0026] 图10为悬臂梁试样的当量弹性模量变化曲线。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合附图及具体的实施例对本实用新型进行进一步介绍。
[0028] 如图1~图2所示为本实用新型机械结构疲劳损伤在线监测试验装置实施例的结 构示意图，由图可知，该装置包括一个一端固定的悬臂梁试件9,该悬臂梁试件的另一端连 接有一个用于驱动悬臂梁试件9摆动的往复驱动机构；该装置还包括用于测量所述往复驱 动机构传递给悬臂梁试件的应变量的应变传感器和用于测量摆动过程中悬臂梁试件应变 量的应变传感器，如图1中的FBG2测量往复驱动机构传递的应变量，FBG3测试件悬臂梁上 的应变量。
[0029] 进一步地，为使试验结果更准确，则需要考虑环境温度为试验的影响，该装置还包 括有用于测量当前试验温度对应变量影响的应变传感器FBGl，FBGl的测量点作为参考量， 用于对FBG2和FBG3进行温度补偿。
[0030] 本实施例的往复驱动机构采用曲柄和连杆6,连杆的动力输出端与悬臂梁试件9 铰接；曲柄采用电机1驱动的偏心轮2结构。
[0031] 连杆6通过一个滑动轴套5与偏心轮2连接，滑动轴套5的一端与连杆6滑动装 配，另一端通过销轴4与偏心轮相连。偏心轮2上设有T型槽滑道，销轴4穿过滑动轴套固 定于T型槽滑道内，而销轴4通过两侧安装于T型槽滑道内的T型螺母3进行固定，如图3 所示。该滑动轴套采用锡青铜材质，能够有效地降低连杆6与销轴4之间的摩擦，保证了驱 动机构能够连续的工作，滑动轴套位置如图4所示。
[0032] 悬臂梁试件9的固定端与梁支座10固连，悬臂梁试件固定在梁支座10上端沿垂 直于梁支座10的方向上，悬臂梁试件的另一端固定连接有连杆支架8,连杆6与连杆支架8 之间用轴销7连接。
[0033] 另外，梁支座10与驱动电机1固定在同一个基础平台上。
[0034] 如图5和图6所示，本实施例的各应变传感器FBGl、FBG2和FBG3均为光纤光栅 应变传感器（光纤光栅应变片），各光纤光栅应变传感器的信号输出端均通过光环形器11 与波长解调