多轴加载机械零件表面应变实时放大的星型悬臂式应变倍增器及设计方法与流程

本发明涉及一种机械零部件表面应变实时放大方法，具体涉及一种多轴加载机械零件表面应变实时放大的星型悬臂式应变倍增器及设计方法，能够搭配疲劳寿命计实现机械零部件的剩余寿命预测，属于机械零部件疲劳寿命预测技术领域。

背景技术：

疲劳寿命片是一种具有电阻累积功能的特殊应变片，能够通过电阻的累积值反映机械结构的循环加载历程，从而实现构件的剩余疲劳寿命预测，但目前疲劳寿命片由于其存在很高的应变门槛值，在应变幅值较低时无法正常工作，需要搭配应变倍增器将机械结构待测部位的应变进行机械地放大后进行工作。但目前国内外关于应变倍增器的研究大多局限于单轴放大，对于受多轴复杂应力的机械零件无法使用。另外，目前国内外关于应变倍增器的研究大多采用应力集中的方式，只适合结构表面应变的低倍率放大，在需要高倍率应变放大的场所难以应用。

基于以上情况，本发明提出了一种星型悬臂式应变倍增器，基于应变转移的技术进行机械结构表面的应变倍增，可以实现应变的高倍率放大；同时能够将多轴载荷下机械零件表面各个方向的应变进行实时放大，解决疲劳寿命计无法对承受多轴应力的机械零件剩余疲劳寿命监测的问题，提高了疲劳寿命计的应用范围，确保机械设备安全可靠地运行；机械零部件在多轴加载下，关键部位的应变情况复杂，若将某一位置处沿各个方向的应变同比例放大，会对疲劳寿命计产生较大的横向效应，严重影响测量精度，本发明提出的悬臂式倍增器选用单轴放大、多轴复合的方法进行多轴应变的倍增，可以很好地解决目前疲劳寿命计或应变片的横向效应问题，提高测量精度。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种多轴加载条件下机械结构表面应变实时高倍率放大方法，利用星型悬臂式应变倍增器的安装脚承受机械结构表面的应力，通过星型悬臂式倍增器每个悬臂分支的悬臂端与中心连接体之间的橡胶体对该方向上的机械零部件表面应变进行高倍率的放大，从而保证疲劳寿命片在有效的应变幅值范围内工作，准确地对机械结构的剩余疲劳寿命进行预测，确保机械零部件安全可靠地工作。

本发明的技术方案：

一种多轴加载机械零件表面应变实时放大的星型悬臂式应变倍增器，包括弹簧a、悬臂b、中心连接块c及橡胶体d；

所述的悬臂b固定约束端设有一体结构的联接板e，自由端设有悬臂安装脚f和螺栓孔m；

所述的中心连接块c与悬臂b之间连接有弹簧a和橡胶体d，橡胶体d位于两弹簧a之间，确保橡胶体d与中心连接块c的接触面相互垂直；

所述的橡胶体d的连接处粘贴有应变片p。

一种多轴加载机械零件表面应变实时放大的星型悬臂式应变倍增器的设计方法，星型悬臂式应变倍增器s通过单轴应变提取、应变转移的原理对机械零部件表面沿各个方向的应变进行等比例放大，在被测机械零部件g表面安装星型悬臂式应变倍增器s，利用每个悬臂b的安装脚f承受被测机械零部件g表面应力，通过悬臂b的拉伸与压缩将悬臂b长度内被测机械零部件g表面应变等效到橡胶体d上，从而实现被测机械零部件g表面每个方向上应变的放大。星型悬臂式应变倍增器s整体结构(如图1)。

从总体来看，星型悬臂式应变倍增器s包括三部分：将被测机械零部件g表面应力进行传递的悬臂b；将各个悬臂b进行连接的中心连接块c；将被测机械零部件g表面应变反映为一定倍数应变的橡胶体d；星型悬臂式应变倍增器s具体的设计方法如下：

(ⅰ)构建悬臂倍增器倍率设计模型

根据被测机械零部件g表面环境，悬臂b通过胶水粘贴方式或螺栓联接方式安装在被测机械零部件g表面，在悬臂安装脚f处设计螺栓孔m；悬臂b的固定约束端设计有一体结构的联接板e，用于悬臂b与弹簧a的联接，悬臂b设计模型(如图2)。

(ⅱ)建立悬臂倍增器倍率设计模型

1)单轴加载情况下，被测机械零部件g表面应变实时放大，悬臂b数目m＝1，橡胶体d顶面上产生的应变为一定倍率下，单条悬臂b覆盖的被测机械零部件g沿悬臂b长度方向的平均应变，单条悬臂倍增器倍率设计模型(如图3)。设计公式如下：

其中：n—单条悬臂时倍增器对应变的放大倍率；

l1—安装角距离弹簧的长度；

l2—弹簧和橡胶体的原长；

kt—弹簧刚度；

kx—橡胶体刚度；

eg—悬臂材料弹性模量；

a—悬臂截面面积；

2)多轴加载情况下，被测机械零部件g表面应变实时放大，为使星型悬臂式应变倍增器能够对被测机械零部件g表面更多方向的应变进行实时放大，设计悬臂数目大于2，且悬臂数目为奇数；多条悬臂倍增器倍率设计模型(如图4)。其对被测机械零部件g表面每个方向上应变的放大倍率公式如下：

其中：n—多条悬臂时倍增器每条分支对应变的放大倍率；

l1—安装角距离弹簧的长度；

l2—弹簧和橡胶体的原长；

kt—弹簧刚度；

kx—橡胶体刚度；

eg—悬臂材料弹性模量；

a—橡胶体截面面积；

模型说明：当被测机械零部件g表面应变较复杂时，星型悬臂式应变倍增器s的悬臂b数目尽可能选多。

本发明的有益效果：针对目前疲劳寿命计无法在低应变幅值范围内有效工作情况提出了一种星型悬臂式应变倍增器设计方法，解决了当前国内外应变倍增器无法对机械零件表面多轴应变进行等比例放大问题，拓宽了疲劳寿命计的应用领域；同时提出的星型悬臂式应变倍增器可以对零件表面应变进行高倍率放大，解决了疲劳寿命计在小应变机械零件上的应用问题，使疲劳寿命计能够准确的进行机械零部件剩余疲劳寿命监测，确保机械设备安全可靠工作。另外，本发明提出的星型悬臂式应变倍增器通过单轴放大、多轴复合的方法进行多轴应变独立放大，可以很好地解决目前疲劳寿命计或应变片的横向效应问题，提高其测量精度。

附图说明

图1是星型悬臂式应变倍增器整体结构模型。

图2是悬臂分支模型剖面图。

图3是单条悬臂分支倍增器倍率设计模型。

图4是多条悬臂分支情况倍增器倍率设计模型。

图5是星型悬臂式应变倍增器具体工作示意图。

图中：a弹簧；b悬臂；c中心连接块；d橡胶体；e联接板；h悬臂拉伸梁；m螺栓孔；f悬臂安装脚；p应变片；s星型悬臂式应变倍增器；t紧固螺栓；g被测机械零部件。

具体实施方式

下面结合附图及技术方案，详细说明本发明的具体实施方式。

图5为星型悬臂式应变倍增器具体工作示意图。星型悬臂式应变倍增器s通过紧固螺栓t安装在被测机械零部件g表面，利用每个悬臂b的安装脚f承受被测机械零部件g表面应力，通过悬臂b的拉伸与压缩将悬臂b长度内被测机械零部件g表面应变等效到橡胶体d上，从而实现被测机械零部件g表面每个方向上应变的放大。

(ⅰ)悬臂分支模型

根据被测机械零部件g表面环境，悬臂b通过胶水粘贴方式或螺栓联接方式安装在被测机械零部件g表面，在悬臂安装脚f处设计螺栓孔m；悬臂b的固定约束端设计有一体结构的联接板e，用于悬臂b与弹簧a的联接，悬臂b设计模型(如图2)。

模型说明：当机械零部件g表面环境较好且表面不平度较低时，选择胶水安装形式将悬臂b安装在机械零部件表面，当被测机械零部件g表面环境较差不适合胶水粘贴时选用螺栓联接方式对悬臂b进行安装。

(ⅱ)倍率设计模型

1)针对单轴加载情况下的机械零部件g表面应变实时放大，设计悬臂b数目m＝1，弹性体d顶面上产生的应变为一定倍率下，单条悬臂b覆盖的被测机械零部件g沿悬臂b长度方向的平均应变，单条悬臂分支倍增器倍率设计模型(如图3)。倍率设计公式如下：

其中：n—单条悬臂分支时倍增器对应变的放大倍率；

l1—安装角距离弹簧的长度；

l2—弹簧和橡胶体的原长；

kt—弹簧刚度；

kx—橡胶体刚度；

eg—悬臂材料弹性模量；

a—悬臂截面面积；

2)针对多轴加载情况下，被测机械零部件g表面应变实时放大，为使星型悬臂式应变倍增器s能够对被测机械零部件g表面更多方向的应变进行实时放大，设计悬臂b数目大于2，且悬臂数目为奇数；多条悬臂倍增器倍率设计模型(如图4)。其对被测机械零部件g表面每个方向上应变的放大倍率公式如下：

其中：n—多条悬臂分支时倍增器每条分支对应变的放大倍率；

l1—安装角距离弹簧的长度；

l2—弹簧和橡胶体的原长；

kt—弹簧刚度；

kx—橡胶体刚度；

eg—悬臂材料弹性模量；

a—悬臂分支截面面积；

模型说明：

(1)由于星型悬臂式应变倍增器s需要长时间承受交变载荷，在材料选择时悬臂b与中心连接体c采用合金钢材料。

(2)在结构及环境允许情况下，适当增加悬臂b数目可以有效提高粘贴在橡胶体d上面的疲劳寿命计(应变片)p的测量精度。

(3)由于星型悬臂式应变倍增器s实际安装的被测机械零件g表面结构及环境可能复杂多变，在进行表面应变放大时星型悬臂式应变倍增器s倍率在合理的范围内可能存在一定的误差。

(4)由于星型悬臂式应变倍增器s的橡胶体d反映的是悬臂b长度范围的平均应变，在进行倍率设计时需要考虑星型悬臂式应变倍增器s安装位置的应力梯度，在疲劳寿命计(应变片)p工作需要的应变幅值区间内，尽量使悬臂b长度较小，提高测量精度。