多轴载荷下机械零件表面应变实时放大的盘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，具体涉及一种多轴载荷下机械零件表面应变实时放大的盘式应变倍增器及设计方法，能够搭配疲劳寿命计实现机械结构剩余寿命预测，属于机械零部件疲劳寿命预测技术领域。

背景技术：

目前疲劳寿命计由于其存在很高的应变门槛值，无法直接安装在机械零件表面上进行剩余寿命的预测，需要通过应变倍增器将结构某位置处的应变进行机械的放大后进行测量，但目前国内外关于应变倍增器的研究均局限于结构表面应变的单轴放大领域，无法在承受多轴应力机械零件上进行应用，存在很大的局限性；另外，目前国内外应变倍增器大多为低倍率放大，对于需要高倍率应变放大的场合无法有效的应用。

基于以上情况，本发明设计了一种盘式应变倍增器，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，解决了目前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，确保机械设备能够安全可靠地运行；同时本发明提出的盘式应变倍增器能够很大程度上对机械零件表面的应变进行实时放大，解决了目前很多应变倍增器只能低倍率放大的问题，拓宽了疲劳寿命计的适用领域。

技术实现要素：

本发明是针对目前应变倍增器无法进行结构表面应变的多轴放大且放大倍率较低的情况，发明了一种盘式多轴应变倍增器。利用盘式应变倍增器的盘面承受机械结构表面的应力，通过盘心橡胶块实现应变转移，对盘面覆盖位置处的平均应变进行一定倍数的机械放大，从而保证安装在倍增器上的疲劳寿命计能够在有效的应变幅值范围内工作，确保机械设备安全可靠地运行。

本发明的技术方案：

一种多轴载荷下机械零件表面应变实时放大的盘式应变倍增器，包括中心空心柱体a、盘面拉伸板b、盘心橡胶体f和应变片p；中心空心柱体a与盘面拉伸板b为一体的凸型体结构，二者的连接处开有周向槽d；中心空心柱体a为具有一顶面的空心圆柱体；盘面拉伸板b的自由端设有螺栓孔c和安装脚g；沿盘面拉伸板b半径方向辐射状开设径向开口，将盘面拉伸板b分割多个均匀的拉伸板；与盘面拉伸板b上径向开口对应处的中心空心柱体a上也开有不贯通至顶部的径向开口；位于中心空心柱体a内、下部设有盘心橡胶体f，盘心橡胶体f下表面粘贴有应变片p，应变片p分别对应每一个拉伸板。

一种多轴载荷下机械零件表面应变实时放大的盘式应变倍增器设计方法，盘式应变倍增器s采用应变转移的方法对被测机械零部件h表面沿各个方向的应变进行同比例放大，在被测机械零部件h表面安装盘式应变倍增器s，通过盘式应变倍增器s盘面接受机械结构表面应力，将应力传递给盘心橡胶体f进行应变的转移，利用盘心橡胶体f的超弹性特点实现应变的实时放大。

在盘式应变倍增器s拉伸与收缩过程中，各个方向的应力会产生相互影响，影响精度，因此在盘式应变倍增器s的中心空心柱体a上，沿盘面拉伸板b半径方向辐射状开设径向开口e；由于很多被测机械零部件h工作环境恶劣，无法采用胶粘的方式安装盘式应变倍增器s，因此在安装脚g上设计螺栓孔c，在无法胶粘安装情况下，通过紧固螺栓t将盘式应变倍增器s与被测机械零部件h表面进行联接。盘式应变倍增器s整体结构(如图1)。

设计如下：

1)盘心橡胶体f与中心空心柱体a内孔胶粘时，配合方式为过盈配合，保证盘式应变倍增器s在受拉应力作用时盘心橡胶体f仍能靠本身的变形与内孔保持接触，盘心橡胶体f安装位置(如图2)。盘心橡胶体f的直径与中心空心柱体a内孔径关系式如下：

d＝1.01βd^α

式中：d—盘心橡胶体f直径；

d—中心空心柱体a内孔径；

α—拉应力修正系数，取值范围为1.01～1.1，随拉应力作用增加而增大；

β—径向开口e影响因子，取值范围为1.05～1.25，随径向槽的数目增多而增大；

2)根据被测机械零部件h表面应变情况，在盘式应变倍增器s上沿盘面拉伸板b半径方向径向开口e，减小被测机械零部件h表面各个方向上的应力由于中心空心柱体a及盘面拉伸板b的作用而产生周向作用力从而对盘心橡胶体f各个方向的应变响应产生影响，径向开口e的数目不低于两条；在中心空心柱体a与盘面拉伸板b连接处开设周向槽，可以减缓盘式应变倍增器s变形时连接处的集中应力，提高盘式应变倍增器s的使用寿命，同时减轻了盘式应变倍增器s的重量。

3)盘式应变倍增器s通过应变转移方式进行被测机械零部件h表面应变的实时放大，盘面拉伸板b边缘的安装角g承受被测机械零部件h表面应力，通过盘面拉伸板b传递到盘心橡胶体f从而将应变放大，其放大的应变为盘面拉伸板b覆盖范围内被测机械零部件h表面平均应变；根据盘式应变倍增器s模型，其具体倍率设计公式如下：

其中：n—盘式应变倍增器s应变放大倍率；

d—盘式应变倍增器s外径；

d—中心空心柱体a内孔径；

m—径向开口e数目影响系数，取值范围为1.012～1.215，随径向开口e数目增多而增大；

γ—盘心橡胶体f刚度影响系数，取值范围为1.022～1.105，随选取橡胶体弹性模量增大而增大；

由盘式应变倍增器s倍率设计公式看出，随着盘式应变倍增器s外径与中心空心柱体a内孔直径之比增大，盘式应变倍增器s对应变的放大倍率也随之提高，但是盘式应变倍增器s测量的平均应变范围也随之增大，因此盘式应变倍增器s的原始外径与中心空心柱体a内孔孔径应随着实际测量位置工况进行确定；

4)在进行应变片p安装时，采用应变片p等角度安装，应变片p采用胶水粘贴形式安装在盘心橡胶体f底面，应变片p安装位置(如图3)。

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盘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；同时提出的盘式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。

附图说明

图1是盘式倍增器整体结构模型。

图2是盘式应变倍增器正面剖视图。

图3为盘式应变倍增器应变片安装位置示意图。

图4为盘式应变倍增器底面示意图。

图5是盘式应变倍增器具体安装示意图。

图中：a中心空心柱体；b盘面拉伸板；c螺栓孔；d周向槽；e径向开口；f盘心橡胶体；g安装脚；p应变片；s盘式应变倍增器；t紧固螺栓；h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是盘式应变倍增器具体的安装示意图。盘式应变倍增器s采用应变转移的方法对被测机械零部件h表面沿各个方向的应变进行同比例放大，在被测机械零部件h表面安装盘式应变倍增器s，通过盘式应变倍增器s盘面接受机械结构表面应力，将应力传递给盘心橡胶体f进行应变的转移，利用盘心橡胶体f的超弹性特点实现应变的实时放大。

1)盘心橡胶体f与中心空心柱体a内孔胶粘时，采用过盈配合，保证盘式应变倍增器s在受拉应力作用时盘心橡胶体f仍能靠本身的变形与内孔保持接触，盘心橡胶体f安装位置(如图2)。盘心橡胶体f的直径与中心空心柱体a内孔径关系式如下：

d＝1.01βd^α

式中：d—盘心橡胶体f直径；

d—中心空心柱体a内孔径；

α—拉应力修正系数，取值范围为1.01～1.1，随拉应力作用增加而增大；

β—径向开口e影响因子，取值范围为1.05～1.25，随径向槽的数目增多而增大；

2)根据被测机械零部件h表面应变情况，在盘式应变倍增器s上沿盘面拉伸板b半径方向径向开口e，减小被测机械零部件h表面各个方向上的应力由于中心空心柱体a及盘面拉伸板b的作用而产生周向作用力从而对盘心橡胶体f各个方向的应变响应产生影响，径向开口e的数目不低于两条，当被测机械零部件h承受单轴载荷时，盘式应变倍增器s的径向开口e数目设计为两条，在盘式应变倍增器s安装时，使径向开口e的开口方向与被测机械零部件h的单轴受载方向垂直；在中心空心柱体a与盘面拉伸板b连接处开设周向槽，可以减缓盘式应变倍增器s变形时连接处的集中应力，提高盘式应变倍增器s的使用寿命，同时减轻了盘式应变倍增器s的重量。

3)盘式应变倍增器s通过应变转移方式进行被测机械零部件h表面应变的实时放大，盘面拉伸板b边缘的安装角g承受被测机械零部件h表面应力，通过盘面拉伸板b传递到盘心橡胶体f从而将应变放大，其放大的应变为盘面拉伸板b覆盖范围内被测机械零部件h表面平均应变；根据盘式应变倍增器s模型，其具体倍率设计公式如下：

其中：n—盘式应变倍增器s应变放大倍率；

d—盘式应变倍增器s外径；

d—中心空心柱体a内孔径；

m—径向开口e数目影响系数，取值范围为1.012～1.215，随径向开口e数目增多而增大；

γ—盘心橡胶体f刚度影响系数，取值范围为1.022～1.105，随选取橡胶体弹性模量增大而增大；

4)在进行应变片p安装时，采用应变片p等角度安装，应变片p采用胶水粘贴形式安装在盘心橡胶体f底面，应变片p安装位置(如图3)。

5)在对盘式应变倍增器s进行安装时，根据被监测机械零部件h表面工况选择安装形式，在被测机械零部件h表面不平度较大或温度、湿度不利于胶粘的情况下，选择紧固螺栓t对盘式应变倍增器s进行安装。

盘式应变倍增器s设计模型说明：

(1)盘式应变倍增器s需要长时间承受交变载荷，在材料选择时盘式应变倍增器s金属部分选用合金钢材料，盘心橡胶体f选用弹性模量较低的橡胶材料。

(2)盘式应变倍增器s实际安装的被测机械零部件h表面工况可能复杂多变，在进行被测机械零部件h表面应变放大时，盘式应变倍增器s倍率在合理的范围内可能存在一定的误差。

(3)盘心橡胶体f底面反映的是盘式应变倍增器s覆盖范围的平均应变，在进行倍率设计时需要考虑盘式应变倍增器s安装位置的应力梯度，在疲劳寿命计(应变片)工作需要的应变幅值区间内，尽量减小盘式应变倍增器s外径，提高测量精度。

(4)适当增加径向开口e数目能够显著提高预测盘式应变倍增器s应变放大精度。