圆柱螺旋弹簧疲劳试验机的设计与实现

许安鹏

（佛山智能装备技术研究院，广东佛山528225）

圆柱螺旋弹簧疲劳试验机的设计与实现

许安鹏

（佛山智能装备技术研究院，广东佛山528225）

弹簧疲劳寿命是对弹簧施加周期性的变载荷，在给定的失效条件下，所试弹簧达到的最大循环次数。本试验机可用于拉伸弹簧或压缩弹簧的疲劳测试，通过拉压力传感器和位移传感器，实时保存并分析相关数据完成弹簧的疲劳试验。通过对圆柱螺旋弹簧疲劳试验机的设计，最终实现了试验样机的研制。

弹簧；疲劳；试验机；设计；实现

弹簧是一种弹性元件，多数机械设备均离不开弹簧。弹簧利用本身的弹性，受载后产生较大变形，卸载后变形消失而弹簧将恢复原状。弹簧在产生变形和恢复原状时，能够将机械功或动能转变为变形能，或把变形能转变为机械功或动能［1］。弹簧的类型很多，按结构形状来分，弹簧大致分为圆柱螺旋弹簧、非圆柱螺旋弹簧和其他弹簧。圆柱螺旋弹簧又可分为螺旋压缩、螺旋拉伸和螺旋扭转弹簧等。一般弹簧在工作中承受的是变载荷，疲劳破坏是弹簧失效的主要形式［2］，故必须对弹簧进行疲劳性能试验。弹簧疲劳试验机是一种对弹簧进行循环应力加载的试验设备，通过对弹簧施加周期性的变载荷来达到检查弹簧疲劳寿命的目的。目前，弹簧疲劳试验机有机械式、电磁谐振式和电液伺服式等［3］。

本设计的圆柱弹簧疲劳试验机可适用于汽车电动撑杆压缩弹簧、汽车自吸锁扣拉伸弹簧以及其他用途的压缩弹簧或拉伸弹簧的疲劳试验。

1 系统组成与工作原理

圆柱螺旋弹簧疲劳试验机组成结构示意如图1所示。

（1）机械系统。机械系统组成包括伺服电机、定位轴、上板、移动板、滚珠丝杆、铝合金机架、调节脚下板、导向圆柱、测试压缩弹簧、直线滑块、丝杆螺母、上轴承座、行星减速机、下轴承座、脚轮和立板等。

（2）电气系统。电气系统组成有伺服驱动器、拉压力传感器与放大器、位移传感器、上限位开关、下限位开关和急停按钮等。

（3）控制系统。控制系统组成有工控机、运动控制卡、A/D接口卡、I/O接口卡、显示屏和键盘等。

图1 弹簧衰减试验机的组成结构示意

试验机的工作原理如图2所示，工控机是试验机的核心控制系统，开发程序是基于Windows环境的一种面向对象的可视化编程语言Visual C++［4］。

图2 弹簧衰减试验机的工作原理

由图2可知，试验机的工作原理为：工控机将运动指令发送到运动控制卡，运动控制卡向伺服驱动器发送高频率的脉冲串，实现对伺服电机进行运动控制。伺服电机经过行星减速机减速后驱动滚珠丝杆，并将旋转运动转化为直线运动，从而实现移动板的上下往复运动。

测试前将待测试弹簧安装到定位轴上，弹簧的上下两端分别与移动板和拉压力传感器连接。测试时，伺服电机驱动移动板在竖向导向机构的导向下作上下往复运动，从而对待测试压缩弹簧产生压力（拉伸弹簧产生拉力），通过拉压力传感器实时检测弹簧的压力或拉力，位移传感器实时检测弹簧的变形，保存并分析相关的数据，从而完成弹簧的疲劳试验。

2 主要技术指标

弹簧衰减试验机的主要技术指标分别为：1）试验频率可调范围为0.01～1 Hz。2）振幅可调范围为0～700 mm。3）最大试验载荷为5 000 N。4）被测弹簧最大外径为150 mm。5）被测弹簧自由长度范围为10～1 000mm。6）计次范围为1～1 000 000次。7）位移传感器精度为0.01mm。8）拉压力传感器精度为0.5%。

3 机械系统设计

机械系统主要有伺服电机、滚珠丝杆螺母、铝合金机架、导向圆柱、直线滑块、行星减速机和脚轮等。已知试验机的相关参数如下：试验载荷为5 000 N，最大行程为700 mm，最快进给速度为80mm/s，加减速时间为0.1 s，滚珠丝杆的效率为0.9。

3.1 滚珠丝杆的计算

3.1.1 丝杆轴全长B L

丝杆轴全长可表示为

其中，最大行程为700 mm，螺母长度为62 mm，余量为30 mm，轴端尺寸为72 mm，联轴器安装尺寸为36mm，故丝杆轴全长BL=900mm。

3.1.2 丝杆轴径B D

负载作用点间距l=丝杆轴全长-轴端尺寸/2，故负载作用点间距l为828mm。由试验载荷5 000 N，查表可得轴径应大于15 mm，故取轴径BD=20mm。

3.1.3 导程s

根据丝杆轴径为20mm时，对应的导程有5、10和20mm，从节约成本方面考虑，这里取导程s=10mm。

3.1.4 容许轴向负载P

容许轴向负载可表示为

其中，P为容许负载转矩；m为滚珠丝杆的支撑方式系数，这里m=10；d为丝杆轴螺纹内径，这里d=17.5 mm；l为负载作用点间距。将数据代入式（2），可得容许轴向负载P=13 680 N。P＞5 000 N，满足要求。

3.1.5 最大转速n max

最大转速可表示为

其中，vmax为最快进给速度，这里vmax=80mm/s。将数据代入式（3），可得最大转速为nmax=480 r/min。

3.1.6 容许转速N C

容许转速可表示为

其中，NC为容许转速；g为滚珠丝杆的支撑方式系数，这里g=15.1。将数据代入式（4），可得容许轴向负载 NC=3 854 r/min。NC＞480 r/min，满足要求。

因此，可确定滚珠丝杆的型号为BSSC2010-900。

3.2 减速机的计算

3.2.1 减速比i

减速比可表示为

其中，nmax为伺服电机的最高转速，这里为5 000 r/min；s为丝杆导程，这里为10mm；vmax为试验机的最快进给速度，这里为80mm/s。将数据代入式（5）后，可得减速比为1∶10.4，故取i=1∶10。

3.2.2 试验机的最快进给速度v max

试验机的最快进给速度可表示为

将数据代入式（6）后，可得试验机的最快进给速度vmax=83.3mm/s。vmax＞80mm/s，满足要求。

3.2.3 减速机的负载转矩T1

减速机的负载转矩可表示为

其中，T1为减速机的负载转矩；P为轴向外部负载；L为滚珠丝杆的导程；η为滚珠丝杆的效率，η=0.9。这里忽略重力和摩擦的影响，将数据代入式（7），可得负载转矩T1=8.84 N·m。

3.3 伺服电机的计算

3.3.1 伺服电机的运行转矩T0

伺服电机的运行转矩可表示为

其中，T0为伺服电机的运行转矩，T1为减速机的负载转矩，i为减速比。将数据代入式（8），可得伺服电机的负载转矩为T0=0.884 N·m。

因此，可以暂时选择伺服电机的型号为MSMF04，减速机型号为VRB-060-10，其技术参数均如表1所示。

表1 伺服电机、减速机的技术参数

3.3.2 输出与输入的转动惯量比q

3.3.2.1 丝杆的转动惯量JB

丝杆的转动惯量可表示为

其中，BW为丝杆的质量；ρ为丝杆的密度，这里为7.9×103kg/m3。将数据代入式（9），可得丝杆的转动惯量JB=1.12×10-4kg·m2。

3.3.2.2 移动板的转动惯量JW

移动板的转动惯量可表示为

其中，W为移动板的质量，这里为8 kg。将数据代入式（10），可得移动板的转动惯量JW=0.20×10-4kg·m2。

3.3.2.3 减速机的转动惯量JC

由表1可知，减速机的转动惯量JC=0.14×10-4kg·m2。。

3.3.2.4 输出与输入的转动惯量比q

输出与输入的转动惯量比可表示为

其中，JM为伺服电机转子惯量。将参数代入式（11），可得转动惯量比q=4.87。q＜30，满足要求。

3.3.3 最大转矩T max

3.3.3.1 角加速度α

角加速度可表示为

其中，t为加速时间，这里为0.1 s。将数据代入式（12），可得角加速度α=502.4 rad/s。

3.3.3.2 最大转矩Tmax

伺服电机的最大转矩为伺服电机启动时的输出转矩，即为运行转矩加上启动时的惯性转矩，可表示为

将数据代入式（13），可得最大转矩 Tmax=0.96 N·m。Tmax＜3.82 N·m，满足要求。

因此，可确定伺服电机的型号为MSMF04，减速机型号为VRB-060-10。

4 电气系统设计

电气系统组成有伺服驱动器、拉压力传感器与放大器、位移传感器、上限位开关、下限位开关和急停按钮等。

4.1 拉压力传感器

拉压力传感器主要有应变式压力传感器、硅压阻压力传感器、陶瓷压力传感器以及电容式压力传感器等［5］。

（1）电阻应变式压力传感器。电阻应变式压力传感器是目前使用较广的一种传感器，以电阻应变计为转换单元的电阻应变式测力传感器，在被测力的作用下，弹性体产生与其正比的弹性变形，在弹性体特定部位上粘贴的电阻应变计将应变转换成与其成正比的电阻变化，电阻应变计组成惠斯登电桥，在桥的两端施加激励电压，在桥的另外两端得到与被测力近似线性关系的电压变化，通过对电压变化的测量即可测出力的变化［2］。

（2）轮辐拉压力传感器。轮辐拉压力传感器为电阻应变式压力传感器，在大型称重系统中应用极广，该传感器采用轮辐式弹性体结构，具有低外形、抗偏载、精度高、强度好、安装方便、拉压输出对称性好等特点。广泛应用于工业系统中力的测量和天平秤、轨道衡、料斗秤等各种称重、测力的工业自动化测量控制系统。

本研究选用的拉压力传感器选择型号为MIK-LCLY。传感器的量程为0～100 kg，精度为0.5%，输出信号-5～5 V，具体技术参数如表2所示。

表2 MIK-LCLY拉压力传感器技术参数

4.2 直线位移传感器

位移传感器主要有电位器式、电阻应变式、电容式、电感式、磁敏式、光电式以及超声波位移传感器等［6］。位移传感器主要用于控制、调节和测量系统中对位移和长度的直接精确测量。

TLH系列直线位移传感器为电位器式位移传感器，采用无杆设计，使传感器滑刷在传感器侧面，沿传感器长度方向移动，避免了传感器由于“泵”效应引起的传感器失效。同时，新型的球铰可消除不平或倾斜产生的扭力，使传感器的承受拉力均匀。

本研究直线位移传感器选择型号为TLH-0750，该传感器的精度为0.01mm，其具体技术参数如表3所示。

表3 TLH-075直线位移传感器的技术参数

4.3 电气连接

本弹簧衰减试验机系统中运动控制卡型号为ADT-8940A1，模拟量输入卡型号为PC-6325A，开关量输入输出卡型号为PC-6408。查阅相关技术资料，得到电气连接如图3所示。

图3 电气连接

图3中，运动控制卡ADT-8940A1与伺服驱动器采用差动接法，抗干扰性强。拉压力传感器和位移传感器连接到模拟量输入卡PC-6325A，将相应的模量量转换为数字量并读入到工控机。开关量输入输出卡PC-6408将外部限位开关、急停按钮和伺服报警等开关量状态读入到工控机，同时输出控制电源指示灯、伺服使能等。

通过对圆柱螺旋弹簧疲劳试验机的设计，最终实现了试验样机的研制，实物如图4所示。

图4 圆柱螺旋弹簧疲劳试验机

5 小结

本弹簧疲劳试验机通过设置拉压力传感器和位移传感器实时检测弹簧的弹力和变形量，通过保存并分析相关数据，实现了对弹簧的疲劳试验。同时，本弹簧疲劳试验机既能用于测试拉伸弹簧，又能用于测试压缩弹簧，具有良好的可靠性、稳定性、通用性，因此应用更加广泛。

［1］王为,汪建晓.机械设计［M］.武汉:华中科技大学出版社,2007.

［2］傅华栋.圆柱螺旋弹簧疲劳试验方法研究［D］.北京:机械科学研究总院,2007.

［3］张英会,刘辉航,王德成,等.弹簧手册［M］.北京:机械工业出版社,1997.

［4］明日科技.VisualC++从入门到精通［M］.北京:清华大学出版社,2008.

［5］郭冰,王冲.压力传感器的现状与发展［J］.中国仪器仪表,2009（5）:72-75.

［6］刘焱,王烨.位移传感器的技术发展现状与发展趋势［J］.仪器仪表与检测技术,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

许安鹏（1988-），男，广东潮州人，佛山智能装备技术研究院工程师。

任小平 renxp90@163.com】