结构强度试验新型多路故障检测箱设计

赵婵

摘 要：在结构强度疲劳试验过程中，对试验件的边界需要进行实时监测，因此在试验件位移较大的部位安装限位开关，对试验件在整个周期的加载过程中进行位移限制保护。对于大结构试验件，其监测通道越来越多，以往的诊断箱集成度低无法满足要求。基于此，研发了新型故障诊断箱，将多通道监测数据有效集成，此外，还对故障诊断箱的振动强度进行了分析，并给出了设计改进意见。

关键词：故障监测；随机振动；优化设计；结构分析

中图分类号：TP391.4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）03-0094-02

Abstract： In the process of structural strength fatigue test， the boundary of the test piece needs to be monitored in real time， so the displacement limiting switch is installed in the part of the large displacement of the test piece to carry out displacement limiting protection during the whole loading period of the test piece. For large structure test pieces， there are more and more monitoring channels， and the low integration of the previous diagnostic box can not meet the requirements. Based on this， a new type of fault diagnosis box is developed， which effectively integrates multi-channel monitoring data. In addition， the vibration strength of the fault diagnosis box is analyzed， and some suggestions for design improvement are given.

Keywords： fault monitoring； random vibration； optimal design； structural analysis

1 概述

随着计算机技术的进步和发展，自动化和智能化设备在结构强度试验过程中广泛应用并不断升级。尤其在疲劳试验过程中，新结构的不断涌现使疲劳试验对试验设备的要求不仅仅是功能实现，在如何提高效率，提高精度方面也是设计者需要考虑的重点指标。

目前已有的多路故障检测箱通道在集成度、响应速度等方面均不能满足试验需求，需要新型的多路故障检测箱为试验控制工程师提供实时的预警机制，有效控制试验异常发生。为此本文设计了一种新型多路故障检测箱。

2 总体设计

2.1 电路设计

新型多路故障检测箱电路图如图1所示。扩展通道为单机32通道，设计时对电器元件布局进行了反复修改，节省了空间，有利于设备散热，每个通道设计了自锁功能，有助于故障发生时控制工程师及时定位故障点。

电路设计完成后，在电路的接口增加了单片机监测单元，以单片机为核心对故障信号的发生情况进行有效监测，并同时在程序内设置提示信息，当对应通道故障发生时，及时调用相应信息并显示在对应面板。

2.2 結构设计

新型多路故障检测箱外形如图2所示。前面板设计主要包括单通道工作指示灯，单通道故障指示灯，电源指示灯，故障提示灯。电压面板显示，主要对工作电路的电压供电进行检测。智能监控面板以单片机为处理器核心单元，对检测信号进行评估之后，以LED显示在面板，提示控制系统工程师故障空间位置及具体信息。这些信息在设备安装之前设置完成。后面板设计包括在箱体上部开口布置32检测通道，并配备一定功率的降温风扇，在后面板设置出风口，面板右下角是电源插槽开口，以上开口尺寸以设计电路的电器元件实际尺寸为依据，设计过程对箱体的重量也进行了相应的控制，改变以往箱体笨重，移动安装困难的窘境。同时根据疲劳试验现场的环境因素，要求控制箱体具有较强的抗振动能力，并设计一定的抗振动功能。所以要对箱体进行随机振动分析。

3 振动分析

3.1 模型建立

采用壳元建立新型多路故障检测箱有限元模型。按照各部件厚度和实际位置附属性，如图3所示。有限元模型共4868个单元，4772个结点。为方便单位换算计算过程采用通用单位。

3.2 边界条件

考虑到箱体遭遇随机振动影响，在箱体的底部与振动源接触的地方设计了隔振装置，在模型中以弹性元模拟隔振器，在四个底座处施加边界条件，计算振动响应时，约束其他方向自由度，该方向不施加约束。载荷施加以所预期的最大振动量值为计算输入条件。隔振器参数采用轴向刚度580N/mm，径向刚度396N/mm，阻尼比0.48。

4 仿真结果

4.1 应力云图

从仿真结果导出应力云图如图4所示，从应力云图可以看出，新型多路故障检测箱随机振动分析结果，其应力水平不高，最大应力约为107MPa，最大应力出现在隔振器连接位置，该区域应力分布容易出现应力集中，所以设备整体应力水平不大，在该输入随机振动载荷谱情况下满足设计强度。

4.2 改进方案

在同等输入条件下，要改变隔振器连接位置的应力水平，建议在该区域进行加厚设计，此外，分析过程中没有搭载箱内电路板以及设备重量，建议电路板连接的主要区域进行加厚设计，不同承载区域进行材料区分，顶盖承载较小建议采用密度更轻的材料进行设计，满足强度条件下使设备重量达到最小。

5 结论

本文设计了新型多路故障检测箱，在设计阶段对以往设备电路进行了智能升级，提高了设备的集成度，使检测更迅速、更直观。并根据试验现场随机振动预期的最大振动量值进行随机振动响应分析，给出设计改进方案，缩短了设计周期，提高了设计效率。对于提高新结构疲劳试验故障检测水平以及设备运行稳定性，具有重要意义，从设备研发阶段着手，进一步降低了疲劳试验的运维成本。不过本文是设备研发初始阶段的有效尝试，后续将对设备全生命周期进行迭代设计，使设备性能以及各项指标达到最优，并不断配合设备的升级换代，对未来结构强度试验，尤其是疲劳试验起到保驾护航的作用。

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