一种利用有限元方法加载的重型卧车可靠性试验装置

摘要

本发明涉及一种利用有限元方法加载的重型卧车可靠性试验装置，包属于机械试验设备领域。包括一个被测的重型卧车，两个以上加载单元组成了加载系统，用于模拟重型卧车受到的各种形状工件的重力载荷；所述两个以上加载单元通过凹形底座用螺栓固定连接在重型卧车的导轨上，标准工件穿过加载单元上的弧形夹持单元、两端分别夹持在重型卧车的三爪卡盘与尾座之间。优点是通过对每个加载单元施加不同的拉压力，模拟不同粗细，不同形状的工件对重型卧车的载荷，弧形夹持单元的数量可以根据需要模拟的工件不同部位的长度进行调节，为工件施加均布载荷，最大限度模拟工件的自重及加工过程中重量的变化。

说明书

技术领域

本发明属于机械试验设备领域，涉及一种利用有限元方法模拟加载多种工件的重型卧车可靠性试验装置。

背景技术

重型与超重型机床是我国大型电力、航天航空、大型船舶、交通和大型冶金与矿山特种装备等相关行业发展的急需设备，是关系到国民经济发展与综合实力的战略物资。重型卧车适用于对不同材质的轴类、圆筒形和盘形零件进行车削外圆、端面、切槽、切断、镗孔、车镗内外锥体等半精和精加工。由于重型卧车加工的零件体积大、重量重，一般单个工件重量可以达到十几吨甚至几百吨，相比于工件的重力，加工过程中的切削力可以忽略不计，这也是重型卧车在工作时受到的载荷与其他普通机床最大的不同之处。重型卧车加工的工件形状各异，每段的重量也不同，在加工过程中工件自身的重量也会逐渐发生变化，所以很难用传统加载不同形状的工件的方法进行模拟且这样试验的成本极其昂贵。为了暴露机床在实际工作状况下的薄软环节，评价重型卧车的可靠性，需要建立可靠性试验平台最大限度模拟重型卧车在实际服役情况下受到的载荷，进行可靠性加速试验。

目前，国内关于重型卧车的可靠性试验装置及方法甚少；同时，对于不同工件形状下的不同载荷也没有很好的模拟方法。有限元方法是一种将连续体离散化为若干个有限大小的单元体的集合,以求解连续体力学问题的数值方法，可以使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。本发明借鉴有限元将整体离散化的思想对重型卧车进行加载，模拟机床受到的载荷情况。

为了提高重型卧车的可靠性，减少由于故障导致的生产损失，需要对重型卧车进行可靠性加速试验，对故障数据采用故障模式及影响分析（FMEA）、故障树分析（FTA）等方法分析其薄弱环节，并提出优化改进方法。因此，研究一种可模拟多种工况的重型卧车可靠性试验装置具有重要的实际意义。针对上述问题，本发明提供了一种利用有限元方法加载的重型卧车可靠性试验装置。

发明内容

本发明提供一种利用有限元方法加载的重型卧车可靠性试验装置，目的是模拟不同形状、重量的工件对重型卧车整机的载荷情况，可根据不同形状工件方便模拟出不同的载荷情况。

本发明采取的技术方案是：包括一个被测的重型卧车，两个以上加载单元组成了加载系统，用于模拟重型卧车受到的各种形状工件的重力载荷；所述两个以上加载单元通过凹形底座用螺栓固定连接在重型卧车的导轨上，标准工件穿过加载单元上的弧形夹持单元、两端分别夹持在重型卧车的三爪卡盘与尾座之间。

本发明所述加载单元包括弧形夹持单元、滚轮、滚轴、凹形支架、防脱螺栓、拉压力传感器、液压伸出杆、液压缸、液压进油孔、液压出油孔以及凹形底座；液压进油孔、液压出油孔用于与外部的液压系统连接，四个滚轮通过滚轴安装在弧形夹持单元的凹坑内，弧形夹持单元通过下方的凸起与凹形支架上的凹槽配合连接并通过防脱螺栓防脱固定，凹形支架下端与拉压力传感器顶部螺纹连接，六个均布的内六角螺栓穿过拉压力传感器四周的螺栓孔将拉压力传感器固定在液压伸出杆的上端面，液压缸底部加工有矩形带孔平板，通过四个螺栓固连在凹形底座的上表面。

本发明所述四个滚轮中，两个上方的滚轮与两个下方的滚轮沿水平方向对称，两个左侧的滚轮与两个右侧的滚轮沿垂直方向对称。

本发明所述弧形夹持单元的数量根据需要模拟的工件不同部位的长度进行调节。

本发明的有益效果是：

1.本发明借鉴了有限元的思想，设计了一种可以调节的加载单元，通过对每个加载单元施加不同的拉压力，模拟不同粗细，不同形状的工件对重型卧车的载荷。

2.本发明的加载单元是由数个弧形夹持单元组成，借鉴有限元的思想，弧形夹持单元的数量可以根据需要模拟的工件不同部位的长度进行调节，为工件施加均布载荷，最大限度模拟工件的自重及加工过程中重量的变化。

3.本发明每个弧形夹持单元上均有四个矩型排列的滚轮，可以实现均布载荷加载及运动的分解，在工件旋转的情况下也可以施加拉压力。

附图说明

图1是本发明整体结构的轴测投影图；

图2是本发明加载单元的轴测投影图；

图3是本发明加载单元的爆炸图；

图4是本发明加载单元中弧形夹持单元的剖视图；

图5是本发明可模拟的工件样例；

图中：1.重型卧车，101.导轨，102.三爪卡盘，103.尾座，2.标准工件，3.加载单元，301.液压缸，302.凹形底座，303.液压进油孔，304.液压出油孔，305.弧形夹持单元，306.凹形支架，307.防脱螺栓,308.液压伸出杆，309.拉压力传感器，310.滚轮，311.滚轴，A.工件样例第一段，B.工件样例第二段，C.工件样例第三段，D.工件样例第四段，E.工件样例第五段。

具体实施方式

包括一个被测的重型卧车1，两个以上加载单元3组成了加载系统，用于模拟重型卧车受到的各种形状工件的重力载荷；所述两个以上加载单元3通过凹形底座302用螺栓固定连接在重型卧车1的导轨101上，标准工件2穿过加载单元上的弧形夹持单元305、两端分别夹持在重型卧车1的三爪卡盘102与尾座103之间，加载单元3的个数根据实际被模拟的工件形状进行增减；

本发明所述加载单元3包括弧形夹持单元305、滚轮310、滚轴311凹形支架306、防脱螺栓307、拉压力传感器309、液压伸出杆308、液压缸301、液压进油孔303、液压出油孔304以及凹形底座302；液压进油孔303、液压出油孔304用于与外部的液压系统连接，四个滚轮310通过滚轴311安装在弧形夹持单元305的凹坑内，弧形夹持单元305通过下方的凸起与凹形支架306上的凹槽配合连接并通过防脱螺栓307防脱固定，用于传递垂直方向的拉压力，凹形支架306下端与拉压力传感器309顶部通过螺纹连接，六个均布的内六角螺栓穿过拉压力传感器309四周的螺栓孔将拉压力传感器309固定在液压伸出杆308的上端面，液压缸301底部加工有矩形带孔平板，通过四个螺栓固连在凹形底座302的上表面；

本发明所述四个滚轮310中，两个上方的滚轮与两个下方的滚轮沿水平方向对称，两个左侧的滚轮与两个右侧的滚轮沿垂直方向对称；

本发明所述弧形夹持单元305的数量根据需要模拟的工件不同部位的长度进行调节。

参阅图5，本发明可以通过数个加载单元7模拟各种形状工件的重量载荷，图4所示的实线部分为一个任意形状的多段轴，虚线部分为标准工件2；标准工件2分为：A段左侧部分、A段、B段、C段、D段、E段、E段右侧部分，上述各部分分别与一个加载单元3连接，通过滚轮310进行运动分解，实现工件旋转时的动态加载。轴的长度比标准工件2短，对于A段左侧部分和E段右侧部分可以利用加载单元3提供向上的支撑力抵消标准工件2的重量，所述拉压力传感器309实时监测加载力反馈给控制单元实现闭环控制。A段、C段、D段的直径比标准工件2大，所对应的加载单元3对标准工件2提供一个向下的拉力模拟增加的重量。B段、E段的直径比标准工件2小，所对应的加载单元3对其提供一个向上的支撑力以抵消多余的重量。每个加载单元3上的弧形夹持单元305的数量可以根据相应段轴的长度进行调节；通过这种利用有限元思想的加载方式，可以模拟任意形状的比标准工件2短或长度相同的工件的重力载荷。

本发明在进行可靠性试验前，需要根据模拟的工件形状对加载单元3进行调整，弧形夹持单元305的数量可以根据需要模拟的工件不同部位的长度进行调节，实现均布载荷加载。如果需要模拟圆筒形和盘形零件，也可以采用同样的理论调整加载单元3以及弧形夹持单元305，实现对标准工件重量的增加或减少。通过控制系统操控重型卧车的转速与运转时间，每次进行加速试验前都可以对需要模拟的工件形状进行调整，从而监测在重型卧车受到不同载荷时的故障情况。对故障数据采用故障模式及影响分析（FMEA）、故障树分析（FTA）等方法分析重型卧车的薄弱环节，并提出优化改进方法。本发明对重型卧车各系统及零部件的设计有很大的帮助，对于提高重型卧车零部件乃至整机可靠性具有重要的实用价值。