焊接接头机械振动疲劳测试仪制作

2022-09-11

大多数机械产品在工作时都承受着交变载荷而产生振动。构件在重复载荷作用下达到破坏时的应力比其静力强度要低的多。在航空、航天领域, 60%~80%的断裂是属于疲劳破坏。本课题所针对的气管的焊接管接头, 在运输过程中存在一定强度的振动, 造成焊接部位断裂漏气, 引起一定程度的经济损失。因此振动疲劳问题是一个不可回避的问题, 疲劳试验的目的就是要了解在重复载荷作用下结构的性能和变化规律。这就需要设计相应的测试装置, 测量焊接部位的疲劳寿命。

一、机械激励装置设计

当前可进行的振动试验系统的核心是振动执行机构 (机械激励装置) 。通过振动平台的振动造成被测物体的机械振动, 达到模拟效果。本试验基本要求是激励设备频率范围10Hz以内, 激励幅值位移0-10mm, 可实现变频调控。成本要求低, 制造维护方便, 能实现连续工作, 风扇散热即可。综合权衡后, 本次设计拟采用凸轮式机械振动台, 载荷和推力均较大, 价钱便宜、工作可靠、维护方便。采用直流调速电机 (带减速器) 和两点式凸轮满足激励要求。直流调速电机通过联轴器与凸轮轴连接, 凸轮通过螺栓固定在凸轮轴上, 凸轮随电机转轴一起转动, 这样电机转一圈, 凸轮就可以对被测物体进行2次激励。在电机最高转速情况下凸轮对被测物体的激励频率可以达到20Hz-30Hz。通过直流调速器的控制实现加载频率的改变。通过使用不同外轮廓线凸轮实现加载幅值变化[1]。

整个激励装置和被测物体安装在同一底板上, 保证其刚性及振动环境。该设备只需采用风扇做简单散热, 可长时间工作, 控制系统简单, 能满足精度要求不高的试验。

二、测量系统硬件设计

本设计的测量目标是焊接部位的疲劳寿命, 需要计量的内容有测试时间、起始时刻、振动次数以及振动频率。振动频次的计量使用计数传感器、时间由时钟芯片控制。另外比较关键的内容是如何判定焊接部位失效。本次研究的对象是气体传输管道的管接头, 如果失效将会造成气体泄漏, 进而造成气压降低, 所以考虑使用气压传感器测压[2]。

(一) 时钟模块

单片机的内部时钟由工作频率决定, 实际运行时有一定的误差, 这些误差累加起来就会很大。专门的时钟芯片只提供时钟信号, 所以比较精确。本设计要求能够实现长时间 (1-2个月) 的运行, 每天的时间误差在10S以内, 精度要求相对较高, 因此考虑采用时钟芯片DS1302。该芯片能够对年、月、日、周、时、分、秒进行计时, 基本满足设计要求。在I/O分配的时候只有3个I/O (P1.0-P1.2) 分配为时间的采集, 所以需要串行的实时时钟芯片进行时间数据的采集。

(二) 计数传感模块

被测物体的振动是由直流电动机驱动两点式凸轮造成的。物体振动频次正好是电机转速的两倍。考虑到测量精度及测试方案的成本, 本设计拟采用接近开关测量。在凸轮轴上安装同轴六齿辅助测试装置, 以一个接近开关作为测速元件, 当转台转动, 齿凸遇到接近开关时, 接近开关输出低电平信号, 单片机可以计量低电平信号的次数, 由此换算振动次数。另外根据两个脉冲之间的时间间隔可以计算出振动频率。

(三) 压力传感模块

压力传感器负责感知管路气体压力, 当压力低于设定值时, 通知单片机工作。本设计选用的是上海铭控的智能数显压力开关。利用压力开关的第一路 (低压报警AL) 的常开触点。当气压低时, 常开触点闭合, 单片机P3.4接口输入低电压, 进而控制整个测量系统停止计量。

(四) 信息存储模块

为了在测试系统启动和停止时及时记录下相关数据, 本设计采用了24C02的存储芯片。24C02有256B的存储容量, 足够满足设计需求。通过器件地址输入端A0、A1和A2可以实现将24C02器件连接到总线上, 可以将启动时的时间信息, 管接头失效时的时间信息, 振动次数等存储, 保证在掉电以后不会丢失。

(五) 键盘接口模块

本设计中具体的键盘输入电路如图所示。

(六) 显示模块

本课题需要显示的内容主要有当前时间、测试时长、振动频次等。由于本系统信息显示量大, 所以我选用12864汉字图形点阵液晶作为显示模块, 可显示汉字及图形, 内置8192个中文汉字 (16X16点阵) , 程序设计时也比较方便。因此适合我们的要求。

三、测量系统软件设计

系统整机工作是由STC89C52单片机控制, 时间通过时钟芯片DS1302来取得, 并将值送入主控芯片, 通过液晶12864来显示, 时间、日期的修改通过按键来控制, 测试启动由启动按键触发中断实现, 停止由压力开关触发中断实现。由于液晶显示内容较多, 所以采用多页显示, 主页面显示实时信息, 副页面显示存储信息, 通过查询按键切换显示内容。

(一) 系统主程序

在系统初始化部分结束后进入主体循环部分。主体循环部分主要功能是两个部分:一是更新系统时钟, 二是判断按键状态。如果按键按下 (程序判断按键是否松开) , 根据得到的键值进入按键功能判断部分, 更新相应的功能。系统将一直处于主体循环中。

(二) 按键功能选择

本部分主要完成系统时间的修改以及液晶显示页面的选择, 一共设置了4个按键, 上调、下调、设置、查询。根据按键键值, 在Key Process子函数中选择进入不同的功能。通过设置健进入时间的设置程序, 对当前时间进行设置, 调整顺序依次为:年、月、日, 星期, 时、分、秒以及退出。上调键为加1, 下调键为减1, 并直接更新1302及12864的数据。通过查询按键修改查询状态值, 由此改变系统液晶屏显示页面。当显示查询页面时, 读取24C02中0-13号位置数据, 分别在液晶屏显示启动时刻、停止时刻、运行时间、振动次数。

系统主程序流程图

(三) 系统中断功能

系统程序中还有四处功能中断:测试启动、测试停止、接近开关中断以及频率计数 (测周法) 。

1. 测试启动

启动接线端口为P3.3, 利用系统外部中断1功能。软件设定只有在系统时间设置完成后才可以启动, 启动后开启停止中断以及计数中断响应。整个运行过程中, 无法修改时间参数, 启动、上调、下调、设置四个按键屏蔽直到测试结束。启动的同时读取当前1302的四组时间信息 (月、日、时、分) 转存到24C02的0-3号空间位置。

2. 测试停止

停止接线端口为P3.4, 利用系统定时中断0功能, 工作模式设置为3, 初始值为0FF, 将T0扩展成一个外部中断。停止后开启启动中断响应, 关闭停止中断以及计数中断响应, 按键功能恢复。停止的同时读取当前1302的四组时间信息 (月、日、时、分) 、运行时间以及运行次数转存到24C02的4-13号空间位置。

3. 接近开关中断及频率计数

接近开关接线端口为P3.2, 利用系统外部中断0功能。凸轮轴上安装的是六齿, 电机旋转一周, 接近开关响应6次。而凸轮是2点式, 所以接近开关响应3次, 即被测物体振动一次。频率计算的方法采用的是测周法, 利用单片机系统时钟计量一个周期的时间, 由此换算频率, 适用于频率较低的情况, 符合本设计要求。