一种高频击针簧疲劳试验装置及试验方法
阅读说明：本技术 一种高频击针簧疲劳试验装置及试验方法 (High-frequency striker spring fatigue test device and test method ) 是由 陈蕊 刘俊军 程靖 张萍 魏文明 南博 张冬红 韩二伟 程亮 孙兵 陈慧媛 白 于 2021-07-30 设计创作，主要内容包括：本发明提出一种高频击针簧疲劳试验装置及试验方法,该装置采用凸轮工作+击针簧瞬态加热+冷却润滑油工作模式,实现了高频模拟实弹射击工况,解决了击针簧疲劳测试装置中的传动机构易于磨损、使用寿命有限的问题。装置采用压力传感器、位移传感器,实时采集击针簧受力、变形参数量,了解击针簧全寿命受力变形变化过程。(The invention provides a high-frequency firing pin spring fatigue test device and a test method, the device adopts the working modes of cam working, firing pin spring transient heating and lubricating oil cooling, realizes the high-frequency simulated firing condition, and solves the problems that a transmission mechanism in the firing pin spring fatigue test device is easy to wear and has limited service life. The device adopts a pressure sensor and a displacement sensor, collects the stress and deformation parameters of the striker spring in real time, and knows the stress deformation change process of the striker spring in the whole service life.)
技术领域
本发明属于测试领域，特别涉及一种高频击针簧疲劳试验装置及试验方法。
背景技术
击针簧是武器系统击发装置核心部件之一，是考核武器系统整个寿命试验过程中击发情况，判断在射击多少弹药后击针簧疲劳寿命已到，在以往考核击针簧疲劳寿命方法大多通过理论计算结合实践模拟办法大概估算一个量值，理论计算以击针簧最大应力、最小应力通过应力计算公式得出击针簧疲劳寿命，由于武器系统高频运转及射击工况恶劣，理论计算几万次寿命的击针簧实际工作寿命不到1万次，而实践模拟则通过实弹射击一定发数后测量击针簧的变形量以及根据击发情况判断，如，当未击发率明显升高则认为击针簧寿命已到。实弹射击最大的弊端技术弹药损耗量大，因为要判断击针簧疲劳寿命需要开展全寿命试验，试验用弹药万发以上，仅弹药成本千万以上。且实弹射击试验随机性大，对整个击针簧工作疲劳寿命过程特性不了解。
目前击弹簧疲劳试验装置较多，受传动机构工作受限及高频易磨损等影响，疲劳试验装置较多为低频装置，且寿命短。
发明内容
本发明解决的技术问题是：为了解决现有通过实践模拟来测量击针簧寿命所带来较大的人力、物力、财力以及理论计算存在较大误差这一问题，本发明提出一种高频击针簧疲劳试验装置及试验方法，该装置采用凸轮工作+击针簧瞬态加热+冷却润滑油工作模式，实现了高频模拟实弹射击工况，解决了击针簧疲劳测试装置中的传动机构易于磨损、使用寿命有限的问题。装置采用压力传感器、位移传感器，实时采集击针簧受力、变形参数量，了解击针簧全寿命受力变形变化过程。
本发明的技术方案是：一种高频击针簧疲劳试验装置，包括控制单元1、压力传感器2、凸轮5、冷却组件、凸轮驱动电机9、传动轴10、加热工作台12、滚轴14、滚轴预紧机构、位移传感器16、加热压力平台17、电动缸18、电动缸驱动电机20；
所述凸轮驱动电机9输出端与传动轴10连接，凸轮5同轴位于传动轴10上，凸轮驱动电机9驱动传动轴10转动，传动轴10带动凸轮5同轴转动；
所述滚轴14通过滚轴预紧机构使得滚轴14与凸轮5始终保持接触；
所述加热工作台12一端与滚轴预紧机构连接，另一端上套有待测击针簧3；所述电动缸驱动电机20与控制单元1连接，控制单元1与电动缸18和加热压力平台17依次连接，且未工作状态下加热压力平台17与待测击针簧3不接触；
所述位移传感器16用于检测待测击针簧3的伸缩变化量；
所述压力传感器2用于检测待测击针簧3承受压力；
所述冷却组件用于凸轮5和滚轴14之间工作时的摩擦降温。
本发明进一步的技术方案是：所述滚轴预紧机构包括连杆机构4和连杆缓冲簧19；连杆机构4一端为杆件，另一端为凹型，滚轴14位于凹型内，且通过连接杆与凹字端铰接，另一端杆体上套有连杆缓冲簧19，连杆缓冲簧19与加热工作台12固连。
本发明进一步的技术方案是：还包括上箱体15和下箱体13，传动轴10未与凸轮驱动电机9连接的一端穿过下箱体15且与下箱体15侧壁铰接；凸轮5和滚轴14位于下箱体13内，连杆缓冲簧19、加热工作台12、待测击针簧3、加热压力平台17、压力传感器2、位移传感器16和电动缸18位于上箱体15内。
本发明进一步的技术方案是：所述上箱体15侧壁还开有玻璃观察门11，用于安装被测击针簧及观测工况下击针簧工作情况。
本发明进一步的技术方案是：所述冷却组件包括油管6和抽油泵7，油管6一端穿过下箱体13、管口正对凸轮5和滚轴14的连接处，另一端与抽油泵7连接，保障冷却润滑油循环使用。
本发明进一步的技术方案是：所述加热工作台12和加热压力平台17用于给待测击针簧3加热，模拟实弹射击后击针簧发热工况。
本发明进一步的技术方案是：所述连杆机构4、连杆缓冲簧19、待测击针簧3、电动缸18轴线相互重合。
本发明进一步的技术方案是：所述控制单元1控制系统采用PLC逻辑控制原理进行操作控制。
本发明进一步的技术方案是：所述位移传感器16安装在控制单元1下端，位移传感器16工作时激光点需照射在加热工作台12上；所述位移传感器16用于检测加热工作台12的移动位移，即待测击针簧伸缩位移。
本发明进一步的技术方案是：一种如权利要求1所述高频击针簧疲劳试验装置的试验方法，包括以下步骤：
步骤1：安装待测击针簧，确定待测击针簧相关参数：将待测击针簧3一端手动安装至击针簧加热工作台12中心孔中；启动电动缸18工作，将击针簧加热压力平台17下移至待测击针簧3另一端端部，确保击针簧无预压力，此时压力传感器2输出为0；记录无压力状态下位移传感器16在原始位置时的输出电压V0；待测击针簧原始自由长度为H0；
步骤2：计算实际工况下待测击针簧可靠工作长度范围，包括以下子步骤：
步骤2.1：在凸轮5最低点处将待测击针簧3压缩至H1长度，根据位移传感器16原始位置时输出电压V0以及灵敏度系数K，计算待测击针簧由H0缩短H1时的电压值V1；V1＝V0+H0-H1/K；
启动电动缸18工作，电动缸18带动击针簧加热压力平台17向下运动，待位移输出电压为V1时停止电动缸18工作，此时压力传感器2记录击针簧预压力值，即为击针簧预压值P1；
步骤2.2：在凸轮最高点处将待测击针簧3压缩至H2长度，同样根据位移传感器16原始位置时输出电压V0以及灵敏度系数K，计算待测击针簧由H0缩短H2时的电压值V2；V2＝V0+H0-H2/K；
启动电动缸18工作，电动缸18带动击针簧加热压力平台17向下运动，待位移输出电压为V2时停止电动缸18工作，此时压力传感器记录击针簧预压力值，即为击针簧工作压力值P2值；
步骤2.3：实际工况下待测击针簧可靠工作长度范围为H1-H2；
步骤3：运行试验，确定预压力值和频次，包括以下子步骤：
步骤3.1：根据击针簧实际所需频率f和实际所需射击发数频次的要求，在控制单元1上设置好凸轮驱动电机转速n和运行时间t；运行时间t＝射击发数/击针簧实际所需频率f；
打开抽油泵7，开启润滑冷却循环；
当以频率f、运行时间t运行完一个周期后，记录预压力P11值、频次f11；
步骤3.2：启动击针簧加热工作台12和击针簧加热压力平台17给击针簧加热，加热至温度T，温度T为实际工作中击针簧温度值；该步骤模拟实际中的工况，让击针簧自然降温，
步骤3.3：待温度降至常温后重复上述步骤1-2工作若干次，记录预压力值P12、P13、P14.....，频次f12、f13、f14......；
步骤4：判断待测击针簧寿命情况；
实时观察击针簧的伸缩变化，观察测试过程中击针簧是否有损坏情况或者是否有明显缩短现象以及预压力衰减变化过程；
关掉电机，待设备停稳后，取出待测击针簧3，观察外观有无断裂现象，若有断裂现象，说明击针簧寿命已到；
若无断裂现象，测试击针簧自由长度，与原始自由长度H0进行对比：根据击针簧工作规范要求，当击针簧缩短20％以后认为击针簧失效；若未达到20％，重复步骤3过程，若达到20％则判定击针簧达到使用寿命。
记录全试验频次f全＝f11+f12+f13+f14+......；待测击针簧寿命即为f全。
发明效果
本发明的技术效果在于：与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、通过疲劳试验装置模拟击针簧疲劳试验取代了以往通过实弹射击经验数据判断，节省了人力、物力、时间及高昂的弹药费用；
2、真实测试到击针簧在整个寿命阶段击针簧预压P1、工作压力P2以及击针簧在寿命期间的变形量值，给武器系统提供设计修正参考值；
3、试验操作简单，便于安装，短短几分钟即可完成击针簧全寿命试验考核，较实践射弹考核效率提高几千倍；
4、本发明击针簧疲劳试验装置也可适用于其他弹簧的疲劳寿命测试。
附图说明
图1高频击针簧疲劳测试装置的结构示意图；
图2是图1中凸轮的结构示意图；
图中，1-控制单元，2-压力传感器，3-待测击针簧，4-连杆机构，5-凸轮，6-油管，7-抽油泵，8-底座，9-凸轮驱动电机，10-传动轴，11-玻璃观察门，12-击针簧加热工作台，13-下箱体,14-滚轴，15-上箱体，16-位移传感器，17-击针簧加热压力平台，18-电动缸，19-连杆缓冲簧，20-电动缸驱动电机。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1-图2，本发明一种高频击针簧疲劳测试装置，包括控制单元1、压力传感器2、连杆机构4、凸轮5、油管6、抽油泵7、底座8、凸轮驱动电机9、传动轴10、加热工作台12、下箱体13、滚轴14、上箱体15、位移传感器16、加热压力平台17、电动缸18、连杆缓冲簧19、电动缸驱动电机20；底座8为整个测试装置的安装与承载基体；凸轮驱动电机9与传动轴10一端连接，凸轮驱动电机9为传动轴10提供动力；传动轴10另一端穿过箱体，并与箱体侧壁连接；凸轮5连接在传动轴10上，且位于箱体内，所述凸轮5可以绕轴高速旋转；连杆机构4一端安装有滚轴14，所述滚轴14与凸轮5滚动面配合；连杆机构4另一端安装有连杆缓冲簧19，确保滚轴14一直与凸轮5接触。连杆连杆机构4另一端端面上安装有击针簧加热工作台12，击针簧加热工作台12用于固定待测击针簧3，同时给击针簧3加热，用于模拟实弹射击后击针簧发热工况。
控制单元1与凸轮驱动电机9、电动缸驱动电机20和抽油泵7分别连接，控制单元1控制系统采用PLC逻辑控制原理进行操作控制，用于整个疲劳测试过程的控制。控制单元1下部设置电动缸18，电动缸18伸缩用于给待测击针簧3一个预压力，电动缸18端头安装有击针簧加热压力平台17，击针簧加热压力平台17作用是固定待测击针簧3的另一端，同时给击针簧加热，击针簧加热压力平台17和击针簧加热工作台12同时给击针簧加热，用于模拟实弹射击后击针簧发热工况。压力传感器2安装在电动缸18上且靠近击针簧加热压力平台17位置处，用于实时检测击针簧的伸缩压力；控制单元1下端安装有位移传感器16，安装位置确保位移传感器在工作时激光点照射在加热平台12上，加热平台12移动位移即弹簧伸缩位移。
箱体包括下箱体13和上箱体15；传动轴10、凸轮5以及连杆机构4的一端安装在密封的下箱体13内，这样保障凸轮5、滚轴14在高速旋转下的安全性；所述击针簧加热工作台12以及连杆机构4上端、压力传感器2、位移传感器16、击针簧加热压力平台17设置在上箱体15内，上箱体15以保障待测击针簧在高温情况下运动安全性，防止击针簧弹出对工作人员造成伤害。上箱体15侧壁上设有玻璃观察门11，在打开玻璃观察门11后即可安装被测击针簧，同时可观测工况下击针簧工作情况。击针簧加热工作台12为凸字型结构，其杆体沿轴线加工有中心孔，待测击针簧3一端嵌套在杆体的中心孔内，起到固定传感器作用，
油管6穿过下箱体13、管口正对凸轮5和连杆结构4的连接处；在凸轮5高速旋转过程中，为凸轮5和连杆机构4部位降温冷却以及润滑作用，大大降低高频运转传动机构易磨损缩短寿命以及发热现象发生；油管6与抽油泵7连接，保障冷却润滑油可循环使用。
在凸轮驱动电机9驱动作用下，传动轴10转动，进而带动凸轮5旋转，滚轴14与凸轮5凸出端面接触实现对高频待测击针簧的拉伸和压缩功能；伸缩频率最高大为10000次/min。
为了精确测试高频运转工况下击针簧压力变化，压力传感器2采用美国PCB公司208C02型力传感器，拉压力为445N，灵敏度为11.24mv/N，分辨率为0.004N，上限频率36KHz。位移传感器16为日本欧姆龙公司ZX2-LD50型，测量范围50mm±10mm，分辨率为1.5um。
凸轮驱动电机9、抽油泵7及下箱体13固定在底座8上，底座8下方设置有地脚，满足移动的需求。
采用本发明高频击针簧疲劳试验装置进行试验的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：安装待测击针簧，确定待测击针簧相关参数；
打开玻璃观察门11，将待测击针簧3一端手动安装至击针簧加热工作台12中心孔中；启动电动缸18工作，将击针簧加热压力平台17下移至待测击针簧3另一端端部，确保击针簧无预压力，此时压力传感器2输出为0；记录无压力状态下位移传感器16在原始位置时的输出电压V0；
待测击针簧原始自由长度为H0。
步骤2：计算实际工况下待测击针簧可靠工作长度范围；
1在凸轮5最低点处将待测击针簧3压缩至H1长度，根据位移传感器16原始位置时输出电压V0以及灵敏度系数K，计算待测击针簧由H0缩短H1时的电压值V1；V1＝V0+H0-H1/K；
启动电动缸18工作，电动缸18带动击针簧加热压力平台17向下运动，待位移输出电压为V1时停止电动缸18工作，此时压力传感器2记录击针簧预压力值，即为击针簧预压值P1；
2在凸轮最高点处将待测击针簧3压缩至H2长度，同样根据位移传感器16原始位置时输出电压V0以及灵敏度系数K，计算待测击针簧由H0缩短H2时的电压值V2；V2＝
V0+H0-H2/K；
启动电动缸18工作，电动缸18带动击针簧加热压力平台17向下运动，待位移输出电压为V2时停止电动缸18工作，此时压力传感器记录击针簧预压力值，即为击针簧工作压力值P2值。
3H1为实际工况下待测击针簧在预压条件下的长度，H1-H2为实际工况下击针簧可靠工作长度范围。
步骤3：运行试验，确定预压力值P12、P13、P14.....，频次f12、f13、f14......；
1根据击针簧实际作战频率ff≥10000发/min和武器系统实际作战射击发数频次的要求，在控制单元1上设置好凸轮驱动电机转速n和运行时间t；运行时间t＝射击发数/击针簧实际作战频率f；如：某击针簧作战频率为10000发/min，需要射击弹数为500发，则运行时间t＝5s；
打开抽油泵7，开启润滑冷却循环；
当本发明装置以频率f、运行时间t运行完一个周期后，记录预压力P11值、频次f11；例如：当本发明装置以频率f＝1000发/min、运行时间t＝3s运行完一个周期后，记录预压力P11值、频次f11；检测得P11＝201N，f11＝500；
2启动击针簧加热工作台12和击针簧加热压力平台17给击针簧加热，加热至温度T，温度T为武器系统实际作战后击针簧温度值；如500发射频为10000发/min射频后温度T＝176℃，该步骤模拟实际作战工况，温度迅速升温至T后，让击针簧自然降温；
3待温度T降至常温后重复上述步骤1-2工作若干次，记录预压力值P12、P13、P14.....，频次f12、f13、f14......；
例如，在作战频率为8000发/min、作战时间为1.2s、加热温度T为176℃工况下P12＝198N，f12＝160；在作战频率为6000发/min、作战时间为6s、加热温度T为55℃工况下P13＝170N，f13＝600；在作战频率为10000发/min、作战时间为6s、加热温度T为80℃工况下P14＝160N，f14＝1000；
步骤4：判断待测击针簧寿命情况；
通过玻璃观察窗11实时观察击针簧的伸缩变化，观察测试过程中击针簧是否有损坏情况或者是否有明显缩短现象以及预压力衰减变化过程；
关掉电机，待设备停稳后，取出待测击针簧3，观察外观有无断裂现象，若有断裂现象，说明击针簧寿命已到；
若无断裂现象，测试击针簧自由长度，与原始自由长度H0进行对比：根据击针簧工作规范要求，当击针簧缩短20％以后认为击针簧失效；若未达到20％，重复步骤4过程，若达到20％则判定击针簧达到使用寿命。
记录全试验频次f全＝f11+f12+f13+f14+......；待测击针簧寿命即为f全。
例如步骤3中，在疲劳试验进行4次后若发现击针簧缩短了20％，那么判断簧寿命已到，则击针簧寿命f全＝f11+f12+f13+f14＝500+160+600+1000＝2260次，则该击针簧的寿命为2260次。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
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