多股簧动态参数检测技术及装备的研究

论文摘要

多股螺旋弹簧(简称多股簧)是由多根钢丝绕成钢索后卷制而成的圆柱螺旋弹簧,与单股簧相比,这种弹簧具有较大的非线性阻尼,吸收冲击能力强,有更好的强度及独特的吸振、减振效果更好,强度更高、疲劳寿命更长。因此,在汽车仪器仪表减振系统、武器发射系统、航空发动机以及民用等多个领域中都具有重要的应用价值。多股簧在低速加载情况下,簧圈上任意质点的运动速度,沿弹簧轴向呈线性分布,受力端位移、速度最大,固定端位移、速度为零。因此,可以近似推算出簧圈上各质点位移、速度和加速度随时间的变化情况。但多股簧受到高速冲击载荷时,由于有质量、惯性,再加上自身的谐振,钢丝材料的弹性变形以及钢丝与钢丝之间的相对滑移而产生的摩擦阻力等诸多因素,簧圈的运动将变得非常复杂。具体地说,簧圈上各质点的位移和速度沿轴向不再是线性分布,而是以纵波的形式向固定端传递,并在固定端反射。因此,现有的弹簧拉压试验设备和检测技术肯定不能适用。另外,现在对冲击载荷下多股簧疲劳寿命的检测,只能进行实弹射击测试,这样成本高、周期长、效率低。故目前只能简单地用低速谐波疲劳试验代替高速冲击疲劳试验,进而求取多股簧冲击疲劳寿命近似结果。针对当前弹簧检测设备存在的问题,本文提出了全新的螺旋弹簧动态参数检测的数学模型并基于多股簧开发了相应的试验设备,以用于检测冲击载荷下多股簧的动态参数和模拟多股簧的实际冲击工况。本课题研究的主要内容:①提出了冲击载荷下螺旋弹簧动态参数的数学模型,用于检测螺旋弹簧冲击载荷下任意簧圈上任意质点位移、速度和加速度随时间的变化规律,为多股簧的动态设计理论提供试验依据。②开发了一套冲击载荷下多股簧动态参数的检测设备,具体涉及到该检测设备的机械结构设计,数据采集模块和数据分析模块。③在上述检测设备基础上,用PLC控制器实现了原有设备单次冲击到连续冲击的转变,用于模拟多股簧的实际冲击工况。④应用上述自主开发的检测设备基于多股簧进行了试验测试,研究了多股簧在冲击载荷下内部簧圈的变形机制和冲击疲劳试验对其刚度的影响。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 多股簧结构特性及其应用
• 1.2.1 多股簧结构特性分析
• 1.2.2 多股簧的重要用途
• 1.3 多股簧加工机床研究现状
• 1.4 螺旋弹簧检测设备研究现状
• 1.5 课题来源、目的及意义
• 1.6 主要研究内容及论文结构
• 1.6.1 主要研究的内容
• 1.6.2 论文结构
• 1.7 本章小结
• 2 振动状态下螺旋弹簧运动状态模型的研究
• 2.1 引言
• 2.2 多股簧的动态特性分析
• 2.3 振动状态下螺旋弹簧的运动状态及信号分析
• 2.4 振动状态下等螺距螺旋弹簧运动状态的模型分析
• 2.4.1 弹簧压缩过程的运动分析
• 2.4.2 弹簧回弹过程的运动分析
• 2.5 振动状态下变螺距螺旋弹簧运动状态的模型分析
• 2.6 本章小结
• 3 多股簧动态参数检测设备的开发
• 3.1 引言
• 3.2 检测设备的总体方案
• 3.2.1 冲击方式的选择
• 3.2.2 检测设备的总体布局
• 3.3 检测设备的机械结构
• 3.3.1 主体结构设计
• 3.3.2 关键部件设计
• 3.4 检测装置设计
• 3.4.1 检测方法
• 3.4.2 传感器的选择与安装
• 3.5 数据采集与数据处理
• 3.5.1 数据采集系统硬件设计
• 3.6 数据采集程序设计
• 3.7 本章小结
• 4 多股簧冲击疲劳试验装置的研制
• 4.1 引言
• 4.2 控制方案选择
• 4.2.1 控制要求分析
• 4.2.2 PLC 的选择
• 4.2.3 传感器的选择
• 4.3 机械结构设计
• 4.3.1 总体结构设计
• 4.3.2 弹簧固定装置零件设计
• 4.4 控制系统设计
• 4.4.1 控制原理
• 4.4.2 I/O 端口配与电路图
• 4.5 PLC 控制程序设计
• 4.5.1 程序设计平台
• 4.5.2 控制程序设计
• 4.6 本章小结
• 5 试验效果及其结果分析
• 5.1 引言
• 5.2 动态参数检测设备试验效果及其结果分析
• 5.2.1 试验平台和试验条件
• 5.2.2 不同时刻任意质点的运动状态
• 5.2.3 同一时刻任意质点的运动状态
• 5.2.4 不同时刻弹簧任意质点处的横截面应力
• 5.3 冲击疲劳试验装置效果及冲击对对刚度的影响
• 5.3.1 试验平台及其试验条件
• 5.3.2 不同气压下的冲击频率
• 5.3.3 冲击疲劳对多股簧刚度的影响
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 后续工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 攻读硕士期间发表的论文
• B. 攻读硕士期间的发明专利
• C. 攻读硕士期间参与完成的科研项目