一种考核异形端盖边缘部位极限强度的结构、装置以及考核方法

技术领域

本发明属于旋转机械与金属材料应用技术领域，具体涉及一种考核异形端盖边缘部位极限强度的结构、装置以及考核方法。

背景技术

异形端盖应用在旋转机械领域，需要在旋转机械上高速、长时间运行，对材料以及结构状态有极为苛刻的要求，图1中的异形端盖结构，其A处部位厚度为1mm左右，为结构“薄弱环节”，一旦该处部位存在材料缺陷，容易导致应力状态发生突变，直接影响工作载荷下的机器可靠性。在旋转载荷下，该异形端盖结构的高应力区为中心内孔以及最外垂直段，而中心内孔较厚、垂直段外侧有复合材料层保护，材料内部缺陷引起结构失效概率较小，而A处部位较薄，一旦该部位有缺陷或性能差异形较大，很容易导失效。

因此，在异形端盖加工完成后，如何设计试验进行抽检测试，特别是对“薄弱部位”有效地考核，是需要解决的关键技术。对异形端盖边缘部位极限强度考核存在以下难点：

1、测量材料自身的拉伸强度和屈服强度，不能直接反映出边缘A部位所能承受的极限旋转载荷(极限强度)。

2、如果直接采用异形端盖考核，外端垂直段应力非常高，随着载荷升高，迅速成喇叭口状，直至失效，极限强度较低，不是因边缘A处部位先发生失效的极限强度，达不到对不同批次金属性能差异形考核的目的。

3、异形端盖垂直段缠绕复合材料增强结构，试验件在很高载荷才会失效，但超高载荷下复合材料增强后的异形端盖失效部位不确定，计算表明应该是内侧部位先失效。同样，该方法无法对不同批次金属性能差异形考核的目的。

如何有效对异形端盖边缘A部位进行极限旋转载荷(极限强度)考核，需要设计合理的考核件结构，以及对试验状态进有效采集，验验证失效位置和失效过程，保证异形端盖极限强度考核的失效位置在边缘A部位，是需要解决的关键技术。

发明内容

本发明的目的在于一种考核异形端盖边缘部位极限强度的结构、装置以及考核方法，保证整体考核结构各部件的极限强度性能远高于异形端盖的极限强度性能，且保证异形端盖在高载荷下的失效部位为边缘A部位，并通过试验和监测装置，进行失效部位和失效过程的采集。有效地实现对异形端盖边缘部位的不同批次金属性能差异性的考核。

本发明为解决这一问题所采取的技术方案是：

一种考核异形端盖边缘部位极限强度的结构，包括整体考核结构，所述整体考核结构包括带有中心内孔的异形端盖、插入到中心内孔中的针式轴承以及通过锁紧螺母装配在异形端盖的尾端的电机转子；

所述异形端盖包括一体成型的端盖主体段、由端盖主体段的内侧朝一侧延伸并形成有中心内孔的端盖尾端段以及由端盖主体段的外侧朝另一侧延伸的外端垂直段，所述端盖主体段的厚度由内向外逐渐减小，所述端盖主体段靠近外端垂直段的边缘部位为极限强度考核部位，通过调整所述外端垂直段的高度使边缘部位应力最高。

优选的，所述异形端盖的最大直径为150mm。

进一步优选的，所述外端垂直段与端盖主体段相垂直，所述外端垂直段的高度设计为6mm，所述边缘部位的应力高于中心内孔以及外端垂直段的应力。

进一步优选的，所述端盖尾端段包括至少三级直径依次减小的台阶结构，第二级所述台阶结构上设有与锁紧螺母螺纹配合的外螺纹。

进一步优选的，所述电机转子被锁紧在第一级所述台阶结构和锁紧螺母之间，所述电机转子为材料为SiMn的薄型电机转子。

本发明的第二个发明目的在于：还提供一种考核异形端盖边缘部位极限强度的装置，包括上述所述的整体考核结构，还包括用于驱动整体考核结构高速运转的动力结构、用于采集整体考核结构运转信号的检测结构以及用于采集整体考核结构的极限强度考核部位失效状态的记录结构。

优选的，还包括试验台，所述动力结构装配在试验台上，所述动力结构与整体考核结构的电机转子和针式轴承传动连接，所述试验台上还装配有罩设在整体考核结构以外的透明套筒。

进一步优选的，所述动力结构包括电机，所述检测结构包括加速度传感器，所述记录结构包括高速摄像机。

进一步优选的，所述高速摄像机所在平面位于整体考核结构所在平面的上方，并且摄像方向朝向整体考核结构。

本发明的第三个发明目的在于：还提供一种考核异形端盖边缘部位极限强度的考核方法，包括以下步骤：

S101：通过二次加工调整所述外端垂直段的高度值使整体考核结构靠近外端垂直段的边缘部位应力最高，所述边缘部位作为极限强度考核部位；

S102：整体考核结构通过电机转子和针式轴承悬浮安装在电机上方，并将透明套筒装配在试验台上，使得透明套筒密封罩设在整体考核结构以外；

S103：所述电机驱动整体考核结构高速运转，所述加速度传感器用于采集整体考核结构运转中的转速信号，所述高速摄像机用于采集整体考核结构的极限强度考核部位的失效状态。

本发明具有的优点和积极效果是：

1.本发明通过对异形端盖二次设计，保证在一定载荷下，边缘部位(A处)应力最高，先于内孔以及外侧垂直段破坏，可以有效地对边缘部位(A处)进行极限强度考核，在原结构上直接二次加工，方便可行。

2.本发明中，将外端垂直段的高度设计为6mm，所述边缘部位的应力高于中心内孔以及外端垂直段的应力，保证在一定载荷下，边缘部位(A处)应力最高，最先失效，有效地实现对异形端盖边缘部位的不同批次金属性能差异性的考核。

3.本发明可以有效地对转速以及失效状态进行采集，确定失效区域为异形端盖边缘部位(A处)，达到有效考核的目的。

4.本发明比起采用真实旋转机械设备进行考核，在试验设备、安全保障、试验成本、场地空间上都有很大优势，试验启动方便快捷。可以作为不同批次金属材料质量快速抽检筛选检验的一种方法。

附图说明

以下将结合附图和实施例来对本发明的技术方案作进一步的详细描述，但是应当知道，这些附图仅是为解释目的而设计的，因此不作为本发明范围的限定。此外，除非特别指出，这些附图仅意在概念性地说明此处描述的结构构造，而不必要依比例进行绘制。

图1是异形端盖结构的部分剖面结构示意图；

图2是实施例1的结构图；

图3是实施例2的结构图；

图4是实施例3的流程图。

图中：1、异形端盖；101、端盖主体段；102、端盖尾端段；103、外端垂直段；2、电机转子；3、锁紧螺母；4、针式轴承；5、整体考核结构；6、透明套筒；7、试验台；8、高速摄像机；9、加速度传感器；10、电机。

具体实施方式

首先，需要说明的是，以下将以示例方式来具体说明本发明的具体结构、特点和优点等，然而所有的描述仅是用来进行说明的，而不应将其理解为对本发明形成任何限制。此外，在本文所提及各实施例中予以描述或隐含的任意单个技术特征，或者被显示或隐含在各附图中的任意单个技术特征，仍然可在这些技术特征(或其等同物)之间继续进行任意组合或删减，从而获得可能未在本文中直接提及的本发明的更多其他实施例。另外，为了简化图面起见，相同或相类似的技术特征在同一附图中可能仅在一处进行标示。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。下面就结合附图来具体说明本发明。

实施例1：

一种考核异形端盖边缘部位极限强度的结构，包括整体考核结构5，所述整体考核结构5包括带有中心内孔的异形端盖1、插入到中心内孔中的针式轴承4以及通过锁紧螺母3装配在异形端盖1的尾端的电机转子2；所述异形端盖1包括一体成型的端盖主体段101、由端盖主体段101的内侧朝一侧延伸并形成有中心内孔的端盖尾端段102以及由端盖主体段101的外侧朝另一侧延伸的外端垂直段103，所述端盖主体段101的厚度由内向外逐渐减小，所述端盖主体段101靠近外端垂直段103的边缘部位为极限强度考核部位，通过调整所述外端垂直段103的高度使边缘部位应力最高。

本实施例中，如图2所示，整体考核结构5依次包括异形端盖1、电机转子2、锁紧螺母3和针式轴承4。其中，电机转子2通过锁紧螺母3固定在异形端盖1尾端，针式轴承4加胶插入异形端盖1中间的开孔中。异形端盖可作为驱动电机、旋转锯、端部密封盖、储能飞轮等旋转机械结构上的金属盖板结构，异形端盖1包括一体成型的端盖主体段101、端盖尾端段102以及外端垂直段103，端盖主体段101可以但不限于为圆形盖板，并且端盖主体段101的中部为带有中心内孔的中部加厚段，中部加厚段向外周延伸形成有水平延伸段，端盖主体段101的厚度由内向外逐渐减小，端盖主体段101呈中部加厚边缘变薄的结构，减小中部应力，能够适应更高转速，适用在旋转机械上满足高速、超高速、长时间运行的需求，相较于传统端盖结构，在高速旋转中内孔的应力极大容易造成内孔最先损坏，造成使用寿命短。因此，设计中部加厚边缘变薄的端盖主体段101大大增加了异形端盖的使用寿命。

在异形端盖边缘部位极限强度考核时，通过调整所述外端垂直段103的高度值可调整至边缘部位(边缘A部位)的应力最高，远高于中心内孔以及外端垂直段103的应力。即通过对异形端盖1的二次设计，保证在一定载荷下，边缘部位(A处)应力最高，先于中心内孔以及外端垂直段103破坏，可以有效地对边缘部位(A处)进行极限强度考核，在原结构上直接二次加工，方便可行。

更进一步的，还可在本实施例中考虑，所述异形端盖1的最大直径为150mm，在保证其内侧结构与原结构(如图1所示)一致的情况下，将外端垂直段(B处)的高度设计为6mm，保证在一定载荷下，异形端盖1边缘部位(A处)应力最高，最先失效。

更进一步的，还可在本实施例中考虑，所述外端垂直段103与端盖主体段101相垂直，所述外端垂直段103缠绕有复合材料增强结构。

更进一步的，还可在本实施例中考虑，所述外端垂直段103的高度设计为6mm，所述边缘部位的应力高于中心内孔以及外端垂直段103的应力，保证在一定载荷下，边缘部位(A处)应力最高，最先失效。

更进一步的，还可在本实施例中考虑，所述端盖尾端段102包括至少三级直径依次减小的台阶结构，第二级所述台阶结构上设有与锁紧螺母螺纹配合的外螺纹，装配简单，成本低廉。端盖尾端段102一体成型在中部加厚段上，逐级减小的台阶结构进一步有助于减小异形端盖中部的应力，异形端盖能够适应更高转速，适用在旋转机械上满足高速、超高速、长时间运行的需求。

更进一步的，还可在本实施例中考虑，所述电机转子2被锁紧在第一级所述台阶结构和锁紧螺母之间，所述电机转子2作为驱动转子，材料为70Si2Mn，为薄型电机转子，保证提供所需动力的前提下，直径尽量小，厚度尽量薄，避免其先于异形端盖失效。

实施例2：

一种考核异形端盖边缘部位极限强度的装置，包括上述所述的整体考核结构5，还包括用于驱动整体考核结构5高速运转的动力结构、用于采集整体考核结构5运转信号的检测结构以及用于采集整体考核结构5的极限强度考核部位失效状态的记录结构。

更进一步的，还可在本实施例中考虑，还包括试验台7，所述动力结构装配在试验台7上，所述动力结构与整体考核结构的电机转子2和针式轴承4传动连接，所述试验台7上还装配有罩设在整体考核结构5以外的透明套筒6。

需要说明的是，透明套筒6为下方开口的套筒结构，透明套筒6密封安装在试验台7上，并且透明套筒6上还装配有用于抽取透明套筒6内部中空的真空吸嘴(图中未示出)，当整体考核结构安装完成后，透明套筒6与试验台7被抽为真空状态，有助于减少整体考核结构在运转中的空气摩擦力，利于整体考核结构实现高速、超高速旋转，另外透明材质不妨碍高速摄像机8的的高速采集，利于考核的进行。

需要进一步说明的是，透明套筒6与试验台7之间可以但不限于采用螺纹连接方式连接，为提高密封性，透明套筒6与试验台7之间还可设置有密封圈。

更进一步的，还可在本实施例中考虑，所述动力结构包括电机10和阻尼支撑结构(图中未示出)，电机10优选的采用盘式电机，阻尼支撑结构优选的为阻尼器，阻尼器固定在盘式电机的下端，安装时，整体考核结构的针式轴承4穿过盘式电机与盘式电机下方的阻尼器相连，阻尼器用于支撑连接针式轴承4，安装完成后整体考核结构的电机转子2位于盘式电机的上方，呈悬浮式，在电磁性能的作用下，盘式电机带动电机转子2转动，继而带动整体考核结构以针式轴承4为轴转动，此悬浮式非接触的连接方式，有助于减少接触摩擦力，利于整体考核结构实现高速、超高速旋转，利于考核的进行。

更进一步的，还可在本实施例中考虑，所述检测结构包括加速度传感器9，加速度传感器9装配在电机10的下方。

更进一步的，还可在本实施例中考虑，所述记录结构包括高速摄像机8，所述高速摄像机8所在平面位于整体考核结构5所在平面的上方，并且摄像方向朝向整体考核结构5。

本实施例中，如图3所示，一种考核异形端盖边缘部位极限强度的装置，包括整体考核结构5、透明套筒6、试验台7、高速摄像机8、加速度传感器9和电机10。整体考核结构5安装试验台7上，通过透明套筒6进行封装，利用电机10驱动电机转子2带动整体考核结构5运转，加速传感器9采集转速信号，高速摄像机8采集异形端盖边缘部位失效状态，可以有效地对转速以及失效状态进行采集，确定失效区域为异形端盖边缘部位(A处)，达到有效考核的目的；

本装置比起采用真实旋转机械设备进行考核，在试验设备、安全保障、试验成本、场地空间上都有很大优势，试验启动方便快捷。可以作为不同批次金属材料质量快速抽检筛选检验的一种装置。

实施例3：

一种考核异形端盖边缘部位极限强度的考核方法，包括以下步骤：

S101：通过二次加工调整所述外端垂直段103的高度值使整体考核结构5靠近外端垂直段103的边缘部位应力最高，所述边缘部位作为极限强度考核部位；

S102：整体考核结构5通过电机转子2和针式轴承4悬浮安装在电机10上方，并将透明套筒6装配在试验台7上，使得透明套筒6密封罩设在整体考核结构5以外；

S103：所述电机10驱动整体考核结构5高速运转，所述加速度传感器9用于采集整体考核结构运转中的转速信号，所述高速摄像机8用于采集整体考核结构的极限强度考核部位的失效状态。举例说明，极限强度考核部位的失效状态为异形端盖初始损伤结构状态，可以是边缘部位(A处)裂开/炸裂、异形端盖整体裂开/炸裂等状态。

本发明比起采用真实旋转机械设备进行考核，在试验设备、安全保障、试验成本、场地空间上都有很大优势，试验启动方便快捷。可以作为不同批次金属材料质量快速抽检筛选检验的一种方法。

以上实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。