一种大扭矩平面涡卷弹簧疲劳性能测试方法及系统与流程

本发明涉及弹簧检测，尤其涉及一种大扭矩平面涡卷弹簧疲劳性能测试方法及系统。

背景技术：

1、平面涡卷弹簧作为一种储能与驱动元件，凭借其结构紧凑、扭矩输出稳定、储能密度高等优势，被广泛应用于航空航天、汽车制造、钟表计时、高压断路器操动机构、工业卷帘门及各类弹性储能装置等场合。在高压断路器开合闸动作机构、汽车座椅调节器、弹性储能－发电系统等关键装置中，平面涡卷弹簧承担着频繁的往复扭转加载任务，其疲劳寿命直接关系到整机的可靠性、安全性和服役寿命。因此，在弹簧按照理论设计制成后，必须通过疲劳试验对其疲劳寿命进行验证。

2、目前，平面涡卷弹簧的疲劳测试主要依赖弹簧扭转疲劳试验机。现有试验机通常由驱动电机、传动机构、工装夹持机构、计数装置等组成，通过对弹簧施加周期性往复扭转载荷来模拟其实际工况，以获取弹簧的疲劳寿命数据。在测试参数方面，现有设备主要关注弹簧的扭转角度、扭矩值及循环次数等宏观指标。部分试验机在控制系统中采用可编程逻辑控制器作为控制核心，配合伺服电机与人机交互界面实现运动控制与数据记录。针对弹簧断裂的检测，现有技术中已有采用压力传感器或断裂检测探头来识别试件失效并实现自动停机的方法。

3、然而，现有的平面涡卷弹簧疲劳测试技术与设备仍存在以下不足：其一，现有试验机主要依靠循环次数作为疲劳寿命的最终评判依据，测试过程中对弹簧的实时状态缺乏有效的监测手段。其二，弹簧在疲劳损伤累积过程中，其固有频率会因裂纹萌生、材料损伤或几何结构变化而发生偏移。固有频率偏移量能够有效表征弹簧的动态刚度退化程度和应力集中风险，是评估弹簧疲劳损伤状态的重要参量。其三，平面涡卷弹簧由多层带材卷绕而成，在长期往复扭转过程中，层间润滑状态退化可能导致带材之间发生异常摩擦与滑移。当层间滑移失效发生时，弹簧会出现径向膨胀现象，进而影响其扭矩输出特性和工作可靠性。

4、中国专利公开号：cn216483907u，公开了一种平面涡卷弹簧疲劳检测装置，包括检测台和支撑架，所述检测台上表面固定连接有放置板，所述放置板上表面固定连接有支撑杆，所述支撑杆外表面一端固定连接有固定框，所述固定框外表面设置有涡卷弹簧，所述支撑架内部固定连接有伸缩杆，所述伸缩杆外表面一端固定连接有连接绳，且所述连接绳外表面远离伸缩杆一端与涡卷弹簧外表面上方相连接，通过限位杆对固定块进行限位，同时限位杆与固定框对应面之间通过限位弹簧相连接，使得可以通过限位弹簧对限位杆产生的反向作用力，从而提高了限位杆对固定块的限位能力，不仅保证涡卷弹簧与固定框之间安装的稳定性，而且使得安装时更加快速方便。

5、由上述内容可知，现有技术方案虽在结构安装便捷性方面有所改进，但仍未解决对弹簧疲劳过程中关键状态参量的同步感知与动态评估问题，难以实现对大扭矩工况下平面涡卷弹簧多维度失效机制的精准识别与寿命预测。

技术实现思路

1、为此，本发明提供一种大扭矩平面涡卷弹簧疲劳性能测试方法及系统，用以克服现有技术中平面涡卷弹簧疲劳测试系统无法在循环加载过程中同步捕获弹簧塑性变形退化、疲劳损伤累积及层间滑移失效的问题。

2、为实现上述目的，一方面，本发明提供一种大扭矩平面涡卷弹簧疲劳性能测试系统，包括：

3、加载执行单元，其包括用于夹持平面涡卷弹簧外端的旋转夹头、用于固定平面涡卷弹簧内端的中心芯轴、用于驱动所述旋转夹头进行往复扭转的伺服电机以及用于计算往复扭转次数的计数器；

4、环境模拟单元，其包括用于容纳所述平面涡卷弹簧的密闭测试腔体，以及设置于所述密闭测试腔体底部的润滑介质池，所述润滑介质池内储存有用于模拟实际工况的润滑脂；

5、监测单元，其包括设置于所述旋转夹头与所述伺服电机之间的扭矩传感器、设置于所述密闭测试腔体内用于采集平面涡卷弹簧的径向膨胀量的红外热像仪以及设置于所述润滑介质池内用于监测润滑脂流变特性的在线粘度计；

6、中枢控制单元，其分别与所述加载执行单元、所述环境模拟单元及所述监测单元连接，其用以根据所述平面涡卷弹簧的扭矩波形畸变率确定扭矩波形畸变率的累计超标时长，用以根据平面涡卷弹簧的固有频率偏移量判定平面涡卷弹簧的应力集中风险，以及用以根据平面涡卷弹簧的径向膨胀量判定滑移风险。

7、进一步地，所述加载执行单元，还包括：

8、角度编码器，所述角度编码器同轴设置于所述伺服电机的输出端，用以实时采集所述旋转夹头的扭转角度及角速度；

9、径向位移传感器，所述径向位移传感器设置于所述中心芯轴上，用以监测平面涡卷弹簧在往复扭转过程中的径向膨胀量；

10、所述环境模拟单元，还包括

11、喷淋，所述喷淋设置于所述密闭测试腔体侧壁，其与所述润滑介质池通过循环管路连接，用以将润滑脂喷淋至平面涡卷弹簧表面。

12、进一步地，所述中枢控制单元集成有：

13、扭矩波形分析子模块，其用以对所述扭矩传感器采集的实时扭矩信号进行快速傅里叶变换，提取基波分量幅值及高次谐波分量幅值，并确定实时扭矩信号的扭矩波形畸变率；

14、变形判定子模块，其用以根据所述扭矩波形畸变率大于扭矩波形临界畸变率，确定突变载荷对中心芯轴造成周期性冲击导致平面涡卷弹簧存在发生不可逆塑性变形的风险；

15、加载模式确定子模块，其用以根据弹簧发生不可逆塑性变形的风险，控制所述加载执行单元执行力矩跟随模式记录扭矩波形畸变率的累计超标时长。

16、进一步地，所述扭矩波形畸变率用以表示平面涡卷弹簧在循环加载过程中的扭矩响应失真程度，其通过所述高次谐波分量幅值与所述基波分量幅值的比值确定；

17、所述力矩跟随模式为所述中枢控制单元切断所述伺服电机的刚性位置控制回路，并基于当前扭转角度下所述平面涡卷弹簧的实时反弹力矩，控制所述伺服电机的输出力矩与所述实时反弹力矩保持同步。

18、进一步地，所述中枢控制单元还集成有：

19、损伤判定子模块，其用以根据所述固有频率偏移量大于固有频率偏移临界值，判定所述平面涡卷弹簧存在应力集中导致疲劳损伤的风险；

20、应力集中频次记录模块，其用以根据判定存在疲劳损伤风险时记录一次应力集中风险，并统计测试周期内平面涡卷弹簧的应力集中风险的累计触发次数。

21、进一步地，所述固有频率偏移量为弹簧因裂纹萌生、材料损伤或几何结构变化引起的动态刚度退化程度，其基于平面涡卷弹簧的实时扭转固有频率与初始扭转固有频率的差值作为固有频率偏移量；

22、所述实时扭转固有频率基于所述角度编码器采集的扭转角响应与所述扭矩传感器采集的扭矩响应确定。

23、进一步地，所述中枢控制单元还集成有：

24、粘度趋势预测子模块，其用以基于所述在线粘度计监测润滑介质池的实时粘度值计算润滑脂粘度变化率；

25、润滑补偿模块，其用以根据所述润滑脂粘度变化率大于润滑脂粘度临界变化率，控制补脂泵向所述润滑介质池内补充新润滑脂；

26、其中，润滑脂粘度变化率为当前测试周期与上一测试周期粘度值的比值。

27、进一步地，所述中枢控制单元还集成有：

28、径向膨胀分析子模块，其用以将平面涡卷弹簧的径向膨胀量与径向膨胀临界值进行比对；

29、滑移风险子模块，其用以在所述径向膨胀量大于所述径向膨胀临界值时，确定平面涡卷弹簧的层间存在滑移失效风险，控制所述旋转夹头的夹持气缸增大夹持力。

30、另一方面，本发明提供一种用于大扭矩平面涡卷弹簧疲劳性能测试系统的测试方法，包括：

31、步骤s1，通过加载执行单元将平面涡卷弹簧夹持固定，并通过环境模拟单元向密闭测试腔体内喷淋润滑脂以模拟实际工况；

32、步骤s2，通过伺服电机驱动旋转夹头进行往复扭转，并利用监测单元实时采集扭矩信号、润滑脂粘度及径向膨胀量；

33、步骤s3，通过中枢控制单元对采集的扭矩信号进行快速傅里叶变换，提取基波分量幅值及高次谐波分量幅值以确定扭矩波形畸变率，并在扭矩波形畸变率大于扭矩波形临界畸变率时，控制加载执行单元执行力矩跟随模式并记录扭矩波形畸变率的累计超标时长；

34、步骤s4，通过中枢控制单元基于角度编码器采集的扭转角响应与扭矩传感器采集的扭矩响应确定实时扭转固有频率；

35、步骤s5，计算实时扭转固有频率与初始扭转固有频率的差值作为固有频率偏移量，在固有频率偏移量大于固有频率偏移临界值时，判定存在疲劳损伤风险记录一次应力集中风险，并统计测试周期内平面涡卷弹簧的应力集中风险的累计触发次数；

36、步骤s6，通过中枢控制单元监测平面涡卷弹簧的径向膨胀量，在径向膨胀量大于径向膨胀临界值时，确定存在层间滑移失效风险并控制旋转夹头的夹持气缸增大夹持力；

37、步骤s7，通过中枢控制单元基于伺服电机累计的往复扭转次数、扭矩波形畸变率的累计超标时长以及应力集中风险的累计触发次数，评估平面涡卷弹簧的疲劳性能。

38、进一步，所述步骤s7中，还包括：

39、将所述扭矩波形畸变率的累计超标时长与超标时长临界值进行比对，将所述应力集中风险的累计触发次数与触发次数临界值进行比对；

40、在所述累计超标时长大于所述超标时长临界值，或所述累计触发次数大于所述触发次数临界值时，判定所述平面涡卷弹簧达到疲劳失效状态，控制所述伺服电机停止往复扭转并输出弹簧失效信号；

41、在所述累计超标时长小于等于所述超标时长临界值且所述累计触发次数小于等于所述触发次数临界值，且所述往复扭转次数达到预设目标扭转次数时，判定所述平面涡卷弹簧的疲劳性能合格并结束测试。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果在于，本发明通过监测单元实时捕获平面涡卷弹簧在循环加载过程中的扭矩波形畸变率、固有频率偏移量及径向膨胀量，再通过中枢控制单元对加载执行单元的控制模式及旋转夹头夹持力进行自适应调节，能够在保证疲劳测试效率的同时，避免因刚性位置控制导致的扭矩尖峰冲击引发弹簧不可逆塑性变形，通过增大夹持力抑制层间滑移扩展，还能根据润滑脂粘度变化及时补充新脂以维持润滑状态，有效降低因润滑劣化引起的摩擦热累积和异常磨损，最终实现疲劳损伤在线识别与测试参数动态调整的协同优化，显著提升大扭矩平面涡卷弹簧疲劳性能测试的精度、可靠性和工程适用性。

43、进一步地，由于平面涡卷弹簧在长期往复扭转过程中，材料内部逐渐产生塑性变形累积，导致弹簧刚度退化、扭矩响应波形发生畸变，而传统刚性位置控制模式会加剧载荷冲击进而加速塑性变形失控。本发明通过扭矩波形分析子模块对实时扭矩信号进行快速傅里叶变换，提取基波与高次谐波分量幅值并计算畸变率，当畸变率超标时及时切换为力矩跟随模式，切断刚性位置控制回路，使伺服电机输出力矩与弹簧实时反弹力矩保持同步，从而有效吸收周期性冲击能量，避免中心芯轴承受过载应力，确保疲劳测试在安全边界内持续进行，同时通过累计超标时长量化塑性退化程度，为后续疲劳寿命评估提供可靠依据。

44、进一步地，弹簧在疲劳裂纹萌生和扩展阶段，其动态刚度会因局部应力集中而发生退化，固有频率随之偏移，若继续按原振幅加载将加剧裂纹扩展速率。本发明通过角度编码器与扭矩传感器协同获取扭转角响应和扭矩响应，实时计算扭转固有频率并与初始值比较得到偏移量，当偏移量超限时暴露应力集中区域的损伤特征，并记录触发次数，既避免了裂纹扩展信号被掩盖，从而提升疲劳寿命预测的准确性。

45、进一步地，润滑脂在长期高温高剪切工况下会发生氧化变稠、粘度上升，导致润滑膜减薄、层间摩擦系数增大，进而加剧弹簧表面磨损和热累积，影响疲劳测试结果的真实性。本发明通过在润滑介质池内设置在线粘度计，实时监测粘度变化率，并在其超过临界变化率时自动启动补脂泵补充新润滑脂，维持润滑脂流变特性在适宜区间，有效抑制因润滑劣化引起的附加摩擦热和异常磨损，保障密闭测试腔内环境条件的稳定性和可重复性，使疲劳测试结果更贴近实际服役工况。

46、进一步地，层间滑移是平面涡卷弹簧疲劳失效的主要模式之一，随着循环次数增加，弹簧径向膨胀量逐渐增大，若夹持力不足则滑移加剧，导致弹簧外端与旋转夹头相对转动、加载力矩传递失真。本发明通过径向位移传感器实时监测径向膨胀量，并在其超过阈值时自动增大旋转夹头的夹持力，有效约束弹簧层间径向扩张趋势，延缓滑移失效进程，同时避免过度夹持导致弹簧外端损伤，从而在保护试件与维持加载边界条件之间取得平衡，保证疲劳测试过程中扭矩传递的准确性和一致性。

47、进一步地，本发明通过疲劳性能评估子模块将伺服电机累计往复扭转次数、扭矩波形畸变率累计超标时长以及应力集中风险累计触发次数三者融合，构建疲劳损伤累积模型，能够综合反映塑性变形退化、疲劳裂纹扩展和层间滑移等多种失效模式的协同影响，克服了单一指标评价的局限性，为平面涡卷弹簧的疲劳寿命预测和可靠性设计提供了更加全面、精准的试验数据支撑，有效提升了测试系统的工程应用价值。