专利名称：冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测量方法
技术领域：
本发明涉及一种测量圆柱螺旋弹簧参数的方法，具体指一种冲击载荷下圆柱螺旋 弹簧任意质点运动状态测量方法，特别适合多股簧在高速冲击下任意质点运动状态的测 量。
背景技术：
圆柱螺旋弹簧作为弹簧最主要的一种结构形式，在工业产品和日常生活中有着相 当广泛的应用。圆柱螺旋弹簧又有多股簧和单股簧之分。多股簧是由钢索(通常由3 14 股0. 4 3mm的碳素弹簧钢丝缠绕而成)卷制而成。与单股弹簧相比，多股螺旋弹簧具有更 好的强度及独特的吸振、减振效果，因而它是航空发动机和自动武器等产品的关键零件。另 外，多股螺旋弹簧还可广泛应用于振动设备(如振动筛、振动粉碎设备等)、高精度台面和要 求很平稳的运输车辆等，以取代传统的单股金属弹簧和橡胶弹簧。因为多股螺旋弹簧的各股钢丝在工作过程中相互摩擦，产生了较大的非线性阻 尼，具有吸收冲击动能的能力，因此其显著的优点是抗冲击性能更好，更易于从振动状态恢 复到稳定状态；而且在外载荷作用下各股钢丝所产生的剪切应力�。蚨喙陕菪捎� 同截面材料的普通单股螺旋弹簧相比，具有更高的强度，在动载荷作用下寿命更长。为了更好地对产品进行设计和制造，有必要研究圆柱螺旋弹簧的运动规律，以测 得弹簧各运动参数之间的关系。由于多股簧设计制造比单股簧更为复杂，其质量稳定性更 难保证。而设计质量和制造质量将直接影响设备的使用性能，因此对多股簧而言，更迫切希 望能够对其性能参数进行快速、有效的检测，以利于弹簧设计和提高制造质量。目前，国内针对圆柱螺旋弹簧的试验检测设备主要有两种弹簧拉压试验机、弹簧 疲劳试验机。弹簧拉压试验机为静态测量，在弹簧变形时，对弹簧的压缩(拉伸)量和变形载荷 进行测量。此类设备只能测量弹簧的总长度变化量和弹簧所受外力的对应关系，不能测量 到弹簧轴向长度上中间任意质点的位移、速度、加速度、应力、应变等数据。在低速载荷下，弹簧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，可以检测并直接推算出弹簧内部各点的应力、 应变，且精度还很高。但是，当多股螺旋弹簧的一端受到高速冲击载荷时，因为弹簧自身有质量、有惯 性，其内部的变形情况非常复杂，弹簧上各质点的移动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，并会在固定端反射。此时，如果仍用现有的弹簧拉压试验设备进 行检测，其误差会相当大，检测结果将完全不能满足要求。弹簧疲劳试验机主要是对各种螺旋弹簧进行疲劳性能试验。通过模拟弹簧的实际 工况，将弹簧压缩(拉伸)到实际安装尺寸，按照弹簧的工作行程进行周期性的高频拉压至 弹簧失效或断裂，但此法无法获得弹簧内部的力学特性及其变化过程，不能对弹簧的深入研究提供过程实验数据。由此可知，目前的弹簧拉压试验机和弹簧疲劳试验机都只能宏观地测出弹簧的整 体力学参数，不能具体地检测出弹簧钢丝上任意质点的运动数据和应力变化情况。因而无 法知道弹簧钢丝的实际受力情况，尤其在高速状态。虽然一般机械设备上使用的弹簧，其变 形速度都属于低速，且对其变形-力值关系要求并不是很精确，只要其静态力学特性满足 要求就可以了。但是一些要求非常特殊的场合，如快速变形，高速冲击工况下，弹簧(包括多 股簧和单股簧)的变形过程就变得非常复杂，弹簧轴向各质点的应力不再相等，且差别非常 大。特别是对于多股簧，用理论方法准确地计算出弹簧的最大应力截面非常困难，对这类弹 簧进行强度计算和�：朔浅８丛�。而这类弹簧往往用于高技术含量的航空发动机和自动武 器的复位机构中，对弹簧的可靠性要求更高。正是因为高速变形螺旋弹簧的检测方法和设 备的缺位，在国内外公开的文献中，没有此类弹簧的动态设计理论，在一定程度上阻碍了弹 簧的研究和发展。由于圆柱螺旋弹簧的动态力学参数均无相关试验设备和方法进行检测，只能简单 地用低速谐波疲劳试验代替高速冲击疲劳试验，只能得到疲劳寿命近似结果，且误差非常 大。为了得到弹簧精确的疲劳寿命只能进行实弹试验，不但成本高昂，而且周期很长，效率 极低，严重制约了该技术的发展。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于提供一种低成本、快速测量冲 击载荷下圆柱螺旋弹簧运动状态的方法，本方法可得到圆柱螺旋弹簧任意质点的运动参 数，包括位移、速度和加速度。本发明的技术方案是这样实现的冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测 量方法，其特征在于它包括如下测量步骤
(1)将圆柱螺旋弹簧一端固定作为固定端，另一端作为自由端，并在圆柱螺旋弹簧长度 方向上等间距地设置一排用于检测弹簧上质点是否通过的传感器，所有传感器信号传输方 向确定的面与弹簧簧圈所在圆相切用于仅探测各个簧圈与传感器相切的那个质点，该质点 称为检测质点；
(2)对圆柱螺旋弹簧自由端施加冲击载荷，使各个簧圈向固定端移动；
(3)根据传感器探测信息记录每一个检测质点通过该检测质点能通过的所有传感器的 时间和对应的位移；
(4)对每个检测质点以第(3)步得到的时间为横坐标、位移为纵坐标分别绘制出所有检 测质点的位移随时间变化的关系曲线；
(5)对每个检测质点位移随时间变化的关系曲线拟合，即可得到各个检测质点的位移 与时间关系方程，对位移与时间关系方程分别进行一次求导和二次求导，即可得到相应检 测质点速度随时间变化的关系曲线和加速度随时间变化的关系曲线；
(6)各个簧圈上检测质点所得到的位移随时间变化的关系曲线、速度随时间变化的关 系曲线和加速度随时间变化的关系曲线即为该簧圈上所有质点位移随时间变化的关系曲 线、速度随时间变化的关系曲线和加速度随时间变化的关系曲线。
每一个传感器由配对的分别位于弹簧两侧的信号发射端和信号接收端构成，信号 接收端没有接收到信号发射端发射的信号时，表明传感器探测到有检测质点通过，此时传 感器输出为“1”，否则为“0”;如果两个“0”输出之间有多个“1”输出，则该多个“1”输出视 为一个检测质点通过并在处理时视为只有一个“ 1”输出，以所述多个“ 1，，输出中任意一个 “1”输出时间作为该检测质点通过该传感器的时间并记录该检测质点对应的位移。第(3)步每一个检测质点通过该检测质点能通过的所有传感器的时间确定方法 为设传感器的个数为N，从弹簧自由端往固定端依次标记为1、2、…X、…N-1、N;弹簧自 由端到第X个传感器之间有Y个检测质点，从弹簧自由端往固定端将所述Y个检测质点依 次标记为1、2、…、Y-1、Y;第Y个检测质点经过第X个传感器的时间为第X个传感器输出 第一个“1”的时间，记此时时间为tyx ；第Y-I个检测质点经过第X个传感器的时间为第X 个传感器输出第二个“1”的时间，记此时时间为t(y_1)x ；……；第2个检测质点经过第X个 传感器的时间为第X个传感器输出第Y-I个“1”的时间，记此时时间为；第1个检测质 点经过第X个传感器的时间为第X个传感器输出第Y个“1”的时间，记此时时间为tlx ；同 理可以确定其他检测质点通过其它传感器的时间。第(3)步每一个检测质点通过该检测质点能通过的所有传感器的位移确定方法 为弹簧自由状态下自由端为确定位移的坐标原点，压缩方向位移为正；传感器间距为D， 第1个传感器与弹簧自由端的距离为S;第Y个检测质点经过第X个传感器的位移为D(X-I) +S。本发明能够根据传感器输出信号确定任意质点在任意时刻的位移、速度和加速 度，从而实现对弹簧的性能参数进行快速、有效的检测，有利于对弹簧设计改良和提高制造 质量。本方法适合所有的圆柱螺旋弹簧(包括多股簧和单股簧)，特别是目前检测非常困难 的高速冲击下的多股簧，这对于多股簧的研究非常有帮助。本方法测量快速、准确，周期短， 基于本方法建立的测量设备成本较低，容易实现。
图1-本发明测量示意图。图2-弹簧上部分检测质点位移与时间的关系曲线图。图3-第5个检测质点的位移、速度和加速度随时间变化曲线图。图4-不同时刻各簧圈所处的位置曲线图。图5-不同时刻各簧圈所处的位置状态图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。本发明冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测量方法，其测量步骤为
(1)将圆柱螺旋弹簧一端固定作为固定端，另一端作为自由端，并在圆柱螺旋弹簧长度 方向上等间距地设置一排用于检测弹簧上质点是否通过的传感器。为了便于数据采集和数 据分析，所有传感器信号传输方向确定的面与弹簧簧圈所在圆相切。图1为本发明具体测量示意图，其中左端为固定端，右端为自由端，实际测量时弹簧水平布置，传感器安装在弹 簧上边缘的水平面处，传感器检测到的位置是各个簧圈水平位置的最上端，因此，图1状态 下各个簧圈的最上端称为检测质点。实际操作时是使传感器信号传输方向确定的面与弹簧 簧圈中径所在圆相切(中径为簧圈内径与外径的平均值)。如果检测其它位置质点，在压缩 过程中，可能存在并圈情形，即多个检测质点紧贴在一起，增加了后续数据分析的难度。而 检测相切处质点，即使在冲击力很大的情况下，两检测质点之间还是会存在比较小的间隙， 容易把两检测质点区别开。( 2 )对圆柱螺旋弹簧自由端施加冲击载荷，使各个簧圈向固定端移动；为了实现检 测不同冲击速度下弹簧簧圈任意质点运动规律以及研究高速冲击载荷下的实效机制，本发 明采用水平冲击试验台，通过水平冲击试验台使图1右端的质量块产生较大冲量作用在弹 簧自由端，从而获得冲击载荷；
(3)根据传感器探测信息记录每一个检测质点通过该检测质点能通过的所有传感器的 时间和对应的位移；
(4)对每个检测质点以第(3)步得到的时间为横坐标、位移为纵坐标分别绘制出所有检 测质点的位移随时间变化的关系曲线；
(5)对每个检测质点位移随时间变化的关系曲线拟合，即可得到各个检测质点的位移 与时间关系方程，对位移与时间关系方程分别进行一次求导和二次求导，即可得到相应检 测质点速度随时间变化的关系曲线和加速度随时间变化的关系曲线；
(6)各个簧圈上检测质点所得到的位移随时间变化的关系曲线、速度随时间变化的关 系曲线和加速度随时间变化的关系曲线即为该簧圈上所有质点位移随时间变化的关系曲 线、速度随时间变化的关系曲线和加速度随时间变化的关系曲线，因此弹簧上所有质点的 运动状态参数即可获得。为了获得第(3)步的时间和位移，本发明采用了如下的处理手段
传感器的设置。每一个传感器由配对的分别位于弹簧两侧的信号发射端和信号接收端 构成，质点运动到传感器处会阻断传感器的信号传输(如传播光路)，致使另一边的传感器 接收不到光，此时输出信号为“1”；反之，传感器光路连通时输出信号为“0”；即信号接收端 没有接收到信号发射端发射的信号时，表明传感器探测到有检测质点通过，此时传感器输 出为“1”，否则为“0”，本发明主要研究“1”出现的情况。为了提高检测精度，在每两个簧圈 之间至少布设有一个传感器，同时传感器采样频率较高，一个质点通过时很可能会被同一 个传感器多次采样到，如果两个“0”输出之间有多个“1”输出，则该多个“1”输出视为一个 检测质点通过并在处理时视为只有一个“1”输出，以所述多个“1”输出中任意一个“1”输 出时间作为该检测质点通过该传感器的时间并记录该检测质点对应的位移。如果以第一个 “1”作为采集时间，那么所有的传感器都以第一个“1”为采集时间。为了简化计算量，本方 法主要用于测试圆柱螺旋弹簧的压缩过程。由于本方法只有传感器有输出，而如何判断传感器输出“1”是哪个质点通过，即第 (3)步每一个检测质点通过该检测质点能通过的所有传感器的时间如何确定，本发明是这 样处理的设传感器的个数为N，从弹簧自由端往固定端依次标记为1、2、…X、…N-1、N; 在自由状态下，弹簧自由端到第X个传感器之间有Y个检测质点，假如第X个传感器正好能 检测到弹簧自由状态下的某检测质点，那么该检测质点也属于Y个检测质点之列，从弹簧
6自由端往固定端将所述Y个检测质点依次标记为1、2、…、Y-1、Y;那么第Y个检测质点经 过第X个传感器的时间为第X个传感器输出第一个“1”的时间，记下此时的时间为tyx (χ 表示传感器，y表示质点)；第Y-I个检测质点经过第X个传感器的时间为第X个传感器输 出第二个“1”的时间，记此时时间为t(y_1)x;……；第2个检测质点经过第X个传感器的时 间为第X个传感器输出第Y-I个“1”的时间，记此时时间为t2x ；第1个检测质点经过第X 个传感器的时间为第X个传感器输出第Y个“1”的时间，记此时时间为tlx;同理可以确定 其他检测质点通过其它传感器的时间，即所有的检测质点通过传感器的时间(时刻)都可以 确定并记录下来。比如，传感器1采集到第1个“1”时表示第1个质点经过此处，记此时时间为tn ； 传感器2 (此处假设传感器2右边有两个检测质点)采集到第1个“1”时表示第2个质点 经过此处，记此时时间为t22 ；采集到第2个“1”时表示第1个质点经过此处，记此时时间为
t12 O时间确定了，每一个检测质点通过传感器时的位移按下述方法确定设弹簧自由 状态下自由端为确定位移的坐标原点，每一个检测质点距离坐标原点的距离为该检测质点 的位移，位移即表达了检测质点所处的位置，故位移也可以称之为位置，压缩方向位移为 正；传感器间距为D，第1个传感器与弹簧自由端的距离为S ；那么第Y个检测质点经过第 X个传感器的位移为D (X-I) +S，由上可知，此时时间为tyx ；经过第X+1个传感器的位移为 DX+S，时间为 ty(x+1)；
比如，质点1经过第1个传感器的时间为tn，位移为S ；经过第2个传感器的时间为t12， 位移为D+S ；……；经过第X个传感器的时间为tlx，位移为D (X-I)+S ；(假设能经过第X个 传感器)；……；依次类推；
质点2经过第2个传感器的时间为t22，位移为D+S ；……；经过第X个传感器的时间为 t2x，位移为D (X-I)+S；……；依次类推。每一个检测质点经过传感器的时间和位移确定了，即可对每个质点以时间为横坐 标、位移为纵坐标绘出质点的位移与时间关系曲线图。以质点1为例各个点横坐标分别为 为tn、t12、t13……tlx，对应纵坐标分别为S、D+S、2D+S……D(X-I)+S，连接各个点，便得到了 质点1的位移与时间关系曲线图。同理，其它检测质点X的位移与时间关系曲线便可以绘 制出来，见图2。对质点位移与时间曲线进行拟合后，即可得到各个质点的位移与时间的关系方 程，对其分别进行一次求导和二次求导，相应的速度随时间变化的关系曲线和加速度随时 间变化的关系曲线也可绘制出来。图3为第5个检测质点的位移、速度和加速度随时间变 化曲线图。不同时刻下，各个簧圈的位移已经确定，即可据此绘制出不同时刻各个簧圈的位 置图，见图4。有了图4，即可方便地得到不同时刻各簧圈所处的位置状态图，见图5，图5反 映了九个不同时刻各簧圈所处的位置状态图。至此，簧圈上任意质点的运动状态即可完全确定。
权利要求
1.冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测量方法，其特征在于它包括如下测量步骤(1)将圆柱螺旋弹簧一端固定作为固定端，另一端作为自由端，并在圆柱螺旋弹簧长度 方向上等间距地设置一排用于检测弹簧上质点是否通过的传感器，所有传感器信号传输方 向确定的面与弹簧簧圈所在圆相切用于仅探测各个簧圈与传感器相切的那个质点，该质点 称为检测质点；(2)对圆柱螺旋弹簧自由端施加冲击载荷，使各个簧圈向固定端移动；(3)根据传感器探测信息记录每一个检测质点通过该检测质点能通过的所有传感器的 时间和对应的位移；(4)对每个检测质点以第(3)步得到的时间为横坐标、位移为纵坐标分别绘制出所有检 测质点的位移随时间变化的关系曲线；(5)对每个检测质点位移随时间变化的关系曲线拟合，即可得到各个检测质点的位移 与时间关系方程，对位移与时间关系方程分别进行一次求导和二次求导，即可得到相应检 测质点速度随时间变化的关系曲线和加速度随时间变化的关系曲线；(6)各个簧圈上检测质点所得到的位移随时间变化的关系曲线、速度随时间变化的关 系曲线和加速度随时间变化的关系曲线即为该簧圈上所有质点位移随时间变化的关系曲 线、速度随时间变化的关系曲线和加速度随时间变化的关系曲线。
2.根据权利要求1所述的冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测量方法，其特 征在于每一个传感器由配对的分别位于弹簧两侧的信号发射端和信号接收端构成，信号 接收端没有接收到信号发射端发射的信号时，表明传感器探测到有检测质点通过，此时传 感器输出为“1”，否则为“0”;如果两个“0”输出之间有多个“1”输出，则该多个“1”输出视 为一个检测质点通过并在处理时视为只有一个“ 1”输出，以所述多个“ 1，，输出中任意一个 “1”输出时间作为该检测质点通过该传感器的时间并记录该检测质点对应的位移。
3.根据权利要求2所述的冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测量方法，其特 征在于所述第(3)步每一个检测质点通过该检测质点能通过的所有传感器的时间确定方 法为设传感器的个数为N，从弹簧自由端往固定端依次标记为1、2、…X、…N-1、N;弹簧 自由端到第X个传感器之间有Y个检测质点，从弹簧自由端往固定端将所述Y个检测质点 依次标记为1、2、…、Y-U Y;第Y个检测质点经过第X个传感器的时间为第X个传感器输 出第一个“1”的时间，记此时时间为tyx ；第Y-I个检测质点经过第X个传感器的时间为第 X个传感器输出第二个“1”的时间，记此时时间为t(y_1)x ；……；第2个检测质点经过第X个 传感器的时间为第X个传感器输出第Y-I个“1”的时间，记此时时间为；第1个检测质 点经过第X个传感器的时间为第X个传感器输出第Y个“1”的时间，记此时时间为tlx ；同 理可以确定其他检测质点通过其它传感器的时间。
4.根据权利要求3所述的冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测量方法，其特 征在于所述第(3)步每一个检测质点通过该检测质点能通过的所有传感器的位移确定方 法为弹簧自由状态下自由端为确定位移的坐标原点，压缩方向位移为正；传感器间距为 D，第1个传感器与弹簧自由端的距离为S ；第Y个检测质点经过第X个传感器的位移为D (X-I) +S。
全文摘要
本发明涉及冲击载荷下圆柱螺旋弹簧任意质点运动状态测量方法，步骤为(1)将弹簧一端固定，并设置一排检测弹簧上质点通过的传感器；(2)对弹簧自由端施加冲击载荷，使簧圈向固定端移动；(3)根据传感器探测信息记录检测质点通过传感器的时间和对应的位移；(4)绘制所有检测质点位移与时间的关系曲线；(5)再得到速度和加速度随时间变化的关系曲线；(6)上述检测质点即代表簧圈上所有质点的运动关系。本发明能够确定任意质点在任意时刻的位移、速度和加速度，从而实现弹簧性能参数快速、有效的检测，有利于对弹簧设计改良和提高制造质量。本方法测量快速、准确，周期短，基于本方法建立的测量设备成本较低，容易实现。
文档编号G01M7/08GK102109410SQ201110027840
公开日2011年6月29日 申请日期2011年1月26日 优先权日2011年1月26日
发明者周杰, 康玲, 张明明, 王时龙, 田波, 赵昱, 雷松 申请人:重庆大学
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