1 引 言
材料、構(gòu)件的疲勞問題嚴(yán)重威脅著現(xiàn)代工業(yè)設(shè)備的安全。壓力波動、頻繁間歇操作、復(fù)雜的外力等都會造成設(shè)備的疲勞破壞，這些設(shè)備一旦發(fā)生破壞，將造成極大的危害。這些設(shè)備長期在高壓及交變載荷工況條件下工作，在扭轉(zhuǎn)、彎曲負(fù)荷作用下的材料性能不單取決于材料的單方向扭轉(zhuǎn)疲勞性能或彎曲疲勞性能，也取決于扭轉(zhuǎn)和彎曲的交互作用。扭轉(zhuǎn)和彎曲交互作用所造成的損傷，已成為限制此類設(shè)備使用壽命的重要因素。因此，有必要對該類設(shè)備所用材料進行彎扭疲勞交互作用的研究。單方向的扭轉(zhuǎn)疲勞試驗機很多，而彎扭組合試驗機開發(fā)和研制工作起步較晚。目前，國內(nèi)一般是靜態(tài)扭轉(zhuǎn)和彎曲的加載。性能優(yōu)良的彎扭疲勞試
驗機，是獲得準(zhǔn)確可靠彎扭性能數(shù)據(jù)不可或缺的設(shè)備，主要應(yīng)用于石油化工、航空航天、電力、工程機械等領(lǐng)域。針對復(fù)雜外力等極端條件，研發(fā)了彎扭疲勞試驗機，模擬工程機械鉆桿工作中產(chǎn)生的外力(鉆桿主軸傾斜向下所產(chǎn)生的徑向力) 影響時的受力狀態(tài)及力學(xué)性能，解決了彎矩產(chǎn)生的徑向力對擺動缸的不利影響，對提升我國彎扭疲勞設(shè)備的制造水平，帶動行業(yè)的技術(shù)進步，具有重要意義。
2 彎扭材料受力分析
圖 1 是一段薄壁環(huán)形截面梁受彎扭組合載荷的力學(xué)模型。當(dāng)圓桿發(fā)生扭轉(zhuǎn)時，沿圓周各點處剪應(yīng)力的方向與圓周相切，且數(shù)值相等，彎矩為零，橫截面各點處剪應(yīng)力的方向與圓周相切，且其數(shù)值相等，剪應(yīng)力 τρ為:
τρ= Gγ
式中，G 為剪變模量，γ 為剪應(yīng)變。
當(dāng)梁上有橫向力作用時，一般來說，橫截面上既有彎矩又有剪力。在彎矩最大的橫截面上，距中性軸最遠(yuǎn)處有最大正應(yīng)力 σmax，而在剪力最大的橫截面上中性軸的各點處有最大剪應(yīng)力 τ(如圖 2 所示)。
式中，Mmax為橫截面上的彎矩，Y 為所求應(yīng)力的點到中性軸的距離，Iz為橫截面對中性軸 Z 的慣性矩，Qmax為橫截面上的剪力，Szmax為距中性軸為 Y 的橫線以外部分的橫截面積對中性軸的靜矩，b 為截面寬度。
3 彎扭疲勞試驗機的關(guān)鍵技術(shù)分析
3． 1 解決擺動缸不受彎矩
根據(jù)扭轉(zhuǎn)疲勞試驗機具有高速、高頻、響應(yīng)快的特點，葉片式擺動缸直接加載是最優(yōu)選擇。當(dāng)有橫向力作用時，加載驅(qū)動系統(tǒng)的使用壽命主要受最大正應(yīng)力影響。本套系統(tǒng)采用葉片式擺動缸加載扭矩(見圖 3)，擺動缸動葉片與缸蓋之間的間隙為Δ，如果最大正應(yīng)力產(chǎn)生的變形大于間隙 Δ，將會產(chǎn)生葉片與缸蓋之間的磨損，從而破壞擺動缸。所有，必須解決彎矩的問題。
注:圖中橢圓形標(biāo)識處為擺動缸動葉片與缸蓋之間的間隙 Δ
筆者采用擺動缸前端安裝軸承的方式消除擺動缸主軸的彎矩，考慮主軸的受力，采用兩個圓錐滾子軸承進行背對背安裝(見圖 4)，再調(diào)節(jié)軸承的游隙和預(yù)緊力。如果圓錐滾子軸承的預(yù)緊力大于擺動缸內(nèi)部軸承的預(yù)緊力，圓錐滾子軸承的游隙大于 Δ，那么擺動缸葉片將不會摩擦到缸蓋。
3． 2 彎矩加載系統(tǒng)的設(shè)計
彎矩加載系統(tǒng)選擇雙鉸接直線缸作為加載執(zhí)行(見圖 5)，具有控制性好、輸出負(fù)荷大、體積小、結(jié)構(gòu)簡單的特點，雙鉸接可以避免直線缸的活塞桿產(chǎn)生徑向力。當(dāng)材料受到純彎矩作用時，材料會以 x 為半徑、以點 A 為圓心作偏轉(zhuǎn)運動(見圖 6、圖 7)，Ｒ2= Ｒ1+ L。
3． 3 消除換向間隙
在疲勞往復(fù)運動中，間隙的存在不僅使試驗曲線不好，不能反映材料的真實數(shù)據(jù)，還直接影響到設(shè)備的使用壽命，加快設(shè)備的磨損。所以，設(shè)備中不能存在換向間隙，零件在傳遞扭矩中的連接應(yīng)避免采用平鍵或花鍵。脹緊套(見圖 8)和螺栓連接均屬于靠摩擦力傳遞扭矩，且可以承受彎矩。
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