[发明专利]一种PTFE材质弹簧的可靠性预测方法与装置

权利要求书

1.一种PTFE材质弹簧的可靠性预测方法，其特征在于：采用的可靠性预测装置由拉伸模块、加热模块和控制箱组成；所述的拉伸模块包括三向力传感器支撑板、三向力传感器固定板、滑块连接板一、双轨滑块、双线轨、旋转气缸支撑板、旋转气缸、同步带滑台、滑块连接板二和步进电机；所述的三向力传感器支撑板和三向力传感器固定板均固定在滑块连接板一顶面；旋转气缸支撑板固定在滑块连接板二顶面；滑块连接板一和滑块连接板二底面均固定有双轨滑块，旋滑块连接板二底面的双轨滑块与固定在底板上的双线轨构成滑动副，滑块连接板一底面的双轨滑块与双线轨固定；三向力传感器的壳体与三向力传感器固定板固定，且三向力传感器的壳体通过三向力传感器支撑板支撑；旋转气缸经换向阀与气泵连接，换向阀由PLC控制；旋转气缸的缸体固定在旋转气缸支撑板上；旋转气缸的转子和三向力传感器的测力件上均固定有弹簧固定夹具，且两个弹簧固定夹具等高设置；步进电机的底座固定在底板上，步进电机驱动同步带滑台；所述的步进电机经驱动器与PLC连接；滑块连接板二与同步带滑台的滑动平台固定；所述的加热模块包括热风机和温度传感器；热风机固定在桁架上，并由PLC控制；所述的桁架与底板固定；控制箱设置在拉伸模块外；温度传感器设置在控制箱内，温度传感器的信号输出端接数据采集仪的输入端，三向力传感器的信号输出端经变送器接数据采集仪的输入端；数据采集仪的输出端接PLC；

该方法具体步骤如下：

步骤一、将双线轨固定在底板上，三向力传感器的壳体经中间连接件一固定在双线轨上，旋转气缸的缸体经中间连接件二与双线轨构成滑动副，中间连接件二与同步带滑台的滑动平台固定；然后，在旋转气缸的转子和三向力传感器的测力件上均固定有弹簧固定夹具，且两个弹簧固定夹具等高设置；最后，将桁架固定在底板上，热风机和温度传感器固定在桁架上；

步骤二、将PTFE弹簧两端分别装夹在两个弹簧固定夹具上，盖上控制箱；

步骤三、PLC经驱动器驱动步进电机，步进电机带动同步带滑台，使得同步带滑台的滑动平台带动旋转气缸直线运动；同时，三向力传感器的信号依次经变送器和数据采集仪传给PLC；当PLC判断三向力传感器检测到沿PTFE弹簧轴线方向的力为0时，控制步进电机停止运动，此时，PTFE弹簧处于自然状态；

步骤四、PLC控制热风机工作，并根据温度传感器的温度信号反馈控制热风机，使控制箱内温度达到20℃；

步骤五、进行来回拉伸运动寿命试验，具体如下：步进电机驱动同步带滑台，使得同步带滑台的滑动平台带动旋转气缸直线运动，从而带动PTFE弹簧做来回拉伸运动，三向力传感器将采集的PTFE弹簧受力信号依次经变送器和数据采集仪传给PLC，PLC将来回拉伸运动的次数与对应次数下的PTFE弹簧受力信号进行关联记录，并记录沿PTFE弹簧轴线方向的外界应力幅值；在某个来回拉伸运动周期中PLC判断出三向力传感器检测到的PTFE弹簧受力变化范围小于5N时，停止同步带滑台的运动，并将该来回拉伸运动对应的次数记为PTFE弹簧的寿命；

步骤六、将失效的PTFE弹簧从两个弹簧固定夹具上拆下，更换新的PTFE弹簧，重复步骤二和步骤三；然后，PLC控制热风机工作，并根据温度传感器的温度信号反馈控制热风机，使控制箱内温度达到60℃；最后，重复步骤五；

步骤七、将失效的PTFE弹簧从两个弹簧固定夹具上拆下，更换新的PTFE弹簧，重复步骤二和步骤三；然后，PLC控制热风机工作，并根据温度传感器的温度信号反馈控制热风机，使控制箱内温度达到100℃；最后，重复步骤五；

步骤八、将失效的PTFE弹簧从两个弹簧固定夹具上拆下，更换新的PTFE弹簧，重复步骤二和步骤三；然后，PLC根据温度传感器的温度信号反馈控制热风机，使控制箱内温度达到20℃；

步骤九、进行来回扭转运动寿命试验，具体如下：PLC控制换向阀周期性换向，使旋转气缸周期性换向旋转，从而带动PTFE弹簧来回扭转，三向力传感器将采集的PTFE弹簧受力信号依次经变送器和数据采集仪传给PLC，PLC将来回扭转运动的次数与对应次数下的PTFE弹簧受力信号进行关联记录，并记录垂直于PTFE弹簧轴线方向的外界应力幅值；在某个来回扭转运动周期中PLC判断出三向力传感器检测到的PTFE弹簧受力变化范围小于5N时，停止旋转气缸的运转，并将该来回扭转运动对应的次数记为PTFE弹簧的寿命；

步骤十、将失效的PTFE弹簧从两个弹簧固定夹具上拆下，更换新的PTFE弹簧，重复步骤二和步骤三；然后，PLC根据温度传感器的温度信号反馈控制热风机，使控制箱内温度达到60℃；最后，重复步骤九；

步骤十一、将失效的PTFE弹簧从两个弹簧固定夹具上拆下，更换新的PTFE弹簧，重复步骤二和步骤三；然后，PLC根据温度传感器的温度信号反馈控制热风机，使控制箱内温度达到100℃；最后，重复步骤九；

步骤十二、将20℃、60℃和100℃三个温度下PTFE弹簧做来回拉伸运动的寿命分别记为N1、N2和N3，将20℃、60℃和100℃三个温度下PTFE弹簧做回扭转运动的寿命分别记为N4、N5和N6；

步骤十三、优化求解出B、a和b，从而根据公式(1)预测在不同温度和外界应力下PTFE弹簧做来回拉伸或来回扭转运动的使用寿命N；使用寿命N的表达式见公式(1)：

其中，N为PTFE弹簧的使用寿命，R_m为PTFE材料的抗拉强度，E为疲劳极限，K_σ为有效应力集中系数，ε为尺寸系数，S为外界应力的幅值；B、a和b为待定的修正系数；

B、a和b的优化求解过程如下：

①通过查表得20℃、60℃和100℃三个温度下PTFE弹簧对应尺寸的抗拉强度，分别记为R_m1、R_m2和R_m3，通过查表得20℃、60℃和100℃三个温度下PTFE弹簧对应尺寸的屈服强度，分别记为S_m1、S_m2和S_m3，若表中没有对应温度或对应尺寸，则通过线性插值计算PTFE弹簧的抗拉强度和屈服强度；通过查表得PTFE弹簧对应尺寸的尺寸系数ε和有效应力集中系数K_σ，若表中没有对应尺寸，则通过线性插值计算ε和K_σ；其中，PTFE弹簧拉伸和扭转时，有效应力集中系数不一样；

②通过PTFE材料的疲劳极限公式E＝0.156(R_m+S_m)，计算20℃、60℃和100℃三种温度下PTFE弹簧的疲劳极限，分别记为E₁、E₂和E₃；其中，S_m为PTFE材料的屈服强度；

③针对来回拉伸运动，将N1、R_m1和E₁，N2、R_m2和E₂，N3、R_m3和E₃三组数据分别代入公式(1)，并将尺寸系数ε、有效应力集中系数K_σ和外界应力幅值代入公式(1)，联立求解得到待定系数B、a和b的值；针对来回扭转运动，将N4、R_m1和E₁，N5、R_m2和E₂，N6、R_m3和E₃三组数据分别代入公式(1)，并将尺寸系数ε、有效应力集中系数K_σ和外界应力幅值代入公式(1)，联立求解得到待定系数B、a和b的值；

得到修正系数B、a和b的值后，预测具体一根PTFE弹簧在不同温度和外界应力下做来回拉伸或来回扭转运动的使用寿命N的具体过程如下：首先通过查表得该PTFE弹簧在工作温度下对应尺寸的抗拉强度和屈服强度，并计算疲劳极限；然后通过查表得该PTFE弹簧对应尺寸的尺寸系数和有效应力集中系数；最后，将该PTFE弹簧的抗拉强度、疲劳极限、尺寸系数、有效应力集中系数和外界应力幅值代入公式(1)，计算得到该PTFE弹簧做来回拉伸或来回扭转运动的使用寿命。