疲勞試驗機的發(fā)展研究

孫東+接勐+胡大鵬

摘要：本文概述了國內(nèi)外高頻試驗機的發(fā)展概況，介紹疲勞試驗機的分類，分析高頻試驗機的結(jié)構(gòu)和原理。分析高頻疲勞試驗機的結(jié)構(gòu)原理，疲勞試驗機隨著現(xiàn)代科技的進步，測試性能和原理有更快的發(fā)展，滿足現(xiàn)代工程技術(shù)對零件和材料的疲勞測試手段的要求。

關(guān)鍵詞：疲勞試驗機；高頻；發(fā)展概況

在實際工作生產(chǎn)中許多構(gòu)件和零件都是在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生破壞，如齒輪的嚙合破壞、曲軸的斷裂、連桿的斷裂、彈簧的失效、葉片的斷裂以及比較大型的橋梁疲勞斷裂事故等，對這些大型的事故原因進行研究后發(fā)現(xiàn)，雖然使用的強度未超過其屈服強度，但因為不斷受交變應(yīng)力作用，形成疲勞破壞失效。據(jù)不完全統(tǒng)計，在所用失效形式中，疲勞失效占整個零件失效約八成左右。對人們的生產(chǎn)生活造成極大的人身傷害和財產(chǎn)損失。因此，對于疲勞的研究引起科研人員的重視。經(jīng)過科學(xué)的實踐研究證明，實際生產(chǎn)中的零部件結(jié)構(gòu)壽命不能通過理論的方法對它進行預(yù)測與計算。所以，進行零部件、材料構(gòu)件的疲勞試驗，測試其抗疲勞斷裂性能、計算其疲勞壽命是國內(nèi)外預(yù)防疲勞破壞的主要方法。

1疲勞試驗機的分類

按照試樣承受的應(yīng)力狀態(tài)分類：

（1）旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機（純彎曲和懸臂彎曲）；

（2）交變拉壓疲勞試驗機；

（3）交變扭轉(zhuǎn)變形疲勞試驗機；

（4）復(fù)合多種變形應(yīng)力疲勞試驗機。

按照提供動力的原理，即激振的原理，將疲勞試驗機分為如下幾種形式

（1）曲柄偏心機構(gòu)為驅(qū)動裝置，提供動力激振的疲勞試驗機；

（2）利用恒定力（離心力或扛扦琺碼）加荷機構(gòu)為驅(qū)動裝置，提供激振的疲勞試驗機；

（3）利用壓縮空氣，運用壓縮的空氣為驅(qū)動力激振的疲勞試驗機；

（4）利用電磁、電動和磁致伸縮為驅(qū)動提供激振動力的疲勞試驗機；

（5）利用電氣液壓為驅(qū)動裝置，為激振提供動力的疲勞試驗機。

通過疲勞試驗，求得測試件的S-N曲線，試驗時間漫長。特別是當(dāng)試驗機單位時間內(nèi)的交變應(yīng)力往復(fù)次數(shù)（即頻率）較低時，試驗周期更長。為了提高試驗效率，高頻試驗機不斷被各國科研人員研制成功。2高頻疲勞試驗機研究國內(nèi)外現(xiàn)狀

疲勞試驗機按頻率分為低頻疲勞試驗機、中頻疲勞試驗機、高頻疲勞試驗機、超高頻疲勞試驗機。低頻低于30Hz的稱為低頻疲勞試驗機，30-100Hz的稱為中頻疲勞試驗機，100-300Hz的稱為高頻疲勞試驗機。300Hz以上的稱為超高頻疲勞試驗機。機械與液壓式一般為低頻，機電驅(qū)動為中頻和低頻，電磁諧振式為高頻，氣動式和聲學(xué)式為超高頻。

國外對高頻疲勞試驗機的研究開發(fā)相比國內(nèi)早很多，瑞士Amsler和英國Instron公司對高頻疲勞試驗機的研發(fā)比中國相對較早。而中國國內(nèi)對于高頻疲勞試驗機的研究相對滯后，主要的研究廠家為長春試驗機研究所和紅山試驗機廠兩家。在上世紀(jì)50年代末期，參考瑞士Amsler公司的10HFP422為主要的研究對象，對其進行學(xué)習(xí)、分析、研究，1968年末國內(nèi)參照英國Instron公司的許多產(chǎn)品，特別是英國公司的1603型機器，這種機型的技術(shù)對國內(nèi)的高頻試驗機的制造有著重大的影響，該機型主機結(jié)構(gòu)方面和電控單元在70年代時引領(lǐng)高頻疲勞試驗機的發(fā)展，所以國內(nèi)高頻疲勞試驗機在發(fā)展過程中又借鑒了許多Instron的新技術(shù)和Amslerd的機械單元和電控單元產(chǎn)品。

從疲勞試驗機的控制單元系統(tǒng)來看，國內(nèi)設(shè)計、制造的疲勞試驗機主要分為兩大類：第一類以線性掃頻幅度為控制單元系統(tǒng)（AMSLER公司主要機型多采用此種系統(tǒng)），第二類為PWM脈沖調(diào)寬型控制系統(tǒng)（INSTRON公司主要機型多采用此種結(jié)構(gòu)）。

歸納總結(jié)我國目前研制的疲勞試驗機，國內(nèi)對于疲勞試驗機的控制系統(tǒng)主要借鑒國外技術(shù)。控制單元系統(tǒng)主要有：一是將線性掃頻幅度技術(shù)應(yīng)用到控制系統(tǒng)，這種控制技術(shù)原理主要是載荷傳感器的反饋與移相掃頻相結(jié)合的原理來控制起振相位，這種技術(shù)主要是借鑒于瑞

AMSLER公司的10HFP422型號的高頻疲勞試驗機的控制單元系統(tǒng)；二是將PWM脈沖調(diào)寬技術(shù)應(yīng)用到控制單元系統(tǒng)中，這種技術(shù)主要是借鑒于英國Instmn公司高頻疲勞試驗機產(chǎn)品，經(jīng)國內(nèi)研發(fā)改進并應(yīng)用。

3簡述高頻疲勞試驗機原理

根據(jù)疲勞試驗機的驅(qū)動方式和驅(qū)動單元的不同，可分為：電磁驅(qū)動型、電液伺服型、氣壓驅(qū)動型、杠桿、離心機構(gòu)驅(qū)動型、曲柄機構(gòu)驅(qū)動型等多種形式的疲勞試驗機。

其中，以電磁力為驅(qū)動單元的高頻疲勞試驗機的工作原理是利用系統(tǒng)的共振現(xiàn)象來工作的。電磁驅(qū)動疲勞試驗機的機械結(jié)構(gòu)是由機架、電磁振動器、振動彈簧、載荷傳感器、試件和配重質(zhì)量塊組成整機的振動系統(tǒng)。動力單元中有由電磁振動器提供振動動力源來提供激勵，形成振動源。若電磁振動器輸出的激振力的頻率相位值與整機系統(tǒng)的固有頻率相同，則整個振動系統(tǒng)產(chǎn)生共振，則配重質(zhì)量物體在整機上產(chǎn)生共振現(xiàn)象，輸出的慣性力往復(fù)作用于被測試試件上，以此完成疲勞測試。

電液伺服型疲勞試驗機是以恒壓伺服液壓泵站作為動力源來對試件進行加載。氣壓驅(qū)動型疲勞試驗機是以恒壓伺服氣壓泵站作為動力源來對試件進行加載。杠桿、離心機構(gòu)驅(qū)動型和曲柄機構(gòu)驅(qū)動型疲勞試驗機依靠機械結(jié)構(gòu)的直線行程來構(gòu)成機器的動力源。

4結(jié)語

疲勞試驗機是進行零件抗疲勞試驗的重要工具，在研究國內(nèi)外疲勞試驗機發(fā)展?fàn)顩r，高頻試驗機應(yīng)時代的要求，不斷研制更新。借鑒Ansker公司和Instmn疲勞試驗機的機械單元和控制單位，國內(nèi)的科研人員不斷創(chuàng)新研制出一系列疲勞試驗機（例如：長春機械研究院的GPS系列電磁諧振式高頻疲勞試驗機）。疲勞試驗機的設(shè)計、研發(fā)涉及到多學(xué)科、多領(lǐng)域（機械設(shè)計、材料科學(xué)、電子科學(xué)、自動化控制等）并充分運用計算機的先進性，實現(xiàn)數(shù)字化、機電—體化、數(shù)字顯示等多領(lǐng)域技術(shù)。endprint