疲勞試驗機的發展研究

孫東+接勐+胡大鵬

摘要：本文概述了國內外高頻試驗機的發展概況，介紹疲勞試驗機的分類，分析高頻試驗機的結構和原理。分析高頻疲勞試驗機的結構原理，疲勞試驗機隨著現代科技的進步，測試性能和原理有更快的發展，滿足現代工程技術對零件和材料的疲勞測試手段的要求。

關鍵詞：疲勞試驗機；高頻；發展概況

在實際工作生產中許多構件和零件都是在交變應力作用下產生破壞，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現，雖然使用的強度未超過其屈服強度，但因為不斷受交變應力作用，形成疲勞破壞失效。據不完全統計，在所用失效形式中，疲勞失效占整個零件失效約八成左右。對人們的生產生活造成極大的人身傷害和財產損失。因此，對于疲勞的研究引起科研人員的重視。經過科學的實踐研究證明，實際生產中的零部件結構壽命不能通過理論的方法對它進行預測與計算。所以，進行零部件、材料構件的疲勞試驗，測試其抗疲勞斷裂性能、計算其疲勞壽命是國內外預防疲勞破壞的主要方法。

1疲勞試驗機的分類

按照試樣承受的應力狀態分類：

（1）旋轉彎曲疲勞試驗機（純彎曲和懸臂彎曲）；

（2）交變拉壓疲勞試驗機；

（3）交變扭轉變形疲勞試驗機；

（4）復合多種變形應力疲勞試驗機。

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）曲柄偏心機構為驅動裝置，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）加荷機構為驅動裝置，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動力激振的疲勞試驗機；

（4）利用電磁、電動和磁致伸縮為驅動提供激振動力的疲勞試驗機；

（5）利用電氣液壓為驅動裝置，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。特別是當試驗機單位時間內的交變應力往復次數（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外現狀

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，機電驅動為中頻和低頻，電磁諧振式為高頻，氣動式和聲學式為超高頻。

國外對高頻疲勞試驗機的研究開發相比國內早很多，瑞士Amsler和英國Instron公司對高頻疲勞試驗機的研發比中國相對較早。而中國國內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，對其進行學習、分析、研究，1968年末國內參照英國Instron公司的許多產品，特別是英國公司的1603型機器，這種機型的技術對國內的高頻試驗機的制造有著重大的影響，該機型主機結構方面和電控單元在70年代時引領高頻疲勞試驗機的發展，所以國內高頻疲勞試驗機在發展過程中又借鑒了許多Instron的新技術和Amslerd的機械單元和電控單元產品。

從疲勞試驗機的控制單元系統來看，國內設計、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（AMSLER公司主要機型多采用此種系統），第二類為PWM脈沖調寬型控制系統（INSTRON公司主要機型多采用此種結構）。

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

AMSLER公司的10HFP422型號的高頻疲勞試驗機的控制單元系統；二是將PWM脈沖調寬技術應用到控制單元系統中，這種技術主要是借鑒于英國Instmn公司高頻疲勞試驗機產品，經國內研發改進并應用。

3簡述高頻疲勞試驗機原理

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

其中，以電磁力為驅動單元的高頻疲勞試驗機的工作原理是利用系統的共振現象來工作的。電磁驅動疲勞試驗機的機械結構是由機架、電磁振動器、振動彈簧、載荷傳感器、試件和配重質量塊組成整機的振動系統。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的固有頻率相同，則整個振動系統產生共振，則配重質量物體在整機上產生共振現象，輸出的慣性力往復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、離心機構驅動型和曲柄機構驅動型疲勞試驗機依靠機械結構的直線行程來構成機器的動力源。

4結語

疲勞試驗機是進行零件抗疲勞試驗的重要工具，在研究國內外疲勞試驗機發展狀況，高頻試驗機應時代的要求，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，國內的科研人員不斷創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）。疲勞試驗機的設計、研發涉及到多學科、多領域（機械設計、材料科學、電子科學、自動化控制等）并充分運用計算機的先進性，實現數字化、機電—體化、數字顯示等多領域技術。endprint