高頻疲勞試驗機

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(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，該機型主機結構方面和電控單元在70年代時影響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構）。歸納總結我國研制的疲勞試驗機，國內(nèi)對于疲勞試驗機的控制系統(tǒng)主要借鑒國外技術?？刂茊卧到y(tǒng)主要有：一是將線性掃頻幅度技術應用到控制系統(tǒng)，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士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)寬技術應用到控制單元系統(tǒng)中，這種技術主要是借鑒于英國Instron公司高頻疲勞試驗機產(chǎn)品，經(jīng)國內(nèi)研發(fā)改進并應用。

疲勞試驗機是一種主要用于在室溫狀態(tài)下，測定金屬及其構件的疲勞性能、疲勞壽命，完成預制裂紋及裂紋擴展等疲勞試驗的機器。試件在激振器產(chǎn)生的交變載荷作用下進行斷裂韌性試驗，測試金屬材料裂紋擴展速率及材料的門坎值。當激振系統(tǒng)的振動頻率等于系統(tǒng)自身的固有頻率時，即系統(tǒng)發(fā)生共振，所產(chǎn)生的微小激振力經(jīng)過放大后作用在試件上可進行材料疲勞試驗。電液高頻疲勞試驗機由于其動態(tài)響應快、輸出功率大等優(yōu)點，因而在疲勞試驗機領域得到廣泛應用。

結構

電液高頻疲勞試驗機的激振器被安裝在試驗機的底座內(nèi)，它是一種由2D激振閥控對稱缸構成的新型電液激振器，在2D激振閥的驅(qū)動下可實現(xiàn)高達2500Hz的激振頻率。通過控制雙邊閥控單出桿的同步運動，調(diào)節(jié)上夾頭高度以適應長短不一的各疲勞試驗材料。當試驗材料被上下夾頭固定后，2D電液激振器開始工作。2D激振閥連續(xù)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電液激振器實現(xiàn)往復振動，從而帶動試件進行疲勞試驗，激振頻率與2D激振閥閥芯的轉(zhuǎn)速成正比。通過控制2D激振閥的軸向運動實現(xiàn)激振幅值的變化。為了測量試件在拉應力、壓應力以及拉壓交變應力下的疲勞特性，需要對激振器的激振中心平衡位置進行偏置控制從而改變電液激振器輸出的載荷力性質(zhì)，而由于2D激振閥的轉(zhuǎn)閥特性，無法加入偏置信號，因此在對稱液壓缸上并聯(lián)一個數(shù)字伺服閥，其結構與控制單出桿液壓缸的2D數(shù)字閥相同。

改變數(shù)字伺服閥的開口大小和方向就可以實現(xiàn)激振器振動中心位置的偏置，偏置量與數(shù)字伺服閥的閥口開度成正比。當需要對試件進行拉伸或壓縮試驗時，只需改變并聯(lián)數(shù)字閥的閥口方向和開口大小即可實現(xiàn)拉應力和壓應力的變化，也可實現(xiàn)拉壓交變載荷的應力輸出。單出桿液壓缸所用油源與電液激振器的油源相互獨立，以免油壓波動造成橫梁高度發(fā)生變化。電液高頻疲勞試驗機的控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)電位計即可實現(xiàn)電液激振器激振頻率、幅值以及振動中心偏置的控制。

工作原理

2D激振器是電液高頻疲勞試驗機的控制系統(tǒng)核心。其控制部件是2D激振閥。

（1）2D激振閥頻率與幅值控制原理

2D激振閥具有圓周方向的轉(zhuǎn)動和軸向的直線運動兩個運動自由度，是一種具有特殊結構的轉(zhuǎn)閥，分別由永磁同步伺服電機驅(qū)動閥芯的轉(zhuǎn)動和直線步進電機驅(qū)動軸向的滑動，從而改變激振器輸出的激振頻率和幅值。

2D激振閥工作原理如圖2所示。

閥體上有4個開口，分別為A、B、P、T，其中A、B為負載口，分別與液壓缸左右腔相通，P為進油口，T為回油口。當2D激振閥的Ⅱ、Ⅳ閥口打開時，Ⅰ、Ⅲ閥口關閉，A口和P口導通，B口和T口導通，油液通過激振閥P-A流入從液壓缸左腔，而液壓缸右腔的油液通過B-T的通道流出，活塞在液壓油的推動下向右運動，如圖2a所示; 當2D激振閥閥芯旋轉(zhuǎn)過某一角度后，Ⅰ、Ⅲ閥口打開，Ⅱ、Ⅳ閥口關閉，如圖2b所示，此時B口和P口導通，A口和T口導通，油液從液壓缸右腔流入，左腔流出，推動活塞向左運動。這樣當2D激振閥閥芯在永磁同步伺服電機驅(qū)動下做連續(xù)旋轉(zhuǎn)時，Ⅰ、Ⅲ和Ⅱ、Ⅳ閥口組合交替打開與關閉，使液壓缸左右兩腔的油液發(fā)生周期性變化，活塞在液壓油的作用下實現(xiàn)往復振動，從而帶動試件進行疲勞試驗。閥芯的左側安裝有一個彈簧，控制安裝在堵頭一側的直線步進電機可以實現(xiàn)閥芯的軸向滑動。

直線步進電機轉(zhuǎn)動角度就會產(chǎn)生一定的線性位移，驅(qū)使閥芯軸向向左移動時，彈簧被壓縮; 當閥芯需要向右運動時只需縮小電機的線性位移，依靠彈簧的回復力推動閥芯運動，從而使液壓缸的流量大小發(fā)生變化，改變液壓缸輸出的振動幅值。

（2）2D激振器偏置控制原理

考慮到2D激振閥的轉(zhuǎn)閥結構，激振器無法引入一個偏置信號實現(xiàn)激振中心位置的偏置控制。為了解決這個問題，提出了一個并聯(lián)控制方案，即在液壓缸上并聯(lián)一個數(shù)字伺服閥，以這種并聯(lián)機構和電-機械轉(zhuǎn)換器為基礎，構建了電液激振器的偏置控制系統(tǒng)，實現(xiàn)激振器振動中心偏置的控制。

電液激振器的偏置控制原理如圖3所示，與2D激振閥并聯(lián)的數(shù)字伺服閥為一滑閥，其閥芯位移由步進電機轉(zhuǎn)子通過齒輪嚙合進行驅(qū)動，改變轉(zhuǎn)子的角位移可以實現(xiàn)數(shù)字伺服閥閥芯的左右移動，使得通過數(shù)字伺服閥流入液壓缸左右兩腔的流量發(fā)生變化，從而實現(xiàn)激振器活塞振動平衡位置的偏置，改變激振器輸出載荷力性質(zhì)( 拉伸應力或壓縮應力)。

由于數(shù)字伺服閥在該系統(tǒng)中起偏置作用，故而也將它稱為偏置閥。當并聯(lián)的數(shù)字伺服閥閥口關閉時，即偏置閥對激振器沒有起偏置作用，振動中心位置為液壓缸中心位置; 當數(shù)字伺服閥閥芯左移時，P’與A’相通，B’與T’相通，油液通過數(shù)字伺服閥的A’口進入液壓缸左腔，而右腔液壓油從B’-T’口流出，活塞在左腔液壓力的推動下向右移動; 當數(shù)字伺服閥閥芯向右移動時，P’與B’相通，A’與T’相通，油液通過B’口進入液壓缸右腔，而左腔液壓油回油，活塞向左移動。激振器工作時若需要對激振中心位置進行偏置，則將數(shù)字伺服閥打開一個固定開口，此時偏置閥對活塞的作用力恒定，因此可將其視為一恒定負載作用于液壓缸。激振器的振動頻率和幅值不受偏置閥的影響，且偏置閥的偏置作用不因激振頻率的改變而發(fā)生變化。

高頻疲勞試驗機在配備相應試驗夾具后，可進行正弦載荷下的三點彎曲試驗、四點彎曲試驗、薄板材拉伸試驗、厚板材拉伸試驗、強化鋼條拉伸試驗、鏈條拉伸試驗、固接件試驗、連桿試驗、扭轉(zhuǎn)疲勞試驗、彎扭復合疲勞試驗、交互彎曲疲勞試驗、CT試驗、CCT試驗、齒輪疲勞試驗。

除以上的用途外，高頻疲勞試驗機特別是電機式高頻疲勞試驗機還在零部件疲勞試驗領域有廣泛的應用。

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、離心機構驅(qū)動型、曲柄機構驅(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(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、離心機構驅(qū)動型和曲柄機構驅(qū)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。

疲勞試驗機根據(jù)試驗頻率可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。頻率低于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的成為高頻疲勞試驗機，300Hz以上的成為超高頻疲勞試驗機。機械與液壓式一般為低頻，電機驅(qū)動一般為中頻和低頻，電磁諧振式為高頻，氣動式和聲學式為超高頻。

復合材料不可以用電磁式高頻疲勞試驗機進行疲勞試驗，因為電磁式是采用電磁諧振原理驅(qū)動的，與試樣的剛性有關，所以復合材料只能用電機驅(qū)動疲勞試驗。