高頻疲勞試驗機(jī)原理

根據(jù)疲勞試驗機(jī)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(jī)構(gòu)驅(qū)動型、曲柄機(jī)構(gòu)驅(qū)動型等多種形式的疲勞試驗機(jī)。

其中，以電磁力為驅(qū)動單元的高頻疲勞試驗機(jī)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(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是由機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)是以恒壓伺服液壓泵站作為動力源來對試件進(jìn)行加載。氣壓驅(qū)動型疲勞試驗機(jī)是以恒壓伺服氣壓泵站作為動力源來對試件進(jìn)行加載。杠桿、離心機(jī)構(gòu)驅(qū)動型和曲柄機(jī)構(gòu)驅(qū)動型疲勞試驗機(jī)依靠機(jī)械結(jié)構(gòu)的直線行程來構(gòu)成機(jī)器的動力源。

疲勞試驗機(jī)按頻率分為低頻疲勞試驗機(jī)、中頻疲勞試驗機(jī)、高頻疲勞試驗機(jī)、超高頻疲勞試驗機(jī)。低頻低于30Hz的稱為低頻疲勞試驗機(jī)，30-100Hz的稱為中頻疲勞試驗機(jī)，100-300Hz的稱為高頻疲勞試驗機(jī)。300Hz以上的稱為超高頻疲勞試驗機(jī)。機(jī)械與液壓式一般為低頻，機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)的研究相對滯后，主要的研究廠家為長春試驗機(jī)研究所和紅山試驗機(jī)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(jìn)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(jī)器，這種機(jī)型的技術(shù)對國內(nèi)的高頻試驗機(jī)的制造有著重大的影響，該機(jī)型主機(jī)結(jié)構(gòu)方面和電控單元在70年代時影響高頻疲勞試驗機(jī)的發(fā)展，所以國內(nèi)高頻疲勞試驗機(jī)在發(fā)展過程中又借鑒了許多Instron的新技術(shù)和Amslerd的機(jī)械單元和電控單元產(chǎn)品。

從疲勞試驗機(jī)的控制單元系統(tǒng)來看，國內(nèi)設(shè)計、制造的疲勞試驗機(jī)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(jī)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(jī)型多采用此種結(jié)構(gòu)）。歸納總結(jié)我國研制的疲勞試驗機(jī)，國內(nèi)對于疲勞試驗機(jī)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)主要是借鑒于瑞士AMSLER公司的10HFP422型號的高頻疲勞試驗機(jī)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Instron公司高頻疲勞試驗機(jī)產(chǎn)品，經(jīng)國內(nèi)研發(fā)改進(jìn)并應(yīng)用。

高頻疲勞試驗機(jī)在配備相應(yīng)試驗夾具后，可進(jìn)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(qiáng)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(fù)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(jī)特別是電機(jī)式高頻疲勞試驗機(jī)還在零部件疲勞試驗領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

疲勞試驗機(jī)是一種主要用于在室溫狀態(tài)下，測定金屬及其構(gòu)件的疲勞性能、疲勞壽命，完成預(yù)制裂紋及裂紋擴(kuò)展等疲勞試驗的機(jī)器。試件在激振器產(chǎn)生的交變載荷作用下進(jìn)行斷裂韌性試驗，測試金屬材料裂紋擴(kuò)展速率及材料的門坎值。當(dāng)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(jìn)行材料疲勞試驗。電液高頻疲勞試驗機(jī)由于其動態(tài)響應(yīng)快、輸出功率大等優(yōu)點，因而在疲勞試驗機(jī)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

結(jié)構(gòu)

電液高頻疲勞試驗機(jī)的激振器被安裝在試驗機(jī)的底座內(nèi)，它是一種由2D激振閥控對稱缸構(gòu)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(dá)2500Hz的激振頻率。通過控制雙邊閥控單出桿的同步運(yùn)動，調(diào)節(jié)上夾頭高度以適應(yīng)長短不一的各疲勞試驗材料。當(dāng)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(fù)振動，從而帶動試件進(jìn)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(yùn)動實現(xiàn)激振幅值的變化。為了測量試件在拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及拉壓交變應(yīng)力下的疲勞特性，需要對激振器的激振中心平衡位置進(jìn)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(jié)構(gòu)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(dāng)需要對試件進(jìn)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(yīng)力和壓應(yīng)力的變化，也可實現(xiàn)拉壓交變載荷的應(yīng)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(dú)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(jī)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(jī)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(yùn)動兩個運(yùn)動自由度，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)閥，分別由永磁同步伺服電機(jī)驅(qū)動閥芯的轉(zhuǎn)動和直線步進(jìn)電機(jī)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(fù)載口，分別與液壓缸左右腔相通，P為進(jìn)油口，T為回油口。當(dāng)2D激振閥的Ⅱ、Ⅳ閥口打開時，Ⅰ、Ⅲ閥口關(guān)閉，A口和P口導(dǎo)通，B口和T口導(dǎo)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(yùn)動，如圖2a所示; 當(dāng)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(guān)閉，如圖2b所示，此時B口和P口導(dǎo)通，A口和T口導(dǎo)通，油液從液壓缸右腔流入，左腔流出，推動活塞向左運(yùn)動。這樣當(dāng)2D激振閥閥芯在永磁同步伺服電機(jī)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(guān)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(fù)振動，從而帶動試件進(jìn)行疲勞試驗。閥芯的左側(cè)安裝有一個彈簧，控制安裝在堵頭一側(cè)的直線步進(jìn)電機(jī)可以實現(xiàn)閥芯的軸向滑動。

直線步進(jìn)電機(jī)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(dāng)閥芯需要向右運(yùn)動時只需縮小電機(jī)的線性位移，依靠彈簧的回復(fù)力推動閥芯運(yùn)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(jié)構(gòu)，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(jī)構(gòu)和電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)，構(gòu)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子通過齒輪嚙合進(jìn)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(yīng)力或壓縮應(yīng)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(dāng)并聯(lián)的數(shù)字伺服閥閥口關(guān)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(dāng)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(jìn)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(dāng)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(jìn)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(jìn)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(fù)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。

疲勞試驗機(jī)根據(jù)試驗頻率可分為低頻疲勞試驗機(jī)、中頻疲勞試驗機(jī)、高頻疲勞試驗機(jī)、超高頻疲勞試驗機(jī)。頻率低于30Hz的稱為低頻疲勞試驗機(jī)，30-100Hz的稱為中頻疲勞試驗機(jī)，100-300Hz的成為高頻疲勞試驗機(jī)，300Hz以上的成為超高頻疲勞試驗機(jī)。機(jī)械與液壓式一般為低頻，電機(jī)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(xué)式為超高頻。

復(fù)合材料不可以用電磁式高頻疲勞試驗機(jī)進(jìn)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(guān)，所以復(fù)合材料只能用電機(jī)驅(qū)動疲勞試驗。