疲勞試驗加載方法

序

前言

1 疲勞試驗與機械振動 1

1.1 疲勞現(xiàn)象及其影響 1

1.2 疲勞試驗系統(tǒng) 2

1.2.1 疲勞試驗的目的和內容 2

1.2.2 疲勞試驗的加載方法和形式 3

1.2.3 疲勞試驗機加載系統(tǒng)原理 5

1.2.4 疲勞試驗中的能量轉換與回收利用 6

1.2.5 激振器 7

1.2.6 從試樣到整機的疲勞試驗 10

1.3 試件的機械振動與疲勞試驗 12

1.3.1 單自由度強迫振動 13

1.3.2 多自由度振動系統(tǒng) 14

1.3.3 有限元模型與有限元方法 16

1.4 試驗系統(tǒng)的能量規(guī)律 16

1.4.1 振動體的能耗 16

1.4.2 阻尼的作用與能量消耗 20

1.5 本章小結 22

參考文獻 23

2 驅動系統(tǒng)與作動器技術 24

2.1 液壓脈動裝置 25

2.1.1 單作用式液壓脈動油源 25

2.1.2 雙作用式液壓脈動油源 30

2.1.3 動態(tài)力自平衡液壓脈動油源 31

2.1.4 液壓脈動油源的能量利用與儲能 33

2.1.5 作動器 36

2.1.6 大規(guī)格交變載荷試驗動力源設計方案 37

2.1.7 扭轉脈動疲勞試驗機設計示例 40

2.2 無閥電液伺服驅動系統(tǒng) 40

2.2.1 工作原理 41

2.2.2 基本結構形式 42

2.2.3 泄漏補償 44

2.2.4 流量與穩(wěn)定性 44

2.2.5 系統(tǒng)散熱問題 48

2.2.6 動態(tài)性能分析 48

2.3 電液伺服控制與靜壓支承技術 63

2.3.1 電液伺服液壓油源的能量與負載 63

2.3.2 靜壓支承液壓作動器 64

2.3.3 微摩擦平面靜壓支承技術 66

2.4 機械式直線作動器 70

2.4.1 機械式作動器的形式 71

2.4.2 作動器的組合 72

2.5 往復運動電動機 74

2.5.1 往復運動電動機的工作原理 74

2.5.2 往復運動電動機在疲勞試驗機中的應用示例 75

2.6 電磁作動器 76

2.7 本章小結 77

參考文獻 78

3 桿件單-載荷疲勞試驗的共振加載 80

3.1 桿件的振動模態(tài) 80

3.1.1 梁的彎曲 80

3.1.2 桿件的縱向振動 83

3.1.3 軸的扭轉振動 88

3.2 管道的彎曲振動與疲勞試驗加載方法 88

3.2.1 功能與用途 89

3.2.2 基本工作原理 89

3.2.3 適應性調整 92

3.2.4 主要特點與效果 93

3.2.5 應用示例 93

3.3 桿件的共振彎曲振動與疲勞試驗加載方法 98

3.3.1 曲軸彎曲共振疲勞試驗 98

3.3.2 螺栓連接疲勞試驗 101

3.3.3 鐵路軌枕脈動疲勞試驗 101

3.4 扭轉共振疲勞試驗加載 111

3.4.1 兩端大質量桿的共振扭轉 111

3.4.2 一端固定一端自由桿的扭轉振動 114

3.4.3 內力系扭轉振動 116

3.5 桿件的軸向振動與疲勞試驗加載方法 117

3.5.1 桿件的共振疲勞試驗基本原理 117

3.5.2 柴油發(fā)動機連桿拉壓疲勞試驗加載方案 118

3.6 本章小結 121

參考文獻 121

4 超聲疲勞試驗系統(tǒng) 123

4.1 超聲疲勞試驗的基本原理與應用 124

4.1.1 無限自由度連續(xù)系統(tǒng)的振動 124

4.1.2 超聲疲勞試驗原理 125

4.1.3 超聲疲勞試驗機 126

4.1.4 試驗對象 128

4.1.5 應變與裂紋監(jiān)測 129

4.1.6 超聲疲勞試驗的發(fā)展與應用 129

4.1.7 超聲電源與超聲換能器 131

4.1.8 變幅桿 138

4.1.9 試件 143

4.1.10 試件狀態(tài)檢測 145

4.2 超聲共振疲勞試驗 148

4.2.1 軸向共振疲勞試驗 148

4.2.2 其他加載形式的超聲疲勞試驗 158

4.3 準專用試件的超聲疲勞試驗 158

4.3.1 諧振方程與求解 159

4.3.2 諧振長度等參數(shù)的有限元分析 159

4.3.3 試件的安裝緊固方法 160

4.4 超聲脈動疲勞的實現(xiàn) 164

4.4.1 雙周疲勞試驗 164

4.4.2 縱向脈動超聲疲勞有限元分析 166

4.4.3 機械加工精度對諧振頻率的影響 169

4.5 本章小結 171

參考文獻 172

5 應用示例 174

5.1 脈動疲勞試驗機 175

5.1.1 低頻脈動疲勞試驗機 175

5.1.2 高頻脈動疲勞試驗機 180

5.2 機械式疲勞試驗機 182

5.2.1 曲柄滑塊機構的運動與動力分析 182

5.2.2 變頻電動機節(jié)能與飛輪的運用 192

5.2.3 幾個關鍵技術問題與解決措施 192

5.2.4 電子機械式疲勞試驗機的兩種設計示例 197

5.3 大型動態(tài)壓剪試驗機 198

5.3.1 動態(tài)壓剪疲勞試驗機的技術難題 200

5.3.2 直驅式容積伺服動態(tài)壓剪試驗機 207

5.4 電動式動靜試驗機 218

5.4.1 采用永磁同步直線電動機的動靜試驗機 218

5.4.2 采用振蕩直線電動機驅動的疲勞試驗的設計示例 231

5.4.3 單自由度強迫振動系統(tǒng)的加載應用 235

5.5 本章小結 236

參考文獻 237

后記 238

《疲勞試驗加載方法》對疲勞試驗裝備中的試樣加載技術進行理論闡述、技術探討和相關設備分析，具體內容包括疲勞試驗與機械振動、驅動系統(tǒng)與作動器技術、桿件單一載荷疲勞試驗的共振加載、超聲疲勞試驗系統(tǒng)和應用示例?！镀谠囼灱虞d方法》主要探討交變載荷的施加手段問題，獲得滿意的試驗加載效果，實現(xiàn)振動疲勞試驗系統(tǒng)準確、高效、節(jié)能、低成本的目標。

疲勞試驗是指通過金屬材料實驗測定金屬材料的σ-1，繪制材料的S-N曲線，進而觀察疲勞破壞現(xiàn)象和斷口特征，進而學會對稱循環(huán)下測定金屬材料疲勞極限的方法。檢測設備一般有疲勞試驗機和游標卡尺。

在足夠大的交變應力作用下，于金屬構件外形突變或表面刻痕或內部缺陷等部位，都可能因較大的應力集中引發(fā)微觀裂紋。分散的微觀裂紋經(jīng)過集結溝通將形成宏觀裂紋。已形成的宏觀裂紋逐漸緩慢地擴展，構件橫截面逐步削弱，當達到一定限度時，構件會突然斷裂。金屬因交變應力引起的上述失效現(xiàn)象，稱為金屬的疲勞。靜載下塑性性能很好的材料，當承受交變應力時，往往在應力低于屈服極限沒有明顯塑性變形的情況下，突然斷裂。疲勞斷口明顯地分為兩個區(qū)域：較為光滑的裂紋擴展區(qū)和較為粗糙的斷裂區(qū)。裂紋形成后，交變應力使裂紋的兩側時而張開時而閉合，相互擠壓反復研磨，光滑區(qū)就是這樣形成的。載荷的間斷和大小的變化，在光滑區(qū)留下多條裂紋前沿線。至于粗糙的斷裂區(qū)，則是最后突然斷裂形成的。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，機械零件的失效，約有70%左右是疲勞引起的，而且造成的事故大多數(shù)是災難性的。因此，通過實驗研究金屬材料抗疲勞的性能是有實際意義的。

2019年6月4日，《鋁合金擠壓型材軸向力控制疲勞試驗方法》發(fā)布。

2020年5月1日，《鋁合金擠壓型材軸向力控制疲勞試驗方法》實施。