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疲勞試驗(yàn)機(jī)的分類(lèi)和工作原理

來(lái)源:凱爾測(cè)控試驗(yàn)系統(tǒng)(天津)有限公司   2025年03月27日 13:24  

疲勞試驗(yàn)機(jī)是用于評(píng)估材料或結(jié)構(gòu)在循環(huán)載荷下疲勞性能的關(guān)鍵設(shè)備。根據(jù)加載方式、驅(qū)動(dòng)原理和應(yīng)用場(chǎng)景的不同,疲勞試驗(yàn)機(jī)可分為以下幾類(lèi):


一、疲勞試驗(yàn)機(jī)的分類(lèi)

1. 按驅(qū)動(dòng)方式分類(lèi)

  • 機(jī)械式疲勞試驗(yàn)機(jī)

    • 原理:通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)(如曲柄連桿、凸輪、偏心輪)產(chǎn)生周期性載荷。

    • 特點(diǎn):結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低,但頻率較低(通常<10 Hz),適用于低頻疲勞測(cè)試。

    • 典型應(yīng)用:金屬材料、小型零部件的疲勞試驗(yàn)。

  • 液壓伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)

    • 原理:利用液壓伺服系統(tǒng)控制作動(dòng)器施加動(dòng)態(tài)載荷,載荷范圍大,頻率較高(可達(dá)100 Hz)。

    • 特點(diǎn):載荷大(可達(dá)數(shù)千噸)、控制精度高,但維護(hù)復(fù)雜,需配套液壓源。

    • 典型應(yīng)用:大型結(jié)構(gòu)件(如橋梁、飛機(jī)起落架)、復(fù)合材料的高載荷測(cè)試。

  • 電磁式(電動(dòng)式)疲勞試驗(yàn)機(jī)

    • 原理:通過(guò)電磁力或直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)作動(dòng)器,直接生成動(dòng)態(tài)載荷。

    • 特點(diǎn):高頻(可達(dá)1000 Hz以上)、響應(yīng)快、噪音低,但載荷范圍較?。ㄒ话?lt;50 kN)。

    • 典型應(yīng)用:高頻疲勞測(cè)試(如微電子元件、小型精密零件)。

2. 按加載形式分類(lèi)

  • 軸向疲勞試驗(yàn)機(jī)

    • 對(duì)試樣施加拉伸-壓縮或拉-拉循環(huán)載荷,模擬軸向受力場(chǎng)景。

  • 彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)

    • 旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī):試樣旋轉(zhuǎn)時(shí)承受交變彎曲應(yīng)力(如懸臂梁式)。

    • 平面彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī):試樣固定,通過(guò)往復(fù)運(yùn)動(dòng)施加彎曲載荷。

  • 扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)

    • 施加周期性扭矩,模擬材料在扭轉(zhuǎn)載荷下的疲勞性能。

  • 多軸疲勞試驗(yàn)機(jī)

    • 可同時(shí)施加多個(gè)方向的載荷(如拉-扭復(fù)合載荷),模擬復(fù)雜工況。

3. 特殊類(lèi)型

  • 共振式疲勞試驗(yàn)機(jī)

    • 利用試樣的固有頻率產(chǎn)生共振,以較低能耗實(shí)現(xiàn)高頻加載(數(shù)百Hz)。

    • 適用于大批量試樣的快速篩選測(cè)試。

  • 高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)

    • 采用電磁或壓電驅(qū)動(dòng),專(zhuān)為超高頻(kHz級(jí)別)疲勞測(cè)試設(shè)計(jì)。


二、疲勞試驗(yàn)機(jī)的工作原理

1. 基本工作流程

  1. 載荷施加:通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)(機(jī)械、液壓或電磁)對(duì)試樣施加周期性載荷(正弦波、三角波或自定義波形)。

  2. 信號(hào)控制:控制器根據(jù)預(yù)設(shè)的載荷幅值、頻率和循環(huán)次數(shù)調(diào)節(jié)輸出。

  3. 數(shù)據(jù)采集:傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)載荷、位移、應(yīng)變等參數(shù),并記錄疲勞壽命(失效循環(huán)次數(shù))。

  4. 失效判斷:試樣斷裂或達(dá)到預(yù)設(shè)的變形量時(shí)自動(dòng)停機(jī)。

2. 核心系統(tǒng)組成

  • 加載系統(tǒng):作動(dòng)器、夾具、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

  • 控制系統(tǒng):閉環(huán)反饋系統(tǒng)(PID控制)確保載荷精度。

  • 測(cè)量系統(tǒng):力傳感器、位移傳感器、應(yīng)變片等。

  • 軟件系統(tǒng):設(shè)定試驗(yàn)參數(shù)、實(shí)時(shí)顯示曲線、生成報(bào)告。

3. 關(guān)鍵技術(shù)

  • 閉環(huán)控制:通過(guò)傳感器反饋實(shí)時(shí)調(diào)整載荷,保證動(dòng)態(tài)加載的準(zhǔn)確性。

  • 波形生成:支持多種波形(正弦、方波、隨機(jī)載荷)以模擬實(shí)際工況。

  • 環(huán)境模擬:部分試驗(yàn)機(jī)集成溫控箱或腐蝕環(huán)境艙,測(cè)試材料在條件下的疲勞性能。


三、應(yīng)用領(lǐng)域

  • 航空航天:飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的高頻疲勞測(cè)試。

  • 汽車(chē)工業(yè):底盤(pán)、懸掛系統(tǒng)的多軸疲勞試驗(yàn)。

  • 材料科學(xué):金屬、塑料、復(fù)合材料的疲勞極限測(cè)定。

  • 生物醫(yī)學(xué):人工關(guān)節(jié)、骨板的生物力學(xué)疲勞評(píng)估。


四、總結(jié)

疲勞試驗(yàn)機(jī)的選擇需根據(jù)測(cè)試需求(載荷大小、頻率、試樣尺寸)和環(huán)境條件綜合考量:

  • 低頻大載荷:液壓伺服試驗(yàn)機(jī)。

  • 高頻小載荷:電磁式或共振式試驗(yàn)機(jī)。

  • 復(fù)雜工況模擬:多軸或環(huán)境耦合試驗(yàn)機(jī)。
    未來(lái)趨勢(shì)是向高頻化、智能化、多物理場(chǎng)耦合方向發(fā)展,以更精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)材料壽命。

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