【中星裝備分享】疲勞試驗機原理是什么？疲勞試驗機有什么分類？

一、疲勞試驗機的工作原理

疲勞試驗機的核心原理是：通過模擬材料或構(gòu)件在實際使用中所承受的循環(huán)載荷（交變應力），在實驗室中加速其疲勞過程，從而測定其疲勞強度（S-N曲線）和疲勞壽命（循環(huán)次數(shù)），并研究其疲勞斷裂機理。

可以將其理解為一個“加速老化”的過程。整個過程可以分解為以下幾個關(guān)鍵環(huán)節(jié)：

工作原理圖和控制框圖參看附圖1、2。

1.加載機制：

·試驗機通過動力系統(tǒng)（如電機、液壓缸）對被測試件（試樣或?qū)嶋H零件）施加一個大小和方向都周期性變化的力、位移或應變。

·這個循環(huán)載荷通常是正弦波，但也可以是三角波、方波或根據(jù)實際工況復現(xiàn)的隨機波。

2.控制與測量：

·控制系統(tǒng)：根據(jù)預設(shè)的試驗參數(shù)（如載荷、頻率、波形）精確控制加載過程。

·傳感器系統(tǒng)：通過力傳感器、位移傳感器、引伸計等，實時監(jiān)測和反饋載荷、位移、應變等數(shù)據(jù)，形成一個閉環(huán)控制，確保加載的準確性。

3.疲勞損傷累積：

·在循環(huán)載荷作用下，即使應力水平遠低于材料的靜強度極限，試件內(nèi)部也會在應力集中處（如微觀缺陷、劃痕）產(chǎn)生微小的塑性變形，逐漸形成微裂紋。

·隨著循環(huán)次數(shù)的增加，微裂紋會穩(wěn)定擴展。

4.失效判定與終止：

·當裂紋擴展到一定程度，試件的有效承載面積減小到無法承受載荷時，會發(fā)生疲勞斷裂。

·試驗機通常設(shè)有自動停機條件：

斷裂：當力傳感器檢測到載荷突然大幅下降時。

預設(shè)循環(huán)次數(shù)：達到設(shè)定的循環(huán)次數(shù)而未斷裂，視為“無限壽命”。

裂紋檢測：通過專門的設(shè)備監(jiān)測到裂紋達到臨界尺寸。

剛度下降：監(jiān)測到試件在恒定位移下的載荷下降一定比例。

最終目標：通過測試多個相同試件在不同應力水平下的疲勞壽命，可以繪制出 S-N 曲線（應力-壽命曲線），這是評估材料抗疲勞性能的關(guān)鍵依據(jù)。

(這是一個典型的S-N曲線示意圖，橫坐標是循環(huán)次數(shù)，縱坐標是應力幅值）

二、疲勞試驗機的分類

疲勞試驗機可以根據(jù)多種方式進行分類，以下是幾種常見的分類方法：

1. 按加載方式分類（最核心的分類）

·軸向疲勞試驗機

原理：對試件施加軸向的拉-壓循環(huán)載荷。

特點：應力在試件橫截面上均勻分布，是獲取材料基本疲勞性能（S-N曲線）常用、最標準的試驗機。

應用：金屬棒材、標準試樣等。

·旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗機

原理：試件在旋轉(zhuǎn)的同時承受一個固定的彎矩，使得試件表面每旋轉(zhuǎn)一周就經(jīng)歷一次拉-壓應力循環(huán)。

特點：結(jié)構(gòu)相對簡單，成本較低，是早期經(jīng)典的疲勞試驗方法之一。

應用：主要用于測定軸類零件的材料疲勞性能。

·扭轉(zhuǎn)疲勞試驗機

原理：對試件施加循環(huán)的扭轉(zhuǎn)載荷。

特點：用于研究材料在剪切應力下的疲勞行為。

應用：傳動軸、彈簧等承受扭轉(zhuǎn)載荷的零部件。

·多點協(xié)調(diào)加載試驗機

原理：通過多個作動器，同時對復雜結(jié)構(gòu)件（如汽車底盤、飛機機翼）的不同部位進行加載，模擬真實的復雜受力狀態(tài)。

特點：技術(shù)復雜，系統(tǒng)龐大昂貴。

應用：航空航天、汽車工業(yè)的全尺寸結(jié)構(gòu)件疲勞測試。

2. 按動力驅(qū)動方式分類

·電磁諧振式疲勞試驗機

原理：利用電磁諧振原理，使系統(tǒng)在其共振頻率下工作，從而用很小的驅(qū)動力產(chǎn)生很大的試驗力。

優(yōu)點：能耗低、頻率高（可達300Hz）、運行成本低。

缺點：波形單一（通常是正弦波），載荷和頻率不能獨立控制。

應用：高周疲勞測試（循環(huán)次數(shù) > 10^7）。

·電液伺服疲勞試驗機

原理：采用電液伺服閥控制液壓油流入作動缸，從而精確控制作動器的運動和出力。

優(yōu)點：動態(tài)響應好，出力大，可實現(xiàn)大噸位加載；控制精度高，波形多樣（正弦、三角、方波、隨機波等），頻率和載荷范圍寬。

缺點：設(shè)備相對昂貴，需要液壓源，維護復雜，頻率較低（通常低于100Hz）。

應用：應用廣泛，從材料低周疲勞到結(jié)構(gòu)件全尺寸測試均可覆蓋。

·電動伺服疲勞試驗機

原理：采用伺服電機和滾珠絲杠驅(qū)動作動器。

優(yōu)點：控制精度高，清潔無油污，維護簡單，噪音小。

缺點：出力相對較小，動態(tài)響應和速度不如電液伺服。

應用：中小噸位、高精度、高動態(tài)響應的疲勞測試，如電子元件、小型零部件、生物材料等。

3. 按控制模式分類

·力控制：以循環(huán)的力（應力）作為控制目標。這是常用的模式。

·位移控制：以循環(huán)的位移作為控制目標。

·應變控制：以循環(huán)的應變作為控制目標，主要用于研究材料的低周疲勞行為，此時塑性應變占主導。

4. 按試驗類型分類

·高周疲勞試驗機：測試材料在較低應力、高頻（循環(huán)次數(shù) > 10^5）下的疲勞性能。

·低周疲勞試驗機：測試材料在較高應力（通常進入塑性區(qū)）、低頻（循環(huán)次數(shù) < 10^5）下的疲勞性能，需要精確的應變控制。

選擇哪種疲勞試驗機，取決于測試目的、試件類型、載荷大小、頻率要求和控制精度等因素。現(xiàn)代疲勞試驗機往往是多種技術(shù)的融合，例如電液伺服驅(qū)動的軸向試驗機，可以實現(xiàn)力、位移、應變等多種控制模式。