高频疲劳试验机设计与研究

长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 1 页前 言型微机控制高频拉压疲劳试验机是一种通用的电磁激励共振型疲劳试验机，它可以对金属材料进行 250Hz 以下的拉压疲劳试验。本机引入微机直接参与管理与控制，因而大大扩大了传统高频疲劳试验机的功能。它除了可进行常规的疲劳试验外，还可进行程控加荷试验，由于计算机的引入，从而在试验中实现了对负荷放大器的自动校准；试验过程中对交变负荷及平均负荷的自动稳幅控制；并可自动定时存储负荷值及频率、循环次数；试验结束后，可打印出数据报表。试验中，在 CRT 显示器上显示各种操作提示，使操作者感到得心应手，同时在屏幕上进行多参数的同时显示（交变负荷、平均负荷、谐振频率、循环次数、工作时间累计等），并自动控制事故停机及故障显示。本机电控系统采用先进的脉冲调宽型系统及开关型晶体管功率放大器，消除了凭经验进行调谐、移相操作的不便。因此，启动容易，操作方便，效率高，功耗低。平均负荷控制系统采用直流电机无级调速，因此传动平稳，加载、卸载迅速，控制精度极高。本机既可以做不对称疲劳试验，也可做对称疲劳试验。另外，本机可电动升降上夹头，工作台面有形槽，可以装置各种专用夹具和附件，可配备三点弯曲、四点弯曲、板材、紧凑拉伸等夹具，可对汽车连杆、齿轮和链条、螺栓、抽油管等零件或材料进行试验，并可根据需要配备包络线、裂纹扩展速率、S-N 曲线等试验部件。本机性能良好，功能完备，适用于机械、冶金、交通等部门及大专院校、科研单位使用。我们的设计题目为：30T 高频疲劳试验机的设计。设计内容包括：设计变压器绕线机及其微机控制系统一套。该系统应具有微机自动控制，数据采集，显示和通讯功能，可实现线圈绕制过程自动化。总体结构设计方案包括：绕线机总体结构设计、传动系统结构设计、微机控制系统软硬件设计。这是一次非常有意义的设计，不但是对我们以前所学知识的总结，把理论应用于实际，增加了我们的动手能力，也为我们以后进行设计工作打下坚实的基础。由于时间仓促和个人的知识水平有限，设计和论文中的错误和不足在所难免，请各位老师给予批评指正。长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 2 页装订线第 1 章 总体方案设计.本次设计的课题是：30T 高频疲劳试验机的设计。其设计的要点是要保证：结构简单、没有维护的液压源及阀门、泵或冷却系统、使用操作方便、效率高、耗能低等。1.1 工作原理主机负荷框架由横梁、立柱、底座、减振弹簧组成。由直流伺服电机、两对蜗轮副、丝杠及弓形环等组成平均负荷系统, 该系统除了施加平均负荷（拉或压）外, 同 时根据试样或构件来调整试验空间。激励电磁铁、衔铁、弓形环及砝码等组成交变负荷激励系统。试样、砝码、弓形环组成一个质量弹簧系统, 当电磁铁的激励信号频率与该系统固有频率相同时, 则产生共振, 使试样上所受的交变负荷要比在电磁铁上所施加的激励力大出好多倍。丝杆与连接板通过四根拉杆同中横梁固定在一起, 弓形环固定在中横梁的下部, 砝码托盘固定在弓形环的下部, 四级八块可拆卸的祛码安装在祛码托盘上, 用来调节试验机的工作频率。上夹具安装在砝码托的下部, 用以安装试样, 试样又与下夹头同传感器连接在一起, 传感器固定在机座上电磁铁与衔铁之间的气隙可通过激励弹簧下的调垫进行调整, 气隙为0.2-0.6mm, 工作台（底座）面上有T型槽, 可以安装各种专用夹具和附件, 用来做断裂韧性试验 (预制裂纹) 或结构件的疲劳试验。图1-1 高频疲劳试验机长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 3 页装订线1.2 课题研究的目的和意义高频疲劳试验机在各种类型的疲劳试验机中，具有结构简单、没有维护的液压源及阀门、泵或冷却系统、使用操作方便、效率高、耗能低等特点，所以它被广泛的应用在科研、航空航天、高等院校和工业生产等部门。 高频疲劳试验机被广泛用来测试各种金属材料抵抗疲劳断裂性能、测试KIG 值、S N 等曲线等等；选配不同的夹具或环境实验装置，被广泛用来测试各种材料和零部件（如板材、齿轮、曲轴、螺栓、链条、连杆、紧凑拉伸等等）的疲劳寿命，可完成对称疲劳试验、不对称疲劳试验、单向脉动疲劳试验、块谱疲劳试验、调制控制疲劳试验、高低温疲劳试验、三点弯、四点弯、扭转等种类繁多的疲劳试验。目前很多高等院校、科研部门和国际知名企业均采用高频试验机进行断裂韧性试验、测试金属材料裂纹扩展速率及材料的门坎值，随着微电子技术和计算机技术的发展，以及测试手段的完善，它的使用功能正在不断的扩大中。1.3 试验机现状及其发展趋势原瑞士Amsler公司是世界上生产高频疲劳试验机历史最为悠久的国家, 最早期生产的型号是2HFP421和10HFP422, 分别是20KN和100KN的高频疲劳试验机, 它采用光学测力系统,电子管电路的幅度控制型控制系统。七十年代相继推出10HFP1478机型和20HFP1430于机型, 将光学测力系统改为电测力系统, 电子管电路大部分被晶体管电路所取代, 但仍为幅度控制型系统,即20HFP1430型主机结构比以前有较大变化, 电磁铁采用气隙不调的方式, 激振器、砖码、弓形环和升降机构均置于试样下方, 负荷传感器置于试样上方。由于试样与传感器之间的动态力差异较大, 所以必须采用补偿修正措施才能保证精度。控制系统无变化, 仍沿用幅度控制系统 , 繁琐的移相、调谐操作。到八十年代后期 , 推出了HFP-5000系列, 九十年代初 , 并入德国的R+K Amsler公司。近来年,Roell Amster公司对推出了HFP-5100系列, 主机又作了较大的改变, 激振器、砖码、弓形环等都置于主机的上方, 试样在负荷传感器的下方, 将不调气隙的又改为用直流伺服电机来自动调整气隙, 它们都配置了计算机系统, 尤其是HFP-5100系列的高频试验机, 它还可以做非等幅正弦波等波形的疲劳试验, 其仍然处于国际领先水平据了解, HFP-5100的100KN高频试验机的价格在20万美元以上, 所以国内用户很难接受。Instron是国际上生产高频疲劳试验机的另一主要厂家, 七十年代末推出1603型高频试验机, 其主机结构和电控系统在当时均独树一帜。 色将传感器、珐码、主振弹簧、激振器、升降加荷机构均置于试样下方, 试样上端通过机架长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 4 页装订线及四片饭簧与机座相连, 试样下端联接传感器, 主振动质量通过另外四片板簧连于机座。气隙用一套伺服系统自动调节, 1603型的控制系统采用了新型的脉冲调宽型控制系统, 消除了繁琐的操作 , 使起振变得十分容易 , 且不致在试样刚度发生变化时造成停振。但由于试样与传感器间的连接件质量较大,造成试样与传感器之间动态力误差高达10以上。为克服这个缺点, 到了八十年代, 在测量系统中附加了一套补偿装置。另外一个缺点是其功率管经常被烧坏, 给用户的使用带来了一定的困难。八十年代后期, 为扩大功能, 在该机增配了HP95B通用微型计算机, 除了可以进行常规疲劳试验外, 还可进行程控疲劳试验和裂纹扩展试验国外生产高频疲劳试验机的国家还有日木、原苏联, 但无论是机种、规模、技术均不足与Amsler 、Instron公司相抗衡。西欧也有一些小公司曾生产过高频疲劳试验机, 但均未能推出主流品种国内批量生产高频疲劳试验机的有两家:月水红山试验机厂和长春试验机研究所。红山厂八十年代以前一直引进Amsler 2HFP421和10HFP422型机, 七十年末引进20HFP143。并于八十年代进行投产。近年来, 尚未看到有关新型高频疲劳试验机的报导。长春试验机研究所六十年代初即开始研制高频疲劳试验机, 七十年代初已生产出类似于Amsler10HFP1478 的产品, 并于八十年代初投入小批量生产 , 又于1987年研制成功采用脉冲调宽枝术和开关型晶体管功率放大器的PLC-100A型高频疲劳试验机, 鉴定认为 “ 其主要技术指标和性能达到八十年代水平 , 特别在动态力误差, 实现真正脉动循环及整机能量消耗方面均超过国际现有同类产品水平 。于 1989年获部科技进步三等奖并被机电部指定为替代进口产品。1989年又研制成功采用直流伺服系统的PLC-100B型、PLC-300B型100KN和300KN高频劳试验机, 性能进一步提高 , 至此, 已为研制智能化高频疲劳试验机打下了坚实的基础。之后PLC-100B型、PLC-300B型投入了小批生产, 并将其技术应用改造国内外生产的各类高频试验机上。1988年该所开始研制新型智能化高频疲劳试验机, 并于1991年通过机电部基金会对PLC-100C型智能化高频疲劳试验机的鉴定。鉴定委员会认为“ 该试验机采用计算机技术和PWM技术, 对试验机进行参数预置, 自动控制、测量、试验过程管理、数据处理和CRT显示, 实现了机电一体化, 大幅度地提高了交变负荷、平均负荷的控制精度和智能化程度 , PLC-C型智能化高频拉压疲劳试验机的技术指标和性能在国内领先,并达到了当代国外同类产品先进水平” 。该机在PLC-100B型的基础上采用了STD总线的控微机, 它取代了原有模拟控制系统中的大部功能, 自动化程度高, 具有多种试验功能。除了可进行常规疲长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 5 页装订线劳试验外, 还可进行程控加载试验（255段）和裂纹扩展试验。其主要优点为：1.采用脉宽调制型控制系统, 操作方便, 起振容易、不易停振；2.可直读裂纹长度, 无需特殊校验； 3.功能齐全, 扩充较容易；4.微机与模拟控制紧密配合, 形成一个统一的控制系统, 一体化程度高；5.动载不需补偿。主要缺点是；裂纹扩展试验时, 试样上需贴片, 且不能连续测量裂纹长度。1.4 电气控制系统原理简介负荷测量放大器将来自负荷传感器的微弱生分信号加以放大、标定, 将对应于平均负荷的电压和对应于交变负荷峰值的电压分离并输出。同时还输出一个与交变负荷同频率同相位的正弦电压作为同步信号, 以控制斜波发生器的频率、相同动负荷峰值电压与给定值进行比较, 误差信号经伺服放大器放大后, 与斜波电压一起进人脉宽调制器, 其输出为与交变负荷同频率而其脉冲宽度与误差电压成正比的脉冲电压。脉冲的下降边应于交变负荷波形的上升边过零点处, 这一脉冲受起停控制电路的控制而决定是否进入晶体管偏开关功率放大器。晶体管开关功率放大器受调宽脉冲的控制, 由电平转移、晶体管及保护电路所组成, 最大峰值输出功率可达1.5KV以上,电磁铁的激磁绕组为其负载, 在大功率晶体管开关的控制下, 交替由直流电源充电和放电, 在绕组中形成等腰三角形的脉冲电流。电流波形的峰值点对应于调宽脉冲的后沿。循环计数器对交变负荷的循环次数进行计数, 其计数容量最大可达99999910, 可预置循环次数, 以控制试验的停止。极限保护部分可对交变负荷峰值、平均负荷、二者之和、二者之差及频率设置上、下限值。由测力放大器得到的平均负荷电压与给定值比较, 然后检测误差电压的极性, 通过直流伺服系统（外购）控制直流伺服电机的转向, 直到误差电压趋近于零为止, 从而实现了平均负荷的自动控制。PLC系列电控系统采用直流伺服调速系统和PWM脉冲调宽技术, 为计算机控制高频疲劳试验机奠定了基础。1.5 主要技术参数1.最大动态试验力 50KN2.最大静态试验力：100KN3.最大夹持工件长度 400MM4.频率范围：80-250HZ5.(动载荷)采用电磁谐振加载,静载荷采用直流伺服电机加载6.采用双立柱梯形丝杠传动蜗轮蜗杆减速机构长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 6 页装订线第 2 章 机械系统部分2.1 主机的设计2.1.1 电机的选择（1） 选择电动机的型号。初选转速 n=1500r/min。又给出的技术参数可知:F =300KN 有采用的是双总立柱 则 F=50KN，V= 10ni60总 =31.25mm/s又因为 P=FV=1.56KW根据以上计算 查标准手册可以选电动机型号： 系列型号。24158Z长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 7 页装订线表 2-1 Z 系列直流电机性能数据2则 额定功率 P=3KW，额定电压 U=220 V 。额定转速 n=1500r/min。Z系列是我国目前应用较普遍的小型直流电动机 2（2） 惯量匹配的验算为了使机械系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量 J 与伺服电d动机的转动惯量之比一般应满足下面公式，即0.25 1Jmd故满足惯量匹配要求2.1.2 带传动设计带传动是一种挠性传动。带传动的基本组成零件为带轮（主动带轮和从动长 春 大 学 毕业设计（论文）纸共 23 页 第 8 页装订线带轮）和传动带。当主动带轮转动时，利用带轮和传动带间的摩擦或啮合作用，将运动和动力通过传动带传递给从动带轮。带传动具有结构简单、传动平稳、价格低廉和缓冲吸震等特点，在近代机械中应用广泛。带传动的类型：按工作原理的不同，带传动可分为摩擦型带传动和啮合型带传动。在摩擦型带传动中，根据带传动的截面形状的不同，又可以分为平带传动、圆带传动、V 带传动和多楔带传动。啮合带传动一般也称为同步带传动。它通过传到带内表面上的等距分布的横向齿和带轮上的相应齿槽的啮合来传递运动。与摩擦型带传动相比较，同步带传动的带轮和传动带之间没有相对的滑动，能保证严格的传动比。但同步带传动对中心距及其稳定性要求较高。初拟传动比 i2。(1)计算设计功率：根据机械特性查询选择工况系数 KA，根据公式计算 PdP -传递功率；K -载荷修正系数；A