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小型平板弯曲疲劳试验机的研制 摘要 许多材料或构件在实际应用中受到动载荷作用，与受到静载荷作用时 不同，这些材料或构件往往会在事先并未出现显著变形的情况下突然发生 疲劳破坏，对机器的运行安全产生重大影响。研究材料的疲劳性能有助于 预测其疲劳寿命。疲劳试验则是获得大量材料疲劳性能数据的有效手段。 疲劳试验机是材料疲劳性能研究中必不可少的设备。本文叙述了疲劳 试验机的种类和发展现状，针对特定试验需要和目前高校中疲劳试验设备 较少、不利于开展学生疲劳实验教学的情况，研制一台低成本、易操作的 小型平板弯曲疲劳试验机。该试验机包括机械系统和测控系统。试验机采 用机械曲柄偏心式的激振方式给试件加载，调节曲柄长度可改变载荷值； 为试验机设计了两套夹具，可以进行三点弯曲疲劳试验和悬臂弯曲疲劳试 验。利用电磁调速电动机来提供动力，并通过控制器调节调速电机的输出 转速来控制激振频率。同时设计了交变载荷循环计数系统和载荷测试系统。 在完成试验机系统设计后，应用有限元分析软件a n s y s 对机架进行动 力学模态分析，确定了试验装置的振动特性，为疲劳试验机的进一步改进 设计提供理论依据。 利用声发射检测技术，可以检测材料疲劳裂纹发展过程的实时、连续 的信息。故在疲劳试验机中，可以附加装配声发射信号检测系统来监测试 件疲劳的全过程。 通过评价试验，证明该试验机运行稳定，各系统正常工作，载荷值与 循环次数能实时显示，声发射检测系统检测到丰富的试件疲劳裂纹声发射 信号整套疲劳试验设备的研制达到预期目标。 关键词：疲劳试验机板试件电磁调速电动机模态分析声发射 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to fs m a l l b e n d i n gf a r i g u et e s t i n gm a c h i n ef o rp l a t e a b s t r a c t i nm a n ya p p l i c a t i o n s ，m a t e r i a l sa n dc o m p o n e n tw e r es u b j e c t e dt o v i b r a t i n go ro s c i l l a t i n gf o r c e s t h eb e h a v i o ro fm a t e r i a l su n d e rs u c hl o a d c o n d i t i o n sd i f f e r sf r o mt h eb e h a v i o ru n d e ras t a t i ci o a d t h em a t e r i a lo r c o m p o n e n tw o u l db ec a u s e df a t i g u ed a m a g eu n d e rv a r i a b l el o a da n dt h e d a m a g ew a su n e x p e c t e dc o n s t a n t l y w i t h o u ta n yp r e m o n i t i o ns u c ha s s i g n i f i c a n td e f o r m a t i o n t h e r e f o r ei th a sam a j o ri m p a c tt ot h eo p e r a t i o n s a f e t yo fm a c h i n e r y r e s e a r c h i n gt h em a t e r i a l sf a t i g u ep r o p e r t i e sb y f a t i g u et e s t i n gc o u l dh e l pt op r e d i c tt h em a t e r i a l sf a t i g u el i f e m u c hb e t t e r d a t at op r e d i c tt h ei n - s e r v i c el i f eo fm a t e r i a l sw o u l db eg i v e nb yf a t i g u e t e s t i n g t h et e s t i n gm a c h i n ew a st h em o s tp o p u l a re q u i p m e n ti nt e s t i n gt h e f a t i g u ec a p a b i l i t yo fm a t e r i a l t h et y p e sa n dd e v e l o p m e n to ff a t i g u et e s t i n g m a c h i n ew a sd e s c r i b e di n t h i sp a p e lo nc o n s i d e r a t i o no ft h ea c t u a l c o n d i t i o n sa n dt h es i t u a t i o nt h a tc o l l e g e sh a v el e s sf a t i g u et e s te q u i p m e n t , w h i c hd on o tf a v o rs t u d e n t su n d e r s t a n d i n gm a t e r i a lf a t i g u ep r o p e r t i e s , a l o w - c o s t , e a s y - t o - u s es m a l lb e n d i n gf a t i g u et e s t i n gm a c h i n ew a sd e v e l o p e d t h i sm a c h i n ei n c l u d e sm e c h a n i c a ls y s t e m sa n dm o n i t o r i n gs y s t e m s t h e l o a d i n gs y s t e mo ft h i sm a c h i n ew a sc r a n k - s l i d e i m e c h a n i s m t h el e n g t ho f c r a n kw a sa d j u s t a b l ea n dt h el o a dw o u l db ed i f f e r e n tw h e nt h el e n g t h c h a n g e d t w oc l a m p sw e r ed e s i g n e df o rt h i st e s t i n gm a c h i n ew h i c hp r o v i d e t h ef u n c t i o no ft h r e e - p o i n tb e n d i n gf a t i g u et e s t sa n dc a n t i l e v e rb e n d i n g f a t i g u e t e s t s t h e d r i v i n g f o r c e o ft h i sm a c h i n ew a sp r o v i d e d b y e l e c t r o m a g n e t i ca d j u s t a b l es p e e d m o t o r i no r d e rt oc o n t r o lt h et e s t f r e q u e n c y , t h eo u t p u ts p e e do fm o t o r w a su n d e rc o n t r o lw i t hac o n t r o l l e r i i t h ec y c l ec o u n t i n gs y s t e ma n dl o a dt e s t i n gs y s t e mw e r ea l s od e s i g n e d i no r d e rt oi m p r o v eo nt h e t e s t i n gm a c h i n e , t h ed y n a m i c a lm o d e a n a l y s i so ns h e l fo ft e s t i n gm a c h i n ew a sm a d ei n t h i sd i s s e r t a t i o nt o a s c e r t a i n t h ev i b r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em a c h i n eb yu s i n gf i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ea n s y s t h ec o n t i n u o u sa n dr e a l - t i m ei n f o r m a t i o no fm a t e r i a l sf a t i g u ec r a c k p r o p a g a t i o np r o c e s sc o u l db ed e t e c t e db ya c o u s t i ce m i s s i o nt e s tt e c h n o l o g y t h e r e f o r e ，t h ep r o c e s so ft h es p e c i m e n sf a t i g u ec a nb em o n i t o r i n gb y a c o u s t i ce m i s s i o ns y s t e mi nf a t i g u et e s t i n g d u r i n gt h ep e r i o do fe v a l u a t i o nt e s t ，t h et e s tm a c h i n er a ns t a b i l i t y t h e v a l u eo fl o a da n dt h en u m b e ro f c y c l e sw e r ed i s p l a y e dr e a l - t i m e al o to fa e s i g n a lo fs p e c i m e n sf a t i g u ec r a c kw a sd e t e c t e db yt h ea c o u s t i ce m i s s i o n t e s t i n gs y s t e m t h er e s e a r c h a n dd e v e l o p m e n tg o a lo ft h i sf a t i g u et e s t e q u i p m e n t w a sa c h i e v e d k e yw o r d s ：f a t i g u et e s t i n g m a c h i n e ；p l a t es p e c i m e n ；e l e c t r o m a g n e t i c a d j u s t a b l es p e e dm o t o r ；m o d ea n a l y s i s ；a c o u s t i ce m i s s i o n 1 1 1 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 秘茁 学位论文使用授权说明 年月矽日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 幺口时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者张t 徘甜师签 0 7 年石月7 7 日 寸茎平般誊曲疲劳试验机的研d 第一章绪论 1 1 引言 疲劳失效现象的研究始于1 9 世纪初叶，产业革命以后，随着蒸汽机车和机动运载 工具的发展，以及机械设备的广泛应用，运动部件的破坏经常发生。破坏往往发生在零 部件的截面尺寸突变处，破坏的名义应力不高，低于材料的抗拉强度和屈服点。破坏的 原因一时使工程师们摸不着头脑。1 8 2 9 年，法国人a 晒e r t h a ( 艾伯特) 用矿山卷扬机 焊链条进行疲劳实验，以阐明疲劳破坏的原因。1 8 3 9 年法国工程师，b ，拼胁j = v 在巴黎 大学讲课时首先使用“疲劳”这一术语，来描述材料在循环载荷作用下承载能力逐渐耗 尽以致最后突然断裂的现象。1 8 5 0 1 8 6 0 年德国工程师w 6 h l e r 针对当时火车轴在重复 应力的作用下，多次发生台肩处断裂事故，首先开展了疲劳的试验研究 1 1 0 2 0 世纪5 0 年代初期，英国的德哈维兰飞机制造公司设计制造的彗星号民用喷气式 飞机，经过一年的使用，1 9 5 3 年5 月2 日一架彗星号客机从印度加尔各答机场起飞后不 久在半空中解体；1 9 5 4 年1 月l o 臼有一架彗星号客机在地中海上空爆炸；随后又有三 架客机在同一年中失事。为了找出原因，英国皇家航空研究所的工程师们进行了大量的 研究工作，最终查明最大的安全问题是金属材料的疲劳。类似灾难性事故的出现使疲劳 研究有了较大的发展。在其他许多方面也存在材料疲劳的问题，例如机械制造、化工生 产、建筑工程等许多方面都面临材料结构疲劳的影响1 1 1 1 2 1 面对由于材料与结构的疲劳 与断裂所带来的种种问题及影响，疲劳研究的现实意义也就尤为突出了 1 2 疲劳问题概述 疲劳是指在某点或某些点承受交变应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹 或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程。材料或构件疲劳具有 以下特点”： 1 ) 只有在承受交变载荷作用的前提下，疲劳才会发生。所谓交变载荷，是指随时 问变化的力、应力、应变、位移等，载荷随时间变化可以是规则的。也可以是随机的 2 ) 疲劳裂纹起源于高应力或高应变的局部。疲劳破坏则由应力或应变较高的局部 开始，形成损伤并逐渐积累，导致破坏发生。零件应力集中处，常常是疲劳破坏的起源 3 ) 疲劳破坏是在足够多次的交交载荷作用之后，形成裂纹或完全断裂。 4 ) 疲劳是一个发展过程。 小型平板奢曲疲劳试齄柳，的句h m 由于交变载荷的作用，构件一开始使用，就进入疲劳的发展过程。裂纹萌生和发展， 是这一发展过程中不断形成的损伤积累的结果。最后的断裂，标志着疲劳过程的终结。 这一发展过程所经历的时间或扰动载荷作用的次数，称为“寿命”。它不仅取决于载荷 水平，还依赖于其作用次数或时间，取决于材料抵抗疲劳破坏的能力。 为便于分析研究，常按破坏循环次数的高低将疲劳分为两类。断裂周次在1 0 5 1 0 7 或更高的疲劳现象称为高周疲劳，断裂周次低于1 0 5 的疲劳称为低周疲劳或低循环疲劳。 高周疲劳常常又叫做“弹性疲劳”或“应力疲劳”，而低周疲劳则被称为。塑性疲劳” 或“应变疲劳”。一般认为，高周疲劳研究涉及在循环载荷作用下变形与应力为比例关 系的疲劳破坏问题，低周疲劳领域则关心变形与应力之间不成比例关系的疲劳破坏问 题，即在循环载荷作用下，材料危险点的循环应力应变关系因塑性应交较大而产生明 显的迟滞回环，在这种倩况下应变幅值作为控制参数将按一定规律制约疲劳损伤的进程 i l l l 4 1 1 3 疲劳试验的必要性 大多数机器零件都是在交变载荷下工作，这些零部件主要的破坏形式是疲劳失效。 因此，约有5 0 n o 9 0 的零件损坏是和疲劳裂纹的产生和扩展分不开的l l l l 4 1 l s i 。而疲劳 破坏往往是在事先并未出现显著变形的情况下突然发生的，因此它具有很大的突然性和 破坏性对材料疲劳损伤程度的评定，不仅有助于预测构件的服役寿命，而且也有助于 确定构件的安全使用周期和检修周期，从而确保构件的安全运行。 机械工程师们通过长期的疲劳研究得出结论：不存在一种解析的方法可以有效地预 测产品的结构寿命，寿命估计只能通过对产品的疲劳试验数据分析获得；对复杂结构进 行准确的寿命估计是一件很困难的工作，真正能确定产品寿命的方法只能通过实际使 用。 产品运行试验固然是检验产品寿命的最准确最可靠的方法，但对产品的设计者来说 并不是一种满意的途径。普通的力学试验，像静拉伸、硬度和冲击试验，都不能提供有 关在重复加载下材料性能的资料，疲劳试验不仅能给疲劳设计提供有用的资料，而且还 可以通过加速( 或强化) 试验技术在较短的时间内获得数据，从而缩短产品或构件的更 新换代周期。例如，汽车行驶5 0 万公里呈现的疲劳状态，在试验室内只需l 4 个月； 重载卡车一年的跑车可以在试验室内压缩到5 个星期等旺1 。 现阶段，我国预防疲劳破坏的有效方法主要是进行运动机械部件的疲劳试验，估算 出动部件的疲劳寿命，以此确定机器及零部件的使用时效。长期以来，在疲劳试验中判 2 小型干板夸曲疲劳试疆 机的习目 断试验件是否破坏，主要是以目测宏观裂纹的出现为依据。这种粗略式的观测方法难以 保证准确地给出机件的疲劳寿命，同时也不能提供裂纹随载荷、时间等外变量变化而变 化的实时或连续信息，而且，随着材料科学的发展，复合材料的应用越来越广泛，而复 合材料很少有单一的损伤模式，即使复合材料构件由于宏观裂纹而破坏，裂纹传播也不 会像金属材料那样，以相当明确的方式扩展1 6 。为了能够清楚地了解疲劳裂纹的萌生、 扩展的全过程，必须寻找一种有效的对裂纹进行实时监测的技术手段，它要能在试验状 态下实时发现试件的起始裂纹，再结合其他一些有效检测手段对破坏模式进行识别，这 样才能对试验件的破坏过程有一个全面的了解。 材料在各种交变载荷作用下，将产生位错一滑移一微观裂纹裂纹扩展，直至最后 断裂。上述过程实际上是一种应变能的释放过程，而其中一部分应变能以应力波的形式 释放出来，于是产生了声发射t 7 1 。声发射技术作为一门新兴的动态无损检测技术，较好 地解决了传统疲劳试验中疲劳裂纹检测手段的诸多不足，它具有检测活动性缺陷和确定 性缺陷部位以及提供缺陷变化的实时、连续信息的能力。因此，在疲劳试验中，通过检 测和研究材料受载过程的声发射变化情况，就可以对材料或结构件的损伤程度进行评 价。从另一方面来说，也可以通过从疲劳试验中获取的裂纹声发射信号来研究材料的疲 劳性能。 1 4 课题的来源及研究的目的和意义 本课题来源于国家自然科学基金项目混流式水轮机转轮叶片裂纹监测的理论和方 法研究( 5 0 4 6 5 0 0 2 ) 和广西教育厅资助项目金属材料疲劳试验学生试验台的研制。 大型混流式水轮机转轮叶片在运行中经常出现大量裂纹，严重危及水电站运行安 全。对转轮叶片裂纹的产生和发展进行在线动态监测研究将是提高水电站运行安全的重 要措施。在大的背景噪声和强磁场干扰下，检测由转动的转轮叶片产生裂纹时的声发射 信号并分析其特征，实现对裂纹产生的报警、裂纹产生位置的估计、裂纹发展趋势的预 估，进而对水轮机转轮安全性进行综合评估、提出维修报警，为研制可用于水电站生产 实际的转轮裂纹监测系统奠定技术基础。水轮机转轮裂纹的检测分析与研究，一般都只 是在水轮机组停机时通过超声仪完成。研究结果表明，混流式水轮机转轮运行中出现的 裂纹可分为规律性裂纹和非规律性裂纹，规律性裂纹居多，而绝大多数的规律性裂纹是 疲劳裂纹，叶片疲劳来源于作用其上的交变载荷；非规律性裂纹则多半是由材料不良或 制造缺陷引起的。 一 声发射技术能否在水电站的生产实际中，应用于监测水轮机转轮叶片的裂纹产生， 首先需要在实验室实现金属裂纹产生实际过程的现实模拟。在实验室中使金属产生疲劳 3 小型平板夸曲疲劳试验机的研翻 裂纹，提取裂纹产生时的声发射信号并加以研究，对利用声发射技术监测水轮机转轮叶 片疲劳裂纹的研究有指导意义。本课题的目的之一就是要给实验室研究材料疲劳裂纹提 供试验设备。 另一方面，目前很多高校的实验室都没有疲劳试验设备，无法给学生开设材料疲劳 试验，影响了金属材料疲劳过程的实验教学。而一台功能齐全、通用性好的疲劳试验机， 不论是国产还是进口的，价格都相当昂贵。针对特定试验的需要和高校缺少疲劳试验设 备的现状，为节约资金，从实际出发，开发一台高效、小型、低成本的疲劳试验机具有 实际意义。 1 5 课题研究的主要内容 ( i ) 疲劳试验机的载荷传递系统，包括机架、夹具、试件和传动( 或加载) 系统； ( 2 ) 疲劳试验机的动力供应； ( 3 ) 疲劳试验机的控制系统和测试系统； ( 4 ) 结合声发射检测技术，对试验机进行评价试验。 1 6 国内外疲劳试验机的发展研究现状 1 6 1 疲劳试验机简介 疲劳试验机是开展疲劳研究必不可少的手段和工具。从最早模拟车轴的旋转弯曲疲 劳试验机到现在已有一百多年的历史。 疲劳试验机属于技术密集型的测试装置，目前它已经涉及到机械、液压、电子、材 料、测量、自动控制等许多技术领域，并且还综合了近代闭环伺服、数字显示、机电一 体化以及电子计算机等高技术，被广泛应用于新材料开发、结构设计和机械、船舶、航 空、航天、人体力学性能研究等方面。国内外许多大型试验机都具有低周疲劳试验的功 能，能进行低周疲劳试验的可以是某些静态材料试验机和动态试验机。这些静态试验机 一般采用微电子伺服技术，通过改变机器的运行参数就能自动完成所需进行的试验，并 将试验结果和试验数据自动采集、处理、显示记录和打印，极大地减轻了试验人员的劳 动强度，提高了试验效率。由于试验机具有闭环机电伺服自控系统，又因它负载范围广， 因此能完成低频的往复拉压循环实验。另一种为动态疲劳试验机，它是机械、液压、电 子系统三者组合的现代伺服机构。电液伺服疲劳试验机不仅变开环控制为闭环控制，而 且大大提高了试验精度和增加了动态试验负荷的种类。除能施加正弦波载荷外，还能施 加矩形波、三角波、锯齿波、梯形波以及可根据实际记录的结构承受的交变载荷谱对试 4 厂1 可，o 饕司仕掌位论，；小翌干板暑曲废雳试验机的句h 瞄 件施加交变随机载荷；这样，试验的结果就更加逼真于实际的工况状态，为最佳优化设 计提供了依据。当代任何一项重大的工程项目都必须经过动态力学试验，否则就不能保 证设计安全。目前，电液伺服疲劳试验机随着科技进步和被试验对象的需要，正向着全 微机化、智能化、节能化的方向发展，以期进一步提高试验机的效率，提高试验机的精 度和降低能耗1 4 1n 8 1 。 1 6 2 疲劳试验机的种类 疲劳试验机种类和型号繁多，其分类方法也很多，目前通常采用三种方法分类5 1 1 1 6 l 、按照试件承受的应力状态可分为： ( a ) 弯曲疲劳试验机； ( b ) 拉压疲劳试验机； ( c ) 扭转疲劳试验机； ( d ) 复合应力疲劳试验机。 2 ，按照动力激振原理可分为： c a ) 借助曲柄偏心机构激振的疲劳试验机； ( b ) 利用恒定载荷( 离心或杠杆砝码) 加载机构激振的疲劳试验机； ( c ) 利用压缩空气激振的疲劳试验机； ( d ) 利用电磁、电动和磁致伸缩激振的疲劳试验机： ( e ) 利用电气液压激振的疲劳试验机。 各种激振方式的主要特性见表l l 。 3 、按照载荷一时间历程的类型分类： c a ) 等幅疲劳试验机，这是最古老的也是最简单的设备，从w 6 h l e r 时期到目前都仍 在使用； ( b ) 程序疲劳试验机，首先由e - 加斯奈尔教授在1 9 3 8 年研制，当时是一种机械共 振式的疲劳试验机，由弹簧实现独立的平均应力加载； ( c ) 具有计算机控制的电液伺服疲劳试验机，这种设备从2 0 世纪7 0 年代初开始广 泛地应用在疲劳研究上，它可以实现和实际情况相似的随机加载。 i 6 3 国内外试验机的发展现状 2 0 世纪8 0 代中后期至今，试验机产业就其规模、品种、先进程度、销售量而言以美 国、德国、日本等国为领先水平。比较知名厂家有：美国的m t s 公司、奥尔森公司( o l s e n ) 和总部设在美国的英斯特朗( i n s t r o n ) 公司；德国的m f l 公司、申克( s c h e n c k ) 公司、 小型平板夸曲疲劳试验机的研i 沃尔伯特( 哟l p e r t ) 公司和茨维克( z w i c k ) 公司；日本的岛津公司、东京衡机公司、 东洋精机公司以及松泽公司等等。 表卜1 各种激振方式的主要特性” t a b l e l l t h em a i nc l l a 珊咖r 随i c s s o m el o m i n gs 竹l e s 激振方法 项目 电磁电动曲柄恒载荷压缩 磁致伸缩式偏心式加荷式空气式 电气液压式 载荷能力小 中大 小大 频率变化 高频低频中频中低频 5 5 0 0 0l l o5 一l o o 低频 o 一5 0 0 范围 次秒 次秒次，秒次，秒 振幅变化 3 肛1 0 01 5 o o n ) c 1 2 5 5 0 2 7 9 2 2 4 驱动载荷计算 。一，循环应力 在疲劳试验中，试件的应力将随时间作周期性变化，这种随时间作周期性变化的力 小型平板奢曲彝唠试验机的研口 称为循环应力，我国又常称为交变应力“5 1 。 循环应力可分为等幅循环应力和变幅循环应力。等幅循环应力是指在各次应力循环 中，最大应力和最小应力保持恒定的循环应力，工程中又称稳定循环应力，否则称交幅 循环应力。在曲柄滑块式疲劳试验机中，试件的应力为等幅循环应力，波形为正弦波， 其变化规律的一般形式可用图2 4 的曲线表示。 图2 - 4 正弦循环应力 f i g 2 - 4s i n ec y c l i cs t r e s s 循环应力的每一周期变化称为一个应力循环，周期变化的次数称为循环次数。在等 幅循环应力中常采用以下一些表示法：在应力循环中，最大代数值的应力用q 。表示， 最小代数值的应力用访表示，盯。与q 咖的代数平均值称为平均应力，用a - 表示， 即 。 仃m = 半( 2 - - 1 ， a 。与的代数差的一半称为应力幅，用表示，即 o - a - - _ 学 ( 2 2 ) 寸。相当于循环应力中的静态分量，o a 则为变动分量。于是可以得到简单的关系式 = 盯+ 仃m = 盯。一c r 4 ( 2 3 ) f o m 与a | 眦的代数比值称为循环特征，1 又称应力比，用，表示，即 r ：垒 q。 循环特征，是表征循环应力特性的重要数据。 3 ( 2 4 ) 小型平板夸曲嗣u 学试验机的研i 综上所述，仃二、盯。、盯，、o a 和，这五个量描述了循环应力的情况，知道了其 中任两个的值，就可以求出其余三个的值。 工程中，将循环特征，= 一1 的一类应力循环称为对称循环，此时吒- - - - 0 ，o o = d 雌； 将r 一l 的应力循环称为非对称循环。它们分别如图2 - 5 ( a ) 和( b ) 所示。 o ( a ) 对称循环( b ) 非对称循环 图2 - 5对称循环和非对称循环应力“1 f i g 2 - 5s y m m e t r i cc y c l i cs t r e s sa n da s y m m e t r i cc y c l i cs t r e s s 二、疲劳极限 如前所述，材料在循环应力作用下破坏的性质与静载荷作用下是不同的，因此进行 强度计算时就不能以静载下的强度指标( 屈服极限c r l 或强度极限) 作为依据，材料 在循环应力作用下的强度指标应该重新确定。试验表明，在给定的循环应力下，必须经 过一定次数的应力循环，才可能发生疲劳破坏。而且在同一循环特征下，应力循环中的 最大应力愈小，则发生疲劳破坏时经历的应力循环次数就愈多。当应力循环中的最大应 力小于某一极限值时，试件可以经受无限多次应力循环而不发生破坏。这一极限应力值 就称为疲劳极限或持久极限，用以表示。以往的疲劳试验结果表明：同一种材料在循环 特征不同时，有不同的疲劳极限，其中以对称循环的疲劳极限以。为最低。这就是说， 对称循环是各种循环特征的循环应力中最不利的一种工作情况。因此对称循环的疲劳极 限铀在疲劳强度计算中占有重要地位1 1 1 l 2 6 1 。 三、驱动载荷计算 对于矩形截面的试件，当其以三点弯曲的形式受到对称循环应力作用时，如图2 6 所示，其危险截面在试件中部a a 处。在对称循环载荷f 和一，作用下，试件最小截面 上的最大弯曲应力为掰1 埘 盯：丝( 2 5 ) 式中 产嘲件所受弯矩； 肜试件抗弯截面系数，对于高为j | l ，宽为6 的矩形截面，有 ：攀( 2 6 ) 小型平板夸曲疲劳试验机的句f 倒 根据表2 - - 3 和表2 4 ，取试件工作部分截面积为3 0 3 ，即b = 3 0 m m ，h = 3 m m ， 试件材料为4 5 钢，则试件弯曲疲劳极限为 t l r _ 1 = 2 4 5 m p a o 要使试件出现弯曲疲劳，则必有o r 口- ，所以试件的弯矩 。 肘：硎 al w ：掣：2 4 5 x 3 0 x 3 2 6 ：1 1 0 3 册 。 一 i i 试存 图2 - 6 试件受载示意图 f 螗2 - 6s p o c ，m l o a d c dc o n d i t i o n s 据表2 3 及图2 3 所示，试件工作部分长度，= 5 6 5 聃= 5 3 6 m m ，而r 2 b = 6 0 ， 所以，当试件作为简支梁时，简支梁的两个支座之间的距离l ；， 1 2 0 m m ，考虑到夹持部 分，取l = 1 4 0 r a m 。根据力的平衡原理，简支梁左端支座的支反力为 r ：一f 2 ( 2 7 ) 而危险截面弯矩 膨：r ，x l 。 2 将式( 2 7 ) 代入式( 2 8 ) ，可得 膨：三。生 2z 所以 f ：丝：! ! ! ! ：q ：3 1 5 2 n ( 2 8 ) ( 2 9 ) 即要便试件在动载荷f 作用下产生弯曲疲劳破坏，驱动杆施加给试件的力至少为 r 1 f 大尊嘎士掌位论文 小曩平板夸曲疲奠 试验机的习嗍 3 1 5 2 n 。 2 2 5 转轴最小转矩计算 一、曲柄滑块机构的运动分析 图2 7 为对心曲柄滑块机构的运动示意图，滑块c 即相当于 疲劳试验机中的驱动杆。记曲柄a b 的长为，连杆b c 的长为f 。 当曲柄绕固定点a 以角速度。旋转时，由连杆带动滑块c 在竖直 导轨内作往复运动。假设初始时刻曲柄销b 位于竖直线段a c 上， 曲柄从初始位置起转动到角度日，此时连杆b c 与a b 的锐夹角为 ，。 取a 点为坐标原点，a c 为x 轴正方向，c 在x 轴上的坐标为b x ，那么可用工表示滑块的位移。利用几何关系，可得到 x ：，c o s 口+ 打丽 ( 2 l o ) 由于口= 耐，故有 石2 历百锄丽 ( 2 1 1 ) 出 ，2s i i l o c o s o d o 5 7 8 m 6 ，一 1 2 - - r 2 s i n 2 0 ( 2 1 2 ) l z 一 于是滑块速度 v ：哪s i n s ( 1 + 11 竺! - ) f 2 一，2s i l l 2 曰7 一厶 囝2 - 7 对心曲柄 滑块机构示意图 f i g 2 - 7i n - l i n es l i d e r - c r a n km e c h a n i s m ( 2 1 3 ) 进而，可以得到滑块加速度为 舻d 西v = c o 硼c l v = - a 严r c o s 0 + 絮凳警， ( 2 _ 1 4 ) 上式比较复杂，可以用近似方法进一步求解。将位移表达式( 2 - - 1 0 ) 改写为 工：，c o s 一十l ( 1 一百r 2s i l l2 矿 ( 2 一1 5 ) 一般而言，尤其是偏心轮机构，鲁是远小于1 的数，于是利用 ( 1 + 占) 4 = 1 + 船+ ，j g l l ( 2 - - 1 6 ) 得到滑块位移的近似模型为 ， 。 工i = r c o s o + ，一二 9 1s i n2 一(2-17) 从而有相应的近似速度和近似加速度 1 6 小型平板奢曲疲劳试验机的习h 目 v l ：拿：鱼警：国( _ ，s m o 一一r 2 s 2 0 ) ：一钾( s m o + 石rs 2 8 ) q 叫 西d o 衍 、 2 l 、 刀 口l = 睾= - 国2 r ( c o s 护+ 手c o 跚) ( 2 _ 1 9 ) 当求出机构在彼此相距很近的一系列位置时的位移、速度和加速度或角位移、角速 度和角加速度后，可将所得的这些值对时间或原动件转角列成表或画成图，这些图便称 为机构运动线图。图2 8 为曲柄滑块机构及滑块c 的运动线图。图中速度的正、负表 示滑块运动方向的不同，速度为正，滑块向上运动；反之，则向下运动当加速度与速 度位于横坐标同侧时，滑块作加速运动；反之，作减速运动。由此可见，利用运动线图， 可以清楚地看出曲柄滑块机构中滑块的位移、速度、加速度的变化规律，显然，曲柄偏 心式试验机可以给试件施加对称循环的应力。 暑 图2 - 8 曲柄滑块机构及滑块c 的运动线图 f i 辱2 - 8s l i d e - c r a n km c c h i s m 孤dm o v e 蚴tl i n ed r a w i n go f s l i d e rc 通过以上分析可以看出，滑块的行程为曲柄长度的2 倍，即2 r 。由式( 2 1 9 ) 可 知，当0 = o 和1 8 0 。时，加速度的绝对值最大。而口= o 和1 8 0 。时滑块分别在行程上 端和下端的极限位置处，根据牛顿第二定律f = m a ，此时滑块( 驱动杆) 受力最大， 连杆b c 也受力最大，设此时所受力的绝对值为，k ，如图2 9 ( a ) 、( b ) 所示。当0 o 时，曲柄和滑块在非极限位景处，如图2 9 ( c ) 、( d ) 所示。 二、转轴最小转矩计算 试件的疲劳破坏往往是在其弹性变形范围内的破坏，试件受交变载荷时的振幅较 1 7 小型平板奢曲疲劳试验机的习刚 小在试验机上，驱动杆( 滑块) 的行程即为试件的振幅。在试验时为了使试件振幅可 调节，取曲柄长度，为1 0 m m ，则滑块行程为肚2 0 m m 。 b (a)(”( c ) 图2 - 9滑块在极限位置和非极限位置处时连杆的受力情况 f i g 2 9s 1 d e ri dc o n d i t i o mo f l i m i t c dp o s i t i o n 勰dn o m l i m i t e dp o s i f i o n 假设当曲柄a b 运动到与连杆b c 垂直位置时连杆的受力为f ，则有互 3 1 5 2 n ，满足驱动载荷的基本要求。当r = 1 0 m m 时， 五= 3 1 5 2 x 1 0 x 1 0 4 3 2 n m 曲柄安装在转轴上，故转轴的传递的转矩至少为3 2 n m ，才能满足试验机的要求。 2 2 6 动力供应及调速方法设计 给疲劳试验系统提供的动力形式有好几种，但大部分都是以电力为基础的。电动机 可通过凸轮、杠杆、转动夹头或其他机械结构直接作用到试件上。电力也可通过一个二 次系统，例如电液系统或电磁系统来产生动力。 普通三相异步电动机的输出转速一般较高，并且转速较为固定，而试验机在工作过 程中经常需要调速，以改变试件承受交变载荷的频率。三相异步电动机的调速方法可分 为改变理想空载转速和改变转差率两大类 2 9 1 。 ( 1 ) 改变转差率调速：包括调压调速、转子串电阻调速，电磁转差离合器调速。 ( 2 ) 改变理想空载转速调速：包括变极调速、变频调速、串极调速。 变极调速所需设备简单，但引出头较多，调速级数少，级差大，不能实现无级调速， 故不能用此方案；由于疲劳试验机需要在恒转矩或者恒功率下运行，所以不仅不能降低 8 小型平板奢曲疲劳试验机的研翻 电源电压，还要想方设法避免电源电压的下降，因此试验机也不适于选择调压调速；串 极调速损耗大，不经济，且调速性能差；转子串电阻调速的平滑性较差，低速时损耗大， 效率低；电磁转差离合器调速设备简单，控制方便，价格低廉，对电网、电机均无谐波 影响，从机械特性看。调速范围广，低速运行时损耗大，但在工程实践中可采用带转速 闭环的调速系统，以提高调速范围和调速的平滑性，应用场合广泛；变频调速的特点是 效率高，调速范围大，精度较高，其价格比电磁转差离合器高，变频器的维护也比较复 杂。综合考虑，本试验机采用电磁转差离合器调速的方案。带有电磁转差离合器的电动 机称为电磁调速电动机3 0 拥。 根据表l l ，曲柄偏心式疲劳试验机的频率变化范围是l 1 0 h z ，当试验机的频率 为l o h z 时，其周期为o 1 s ，即安装曲柄的转轴转速为n = 0 1 r s = 6 0 0r m i n ( 转分) 。只 要改变转速，即可调节交变载荷的频率。电磁调速电动机的转速一般可以在1 2 5 1 2 5 0 r m i n 内调节，输出转矩恒定，输出功率则随转速的变化而变化，符合机械偏心式疲劳 试验机的要求，可以直接用齿轮或联轴器将转轴与电磁转差离合器联接，省去中间的减 速装置。 由上节分析可知，转轴的转矩至少为3 2 n m 才能满足试验机的要求，而电磁调速 电动机输出的转矩是恒定的，考虑到齿轮、轴承、曲柄偏心机构的机械效率以及机器的 过载，本试验机选择输出转矩为9 7 2 n m 、标称功率为1 5 k w 的电磁调速电动机作为 动力装置埘。 2 2 7 试验机最大工作载荷计算 取曲柄偏心式疲劳试验机的最高工作频率为l o h z ，则其周期为0 1 s ，试验机的最 大角速度为 ，开 口一2 嚣= 6 2 8 3 r a d h 试验机工作时，曲柄作回转运动，滑块( 驱动杆) 作往复运动，连杆则作复杂的平 面运动。当不考虑摩擦和重力时，作用在曲柄滑块机构的力有往复惯性力、离心惯性力 和转轴通过连杆作用于其上的主动力。 往复惯性力的方向与加速度方向相反，由式( 2 1 9 ) 知其大小为 c = 埘j q = 一肌国2 ( c o s 护+ 了rc o s 2 口) ( 2 2 1 ) 式中m 一曲柄滑块机构中作往复运动的部件的质量，它包括滑块( 驱动杆) 的质量 和连杆换算在和滑块铰接中心部分的质量，k g ； 1 9 ，曹，“煳士掣啦论文小型平板奢曲疲劳试验机的删 a t 滑块加速度，“s 2 ； 口一曲柄转角，r a d ： m 曲柄角速度；r a d $ ； ，一曲柄长度，m m i 卜连杆长度，n l t l l 。 当曲柄滑块机构的曲柄很短时，常常将其设计成偏心轮机构( 偏心轮机构的设计见 第三章) 偏心轮旋转时产生离心惯性力，其方向背离曲柄中心向外，大小为 e=m，国2(2-22) 式中历，一曲柄滑块机构作旋转运动的不平衡质量，它包括偏心轮偏心质量、曲柄销的 质量和连杆换算在联接曲柄销中心部分的质量。 当曲柄转角口号0 或1 8 0 。，也就是滑块在极限位置时，滑块的加速度最大，此时 往复惯性力和离心惯性力最大。取往复运动部件的质量m ，= 4 k g ，旋转运动的不平衡质 量珊，= 1 5 k g ，曲柄长度取严1 0 咖，考虑传动性能，取连杆长度1 = 8 0 舢( 曲柄滑块机 构各零部件的设计见第三章) ，则最大往复惯性力为 c 。= 7 国三( 1 + 2 1 7 7 6 5 n - 最大离心惯性力为 e 。= m ，n ，嘣= 5 9 2 2 n 当曲柄长度远小于连杆长度时，可以近似认为滑块和连杆所受的拉力为 f = zcos(2-23) 式中只一曲柄的切向力，只= 手= 9 7 1 0 0 _ _ _ 0 0 = 9 7 0 n ； 二协= 手= i 1 ，7 c o s = o 9 9 2 ； 所以 为 f = 9 7 0 0 9 9 2 = 9 6 2 2 n 故当不考虑滑块摩擦和重力，试件振幅最大时，试验机可以给试件施加的最大载荷 f 嘣= f + 防一i + c 。= 9 6 2 2 + 1 7 7 6 5 + 5 9 2 2 = 1 1 9 9 i n 2 0 d 、| i p - - - t - , l i t 夸曲疲苈咕验机的习h h 2 2 8 电气控制系统和测试系统要求 控制系统要求操作简单，控制可靠。设置电机启动按钮、停止按钮和总开关，保证 电机安全运行。电机可实现无级调速，其转速可以通过控制转差离合器的输出转速来调 节。 试验过程中需要测量的物理量有试验机施加给试件的动载荷( 弯矩) ，转轴转速( 激 振频率) ，以及交交载荷循环次数。当给试件加载时，载荷传感器、转速传感器和接近 开关分别把载荷、转速和和载荷循环次数转化为电信号，输入到信号放大器中，放大器 输出经过信号调理放大、模数转换后，再经过比例换算等处理得到载荷值、转速值和循 环次数，并通过显示仪表实时显示出来，可以得到较高精度的数据。如果在试验过程中 需要检测试件的疲劳裂纹声发射信号，需要安装声发射检测系统。声发射传感器捕捉到 声发射信号后，前置放大器将信号放大并送入数据采集系统，最后由p c 机进行处理和 显示。 2 3 总体方案说明 电磁调速电动机输出转矩，通过齿轮传递到转轴