疲勞試驗(yàn)機(jī)的分類和工作原理

疲勞試驗(yàn)機(jī)是用于評估材料或結(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)動原理和應(yīng)用場景的不同，疲勞試驗(yàn)機(jī)可分為以下幾類：

一、疲勞試驗(yàn)機(jī)的分類

1. 按驅(qū)動方式分類

• 機(jī)械式疲勞試驗(yàn)機(jī)

• 原理：通過機(jī)械傳動（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)簡單、成本低，但頻率較低（通常<10 Hz），適用于低頻疲勞測試。

• 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)控制作動器施加動態(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)合材料的高載荷測試。

• 電磁式（電動式）疲勞試驗(yàn)機(jī)

• 原理：通過電磁力或直線電機(jī)驅(qū)動作動器，直接生成動態(tài)載荷。

• 特點(diǎn)：高頻（可達(dá)1000 Hz以上）、響應(yīng)快、噪音低，但載荷范圍較小（一般<50 kN）。

• 典型應(yīng)用：高頻疲勞測試（如微電子元件、小型精密零件）。

2. 按加載形式分類

• 軸向疲勞試驗(yàn)機(jī)

• 對試樣施加拉伸-壓縮或拉-拉循環(huán)載荷，模擬軸向受力場景。

• 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，通過往復(fù)運(yùn)動施加彎曲載荷。

• 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試。

• 高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)

• 采用電磁或壓電驅(qū)動，專為超高頻（kHz級別）疲勞測試設(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：通過驅(qū)動系統(tǒng)（機(jī)械、液壓或電磁）對試樣施加周期性載荷（正弦波、三角波或自定義波形）。

2. 信號控制：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)自動停機(jī)。

2. 核心系統(tǒng)組成

• 加載系統(tǒng)：作動器、夾具、傳動機(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：通過傳感器反饋實(shí)時(shí)調(diào)整載荷，保證動態(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)動機(jī)葉片的高頻疲勞測試。

• 汽車工業(yè)：底盤、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定。

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

四、總結(jié)

疲勞試驗(yàn)機(jī)的選擇需根據(jù)測試需求（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)。
  未來趨勢是向高頻化、智能化、多物理場耦合方向發(fā)展，以更精準(zhǔn)地預(yù)測材料壽命。