疲劳试验机的发展研究
孙东+接勐+胡大鹏
摘要：本文概述了国内外高频试验机的发展概况，介绍疲劳试验机的分类，分析高频试验机的结构和原理。分析高频疲劳试验机的结构原理，疲劳试验机随着现代科技的进步，测试性能和原理有更快的发展，满足现代工程技术对零件和材料的疲劳测试手段的要求。
关键词：疲劳试验机；高频；发展概况
在实际工作生产中许多构件和零件都是在交变应力作用下产生破坏，如齿轮的啮合破坏、曲轴的断裂、连杆的断裂、弹簧的失效、叶片的断裂以及比较大型的桥梁疲劳断裂事故等，对这些大型的事故原因进行研究后发现，虽然使用的强度未超过其屈服强度，但因为不断受交变应力作用，形成疲劳破坏失效。据不完全统计，在所用失效形式中，疲劳失效占整个零件失效约八成左右。对人们的生产生活造成极大的人身伤害和财产损失。因此，对于疲劳的研究引起科研人员的重视。经过科学的实践研究证明，实际生产中的零部件结构寿命不能通过理论的方法对它进行预测与计算。所以，进行零部件、材料构件的疲劳试验，测试其抗疲劳断裂性能、计算其疲劳寿命是国内外预防疲劳破坏的主要方法。
1疲劳试验机的分类
按照试样承受的应力状态分类：
（1）旋转弯曲疲劳试验机（纯弯曲和悬臂弯曲）；
（2）交变拉压疲劳试验机；
（3）交变扭转变形疲劳试验机；
（4）复合多种变形应力疲劳试验机。
按照提供动力的原理，即激振的原理，将疲劳试验机分为如下几种形式
（1）曲柄偏心机构为驱动装置，提供动力激振的疲劳试验机；
（2）利用恒定力（离心力或扛扦珐码）加荷机构为驱动装置，提供激振的疲劳试验机；
（3）利用压缩空气，运用压缩的空气为驱动力激振的疲劳试验机；
（4）利用电磁、电动和磁致伸缩为驱动提供激振动力的疲劳试验机；
（5）利用电气液压为驱动装置，為激振提供动力的疲劳试验机。
通过疲劳试验，求得测试件的S-N曲线，试验时间漫长。特别是当试验机单位时间内的交变应力往复次数（即频率）较低时，试验周期更长。为了提高试验效率，高频试验机不断被各国科研人员研制成功。2高频疲劳试验机研究国内外现状
疲劳试验机按频率分为低频疲劳试验机、中频疲劳试验机、高频疲劳试验机、超高频疲劳试验机。低频低于30Hz的称为低频疲劳试验机，30-100Hz的称为中频疲劳试验机，100-300Hz的称为高频疲劳试验机。300Hz以上的称为超高频疲劳试验机。机械与液压式一般为低频，机电驱动为中频和低频，电磁谐振式为高频，气动式和声学式为超高频。
国外对高频疲劳试验机的研究开发相比国内早很多，瑞士Amsler和英国Instron公司对高频疲劳试验机的研发比中国相对较早。而中国国内对于高频疲劳试验机的研究相对滞后，主要的研究厂家为长春试验机研究所和红山试验机厂两家。在上世纪50年代末期，参考瑞士Amsler公司的10HFP422为主要的研究对象，对其进行学习、分析、研究，1968年末国内参照英国Instron公司的许多产品，特别是英国公司的1603型机器，这种机型的技术对国内的高频试验机的制造有着重大的影响，该机型主机结构方面和电控单元在70年代时引领高频疲劳试验机的发展，所以国内高频疲劳试验机在发展过程中又借鉴了许多Instron的新技术和Amslerd的机械单元和电控单元产品。
从疲劳试验机的控制单元系统来看，国内设计、制造的疲劳试验机主要分为两大类：第一类以线性扫频幅度为控制单元系统（AMSLER公司主要机型多采用此种系统），第二类为PWM脉冲调宽型控制系统（INSTRON公司主要机型多采用此种结构）。
归纳总结我国目前研制的疲劳试验机，国内对于疲劳试验机的控制系统主要借鉴国外技术。控制单元系统主要有：一是将线性扫频幅度技术应用到控制系统，这种控制技术原理主要是载荷传感器的反馈与移相扫频相结合的原理来控制起振相位，这种技术主要是借鉴于瑞
AMSLER公司的10HFP422型号的高频疲劳试验机的控制单元系统；二是将PWM脉冲调宽技术应用到控制单元系统中，这种技术主要是借鉴于英国Instmn公司高频疲劳试验机产品，经国内研发改进并应用。
3简述高频疲劳试验机原理
根据疲劳试验机的驱动方式和驱动单元的不同，可分为：电磁驱动型、电液伺服型、气压驱动型、杠杆、离心机构驱动型、曲柄机构驱动型等多种形式的疲劳试验机。
其中，以电磁力为驱动单元的高频疲劳试验机的工作原理是利用系统的共振现象来工作的。电磁驱动疲劳试验机的机械结构是由机架、电磁振动器、振动弹簧、载荷传感器、试件和配重质量块组成整机的振动系统。动力单元中有由电磁振动器提供振动动力源来提供激励，形成振动源。若电磁振动器输出的激振力的频率相位值与整机系统的固有频率相同，则整个振动系统产生共振，则配重质量物体在整机上产生共振现象，输出的惯性力往复作用于被测试试件上，以此完成疲劳测试。
电液伺服型疲劳试验机是以恒压伺服液压泵站作为动力源来对试件进行加载。气压驱动型疲劳试验机是以恒压伺服气压泵站作为动力源来对试件进行加载。杠杆、离心机构驱动型和曲柄机构驱动型疲劳试验机依靠机械结构的直线行程来构成机器的动力源。
4结语
疲劳试验机是进行零件抗疲劳试验的重要工具，在研究国内外疲劳试验机发展状况，高频试验机应时代的要求，不断研制更新。借鉴Ansker公司和Instmn疲劳试验机的机械单元和控制单位，国内的科研人员不断创新研制出一系列疲劳试验机（例如：长春机械研究院的GPS系列电磁谐振式高频疲劳试验机）。疲劳试验机的设计、研发涉及到多学科、多领域（机械设计、材料科学、电子科学、自动化控制等）并充分运用计算机的先进性，实现数字化、机电—体化、数字显示等多领域技术。
