20KN以下中小载荷动态疲劳试验机的原理、类别以及发展趋势

视疆仪器

2022/12/16 17:18

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对于传统的材料和零部件力学性能的评估，静态测试是传统常规手段，通过一系列的标准试验如拉、压、弯、扭用来评估材料或部件的静态强度特性，如弹性模量、弯曲刚度，还包括一些额外的力学特性，如断裂伸长率、裂纹扩展特性等等。然而，人们在评估材料静态力学性能的同时，发现在某些应用场合，还需要评估材料或零部件在长期交变力学变量下的耐久性，也就是疲劳特性。这些周期性变化力学变量包括应力、应变、载荷/位移、扭转角度，多轴复合加载等等，这样就带来了动态力学测试的需求，包括基本的疲劳测试。

#电子机械方式驱动#

很自然地，人们在需要做动态测试比如疲劳试验的时候，最先求助于的莫过于手边最方便的仪器设备，因此，原本设计为做静态测试的电子万能材料试验机就先被尝试用于动态测试。但是，人们发现，通过电子机械方式（丝杠动）的电子万能试验机实现轴向动态拉压，有几个基本的问题：

01
整个动力输送链路，从旋转伺服电机到变速箱到金属丝杠再到作动横梁，累积的随机机械误差很大（毫米级误差），导致往复运动时难以做到较高的精度和高频率，一般最大频率不超过2-3 Hz，位移控制精度基本不超过0.1 mm，动态位移也很小

02
长时间高负载率工作，对电机的损耗很大，选择电机较为高端的万能材料试验机一般可以偶尔做几千Hz之内的疲劳测试，但一般不建议长期实施动态疲劳测试

另外一种比较常见的低成本动态疲劳解决方案是电动凸轮连杆机构，简易的凸轮连杆机构可以实现基本的位移控制疲劳，复杂一些的可以实现载荷控制疲劳。常见的一般为低成本的开环控制方式，也就是根据凸轮的尺寸特性匹配其特定的轴向位移范围，最大的优点是整个系统非常简单便宜。缺点较多，包括：一般只能用位移控制，难以实施载荷控制；位移和凸轮形状匹配难以调整；易磨损导致试样接触状态发生变化，难以长期有效持续测试；频率较低。因此，凸轮连杆机构的疲劳测试也未成为主流，仅仅用于某些极其简单的低要求应用场景。

#液压伺服驱动#

曾经的主流动态疲劳试验机还是采用液压伺服驱动方式，成熟可靠，优点众多，基本可以涵盖从几百牛到数千吨的不同的疲劳测试应用场景，从位移控到载荷控，在材料研究、航空航天、汽车零部件甚至于地震研究等应用领域都有广泛的应用。然而，由于其本身的驱动方式，还是带来了一些和其原理密切相关的缺点或瑕疵：

系统复杂 – 泵、过滤装置、冷却系统、管道、伺服控制阀门等等，工作压力在200-350bar）

难以达到响应高保真度性

难以维护 – 如果测试系统经常使用则需要每月定期维护，费用昂贵

环境问题 – 一些密封接头难免渗漏，难以维持洁净的工作环境

针对较小载荷（轴向载荷小于20kN）的应用场景，也有一类气动伺服控制的疲劳试验机，不存在上述液压油的污染，噪音问题较小，成本也较低。然而，因为压力递送的介质从液压系统难以压缩的液压油变成了易于压缩的压缩空气，也带有一些其原理导致的毛病，比如频率较低不超过10Hz，精度一般，压缩空气的洁净程度可能会影响气动阀门的可靠性，环境温度也会导致控制偏移，空气的易于压缩性导致其不同气缸配置只能用于较窄的工作范围等等，因此，也没有成为主流的动态疲劳试验机作动头驱动方式。

#电磁式直线电机驱动#

从2000年以来，有一种电机驱动方式被开创性地应用于试验机领域，就是动磁式直线电机。永磁体位于线圈中间，被直接驱动沿轴向运动，理论上电机的驱动部位不存在任何摩擦。这也是航母电磁弹射器以及电磁炮的原理。直线驱动的驱动力来源直接来自线圈产生的磁场对永磁动子的推动，动子通过夹具直接和测试样品接触，一般电磁作动头的加速度可达10G以上，整个驱动闭环直接、高效（考虑电传播速率对比机械或液压传导速率）、精准。对比传统的液压驱动疲劳试验机，具备以下一些开创性的优点：

性能曲线远远超过传统的液压测试，在高频率的情况下还能实现较大的动态位移

宽范围高精度加载，对于20kN以内的测试应用，载荷最低可以到毫牛级别，位移到1微米级别

正常工作下只有风扇的噪音

不需要任何液压油，通常情况下不需要冷却水（水冷或油冷电机除外）

几乎完全免维护

节能环保（和液压相比能耗数量级的差异）

环境整洁，非常适合实验室环境

电磁驱动基于直线电机的动态疲劳试验机，对于小于20kN的疲劳测试应用，应该属于跨越式的开创性创新，从性能、环境友好、维护使用成本等各方面都大幅超越传统的液压控制技术，这部分的国产创新步伐比较慢，但也于最近几年有些厂家做了尝试。上海视疆仪器基于动磁直线电机的电磁疲劳试验机，不仅填补了国内空白，还在诸多核心性能领域超越进口知名品牌，在当前国产化优先战略、解决国外技术卡脖子的大环境下，不失为很好的国产替代选择。