畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-簡易疲勞試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)

1、簡易疲勞試驗(yàn)機(jī)的設(shè)計(jì)DESIGN OF SIMPLE FATIGUE TESTING MACHINE 緒論1.1 引言對于疲勞試驗(yàn)的研究，在很長一段時(shí)間內(nèi)都是國內(nèi)國際研究的重要內(nèi)容。早在1830年左右，一名德國科學(xué)家就針對有關(guān)鐵鏈重復(fù)載荷的試驗(yàn)，發(fā)表了關(guān)于金屬疲勞問題的報(bào)告。多年以來，各國研究者、科學(xué)家都對疲勞問題做出了自己的貢獻(xiàn)，金屬疲勞的許多困難也被逐漸克服。不過不管從前還是現(xiàn)在，因?yàn)槠趩栴}而產(chǎn)生的事故仍然時(shí)有發(fā)生。比如，2011年的4月，一架屬于美國西南航空公司的波音737飛機(jī)在機(jī)身上出現(xiàn)了一個(gè)長度為1.8米的破洞。雖然這一事故并沒有導(dǎo)致人員死亡和太大的經(jīng)濟(jì)損失，但是在世界各地都存在類

2、似的問題。這些問題意味著警告，警告我們對于金屬疲勞問題的研究要堅(jiān)持不懈，要從現(xiàn)在做起。金屬疲勞的問題，從某種意義上來說，也可以把它當(dāng)作是人類的疲勞問題。換句話說，當(dāng)我們?nèi)祟惤?jīng)歷了劇烈運(yùn)動或者處于焦慮、充滿壓力的環(huán)境下，我們將會感到疲憊。而金屬也是一樣，當(dāng)金屬材料到達(dá)了它的極限，由于金屬內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不均勻性，有些地方會出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，材料表面裂隙因而產(chǎn)生，并進(jìn)一步延伸，最終造成所用材料的損傷。疲勞試驗(yàn)機(jī)主要功能是檢測材料疲勞、探測材料的疲勞壽命。對于各種金屬材料、合金材料以及相關(guān)的機(jī)械構(gòu)件，疲勞試驗(yàn)機(jī)能夠?qū)λ鼈冞M(jìn)行多種測試，包括拉伸、壓縮、彎曲等疲勞試驗(yàn)。通過對于材料裂紋的檢測，疲勞試驗(yàn)機(jī)可以檢

3、測得出所測材料的基本性能、疲勞特性及其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)論。在如今的材料檢測領(lǐng)域上，疲勞試驗(yàn)機(jī)有著非常重要的決定性影響。1.2 課題的背景和研究意義1.2.1 課題背景對于現(xiàn)如今的各種機(jī)器設(shè)備、檢測材料，通常情況下它們所承受的載荷一般是交變載荷。根據(jù)有關(guān)研究記錄發(fā)現(xiàn)，因?yàn)槠趽p傷而導(dǎo)致的破壞占了汽車配件破壞中百分之八十五左右；而因?yàn)槠跀嗔讯鴮?dǎo)致的飛機(jī)等航空零件的破壞占了百分之七十左右17。由此可見，疲勞問題在我們的生產(chǎn)實(shí)踐中是較為常見的。疲勞試驗(yàn)機(jī)的發(fā)明與改進(jìn)，對于預(yù)測金屬疲勞失效起到了非常重要的作用。高負(fù)荷、高頻率、低消耗等都是試驗(yàn)機(jī)所具有的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使研究者在做試驗(yàn)時(shí)能更好地縮短試驗(yàn)時(shí)間

4、，降低試驗(yàn)費(fèi)用。它能夠測定出金屬的極限峰值，保證了對于金屬的安全使用，同時(shí)也能準(zhǔn)確地知道金屬的屬性、特性，這樣能夠更好地防止意外事故的產(chǎn)生。1.2.2 研究意義最近的幾十年，機(jī)械儀器、工程設(shè)備等機(jī)器的主要發(fā)展前景是高速多樣化、智能化、萬能化等，這必然導(dǎo)致機(jī)器需要必要的壽命檢測5。這種趨勢也促使了試驗(yàn)機(jī)技術(shù)的前進(jìn)。而對于材料疲勞性能的檢測是科學(xué)家在科學(xué)研究中想要了解的重點(diǎn)內(nèi)容。但在許多情況下，對于所測材料的性能研究并沒有有效的理論方法，所以只好以試驗(yàn)的形式對材料加以校核檢驗(yàn)，并最終找出所測材料的一般疲勞規(guī)律。而上述所說的這些試驗(yàn)所用的設(shè)備自然就是疲勞試驗(yàn)機(jī)。1.3 國內(nèi)外疲勞試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展概況當(dāng)今

5、世界，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)、機(jī)器工業(yè)、儀器儀表工業(yè)、國防工業(yè)等產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，要求機(jī)器零件及結(jié)構(gòu)能夠更加安全、可靠，要求器件的材料能夠有著更好的力學(xué)性能。在航空工業(yè)的發(fā)展中，這種要求尤為突出。所有機(jī)器和構(gòu)件在使用中的破壞，大部分是由于機(jī)器的零件在承受動載荷后產(chǎn)生疲勞裂紋引起的。因而疲勞試驗(yàn)在材料試驗(yàn)中日趨重要。疲勞試驗(yàn)機(jī)是測定材料疲勞強(qiáng)度最重要的試驗(yàn)設(shè)備之一，故近年來國內(nèi)外對于疲勞試驗(yàn)機(jī)的研究，發(fā)展得異常迅速。并且隨著液壓技術(shù)、電子技術(shù)等技術(shù)的快速發(fā)展，和對于大規(guī)模集成電路的深入研究，試驗(yàn)機(jī)在結(jié)構(gòu)和性能方面都得到了很大的改進(jìn)和提高。隨著各種新型材料的發(fā)展和加工技術(shù)的提高，更是為疲勞試驗(yàn)機(jī)的研制奠定

6、了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)?，F(xiàn)代試驗(yàn)機(jī)產(chǎn)品的發(fā)展趨勢也正朝著智能化、低頻高應(yīng)力化、萬能化、自動化和專用化等特點(diǎn)發(fā)展5。就拿高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)為例，現(xiàn)如今的許多國家比如日本、德國，試驗(yàn)機(jī)的類型主要是共振型的疲勞試驗(yàn)機(jī)，并且是靠電磁激勵的。隨著電液伺服技術(shù)的進(jìn)一步研究和發(fā)展，電液伺服諧振式的試驗(yàn)機(jī)將引領(lǐng)高頻疲勞試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展3?？傮w來說，隨著各種科學(xué)技術(shù)以及先進(jìn)加工方法的產(chǎn)生及發(fā)展，對于疲勞試驗(yàn)機(jī)的研究將邁向嶄新的未來。1.4 課題研究的主要問題本課題設(shè)計(jì)一款簡易的彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，主要能夠?qū)崿F(xiàn)對試件的三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)。本設(shè)計(jì)中需要解決的主要問題如下： 1 疲勞試驗(yàn)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要設(shè)計(jì)了疲勞試驗(yàn)機(jī)的加載機(jī)構(gòu)部分及

7、驅(qū)動機(jī)構(gòu)部分，包括對曲柄偏心輪機(jī)構(gòu)、機(jī)架、夾具和傳動機(jī)構(gòu)等的設(shè)計(jì)； 2 疲勞試驗(yàn)機(jī)的動力供應(yīng)設(shè)計(jì)；3 疲勞試驗(yàn)機(jī)的電氣測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括電氣控制設(shè)計(jì)、檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及相應(yīng)的控制電路和程序設(shè)計(jì)。2 疲勞試驗(yàn)機(jī)的總體方案設(shè)計(jì)2.1 機(jī)械部分總體方案設(shè)計(jì)2.1.1 激振方法的選擇與設(shè)計(jì)激振方法是根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康募捌鋮?shù)而選取的，各種類型的激振方法的主要介紹見表2-1。表2-1 各類激振方法的介紹 類型激振方法電磁電動磁致伸縮式曲柄偏心式恒定載荷加載式壓縮空氣式電氣液壓式載荷能力小中大小大頻率變化范圍高頻(55000次/秒)低頻(110次/秒)中頻(5100次/秒)低頻中低頻(0500次/秒)振幅變化范圍

8、小(13毫米左右)大(10100毫米)小(3毫米左右)小大(10150毫米)波形主要為正弦形，也會有不規(guī)則情況主要為正弦主要為正弦主要為正弦主要為正弦、方形等波形情況良好在高頻情況下波形不佳在低頻情況下波形不佳波形不佳良好頻率、振幅的情況振幅、速度、加速度都是確定的振幅確定加速度確定無振幅、速度、加速度是確定的噪音小高頻時(shí)大小大小由上表2-1不難看出，與上表所示的其他幾類疲勞試驗(yàn)機(jī)的激振方法相比，曲柄偏心式的加載方法所需要外加載荷較為適中，頻率變化范圍小，設(shè)計(jì)控制部分時(shí)較為簡單，過程中消耗的功率較小，損耗較低，自然成本也相應(yīng)比較低。所以試驗(yàn)機(jī)采用此類激振方法，能夠以正弦波的形式輸入載荷，在眾多

9、應(yīng)力條件下都可進(jìn)行載荷疲勞試驗(yàn)。2.1.2 試件選擇及疲勞加載方式確定所設(shè)計(jì)的疲勞試驗(yàn)機(jī)可以執(zhí)行簡單的彎曲疲勞試驗(yàn)。疲勞試驗(yàn)機(jī)所需的試件為平板試件，其截面形狀大體為矩形。并且這種試件具有通用性好、結(jié)構(gòu)尺寸足夠大等特點(diǎn)。而本試驗(yàn)機(jī)做的是平面彎曲疲勞試驗(yàn)中的三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，采用平板試件能夠使所做試驗(yàn)獲得較為理想的試驗(yàn)結(jié)果4。它的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖2-1所示。 圖2-1 三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)的工作示意圖2.1.3 驅(qū)動載荷計(jì)算2.1.3.1 循環(huán)應(yīng)力循環(huán)應(yīng)力，一般叫做交變應(yīng)力，是指在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)的過程中，試件的應(yīng)力會隨著試驗(yàn)時(shí)間的變化而作出周期性的改變。循環(huán)應(yīng)力可分為等幅循環(huán)應(yīng)力和變幅循環(huán)應(yīng)力。由上分析

10、可知，本疲勞試驗(yàn)機(jī)選擇的激振方法為曲柄偏心式，以這種激振方法所作用在試件上的應(yīng)力形式為等幅循環(huán)應(yīng)力，它以正弦波的形式輸出，正弦循環(huán)應(yīng)力波形的變化規(guī)律見圖2-2。圖2-2 正弦循環(huán)應(yīng)力圖由上圖2-2所示，一個(gè)應(yīng)力循環(huán)表示應(yīng)力在一個(gè)周期的變化過程，而周期變化的次數(shù)就是應(yīng)力循環(huán)次數(shù)。變化過程中各類應(yīng)力表達(dá)式見(2-12-5)。 (2-1) (2-2) (2-3) (2-4) (2-5) 式中 表示最大應(yīng)力； 表示最小應(yīng)力； 表示平均應(yīng)力； 表示應(yīng)力幅； 表示應(yīng)力比，又稱循環(huán)特征。綜上所述，循環(huán)應(yīng)力的變化情況主要由、和r這五個(gè)量決定，只要能夠測出五個(gè)量中任意兩個(gè)量的值，就能夠計(jì)算出另外三個(gè)量的值。通常

11、在做疲勞試驗(yàn)時(shí)，對稱循環(huán)即為循環(huán)特征時(shí)的應(yīng)力循環(huán)，這種時(shí)候循環(huán)滿足=0，=；把的應(yīng)力循環(huán)叫做脈動循環(huán)。兩類應(yīng)力循環(huán)的變化情況分別見圖2-3 (a)和(b)。圖2-3(a) 脈動循環(huán)應(yīng)力圖圖2-3(b) 對稱循環(huán)應(yīng)力圖2.1.3.2 疲勞極限材料的疲勞極限一般是指材料在受到無限多次交變載荷作用但還未發(fā)生破損的最大應(yīng)力，用表示。大量的疲勞試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)材料承受對稱循環(huán)應(yīng)力時(shí)，材料將更容易產(chǎn)生疲勞并最終導(dǎo)致疲勞破壞3。換句話說，當(dāng)材料在對稱循環(huán)應(yīng)力的作用下進(jìn)行應(yīng)力循環(huán)時(shí)，將更容易達(dá)到材料的疲勞極限。所以，在對稱循環(huán)應(yīng)力作用下，材料的疲勞極限最低，此時(shí)的工作情況是最差的，所以我們在進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，以

12、此為標(biāo)準(zhǔn)較為合適。2.1.3.3 驅(qū)動載荷計(jì)算所以由上可知，疲勞試驗(yàn)機(jī)采用平板試件類型，當(dāng)疲勞試驗(yàn)機(jī)以上述對稱循環(huán)應(yīng)力對試件進(jìn)行加載時(shí)，它的示意圖見圖2-4。由圖2-4不難看出，試件所在的中間區(qū)域即為危險(xiǎn)截面的位置。在交變載荷的作用下，試件在危險(xiǎn)截面上所受的彎曲應(yīng)力計(jì)算公式和抗彎截面系數(shù)的計(jì)算公式見（2-6和2-7）。 (2-6) (2-7) 式中 表示試件所受彎矩； 表示截面寬度； 表示截面高度； 表示試件的抗彎截面系數(shù)。圖2-4 加載示意圖彎曲疲勞極限與金屬材料硬度的關(guān)系見(2-8)： (2-8)式中 表示材料彎曲強(qiáng)度； 表示材料抗拉強(qiáng)度。所以，當(dāng)取45鋼作為試件材料時(shí)，其彎曲疲勞極限 =

13、 0.4，即240Mpa。表2-2 45鋼的主要力學(xué)性能(試件)抗拉強(qiáng)度屈服強(qiáng)度彎曲強(qiáng)度延長率(%)斷面收縮率(%)退火硬度(HBS)熱軋硬度(HBS)6003552401640197229當(dāng)彎曲疲勞發(fā)生在試件上時(shí)，試件強(qiáng)度將大于其彎曲極限，又由GB232-1999金屬材料彎曲試驗(yàn)方法1，取b為25mm，h為3mm，所以試件的彎矩值見(2-9)。 (2-9) 參考GB/T228.1-2010標(biāo)準(zhǔn)，試件工作部分的長度計(jì)算見(2-10)。 (2-10)由上圖2-4所示，當(dāng)試件起簡支梁作用時(shí)，圖中長度R將大于兩倍的b，則兩個(gè)支座間的距離將大于100mm，取其值為120mm。又由力的平衡原理，簡支梁左

14、端支座的約束力及危險(xiǎn)截面彎矩見(2-11和2-12)。 (2-11) (2-12)式中 表示左端支座的約束力； 表示動載荷。將(2-11)帶入(2-12)并整理可得(2-13)，即 (2-13)因而，疲勞試驗(yàn)機(jī)作用在試件上的力至少要為300N時(shí)，才能使試件發(fā)生彎曲疲勞破壞。2.1.4 轉(zhuǎn)軸最小轉(zhuǎn)矩計(jì)算對于疲勞試驗(yàn)機(jī)，試件振幅表示加載機(jī)構(gòu)中滑塊的移動長度。當(dāng)試件在受到交變載荷時(shí)，滑塊的行程一般比較小，即試件的振幅較小。在試件的彈性變形的變化范圍里，試件較為容易發(fā)生疲勞損傷4。對于本課題的疲勞試驗(yàn)機(jī)，選定曲柄長度r的值的范圍在010mm，此時(shí)試件的振幅范圍就在020mm之間(滑塊行程為曲柄長度的2

15、倍)。此時(shí)，滑塊的行程是可以變換的。 下圖2-5所示即為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動簡圖，且在圖示所示的曲柄AB和連桿BC垂直的情況下，有大小關(guān)系Fl1)&0 x1；_nop_()；_nop_()；ADCLK=0；/拉低CLK端,形成下降沿3ADDI=1；/控制命令結(jié)束結(jié)論在材料疲勞試驗(yàn)領(lǐng)域，疲勞試驗(yàn)機(jī)有著十分重要的作用。通過進(jìn)行相應(yīng)的疲勞試驗(yàn)，它能夠有效檢測出被測試件或材料的使用壽命，從而可以將所得的結(jié)果反饋到材料的使用過程中，在最大程度上避免機(jī)器零部件的疲勞破壞，使機(jī)器能夠在安全穩(wěn)定的條件下運(yùn)行。在保護(hù)機(jī)器的基礎(chǔ)上，也就保護(hù)了科研工作者的安全。本課題所做的簡易彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)被測件在小載

16、荷情況下的三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，它的主要特點(diǎn)如下：機(jī)械結(jié)構(gòu)部分：試驗(yàn)機(jī)的激振方式為曲柄偏心輪式，為此設(shè)計(jì)了相應(yīng)的偏心輪，要想使試件的振幅能夠在020mm自由調(diào)節(jié)，可以調(diào)節(jié)偏心輪曲柄長度來達(dá)到此目的。對試件的夾具進(jìn)行了相應(yīng)的設(shè)計(jì)，通過改變試件的跨距和偏心輪曲柄的長度，從而達(dá)到將不同交變載荷施加到試件上的目的。并且所設(shè)計(jì)的夾具，它們之間的距離是可調(diào)節(jié)的，這樣對于不同大小的試件都能夠進(jìn)行相應(yīng)的彎曲疲勞試驗(yàn)。電氣測控部分：針對試件所受交變載荷值、交變載荷循環(huán)次數(shù)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的檢測顯示系統(tǒng)，能夠較好地實(shí)現(xiàn)此彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的電氣控制要求?？傮w來說，這個(gè)簡易的彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)能夠較好地實(shí)現(xiàn)三點(diǎn)彎曲疲勞試驗(yàn)，符合本課

17、題的設(shè)計(jì)要求。致謝時(shí)光荏苒，歲月如梭，大學(xué)本科四年即將畫上最后的句號，而為期三個(gè)多月的畢業(yè)設(shè)計(jì)也即將結(jié)束。對于本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，因?yàn)樽陨斫?jīng)驗(yàn)的不足，難免會存在考慮不全面的部分，在這里由衷地感謝#老師在這期間對我的悉心指導(dǎo)，以及我身邊的同學(xué)、舍友對我的幫助，讓我如愿按期完成了此次畢業(yè)設(shè)計(jì)。在#老師的悉心指導(dǎo)下，從畢業(yè)設(shè)計(jì)的選題到確認(rèn)設(shè)計(jì)思路再到最后設(shè)計(jì)的完成，大部分都是我自己獨(dú)立完成的。在此期間，我經(jīng)常會到#老師的辦公室，詢問有關(guān)畢設(shè)的一些問題，#老師都能耐心地指導(dǎo)我，針對我的一些重點(diǎn)問題給予我許多十分重要的建議，讓我在后來解決問題是有了明確的方向和方法。在詢問過程中，我感受到了#老師在教學(xué)時(shí)的嚴(yán)

18、謹(jǐn)認(rèn)真以及對待我們學(xué)生時(shí)的和藹親近，這些品質(zhì)都深深感染了我，讓我收獲良多。感謝老師給予我這樣一次認(rèn)真學(xué)習(xí)、工作的機(jī)會，謝謝！當(dāng)然，這里也要感謝我的同學(xué)和舍友，你們的日夜陪伴與支持，讓我在做畢設(shè)的過程中時(shí)刻都充滿動力，畢設(shè)中的諸多問題也是在你們的熱情幫助下才得以解決的，謝謝！最后，我要感謝支持我的朋友們，感謝徐州工程學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院的領(lǐng)導(dǎo)、老師們，感謝學(xué)院提供給我們良好的學(xué)習(xí)、工作環(huán)境和軟、硬件資源，萬分感謝！參考文獻(xiàn)1 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊M.化學(xué)工業(yè)出版社,2010:65-80.2 李巧真,李剛,韓欽澤.電阻應(yīng)變片的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用J.實(shí)驗(yàn)室研究與探索.2011,30(4):134-137.3 曹虎文.基于力學(xué)加載的柔性電子彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的研制D.成都:電子科技大學(xué),2011:18-25. 4 曾德良.小型平板彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的研制D.廣西:廣西大學(xué),201l:17-25.5 蘇成志,陳棟,李開亮等.擺錘直驅(qū)式車輪彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)J制造業(yè)自動化2011.33(9):152-156.6 陽文英.新型翻袋式過濾離心機(jī)研究及雙軸系統(tǒng)振動計(jì)算D.北京:北京化工大學(xué),2010:20-27.7 夏曼.基于組態(tài)的車輪徑向疲勞試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)研究D.長春:長春理工大學(xué),2010:10-17. 8 張良.高壓變頻器控制單元總線板設(shè)計(jì)及阻抗匹配研究D.山東:山東大學(xué),2013:18-2