疲勞試驗機的分類和工作原理

疲勞試驗機是用于評估材料或結構在循環載荷下疲勞性能的關鍵設備。根據加載方式、驅動原理和應用場景的不同，疲勞試驗機可分為以下幾類：

一、疲勞試驗機的分類

1. 按驅動方式分類

• 機械式疲勞試驗機

• 原理：通過機械傳動（如曲柄連桿、凸輪、偏心輪）產生周期性載荷。

• 特點：結構簡單、成本低，但頻率較低（通常<10 Hz），適用于低頻疲勞測試。

• 典型應用：金屬材料、小型零部件的疲勞試驗。

• 液壓伺服疲勞試驗機

• 原理：利用液壓伺服系統控制作動器施加動態載荷，載荷范圍大，頻率較高（可達100 Hz）。

• 特點：載荷大（可達數千噸）、控制精度高，但維護復雜，需配套液壓源。

• 典型應用：大型結構件（如橋梁、飛機起落架）、復合材料的高載荷測試。

• 電磁式（電動式）疲勞試驗機

• 原理：通過電磁力或直線電機驅動作動器，直接生成動態載荷。

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

• 典型應用：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

• 軸向疲勞試驗機

• 對試樣施加拉伸-壓縮或拉-拉循環載荷，模擬軸向受力場景。

• 彎曲疲勞試驗機

• 旋轉彎曲疲勞試驗機：試樣旋轉時承受交變彎曲應力（如懸臂梁式）。

• 平面彎曲疲勞試驗機：試樣固定，通過往復運動施加彎曲載荷。

• 扭轉疲勞試驗機

• 施加周期性扭矩，模擬材料在扭轉載荷下的疲勞性能。

• 多軸疲勞試驗機

• 可同時施加多個方向的載荷（如拉-扭復合載荷），模擬復雜工況。

3. 特殊類型

• 共振式疲勞試驗機

• 利用試樣的固有頻率產生共振，以較低能耗實現高頻加載（數百Hz）。

• 適用于大批量試樣的快速篩選測試。

• 高頻疲勞試驗機

• 采用電磁或壓電驅動，專為超高頻（kHz級別）疲勞測試設計。

二、疲勞試驗機的工作原理

1. 基本工作流程

1. 載荷施加：通過驅動系統（機械、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：控制器根據預設的載荷幅值、頻率和循環次數調節輸出。

3. 數據采集：傳感器實時監測載荷、位移、應變等參數，并記錄疲勞壽命（失效循環次數）。

4. 失效判斷：試樣斷裂或達到預設的變形量時自動停機。

2. 核心系統組成

• 加載系統：作動器、夾具、傳動機構。

• 控制系統：閉環反饋系統（PID控制）確保載荷精度。

• 測量系統：力傳感器、位移傳感器、應變片等。

• 軟件系統：設定試驗參數、實時顯示曲線、生成報告。

3. 關鍵技術

• 閉環控制：通過傳感器反饋實時調整載荷，保證動態加載的準確性。

• 波形生成：支持多種波形（正弦、方波、隨機載荷）以模擬實際工況。

• 環境模擬：部分試驗機集成溫控箱或腐蝕環境艙，測試材料在條件下的疲勞性能。

三、應用領域

• 航空航天：飛機結構件、發動機葉片的高頻疲勞測試。

• 汽車工業：底盤、懸掛系統的多軸疲勞試驗。

• 材料科學：金屬、塑料、復合材料的疲勞極限測定。

• 生物醫學：人工關節、骨板的生物力學疲勞評估。

四、總結

疲勞試驗機的選擇需根據測試需求（載荷大小、頻率、試樣尺寸）和環境條件綜合考量：

• 低頻大載荷：液壓伺服試驗機。

• 高頻小載荷：電磁式或共振式試驗機。

• 復雜工況模擬：多軸或環境耦合試驗機。
  未來趨勢是向高頻化、智能化、多物理場耦合方向發展，以更精準地預測材料壽命。