压电驱动式高频疲劳试验机构设计理论与性能试验研究

采用压电振子作为驱动元件，并利用系统共振的方法，研制了适用于工作在高频、小振幅受力工况下的微小与硬脆零部件的压电驱动高频疲劳试验机（以下简称“压电疲劳机”），并进行了相关的设计理论、动力学分析、仿真和样机实测。具体工作包括：建立了圆周固支条件下圆形双晶片压电振子的振动模型，求解了其一阶振动模态和所对应的固有频率，并应用有限元法和实测法验证了理论建模的合理性与求解的正确性；建立了压电疲劳机的动力学模型，获得了其系统的动态特性，确定了零部件参数的设计原则；按一定的结构参数建立了压电疲劳机的实体模型与有限元模型，确定了第14阶振动模态为压电疲劳机工作的主振型，研究了压电疲劳机主要零部件9个参数的变化对其主振型固有频率的影响、变化规律和原因；试制了多种参数的零部件，装配了3台样机，改变样机的某一重要零部件参数，分别测试样机在六个不同驱动电压下作用在试件上的最大动载荷，分析了样机各个参数变化对作用在试件上的最大动载荷的影响、变化规律和原因。以材料为HT100的试件为例，应用本文制成的样机对其进行循环特性为R=0.1的拉伸疲劳测试，工作频率为352.4 Hz，绘制了HT100的S-N曲线，得到了其1.18×108循环周次的疲劳极限为23.049 MPa，应用扫描电镜观察了疲劳断裂的HT100试件断口形貌,分析了裂纹源、裂纹扩展以及瞬断的微观情况，设计制成的样机满足对微小与硬脆构件进行疲劳试验所需的小幅和高频加载、共振稳定可靠、抗干扰能力强等要求。 2100433B

提出以压电体(PZT、PLZT或PMN)为驱动源构造一种新型高频疲劳试验机构，研究它的系统构成方法，以及在结构设计、交变加载、精度控制、频率跟踪等方面的基础理论与基本技术问题，解决系统谐振与慢变参数下系统动态稳定性问题。为高频率、小体积的压电驱动式高频疲劳试验机设计与制造提供依据，为微小与硬脆材料构件、高频受力构件疲劳性能的检测提供一种新方法。实现压电驱动下较高稳定性与准确性的高频拉压交变加载，并以数个试样的有效性试验为例，确认高频疲劳检测的可行性；试制双晶片压电振子式、压电叠堆驱动式高频疲劳试验样机构每种最少2台。计划发表论文总数不少于10篇，完成博士论文2部、硕士论文2部，申报或获得专利权两项。

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年代时影响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士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Instron公司高频疲劳试验机产品，经国内研发改进并应用。

高频疲劳试验机在配备相应试验夹具后，可进行正弦载荷下的三点弯曲试验、四点弯曲试验、薄板材拉伸试验、厚板材拉伸试验、强化钢条拉伸试验、链条拉伸试验、固接件试验、连杆试验、扭转疲劳试验、弯扭复合疲劳试验、交互弯曲疲劳试验、CT试验、CCT试验、齿轮疲劳试验。

除以上的用途外，高频疲劳试验机特别是电机式高频疲劳试验机还在零部件疲劳试验领域有广泛的应用。

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。