微小试件疲劳试验机毕业论文

摘  要

在现在工业各领域中，大约50-90%以上的结构强度破坏都是由于疲劳破坏造成的，如曲轴、连杆、齿轮、弹簧、螺栓等。因此了解机械零部件的疲劳强度或极限对于判断其是否达到设计、工艺等要求是相当必要的。

许多材料或构件在实际应用中受到动载荷作用，与受到静载荷作用时不同，这些材料或构件往往会在事先并未出现显著变形的情况下突然发生疲劳破坏，对机器的运行安全产生重大影响。研究材料的疲劳性能有助于预测其疲劳寿命。疲劳试验则是获得大量材料疲劳性能数据的有效手段。

疲劳试验机是材料疲劳性能研究中必不可少的设备。本文叙述了疲劳试验机的种类和发展现状，针对特定试验需要和目前高校中疲劳试验设备较少、不利于开展学生疲劳实验教学的情况，研制一台低成本、易操作的小型平板弯曲疲劳试验机。本设计只研究该试验机机械系统。试验机采用机械曲柄偏心式的激振方式给试件加载，调节曲柄长度可改变载荷值；为试验机设计了夹具，可以进行三点弯曲疲劳试验和悬臂弯曲疲劳试验。在疲劳试验中，试件应反复受力，应力将随时间作周期性变化，这种随时间作周期性变化的力称为循环应力，又称为交变应力。为得到应力必须有动力源提供运动，为此采用三相异步电动机提供动力。普通三相异步电动机的输出转速一般较高，并且转速较为固定，而试验机在工作过程中经常需要调速，以改变试件承受交变载荷的频率，通过齿轮变速箱转换以获得所需转速。

通过进行弯曲疲劳试验并对试验结果进行分析，该疲劳试验机各系统运行状况良好，能够正常工作，运行稳定，载荷值与循环次数能实时显示，声发射检测系统检测到丰富的试件疲劳裂纹声发射信号，整个机器能安全、可靠运行，实现各自的功能，达到了研制的预期目的。

 

关键词：疲劳试验机；板试件；齿轮变速器 

 

Abstract

In many applications, materials and component were subjected to vibrating or oscillating forces. The behavior of materials under such load conditions differs from the behavior under a static load. The material or component would be caused fatigue damage under variable load and the damage was unexpected constantly without any premonition such as significant deformation. Therefore it has a major impact to the operation safety of machinery. Researching the material’s fatigue properties by fatigue testing could help to predict the materials fatigue life. Much better data to predict the in-service life of materials would be given by fatigue testing.

The testing machine was the most popular equipment in testing the fatigue capability of material. The types and development of fatigue testing machine was described in this paper. On consideration of the actual conditions and the situation that colleges have less fatigue test equipment, which does not favor students understanding material fatigue properties, a low-cost, easy-to-use small bending fatigue testing machine was developed. This machine includes mechanical systems and monitoring systems. The loading system of this machine was crank-slider mechanism. The length of crank was adjustable and the load would be different when the length changed.

The continuous and real-time information of materials fatigue crack propagation process could be detected by acoustic emission test technology．Therefore，the process of the specimens fatigue can be monitoring by acoustic emission system in fatigue testing.

During the period of evaluation test，the test machine ran stability. The value of load and the number of cycles were displayed real-time. A lot of AE signal of specimens fatigue crack was detected by the acoustic emission testing system. The research and development goal of this fatigue test equipment was achieved.

 

Key Words： fatigue-testing machine； plate specimen；electromagnetic adjustable speed motor；mode analysis；acoustic emission

 

课题研究的主要内容：

1、疲劳试验机的载荷传递系统，包括机架、夹具、试件和传动(或加载)系统；

2、疲劳试验机的动力供应；

3、疲劳试验机的控制系统和测试系统；

4、结合声发射检测技术，对试验机进行评价试验。

疲劳试验机是开展疲劳研究必不可少的手段和工具。从最早模拟车轴的旋转弯曲疲劳试验机到现在已有一百多年的历史。

疲劳试验机属于技术密集型的测试装置，目前它已经涉及到机械、液压、电子、材料、测量、自动控制等许多技术领域，并且还综合了近代闭环伺服、数字显示、机电一体化以

及电子计算机等高技术，被广泛应用于新材料开发、结构设计和机械、船舶、航空、航天、人体力学性能研究等方面。国内外许多大型试验机都具有低周疲劳试验的功能，能进行低周疲劳试验的可以是某些静态材料试验机和动态试验机。这些静态试验机一般采用微电子伺服技术，通过改变机器的运行参数就能自动完成所需进行的试验，并将试验结果和试验数据自动采集、处理、显示记录和打印，极大地减轻了试验人员的劳动强度，提高了试验效率。由于试验机具有闭环机电伺服自控系统，又因它负载范围广，因此能完成低频的往复拉压循环实验。另一种为动态疲劳试验机，它是机械、液压、电子系统三者组合的现代伺服机构。电液伺服疲劳试验机不仅变开环控制为闭环控制，而且大大提高了试验精度和增加了动态试验负荷的种类。除能施加正弦波载荷外，还能施加矩形波、三角波、锯齿波、梯形波以及可根据实际记录的结构承受的交变载荷谱对试件施加交变随机载荷；这样，试验的结果就更加逼真于实际的工况状态，为最佳优化设计提供了依据。当代任何一项重大的工程项目都必须经过动态力学试验，否则就不能保证设计安全。目前，电液伺服疲劳试验机随着科技进步和被试验对象的需要，正向着全微机化、智能化、节能化的方向发展，以期进一步提高试验机的效率，提高试验机的精度和降低能耗。

 

目  录

摘 要 I

Abstract II

引 言 1

绪 论 2

1  疲劳试验机总体方案设计 7

1.1 疲劳试验机的组成 7

1.2 总体方案说明 7

1.3 疲劳试验机的总体方案设计 8

    1.3.1 激振方法设计 8

    1.3.2 疲劳加载方式及试件类型的确定 8

    1.3.3 试件材料和尺寸 10

    1.3.4 驱动载荷计算 .............. 12

    1.3.5 转轴最小转矩计算 15

    1.3.6 试验机最大工作载荷计算 18

    1.3.7 电气控制系统和测试系统要求 18

1.4 齿轮变速箱的设计 19

    1.4.1 动力供应及调速方法设计 19

    1.4.2 计算总传动比及分配各级的传动比 20

    1.4.3 运动参数及动力参数计算 20

 1.4.4 传动零件的设计计算 21

 1.4.5 轴的设计计算 22

 1.4.6 键连接 23

 1.4.7 润滑和密封 23

 1.4.8本章小结 24

2  机械结构设计 25

2.1 疲劳试验机的机械系统设计 25

  2.2 试验机机械系统的设计 26

2.2.1 转轴的设计计算 26

2.2.2 加载机构设计 36

2.2.3 试验机的机架设计 41

2.2.4 夹具设计 41

2.2.5 机械安全装置设计 42

2.2.6 本章小结 42

总 结 43

致 谢 44

参考文献 45