疲劳试验机说明书模板

第一部分: 总体方案设计

1加载方案

1.1多轴加载疲劳试验机的机械结构原理图:

图1 多轴加载疲劳试验机结构原理图

试件由左、右夹头夹持, 电机带动带轮经过曲柄滑块机构作用于施力装置, 实现疲劳试验机的弯曲疲劳。旋紧螺母经过丝杠结构给试件轴向加载预拉力。经过齿轮齿条结构和导轨上的扭簧给试件实现扭矩的疲劳加载。试验机又平台作为支撑结构, 平台经过地脚

螺栓固定, 支撑起整个试验机的重量。

1.2机械部分载荷传递

电动机选择能够调速的变频式电动机, 以适应不同频率下的疲劳测试, 电动机带动带轮将动力传递给曲柄滑块机构, 结合齿轮齿条和扭转弹簧的共同作用, 实现试件的弯曲、扭转疲劳试验, 在此之前给定试件一个轴向的预拉力, 实现了多轴加载情况下的疲劳测试。

图3 载荷传递流程图

1.3疲劳试验机的测控系统

对试件施加的扭矩和弯矩经过在试件上的贴的应变片连接动态应变仪经过PC机输出显示, 而试件的寿命经过电机计数器测得试件的疲劳寿命。

图4 测控系统原理图

2试件材料的机械性能和尺寸

试验中一般见的材料是Cr12、 40Cr 、 45钢等, 由于45钢应用的普遍性以及其很高的机械性能, 考虑试验机要有一定的裕度, 因此选择45钢为材料的试件。

对于试件的尺寸采用标准的光滑圆柱试件进行疲劳试验。试件上加载扭矩和弯曲部分的尺寸和形状必须完全相同, 而端部采用圆柱形便于夹头的装夹, 过渡区域倒圆角, 防止应力集中而影响试验的准确性, 试件的尺寸如下图:

图5 标准试件结构尺寸

3疲劳应力循环

在疲劳试验中, 试件的应力将随时间作周期性变化, 这种随时间做周期性变化的力称为循环应力, 在中国又经常称为交变应力。

完成一个应力循环所需的时间称为一个周期, 以max σ和min σ分

别表示循环中的最大和最小应力, 比值

min

max

σr σ= 称为交变应力的循环特征或应力比。max σ和F F F 300N ===导轨齿轮的代数和的二分之一称为平均应力, 即m max min 1σ(σσ)2

=+

max σ和min σ代数差的二分之一称为应力幅, 即

a max min 1

σ(σσ)2

=-

图6 交变应力循环图

当m a max r 1,σ0,σσ=-==这种情况下称为对称循环, 其它的情况都属于不对称循环。

若应力循环中的min σ0= (或者max σ0=),表示交变应力变动于某一应力与零之间, 即a m max 1r 0,σσσ2

===或者a m min 1r ,σσσ2

∞=--== 这种情况称为脉动循环。

当把试件的初始位置放置于试验机的零点位置, 即能够实现对称循环, 其它不对称循环能够由其初始位置的不同选择, 对应的应力变化则有时间上的应变片连接的动态应变仪测出。 4扭矩的加载计算

根据试验机的要求, 选用45钢为材料, 对称扭转疲劳极限

1τ150Mpa -=, 即min τ150Mpa =

由材料力学公式可知:

33

p

t I πR πD W R 216

===

t

T

τw =

故min min t T τW 15N m =⨯=⋅

在最小的扭矩下, 试件单位长度的扭转角

°min min 94

p T 15

φ27GI 801032

D π=

==⨯⨯ 对于时间的实验部分是100mm 长, 故试件的最小扭转角:

,?°min min φφL 270.1 2.7=⨯=⨯=

考虑到多轴加载疲劳试验机要实现加载后应力的对称与脉动循环, 扭转弹簧的工作扭矩就要从25N m 到50N m , 再结合扭簧的尺寸设计, 取最大工作扭角为°45, 初选齿轮的直径为D 100mm =, 则由曲柄滑块机构形成的弯曲疲劳的行程为: 45

s πD 40mm 360

=⨯= 5弯矩的加载

对于弯曲疲劳, 对称循环疲劳极限, 1σ257Mpa -=由材料力学可

知 M σW =

3πw d 32= 3min 1π

M w σd 13N m 32

-=== 由于齿轮的扭矩由齿条提供, 且试件在受力过程中必须保持平行前进, 左右受力一样的, 故可得试件的受力图如下: