疲劳试验机 -
试验机&英文名称：fatigue&testing&machine&&定义：使试样或构件承受周期或随机变化的应力或应变，以测定疲劳极限和疲劳寿命等指标的试验机。&所属学科：机械工程（一级学科）；（二级学科）；材料试验机-材料试验机名称（三级学科）　　&
疲劳试验机 -
，是一种主要用于测定金属及其合金材料在室温状态下的拉伸、压缩或拉、压交变负荷的疲劳性能试验的机器。&　　特点是可以实现高负荷、高频率、低消耗，从而缩短试验时间，降低试验费用。&　　用于进行测定金属、合金材料及其构件（如操作关节、固接件、螺旋运动件等）在室温状态下的拉伸、压缩或拉压交变负荷的、疲劳寿命、预制裂纹及裂纹扩展试验。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、四点弯曲试验、薄板材拉伸试验、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、齿轮疲劳试验等。词条图册更多图册
疲劳试验机 -
疲劳试验是指通过金属材料实验测定金属材料的σ-1，绘制材料的S-N曲线，进而观察疲劳破坏现象和断口特征，进而学会对称循环下测定金属材料疲劳极限的方法。检测设备一般有疲劳试验机和游标卡尺。
在足够大的交变应力作用下，于金属构件外形突变或表面刻痕或内部缺陷等部位，都可能因较大的应力集中引发微观裂纹。分散的微观裂纹经过集结沟通将形成宏观裂纹。已形成的宏观裂纹逐渐缓慢地扩展，构件横截面逐步削弱，当达到一定限度时，构件会突然断裂。金属因交变应力引起的上述失效现象，称为金属的疲劳。静载下塑性性能很好的材料，当承受交变应力时，往往在应力低于屈服极限没有明显塑性变形的情况下，突然断裂。疲劳断口明显地分为两个区域：较为光滑的裂纹扩展区和较为粗糙的断裂区。裂纹形成后，交变应力使裂纹的两侧时而张开时而闭合，相互挤压反复研磨，光滑区就是这样形成的。载荷的间断和大小的变化，在光滑区留下多条裂纹前沿线。至于粗糙的断裂区，则是最后突然断裂形成的。统计数据表明，机械零件的失效，约有70%左右是疲劳引起的，而且造成的事故大多数是灾难性的。因此，通过实验研究金属材料抗疲劳的性能是有实际意义的。
疲劳试验机 -
分为，，等，疲劳试验机根据试验频率可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。频率低于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的成为高频疲劳试验机，300Hz以上的成为超高频疲劳试验机。机械与液压式一般为低频，电机驱动一般为中频和低频，电磁谐振式为高频，气动式和声学式为超高频。
&&&&&&复合材料不可以用电磁式高频疲劳试验机进行疲劳试验，因为电磁式是采用电磁谐振原理驱动的，与试样的刚性有关，所以复合材料只能用电机驱动疲劳试验。
疲劳试验机 -
高频疲劳试验机根据电磁谐振的原理工作，依靠电磁铁的震荡施加载荷，是目前载荷比较大20KN-300KN，频率80-250HZ测试时间短的首选。需要调频率，频率时固定几个档，根据目前使用客户的反馈，调频操作比较麻烦。
低频疲劳试验机根据电液伺服的原理工作，依靠液压作动缸的往复运动施加载荷，大载荷5KN-1000KN低频率0-10HZ的首选，一般建议在10HZ左右使用，更高的频率对于液压伺服阀、密封圈等等部件的摩擦损伤太大，后面的维护成本太高，不建议使用更高频率。如果不考虑维护成本，使用20HZ，30HZ也是可以的，只是液压疲劳试验机的寿命会受到重大的影响。
电机驱动疲劳试验机根据电场与磁场的关系，米力光国际贸易有限公司通过磁场的来回移动实现往复运动施加载荷，是小载荷20N-30KN，频率0-100HZ要求高的首选，频率随意可以设置。是小载荷，中频率的首选。
疲劳试验机 -
功能特点：
&整机工作效率高、易起振、低耗能、控制精度高、波动度小及操作方便。 智能化全数字脉宽调制器模板，全隔离IGBT开关型功率放大单元、智能化测力放大器模板 新型的主机谐振气隙结构，起振容易，无需手动进行电压换挡 平均负荷控制系统采用进口高精度交流伺服电机系统闭环控制 交变载荷闭环控制，自动补偿，控制方式有两种：常规疲劳试验（轴向拉压对称、不对称及单项脉动试验）和程控加荷试验 操作方式：操作和设置有系统软件生成的虚拟面板实现 全部控制由计算机直接进行管理和控制，功能齐全，扩充容易。计算机可实时显示实验波形、电流值、买充值、计算机软件是在WindowXP操作系统下编制的应用及管理软件，采用虚拟面板的形式，按钮式操作，界面友好，样式直观，操作方便。具备较完备的数据处理及打印输出功能。
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主要规格及技术参数
型号 GPS20 GPS100 GPS200 GPS300 实验力 最大负荷（kN） ±20 ±100 ±200 ±300 最大单向脉动负荷（N.m） ±20 ±100 ±200 ±300 最大交变负荷（峰值） 10 50 100 150 衰变倍数分档 全程不分档 1，2，5 平均负荷示值相对误差 ≤±1% 交变负荷波动度 ±0.5%F.S 平均负荷波动度 ±0.5%F.S 控制参数 频率范围 80～250（Hz） 主机 夹头间最大距离 500(mm) 750(mm) 1000(mm) 1150(mm) 两柱间最大距离 350(mm) 420(mm) 500(mm) 580(mm) 主机外形尺寸(mm)H.W.D 660×460×1900 800×600×0××800×2900 电控箱外型尺寸 600×650×1200 主机重量 约1200kg 约3000kg 约5000kg 约7500kg 电控箱 约80kg 约100kg 约150kg 约200kg 整机功率 220V&&500W 380V&&3500W& 220V&&&500W 380V&4500W& 220V&&750W 380V&&5500W& 220V&&1000W 电机动态疲劳试验机的优点：
　　1.&干净，不用担心漏油等现象
　　2&稳定，不会因为阻力的变化影响设备运行的稳定性
　　3&噪音低，传统的液压伺服必需把泵放的更远，以减少噪音
　　4&安装维护简单方便，不用经常停机更换液压油等等工作，后续的电机维护成本几乎为零，但是液压伺服的设备，使用频率越高维护成本也越高，到了最后因无法忍受高额的维护成本而减少设备的使用。
　　5&省电无需水源，使用成本低，一般电机的功率只有几千瓦或几百瓦。
　　6&安全，不用担心高压油管长时间的使用，老化了高压油的泄漏而造成人身的安全影响。
7&使用寿命长，几乎免维护的电机可以长时间不间断的使用&液压疲劳试验机系统维护：不过，同样是20KN的疲劳试验机系统，电机驱动疲劳试验机系统购买非常昂贵，但是液压疲劳试验机它有许多活动部件和密封件，维护费用高。另外，其能源成本也很高，因为泵必须连续运转，而且油被看作有害废料，一旦污染就必须更换。由于传动装置和/或伺服阀的密封件摩擦，分辨率和保真度可能受到限制，而且传动装置的活动质量非常高。在多轴应用时由于摩擦，传动装置的侧向负荷还会引起波形扭曲或密封件磨损
液压疲劳试验机需要定期停机做一些维护
&&1、定期更换油路滤芯，清理变质油&
&&&&电液伺服压力试验机由于此次故障由液压油中金属污染造成，因此定期更换该系统油路中的滤芯，放掉滤油器中存油，可防止污物进入伺服阀，有效的防止故障发生，延长伺服阀的运行时间。&
　　力矩马达和先导阀完全浸泡在与回油相通的油液里，位置又处于管道的盲端，所以该处的油液几乎不流动，易氧化变质，因此需定期放掉变质的液压油。&
　　2、定期更换液压油，加强液压油的管理&
　　液压油在长期工作中会氧化焦化，并且液压系统中的泵．阀、油缸等的磨损，会产生一些金属屑，它们会降低液压油的品质，造成故障。根据近几年液压油使用周期和油品化验结果，要每10个月更换一次液压油，才能保证设备无计划外停机。&
　　3、定期更换伺服阀&
　　有些故障的直接原因为力矩马达被污染导致伺服阀动作不良，因此定期清洗、更换力矩马达和先导阀，防止污染，从而杜绝故障发生。伺服阀的装拆应在尽可能干净的环境中进行，操作时应先去掉接到伺服阀上的电气信号，再卸掉液压系统的压力，然后拆下伺服阀。在干净、相容的商用溶剂中清洗所有的零件，零件可以晾干或用软气管以洁净、干燥的空气吹干。清洗后的伺服阀，可以作为备件轮流使用，降低费用。&
4、定期更换密封圈
定期检查主机和油源处是否有漏油的地方，如发现有漏油，应及时更换密封圈或组合垫
5&定期更换滤芯
液压滤芯概述液压滤芯应用在液压系统中，用于滤除系统中的颗粒杂物及橡胶杂质，保证液压系统的清洁度，根据机器的使用情况及油的使用期限，定期更换吸油过滤器和滤芯。
疲劳试验机 -
与其他相比较，优点
1.&干净，不用担心漏油等现象
2&稳定，不会因为阻力的变化影响设备运行的稳定性
3&噪音低，传统的液压伺服必需把泵放的更远，以减少噪音
4&安装维护简单方便，不用经常停机更换液压油等等工作，后续的电机维护成本几乎为零，但是液压伺服的设备，使用频率越高维护成本也越高，到了最后因无法忍受高额的维护成本而减少设备的使用。
5&省电无需水源，使用成本低，一般电机的功率只有几千瓦或几百瓦。
6&安全，不用担心高压油管长时间的使用，老化了高压油的泄漏而造成人身的安全影响。
7&使用寿命长，几乎免维护的电机可以长时间不间断的使用
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保存二维码可印刷到宣传品电液脉动疲劳试验机与电液伺服疲劳试验机比较
&&&&&&&&&&&&&&&电液脉动疲劳试验机与电液伺服疲劳试验机比较&&&&&&&&&&&&&&&中国建筑科学研究院&杨志&&罗洪伯&&济南力支测试系统有限公司梁忠举&&&&&关键词：电液脉动&电液伺服&&疲劳试验机&&&&&&人类社会产业革命以来的统计数据表明，机械零件的失效形式和破坏50-90%为疲劳破坏，机械零部件与建筑结构件的疲劳强度是影响可靠性和使用寿命的最主要因素，因此，通过疲劳试验的方式进行机械零部件和建筑工程结构件的抗疲劳设计越来越普遍。从1860年&疲劳试验之父&德国人沃勒（A.Walhler）研制的第一台机车车轴全尺寸疲劳试验机开始，对疲劳试验技术的研究一直是测试技术领域的重要课题。按照施加试验力的形式，疲劳试验机主要有机械式、液压式、电磁共振式、热疲劳四种。电液脉动疲劳试验机和电液伺服疲劳试验机均为液压加载式疲劳试验机，设计依据均为液压基本原理&帕斯卡定律，因此本质上讲这两种疲劳测试技术的基本原理是一致的，但由于形成液压系统压力变化（&DP）的原理不同，这两种液压疲劳测试技术也存在显著区别。&&&&1.工作原理&&电液脉动疲劳试验机采用的是&电&机&液&转换系统，电液伺服疲劳试验机采用的是&电&液&转换系统。&&&&1.1电液脉动疲劳试验机在进行动态疲劳试验时，先通过试验机静力加载方式将被测试样加载至与动态测试力值的下峰值相应的初始压力，再通过全数字电磁调速控制器控制主电动机的输出，驱动惯性飞轮和曲柄连杆机构，通过可调整摇杆、连杆、滑块机构驱动脉动活塞，液压系统压力发生正弦波形式的变化，液压站输出脉动液压油，驱动主机上的液压作动器工作，完成脉动疲劳试验，脉动试验力值、试样变形的大小通过调整滑块位移大小来完成，这一原理的核心是主电机仅对系统压力的变化（&DP）和试样变形作功，液压系统在工作状态是一个变压变量系统，主油泵提供给脉动液压站的液压油只是用来维持系统的初始压力，试验机功率消耗非常小。&&&&1.2电液伺服疲劳试验机则是电动机直接驱动高压油泵，计算机通过程序控制伺服比例阀的开口大小来调整输出到液压作动器的流量多少，从而驱动作动器进行动态试验工作，可以按照开环或闭环控制模式进行工作，计算机控制程序输出的波形有正弦波、方波、锯齿波等多种形式，伺服控制阀是实现液压控制的核心元件，由于伺服比例阀控制的需要，输入比例阀的液压油必须在整个运行过程中保持压力和流量始终恒定，液压系统必须按照达到并超过最大试验力和位移的排量要求进行设计，电液伺服液压系统必须是恒压定量输出系统，工作状态下必须始终按照设计最大功率运行，通俗地讲就是液压系统无用功耗巨大，液压系统发热快温度高，必须配备循环冷却装置进行不间断水冷或风冷。2.产品结构&&由于工作原理的差异，两种液压疲劳试验机的结构也各有其特点。&&&&2.1电液脉动疲劳试验机主要有脉动液压站、测控系统、加载主机或者试验台架等组成。脉动液压站有驱动主电机、惯性飞轮、曲柄摇杆滑块、脉动油缸活塞、工作油泵电机组、润滑油泵电机组、试验力加载阀、脉动量调整机构等组成；测控系统的发展经历了不同阶段，在电液脉动疲劳试验机由世界上第一家试验机专业制造厂家瑞士Amsler公司在上世纪60年代研制完成后，到1989年以前对脉动疲劳试验机的测控技术一直停留在手动加载、压力表测力的初级阶段，静态、动态试验力的测量精度都在5%以上；1989年开始原济南试验机厂开始生产数显式液压脉动疲劳试验机，加载控制方式改进为电动加载形式，静态试验力值精度达到&1%、动态试验力的测量精度控制在2%以内；此后20年脉动疲劳试验机的技术进步基本处于停滞阶段，直到2009年济南力支测试系统有限公司成立后，将电液式脉动疲劳试验机的测控技术推进到一个全新阶段，最新一代的电液脉动疲劳试验机测控系统采用工业控制计算机、PCI板卡集成式测量控制器，将试验力、位移、变形测量、试验次数、试验频率、试验时间、试验曲线等通过软件界面集中处理和显示，动静态试验力、位移、变形示值精度均达到&1%以内，与电液伺服疲劳试验机的测量精度完全一致，见附图1。试验力位移变形全闭环控制系统的研发工作也在紧张进行中，预计2012年底完成样机研制以满足市场需要。&&图1&PMW800-1500电液式脉动疲劳试验机脉动液压站和工控机测控系统2.2电液伺服疲劳试验机主要由恒压定量液压伺服泵站、循环水冷却系统、控制系统、伺服作动器、加载主机或试验台架等组成。泵站结构相对简单，电机功率油泵排量大，冷却系统复杂，测控系统采用电气和计算机自动控制模式。见附图2、附图3。&&图2&国产400l/min电液伺服疲劳试验机恒压定量液压泵站&&图3&美国MTS公司200l/min电液伺服疲劳试验机恒压定量液压泵站2.3从产品结构来看，电液脉动疲劳测试技术增加了机械能转换环节，使得电液脉动疲劳试验机的泵站结构比较复杂，机械零部件的设计制造难度较大、制造周期长，由于不需要冷却系统整机占地面积小、电机功率小噪声低；电液伺服疲劳试验机由于需要专门水冷或风冷系统，占地面积大、主电机功率大噪声污染严重，泵站安装一般需要独立的机房和室外循环冷却水塔等辅助设施。3．沿革与发展&&3.1两种类型的液压疲劳试验技术在上世纪60年代初由瑞士Amsler公司最先开始研发应用，400ml/次排量的液压脉动疲劳试验机在上世纪60年代开始引入我国，先后服务于中国铁道科学研究院、中国建筑科学研究院、清华大学、一汽技术中心等国家级科研院所，原济南试验机厂自上世纪70年代初开始研制400ml/次排量最大试验力为50吨的液压式脉动疲劳试验机，填补了国内空白，PME-50A液压脉动疲劳试验机荣获1978年全国科技大会奖，此后，工程技术人员一直致力于将两台400ml排量主机并联为800ml排量主机的努力，但始终没有取得成功。同一时期瑞士Amsler公司脉动疲劳测试技术也停滞不前，直至公司被ZWICK公司收购，截至2009年只有瑞士W+B公司和国内的济南试金生产400ml/次排量脉动疲劳试验机。3.2济南力支测试系统有限公司自2009年成立以来，专注于电液脉动疲劳测试技术的研发，已经先后研发完成400ml、800ml、1200ml、1600ml排量的全系列脉动液压站，并研发完成最大试验力为500kN、1000kN、1200kN、1500kN、2000kN、4000kN的作动器和加载主机，通过工业控制计算机、电子电磁传感器、全数字控制器、伺服电机、液压伺服控制阀等最新技术的应用，脉动疲劳试验机的测控技术得到迅速提升，使我国电液脉动疲劳试验机的研发技术水平处于世界领先地位，先后为中国建筑科学研究院国家建筑工程质检中心、中国铁道科学研究院、交通运输部公路科学研究院、机械科学研究总院、中国汽车工程研究院、中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室等国家级科研质检机构提供电液脉动疲劳试验机产品和服务，见附图4、5、6。目前电液式脉动疲劳试验机在我国的市场保有量近300台&图4&&PMW800-2000钢绞线锚具连接器脉动疲劳试验机交通运输部公路科学研究院&国家道路及桥梁质量监督检验中心图5&PMW800-1500三通道钢轨接头脉动疲劳试验机中国铁道科学研究院&国家铁道产品质量监督检验中心图6中南大学&高速铁路建造技术国家工程试验室世界首台最大脉动排量1600ml/c脉动疲劳试验机套，广泛服务于铁道、交通、建筑、机械、汽车制造各大行业的国家级质量监督检验机构，为我国高速铁路、高速公路建设、汽车制造、机车车辆制造、机械制造、桥梁、地铁、核电的质量检测做出重要贡献。&&&&3.3电液脉动疲劳试验机在国外特别是在欧洲的应用也很普遍，目前在瑞士、德国等发达国家的国家实验室仍然都在应用脉动疲劳试验机。附图4为瑞士联邦国家研究院（EMPA）试验室6000kN钢绞线锚具脉动疲劳试验现场照片（左图摄于2007年7月24日）。图7&&瑞士联邦国家研究院（EMPA）6000kN钢绞线锚具脉动疲劳试验机&&&&3.4电液伺服疲劳测试技术在1980年以后，由于美国MTS公司的积极研发和推广，特别是计算机、电子传感器等应用技术在电液伺服疲劳测量控制技术上的应用，使得电液伺服疲劳测试技术在世界范围内影响和应用超越电液脉动和电磁高频疲劳测试技术不断提高，而电液脉动疲劳试验技术由于机械设计、制造的难度较大，核心技术不宜被模仿，测控技术没有及时采用新兴应用技术等诸多客观原因，应用推广的速度逐渐落后。4．技术应用特点&&4.1由于设计原理的差异，电液脉动疲劳试验机特别适合中低频（1-10Hz）、大振幅大变形（0-300mm）、较大荷载及重载的疲劳试验，可以多作动器同周期、同荷载、同振幅多点同步协调加载运行，但不能进行交变疲劳试验（同时拉-压应力幅试验）。特别适合于汽车驱动桥壳、前后桥、挂车车轴、弹簧悬架、板弹簧、大规格圆弹簧、钢轨及焊接接头、轨枕、铁路扣件组装、橡胶支座、建筑混凝土构件、桥梁、矿用锚杆、钢绞线锚具等的应力&疲劳寿命周期试验。4.2电液伺服疲劳试验机由于电液伺服比例阀的排量限制，特别适合低周超低周（0.001-2Hz）、小振幅小变形（0-5mm）、中小荷载疲劳试验，尤其是在多作动器多点协调加载且试样变形较小（例如飞机机身、机车转向架等大型复杂受力结构件）时可以不受频率、载荷、试验波形限制，特别是电液伺服振动台的研制等方面有明显优势。但是随着试件变形增大、试验频率提高，必须相应增加伺服泵站的额定输出排量，加大电机功率，当试验频率和振幅两项参数均要求较高，超出电液伺服阀的负载流量特性曲线时，电液伺服疲劳试验系统将无法正常工作。4.3以中南大学国家&863计划科研项目&朔黄铁路两万吨重载运输桥梁疲劳试验为例：30吨轴重铁路桥梁的疲劳寿命试验参数，最大试验力1000kN、最大变形30mm、动载试验力上峰值895.2kN、试验力下峰值101.5kN、脉动疲劳幅值793.7&kN、载荷不对称系数8.82、试验频率2-3Hz、疲劳试验次数300万次。采用电液脉动疲劳试验机脉动液压站设计系统压力30MPa，作动器活塞直径&P210mm,计算液压站脉动排量：L=3.14*1052*30=1038ml/次，考虑利用系数，按照每次最大脉动排量1600ml设计，每分钟脉动液压站排量相当于1.6*3*60=288升，主电机功率45kW,由于机械飞轮惯性蓄能的作用，运行过程中主电机无需满负荷工作，实际功耗为标称功率的1/4-1/3左右,&大约为12-15千瓦时。采用电液伺服疲劳试验机泵站设计系统压力为20MPa,&作动器活塞直径&P260mm,作动器进行正常工作的最大流量：&QL=3.14*13.02*3.0*3*60=毫升=286升，根据电液伺服阀负载极限计算公式，系统所需最大流量QLmax=&3￣QL=1.732*286=495.35升，伺服泵站设计排量至少应为500升，泵站功率N=PQ/61.2&=20*500/61.2*0.7=233.4kW,&再考虑驱动电机功率储备系数选取1.2,驱动电机的额定功率至少应选280&kW,试验过程中实际功耗大约为280千瓦时。通过上述对比计算可以看出相同试验条件下脉动疲劳试验机的功率消耗大约相当于电液伺服疲劳试验机的二十分之一左右，节能效果十分明显，运行成本有天壤之别。4.4从国内电液伺服试验机制造厂家的工厂配电容量看，国内试验机制造厂家均不具备大型伺服泵站的满负荷运行调试条件，生产厂家不能在制造工厂内完成整机的全部调试运行工作，必须将全套设备运至客户处进行装配联调,大型复杂的伺服泵站安装调试运行周期都很长，一般需要2-3个月。而电液脉动疲劳试验机由于功率消耗低，制造厂家都是在工厂进行整机的全面调试运行，完成动静载满负荷运行200万次以上的试运行工作以后再交付客户，一般在客户处的安装调试周期很短，2-3天即可交付使用。实际上，国内外的大型综合科研机构的实验室，配电容量也都受到供电系统的限制，不能无限扩容，造成很多的大型电液伺服疲劳试验机无法满载运行，无法发挥其最大试验能力，更多的电液伺服疲劳测试系统则被当成了静态性能试验机或者低周、超低周疲劳测试系统来应用，更有甚者成百上千万引进的国外电液伺服疲劳试验机因为高能耗，供电系统无法满足需要而被废弃。4.5为了克服电液伺服疲劳测试系统能耗极高的设计原理缺陷，国内外的制造厂家也做了大量探索改进，目前广泛采用的是将原来的单台一级恒压定量泵站改为多台梯级恒压定量泵站协调加载。这种技术通俗地讲就是把原来的一台大功率电动机驱动一台大功率油泵改为多台电动机分别驱动多台油泵，根据驱动作动器进行疲劳试验的最大流量要求决定开启油泵电机组的数量，当试验需要作动器满负荷运行时，仍然需要全部开启，多台油泵电机组同时开启工作以后，作动器的同步协调加载控制又受到影响和限制，这种技术并没有从原理层面解决电液伺服疲劳系统能耗高的致命缺陷，反而增加了控制难度，降低了系统可靠性。4.6&目前，国内外以常规疲劳寿命检测为主的各大型综合实验室，进行大载荷、长周期、大振幅的疲劳寿命试验采用电液脉动疲劳试验机来完成，而材料性能研究为主的小载荷、高低周、拟动力疲劳试验以电液伺服疲劳试验机为主仍然是普遍现象。5．作动器的结构形式作动器是试验机进行疲劳试验的执行元件，通过液压油推动负载运动，并将液压能转换为机械能，疲劳试验机的作动器不仅要求在结构上保证长寿命、高灵敏度、低摩擦，以免在试验中产生非线性等现象，还要求动态性能要好，即液压缸的固有频率必须足够高。5.1电液伺服疲劳试验机6．性价比差异&&通过上述4个方面的比较，总结两种疲劳测试技术多年来的实际应用情况，在性价比方面的差异主要体现在以下六个方面：6.1购置成本：仅从电液伺服疲劳测试系统与电液脉动疲劳测试系统的泵站排量、作动器和控制器来看，不考虑加载框架，最大脉动排量400ml/c的电液脉动疲劳液压站按照工作频率8Hz计算，有效工作排量最大为400ml*8*60=192000ml/min,大体相当于192升/分钟，采用全数字工控机测控系统配置500kN高响应低阻尼作动器，总体费用为50万元人民币，与国产电液伺服疲劳系统的价格相当，远低于相同排量进口电液伺服疲劳系统的价格；最大脉动排量800ml/c的电液脉动疲劳液压站按照工作频率8Hz计算，有效工作排量最大为800ml*8*60=384000ml,大体相当于384升/分钟，采用工控机测控系统配置1000kN高响应低阻尼作动器，总体费用为80万元人民币，略高于国产电液伺服疲劳系统的价格，是相同排量进口电液伺服疲劳系统价格的五分之一。6.2运行成本：以一组3件钢轨焊接接头疲劳寿命试验为例，最大试验力上峰值350kN、下峰值70kN、试验频率5-6Hz、试验次数200万次，选用PMW800-1500电液脉动疲劳试验机,3件试样可以同时进行疲劳寿命测试，大约需要100小时，每小时实际功率消耗为5-6kW,全部能耗大约600度；采用电液伺服疲劳试验机进行试验，伺服泵站排量需要230升/分，主电机功率110kW,正常试验运行100小时的电能消耗为11000度，再加上水冷或风冷的能耗大约为12000度，通过上述数据可以看出进行同样的试验，电液脉动疲劳试验机的能耗仅为电液伺服疲劳试验机的二十分之一。6.3实验室条件要求：电液伺服疲劳试验机70-80%的故障都是由于液压油的不清洁造成的，因此对液压油的清洁度有很高要求，滤油器精度必须达到0.005mm，以保证伺服控制阀的正常工作，对实验室的环境清洁度和温度要求较高，必须定期清洁液压系统更换新油；而电液脉动疲劳试验机对实验室环境无特殊要求。从占地面积来说，电液伺服疲劳试验机液压站都需要单独安装在固定位置，并且与冷却塔、水循环系统相连接，管路复杂，通常占地面积都在50-60m2以上；而电液脉动疲劳试验机的脉动液压站一般只需要5&m2左右即可，且根本不需要独立冷却系统，脉动液压站可以根据试样加载的具体位置要求随意移动，以缩短从液压站到作动器的液压管路长度，降低管路压力损失，提高疲劳试验的效率和精度。从配电容量来看，目前最大脉动排量为1600ml/c的电液脉动疲劳试验机也只需要45kW的启动功率,真正运行功耗不到15kW，可以驱动1台4000kN作动器按照频率5-6Hz、最大振幅10mm进行疲劳试验，而同样试验条件下的电液伺服疲劳液压系统排量至少800升/分钟，需要5套130kW的油泵电机组共计650kW来完成，对配电容量的要求两种疲劳测试系统的差距大约为10倍左右。6.4维护成本：电液伺服疲劳试验系统的核心控制元件为伺服控制阀和控制器，目前国产品牌的质量、精度和可靠性较国外有很大差距，而进口品牌的伺服控制阀和控制器采购维护费用昂贵，美国MTS公司维修冲洗一次电液伺服控制阀的周期大约需要2-3个月，费用2万美元左右，费用高且周期长，严重影响设备的使用效率。电液脉动疲劳试验机的核心是一套曲柄连杆摇杆滑块机构，采用中国建筑科学研究院&杨志&&罗洪伯&&济南力支测试系统有限公司梁忠举&&&&&关键词：电液脉动&电液伺服&&疲劳试验机&&&&&&人类社会产业革命以来的统计数据表明，机械零件的失效形式和破坏50-90%为疲劳破坏，机械零部件与建筑结构件的疲劳强度是影响可靠性和使用寿命的最主要因素，因此，通过疲劳试验的方式进行机械零部件和建筑工程结构件的抗疲劳设计越来越普遍。从1860年&疲劳试验之父&德国人沃勒（A.Walhler）研制的第一台机车车轴全尺寸疲劳试验机开始，对疲劳试验技术的研究一直是测试技术领域的重要课题。按照施加试验力的形式，疲劳试验机主要有机械式、液压式、电磁共振式、热疲劳四种。电液脉动疲劳试验机和电液伺服疲劳试验机均为液压加载式疲劳试验机，设计依据均为液压基本原理&帕斯卡定律，因此本质上讲这两种疲劳测试技术的基本原理是一致的，但由于形成液压系统压力变化（&DP）的原理不同，这两种液压疲劳测试技术也存在显著区别。&&&&1.工作原理&&电液脉动疲劳试验机采用的是&电&机&液&转换系统，电液伺服疲劳试验机采用的是&电&液&转换系统。&&&&1.1电液脉动疲劳试验机在进行动态疲劳试验时，先通过试验机静力加载方式将被测试样加载至与动态测试力值的下峰值相应的初始压力，再通过全数字电磁调速控制器控制主电动机的输出，驱动惯性飞轮和曲柄连杆机构，通过可调整摇杆、连杆、滑块机构驱动脉动活塞，液压系统压力发生正弦波形式的变化，液压站输出脉动液压油，驱动主机上的液压作动器工作，完成脉动疲劳试验，脉动试验力值、试样变形的大小通过调整滑块位移大小来完成，这一原理的核心是主电机仅对系统压力的变化（&DP）和试样变形作功，液压系统在工作状态是一个变压变量系统，主油泵提供给脉动液压站的液压油只是用来维持系统的初始压力，试验机功率消耗非常小。&&&&1.2电液伺服疲劳试验机则是电动机直接驱动高压油泵，计算机通过程序控制伺服比例阀的开口大小来调整输出到液压作动器的流量多少，从而驱动作动器进行动态试验工作，可以按照开环或闭环控制模式进行工作，计算机控制程序输出的波形有正弦波、方波、锯齿波等多种形式，伺服控制阀是实现液压控制的核心元件，由于伺服比例阀控制的需要，输入比例阀的液压油必须在整个运行过程中保持压力和流量始终恒定，液压系统必须按照达到并超过最大试验力和位移的排量要求进行设计，电液伺服液压系统必须是恒压定量输出系统，工作状态下必须始终按照设计最大功率运行，通俗地讲就是液压系统无用功耗巨大，液压系统发热快温度高，必须配备循环冷却装置进行不间断水冷或风冷。2.产品结构&&由于工作原理的差异，两种液压疲劳试验机的结构也各有其特点。&&&&2.1电液脉动疲劳试验机主要有脉动液压站、测控系统、加载主机或者试验台架等组成。脉动液压站有驱动主电机、惯性飞轮、曲柄摇杆滑块、脉动油缸活塞、工作油泵电机组、润滑油泵电机组、试验力加载阀、脉动量调整机构等组成；测控系统的发展经历了不同阶段，在电液脉动疲劳试验机由世界上第一家试验机专业制造厂家瑞士Amsler公司在上世纪60年代研制完成后，到1989年以前对脉动疲劳试验机的测控技术一直停留在手动加载、压力表测力的初级阶段，静态、动态试验力的测量精度都在5%以上；1989年开始原济南试验机厂开始生产数显式液压脉动疲劳试验机，加载控制方式改进为电动加载形式，静态试验力值精度达到&1%、动态试验力的测量精度控制在2%以内；此后20年脉动疲劳试验机的技术进步基本处于停滞阶段，直到2009年济南力支测试系统有限公司成立后，将电液式脉动疲劳试验机的测控技术推进到一个全新阶段，最新一代的电液脉动疲劳试验机测控系统采用工业控制计算机、PCI板卡集成式测量控制器，将试验力、位移、变形测量、试验次数、试验频率、试验时间、试验曲线等通过软件界面集中处理和显示，动静态试验力、位移、变形示值精度均达到&1%以内，与电液伺服疲劳试验机的测量精度完全一致，见附图1。试验力位移变形全闭环控制系统的研发工作也在紧张进行中，预计2012年底完成样机研制以满足市场需要。图1&PMW800-1500电液式脉动疲劳试验机脉动液压站和工控机测控系统2.2电液伺服疲劳试验机主要由恒压定量液压伺服泵站、循环水冷却系统、控制系统、伺服作动器、加载主机或试验台架等组成。泵站结构相对简单，电机功率油泵排量大，冷却系统复杂，测控系统采用电气和计算机自动控制模式。见附图2、附图3。图2&国产400l/min电液伺服疲劳试验机恒压定量液压泵站图3&美国MTS公司200l/min电液伺服疲劳试验机恒压定量液压泵站2.3从产品结构来看，电液脉动疲劳测试技术增加了机械能转换环节，使得电液脉动疲劳试验机的泵站结构比较复杂，机械零部件的设计制造难度较大、制造周期长，由于不需要冷却系统整机占地面积小、电机功率小噪声低；电液伺服疲劳试验机由于需要专门水冷或风冷系统，占地面积大、主电机功率大噪声污染严重，泵站安装一般需要独立的机房和室外循环冷却水塔等辅助设施。3．沿革与发展&&3.1两种类型的液压疲劳试验技术在上世纪60年代初由瑞士Amsler公司最先开始研发应用，400ml/次排量的液压脉动疲劳试验机在上世纪60年代开始引入我国，先后服务于中国铁道科学研究院、中国建筑科学研究院、清华大学、一汽技术中心等国家级科研院所，原济南试验机厂自上世纪70年代初开始研制400ml/次排量最大试验力为50吨的液压式脉动疲劳试验机，填补了国内空白，PME-50A液压脉动疲劳试验机荣获1978年全国科技大会奖，此后，工程技术人员一直致力于将两台400ml排量主机并联为800ml排量主机的努力，但始终没有取得成功。同一时期瑞士Amsler公司脉动疲劳测试技术也停滞不前，直至公司被ZWICK公司收购，截至2009年只有瑞士W+B公司和国内的济南试金生产400ml/次排量脉动疲劳试验机。3.2济南力支测试系统有限公司自2009年成立以来，专注于电液脉动疲劳测试技术的研发，已经先后研发完成400ml、800ml、1200ml、1600ml排量的全系列脉动液压站，并研发完成最大试验力为500kN、1000kN、1200kN、1500kN、2000kN、4000kN的作动器和加载主机，通过工业控制计算机、电子电磁传感器、全数字控制器、伺服电机、液压伺服控制阀等最新技术的应用，脉动疲劳试验机的测控技术得到迅速提升，使我国电液脉动疲劳试验机的研发技术水平处于世界领先地位，先后为中国建筑科学研究院国家建筑工程质检中心、中国铁道科学研究院、交通运输部公路科学研究院、机械科学研究总院、中国汽车工程研究院、中南大学高速铁路建造技术国家工程实验室等国家级科研质检机构提供电液脉动疲劳试验机产品和服务，见附图4、5、6。目前电液式脉动疲劳试验机在我国的市场保有量近300台&图4&&PMW800-2000钢绞线锚具连接器脉动疲劳试验机交通运输部公路科学研究院&国家道路及桥梁质量监督检验中心图5&PMW800-1500三通道钢轨接头脉动疲劳试验机中国铁道科学研究院&国家铁道产品质量监督检验中心图6中南大学&高速铁路建造技术国家工程试验室世界首台最大脉动排量1600ml/c脉动疲劳试验机套，广泛服务于铁道、交通、建筑、机械、汽车制造各大行业的国家级质量监督检验机构，为我国高速铁路、高速公路建设、汽车制造、机车车辆制造、机械制造、桥梁、地铁、核电的质量检测做出重要贡献。&&&&3.3电液脉动疲劳试验机在国外特别是在欧洲的应用也很普遍，目前在瑞士、德国等发达国家的国家实验室仍然都在应用脉动疲劳试验机。附图4为瑞士联邦国家研究院（EMPA）试验室6000kN钢绞线锚具脉动疲劳试验现场照片（左图摄于2007年7月24日）。图7&&瑞士联邦国家研究院（EMPA）6000kN钢绞线锚具脉动疲劳试验机&&&&3.4电液伺服疲劳测试技术在1980年以后，由于美国MTS公司的积极研发和推广，特别是计算机、电子传感器等应用技术在电液伺服疲劳测量控制技术上的应用，使得电液伺服疲劳测试技术在世界范围内影响和应用超越电液脉动和电磁高频疲劳测试技术不断提高，而电液脉动疲劳试验技术由于机械设计、制造的难度较大，核心技术不宜被模仿，测控技术没有及时采用新兴应用技术等诸多客观原因，应用推广的速度逐渐落后。4．技术应用特点&&4.1由于设计原理的差异，电液脉动疲劳试验机特别适合中低频（1-10Hz）、大振幅大变形（0-300mm）、较大荷载及重载的疲劳试验，可以多作动器同周期、同荷载、同振幅多点同步协调加载运行，但不能进行交变疲劳试验（同时拉-压应力幅试验）。特别适合于汽车驱动桥壳、前后桥、挂车车轴、弹簧悬架、板弹簧、大规格圆弹簧、钢轨及焊接接头、轨枕、铁路扣件组装、橡胶支座、建筑混凝土构件、桥梁、矿用锚杆、钢绞线锚具等的应力&疲劳寿命周期试验。4.2电液伺服疲劳试验机由于电液伺服比例阀的排量限制，特别适合低周超低周（0.001-2Hz）、小振幅小变形（0-5mm）、中小荷载疲劳试验，尤其是在多作动器多点协调加载且试样变形较小（例如飞机机身、机车转向架等大型复杂受力结构件）时可以不受频率、载荷、试验波形限制，特别是电液伺服振动台的研制等方面有明显优势。但是随着试件变形增大、试验频率提高，必须相应增加伺服泵站的额定输出排量，加大电机功率，当试验频率和振幅两项参数均要求较高，超出电液伺服阀的负载流量特性曲线时，电液伺服疲劳试验系统将无法正常工作。4.3以中南大学国家&863计划科研项目&朔黄铁路两万吨重载运输桥梁疲劳试验为例：30吨轴重铁路桥梁的疲劳寿命试验参数，最大试验力1000kN、最大变形30mm、动载试验力上峰值895.2kN、试验力下峰值101.5kN、脉动疲劳幅值793.7&kN、载荷不对称系数8.82、试验频率2-3Hz、疲劳试验次数300万次。采用电液脉动疲劳试验机脉动液压站设计系统压力30MPa，作动器活塞直径&P210mm,计算液压站脉动排量：L=3.14*1052*30=1038ml/次，考虑利用系数，按照每次最大脉动排量1600ml设计，每分钟脉动液压站排量相当于1.6*3*60=288升，主电机功率45kW,由于机械飞轮惯性蓄能的作用，运行过程中主电机无需满负荷工作，实际功耗为标称功率的1/4-1/3左右,&大约为12-15千瓦时。采用电液伺服疲劳试验机泵站设计系统压力为20MPa,&作动器活塞直径&P260mm,作动器进行正常工作的最大流量：&QL=3.14*13.02*3.0*3*60=毫升=286升，根据电液伺服阀负载极限计算公式，系统所需最大流量QLmax=&3￣QL=1.732*286=495.35升，伺服泵站设计排量至少应为500升，泵站功率N=PQ/61.2&=20*500/61.2*0.7=233.4kW,&再考虑驱动电机功率储备系数选取1.2,驱动电机的额定功率至少应选280&kW,试验过程中实际功耗大约为280千瓦时。通过上述对比计算可以看出相同试验条件下脉动疲劳试验机的功率消耗大约相当于电液伺服疲劳试验机的二十分之一左右，节能效果十分明显，运行成本有天壤之别。4.4从国内电液伺服试验机制造厂家的工厂配电容量看，国内试验机制造厂家均不具备大型伺服泵站的满负荷运行调试条件，生产厂家不能在制造工厂内完成整机的全部调试运行工作，必须将全套设备运至客户处进行装配联调,大型复杂的伺服泵站安装调试运行周期都很长，一般需要2-3个月。而电液脉动疲劳试验机由于功率消耗低，制造厂家都是在工厂进行整机的全面调试运行，完成动静载满负荷运行200万次以上的试运行工作以后再交付客户，一般在客户处的安装调试周期很短，2-3天即可交付使用。实际上，国内外的大型综合科研机构的实验室，配电容量也都受到供电系统的限制，不能无限扩容，造成很多的大型电液伺服疲劳试验机无法满载运行，无法发挥其最大试验能力，更多的电液伺服疲劳测试系统则被当成了静态性能试验机或者低周、超低周疲劳测试系统来应用，更有甚者成百上千万引进的国外电液伺服疲劳试验机因为高能耗，供电系统无法满足需要而被废弃。4.5为了克服电液伺服疲劳测试系统能耗极高的设计原理缺陷，国内外的制造厂家也做了大量探索改进，目前广泛采用的是将原来的单台一级恒压定量泵站改为多台梯级恒压定量泵站协调加载。这种技术通俗地讲就是把原来的一台大功率电动机驱动一台大功率油泵改为多台电动机分别驱动多台油泵，根据驱动作动器进行疲劳试验的最大流量要求决定开启油泵电机组的数量，当试验需要作动器满负荷运行时，仍然需要全部开启，多台油泵电机组同时开启工作以后，作动器的同步协调加载控制又受到影响和限制，这种技术并没有从原理层面解决电液伺服疲劳系统能耗高的致命缺陷，反而增加了控制难度，降低了系统可靠性。4.6&目前，国内外以常规疲劳寿命检测为主的各大型综合实验室，进行大载荷、长周期、大振幅的疲劳寿命试验采用电液脉动疲劳试验机来完成，而材料性能研究为主的小载荷、高低周、拟动力疲劳试验以电液伺服疲劳试验机为主仍然是普遍现象。5．作动器的结构形式作动器是试验机进行疲劳试验的执行元件，通过液压油推动负载运动，并将液压能转换为机械能，疲劳试验机的作动器不仅要求在结构上保证长寿命、高灵敏度、低摩擦，以免在试验中产生非线性等现象，还要求动态性能要好，即液压缸的固有频率必须足够高。5.1电液伺服疲劳试验机6．性价比差异&&通过上述4个方面的比较，总结两种疲劳测试技术多年来的实际应用情况，在性价比方面的差异主要体现在以下六个方面：6.1购置成本：仅从电液伺服疲劳测试系统与电液脉动疲劳测试系统的泵站排量、作动器和控制器来看，不考虑加载框架，最大脉动排量400ml/c的电液脉动疲劳液压站按照工作频率8Hz计算，有效工作排量最大为400ml*8*60=192000ml/min,大体相当于192升/分钟，采用全数字工控机测控系统配置500kN高响应低阻尼作动器，总体费用为50万元人民币，与国产电液伺服疲劳系统的价格相当，远低于相同排量进口电液伺服疲劳系统的价格；最大脉动排量800ml/c的电液脉动疲劳液压站按照工作频率8Hz计算，有效工作排量最大为800ml*8*60=384000ml,大体相当于384升/分钟，采用工控机测控系统配置1000kN高响应低阻尼作动器，总体费用为80万元人民币，略高于国产电液伺服疲劳系统的价格，是相同排量进口电液伺服疲劳系统价格的五分之一。6.2运行成本：以一组3件钢轨焊接接头疲劳寿命试验为例，最大试验力上峰值350kN、下峰值70kN、试验频率5-6Hz、试验次数200万次，选用PMW800-1500电液脉动疲劳试验机,3件试样可以同时进行疲劳寿命测试，大约需要100小时，每小时实际功率消耗为5-6kW,全部能耗大约600度；采用电液伺服疲劳试验机进行试验，伺服泵站排量需要230升/分，主电机功率110kW,正常试验运行100小时的电能消耗为11000度，再加上水冷或风冷的能耗大约为12000度，通过上述数据可以看出进行同样的试验，电液脉动疲劳试验机的能耗仅为电液伺服疲劳试验机的二十分之一。6.3实验室条件要求：电液伺服疲劳试验机70-80%的故障都是由于液压油的不清洁造成的，因此对液压油的清洁度有很高要求，滤油器精度必须达到0.005mm，以保证伺服控制阀的正常工作，对实验室的环境清洁度和温度要求较高，必须定期清洁液压系统更换新油；而电液脉动疲劳试验机对实验室环境无特殊要求。从占地面积来说，电液伺服疲劳试验机液压站都需要单独安装在固定位置，并且与冷却塔、水循环系统相连接，管路复杂，通常占地面积都在50-60m2以上；而电液脉动疲劳试验机的脉动液压站一般只需要5&m2左右即可，且根本不需要独立冷却系统，脉动液压站可以根据试样加载的具体位置要求随意移动，以缩短从液压站到作动器的液压管路长度，降低管路压力损失，提高疲劳试验的效率和精度。从配电容量来看，目前最大脉动排量为1600ml/c的电液脉动疲劳试验机也只需要45kW的启动功率,真正运行功耗不到15kW，可以驱动1台4000kN作动器按照频率5-6Hz、最大振幅10mm进行疲劳试验，而同样试验条件下的电液伺服疲劳液压系统排量至少800升/分钟，需要5套130kW的油泵电机组共计650kW来完成，对配电容量的要求两种疲劳测试系统的差距大约为10倍左右。6.4维护成本：电液伺服疲劳试验系统的核心控制元件为伺服控制阀和控制器，目前国产品牌的质量、精度和可靠性较国外有很大差距，而进口品牌的伺服控制阀和控制器采购维护费用昂贵，美国MTS公司维修冲洗一次电液伺服控制阀的周期大约需要2-3个月，费用2万美元左右，费用高且周期长，严重影响设备的使用效率。电液脉动疲劳试验机的核心是一套曲柄连杆摇杆滑块机构，采用&
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