一种疲劳试验机测试系统的设计

0　前言

疲劳失效是机器零部件失效的主要形式,因此疲劳试验是检验材料性能的重要手段。在疲劳试验中判断试件是否破坏,传统方法主要以目测宏观裂纹的出现为依据,这种观测方法往往难以保证准确地给出材料的疲劳寿命,而且也不能提供裂纹随载荷、时间、温度等外变量变化而变化的实时或连续信息。因此,研制一台通用性好的、低成本的疲劳试验机具有实际意义。本课题所研制的疲劳试验机包括机械系统、控制系统和测试系统。测试系统是疲劳试验机的关键部分,是了解材料或试件疲劳的依据。

1　测试系统总体设计

疲劳试验中需要测量的物理量,通常有试验机施加给试件的交变载荷、激振频率(转速),以及载荷循环次数。此外,长期以来,在疲劳试验中判断试验件是否破坏,主要是以目测宏观裂纹的出现为依据[1]。这种粗略式的观测方法难以保证准确地给出机件的疲劳寿命,同时也不能提供裂纹随载荷、时间等外变量变化而变化的实时或连续信息。为了能够清楚地了解疲劳裂纹的萌生、扩展的全过程,必须寻找一种有效的对裂纹进行实时监测的技术手段,它要能在试验状态下实时发现试件的起始裂纹,再结合其他一些有效检测手段对破坏模式进行识别,这样才能对试件的破坏过程有一个全面的了解。

材料在各种交变载荷作用下,将产生位错-滑移-微观裂纹-裂纹扩展,直至最后断裂。上述过程实际上是一种应变能的释放过程,而其中一部分应变能以应力波的形式释放出来,于是产生了声发射[2]。声发射技术作为一门新兴的动态无损检测技术,较好地解决了传统疲劳试验中疲劳裂纹检测手段的诸多不足,它具有检测活动性缺陷和确定缺陷部位,以及提供缺陷变化的实时、连续信息的能力。因此,在疲劳试验中,通过检测和研究材料受载过程的声发射变化情况,就可以对材料或结构件的损伤程度进行评价。用声发射技术能够对裂纹的扩展过程进行监测,且能够反映裂纹动态扩展的过程,是研究材料疲劳断裂的有效方法[3]。疲劳试验机的总体设计方案如图1所示。

2　声发射检测系统设计

声发射检测系统一般由声发射传感器、前置放大器、数据采集卡和PC机组成[2],如图2所示。

　　采用北京声华科技公司的SR15B型声发射传感器和PAⅤ型宽带前置放大器作为声发射信号测试系统的组成部分。声发射传感器的带宽为50KHz~400 KHz,灵敏度>-65 dB,自带磁夹具便于固定。前置放大器体积小、抗撞击,带宽为10 KHz到2 MHz,增益40 dB,单端输入(仪器标配),单端输出,输入阻抗>50 MΩ,输出为模拟信号。

　　声发射信号采集系统选用成都中科动态仪器有限公司的PCI4712数据采集卡。PCI4712采用同步并行设计,卡上集成了4片高50Msps 12bit A/D转换器,和4个独立的高速精密运算放大及精密衰减滤波网络组成的程控增益通道,实现±100 mV~±20 V大动态信号采集,每通道最大存储深度可扩展到16 M.模拟输入、触发功能、时钟同步和动态升级都是其重要的构架。每个通道的独立控制和无手工调节器件,使其具有高测量精度和相位一致性,具有较高的工作可靠性和稳定性。