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行業動態

拉力機技術發展探究及根源

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2020/11/4     瀏覽次數:    

較早的靜態拉力機是機械式,如英國早在1880年已生產了杠桿重錘式材料試驗機,在1908年又生產了螺母、螺桿加載的試驗機(電子試驗機的雛形),這些試驗機可進行材料的拉伸、壓縮、彎曲和扭轉等驗,約在90年前,瑞士Amsler公司開發了液壓試驗機,這種試驗機較機械式操作簡便、輸出力大、結構簡單、體積緊湊,能完成材料的各種靜態力學性能試驗。

僅僅了解材料的靜態力學性能是遠遠不夠的,在現實生活中大部分的破壞是因為疲勞破壞。根據國外統計,失效的機器零件中50%-90%為疲勞破壞。因此許多發達國家非常重視對疲勞強度的研究。

勞問題的產生可追溯到19世紀初葉,產業革命以后,隨著蒸汽機車和機動運載工具的發展以及機械設備的廣泛應用,運動部件的破壞經常發生。破壞往往發生在零部件的截面突變處。破壞處的名義應力不高,低于材料的強度極限,有時還低于屈服極限。

疲勞現象首先系統研究的實驗者是德國人A.Whler(沃勒),他自1847年起,在擔任機車車輛廠廠長和機械廠廠長的23年中,對金屬疲勞進行了深入系統的研究。1850年,德國人A.Whler(沃勒)設計了專業臺用于機車車軸的疲勞試驗機(亦稱A.Whler疲勞試驗機),用來進行全尺寸機車車軸的疲勞試驗。以后他又研制出多種型式的疲勞試驗機,并首次用金屬試樣進行疲勞試驗。他在1871年發表的論文中,系統論述了疲勞壽命和循環應力的關系,提出了S-N曲線和疲勞極限的概念,確立了應力幅是疲勞破壞的決定因素,奠定了金屬疲勞的基礎。因此公認A.Whler(沃勒)是疲勞的奠基人,有“疲勞試驗之父”之稱。

從19世紀70年代到90年代,Gerber W.(格伯)研究了平均應力對疲勞強度的影響,提出了Gerber拋物線方程,英國人Goodman J.(古德曼)提出了簡化直線—Goodman圖。1884年Bauschinger J.(包辛格)在驗證Whler疲勞試驗時,發現了在循環載荷下彈性極限降低的“循環軟化”現象,引入了應力—應變遲滯回線的概念。但他的工作當時人們并不重視,直到1952年Keuyon(柯楊)在做銅棒試驗時才把它重新提出來,并命名為“包辛格效應”。

20世紀初葉,開始使用金相顯微鏡來研究疲勞機制。1903年Ewing J.A.(尤因)和Humfery J.C.W.(漢弗萊)在單晶格鋁和多晶格鐵上發現了循環應力產生的滑移痕跡,指出了疲勞變形是由于與單調變形相類似的滑移所產生。1910年Bairstow(拜爾斯托)研究了循環載荷下應力—應變曲線的變化,測定了遲滯回線,建立了循環硬化與循環軟化的概念;并且還進行了程序疲勞試驗。在此時期,英國人Gough H.J.(高爾)在疲勞機制的研究上做出了很大貢獻;他還進行了彎—扭復合疲勞試驗,研究了彎—扭復合應力下的疲勞強度;并在倫敦出版了一本巨著《金屬疲勞》。

1929年美國人Peterson R.E.(彼特遜)對尺寸效應進行了一系列試驗,提出了應力集中系數的理論值。1929年—1930年英國人Haigh B.P.(海夫)對高強鋼和軟鋼的不同缺口效應做了合理解釋。

1945年美國人Miner M.A.(邁因納)在對疲勞損傷積累問題進行了大量試驗研究的基礎上,將Palmgren J.V.(帕姆格倫)1924年提出的線性累積損傷理論公式化,形成了Palmgren—Miner線性累積損傷法則(簡稱Miner法則)。在20世紀40年代前蘇聯的CepeHceH C.A.(謝聯先)還提出了常規疲勞的設計計算公式,奠定了常規疲勞設計的基礎。

1952年美國國家航空管理局劉易斯研究所的Manson S.S.(曼森)和Coffin L.F.(科芬),在大量試驗的基礎上,提出了表達塑性應變與疲勞壽命關系的Manson—Coffin方程,奠定了低周疲勞的基礎。20世紀50年代使用電子顯微鏡,給疲勞機制的研究開拓了新紀元。

用概率統計方法處理疲勞試驗數據是從20世紀40年代開始的。1949年Weibull W.(威布爾)發表了對疲勞試驗數據進行統計處理的知名方法。1959年Pope J.A.(波普)指出疲勞壽命服從對數正態分布。20世紀60年代開始將統計學應用于疲勞試驗和疲勞設計,1963年美國材料試驗學會(ASTM)上午E9委員會總結了這方面的研究成果,發表了《疲勞試驗與疲勞數據的統計分析指南》(ASTM STP91A)一書。

在上個世紀50年代初,出現了高速響應的永磁式力矩馬達,50年代后期又出現了已噴嘴擋板閥為先導級的電液伺服閥,使電液伺服系統成為當時響應快,控制精度高的伺服系統。1958年美國勃萊克布恩等公布了他們在麻省理工學院的研究工作,為現代電液伺服系統的理論和實踐奠定了基礎。60年代各種結構的電液伺服閥的相繼問世,特別是以穆格為代表的采用干式力矩馬達的級間力反饋的電液伺服閥的出現和各類電反饋技術的應用,進一步提高了電液伺服閥的性能,電液伺服技術日臻成熟,電液伺服系統已成為武器和航空、航天自動控制以及一部分民用技術設備自動控制的重要組成部分。

電液伺服動態疲勞試驗機,在此背景下隨著電液伺服技術的發展而發展起來。由于它既能進行動態的高低周疲勞試驗、程序控制疲勞試驗,也能進行靜態的恒速率、恒應變、恒應力控制下的試驗和各種常規的力學性能試驗,還可進行斷裂力學試驗,根據需要也可以進行部分的振動和沖擊試驗,也可以對廣義范圍上材料或構件的疲勞壽命、裂紋擴展、斷裂韌性性能測試、實際試件的安全性評價、工況模擬等,因此有著其它任何種類的試驗機所不能比擬的優勢,是國際疲勞界推崇的材料試驗設備。

20世紀60年代,隨著大規模集成電路的出現,研制出了能夠模擬零部件服役載荷工況的隨機疲勞試驗機。20世紀70年代,國外已廣泛使用電子計算機控制的電液伺服疲勞試驗裝置來進行隨機疲勞試驗。20世紀90年代,已經出現了上下位機結構的全數字的伺服控制器,閉環控制計算速率達到了6kHz,數據傳輸采用100Mb以太網卡(Ethernet),可以完成控制模式的平滑無擾切換、多通道的協調加載以及各種工況譜的實驗室再現。

低周疲勞Manson—Coffin方程、電子顯微鏡以及電液伺服動態疲勞試驗機的出現被國際疲勞研究界認為是疲勞研究的三大貢獻,電液伺服動態疲勞試驗機由于采用了閉環控制技術,從而在試驗中可以模擬實際使用工況,大大促進了疲勞試驗的發展。


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