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超高周疲勞試驗機

超高周疲勞試驗機
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超高周疲勞試驗機用于進行測定金屬、合金材料及其構件在室溫狀態下的拉伸、壓縮或拉壓交變負荷的疲勞特性、疲勞壽命、預制裂紋及裂紋擴展試驗。

針對現代機械裝備零件超長壽命和超高可靠性要求,傳統的疲勞試驗技術已無法滿足現在的要求。超高周疲勞試驗機是一種加速共振式的疲勞試驗方法,可大大縮短試驗的時間,是航空發動機葉片超長壽疲勞試驗*可用方案。

金屬疲勞造成空難

2018年4月17日1380次航班(波音737-700),從紐約– 拉瓜迪亞機場前往達拉斯愛田機場。

1號發動機的13號風扇葉片丟失。有證據表明葉片破裂的區域存在金屬疲勞。事故發動機的風扇葉片,自新安裝以來累計超過32000個發動機循環。

金屬疲勞試驗重要性

航空燃氣渦輪發動機是飛機、直升機的主要動力裝置,是長期制約我國航空工業和軍事裝備發展的關鍵裝備。航空發動機是具有多個轉子且工況變化十分頻繁的高速旋轉機械, 其部件(特別是葉片和盤)承受十分復雜振動載荷。

 

 

PW4084發動機,配裝波音777客機

 

 

由振動載荷引起的材料疲勞問題是制約航空發動機高可靠性、長壽命服役的關鍵問題,長期以來一直困擾我國航空發動機的研制生產和安全使用。

葉片疲勞因素

高周疲勞(HCF)和超高周疲勞(VHCF)主要是由各種氣動、機械源誘導的振動應力引起的,其頻率可達數千赫茲,可以導致發動機重要部件(風扇、壓氣機和渦輪葉片或盤,以及導管)疲勞斷裂,甚至導致飛行事故。

  • 發動機內流擾動

  • 自激振動(顫振和抖振流動分離)

  • 流動畸變(壓力)

  • 轉子不平衡

超高周疲勞試驗機試驗原理

超高周疲勞試驗機是一種加速共振式的疲勞試驗方法,在被加載試樣上建立機械諧振波。基于壓電伸縮原理并利用高能超聲波諧振技術,它的測試頻率(20kHz)遠遠超過了常規疲勞測試頻率。在實際試驗時間內能得到疲勞度以及閾值附近的數據,由于頻率高,能夠迅速地檢測各種各種工業材料的高重復周期的疲勞極限。

針對現代機械裝備零件超長壽命和超高可靠性要求,超聲疲勞試驗機基于超聲波諧振原理,在試樣上產生高頻振動載荷,完成材料的(超)高周疲勞性能試驗。本公司研制的第三代多功能超聲疲勞試驗機具有工作頻率范圍寬、輸出幅值大、控制精度高的特點,可以開展各種金屬材料和復合材料的變應力比軸向對稱拉壓、變應力比三點彎曲、振動彎曲等多種加載形式的超聲波疲勞試驗,同時提供軸向拉壓、三點彎曲、振動彎曲等各類試樣的輔助優化設計軟件。

超聲波疲勞試驗優點

  • 可作隨機變幅加載,包括低水平載荷,從而更接近工程實際。

  • 采用計算機設定和控制試驗,可以簡單地再現微小缺陷而產生的疲勞破壞。

  • 由于在共振狀態下進行試驗,可以產生高應力,能夠進行1000MPa級的鋼材試驗。

  • 試驗設備所需輸出功率很低(數十瓦到數百瓦),可大量節省能源,節約試驗經費。

  • 諧振時試件端部的應力水平很低,從而簡化了試件裝夾,只需一端裝夾,這對于脆性材料很有利。

  • 以20KHz的重復頻率快速評價金屬材料的疲勞壽命,縮短試驗時間數百倍乃至上千倍

以109疲勞試驗為例

 

20Hz伺服液壓疲勞試驗需要1.5年;

50Hz旋轉彎曲試驗機需要231天;

300Hz高頻振動臺需要38.5天;

20Khz超聲疲勞實驗僅需13.8小時。

 

 

超高周疲勞試驗機試驗法主要應用

主要應用于航空航天、高鐵汽車和電站等領域,開展合金鋼、鋁合金和鈦合金等各類金屬材料,以及碳纖維復合材料的(超)高周疲勞性能試驗。相較于常規疲勞試驗方法,可以縮短試驗時間90%以上,大幅度節省試驗成本。

設備參數

工作頻率 20KHz±1KHz 使用功率 2000W
頻率分辨率 1Hz 波形失真度 <1%(20KHz正弦波)
輸出振幅 ±10~±75μm 控制精度 1μm
線性度 >99% 驅動電源 數控發生器
工作模式 連續或間斷工作 產品型號 HC-DF2030GD-3
超聲振動應力范圍:(以鈦合金為例)
拉壓 100~750MPa 三點彎曲 65~487.5MPa
振動彎曲 55~412.5MPa 平均應力范圍 0~1000MPa
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