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(tài)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(xiàn)代機械裝備零件超長壽命和超高可靠性要求，傳統(tǒng)的疲勞試驗技術已無法滿足現(xiàn)在的要求。超聲波疲勞試驗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(fā)動機葉片超長壽疲勞試驗切實可用方案。

金屬疲勞引起的空難案例

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

金屬疲勞制約發(fā)展

航空燃氣渦輪發(fā)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(yè)和軍事裝備發(fā)展的關鍵裝備。航空發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)動機的研制生產和安全使用。

金屬疲勞產生的因素

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(fā)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(fā)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

航空發(fā)動機部件面臨嚴峻的超長壽命疲勞斷裂問題！

超聲疲勞試驗原理

超聲波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?；趬弘娚炜s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(guī)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工業(yè)材料的高重復周期的疲勞極限。

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）高周疲勞試驗，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(yōu)化設計軟件。

超聲超高周疲勞試驗系統(tǒng)九項關鍵技術

1. 寬頻智能超聲波信號發(fā)生器技術
2. 高效超聲換能器技術
3. 高倍振幅變幅桿設計技術
4. 多功能平均載荷施加技術（針對拉壓、三點彎曲等）
5. 高精度機電耦合激振控制技術
6. 疲勞試驗過程監(jiān)控技術
7. 試樣輔助設計技術
8. 離線或在線校準技術
9. 高效冷卻技術

超聲波疲勞試驗機的組成

加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)是超聲超高周疲勞試驗系統(tǒng)的主要硬件部分，包括：智能超聲波信號發(fā)生器（超聲波電源）、超聲波振動部件（包括換能器和變幅桿）和靜載施加裝置等三部分組成。

• 超聲波發(fā)生器根據系統(tǒng)負載變化能夠保持振動組件的輸出振幅；具有頻率全自動跟蹤的數字發(fā)生器，自動掃頻跟蹤、顯示共振頻率；具有軟啟動功能，軟啟動時間1~999ms可調等功能，掃頻時，在低功率條件下進行，可以避免對試樣產生損傷。
• 超聲波振動系統(tǒng)內置風扇冷卻的JZ2050-4D型換能器，大功率2000W，大承受壓力0.6Mpa，高工作溫度80℃。變幅桿分別為鈦合金和高強度鋼變幅桿。

控制系統(tǒng)

• 具有載荷譜錄入、加載功能；
• 試驗數據可導出EXCEL文件；
• 軟件能夠控制靜態(tài)加載系統(tǒng)，加載到載荷并保載。
• 可設定工作頻率范圍，超出范圍時設備停止工作，并在界面上顯示提示信息；
• 具有多種試件輔助設計功能，用于試驗前，根據試驗目的、材料參數等輔助用戶設計試件。
• 軟件能夠顯示超聲發(fā)生器工作的頻率和名義位移數據，并能讀取 MTI光纖測振儀測量結果，顯示相應曲線。
• 具有間歇加載功能，可按程序設定連續(xù)和間斷加載試驗，以及間斷時間；間斷加載應有防止啟動功率過大對試樣產生損傷的功能；

校準系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括無油*空壓機、冷凍式干燥機、精密過濾器、冷卻槍，并預留有液氮冷卻裝置連接口，可實現(xiàn)超聲加載過程中的試樣有效冷卻，使試件溫度始終≦80℃，確保試驗的順利進行及試驗數據的有效性；試驗過程中，總體噪音可控制在70dB以下。

超聲疲勞試驗的優(yōu)點

• 以一個樣本的10的9次方的長壽命疲勞試驗為例：
• 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；
• 而20KHZ超聲波疲勞試驗技術僅僅只需13.8小時。

目前的應用

超聲疲勞試驗法主要應用于航空航天、高鐵汽車和核電站等領域，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(guī)疲勞試驗方法，可以縮短試驗時間90%以上，大幅度節(jié)省試驗成本。

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