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超聲波疲勞試驗機的基本原理與設(shè)備組成

閱讀:2285發(fā)布時間:2021-7-16

  在許多應(yīng)用中,承受周期性或重復(fù)性機械應(yīng)力的金屬部件在低于靜態(tài)測試值的情況下會失效。這個過程稱為疲勞破壞,它起源于應(yīng)力集中的點,例如尖銳的末端,凹口或夾雜物。一旦成核,裂紋就會由于循環(huán)應(yīng)力而傳播通過部件,直到破裂。據(jù)估計,疲勞造成了服務(wù)中90%的機械故障。機械故障會導(dǎo)致很嚴(yán)重的事故,例如飛機失事、交通事故等。因此為了避免此類事件的發(fā)生,測試疲勞度機器應(yīng)運而生。
 
  超聲波疲勞試驗機作為一種加速疲勞測試技術(shù),可以大大減少新工藝和新材料的應(yīng)用周期的技術(shù)設(shè)備,受到發(fā)電、空間、核能、航空等重要領(lǐng)域的青睞。超聲疲勞試驗機被要求具有很高的性能,以確保在超聲疲勞測試領(lǐng)域中具有特定的應(yīng)用技術(shù)。
 
  超聲波疲勞試驗機被用于進行超聲波疲勞測試。超聲波疲勞測試基于縱波沿著給定材料的樣本的傳播,從而對被測元件產(chǎn)生周期性的應(yīng)力壓縮效應(yīng)。一段時間后,每種材料的不同,裂紋會在試樣的中心成核,一直擴展到產(chǎn)生疲勞破壞。縱向機械波由在設(shè)備的電子級產(chǎn)生的充滿正弦電信號的機電換能器產(chǎn)生。產(chǎn)生,放大并最終將電信號發(fā)送到由壓電環(huán)組成的超聲換能器,以將電壓和電流轉(zhuǎn)換為縱向機械位移。下圖展示了一個超聲波換能器和所產(chǎn)生的機械波的放大。
 
  超聲疲勞測試的工作原理是在整個系統(tǒng)的共振頻率下工作,使用壓電陶瓷彈性振動波的共振試驗方法,該共振頻率包括換能器和測試的疲勞樣本。因此,使共振中的位置移動大化會降低所提供的電能。樣品的幾何形狀是獲得超聲疲勞測試所需的應(yīng)力和應(yīng)變振幅值的基礎(chǔ)。通過開槽,可以放大樣品中心的應(yīng)力和應(yīng)變,從而降低實現(xiàn)所需振幅所需的電功率。另外,必須計算試樣的長度,以允許在切口上形成最大縱向應(yīng)力應(yīng)變,在端部產(chǎn)生最大位移的駐波。
 
  超聲波疲勞測試機的由超聲波換能器、超聲波發(fā)生器、變幅桿、工具頭和試樣測試組成。換能器是將電信號轉(zhuǎn)換為機械振動的設(shè)備,由超聲波發(fā)生器控制。超聲波發(fā)生器將50Hz電壓轉(zhuǎn)換為具有系統(tǒng)共振頻率的正弦電信號。變幅桿會放大來自換能器的振動,以便在樣品的中間部分獲得所需的應(yīng)力幅度。工具頭能將系統(tǒng)的高頻振動傳遞給樣品測試,從而達(dá)到疲勞試驗的最終目的。樣品測試的特點是相對于縱向尺寸的中心對稱,與其他元件不同,該共振元件是一次性的,只能使用一次。標(biāo)本的測試是在車間設(shè)計和加工的。超聲波發(fā)生器是由計算機控制的,因此整個系統(tǒng)(換能器,工具頭和樣品)的共振在整個測試過程中都得以保持。在超聲波疲勞機外設(shè)置集成化系統(tǒng),使得整個金屬的疲勞試驗更加精準(zhǔn)。
 
  超聲波疲勞測試實現(xiàn)了20kHz的*頻率,一天即可實現(xiàn)109個周期,而傳統(tǒng)的100Hz疲勞測試則需要3個月。例如,在用于車輛的內(nèi)燃機和航空渦輪葉片或發(fā)電的組件。使用工作頻率為20Hz的傳統(tǒng)液壓機進行周期測量需要17年,傳統(tǒng)疲勞機的測試周期過長,使得有必要開發(fā)一種更有效的方法。超聲疲勞試驗機應(yīng)運而生,僅僅需要20kHz的工作頻率便可以在不到一周的時間內(nèi)完成測量,測試效率大大提高。

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