超聲超高周疲勞試驗(yàn)設(shè)備

金屬疲勞制約發(fā)展

航空燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)是飛機(jī)、直升機(jī)的主要?jiǎng)恿ρb置，是長期制約我國航空工業(yè)和軍事裝備發(fā)展的關(guān)鍵裝備。航空發(fā)動(dòng)機(jī)是具有多個(gè)轉(zhuǎn)子且工況變化十分頻繁的高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械， 其部件（特別是葉片和盤）承受十分復(fù)雜振動(dòng)載荷。

由振動(dòng)載荷引起的材料疲勞問題是制約航空發(fā)動(dòng)機(jī)高可靠性、長壽命服役的關(guān)鍵問題，長期以來一直困擾我國航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制生產(chǎn)和安全使用。

金屬疲勞產(chǎn)生的因素

高周疲勞（HCF）和超高周疲勞（VHCF）主要是由各種氣動(dòng)、機(jī)械源誘導(dǎo)的振動(dòng)應(yīng)力引起的，其頻率可達(dá)數(shù)千赫茲，可以導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)重要部件（風(fēng)扇、壓氣機(jī)和渦輪葉片或盤，以及導(dǎo)管）疲勞斷裂，甚至導(dǎo)致飛行事故。

• 發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)流擾動(dòng)
• 自激振動(dòng)（顫振和抖振流動(dòng)分離）
• 流動(dòng)畸變（壓力）
• 轉(zhuǎn)子不平衡

超聲疲勞試驗(yàn)原理

超聲疲勞試驗(yàn)機(jī)基于超聲波諧振原理，在試樣上產(chǎn)生高頻振動(dòng)載荷，完成材料的（超）高周疲勞性能試驗(yàn)?；趬弘娚炜s原理并利用高能超聲波諧振技術(shù)，它的測試頻率（20kHz）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了常規(guī)疲勞測試頻率。在實(shí)際試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)能得到疲勞度以及閾值附近的數(shù)據(jù)，由于頻率高，能夠迅速地檢測各種工業(yè)材料的高重復(fù)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(yàn)機(jī)具有工作頻率范圍寬、輸出幅值大、控制精度高的特點(diǎn)，可以開展各種金屬材料和復(fù)合材料的變應(yīng)力比軸向?qū)ΨQ拉壓、變應(yīng)力比三點(diǎn)彎曲、振動(dòng)彎曲等多種加載形式的（超）高周疲勞試驗(yàn)，同時(shí)提供軸向拉壓、三點(diǎn)彎曲、振動(dòng)彎曲等各類試樣的輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件。

超聲波疲勞試驗(yàn)機(jī)的組成

加載系統(tǒng)

加載系統(tǒng)是超聲超高周疲勞試驗(yàn)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(dòng)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(jù)系統(tǒng)負(fù)載變化能夠保持振動(dòng)組件的輸出振幅；具有頻率全自動(dòng)跟蹤的數(shù)字發(fā)生器，自動(dòng)掃頻跟蹤、顯示共振頻率；具有軟啟動(dòng)功能，軟啟動(dòng)時(shí)間1~999ms可調(diào)等功能，掃頻時(shí)，在低功率條件下進(jìn)行，可以避免對試樣產(chǎn)生損傷。
• 超聲波振動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)置風(fēng)扇冷卻的JZ2050-4D型換能器，最大功率2000W，最大承受壓力0.6Mpa，最高工作溫度80℃。變幅桿分別為鈦合金和高強(qiáng)度鋼變幅桿。

控制系統(tǒng)

• 具有載荷譜錄入、加載功能；
• 試驗(yàn)數(shù)據(jù)可導(dǎo)出EXCEL文件；
• 軟件能夠控制靜態(tài)加載系統(tǒng)，加載到指定載荷并保載。
• 可設(shè)定工作頻率范圍，超出范圍時(shí)設(shè)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(shè)計(jì)功能，用于試驗(yàn)前，根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?、材料參?shù)等輔助用戶設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)，并能讀取 MTI光纖測振儀測量結(jié)果，顯示相應(yīng)曲線。
• 具有間歇加載功能，可按程序設(shè)定連續(xù)和間斷加載試驗(yàn)，以及間斷時(shí)間；間斷加載應(yīng)有防止啟動(dòng)功率過大對試樣產(chǎn)生損傷的功能；

校準(zhǔn)系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)

該系統(tǒng)包括無油靜音空壓機(jī)、冷凍式干燥機(jī)、精密過濾器、冷卻槍，并預(yù)留有液氮冷卻裝置連接口，可實(shí)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(yàn)的順利進(jìn)行及試驗(yàn)數(shù)據(jù)的有效性；試驗(yàn)過程中，總體噪音可控制在70dB以下。

超聲疲勞試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)

• 以一個(gè)樣本的10的9次方的長壽命疲勞試驗(yàn)為例：
• 20HZ伺服液壓疲勞試驗(yàn)需要1.5年；
• 50HZ旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)機(jī)需要231天；
• 300HZ高頻振動(dòng)臺需要38.5天；
• 而20KHZ超聲波疲勞試驗(yàn)技術(shù)僅僅只需13.8小時(shí)。

目前的應(yīng)用

超聲疲勞試驗(yàn)法主要應(yīng)用于航空航天、高鐵汽車和核電站等領(lǐng)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(fù)合材料的(超)高周疲勞性能試驗(yàn)。相較于常規(guī)疲勞試驗(yàn)方法，可以縮短試驗(yàn)時(shí)間90%以上，大幅度節(jié)省試驗(yàn)成本。