国内高频疲劳试验机的技术现状及其发展

No1. 2006试验技术与试验机March. 2006

国内高频疲劳试验机的技术现状及其发展

李跃光　姬战国

(长春试验机研究所, 吉林长春　130012)

摘　要:概述了国内高频疲劳试验机的发展历程、应用原理和特点以及今后发展趋势。重点对国内目前应用的两种控制系统, 即“线性扫频幅度控制系统”和“PWM 脉宽调制型控制系统”的技术特点和性能进行了详细的分析和对比。

关键词:谐振; PWM 脉冲调制; 扫频中图分类号:T H873. 1

文献标识码:A

The T echnical Present Situ of China ’s Domestic High Machines

,Ji Zhanguo

(I nstit ute For Tesi n g M achi nes , J ili n Changchun 130012)

Abstract :It ’s summarized t he develop ment p rocess , basic t heories , feat ures and develop t rends a 2bout China ’sdomestic high f requency fatigue testing machines. It is “Liner scan amplit ude cont rol system and PWM p ulse modulate cont rol system ”which is pop ular used in China at present. The article mostly focuses on analyzing and contrasting t he technical feat ures and performance of t he above two kinds of cont rol system.

K eyw ords :Resonance ; PWM p ulse modulate ; scan Frequency

1　引　言

高频疲劳试验机在各种类型的疲劳试验机中, 具有结构简单, 使用操作方便、效率高、耗能低等特

点, 所以它被广泛地应用在航空、航天、冶金、高等院校科研和教学及工业生产等各部门。

高频疲劳试验机可以用来测试各种金属材料和一些非金属材料抵抗疲劳断裂性能, 绘制疲劳寿命曲线(S -N 曲线) ; 配以各种专用夹具, 可以用来测试各种零部件的疲劳寿命。目前很多高等院校、科研部门和工矿企业的力学实验室均采用高频疲劳试验机进行断裂韧性试验, 测试金属材料裂纹扩展速率及材料的门坎值。随着微电子技术和计算机技术

的发展, 测试手段的完善, 它的使用功能正在不断的扩展中。近年来随着国内试验技术的发展, 人们更加重视动态试验的过程, 作为动态试验机中的一族, 高频疲劳试验机的需求也开始呈上升趋势。

2　高频疲劳试验机的国内发展历程

高频疲劳试验机国外起步较早, 瑞士Amsler 和英国Inst ron 公司研发较早。我国高频疲劳试验机发展是在上世纪60年代开始的, 主要研制厂家是长春试验机研究所和红山试验机厂两家。当时主要是参考瑞士Amsler 的应用技术, 以Amsler 的10H FP422为主要参照机型。70年代末随着英国Inst ro n 公司产品的引进, 特别是1603型机器,

其主

[收稿日期]　2006203201[作者简介]　李跃光(19592) , 男, 吉林长春人, 教授级高工, 专业方向为自动控制。

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机结构及电控系统在当时均独树一帜, 所以当时国内高频疲劳试验机在发展过程中又借鉴了许多In 2stron 的新技术。目前国内高频疲劳试验机基本是综合Amsler 和Instron 80年代产品技术的集成。

在主机结构形式上, 目前国内应用的主机机型有两种类型:一种是借鉴Amsler 10HFP422产品结构形式, 采用电磁激励器是上激励方式, 其电磁激励器、配重砝码及预加载系统等均安装在机器上部, 这种方式应用较早, 其结构简单、各传递环节直观清晰。缺点是机器外型较高、不美观、气隙调节操作和运输等都不是很方便; 另外一种是仿Inst ron 主机的特点, 采用电磁激励器下激励方式, 其电磁激励器、配重砝码及预加载系统等安装在机器底部, 整个机器的重心较低, 外型美观、易于加装隔音装置, 噪音相对较低。目前这两种机型国内都比较常见。

在控制系统方面, 种类型, “线性扫频幅度控制系统”和脉宽调制型控制系统”。早期以Amsler 10HFP422为代表的机器, 采用的都是线性扫频幅度控制系统方式, 基本原理是利用传感器的直接线性反馈加移相扫频原理, 由RC 组成的移相扫频电路, 通过改变R 和C 的值来控制起振相位, 在Inst ron 的1603型机器引进之前, 国内控制器采用的都是这种线性控制器。70年代末, In 2stron 产品的引入, 它与Amsler 产品相比, 有很大不同和改进, 其控制系统采用了新型的PWM 脉冲调宽型设计, 效果甚佳, 国内经过消化吸收, 早已经将该项技术成熟的应用在产品中。由于两种控制方式各有优势, 所以目前两种控制方式分别应用在国内两个主要研制厂家的产品当中。

在共振状态下所产生的惯性力, 往复作用在试样上, 来完成对试样的疲劳试验。主机谐振性能设计的好坏直接关系到系统是否能够正常的工作, 是关键环节。

测控系统的工作主要有两个作用:一是准确的测量出试件所受的力值(均值和动态峰值) ; 二是产生一个幅度可控的与主机共振频率相一致, 与振动系统阻尼力相位相反的激振力来抵消阻尼力, 以维持系统振动。电气系统根据不同的控制方式, 结构及组成也不相同。但具备的共性部分有:测力传感器及其对应的放大器、峰谷值及均值测量部分、指令设定、比例控制、功率驱动等部分组成。, 、能量消耗, , 其波形失真度在动态试验机中最小。3. 2　技术特点

本节重点介绍目前国内常用的两种类型控制器, 即线性扫频幅度控制型和PWM 脉冲调制型控制器的原理及特点。

3. 2. 1线性扫频幅度控制型系统

该控制器的原理框图如图1所示, 该控制系统主要是实现系统谐振的两个必要条件:即系统增益条件和相位条件。基本原理是利用负荷传感器的直接反馈信号, 通过由RC 组成的移相扫频电路对反馈信号进行相位同步, 然后将这个同步信号经过幅度控制回路, 满足一定的增益条件后, 送到功率驱动器, 驱动激励电磁铁, 使力作用到试样上, 试样再通过夹头作用回负荷传感器, 构成一个完整的正反馈谐振系统

。

3　国内高频疲劳试验机测控系统的工作原

理及特点

3. 1　工作原理

高频疲劳试验机是基于系统共振原理进行工作的, 其主机系统采用了多个自由度的力学模型进行优化设计。它主要由框架、电磁激振器、主振弹簧、测力传感器、试样、及主振系统的配置质量构成机械振动系统, 振动由电磁激振器来激励和保持。当激振器产生的激振力的频率和相位与振动系统的固有频率基本一致时, 系统便发生了共振, 这时配置质量

图1　线性扫频幅度控制型系统原理框图

我国引进该技术较早, 经过电子管电路、晶体管

电路以及大规模集成电路的不断升级更新, 目前技

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术上已经非常成熟。它的特点是:控制系统结构简单、波形失真度小。缺点是:幅度控制型系统操作中需要繁琐的移相和调谐操作, 系统起振困难, 对操作者经验要求较高, 对主机的谐振品质Q 值要求也较高。

3. 2. 2　PWM 脉冲调制型控制器

该控制器的原理框图如图2所示。基本原理是利用负荷传感器的直接反馈信号进行鉴相和积分, 使其产生一个相位同步并且斜率与振幅成正比例关系的斜波, 该斜波与设定的电平进行比较后产生一个方波信号, 这个方波信号的宽度与斜波斜率成正比, 方波信号的输出经过隔离电路后,

送到开关功率放大器, 驱动电磁激励器工作。它与线性扫频幅度控制型系统的区别是:作用在激励电磁铁上的信号是脉冲宽度随着设定振幅变化可调的方波信号, 其, , 容易。

动电磁激振器工作; PWM 脉冲调制型控制器, 技术相对复杂一些, 它是将传感器的反馈信号通过鉴相和积分电路和控制比较器产生一个相位同步, 宽度与负荷信号成正比变化的方波信号, 该方波经过开关功率放大器, 驱动电磁激励器工作。

我们知道, 方波信号的谐波成分是非常丰富的在这样一个复杂信号的激励下, 主机要通过自身的谐振特性来选择出基波谐振工作频率。但是, 由于PWM 脉冲是数字信号, 所以它有利于系统实现全

数字智能化。目前流行的微处理器接口, 都具有PWM 输出功能, 所以实现起来就相当容易, 这样可

以弥补PWM 脉冲调制型控制器系统结构复杂的特点。, 结构虽然比较简单, , 特别是RC 移相电, 。

表1　两种控制器的性能对比

性　　能

PWM 脉冲

线性扫频幅度控制型系统操作中需

要繁琐的移相和调谐操作, 系统起振困难, 对主机的谐振品质Q 值要求也较高。对操作者需要具备一定的经验。

调制型控制器操作方便, 起动容易, 不易停振, 不致在试样刚度发生变化时造成停振。对主机的谐振品质Q 值要求不高。

系统的操作性

凭借其优良的起振

图2　PWM 脉冲调制型控制器原理框图

特性, 频率范围向下

有效工作频率范围

得到延伸。使较低频率段仍能稳定的工作, 整个工作频带比较宽, 可从50～

250Hz

频率低段的稳定性略差一些, 有效的工作频带为70～250

Hz 。

该项技术是国内80年代开始引进消化的, 由于结构相对复杂, 应用当初遇到一些技术问题。特别是开关功率驱动部分, 由于吸收回路设计问题, 经常损坏大功率三级管。这在进口的Inst ron 机器上也经常发生。针对这些问题长春试验机研究所科研人员, 作了大量的研究, 经过反复试验终于将该难题解决, 并且成功的为进口的许多Inst ron 机器进行了改装。经过二十几年的应用和完善, 目前该项技术已经非常成熟。

3. 3　两种控制器的性能对比

由于是脉冲激励, 谐波成分比较丰富, 对

谐振波形的失真度

主振的基波会产生一定的影响, 波形失真度比幅度控制型系统要大一点。系统跟踪性能比较

动态波动度

好, 试样及外部的条件变化对动态幅值影响较小。

动态波动度与主机谐振性能和试样变化因素比较大。正弦激励方式, 谐波成分很少。波形失真度很小。

无论是哪种控制器, 从原理上都要满足系统谐振的两个关键要素:相位同步和幅度增益。线性扫频幅度控制型系统原理比较直观, 就是用传感器的反馈信号, 经过RC 移相后, 满足正反馈的相位要求, 经过比例调节后, 直接正反馈给功率放大器, 推

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　　就鉴相特性而言:线性扫频幅度控制器的相位条件, 完全是靠人为调节RC 参数来实现; PWM 脉冲调制型控制器是靠琐相环电路自动对相位进行扑获。

就功率放大器特点而言:线性扫频幅度控制型系统采用的是线性甲类功率放大器; PWM 脉冲调制型控制器系统采用的是开关型功率放大器。从结构来看, 开关功率放大器相对简单, 调试也比较方便; 从工作效率来看, 开关功率放大器比甲类功放要高许多。随着IG B T 技术的成熟, 开关功放已经非常可靠。

另外, PWM 脉冲调制型控制器的系统诊断性比较好。透过电流波形, 能够发现整个机器内部存在的问题, 这给调试和诊断机器, 提供了有效的手段, 这也是PWM 脉冲调制型控制器系统的一大技术特色。

个直观的对比。

综上所述, , 因此在国内两大生产厂家中, 以长春试验机研究所为代表的东北地区基本是应用PWM 脉冲调制型控制器; 以红山试验机厂为代表的西北地区是应用线性扫频幅度控制型系统。近几年成长起来的其他民营企业基本都是从这两大流派中继承过来的, 在控制技术上并没有新的突破。

抛掉了传统的控制箱, 由一台通用微机控制, 利用CPLD 大规模可编程器件, 通过PCI 总线接口, 实现

了高度的机电一体化。它不仅具有数字化的优势, 更重要的是极大地提高了设备的性能价格比、长期稳定性及可靠性。尤其是IG B T 技术的应用使开关功率放大器的薄弱环节得到解决。驱动功率加大、可靠性加强。

(2) 在静态力值的加载方式上, 目前国内大都采用了伺服系统进行无级调速, 并且由控制系统进行自动跟踪补偿, 解决了以往试验过程中由于试样的变化, 需要人为地不断进行调整的繁琐过程。另外, 国内部分厂家还利用机器本身配置的伺服系统, 通, 来实现电子万能试验, 使其成, 国内目前还没有将动态标定列入必须检定范畴, 所以高频机的校验工作基本是采用静态标定方法。实际动态应用中传感器和试样之间是要由夹头连接的, 随着夹具质量的不同, 高频工作中在夹头和传感器之间由于惯性力的作用, 在传感器上会叠加一个力, 这个力值随着工作频率的提高逐渐增大, 而该力值并没有作用到试样上, 却作用到传感器上, 使试样受力与传感器测量值产生一定的误差。这就是我们常说的动态试验误差。国外在这方面都有一些补偿措施, 如:采用经验公式进行修正或采用加速度传感器测量修正等方法。随着国内动态试验标准的逐渐完善, 对动态测量的检定要求会很快提到议程。所以动态机的动态补偿修正技术在国内很快会被实际应用。

随着国内动态试验机需求的增加, 给我们的高频试验机发展创造了很好的机遇。相信不久的将来, 在国内试验机行业同仁的共同努力下, 我国高频试验机的技术水平一定会有突飞猛进的发展。

4　高频机控制器的最新发展动向

(1) 长春试验机研究所在2005年底已经开发出

全数字化PL G 2100D 型高频疲劳试验机。经过几个月的测试考核合格后, 预计在2006年6月将投放市场。它采用全数字伺服控制技术、PWM 控制技术、计算机PCI 总线接口技术、IG B T 大功率驱动技术、虚拟面板技术及Windows 环境下实时控制技术, 它