疲劳测试（共7篇）
疲劳测试 篇1
摘要：介绍了一种在不同应力状态下, 结构钢材的疲劳极限测试方法, 该测试方法以不同应力状态为条件, 通过测试疲劳极限, 获取材料的S-N曲线 (应力与循环次数关系的曲线) , 并以广州市海珠桥结构用钢为实例工程, 对该桥钢材进行疲劳极限测试。通过测试结果表明, 该方法得到的结果可满足对钢材剩余寿命进行评估。
关键词：钢结构,疲劳极限,剩余寿命
1 工程背景
在对已服役多年的钢结构建筑进行结构使用状态评估时, 常常需要去测算或者估算钢材的剩余寿命, 而在测算钢材剩余寿命时, 需要所测结构用钢在不同应力状态下的疲劳寿命, 从而获取疲劳极限, 并确定出材料在循环荷载往复作用下的S-N曲线。本文提出一种材料在不同应力状态下疲劳极限的测试方法, 并结合广州市海珠桥主桥上部结构钢结构损伤检测评估, 对其受拉弦杆进行测试, 画出其S-N曲线, 为剩余寿命评估提供依据。
2 试验原理
由疲劳损伤理论可知, 疲劳损伤与循环比ni/Ni, f密切相关。其中ni和分别表示在应力幅和平均应力幅水平综合作用下, 所施加应力的循环次数和疲劳寿命。疲劳分析和设计的标准方法都是以应力为基础的, 这种方法也称为应力-寿命或S-N方法, 主要有以下几个特点:
1) 循环应力是疲劳失效的控制参数;
2) 高周疲劳条件表现为:疲劳失效循环次数高, 循环加载塑性变形小。
疲劳试验期间, 试样承受交变载荷的作用, 直至发生疲劳失效。在试样上所施加的载荷, 由恒定应力范围 (Sτ) 或恒定应力幅Sα确定。
通常, 采用对称循环的交变加载方式进行S-N疲劳试验。对称循环表示以零平均应力进行交变加载。因此, 其应力比R为:
2.1 评估程序
条件疲劳极限一般采用升降法的数理统计法进行, 可以获取材料的疲劳极限值, 用以评估和设计材料或构件的疲劳强度。在众多疲劳强度试验方法中, 阶梯法 (或升降法) 是一种常用的方法, 已被许多标准所采纳, 如英国标准协会、日本机械工程师协会、法国标准化委员会和美国金属粉末工业联合会等。
升降法一般按以下程序进行:试验从高于疲劳极限的应力水平开始, 然后逐级降低。在应力σ0作用下, 试验第一根试件, 若该试件在未达到指定寿命N=107次之前发生了破坏, 则第二根试件就在低一级的应力σ1下进行试验。一直到某一试件在某一应力水平σ1下经过107循环没有破坏 (越出) , 则进行第i+1根的高一级应力σi-1下的试验。依此类推, 凡前一根试件达不到107次循环而破坏, 则随后的一次试验就要在低一级的应力下进行;相反则要在高一级应力下进行, 直至完成全部试验为止。各级应力之差Δσ叫做“应力增量”, 在整个过程中, Δσ应保持不变。如图1所示。
2.2 评估方法
对于各评估步骤中所用到的方法介绍如下。
处理数据时, 在第一对出现相反结果以前的数据均舍弃, 其余数据均为有效数据。因此, 图1的统计计算结果为:
通常, 至少取5级应力水平。各级应力水平上试样的数量分配应随着应力水平的降低而逐渐增加。用升降法求得的条件疲劳极限作为S-N曲线上最低应力水平点。
以σα为纵坐标, N次数为横坐标, 用最佳拟合法绘制成一条曲线, 即为S-N曲线。横坐标一般采用lg N。
3 样品制备
样品规格及取样工程部位如表1所示, 试样形状图如图2所示。
样品的拉伸力学性能指标如表2所示。
4 测试结果
依照本测试的方法与程序, 结合广州市海珠桥主桥上部结构钢结构损伤检测评估项目, 在其下弦杆抽取5个样品分别进行制样, 以其中1#与2#共两个样品为例, 疲劳极限的测试结果如下。
对于1#样品, 疲劳极限试验数据结果如表3和图3所示。
根据表3和图3, 由升降法的统计公式可得到, 1#样品的条件疲劳极限为:
为获取S-N曲线, 需增加高于应力疲劳极限的其他应力水平。试验结果如表4和图4所示。
应用相同方法, 对于2#样品, 试验结果如表5所示, 疲劳试验结果如图5所示。
根据表5和图5, 由升降法的统计公式可得到, 2#样品的条件疲劳极限为:σ= (3×91.0+4×97.5+1×104.0+3×110.5+2×117.0) /14=102.5MPa。
为获取S-N曲线, 需增加高于应力疲劳极限的其他应力水平。试验结果如表6和图6所示。
5 结论
通过比对, 本文提出的钢材在不同应力状态下疲劳极限的测试方法, 具有良好的实施操作性。根据广州市海珠桥主桥上部结构钢结构损伤评估项目的测试结果, 其数据说明该测试方法具有良好的适用性, 可得出其S-N曲线, 为剩余寿命评估提供依据。
参考文献
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[2]GB/T228.1—2010金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法[S].
[3]GB/T3075—2008金属材料疲劳试验轴向力控制方法[S].
[4]GB/T714—2008桥梁用结构钢[S].
疲劳测试 篇2
【关键词】单片机寿命 系统测试 疲劳试验机
一、引言
随着汽车产量的增加，民族品牌汽车、合资品牌汽车、进口汽车的市场竞争愈演愈烈，江淮瑞风推出15万公里的免费保养，奇瑞A3推出10万公里的免费保养，合资品牌部分车型也推出了10万公里的免保。免保里程加长了，说明汽车质量提高了。汽车的任何一个零部件，如果经常出现问题，不仅影响这款车的销量，更影响了企业的品牌形象。如何来保证质量，就需要做不同的测试。在汽车设计过程中，每个零部件的寿命都必须经过严格测试并达到设计要求，本次设计是某汽车厂外包的汽车制动蹄片疲劳试验机的设计与开发，本文主要探讨该试验机控制系统的设计与调试过程，重点介绍调试过程。
二、系统设计
系统控制要求简单，计划采用51单片机作为主控芯片，接受压力传感器和按键信号，用24C04芯片存取数据，实现掉电存储。用继电器实现输入输出的分离。
三、软硬件设计
四、系统测试
系统总装完毕后，检测完所有硬件连接，我们开始了功能测试，测试开始时，运转正常，心中欢喜，运行到6250次之后，控制系统出现死机。既然能正常运行上千次，我首先怀疑硬件故障，下面是我们测试的记录。
（一）第1次测试
测试内容：将电机线圈电源与单片机电源分离
测试原因：实验中，单片机不带负载运行正常，电磁阀经测试工作正常
测试说明：电磁阀测试在PLC试验台进行，用PLC编程进行测试，使用PLC定时器给电磁阀线圈不用时间，三位四通电磁换向阀工作正常
测试结果：继电器不工作，光耦集电极和发射极不通，电压为5v，光耦不工作。怀疑光耦二极管正极侧电阻（2K）过大，改接300欧
（二）第2次测试
测试内容：光耦二极管正极侧（1脚）外接电阻测试
测试原因：光耦不工作
测试说明：对原来20K电阻先后改接300欧和600欧
测试结果：光耦仍然不工作
（三）第3次测试
测试内容：光耦三极管集电极侧（4脚）外接10K上拉电阻测试
测试原因：三极管侧集电极（4脚）
测试说明：电源接10K电阻后再接负载和三极管C极
测试结果：光耦仍然不工作
（四）第4次测试
测试内容：光耦好坏
测试原因：光耦一直不导通
测试说明：让光耦1脚接600欧电阻，2脚接地，3脚接地，4脚接发光二极管，再接300欧电阻，接电源
测试结果：光耦正常工作
（五）第5次测试
测试内容：将测试电路加继电器负载测试
测试原因：用测试电路接负载测试
测试结果：光耦仍不工作
（六）第6次测试
测试内容：光耦三极管侧接pnp三极管
测试说明：光耦三极管集电极侧（4脚）外接PNP三极管的B极，pnp三极管E极接电源，集电极（C极）接负载之后接地
测试结果：光耦工作
（七）第7次测试
测试内容：外接负载
测试结果：光耦仍不工作
（八）第8次测试
测试内容：光耦二极管侧和三极管侧使用不用的供电电源测试
测试说明：三极管侧使用12V电源，经过7805转换为5v，7805芯片，管脚向右，左边第一脚为12V输入，中间地，右边5V输出，在输入输出之间接50Uf以上电容
测试结果：工作数千次或数百次后停止
以上8次测试均失败，多次实验表明，51系列单片机在连续不断电，高频工作条件下，由于内部原因，将会出现死机情况。
五、结束语
本实验机最后采用西门子PLC完成了试验，在ss连续50万次运行过程中，PLC控制系统稳定可靠地完成了任務，51系列单片机经过各种可靠性设计及测试，最终失败。经过长时间测试说明，51系列单片机无法完成较高频率，连续性的工作。在稳定性及可靠性要求高的场合，应该选用可靠性更高的控制芯片或PLC。
参考文献：
[1] 康华光.电子技术基础：模拟部分（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2003：23-26.
[2] 黄继昌.电子元器件应用手册[M].北京：人民邮电出版社，2007
[3]杨帮文.新型继电器实用手册.北京：人民邮电出版社，2004
[4]全新实用电路集粹编委会.全新实用电路集粹.北京：机械工业出版社，2006
疲劳测试 篇3
关键词：光纤动态疲劳,拉伸测试,两点弯曲测试
0 引言
由于动态疲劳参数nd关系到光纤的力学性能以及使用寿命,因而数十年来一直是业界关注的热点。光纤制造商对不同类型光纤(无涂覆或涂覆)的动态疲劳参数的测量,不仅对光纤用于苛刻环境(例如粒子加速器)有较大的参考价值,而且使光缆厂家减少了成本更高的光缆相关试验的次数,因此光纤动态疲劳参数的准确测量十分重要。
光纤动态疲劳参数的测试方法有传统的拉伸法与两点弯曲法两种。虽然以前曾认为与拉伸法相比,两点弯曲法在试验中所采用的光纤试样较短,可能会降低其探测光纤弱点的能力[1],但目前的研究结果发现,上述两种测试方法对光纤疲劳的测试结果有着良好的相关性[2]。本文将对涂覆不同涂层的光纤样品的光纤动态疲劳参数,采用上述两种测试方法进行对比测试,以期了解两种测试方法对测试结果的影响。
1 测试样品的准备
与10～15年前拉制出的光纤相比,现在或一年前拉制出的光纤的质量则更好,预计其检验不合格的情况更少,因此进行拉伸法与两点弯曲法的对比测试时,我们采用了一年前拉制的6种商用涂覆光纤制作样品,并一直储存在典型的实验室条件下。制作的光纤样品中包括了三种不同涂层(均由一次涂层和二次涂层组成)和三种不同的拉丝方式。三种涂层仅在原位模量以及与光纤的附着力上有所不同;三种不同的拉丝方式中预制棒以及拉丝条件保持不变。具体的光纤样品号如表1所示,第一个数字表示拉丝方式,第二个数字表示涂层。
注:1)第3种涂层为帝斯曼公司开发的新一代涂层。
为研究三种涂层的原位性能与光纤疲劳参数的相关性,我们对各个光纤样品进行了相关测试,包括一次涂层原位模量以及二次涂层原位模量、拔出力(即一次涂层与光纤之间的附着力)、平均剥离力的测试。一次涂层原位模量测试是采用由TA Instruments制造的动态力学分析仪RSAIII在周围环境中进行,通过在光纤涂层区域上施加动态剪切力来获得该值[3]。二次涂层原位模量测试同样采用RSAIII在周围环境中进行,从光纤上把涂层剥离下来,通过RSAIII在动态拉伸模式下测试该值。由于一次涂层模量远小于二次涂层模量,因此测试时一次涂层的贡献可以忽略。拔出力测试是根据TIA/EIA FOTP-105(1993年草案)标准来进行的,测量长度为1cm。剥离力测试是根据TIA/EIA FOTP-178(2003年11月版本)标准进行的,测试中使用的刀片直径为0.006英寸(0.152 4 mm)的Micro-Strip剥离工具。
图1示出了不同涂层光纤样品的一次涂层的原位模量和一次涂层与光纤之间的附着力(拔出力)的测试结果。可见,涂覆不同涂层的光纤样品的一次涂层原位模量和拔出力有着较大的不同。例如,光纤样品X1-3和X2-3的一次涂层原位模量比其他光纤明显要低得多,在0.3～0.4MPa范围内,而拔出力也有相同的趋势。
图2示出了涂覆不同涂层的光纤样品的二次涂层原位模量以及剥离力的测试结果。可见,二次涂层性能对光纤剥离力起到决定性作用,涂覆不同涂层的光纤样品的二次涂层原位模量与光纤剥离力基本是一致的,二次涂层原位模量在1.5GPa左右,而平均剥离力在1.5N左右。例如,尽管涂覆涂层3的光纤样品X1-3和X2-3的一次涂层原位模量与拔出力明显低于其他光纤样品,但它们的剥离力与其他光纤类似。
2 测试条件和测试场所
采用两点弯曲法对光纤的动态疲劳参数以及动态光纤强度测试时是按照TIA/EIA ITM-13(2000年5月版)标准,测试中采用Fiber Sigma公司生产的两点弯曲设备。根据光纤长度方向上分布的缺陷以及制造过程中所产生的表面应力区的种类,两点弯曲法测试光纤动态疲劳参数以及动态光纤强度时通常采用三种不同加载模式,即恒定位移速率、恒定应变速率以及恒定应力速率,但它们之间在动态疲劳参数计算方面并没有明显的差异[4]。因此,在本次对比测试中采用了恒定位移速率法,在每种位移速率(1μm/s、10μm/s、100μm/s、1 000μm/s)下至少测试15个试样,以确定光纤动态疲劳性能;在位移速度100μm/s下的测试至少30个试样,以确定动态光纤强度。
采用拉伸法对光纤动态疲劳参数以及动态拉伸强度测试时是按照TIA/EIA FOTP-28(1999年4月版)标准,在三个测试场中进行了一系列拉伸测试。三个测试场的试验温度控制在(23±1)℃,相对湿度维持在43%～50%范围内,三个测试场拉伸试验设置的差异如表2所示。拉伸测试中采用的光纤样品长度为0.5m,在标称应变速率(0.025%/min、0.25%/min、2.5%/min和25%/min)下测量光纤动态疲劳参数,在标称应变速率2.5%/min下的确定动态拉伸强度。为了消除计算方法上潜在的差异,我们采用了由Fiber Sigma公司开发的分析方法对从三个测试场获得的所有原始数据进行分析。
3 两种测试方法测试结果的对比
3.1 两点弯曲法
采用两点弯曲法测得的光纤动态疲劳参数nd和动态光纤强度如表3所示。表中较低的标准估计误差(SEE)值(<0.001 7)说明了测试质量的一致性;Weibull动态形状参数m是评估失效应力结果,其通过采用最大似然估计(MLE)法计算获得;在位移速率达到100μm/s时测量的动态光纤强度结果表明所有光纤的m值都较高,即动态光纤强度分布比较紧密。由表中可见,相同拉丝方法生产的光纤样品X1-1、X1-2和X1-3中X1-3的nd值(=27.9)明显高于其他两种光纤;相同涂层3涂覆的光纤样品X1-3和X2-3中X2-3的nd值(=28.3)较高,同时两者的动态光纤强度也较高;光纤样品X3-1的nd值(=19.5)最低。
3.2 拉伸法
表4示出采用拉伸法在三个测试场(A、B和C)以四种标称应变速率(0.025%/min、0.25%/min、2.5%/min和25%/min)对光纤动态疲劳参数nd测试结果,为了比较,表中还列出了采用两点弯曲法测得的nd值。由于以0.025%/min应变速率进行测试非常耗时,即使预加加载力达到25N也要约5h,因此表4中一些测试值是在三个较快应变速率下测得的结果。从表中可见,采用拉伸法测试时,三个测试场中光纤样品X1-2和X2-2的nd≈25,这与采用两点弯曲法测试时光纤样品X1-2和X2-2的nd值有较大差异,但两者相关性较好;虽然在四种应变速率下对光纤样品X1-3和X2-3也进行了测试,但因SEE值过高(>0.0017),测试结果差异较大,故略去了测得的nd值;在两种测试方法中光纤样品X3-1测得的nd(≈20)值较一致。
注:1)该测试值为0.25%/min、2.5%/min和25%/min三种应变速率下测得的。
图3示出了采用拉伸法在测试场B中不同应变速率下动态疲劳原始数据曲线。可见,图3a)中的测试曲线近乎完美,显示整个拉伸测试过程情况良好;图3b)中的一部分测试曲线已变形,显示在拉伸测试过程中出现了不规则的打滑;图3c)中的所有测试曲线已变形残缺,显示在拉伸测试过程中出现了最糟糕的全程打滑现象。图4示出了采用拉伸法在测试场A和C中光纤样品X2-2和X2-3的动态疲劳测试结果,其结果证实了测试场B的情况。由图4可见,在测试场A和C中涂覆涂层2的光纤样品X2-2的拉伸测试情况良好;而涂覆涂层3的光纤样品X2-3的全部4个应变速率的拉伸测试均出现了明显的问题,其原因可能在于涂层3具有较低的一次涂层原位模量和拔出力,使得涂覆涂层3的光纤样品X1-3和X2-3不适宜采用拉伸法进行动态疲劳参数测试,即无法获取有意义的nd值,并且拉伸测试时打滑的问题在低应变速率下表现得更为明显。
4 结论
通过研究比较拉伸法与两点弯曲法在不同测试场中对不同涂层涂覆的光纤动态疲劳参数测试结果发现,对于一次涂层原位模量较低的涂覆的光纤,测试时会引入不确定因素,降低拉伸法对动态疲劳参数估计的准确性。因此无论在何种测试场,上述使用新一代涂层的光纤均较适宜采用两点弯曲法测试其动态疲劳性能。此外,两点弯曲法的弯曲模式还可更好地模拟弯曲不敏感的光纤(G.657)的实际应用情况。
参考文献
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[2]CAMILO G M.Qualitative comparison between 2-point bending and tensile tests in optical fibers[C]//Proceedings of SBMO/IEEE MTT-S IMOC.1999:286-289.
[3]STEEMAN P,SLOT J,VAN MELICK H,et al.Mechanical analysis of the in-situ primary coatingmodulus test for optical fibers[C]//Proceedings of52nd IWCS.[S.l.]:IWCS Press,2003:246-251.
疲劳测试 篇4
试验样件选取地铁车辆门窗区之间的典型区域, 兼顾试验台可容纳面积, 下部支撑同现车实际底架横梁支撑, 布置如下图1所示。试验样件组装视图参见下图2所示:
二、实验条件确定
(一) 动应力测试实验条件
取泡沫铝地板安装单元, 地板及地板支承座按北京昌平线地板结构安装, 施加AW2状态固定载荷;同时模拟乘客换乘工况, 对泡沫铝地板施加交变载荷。
AW2状态试验载荷依照城轨地铁车辆合同中有关车辆载客能力的规定:
额定载客按6人/m2计算;
超员载客按8人/m2计算;
乘客人均重量按60千克/人;
静载按6人/m2, 动载按2人/m2变化。
在试验的同时, 根据泡沫铝地板的结构特点及受力状况, 确定泡沫铝地板中可能出现较大应力 (相对于构件强度) 位置, 在地板上增加6个测点, 对于这些关键点采用电阻应变方法进行应力测试。考虑到各应力测点的主应力方向不能完全确定, 所有测点均粘贴0°、45°和90°三向应变片, 方向如图4中所示, 并按照逆时针方向编号1、2、3。图5为动态应变测量测点布置位置。
(二) 疲劳测试实验条件
泡沫铝底板振动疲劳试验条件为:负载按照AW2取值, 激振条件为垂向0.33g振动幅度, 激振频率10Hz, 200万次。
疲劳载荷试验次数:按照地铁运营时间早6时起至晚23时结束, 站间间隔5分钟, 两次换乘作为一次载荷交变周期, 则一日内的载荷变化次数为:
(23-6) ×60÷ (5×2) =102次
按照车辆主要结构部件设计寿命为30年计算, 30年地板承受交变载荷次数为:
选取1.8的安全系数经圆整后获得疲劳载荷试验次数为:
1116900×1.8=2010420≈200万次
三、实验设备及测点布置
(一) 实验设备
液压振动台:苏州试验机总厂ES-5型
动态应变测量系统:德国imc公司PL16-DCB8型、64通道
(二) 测点布置 (图4)
四、试验过程及测试结果
(一) 实验过程
将压载沙袋逐个放在泡沫铝底板上, 对试验装置激振, 记录各应变测点自放置压载沙袋到开始激振全过程动态应变测量结果, 表1为泡沫铝地板动态应变测量汇总结果。分析各应变测点记录结果, 最大动应变出现在C点, 为198.2με;最大动应变变化幅值出现在F点, 应变变化幅度为111.3με。
(二) 测试结果
具体测试结果见表1所示。
五、结论
泡沫铝地板是一种全新的结构, 本次试验进行了静载、动载、疲劳试验, 试验后取用样件, 截断后观察截面状态, 并由地板中部、端部各取两块试件对面板、背板剥离, 观察泡沫铝芯材状态。
由上可见, 200万次疲劳试验后, 样件泡沫铝芯材无任何损坏迹象。因此可以确定泡沫铝可以满足地铁车辆的交变载荷工况的使用要求。
参考文献
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[2]桂良进, 等.泡沫填充圆管的轴向压缩能量吸收特性[J].清华大学学报, 2003, 43 (11) .
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[5]于英华, 梁冰.泡沫铝齿轮阻尼环减振降噪特性分析[J].沈阳工业大学学报, 2004, 24 (3) .
[6]H.P.蒂吉斯切, B.克雷兹特.多孔泡沫金属[M].左孝青, 周芸, 译.北京:化学工业出版社, 2005.
疲劳测试 篇5
1 皮边油疲劳破坏分析
皮革制品尤其是皮腰带、包带等,使用一段时间后,边油会出现裂纹或者脱落,在一些寒冷地区由于气温低皮革和边油变硬,边油出现裂纹和脱落的问题更突出,破坏情况如图1、图所示。出现这类问题的原因主要是由于在使用过程中皮腰带或者包带受到反复拉伸或者弯曲,或者拉伸弯曲同时进行,导致弹性不够好的边油产生裂纹,粘附不牢的边油产生脱落,低温变脆的边油产生脆裂。为了了解边油的耐疲劳性能,需要建立一套常温、低温下的耐疲劳性能测试方法来表征皮边油的耐疲劳性能,如拉伸屈挠耐疲劳、揉搓耐疲劳、低温屈挠耐疲劳和低温拉伸屈挠耐疲劳。
2 耐疲劳性能四种测试方法
2.1 试验材料、条件及弯曲力的测试
2.1.1 试验材料
选取涂覆边油的弯曲力不同的3种试样,弯曲力分别为0.8,2.5,4.6 N。
2.1.2 试验条件
温度(20±3)℃,湿度(65±5)%。
2.1.3 弯曲力的测试
皮革制品的种类众多,边油质量的优良很大程度上与皮革基材的性能密切先关,如皮革基材的柔软度。通过实验发现当基材柔软度超过一定值时,边油质量的优劣很难用某一种测试方法来评价。因此,基材柔软度在边油耐疲劳测试中作为一个重要参数,而柔软度则用弯曲力来表示,弯曲力的测试方法如图3所示,是将试样安装在弯曲块上,再将测力计的压脚置于离半圆相接(10±1)mm处,试样端离压脚(10±1)mm,压脚与试样保持不超过1mm的缝隙,松开弯曲块上表面试样,此时,测力计上显示的力值即为弯曲力,弯曲力越大柔软度越小,反之,柔软度越大。
2.2 拉伸屈挠法
皮腰带、包带类产品在使用过程中一直处于拉伸与卸载交替的状态,有时亦会屈挠。拉伸耐疲劳测试方法则主要模拟拉伸与屈挠交替,使带类皮革制品的边油处于受拉伸长和受压屈挠的状态,测试一定次数或者一定时间后后观察试样上边油的损坏情况,测试装置示意图如图4所示。
图4中,固定夹具夹持试样固定不动,活动夹具夹持试样后可左右移动,两夹具之间的初始距离为100 mm。活动夹具可夹持皮腰带从初始位置向右任意移动,如移动3%、5%、10%,当选定好移动量后,活动夹具每次向右的拉伸量则为该位置;移动夹具向左移动的最短距离为50 mm。移动夹具循环向右向左拉伸屈挠试样即可实现皮革制品的边油耐疲劳性能测试。
2.3 揉搓法
对于拉伸屈挠耐疲劳测试方法而言,揉搓耐疲劳测试方法更严厉,主要是用一对受力的夹带动试样做揉搓运动,测试一定次数或者一定时间后后观察试样上边油的损坏情况,测试装置如图5所示。
图5中,左夹具可沿左右运动,并可在左夹具上施加任意负重,右夹具可沿前后方向运动,并可做行程为(55±3)mm的往复运动,当试样被夹持在两个夹具内,并在左夹具上施加一定负重后,即可做揉搓测试。
2.4 低温屈挠法
在北方地区,过低的气温容易使得边油变硬变脆,而不同原料配比的皮边油的耐低温性能各不一样,在低温环境下使用涂覆边油的皮革制品则容易出现边油开裂或脱落,因此有必要对边油的低温耐疲劳性能进行测试,测试装置如图6所示。
图6中,屈挠夹具绕着直径为 (10±1)mm的圆轴做(90°±1°)的屈挠运动,在一定的低温条件下,通过测试边油制品的屈挠次数来表征边油制品的低温耐疲劳性能。
2.5低温拉伸屈挠法
低温拉伸屈挠耐疲劳测试方法是在常温下的拉伸屈挠耐疲劳测试方法的基础上,将常温拉伸屈挠耐疲劳装置安装于低温箱里,并能在不同低温条件下对边油制品进行低温耐疲劳测试。
3结果与讨论
边油耐疲劳性能的好坏以测试次数来表征,均以试样上的边油开裂或者脱落测试终点。
3.1拉伸屈挠法试验结果与讨论
对于拉伸屈挠耐疲劳主要的试验参数为拉伸量,选取拉伸量分别为3%、5%和7%进行试验,得到如图7所示的结果。
从图7中可以看出,弯曲力相同的条件下随着拉伸量的增加拉伸屈挠次数逐渐减少,即拉伸量对皮边油的拉伸屈挠耐疲劳性能影响很大,基本有拉伸量越大拉伸屈挠耐疲劳性能降低的规律。另外,弯曲力越小,拉伸屈挠次数越多,即基体材料越柔软,伸长性能越好,皮边油的拉伸屈挠耐疲劳性能越好,从而可知,皮边油拉伸屈挠耐疲劳性能的好坏与基材的柔软程度密切相关。
3.2揉搓法试验结果与讨论
对于揉搓耐疲劳试验的主要试验参数有负重、揉搓速度、隔距,其中负重对测试结果影响最大,然后对于薄且弯曲力特别小的试样在揉搓过程中,基本上属于试样的面与面进行摩擦,对边油的考核效果不理想。图8为弯曲力为2.5N、4.6 N的试样分别在负重1 kg、2 kg和3 kg的测试结果。从图8中可知,弯曲力相同的条件下负重越大揉搓次数越少,而且弯曲力越小小揉搓次数越多,从而可以,揉搓测试中基材同样对边油的耐疲劳性能影响很大。
3.3低温屈挠法及低温拉伸屈挠法试验结果与讨论
对于低温屈挠耐疲劳试验的主要试样参数为温度,选取温度分别为-5℃、-10℃和-20℃进行试验,得到如图9所示的结果。
对于低温拉伸屈挠耐疲劳试验主要参数为温度和拉伸量,由于在常温条件下拉伸屈挠次数随伸长量的增加而减小,且弯曲力越小,拉伸屈挠次数越多,故选取温度分别为-5℃、-10℃和-20℃,分别为进行试验,得到如图10的测试结果。
从图9和图10可知,边油耐疲劳次数均随温度的降低耐疲劳性能降低,且弯曲力越大的试样耐疲劳性能越差。比较图7和图10可知,相同的试样常温下的拉伸耐疲劳次数明显高于低温下的拉伸耐疲劳次数,从而可知,在低温条件下边油易变脆,伸长变小,导致拉伸耐疲劳性能降低。
从以上测试结果及测试经验得出,薄而柔软的皮革基材,涂覆边油后,由于基材本身柔软使得屈挠过程中基材对边油的拉应力小,因而仅仅做屈挠运动对边油测试效果不明显;另外,柔软的基材本身弹性较好,伸长率大,对于小幅度拉伸,基材和边油都在变形极限内,因而对边油测试结果也不明显,即柔软的基材用揉搓测试方法和低拉伸屈挠测试方法效果都不明显;对于厚而硬的基材,屈挠时其内拉伸应力能很好的使边油产生裂纹或者脱落,又由于基材伸长率较小,即使基材受力很大也无法使基材产生足够大的应变,若边油的伸长率大于皮革基材的伸长率,则纯拉伸试验对于较硬皮革基材上的边油测试效果不明显。
对于低温屈挠和低温拉伸屈挠而言,由于温度在零度以下,皮革基材和边油都变硬变脆,除特别柔软的基材以外,只需屈挠产生的内应力就可以对边油测试产生很好的效果;特别柔软的基材用低拉伸屈挠测试则效果更好。
4 结论
四种测试方法中有2种常温测试,2种低温测试。由于四种测试方法均与皮革基材的柔软程度密切相关,因而需根据不同边油制品的产品特性选择不同的测试方法。对于薄而柔软的边油制品,拉伸屈挠耐疲劳测试方法效果比较明显;对于厚硬的边油制品,揉搓测试和拉伸屈挠测试均能有效的测试边油耐疲劳性能。低温条件下,屈挠测试即可对边油测试产生很好的效果,特别柔软的边油制品则用拉伸屈挠测试则效果更好。
参考文献
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[4]QB/T 1618-2006,皮腰带[S].
疲劳测试 篇6
动态疲劳参数Nd值关系到光纤的力学性能以及使用寿命,一直是业界关注的热点。光纤制造商对不同类型光纤(无涂覆或涂覆)的Nd进行测量,不仅对光纤用于苛刻环境有较大的参考价值,而且能减少成本更高的光缆相关试验次数。GR-20-CORE规定单模光纤的Nd>18[1],而国家标准GB/T 9771.1规定Nd>20。国际电工委员会的IEC60973-2-50和ITU-T(国际电信联盟电信标准化部)并没有规定Nd值的规范[2]。本文统计了轴向张力拉伸法和两点弯曲法分别测得的G.652D光纤的Nd值,通过分析两种测试方法的优缺点,给出了实际测试Nd值的建议。
1 动态疲劳参数测试
目前,用于Nd值测试的国际标准主要有国际电工委员会的IEC 60793-1-33 2008[3]和美国电信工业协会的TIA-455-FOTP 28C(R2005);国家标准主要有GB/T 15972.33-2008[4]。其中,Nd值的测试方法主要包括轴向张力拉伸法和两点弯曲法。
1.1 轴向张力拉伸法实验原理
轴向张力拉伸法测试Nd值是将多根试样光纤分别以一定的拉伸速率轴向拉伸直至试样光纤发生断裂,测试光纤在断裂瞬间的断裂应力σf,再由公式计算出Nd值,并通过改变应变速率来试验光纤的疲劳性能[3]。对于常规光纤(包层直径为125μm、涂覆层直径为250μm),断裂应力σf的计算公式为
式中,T为光纤断裂张力;Ag为光纤横截面积。则每一应变速率下的应力速率σa为
式中,t(σf)为断裂时间;t(0.8σf)为断裂应力80%时所用的时间。而应力速率σa与中值断裂应力σf(0.5)的关系为
式中,截距为应力速率等于1时断裂应力的对数,取每一应力速率σa下的中值断裂应力σf(0.5)。图1所示为轴向张力拉伸法断裂应力对应的动态疲劳曲线,由此可计算出Nd值[4]。
1.2 两点弯曲法测试原理
两点弯曲法测试Nd值是将光纤弯曲成U形夹在两压板之间,两个压板以一定的速率相向运动直至试样光纤发生断裂,记录光纤断裂瞬间的压板间距d,由d值计算出光纤断裂时受到的应力值,再由公式计算Nd值。对于光纤使用中应力起因于弯曲的情况,应优先采用本试验方法[3]。由于步进电机的最快速度限制了压板的最快速度,采用计算出的压板间距d将缩短试验时间并达到最快压板速度。
每根光纤的断裂应力σf可表示为
式中,εf为光纤断裂应变;α为光纤非线性应力应变特性的修正系数,典型值为6;E0为杨氏模量;df为玻璃光纤直径;dc为包括任何涂覆层的光纤总直径;2dg为两个槽的总深度。
通常采用的压板移动速度v为1、10、100和1 000μm/s 4挡,控制精度均为±10%。v与σf(0.5)的关系为
式中,r为玻璃光纤的半径;截距为恒定压板速度等于1时的断裂应力的对数。记录实验数据,绘制两点弯曲法断裂应力对应的动态疲劳曲线,即可计算得出Nd值[4]。
2 测试数据处理
记录实验数据并计算各应力速率下的断裂应力和每一断裂应力的累积断裂概率:Fk=(k-0.5)/N,k=1,2,…,N。其中,N为样本大小[4]。
2.1 轴向张力拉伸法数据处理
本文采用G.652D单模光纤样本在温度为22.5℃、湿度为50.2%的环境条件下预处理48h后进行实验,取5、50和500mm/min 3种拉伸速率下的中值断裂应力。绘制的断裂应力对应的动态疲劳曲线如图2所示,再通过公式计算Nd值。图中,斜率=1/(1+Nd)=0.042 9,Nd=22.31。
2.2 两点弯曲法数据处理
采用与轴向张力拉伸法同样的光纤样本及环境条件,取1、10、100和1 000μm/s 4种压板速率下的中值断裂应力。采用两点弯曲法试验设备并根据压板间距d自动计算出光纤的断裂应力及应力速率。绘制的断裂应力对应的动态疲劳曲线如图3所示,再通过公式计算得出Nd值,图中,斜率=1/(Nd-1)=0.044 8,Nd=23.78。
2.3 两种测试方法差异分析
通过对比两种测试方法测得的Nd值,发现两点弯曲法测得的Nd值普遍比轴向张力拉伸法高0.5~2个单位。这是由于轴向张力拉伸测试过程中,光纤内外涂层分离或错位、实验设备的选择和操作步骤的规范程度等均会在不同程度上造成光纤在卷轴上出现打滑现象,这会导致应力速率减小,但光纤断裂强度不变。而现有光纤涂层大多采用模量偏低的涂料制成,更加剧了打滑现象的出现。两点弯曲法通过修改不同压板速率下的预负荷强度值,可以很好地规避轴向张力拉伸测试过程中出现的打滑问题,且操作简单,其Nd值测试标准偏差远小于轴向张力拉伸法。
同时,轴向张力拉伸实验采用的试样光纤长度约45m,单次测试长度约1m,测试动态过程捕获到低强度点的概率较高。因此,轴向张力拉伸法因其长标距测试的优势,容易发现光纤本身的强度问题。而两点弯曲试验采用的试样光纤长度约5m,单次测试长度约只有0.05m,这导致两点弯曲测试过程很难发现光纤强度问题[5]。
通过上述分析可知,两种测试方法均具有其优缺点,因而适用于不同情形。具体选择时应综合考虑光纤试样、试验环境和施加应力量等因素,且应在用户和制造商之间达成一致。国家标准GB/T15972.33-2008规定轴向张力拉伸法作为光纤动态疲劳测试的基准方法,但对于使用中光纤应力起因于弯曲的情况,尤其在测试G.657光纤的Nd值时,应优先采用两点弯曲法[4]。
某些情况下可以取长补短,综合使用两种测试方法。例如,采用两点弯曲法测得Nd值后,再采用轴向张力拉伸法探究光纤的长期可靠性。
3 结束语
动态疲劳参数Nd值是影响光纤寿命最敏感的因素之一,提高Nd值可以很好地延长光纤寿命。两种测试方法适用于不同情形,实际应用中应与用户和制造商协商,根据光纤试样、试验环境和施加应力量等因素选择具体的试验方法。
摘要：由光纤筛选实验寿命预期模型可知,影响光纤寿命的主要参数有威布尔指数m、应力腐蚀敏感性参数n和筛选应力与静态应力比值。文章重点讨论了轴向张力法和两点弯曲法对光纤寿命的重要评价指数动态疲劳参数Nd值的影响及判定。对两种测试方法测得的G.652D光纤的Nd值进行统计,对优缺点进行了分析。结果表明,轴向张力拉伸法可以很好地发现光纤强度问题,但实现过程中光纤容易打滑,而两点弯曲法则相反。在实际测试过程中应综合使用两种测试方法。
关键词：动态疲劳参数,光纤寿命,轴向张力法,两点弯曲法
参考文献
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[4]GB/T 15972.33-2008,光纤试验方法规范第33部分:机械性能的测量方法和试验程序——应力腐蚀敏感性参数[S].
疲劳测试 篇7
燃气轮机传动系统齿轮箱属于高速重载设备, 其中齿轮为主要失效件之一, 其失效形式主要为齿轮弯曲疲劳失效。齿轮弯曲疲劳失效的主要表现形式为在零件表面或局部形成裂纹或发生断裂的现象。本文主要以燃机传动系统中齿轮材料17Cr Ni Mo6为研究对象, 通过两种不同的热处理工艺, 分别得到两种不同的齿轮心部硬度, 以齿轮高频试验测试为研究手段, 得到齿轮材料17Cr Ni Mo6的两种弯曲疲劳R-S-N曲线, 为类似齿轮箱齿轮的设计提供重要的试验依据。
1 试验
1.1 试验方法
采用齿轮弯曲试验设备对轮齿进行脉动加载试验, 加载至轮齿出现裂纹或失效, 停止试验, 得出在此应力下的循环应力次数即寿命数据。试验时, 载荷仅施加在试验轮齿上, 每个试验齿轮根据试验要求可进行无数次试验, 则可以得到无数个试验点。每做完一个轮齿的试验, 再选取另外一个轮齿进行试验, 但所选取的轮齿与进行过试验的轮齿 (包括用以支承的轮齿) 间隔不少于一个齿。试验齿轮不作啮合运转。
1.2 试验齿轮参数
根据GB/T 14230中的相关规定, 试验齿轮随机抽取, 目的是为了提高试验结果的可信度, 并使试验结果能够反映该种齿轮的承载能力[1,2]。齿轮材料为17Cr Ni Mo6 (渗碳淬火) 。试验时每种齿轮材料取5个应力级, 在每个应力级取6个试验点进行试验。试验齿轮的参数和精度:模数m=4 mm, 螺旋角β=0°, 齿宽b=25 mm, 应力修正系数YST=2.0, 齿根圆角参数qs=2.5, 齿根圆角粗糙度RZ≤10μm, 精度为GB/T10095.1的6级。
齿廓线与齿根圆弧线是圆滑过渡, 检查试验齿轮精度并记录其实测数值。实测全部试验齿轮的表面硬度、基节偏差并剔除不合格的试验齿轮。
1.3 试验时弯曲失效判据
试验载荷加载方式为高频脉动, 所以工作时, 试验设备是处在共振状态下, 如轮齿出现明显疲劳裂纹或断裂时, 系统的共振频率就会发生变化。试验中出现以下情况时, 设备将自动停机, 试验结束。具体操作是通过试验设备控制程序设置失效判据。
根据GB/T 14230要求。试验中, 如果发生下列现象之一时, 都应判为失效:1) 当轮齿沿齿根发生断裂或轮齿出现疲劳裂纹时;2) 试验载荷或频率相比原始设置值下降了5%~10%。
1.4 试验齿轮热处理工艺
为获得两种试验齿轮样件的心部硬度, 采取如下两种热处理工艺路线。
1) 心部硬度≥25HRC (J=12mm处≤28HRC) 。渗碳 (930°C左右) 、缓冷 (830~840°C) 、出炉、缓冷罐 (300°C) 、高温回火 (620~650°C) 、冷却至室温、淬火 (830°C左右) 、热油冷却 (140°C左右) 、低温回火 (180~220°C) 。
2) 心部硬度≥30HRC。渗碳 (930°C左右) 、缓冷 (830~840°C) 、出炉、缓冷罐 (300°C) 、高温回火 (620~650°C) 、冷却至室温、淬火 (830°C左右) 、冷却、低温回火 (160~170°C) 。
齿轮17Cr Ni Mo6渗碳淬火后的渗碳层深度, 平均有效硬化层厚度为0.73 mm。
2 试验加载与齿根应力计算
采用双齿加载的形式进行齿轮弯曲疲劳试验, 试验载荷设置见表1~表2。
根据标准GB/T 14230中给齿根应力计算公式, 进行齿根弯曲应力计算。为了避免试验载荷造成试验夹具、试验齿轮的振动, 必须保持一定的最小载荷, 即循环特性系数R=Fmin/Fmax=0.05。将实际情况下齿根应力换算为R=0时的脉动循环齿根应力σF, 经计算及换算, 不同载荷级的作用下对应的齿根应力值, 见表3、表4。
3 试验数据处理分析
图1为齿轮弯曲试验设备装置图。因试验载荷加载方式为高频脉动, 所以工作时, 试验设备是处在共振状态下, 如轮齿出现明显疲劳裂纹或断裂时, 系统的共振频率就会发生变化。试验中若出现本文1.3节中所述弯曲疲劳失效情况时, 设备将自动停机, 试验结束。
试验轮齿17Cr Ni Mo6在不同热处理条件下分别得到心部硬度为27HRC, 35HRC。各个应力级下的寿命数据, 见表5、表6。根表中的试验数据, 分析各应力级下寿命的分布检验、分布参数与相关系数值, 见表7, 表8所示。
a.b.c.
根据分析检验结果, 以各应力级的相同可靠度R的应力-寿命作为子样, 按照公式σFm·N=C, ln N=-m·lnσF+ln C, 用最小二乘法拟合, 可以得到不同可靠度的S-N曲线, 也即R-S-N曲线[3,4], 根据表9、表10绘制R=0.99时两种热处理后不同硬度值下的R-S-N曲线比较图, 见图2。本试验材料为17Cr Ni Mo6, 其循环基数为N0=3×106时的应力值见表9、表10所示。
根据GB/T 3480中的渗碳淬火齿轮弯曲疲劳极限图 (见图3) 可知, 当可靠度R=0.99时, 所测得的齿轮17Cr Ni Mo6两种心部硬度下疲劳极限应力值分别为σFlim=429.46, σFlim=508.92, 此时的该值的位置分别位于图3中MQ级c线、a线上的位置。由此可判断, 该齿轮材料达到MQ级标准。
4 结论
本次对牌号为17Cr Ni Mo6的齿轮进行轮齿的弯曲疲劳试验, 最终得到当可靠度R为0.99时, 齿轮两种心部硬度下疲劳极限应力值分别为σFlim=429.46, σFlim=508.92, 满足齿轮材料MQ级的要求
摘要：以燃气轮机传动系统中应用的17CrNiMo6齿轮材料为研究对象, 通过两种不同的热处理工艺, 分别得到两种齿轮的心部硬度, 分别为心部硬度大于30HRC和大于25HRC (J=12mm处不大于28HRC) , 再以齿轮高频试验测试为研究手段, 得到两种不同热处理条件下的弯曲疲劳R-S-N曲线。
关键词：燃机传动,齿轮,弯曲疲劳,高频试验
参考文献
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