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摘要：电液伺服疲劳试验机是研究材料的力学性能，模拟机械零部件在使用状态下力学特性的重要试验装置。本课题针对现今精确研究材料力学性能的要求，提出在疲劳试验过程中使用高速相机记录材料微观变化过程的方法，为后续研究材料疲劳的机理与趋势提供原始资料。同时，为接近机械零部件真实受载情况，本课题提出拉扭复合加载模式，实现对试样的拉扭复合疲劳测试，以扩充材料疲劳测试方法和范围。针对课题技术指标及要求，本课题设计了由拉压疲劳单元、扭转疲劳单元、试样夹持单元、高速相机监测单元等组成的电液伺服疲劳试验机。此外，设计了一种实用液控回路，以实现动静态疲劳试验功能，提高系统效率和工作可靠性。
关键词：电液伺服，拉扭复合疲劳，疲劳试验机
中图分类号：C93文献标识码： A
Design and Research of plus or minus 200kN Electro-hydraulic Servo Fatigue Testing Machine
ABSTRACT：Electro-hydraulic servo fatigue testing machine is a kind of important test equipment to research material mechanics performance and simulate the mechanical properties of mechanical components and even the whole machine under the working conditions. To meet the challenge of researching material mechanics performance more accurately, this subject put forward the method of using high speed camera in the process of fatigue test, so that the materials’ microstructure change process can be recorded, and the raw data for follow-up study of material fatigue mechanism and trends can be provided. Besides, in order to simulate the real load condition of mechanical parts，this research proposed a tension-torsion composite load model to extend the method and scope of material fatigue test. In view of the technical indicators and requirements of this project, this fatigue testing machine is composed of tension and compression fatigue unit, torsion fatigue test unit, tension-torsion compound fatigue unit, high speed camera monitoring unit, etc. In addition, in order to realize the dynamic and static fatigue test function and to improve the working efficiency and reliability, a practical hydraulic control circuit is designed in this research.
Keywords：Electro-hydraulic servo, tension-torsion compound fatigue, fatigue testing machine
1 引言
电液伺服疲劳试验机是实现材料疲劳试验的重要测试设备，可用于对非金属和金属材料进行拉伸、压缩、断裂、裂纹扩展等材料力学试验，逐渐成为精确研究材料的力学性能，模拟机械零部件甚至整机在使用状态下的力学特性的有力试验手段。目前，随着科技的进步和待测对象的需要，电液伺服疲劳试验机正朝着智能化、节能化的方向发展，以进一步提高试验机效率和精度，降低试验机能耗[1-2]。
本课题旨在设计一种在高速相机监测下，实现拉压疲劳，扭转疲劳和拉扭复合疲劳的电液伺服疲劳试验机，为研究材料疲劳力学性能和破坏机理提供试验依据。本课题对疲劳试验机各组成单元进行了详细设计，并对关键零部件进行了仿真分析，以使所设计的试验机安全可靠。
2 工作内容及要求
电液伺服疲劳试验机主要由主机、液控回路和控制系统三大部分构成。主机是试验机的主要执行和支撑部分，包括拉压疲劳单元、扭转疲劳单元、试样夹持单元、高速相机监测单元等部分组成，是试验机的执行系统，实现对试样循环加载，并经由力传感器将数据反馈给控制部分，实现闭环控制；同时，安装在试样夹头旁的高速相机监测模块实时对试验中的试样进行监控，提供试验图样以供后续分析使用。液控回路是疲劳试验机的液控系统，其按给定信号为液压油缸提供具有一定压力和流量的液压油，使液压缸可分别以力循环控制和位移循环控制条件下对试样进行加载，从而实现动态和静态疲劳试验。控制部分是疲勞试验机的操作和指挥系统，主要由计算机、打印机及软件控制系统等组成，其通过人机交互界面向执行系统发出信号和指令，控制执行系统完成疲劳试验过程，并完成试验数据得搜集和处理[3]。
本课题主要完成对疲劳试验机主机和液控回路的设计。主机的设计分为主执行机构设计、试件夹具设计、液压缸设计选型、高速相机布置和整机的整体布局设计等几个方面，进而分别进行零部件的结构、尺寸、材料的设计，并进行关键零部件的有限元分析和校核，以满足工作要求。液控回路的设计分为液控回路的设计、液压元件的选择等。
本课题的最终目标是设计完成一台可在高速相机监测下，额定负荷200kN时，实现拉伸、压缩疲劳、扭转疲劳和拉扭复合疲劳的电液伺服疲劳试验机。
3 试验机整体布局设计
针对疲劳试验机技术要求，结合试验机国家标准及疲劳测试国家标准规定，设计一台电液伺服疲劳试验机，基本组成单元为：拉压疲劳单元、扭转疲劳单元、试样夹持单元、高速相机监控单元等，试验机整体布局及各单元组件如图1所示。
图1电液伺服疲劳试验机整体布局
4 试验机各组成单元设计
4.1 试验机试样夹持单元设计
结合课题要求，对试验机夹具结构进行分析设计，夹具基本结构如图2所示。
芯轴与主机动力部分连接，使拉力、压力或扭矩通过芯轴、旋转套、夹具体及夹块传递给试样。
夹持试样时，旋松锁紧螺母，搬动搬把使旋转套转动，带动夹具体下移，使两夹块分开。然后，放入试样，转动旋转套是夹具体上移至试样夹紧，旋紧锁紧螺母，使试样进入夹持状态。其中。芯轴下部分导向花键与夹具体内花键配合，引导夹具体上下移动及传递扭矩。托板与芯轴螺纹连接，使夹块在水平方向平动。更换夹块可测试不同尺寸试样，此时，卸下夹块挡板，换好新夹块后，将挡板紧定即可。
图2试验机试样夹具基本结构图3液控回路原理图
4.2 试验机拉压单元设计
电液伺服疲劳试验机拉压疲劳单元的工作原理为：液压油泵将工作介质从油源引入转化为高压油，而后经过滤器、蓄能器等进入电液伺服阀。同时，将控制系统给定信号与力传感器反馈信号比较，得出差值信号。差值信号经放大器放大，控制电液伺服阀，使输出油量按信号交变变化，以驱动液压缸，实现活塞的往复运动。液压缸活塞杆与试验机夹具连接，在信号控制的循环应力下，对试样进行疲劳测试。
本课题所设计的液控系统，其基本组成分为：存储油液的油箱；提供高压油液的电机和液压泵；保证回路油液恒定压力的溢流阀；用于存储多余能量，吸收液压脉动和冲击，提高液压系统动态性能稳定的蓄能器；保证液压缸动作准确，使系统高精度、快速响应的电液伺服阀；过滤油液中杂质，防止杂质堵塞伺服阀和其他液压元件的粗滤油器和精滤油器；降低液压油温的冷却器，以及液压缸、压力计、温度计、单向阀、截止阀等辅助器件。设计时，应尽量采用标准化元件，对各液压元器件进行合理安排和布局，达到结构化、集成化目标，并应尽量降低液控回路的发热和噪声[4]。
液控回路原理图如图3所示。
4.3 试验机扭转单元设计
根据课题目标，所设计的电液伺服疲劳试验机应具备扭转疲劳试验功能，并在此基础上实现拉扭复合疲劳试验。因此，需设计疲劳试验机扭转疲劳单元，同时应考虑扭转疲劳单元与拉压疲劳单元之间的复合关系，以实现拉扭复合疲劳。
本课题试验机扭转单元采用伺服电机驱动，涡轮蜗杆传动以减速增矩，同时，使用滚珠花键作为扭转疲劳单元与拉压疲劳单元间复合的桥梁。进行扭转疲劳单元设计时，应选择合适的伺服电机，设计满足技术要求的蜗轮蜗杆减速器，选择合适的滚珠花键及轴承等。
扭转疲劳单元由伺服电机、联轴器、齿轮蜗杆减速器组成，其各部分连接关系及总体布局如图4所示。
图4扭转疲劳单元整体布局 图5高速相机监测单元整体布局
4.4 高速相机监测单元设计
材料疲劳破坏过程及破坏机理是当今材料疲劳破坏理论的研究热点，而接近材料疲劳破坏条件测试，并实时监控材料疲劳测试过程中试样各时间点的状态，有助于分析材料疲劳破坏理论及变化趋势，为深入研究材料疲劳破坏机理收集试验数据。
针对现今疲劳试验机功能需求，本电液伺服疲劳试验机特加入高速相机监测单元，以实时监控疲劳测试过程中试样在各时间点状态，弥补现有疲劳试验机不能进行原位监控这一空白。高速相机组件整体布局图如图5所示。
5 总结
疲劳测试试验装置的研发与试制一直以来都是工程技术领域关心的前沿问题，电液伺服疲劳试验机的研制和发展更是重中之重。然而，对于能在高速相机监测下，实现拉扭复合疲劳的试验机的研发却较少有人涉及，而这种试验形式对研究疲劳破坏机理及趋势有着重要意义。
本课题主要完成了对高速相机监测下，实现单轴拉压疲劳、扭转疲劳及拉扭复合疲劳的电液伺服疲劳试验机的研制，所设计的疲劳试验机具有较高的实用性。
参考文献
[1]刘启元. 疲劳试验机的发展[J].试验机与材料试验，1981(1)，61-71.
[2]JI.M.什科利尼克[苏]著.疲劳试验方法手册[M].北京：机械工业出版社，1983.
[3]程永全，赵建玉. 电液伺服动态试验技术与电液伺服动态试验机[J].理化检验-物理分册，2008(44)：247-249.
[4]張福波，王国栋，张殿华，刘相华.电液伺服疲劳试验机优化控制初探[J].钢铁研究学报， 2007(01)：57-59.
关键词：电液伺服，拉扭复合疲劳，疲劳试验机
中图分类号：C93文献标识码： A
Design and Research of plus or minus 200kN Electro-hydraulic Servo Fatigue Testing Machine
ABSTRACT：Electro-hydraulic servo fatigue testing machine is a kind of important test equipment to research material mechanics performance and simulate the mechanical properties of mechanical components and even the whole machine under the working conditions. To meet the challenge of researching material mechanics performance more accurately, this subject put forward the method of using high speed camera in the process of fatigue test, so that the materials’ microstructure change process can be recorded, and the raw data for follow-up study of material fatigue mechanism and trends can be provided. Besides, in order to simulate the real load condition of mechanical parts，this research proposed a tension-torsion composite load model to extend the method and scope of material fatigue test. In view of the technical indicators and requirements of this project, this fatigue testing machine is composed of tension and compression fatigue unit, torsion fatigue test unit, tension-torsion compound fatigue unit, high speed camera monitoring unit, etc. In addition, in order to realize the dynamic and static fatigue test function and to improve the working efficiency and reliability, a practical hydraulic control circuit is designed in this research.
Keywords：Electro-hydraulic servo, tension-torsion compound fatigue, fatigue testing machine
1 引言
电液伺服疲劳试验机是实现材料疲劳试验的重要测试设备，可用于对非金属和金属材料进行拉伸、压缩、断裂、裂纹扩展等材料力学试验，逐渐成为精确研究材料的力学性能，模拟机械零部件甚至整机在使用状态下的力学特性的有力试验手段。目前，随着科技的进步和待测对象的需要，电液伺服疲劳试验机正朝着智能化、节能化的方向发展，以进一步提高试验机效率和精度，降低试验机能耗[1-2]。
本课题旨在设计一种在高速相机监测下，实现拉压疲劳，扭转疲劳和拉扭复合疲劳的电液伺服疲劳试验机，为研究材料疲劳力学性能和破坏机理提供试验依据。本课题对疲劳试验机各组成单元进行了详细设计，并对关键零部件进行了仿真分析，以使所设计的试验机安全可靠。
2 工作内容及要求
电液伺服疲劳试验机主要由主机、液控回路和控制系统三大部分构成。主机是试验机的主要执行和支撑部分，包括拉压疲劳单元、扭转疲劳单元、试样夹持单元、高速相机监测单元等部分组成，是试验机的执行系统，实现对试样循环加载，并经由力传感器将数据反馈给控制部分，实现闭环控制；同时，安装在试样夹头旁的高速相机监测模块实时对试验中的试样进行监控，提供试验图样以供后续分析使用。液控回路是疲劳试验机的液控系统，其按给定信号为液压油缸提供具有一定压力和流量的液压油，使液压缸可分别以力循环控制和位移循环控制条件下对试样进行加载，从而实现动态和静态疲劳试验。控制部分是疲勞试验机的操作和指挥系统，主要由计算机、打印机及软件控制系统等组成，其通过人机交互界面向执行系统发出信号和指令，控制执行系统完成疲劳试验过程，并完成试验数据得搜集和处理[3]。
本课题主要完成对疲劳试验机主机和液控回路的设计。主机的设计分为主执行机构设计、试件夹具设计、液压缸设计选型、高速相机布置和整机的整体布局设计等几个方面，进而分别进行零部件的结构、尺寸、材料的设计，并进行关键零部件的有限元分析和校核，以满足工作要求。液控回路的设计分为液控回路的设计、液压元件的选择等。
本课题的最终目标是设计完成一台可在高速相机监测下，额定负荷200kN时，实现拉伸、压缩疲劳、扭转疲劳和拉扭复合疲劳的电液伺服疲劳试验机。
3 试验机整体布局设计
针对疲劳试验机技术要求，结合试验机国家标准及疲劳测试国家标准规定，设计一台电液伺服疲劳试验机，基本组成单元为：拉压疲劳单元、扭转疲劳单元、试样夹持单元、高速相机监控单元等，试验机整体布局及各单元组件如图1所示。
图1电液伺服疲劳试验机整体布局
4 试验机各组成单元设计
4.1 试验机试样夹持单元设计
结合课题要求，对试验机夹具结构进行分析设计，夹具基本结构如图2所示。
芯轴与主机动力部分连接，使拉力、压力或扭矩通过芯轴、旋转套、夹具体及夹块传递给试样。
夹持试样时，旋松锁紧螺母，搬动搬把使旋转套转动，带动夹具体下移，使两夹块分开。然后，放入试样，转动旋转套是夹具体上移至试样夹紧，旋紧锁紧螺母，使试样进入夹持状态。其中。芯轴下部分导向花键与夹具体内花键配合，引导夹具体上下移动及传递扭矩。托板与芯轴螺纹连接，使夹块在水平方向平动。更换夹块可测试不同尺寸试样，此时，卸下夹块挡板，换好新夹块后，将挡板紧定即可。
图2试验机试样夹具基本结构图3液控回路原理图
4.2 试验机拉压单元设计
电液伺服疲劳试验机拉压疲劳单元的工作原理为：液压油泵将工作介质从油源引入转化为高压油，而后经过滤器、蓄能器等进入电液伺服阀。同时，将控制系统给定信号与力传感器反馈信号比较，得出差值信号。差值信号经放大器放大，控制电液伺服阀，使输出油量按信号交变变化，以驱动液压缸，实现活塞的往复运动。液压缸活塞杆与试验机夹具连接，在信号控制的循环应力下，对试样进行疲劳测试。
本课题所设计的液控系统，其基本组成分为：存储油液的油箱；提供高压油液的电机和液压泵；保证回路油液恒定压力的溢流阀；用于存储多余能量，吸收液压脉动和冲击，提高液压系统动态性能稳定的蓄能器；保证液压缸动作准确，使系统高精度、快速响应的电液伺服阀；过滤油液中杂质，防止杂质堵塞伺服阀和其他液压元件的粗滤油器和精滤油器；降低液压油温的冷却器，以及液压缸、压力计、温度计、单向阀、截止阀等辅助器件。设计时，应尽量采用标准化元件，对各液压元器件进行合理安排和布局，达到结构化、集成化目标，并应尽量降低液控回路的发热和噪声[4]。
液控回路原理图如图3所示。
4.3 试验机扭转单元设计
根据课题目标，所设计的电液伺服疲劳试验机应具备扭转疲劳试验功能，并在此基础上实现拉扭复合疲劳试验。因此，需设计疲劳试验机扭转疲劳单元，同时应考虑扭转疲劳单元与拉压疲劳单元之间的复合关系，以实现拉扭复合疲劳。
本课题试验机扭转单元采用伺服电机驱动，涡轮蜗杆传动以减速增矩，同时，使用滚珠花键作为扭转疲劳单元与拉压疲劳单元间复合的桥梁。进行扭转疲劳单元设计时，应选择合适的伺服电机，设计满足技术要求的蜗轮蜗杆减速器，选择合适的滚珠花键及轴承等。
扭转疲劳单元由伺服电机、联轴器、齿轮蜗杆减速器组成，其各部分连接关系及总体布局如图4所示。
图4扭转疲劳单元整体布局 图5高速相机监测单元整体布局
4.4 高速相机监测单元设计
材料疲劳破坏过程及破坏机理是当今材料疲劳破坏理论的研究热点，而接近材料疲劳破坏条件测试，并实时监控材料疲劳测试过程中试样各时间点的状态，有助于分析材料疲劳破坏理论及变化趋势，为深入研究材料疲劳破坏机理收集试验数据。
针对现今疲劳试验机功能需求，本电液伺服疲劳试验机特加入高速相机监测单元，以实时监控疲劳测试过程中试样在各时间点状态，弥补现有疲劳试验机不能进行原位监控这一空白。高速相机组件整体布局图如图5所示。
5 总结
疲劳测试试验装置的研发与试制一直以来都是工程技术领域关心的前沿问题，电液伺服疲劳试验机的研制和发展更是重中之重。然而，对于能在高速相机监测下，实现拉扭复合疲劳的试验机的研发却较少有人涉及，而这种试验形式对研究疲劳破坏机理及趋势有着重要意义。
本课题主要完成了对高速相机监测下，实现单轴拉压疲劳、扭转疲劳及拉扭复合疲劳的电液伺服疲劳试验机的研制，所设计的疲劳试验机具有较高的实用性。
参考文献
[1]刘启元. 疲劳试验机的发展[J].试验机与材料试验，1981(1)，61-71.
[2]JI.M.什科利尼克[苏]著.疲劳试验方法手册[M].北京：机械工业出版社，1983.
[3]程永全，赵建玉. 电液伺服动态试验技术与电液伺服动态试验机[J].理化检验-物理分册，2008(44)：247-249.
[4]張福波，王国栋，张殿华，刘相华.电液伺服疲劳试验机优化控制初探[J].钢铁研究学报， 2007(01)：57-59.