压电驱动式疲劳试验机设计及其控制分析

【摘要】在日常工作与生活中，零部件在交变载荷作用下，其主要失效形式为疲劳破坏。目前，国内外主要预防疲劳破坏的手段是进行零部件或者材料的疲劳试验，测试其疲劳性能，绘制S-N曲线，从而分析其疲劳寿命。目前国内外使用较为广泛的两大类疲劳试验机分别为电磁驱动型以及电液伺服型，由于受系统阻抗与磁阻的限制，一般工作频率不大于200Hz，同时普遍存在加载精度低、振幅控制差、共振稳定性欠佳等问题，对微小与硬脆材料零件和高频受力构件的疲劳检测均不适用。随着加工制造业与科技的发展，工作在高频、小振幅受力工况下的微小、硬脆机械零部件的使用日趋增多，这使得能够模仿小振幅、高速受载工况的、并具有较高检测效率的疲劳试验机的研发变得日益重要。本文结合对国家自然科学基金项目《压电驱动式高频疲劳试验机构设计理论与性能试验研究》的研究，采用压电振子作为驱动元件，利用系统共振的方法，研制了适用于工作在高频、小振幅受力工况下的微小与硬脆零部件的压电式高频疲劳试验机（以下简称“压电疲劳试验机”），并进行了相关的设计理论、动力学分析、仿真和样机实测的研究，内容如下：通过对比确定了作为压电振子基材的压电陶瓷材料，建立了圆周固支条件下圆形双晶片压电振子的振动模型，求解了其一阶振动模态和相应的固有频率；应用有限元软件对压电振子进行了模态分析；实测了压电振子的固有频率和压电振子中心的振幅；通过比较验证了理论建模与仿真的合理性与求解的正确性。讨论了压电疲劳试验机的总体方案，确定了其预置载荷调整机构的类型，分析并确定了拉伸疲劳试验所需的被测试样的形状和材质；对组成压电疲劳试验机的预置载荷调整机构、弹性加载机构以及底座进行了设计；并着重分析了预置载荷调整机构与弹性加载机构的各个组成部件及其主要作用，并最终确定其材质及规格。根据压电疲劳试验机中压电振子的工作方式并结合本文所设计的压电疲劳试验机的实际需求确定了驱动电源的参数。设计了驱动电源的主电路结构，选定了适合的微处理器以及对IGBT(绝缘栅双极晶体管)的驱动方式。并通过对逆变单元三种形式的分析及比对，确定选用了全桥式逆变器。为了提高驱动电源的输出效率，对其进行了阻抗匹配。分析并设计了驱动电源的主控制程序及中断服务程序。同时确定了压电疲劳试验机检测系统中各主要组成部件的参数，确定了其数据采集装置的技术要求，并设计了与之匹配的软件。利用集中质量法建立了压电疲劳试验机的动力学模型，并根据牛顿第二定律，建立了其机械系统的运动微分方程，同时求解了稳态响应和试件受到的最大载荷；计算了压电振子的刚度、矩形板弹簧的刚度、砝码质量块的质量和试件的刚度；分析了压电驱动式疲劳试验机的谐振频率及试件受到的最大载荷与上述计算的几个重要参数之间的关系。依照表5.5的结构参数建立了疲劳试验机的有限元模型和实体模型，求解了各阶模态振型和相应的固有频率，确定了频率为230.4Hz的第十四阶振型为主振型；通过改变疲劳试验机的板弹簧的厚度和砝码质量块的厚度，研究了这些参数的变化对其主振型固有频率的影响，结果表明：在不改变驱动电压有效值的前提下，板弹簧厚度和砝码质量块的质量增加，都会引起主振型固有频率显著地变大；验证了当其以主振型频率工作时，试件受到的载荷稳定，同时机架振幅不大；通过改变疲劳试验机的板弹簧的厚度和砝码质量块的厚度，分别测试样机在4个不同驱动电压下作用在试件上的最大动载荷，分析了样机各个参数变化对作用在试件上的最大动载荷的影响、变化规律和原因。
【作者】杨鲁义；
【导师】杨志刚；
【作者基本信息】吉林大学，机械工程，2014，硕士
【关键词】压电驱动；压电振子；共振式；疲劳试验；

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