CN104849158A - 一种电液式高频疲劳试验机及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种疲劳试验机及其设计方法，本发明的电液式高频疲劳试验机包括端面相互接触的动盘和静盘，动盘和静盘外设置有壳体将其密封包住，所述动盘的接触端面上钻铰有多个圆形的动盘压力油孔和动盘回油孔，与动盘接触的静盘端面上设置有静盘压力油孔和静盘回油孔，所述静盘上的油孔与动盘上的油孔对应布置，使动盘旋转时，动盘压力油孔和动盘回油孔能分别与静盘压力油孔和静盘回油孔连通，在远离动盘的静盘端部设置有向该端面打压力油的通道、且设置有控制该通道压力油量的装置。该试验机的高频发生器的结构设计合理，利于加工和实现高频需求，还能对高频发生器内的动盘、静盘的密封压力进行调节，减少对伺服电机的驱动功率和能耗的损耗。

Description

一种电液式高频疲劳试验机及其设计方法

技术领域

本发明涉及一种疲劳试验机，特别涉及一种电液式高频疲劳试验机及其设计方法。

背景技术

普通液压疲劳试验机通常是将一定压力和一定流量的液压油通过伺服阀控制作动器往复运动，对试件交变拉、压加载，而实现疲劳试验。作动器是一个高精度双杆双伸全对称的油缸，作动器的前端安装了负荷传感器，检测加载负荷力值，作动器的尾端安装了磁滞位移传感器(或外置LVDT位移传感器)，检测运动的位移(或振幅)；通过测控系统,可选择负荷力或位移(振幅)值控制向试件往复加载。由于作动器的往复运动由伺服阀控制，而伺服阀实现换向则是依靠阀芯左右移动来改变液压油的流向，但是阀芯有一定质量，运动时有一定的惯性，此外,液压油有一定的粘滞力，因为这些原因的限制，阀芯左右移动的频率不可能太高，因此限制了这种加载技术,仅能适应低周疲劳。低周疲劳试验频率0.1～50Hz之间，而高频疲劳的试验频率在50～300Hz范围之内。

为了缩短试验时间，必须提高试验的振荡频率，也就是所谓高频疲劳。专利申请号为：201310424170.8的发明专利记载了一种高频脉冲发生器及其加载系统，其中的高频脉冲发生器包括静盘、动盘、主传动轴、外壳等部件，在所述静盘和动盘的接触面上，对应地等距切制有4个弧长与间隔完全相等的弧形槽，所述弧形槽通过本体内部的通道相互连通，且所述动盘和静盘的外圆柱面上设有与弧形槽相连通的槽口，所述动盘和静盘外圆柱面上开设的槽口分别与外壳矩形环槽相连通。该结构通过外壳上的压力油入口和回油出口与动盘和静盘上的弧形槽连通，打入压力油后，当动盘旋转一圈时，作动器实现2个周期的振荡。

然而该装置动盘和静盘上弧形槽的油孔设计，槽形不易加工，工艺复杂，且会限制在动静盘端面的开槽数量，不利于实现该高频发生器高频振荡的需求。另外，动盘和静盘结合面的密封力不可控，密封压力过大会增加伺服电机的驱动功率和能耗，过小又起不到好的密封的效果。

另一方面，对于电液式疲劳试验机的动静盘上的油孔大小，以及油孔位置的布置，伺服电机的转速和作动器的选型等目前还没有系统的设计计算方法，要达到较优的试验效果和试验效率，有必要对电液式疲劳试验机的部件设计方法进行研究。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的动盘和静盘上弧形槽的油孔设计，槽形不易加工、工艺复杂且会限制在动静盘端面的开槽数量，不利于实现该高频发生器高频振荡的需求，以及动盘和静盘结合面的密封力不可控的不足，提供一种电液式高频疲劳试验机，该试验机的高频发生器的结构设计更合理，利于加工和实现高频需求，还能对高频发生器内的动、静盘的密封压力进行调节，减少对伺服电机的驱动功率和能耗的损耗。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种高频发生器，包括端面相互接触的动盘和静盘，所述动盘和静盘外设置有壳体将其密封包住，所述动盘的接触端面上钻铰有多个圆形的动盘压力油孔和动盘回油孔，与动盘接触的静盘端面上设置有静盘压力油孔和静盘回油孔，所述静盘压力油孔与动盘压力油孔对应布置，所述静盘回油油孔与动盘回油孔对应布置，使动盘旋转时，动盘压力油孔和动盘回油孔能分别与静盘压力油孔和静盘回油孔连通，在远离动盘的静盘端部设置有向该端面打压力油的通道、且设置有控制该通道压力油压的装置。

该高频发生器的动静盘接触端面上的压力油通道采用钻铰加工，即先钻制后铰削，满足油孔精度要求，工艺简单且易于加工；由动盘和静盘上对应设置的压力油孔和回油孔，使动盘旋转时动盘上的油孔能分别与静盘上的压力油孔和回油孔连通，再通过壳体上的对应通道与作动器的腔室和油箱连通，由油箱通入压力油后，随着动盘的旋转，压力油通过动盘、静盘到作动器的循环，实现作动器的腔室之间的加载，动盘上的压力油孔与静盘上的压力油孔和回油孔循环一次，即可完成一次振荡，动盘连续旋转振荡周而复始，实现高频振荡的需求；而圆孔形的油孔有利于在动静盘端面布置更多数量的孔，有利于实现疲劳试验机的高频需求；在静盘的另一端设置有向该端面打压力油的通道、且设置有控制该通道压力油压的装置，可以压紧动静盘的结合面，保证动、静盘端面密封的必要压力，且通过设置的控制压力油压的装置，可调节作用于静盘端面上的压力油压力，减少对伺服电机的驱动功率和能耗的损耗。

作为优选，在远离静盘的动盘端面上设置有与动盘圆柱面同轴的凸台，在该凸台上安装有推力轴承，所述壳体上留有安装推力轴承的空间。通过推力轴承的设置，能将静盘端面上受到的压力油产生的轴向力消除，增加高频发生器运行的稳定性。

作为优选，所述动盘压力油孔数量为5-10个，所述动盘压力油孔和静盘压力油孔的大小相同、数量相等，所述动盘回油孔与动盘压力油孔的大小相同，所述静盘回油孔与静盘压力油孔的大小相同，且将两种油孔间隔均布于盘端面的同一中心圆环线上。动盘和静盘端面上分别设置的压力油孔和回油孔，大小相同、数量相等，在动盘旋转时，保证两个盘上的油孔相通，形成油循环系统；间隔设置的压力油孔和回油孔，当动盘上的一个油孔旋转时，分别与静盘上的相邻两个油孔相通后，完成疲劳试验机的一个周期振荡，根据试验和经验数据，将压力油孔和回油孔的数量均设置为5-10个，有利于降低驱动电机的转速，同时满足轴承的极限转速的要求，更利于提高疲劳试验机高频的频率。

作为优选，所述壳体包括前端盖、壳体和后端盖，所述后端盖上设置有与壳体上的压力油入孔连通的压力油通道，并在后端盖与静盘接触的端面上开有该压力油通道的出口。

作为优选，所述静盘与后端盖的接触端端面上设置有凹形储油槽，所述凹形储油槽设置在静盘端面的中心位置，使后端盖上的压力油通道出口在凹形储油槽对应的范围内。在静盘端面上设置的凹形储油槽，与后端盖上的压力油通道连通后，利于用压力油压紧静盘与动盘的接触面，而凹槽的设计，减小了压力油对静盘施加作用力的面积，为更好地控制动盘和静盘结合面的密封力、平衡驱动电机功率提供保障。

作为优选，所述后端盖上设置有节流阀控制该压力油通道内的压力油压。节流阀与静盘端面的凹形储油槽配合，实现动盘与静盘之间的动密封。

一种电液式高频疲劳试验机，包括高频发生器和高频发生器加载系统，所述高频发生器加载系统所述高频发生器加载系统包括与高频发生器连接的伺服电机和两通电磁阀，所述两通电磁阀与作动器连接，该系统还设有与高频发生器连接的比例电磁溢流阀和油泵，所述油泵由变频电机控制，所述比例电磁溢流阀和变频电机都与主控电脑相连，所述伺服电机和作动器通过连接线路与主控电脑连接，在两通电磁阀与作动器连接的线路上还设置有四通电磁阀，所述四通电磁阀另一端分别与比例电磁溢流阀和油泵相连接。

在两通电磁阀与作动器连接的线路上设置的四通电磁阀，使加载系统在实验前关闭两通电磁阀，导通四通电磁阀，就可以自由使作动器上升或下降，保证试件的装夹和必要的试验空间。

一种电液式高频疲劳试验机的使用方法，包括上述的电液式高频疲劳试验机，使用方法包括以下步骤：(1)首先启动油泵，将油箱中的压力油供向高频发生器及高频发生器加载系统；(2)导通四通电磁阀，关闭两通电磁阀，调整作动器的位置，保证试件的装夹和必要的试验空间；(3)关闭四通电磁阀，导通两通电磁阀，试验若采用力控，应先设置好载荷的目标值，主控电脑控制比例电磁溢流阀的输出压力，进而控制压力油进入高频发生器的油压，并且同时由主控电脑控制伺服电机的转速；若采用位控，应先设置好振幅的目标值，主控电脑控制变频电机的转速，进而调节油泵输出目标振幅所需要的流量；(4)进行疲劳试验；(5)采集数据，打印完整试验报告。

本发明的另外一个目的在于提供一种电液式高频疲劳试验机设计方法，通过该设计方法的计算精确得出电液式高频疲劳试验机的各个部件参数，使各个部件的配合使用效率达到最优，提高试验机的使用性能，提高使用效率。

一种电液式高频疲劳试验机的设计方法，如上述的电液式高频疲劳试验机的设计方法包括以下过程：

(1)确定高频疲劳试验机的振幅：首先根据高频疲劳试验机的振荡频率f，计算振幅δ，计算公式为：δ＝g/(2πf)²＝0.2485/f²，其中g为重力加速度；

(2)作动器设计：作动器的设计与一般油缸设计相同，但需要将刚度K取高值、许用应力σ_p取低值，具体为K取10GN/m，σ_p取100MPa，计算得到作动器活塞杆直径d和油缸面积A；

(3)高频发生器压力油流量计算：通过两种方法计算压力油流量，第一种计算公式为：Q₁＝4×δ×A×f×60，单位为L/min，其中Q₁为流量，δ为振幅绝对值，A为作动器油缸面积，f为振荡频率；第二种计算公式为：Q₂(流量)＝V_max×A×60，其中Q₂为流量，V_max为最大流量；通过数据验证，选取计算出流量更大的计算公式作为压力油流量的计算公式；

(4)动盘和静盘油孔直径计算：将压力油流量划分为三个等级：10L以下、10-30L和30-90L；通过计算得出10L以下、10-30L和30-90L分别需要的油孔直径；

(5)动盘和静盘端面油孔所在中心圆直径计算：设动盘压力油孔、动盘回油孔间隔地均布于动盘端面的同一中心圆环线上，且动盘上的两种油孔大小相等，设动盘上的有n个动盘压力油孔，那么也就有n个动盘回油孔，中心圆圆弧就被均分为2×2n＝4n等分，根据三角函数得到中心圆直径D＝r/sin(22.5°/n)，其中r为油孔直径，n为动盘或静盘端面上的压力油孔数量，或者是回油孔数量；

(6)伺服电机选型：取静盘的轴压值为2-6MPa，其轴向力P＝工作压力×面积，摩擦因数取μ＝0.02-0.1，则摩擦力F＝μP，摩擦力矩M＝FD/2，通过这些数据取伺服电机；

(7)节流阀选型：节流阀的选用原则为，既要保证动静配油盘端面的密封，又不至增加轴压力，以致增加驱动功率。

作为优选，步骤(1)中所述的频率f，若动盘压力油孔的数量为n，动盘旋转一圈则有n HZ频率，需要达到某个试验振荡频率时，调整伺服电机的转速即可。

作为优选，步骤(4)中计算动盘和静盘上油孔直径时，根据本技术领域中所知，油孔直径为16mm时，最大流量可达130L/min，那么油孔的单位面积流量：q＝Q/a＝130/(8²×π)＝130/64π＝0.6465L/mm²，其中a为油孔单位面积，由此分别计算油孔直径为4-20mm时的最大流量，通过计算得出10L以下、10-30L和30-90L分别需要的油孔直径为4mm、8mm和14mm。

通过该电液式高频疲劳试验机的设计方法，可以得出在需要的振荡频率时，高频发生器的动盘和静盘上的油孔直径、以及油孔所在中心圆直径，还可对配套使用的作动器选型，确定油孔的数量后可得出伺服电机需要达到的转速，能为疲劳试验提供稳定的高频振荡，提高试验机的使用性能和使用效率。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、该高频发生器的动静盘接触端面上的压力油通道为圆孔且采用钻铰加工，即先钻制后铰削，满足油孔精度要求，圆孔形油孔工艺简单且易于加工；而圆孔形的油孔有利于在动静盘端面布置更多数量的孔，有利于实现疲劳试验机的高频需求；在静盘的另一端设置有向该端面打压力油的通道、且设置有控制该通道压力油压的装置，可以压紧动静盘的结合面，保证动、静盘端面密封的必要压力，且通过设置的控制压力油压的装置，可调节作用于静盘端面上的压力油压力，减少对伺服电机的驱动功率和能耗的损耗；

2、通过推力轴承的设置，能将静盘端面上受到的压力油产生的轴向力消除，增加高频发生器运行的稳定性；

3、在静盘端面上设置的凹形储油槽，与后端盖上的压力油通道连通后，在用压力油压紧静盘与动盘的接触面时，对静盘的作用面积更大，有利于控制作用在动盘和静盘结合面的力，更好地实现动盘与静盘之间的动密封；

4、高频发生器加载系统中，在两通电磁阀与作动器连接的线路上设置的四通电磁阀，使加载系统在实验前关闭两通电磁阀，导通四通电磁阀，就可以自由使作动器上升或下降，保证试件的装夹和必要的试验空间；

5、通过该电液式高频疲劳试验机的设计方法，可以得出在需要的振荡频率时，高频发生器的动盘和静盘上的油孔直径、以及油孔所在中心圆直径，还可对配套使用的作动器选型，确定油孔的数量后可得出伺服电机需要达到的转速，能为疲劳试验提供稳定的高频振荡，提高试验机的使用性能和使用效率。

附图说明：

图1为本发明的电液式高频疲劳试验机的高频发生器的结构示意图。

图2为图1中的动盘、静盘的结构示意图。

图3为图2中动盘端面的结构示意图。

图4为图2中静盘端面的结构示意图。

图5为高频发生器加载系统的连接示意图。

图6为动盘和静盘端面油孔所在中心圆直径的计算关系图。

图中标记：1-伺服电机，2-支座，3-推力轴承，4-动盘，5-作动器B腔接口，6-壳体B环槽，7-作动器A腔接口，8-壳体A环槽，9-节流阀，10-静盘，11-后端盖，12-定位销，13-压力油环槽，14-压力油入孔，15-回油环槽，16-回油出孔，17-油箱，18-前端盖，19-主控电脑，20-比例电磁溢流阀，21-变频电机，22-油泵，23-四通电磁阀，24-高频发生器，25-两通电磁阀，41-动盘回油孔，42-动盘压力油孔，43-中心油孔，44-驱动连接孔，101-静盘回油孔，102-静盘压力油孔，103-凹形储油槽，104-定位销孔。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1至图5所示，该电液式高频疲劳试验机的高频发生器结构，包括端面相互接触的动盘4和静盘10，动盘、静盘外设置有壳体将其密封包住，所述动盘4的接触端面上钻铰有多个圆形的动盘压力油孔42和动盘回油孔41，与动盘4接触的静盘10端面上设置有静盘压力油孔101和静盘回油孔102，所述静盘压力油孔101与动盘压力油孔42对应布置，所述静盘回油孔102与动盘回油孔41对应布置，使动盘4旋转时，动盘压力油孔42和动盘回油孔41能分别与静盘压力油孔101和静盘回油孔102连通，在远离动盘的静盘10端部设置有向该端面打压力油的通道、且设置有控制该通道压力油压的装置。

如图1所示，在远离静盘10的动盘4端面上设置有与动盘4圆柱面同轴的凸台，在该凸台上安装有推力轴承3，所述壳体上留有安装推力轴承的空间。通过推力轴承的设置，能将静盘端面上受到的压力油产生的轴向力消除，增加高频发生器运行的稳定性。

如图1和图2所示，动静盘外设置的壳体上，与静盘接触的壳体上与静盘圆柱面上的油孔对应地设置有壳体B环槽6和壳体A环槽8，在壳体上所述壳体B环槽6和壳体A环槽8与壳体外设置的作动器B腔接口5和作动器A腔接口7分别连通；同样的，与动盘接触的可以上与动盘圆柱面上的油孔对应设置有压力油环槽13和回油环槽15，所述压力油环槽13和回油环槽15与壳体外设置的油箱17分别通过压力油入孔14和回油出孔16连通；因此，压力油从油箱17经过压力油入孔14进入，充满壳体上的压力油环槽13，通过动盘上径向油孔流向其端面的动盘压力油孔42；当动盘4旋转时，动盘压力油孔42依次与静盘压力油孔102和静盘回油孔101接通。当动盘压力油孔42与静盘回油孔101接通时，压力油通过壳体A环槽8及作动器A腔接口7，进而与作动器A腔连通，实现作动器A腔向B腔加载，B腔则泄油，B腔所泄之油流经作动器B腔接口5充满壳体B环槽6和静盘压力油孔；由于结构的原因，动、静盘接触端面上的油孔对应设置且相通，此时，动盘回油孔41正好与静盘压力油孔102接通，静盘压力油孔的回油通过动盘回油孔41流入回油环槽15，通过回油出孔16流回油箱，实现回油。反之，当动盘压力油孔41与静盘压力油孔102接通时，静盘压力油孔102的压力油通过壳体B环槽6及作动器B腔接口5与作动器连通，实现作动器B腔向A腔加载，A腔则泄油，A腔所泄之油流经作动器A腔接口7壳体A环槽8和静盘回油孔101，此时，动盘回油孔41正好与静盘回油孔101接通，静盘回油孔的回油通过动盘回油孔41流入回油环槽15，通过回油出孔16流回油箱，实现回油。这样的过程就完成一次振荡，当动盘4连续旋转时，振荡周而复始，实现该高频发生器的产生高频振荡。改变动配油盘的转速，就改变了振荡的频率。而采用圆孔形的油孔设计，有利于在动、静盘端面布置更多数量的孔，在实现疲劳试验机的高频需求同时，减少对伺服电机的驱动功率和能耗的损耗。

该高频发生器的动静盘接触端面上的压力油通道采用钻铰加工，即先钻制后铰削，满足油孔精度要求，工艺简单且易于加工；由动盘和静盘上对应设置的压力油孔和回油孔，使动盘旋转时动盘上的油孔能分别与静盘上的压力油孔和回油孔连通，再通过壳体上的对应通道与作动器的腔室和油箱连通，由油箱通入压力油后，随着动盘的旋转，压力油通过动盘、静盘到作动器的循环，实现作动器的腔室之间的加载，动盘上的压力油孔与静盘上的压力油孔和回油孔循环一次，即可完成一次振荡，动盘连续旋转振荡周而复始，实现高频振荡的需求；在静盘的另一端设置有向该端面打压力油的通道、且设置有控制该通道压力油压的装置，可以压紧动静盘的结合面，保证动、静盘端面密封的必要压力，且通过设置的控制压力油压的装置，可调节作用于静盘端面上的压力油压力，减少对伺服电机的驱动功率和能耗的损耗。

在本实施例中，所述动盘4和静盘上10的压力油孔和回油孔大小相同、数量相等，压力油孔数量设置为10个，两种油孔间隔均布于盘端面的同一中心圆环线上。动静盘端面上分别设置的压力油孔和回油孔，大小相同、数量相等，在动盘旋转时，能保证两个盘上的油孔及时相通，形成油循环系统；间隔设置的压力油孔和回油孔，当动盘上的一个油孔旋转时，分别与静盘上的相邻两个油孔相通后，快速完成疲劳试验机的一个周期振荡，根据试验和经验数据，将压力油孔和回油孔的数量均设置为10个，这样就等于动盘、静油盘各设计了10对进出油口，动盘端面上一共就有20个油孔，因此，动盘每旋转一圈即可产生20次振荡。有利于降低驱动电机的转速，同时满足轴承的极限转速的要求，更利于提高疲劳试验机高频的频率。

本实施例中，所述壳体包括前端盖18、壳体和后端盖11，所述后端盖11上设置有与壳体上的压力油入孔连通的压力油通道，并在后端盖11与静盘10接触的端面上开有该压力油通道的出口。

本实施例中，所述静盘10与后端盖11的接触端端面上设置有凹形储油槽103，所述凹形储油槽103设置在静盘端面的中心位置，使后端盖11上的压力油通道出口在凹形储油槽103对应的范围内。在静盘端面上设置的凹形储油槽，与后端盖上的压力油通道连通后，利于用压力油压紧静盘与动盘的接触面，而凹槽的设计，减小了压力油对静盘施加作用力的面积，为合理地控制动盘和静盘结合面的密封力提供保障。

本实施例中，所述后端盖11上设置有节流阀9控制该压力油通道内的压力油压。节流阀与静盘端面的凹形储油槽配合，实现动盘与静盘之间的动密封。

本实施例的电液式高频疲劳试验机，包括上述的高频发生器24和高频发生器加载系统，如图3所示，本实施例的高频发生器加载系统，包括与高频发生器24连接的伺服电机1和两通电磁阀25，所述两通电磁阀25与作动器5连接，该系统还设有与高频发生器24连接的比例电磁溢流阀20和油泵22，所述油泵22由变频电机21控制，所述比例电磁溢流阀20和变频电机21都与主控电脑19相连，所述伺服电机1和作动器5通过连接线路与主控电脑19连接，在两通电磁阀25与作动器5连接的线路上还设置有四通电磁阀23，所述四通电磁阀23另一端分别与比例电磁溢流阀20和油泵22相连接。

如图3中所示，在两通电磁阀与作动器连接的线路上设置的四通电磁阀，使加载系统在实验前关闭两通电磁阀，导通四通电磁阀，就可以自由使作动器上升或下降，保证试件的装夹和必要的试验空间。

本实施例的电液式高频疲劳试验机的使用方法，首先启动油泵22，将油箱17中的压力油供向高频发生器24及高频发生器加载系统管路；在启动伺服电机1前，先导通四通电磁阀23，关闭两通电磁阀25，调整作动器5的位置，保证试件的装夹和必要的试验空间，将试件装好；关闭四通电磁阀23，导通两通电磁阀25，试验若采用力控，应先设置好载荷的目标值，主控电脑19控制比例电磁溢流阀20的输出压力，进而控制压力油进入高频发生器24的油压，并且同时由主控电脑19控制伺服电机1的转速；

若采用位控，应先设置好振幅的目标值，主控电脑19控制变频电机21的转速，进而调节油泵22输出目标振幅所需要的流量；在需要采集数据的各个部件上均设置有相应的设备并与主控电脑连接，试验数据动态采集，试验图线实时显示，试验数据实时保存，直至试验结束，数据存储，打印完整试验报告。

本实施例中，上述电液式高频疲劳试验机的设计方法，包括以下步骤：

(1)确定高频疲劳试验机的振幅：首先根据高频疲劳试验机的振荡频率f，计算振幅δ，计算公式为：δ＝g/(2πf)²＝0.2485/f²，其中g为重力加速度；

在电磁高频试验机中，对振幅这一参数没有太多的关注，也没有进行检测，但在电液式高频试验机中却是一个很重要的参数，只有确定了振幅才可能准确计算流量及确定系统的功率。

根据现有技术可知，电磁高频疲劳试验的振荡，是指当电磁激振频率与试验机配重、弹簧、夹头、试件等质量和刚度构成的谐振系统的固有频率一致时产生的共振。其力学模型是重力场中质量弹簧系统。其系统固有圆频率：其中ωn为圆频率，rad/s；K为弹簧刚度，N/m；m为刚体质量，kg；g为重力加速度，m/s²；δ为变形量，m；此外，由圆频率与频率的关系可知：ωn＝2π/T＝2πf；T为周期，s；f为振荡频率，Hz，联解两个关于圆频率ωn的公式，可知：δ＝g/ωn²＝9.81/(2πf)²＝0.2485/f²，带入振荡频率即可得到δ值，本实施例中，动盘压力油孔的数量为10，动盘旋转一圈则有10HZ频率，若疲劳试验机的振荡频率为f＝500Hz，得到振幅δ＝9.8/4*(πf)²＝9.93*10^-7＝0.993μ≈1μ＝1×10^-6m。进一步的运用此公式，频率不同时分别计算所对应的振幅，图下表所示：

(2)作动器设计：作动器的设计与一般油缸设计相同，但需要将刚度K取高值、许用应力σ_p取低值，具体为K取10GN/m，σ_p取100MPa，计算得到作动器活塞杆直径d和油缸面积A；

活塞杆的刚度K按10GN/m计算。吨位依次有1、2、3、5、10、20、30、50、100、200吨规格，作动器行程1～5吨取50mm(±25mm)，10～50吨取100mm(±50mm)，100～200吨取160mm(±80mm)。

作动器按双杆双伸、全对称的结构设计，油缸工作压力≤25MPa，杆径d由胡克定律ΔL＝PL/AE，刚度K＝P/ΔL，面积A_d＝πd²/4导出：d²＝4KL/Eπ≈0.0607L，所以此处L为活塞杆长，按行程4倍选取。

作动器缸径D＝2R，面积A_D＝(R²-r²)π，且A_D＝P/21，可导出R²＝P/21π+r²

缸筒壁厚按下式计算：δ＝PD/2.3σ_p-3P，其中σ_p＝100MPa。

(3)高频发生器压力油流量计算：通过两种方法计算压力油流量，第一种计算公式为：Q₁＝4×δ×A×f×60，单位为L/min，其中Q₁为流量，δ为振幅绝对值，A为作动器油缸面积，f为振荡频率；第二种计算公式为：Q₂＝V_max×A×60，其中Q₂为流量，V_max为最大流量；通过数据验证，选取计算出流量更大的计算公式作为压力油流量的计算公式；

以f＝100Hz，P＝100KN为例计算，P为拉压力，用第一种计算公式的出Q₁＝4×2.48×10^-4×0.5125×100×60＝3.05L/min；

用第二种计算公式时，这里高频疲劳是按正弦波形振荡，活塞杆运动的轨迹就是正弦曲线的轨迹，它的速度是一个变量(非匀速)，求出其最大速度Vmax，则可以计算其流量：

众所周知：X(振幅)＝δsin(φ₀+ωt)，φ₀为初始相位。

速度V为X一阶导数：V＝X’＝δωcos(φ₀+ωt)，

加速度a为X二阶导数：a＝X”＝-δω²sin(φ₀+ωt)，令a＝0，解得ωt＝±π，带入速度式，求得Vmax＝δω，这里ω为圆频率，ω＝2πf；因此Qmax＝2πfδA×60。同样取f＝100Hz，P＝100KN，时，δ＝±2.48×10^-4，Q₂＝2×3.1416×100×2.48×10^-4×0.5125×60＝4.792L/min。可以看出：按第二种计算公式计算出的流量Q₂，比第一种计算公式计算的流量Q₁略大，设计时应按第二种计算公式计算的流量Q₂作为设计依据。

运用第二种计算公式，计算不同吨位和不同频率时作动器的每分钟流量如下表所示：

如果按100Hz频率的分钟流量作为设计依据，既可满足100Hz以上所有频率对流量的要求，也可满足100Hz以下部分频率的要求，关于振幅的计算，是按照在重力场中谐振系统质量和刚度来计算固有频率的，以上计算说明，频率越高所需流量越少，可见这样选取流量是有富余的，那么高频段振荡的振幅就有了提高的可能，这在电磁振荡高频试验机上是根本不可能实现的，也是液压式高频试验机的优势所在。

可以认为，这样选择是比较合适的，而且试验机的功率也比较恰当。例如2000KN试验机以100Hz频率振荡，振幅±0.0248mm，功率N＝88.116×21.22/60×0.85≈37KW。能耗相对较低。通过试制样机验证，用这种设计方法设计的机器，各方面性能完全满足试验要求。

(4)动盘和静盘油孔直径计算：将压力油流量划分为三个等级：10L以下、10-30L和30-90L；通过计算得出10L以下、10-30L和30-90L分别需要的油孔直径；设试验机吨位从1～20吨通用1#高频发生器，30～50吨使用2#高频发生器，100～200吨使用3#高频发生器。整个系列试验机有三种型号的液压高频振荡发生器可全部囊括。

根据本技术领域中所知，油孔直径为16mm时，最大流量可达130L/min，那么油孔的单位面积流量：q＝Q/a＝130/(8²×π)＝130/64π＝0.6465L/mm²，其中a为油孔单位面积，由此分别计算油孔直径为4-20mm时的最大流量，如下表所示：

通过计算得出10L以下、10-30L和30-90L分别需要的油孔直径为4mm、8mm和14mm。所以，1#高频发生器动盘和静盘油孔直径为4mm，2#高频发生器动盘和静盘油孔直径为8mm，3#高频发生器动盘和静盘油孔直径为14mm。

(5)动盘和静盘端面油孔所在中心圆直径计算：设动盘压力油孔、动盘回油孔间隔地均布于动盘端面的同一中心圆环线上，且动盘上的两种油孔大小相等，本实施例中，动盘上的有10个动盘压力油孔，那么也就有10个动盘回油孔，中心圆圆弧就被均分为2×2n＝4n等分，现推导中心圆的计算方法，如图6所示：

O为分度园圆心，O₁为油孔中心，A为分度园圆周与油孔圆周交点，B为A点与分度园直径O₁O的另一直径端点。可知∠AOO₁＝360°/8n，∠BAO₁＝90°(直径上的圆周角)，(圆周角等于圆心角一半)，所以，分度园直径D＝BO₁＝AO₁/sin∠ABO₁＝r/sin(22.5°/n)。

如果取n＝10，r＝2mm，(油孔直径d＝4mm)，则可得到中心圆直径为D＝50.94267≈50.943mm。

(6)伺服电机选型：取静盘的轴压值为2-6MPa，其轴向力P＝工作压力×面积，摩擦因数取μ＝0.02-0.1，则摩擦力F＝μP，摩擦力矩M＝FD/2，通过这些数据取伺服电机；

(7)节流阀选型：节流阀的选用原则为，既要保证动静配油盘端面的密封，又不至增加轴压力，以致增加驱动功率。

本实施例中，步骤(1)中所述的频率f，动盘压力油孔的数量为20个，动盘旋转一圈则有20HZ的频率，需要达到某个试验振荡频率时，调整伺服电机的转速即可达到试验振荡频率。

实施例2

本实施例中，将动盘端面上的压力油孔和回油孔数量都设置为5个，那么与动盘对应的静盘上对应设置5个压力油孔和5个回油孔，压力油孔和回油孔在端面的同一圆环线上间隔均匀布置，动盘端面上的油孔数量就为10个，静盘端面上的油孔数量也为10个。其他设置于实施例1中相同，本实施例中，动盘每旋转一圈，可产生10次振荡，与现有技术的旋转一圈仅有2次振荡相比，有利于降低驱动电机的转速，同时满足轴承的极限转速的要求，更利于提高疲劳试验机高频的频率。

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (9)

1.一种高频发生器，包括端面相互接触的动盘和静盘，所述动盘和静盘外设置有壳体将其密封包住，其特征在于，所述动盘的接触端面上钻铰有多个圆形的动盘压力油孔和动盘回油孔，与动盘接触的静盘端面上设置有静盘压力油孔和静盘回油孔，所述静盘压力油孔与动盘压力油孔对应布置，所述静盘回油油孔与动盘回油孔对应布置，使动盘旋转时，动盘压力油孔和动盘回油孔能分别与静盘压力油孔和静盘回油孔连通，在远离动盘的静盘端部设置有向该端面打压力油的通道、且设置有控制该通道压力油压的装置。

2.根据权利要求1所述的高频发生器，其特征在于，在远离静盘的动盘端面上设置有与动盘圆柱面同轴的凸台，在该凸台上安装有推力轴承，所述壳体上对应地留有安装推力轴承的空间。

3.根据权利要求1所述的高频发生器，其特征在于，所述动盘压力油孔数量为5-10个，所述动盘压力油孔和静盘压力油孔的大小相同、数量相等，所述动盘回油孔与动盘压力油孔的大小相同，所述静盘回油孔与静盘压力油孔的大小相同，所述动盘压力油孔、动盘回油孔间隔地均布于动盘端面的同一中心圆环线上，所述静盘压力油孔、静盘回油孔间隔地均布于静盘端面的同一中心圆环线上。

4.根据权利要求1-3之一所述的高频发生器，其特征在于，所述静盘端部设置的控制该通道压力油压的装置为节流阀。

5.一种电液式高频疲劳试验机，其特征在于，包括如权利要求1-4之一所述的高频发生器和高频发生器加载系统，所述高频发生器加载系统包括与高频发生器连接的伺服电机和两通电磁阀，所述两通电磁阀与作动器连接，该系统还设有与高频发生器连接的比例电磁溢流阀和油泵，所述油泵由变频电机控制，所述比例电磁溢流阀和变频电机都与主控电脑相连，所述伺服电机和作动器通过连接线路与主控电脑连接，其特征在于，在两通电磁阀与作动器连接的线路上还设置有四通电磁阀，所述四通电磁阀另一端分别与比例电磁溢流阀和油泵相连接。

6.一种电液式高频疲劳试验机的使用方法，包括如权利要求5所述的电液式高频疲劳试验机，其特征在于，使用方法包括以下步骤：(1)首先启动油泵，将油箱中的压力油供向高频发生器及高频发生器加载系统；(2)导通四通电磁阀，关闭两通电磁阀，调整作动器的位置，保证试件的装夹和必要的试验空间；(3)关闭四通电磁阀，导通两通电磁阀，试验若采用力控，应先设置好载荷的目标值，主控电脑控制比例电磁溢流阀的输出压力，进而控制压力油进入高频发生器的油压，并且同时由主控电脑控制伺服电机的转速；若采用位控，应先设置好振幅的目标值，主控电脑控制变频电机的转速，进而调节油泵输出目标振幅所需要的流量；(4)进行疲劳试验；(5)采集数据，打印完整试验报告。

7.一种电液式高频疲劳试验机的设计方法，其特征在于，如权利要求5所述的电液式高频疲劳试验机的设计方法包括以下过程：

(1)确定高频疲劳试验机的振幅：首先根据高频疲劳试验机的振荡频率f，计算振幅δ，计算公式为：δ＝g/(2πf)²＝0.2485/f²，其中g为重力加速度；

(2)作动器设计：作动器的设计与一般油缸设计相同，但需要将刚度K取高值、许用应力σ_p取低值，具体为K取10GN/m，σ_p取100MPa，计算得到作动器活塞杆直径d和油缸面积A；

(3)高频发生器压力油流量计算：通过两种方法计算压力油流量，第一种计算公式为：Q₁＝4×δ×A×f×60，单位为L/min，其中Q₁为流量，δ为振幅绝对值，A为作动器油缸面积，f为振荡频率；第二种计算公式为：Q₂(流量)＝V_max×A×60，其中Q₂为流量，V_max为最大流量；通过数据验证，选取计算出流量更大的计算公式作为压力油流量的计算公式；

(4)动盘和静盘油孔直径计算：将压力油流量划分为三个等级：10L以下、10-30L和30-90L；通过计算得出10L以下、10-30L和30-90L分别需要的油孔直径；

(5)动盘和静盘端面油孔所在中心圆直径计算：设动盘压力油孔、动盘回油孔间隔地均布于动盘端面的同一中心圆环线上，且动盘上的两种油孔大小相等，设动盘上的有n个动盘压力油孔，那么也就有n个动盘回油孔，中心圆圆弧就被均分为2×2n＝4n等分，根据三角函数得到中心圆直径D＝r/sin(22.5⁰/n)，其中r为油孔直径，n为动盘或静盘端面上的压力油孔数量，或者是回油孔数量；

(6)伺服电机选型：取静盘的轴压值为2-6MPa，其轴向力P＝工作压力×面积，摩擦因数取μ＝0.02-0.1，则摩擦力F＝μP，摩擦力矩M＝FD/2，通过这些数据取伺服电机；

(7)节流阀选型：节流阀的选用原则为，既要保证动静配油盘端面的密封，又不至增加轴压力，以致增加驱动功率。

8.根据权利要求7所述电液式高频疲劳试验机的设计方法，其特征在于，步骤(1)中所述的频率f，若动盘压力油孔的数量为n，动盘旋转一圈则有n HZ频率，需要达到某个试验振荡频率时，调整伺服电机的转速即可。

9.根据权利要求7所述电液式高频疲劳试验机的设计方法，其特征在于，步骤(4)中计算动盘和静盘上油孔直径时，根据本技术领域中所知，油孔直径为16mm时，最大流量可达130L/min，那么油孔的单位面积流量：q＝Q/a＝130/(8²×π)＝130/64π＝0.6465L/mm²，其中a为油孔单位面积，由此分别计算油孔直径为4-20mm时的最大流量，通过计算得出10L以下、10-30L和30-90L分别需要的油孔直径。