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动态材料试验:哪种驱动最为合适?

无论是螺钉、人造髋关节还是汽车零件,各种部件和材料在其使用寿命内都需要承受动态载荷。关键问题在于,材料在承受应力多长时间后会失效?为了回答这一问题,就需要开展动态疲劳试验。不过,材料试验机(尤其是驱动)之间存在很大差异,这些差异不仅会影响测试结果,还关系到运行成本和维护需求。

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电液伺服系统:可满足最高要求的经典之选

电液伺服疲劳试验机在最大力、高灵活性和试验任务多样性方面可谓标杆。此类试验机采用由精密伺服阀控制的液压作动器。在低周疲劳试验 (LCF)、断裂力学试验或高度动态的应用场景(例如符合 ISO 6603-2ASTM D3763 标准的高速拉伸试验和穿刺试验)中,液压系统往往必不可少。

但维持这种强大性能也会产生负面影响:液压动力源须持续使用压缩空气,能耗较高;油、滤芯及软管都要定期更换,维护成本相对较高;噪音问题同样不容忽视。电液伺服疲劳试验机如果能够得到妥善维护,即使在试验力高达 2,000 kN 的情况下,仍能持续多年提供稳定的测试结果。

共振系统:高效节能地进行高频试验

在抗疲劳试验和高周疲劳 (HCF) 试验领域,Vibrophore 等共振试验机是一种有效的替代方案。与电液伺服装置不同,该方案通过机械系统激发试样固有频率,从而以最小能量输入产生预期振动。事实上,共振系统能耗仅为液压装置的 2%。此外,其维护需求也很低,无需液压系统、冷却装置或活动阀门即可应用高达 1,000 kN 的试验力。

标准化共振设备尤其适用于符合 DIN 50100 标准的 S-N 试验以及符合 ASTM E399ISO 12106 标准的断裂力学试验,配备机械夹持装置时甚至还可用于静态材料试验。如果需要定期在恒定载荷下进行大批量测试,Vibrophore 试验机拥有显著的长期成本效益。

带线性马达的电子动态疲劳试验机:安静、精确、无油

在医疗工程或电子行业等敏感环境中,无油和低噪音属于关键指标。因此,带线性马达的电子动态疲劳试验机(如 ZwickRoell 的 LTM 系列)独具优势。此类设备十分安静,例如距离 LTM 1/2/3 型一米处的噪音约为 46dB(A),并且设备无需使用任何介质,维护需求也很小。此外,即使在试验力不超过 10kN 和频率高于 100Hz 的试验中,机器也能实现高精度控制。
该技术尤其适用于符合 ISO 14801ASTM F1717ISO 7206 标准的植入物试验,即需要同时进行动态和静态试验的产品。在生物复合材料或塑料复合材料等新型材料试验中,线性马达技术响应快速、精准的优点同样发挥着重要作用。

电子-机械试验作动器:折衷方案

除了高性能液压系统和灵敏的电动马达之外,ZwickRoell 还提供兼具灵活性和高能效的解决方案——电子-机械试验作动器。这类系统特别适用于需要中等试验力 (1-100 kN) 的测试场景,例如汽车座椅泡沫试验复合材料试验。电子-机械系统支持模块化集成,无需使用介质且维护成本非常低。

扭转试验系统同样功能强大

并非所有载荷都呈线性分布。扭转系统尤其适用于植入物或承受旋转应力的部件。ZwickRoell 提供相应的液压和电子动态解决方案。LTM 扭转系统适用于较小扭矩(如 10-100 Nm),而电液伺服装置可提供高达 2,500 Nm 的扭矩——具体取决于应用和标准要求。

直观对比

为便于决策,下方对不同系统的关键特性进行了总体对比:


电液伺服系统

共振系统 (Vibrophore)


线性马达 (LTM)


机电

力范围/频率10 – 2,500 kN/最高 100 Hz最高 1,000 Kn/最高 285 Hz1 – 10 kN/最高 100 (120) Hz1 – 100 kN/大约 1 Hz
扭转最高 2,500 Nm./.最高 100 Nm./.
行程最大 400 mm最大 6 mm最大 60 mm最大 400 mm
典型标准ISO 12106、ASTM E606DIN 50100、ASTM E466ISO 14801ASTM F1717有效应用于多种场景
应用LCF,断裂力学试验,快速试验HCF,抗疲劳试验部件、薄膜、植入物试验复合材料、泡沫试验
运行成本高(油、维护、能耗)非常低

对应测试软件 – testXpert R

testXpert R 测试软件通常应用于疲劳试验和动态材料特性值测定。针对断裂力学、LCF、螺钉测试或生物力学等诸多方面的应用,该软件不但提供标准试验程序,还提供简单的疲劳试验程序以及用于定制试验定义的图形块编辑器。

结论

选择驱动远远不止是一个技术决策,还会影响到运行成本、试验精度、能源效率并最终关系到组织竞争力。如果希望长期经济高效地执行测试,必须深入研究驱动技术。从高性能液压系统到静音线性马达,ZwickRoell 可针对各类需求提供合适的解决方案。

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