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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。

Belser
Christoph Belser

Produkt Manager LTM - ZwickRoell GmbH & Co. KG

Seine berufliche Laufbahn begann Christoph Belser mit einer Ausbildung zum Industriemechaniker und schloss anschließend ein Studium des Maschinenbaus als Diplom-Ingenieur (FH) ab. Nach dem Studium sammelte er erste Berufserfahrungen als Projektleiter und Entwicklungsingenieur. Berufsbegleitend erweiterte er seine Qualifikationen durch ein betriebswirtschaftliches Studium mit dem Abschluss MBA im Jahr 2019. Seit Juni 2017 ist er bei ZwickRoell als Vertriebsingenieur für Ermüdungs- und Sonderprüfmaschinen tätig und verantwortet heute das Produktmanagement für die LTM.

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