一度大きな負荷をかけずに、何年も通常の使用を続けると部品が故障するのはなぜですか?多くの場合、繰り返しのストレスが本当の原因です。この記事では、疲労試験装置の主な種類と各疲労試験機の仕組みについて説明します。これらのマシンの違いと、特定のテストのニーズに合わせて適切なマシンを選択する方法を学びます。
疲労試験装置の主な機種
疲労試験装置は いくつかの方法で分類できますが、最も実用的なアプローチの 1 つは、機械のプラットフォーム自体に注目することです。実際の実験室や産業での使用では、主な機械タイプは通常、周期的な力を生成する方法、供給できる力の範囲、および処理するために構築された試験片の種類によって区別されます。このため、バイヤーやエンジニアは、治具、制御モード、または業界固有のアクセサリを検討する前に、まず駆動システムごとに疲労試験機を比較することがよくあります。大まかに言うと、サーボ油圧システム、電気力学システム、共振システム、および空気圧システムは、疲労試験で最もよく知られている 4 つの機械カテゴリを表しており、それぞれがあらゆる用途の直接の代替品として競合するのではなく、異なる試験ウィンドウで機能します。
マシンタイプ |
主な強み |
最適な用途 |
一般的な制限 |
サーボ油圧疲労試験装置 |
高い力の能力と幅広い試験の多様性 |
大型試験片、構造部品、低サイクル疲労 |
油圧インフラストラクチャと追加のメンテナンスが必要 |
動電疲労試験機 |
クリーンな動作と高周波精度 |
医療機器、電子機器、小型部品 |
強力な油圧システムよりも低い力範囲 |
共振疲労試験装置 |
非常に効率的なハイサイクルテスト |
高サイクルおよび超高サイクル疲労の研究 |
柔軟性の低い外部共振ベースの条件 |
空気式疲労試験機 |
シンプルでコスト効率の高い反復ロード |
軽負荷繰り返し試験、エラストマー、短寿命タスク |
精度、力の範囲、および適用範囲が制限されている |
サーボ油圧疲労試験装置
サーボ油圧システムは、高い動的負荷が必要な場合の標準的な選択肢として広く認識されています。油圧アクチュエータを使用して、繰り返し引張、圧縮、曲げ、または複合荷重を適用するため、複数の疲労試験方法をサポートするために 1 つのプラットフォームを必要とする研究室では特に価値があります。実際には、このタイプの疲労試験装置は、大きな金属試験片、溶接構造、航空宇宙部品、および制御精度と同じくらい耐荷重が重要となるその他の用途によく選択されます。
彼らの最大の利点は力の出力だけでなく、射程距離にもあります。サーボ油圧システムは、さまざまな試験片サイズに合わせて構成でき、多くの場合、従来の疲労寿命試験に加えて破壊力学作業をサポートできます。この柔軟性は、これらの機械が、よりクリーンな電気システムよりも油圧パワーパック、より多くのスペース、より多くのメンテナンスを必要とするにもかかわらず、研究、自動車、および重工業の現場で一般的であり続けている理由を説明しています。
動電疲労試験機
動電疲労試験機は、通常、試験タスクに小型部品、高周波、およびよりクリーンな実験室環境が含まれる場合に選択されます。これらのシステムは、油圧オイルの代わりに、電磁またはリニア モーター技術を利用して周期運動を生成します。これにより、動作音がより静かになり、精度、清潔さ、メンテナンスの容易さを重視する業界にとって魅力的になります。
このマシンタイプは、インプラント、センサー、精密機械アセンブリ、コンパクトな民生用または産業用コンポーネントなどのデバイスに特に役立ちます。通常、純粋な力の能力ではサーボ油圧システムに匹敵することはできませんが、試験片のサイズが小さく、試験速度が重要な用途では、より重いシステムよりも優れたパフォーマンスを発揮できます。そのため、多くの研究室にとって、電気力学装置は油圧機械の代替品というよりも、よりクリーンでより正確な疲労評価のための専用プラットフォームとして機能します。
共振疲労試験装置
共振疲労試験装置は、非常に高いサイクル数での効率を考慮して設計されています。広い動作範囲にわたって繰り返し荷重を強制するのではなく、試験片固定システムの自然共振を利用して、比較的低いエネルギー入力で多数のサイクルを実現します。この機能は、この機能がなければ試験時間が現実的ではなくなる可能性がある高サイクル疲労および超高サイクル疲労の研究にとって非常に魅力的です。
このマシンタイプの価値は、普遍的な適応性ではなく、速度と効率にあります。目標が材料を数百万、さらには数十億サイクルに向けて推進することである場合、共振システムは、従来の機械では経済的に適合するのが難しい実用的な手段を提供します。
空気式疲労試験機
空気圧疲労試験機は、一般に、より高度なシステムのような重い力の範囲や精度を必要としない、反復的な荷重作業に使用される軽量の代替品です。これらの機械は圧縮空気を使用して周期運動を生成するため、設計が比較的シンプルで、多くの場合、対象を絞った試験用途に利用しやすくなっています。
彼らの強みはシンプルさですが、そのシンプルさによって限界も決まります。サーボ油圧システムや電気力学システムと比較して、空圧機械は通常、負荷制御、力の容量、および全体的なテスト範囲がより制限されます。これらは、テスト要件が単純で、装置が広範囲の疲労シナリオをカバーする必要がない場合に最適です。
荷重のかかり方による疲労試験機の種類
疲労試験機を分類するもう 1 つの実用的な方法は、試験片に繰り返し応力を導入する方法です。負荷パスは評価対象の部品の実際の使用状態を反映する必要があるため、このアプローチは多くの場合、マシン プラットフォーム カテゴリだけよりもエンジニアにとって有益です。使用中に繰り返し伸縮するコンポーネントは、主に曲げたりねじったりするコンポーネントと同じ方法でテストすべきではありません。そのため、軸方向、曲げ方向、およびねじり方向のシステムは、疲労試験における最も重要な荷重ベースのカテゴリの 1 つです。
ロードアプリケーションタイプ |
荷重が試験片にどのように作用するか |
共通使用の焦点 |
軸方向疲労試験装置 |
試験片の軸に沿って引張と圧縮を繰り返す |
標準疲労寿命評価、SNデータ、材質比較 |
曲げ疲労試験装置 |
表面および断面にわたる繰り返し曲げ応力 |
耐久性の検討、シート材料、梁、溶接部 |
ねじり疲労試験機 |
試験片軸周りの繰り返しねじり |
シャフト、ワイヤー、ファスナー、トルク負荷のかかるコンポーネント |
軸方向疲労試験装置
軸方向疲労試験装置は、試験片の長さに沿って引張力と圧縮力を繰り返し加えます。荷重が試験片の軸を通して直接導入されるため、この形式は標準疲労寿命評価に最も広く使用されている形式の 1 つです。これは、研究室が制御された周期荷重下で金属、合金、ポリマー、またはその他の工学材料について比較可能で再現可能なデータを必要とする場合に特に役立ちます。多くの試験プログラムでは、セットアップが比較的簡単で、より複雑な荷重モードよりも応力状態を定義するのが簡単であるため、アキシャル システムを使用してベースライン疲労データが生成されます。
アキシャル システムが非常に一般的であるもう 1 つの理由は、標準的な試験片の形状とよく調和し、制御モードと機械の能力に応じて、ローサイクルとハイサイクルの両方の試験戦略をサポートすることです。これらは、一般的な研究、品質比較、および材料認定作業に頻繁に選択されます。その目的は、高度に特殊化されたコンポーネントの形状を再現することではなく、既知の周期的な力の履歴の下で試験片がどのくらいの期間存続するかを理解することです。
曲げ疲労試験装置
曲げ疲労試験装置は、使用中に繰り返し曲げ応力を受ける試験片用に設計されています。これらの試験機は、試験片の中心線を介して純粋に引張と圧縮で荷重を加えるのではなく、曲げ動作によって交互応力を生成するため、表面応力と曲げ耐久性が主な懸念事項である場合に役立ちます。
回転ビーム機械は、曲げモーメントを受けてサンプルが回転する際に、試験片の表面に引張応力と圧縮応力を交互に加える効率的な方法を提供するため、耐久限界の研究によく使用されます。対照的に、平面曲げシステムは、定義された平面内で変形が発生する平らな材料、薄い部分、溶接試験片に役立ちます。このため、曲げベースの疲労試験装置は、実際の動作状態が直接の軸力よりも曲げによって左右されるシート製品、梁、ばね、その他の部品に特に適しています。
ねじり疲労試験機
ねじり疲労試験機は、試験片の軸の周りに周期的なねじりを加え、トルクが主要な使用荷重である場合に使用されます。そのため、シャフト、ドリルエレメント、ワイヤー、ネジ、ファスナー、および繰り返しの回転応力に耐える必要があるその他のコンポーネントなどの部品に非常に適しています。
実際には、直接引っ張ったり曲げたりするのではなく、繰り返しのトルクによって亀裂の発生、変形、破損が生じることが予想される場合には、ねじりシステムが選択されます。これらは、設計者が伝動、締結、回転、または周期的トルク伝達に使用される部品のより現実的な評価を必要とする場合にも役立ちます。疲労メカニズムは、単純な直線運動ではなくねじり荷重履歴に直接関係しています。
より複雑な試験ニーズに対応する専用疲労試験装置
多くの場合、標準的な軸方向、曲げ方向、またはねじり方向の設定で基本的な疲労寿命の評価には十分ですが、実際の工学的故障の多くはより複雑な条件下で発生します。実際には、部品は複合応力、温度変化、または形状特有の動きに頻繁にさらされますが、これらは単純な試験片試験では十分に表現できません。そこで必要となるのが、専用の疲労試験装置です。
専用装置の種類 |
何をシミュレートするか |
一般的なアプリケーションの焦点 |
多軸疲労試験装置 |
複数の方向への複合荷重 |
自動車、航空宇宙、複雑な構造部品 |
熱機械疲労試験機 |
温度変化に伴う周期的負荷 |
エンジン部品、タービンブレード、高温材料 |
コンポーネント固有の疲労試験機 |
実際の製品の形状とサービスの動き |
スプリング、ホイール、ハブ、製品レベルの耐久性テスト |
多軸疲労試験装置
多軸疲労試験装置は、軸荷重とねじり荷重を同時に加えるなど、2 つ以上の荷重方向を 1 つの試験で組み合わせます。実際のコンポーネントは 1 つの完全に分離されたストレス モードではめったに故障しないため、これは重要です。サスペンション部品、航空機の接合部、パワートレインのコンポーネントは、使用中に変化する相互作用応力を受ける可能性が高くなります。
熱機械疲労試験機
熱機械疲労試験機は、周期的な機械的負荷と制御された温度変化を組み合わせることで、別のレベルの現実性を追加します。この装置は、材料を室温だけで評価するのではなく、加熱、冷却、膨張、繰り返し応力が時間の経過とともに作用する状態を再現します。このタイプの機械は、エンジン部品、タービン部品、および厳しい熱サイクルにさらされるその他の材料に特に適しています。
コンポーネント固有の疲労試験機
コンポーネント固有の疲労試験機は、標準的な試験片の形状ではなく、完成品の実際の形状と動きに基づいて構築されています。これらの機械は一般に、スプリング、ホイール、ハブ、ジッパー、および一般的な実験用治具ではサービス動作を正確に表現できないその他の用途固有の部品用に開発されています。このため、材料疲労を理解するだけでなく、完成したコンポーネントが意図した作業サイクルに耐えられるかどうかを検証することを目的とする製品検証で特に役立ちます。
適切な疲労試験装置の選び方
適切な疲労試験装置の選択は、単純だが見落とされがちな質問から始まります。「試験は正確に何を証明するものなのでしょうか?」すべての疲労プログラムが同じ目的を持っているわけではありません。いくつかの試験は、制御された実験室条件下でさまざまな材料の疲労性能を比較するように設計されていますが、その他の試験は、完成したコンポーネントの検証、故障挙動の調査、現実的な荷重下での耐用年数の推定に使用されます。その目的が最初に定義されていない場合、優れた仕様はあるものの、実際のテスト タスクとの関連性が低いマシンを選択することが容易になります。
選択要素 |
最初に尋ねるべきこと |
マシンの選択が重要な理由 |
テストの目的 |
目標は材料の比較、コンポーネントの検証、または寿命の予測ですか? |
標準の標本システムが必要か、それとも製品固有のセットアップが必要かどうかを決定します |
サイクル範囲と負荷レベル |
テストは低サイクル、高サイクル、または超高サイクルのどれですか?またどのくらいの力が必要ですか? |
油圧システム、電気力学システム、共振システム、または軽量システムの選択に影響します |
試験片と使用条件 |
どのような形状、荷重方向、環境を再現する必要がありますか? |
実験室の利便性だけではなく、実際の作業条件を装置に確実に反映させる |
テストの目的から始める
最初のステップは、テストの目的を実際的な観点から定義することです。 2 つの合金の疲労挙動を比較する研究室では、優れた制御性と再現性を備えた標準的な軸方向または曲げシステムのみが必要な場合があります。対照的に、ホイールハブ、スプリング、または医療コンポーネントを検証するメーカーは、より特定の用途に特化した機械を必要とする場合があります。データがエンジニアリング上の決定をサポートできるように、機械は応力履歴を十分に厳密に再現する必要があるため、耐用年数予測によって新たな層が追加されます。このため、適切な疲労試験機はマシンのタイプだけで選択されるのではなく、テスト プログラムが回答しようとしている質問をどの程度サポートしているかによって選択されます。
装置をサイクル範囲と負荷レベルに合わせてください
サイクル範囲も重要な選択ポイントです。低サイクル疲労には通常、応力またはひずみレベルが高く、サイクル数が少ないため、サーボ油圧機械などの堅牢なシステムが有利になることがよくあります。高サイクル疲労では、長期にわたる周期的負荷がより重視されますが、超高サイクル作業では、非常に多くのサイクルをより効率的に達成できる共振システムが必要になる場合があります。すべてのマシン プラットフォームが安定した制御で必要な負荷と必要な速度の両方を提供できるわけではないため、周波数範囲も同様に重要です。
試験片の形状と実際の使用条件を考慮する
試験片の形状と使用条件が最終的な選択の指針となります。小さな真っ直ぐな試験片、溶接されたプレート、ねじり荷重がかかったシャフト、完成したばねの疲労試験をすべて行う場合でも、同じ装置を必要としません。形状は、固定、位置合わせ、応力分布、および機械が適用する必要がある負荷の種類に影響します。環境要因も重要で、特に熱、腐食、その他の使用条件下で疲労性能が変化する場合には重要です。実際には、最良の機械とは、試験片の実際の動作状態を必要な限り厳密に再現する機械です。実験室での試験が部品が実際に使用中にどのように機能するかを反映する場合、疲労結果はより有用になるからです。
結論
疲労試験装置の主なタイプには、サーボ油圧および共振機械から軸試験機およびねじり試験機に至るまで、プラットフォームベースおよび荷重ベースのシステムが含まれます。適切な疲労試験機は、実際の試験目標、荷重パターン、試験片の状態によって異なります。 Guangzhou Zhilitong Electromechanical Co., Ltd. は 、信頼性の高い試験装置、アプリケーションを重視した機能、顧客の製品品質と試験効率の向上を支援するプロフェッショナルなサービスを通じて実用的な価値を提供します。
よくある質問
Q：疲労試験装置には主にどのような種類がありますか？
A: 疲労試験装置の主なタイプは、サーボ油圧式、電気力学的、共振式、空気圧式、軸式、曲げ式、ねじり式、および多軸式システムです。
Q: 適切な疲労試験装置を選択するにはどうすればよいですか?
A: 荷重の種類、サイクル範囲、試験片の形状、および目的が材料試験かコンポーネント検証かに基づいて疲労試験装置を選択してください。
Q: 軸疲労試験機と曲げ疲労試験機の違いは何ですか?
A: 軸疲労試験機は引張圧縮荷重を加えますが、曲げ疲労試験機は繰り返し曲げ応力を加えます。
Q: 多軸疲労試験機はどのような場合に必要ですか?
A: 使用中に部品に軸方向荷重とねじり荷重などの複合応力がかかる場合は、多軸疲労試験機が必要です。
