1.1 引言
疲劳失效是零件或构件在低于强度极限，甚至低于屈服极限的循环载荷作用下，通常没有明显征兆的突然发生破坏，是零件或构件失效的主要形式之一[1,2]。据不完全统计，机械零件的破坏中约有 50%~90%的破坏属于疲劳破坏[3,4]；由疲劳引起的交通工具零部件的失效率高达 85%；航空航天领域中结构材料的断裂约有 60%～80%因疲劳破坏导致[5,6]。这些数据说明了疲劳破坏存在的普遍性，也因其在破坏前没有明显塑性变形，使观测与检查变得困难，因此常导致一些重大事故。为避免事故的发生、机构的突然破坏，需要对材料疲劳性能有所预判与分析，而精确预测构件的疲劳寿命，是一件及其不易的事情[7-9]。这是因为在疲劳破坏过程中构件所处的情况十分复杂，影响因素多，既需要宏观力学理论研究，又需要微观力学理论的知识，同时涉及多门学科及数学计算方法[10]。因此零件在循环交变载荷的作用下，使用理论分析方法来预测零件或构件的疲劳性能，有失精确，与之相比疲劳试验的方法所测疲劳强度更为可靠与精确[11]。用于疲劳试验的方法检测构件的疲劳性能的试验仪器称为疲劳试验机[12]。 从 20 世纪以来，疲劳试验机在性能上有了很大的提高，研制出了多种类型的疲劳试验机，针对不同材料、构件进行疲劳试验，从航空、车辆、船舶、机械，到科研单位、高等院校、企业等领域有着重要应用。
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1.2 国内外疲劳试验机研究现状及趋势
20 世纪中期，国外一些国家就已经研制成功了各种机型的疲劳试验机，其中瑞士的 AMSLER 公司、英国的 INSTRON 公司、日本岛津公司、德国的多利(DOLI)公司，美国的 MTS 设备公司(MTS System Corp)等，在技术方面、生产规模、产品质量方面处于领先地位。之后的二十年，美国 MTS 公司、英国 Instron 公司、日本津岛公司公司开始将计算机测控技术应用到疲劳试验机，研制出了 Alpha 系列、Instron8000 系列、AG 系列等系列产品[13]。由于计算机测控技术的应用，实现了加载方式、试验频率、载荷大小等参数的设定，试验机开始走向机电一体化、智能化的发展方向，提高了试验效率、试验精度，减小了试验误差、人力的付出，扩宽了试验范围。 从 1960 年开始，我国才刚研制高频疲劳试验机，主要研制单位为天水红山试验机厂、长春试验机研究所和济南试验机厂[14]。当时研制的试验机主要以借鉴瑞士 Amsler的 10HFP422 机型。经过 10 年的研制，由于英国 Instron 公司的 1603 机型的引进，在试验机研发的过程中我国研制人员又受启发，参考了 Instron 公司的技术，研制出了我国的高频疲劳试验机。这两种机型也是目前我国市场上疲劳试验机的原型[15]。 国内机型中，性能及技术比较优越的试验机机型有两个品牌，一为长春试验机研究所研制的 PLG 系列高频疲劳试验机，该机型属于电磁驱动式高频疲劳试验机，它的激振系统位于整机的上部，机型与瑞士 Amsler 的 10HFP422 相似。该机型采用了数字式 PWM 脉宽调制技术、全隔离 IGBT 大功率驱动技术、及与其相适应的计算机控制程序，使我国试验机机型实现了向自动化、智能化、数字化的重大进步，与国际水平相当[16]。该机型如图 1.1 所示，其工作频率范围为 70~250Hz，动载荷范围从±20~±300KN，输出波形失真度小，波形可调，但动态行程小，不适用于在试验过程中变形量大的材料或构件。
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第 2 章 电磁式激振器的理论基础
电磁式激振器的激振力是由其核心部分电磁铁提供，想要解决高频疲劳试验机动态行程小的问题，必须要加大电磁式激振器的激振力，为了提高电磁式激振器的激振力，本章将通过对激振力影响因素进行分析并计算以寻求提高激振力的方法，使得增力切实可行且不改变电磁式激振器原有的工作条件。
2.1 电磁式激振器的理论分析
要加大电磁式激振器的激振力，要以激振器的工作原理为基础，从振动理论来分析进而明确激振力主要受哪些因素的影响，以便针对性地对其进行改进与优化。本节主要目的从理论分析方面分析各因素的影响。电磁激振器由于其工作用途不同，有多种结构，但是无论哪种结构其主要组成部分都为电磁铁部分和机械部件部分，由电磁铁部分提供非接触激振力，机械部件配合运动。本文所要应用的电磁激振器简化模型如图 2.1（1）所示，主要由三部分组成，电磁铁、激振弹簧、激振质量。电磁铁由壳体 2、衔铁 4、铁芯 3 及缠绕其上的线圈组成，当线圈中通入经整波后的电流时，铁芯 3 与衔铁 4 之间会产生相应的脉冲电磁力，使衔铁带动试件产生移动，同时激振弹簧会产生变形，当没有电流通过时，由于弹簧的反作用力作用，使衔铁恢复至初始位置。这样在周期激励的作用下，电磁力成周期变化，电磁激振器是以此力为周期干扰力的强迫振动系统[27,28]。
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2.2 疲劳试验机双自由度弹簧系统的分析
为了分析激振系统对于疲劳试验机的机械系统的影响，对整机机械系统进行系统建模，建立振动系统的简化力学模型，进行力学分析。建模的过程是将实际情况等效的过程，合理的等效会使模型简化，有助于分析，相互连接的物体可以被看作一个整体，这样的等效可以保证建模的精确性[29]。可将机械系统再次进行简化，电磁式高频疲劳试验机机械系统可拆分为两个子系统，分别为主机系统和激振系统，激振系统由电磁铁、激振弹簧、激振质量组成，将这几个物理元件的质量看作为 m2，其刚度可看作为激振弹簧刚度 k3；衔铁通过立柱与弓形环连接，弓形环又与浮台相连接，浮台通过滚珠丝杠固定在底座上，砝码与弓形环的下侧相连接，试件由夹具夹持在底座与砝码之间，以此构成了一个相互连接的主机系统，主机质量看作 m1，弹簧刚度看作 k1；由此建立整机的系统模型如图 2.4 所示。
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第 3 章 激振器的结构设计 ..... 21
3.1 电磁铁理论与设计基础 .... 21
3.2 电磁铁结构形式分析与对比 .......... 24
3.3 电磁铁的结构设计 ..... 30
3.4 电磁铁磁路验算 ......... 36
3.5 激振弹簧与激振质量的结构设计 ......... 37
3.6 本章小结 ....... 39
第 4 章 电磁铁的仿真优化及分析 ....... 41
4.1 电磁铁结构的静态仿真分析及优化 ..... 41
4.1.1 初始设计的电磁铁的静态分析 .......... 41
4.1.2 相关因素对电磁铁性能的影响分析 ......... 45
4.2 静态特性分析 ...... 51
4.3 瞬态磁场有限元仿真分析 ....... 51
4.4 本章小结 ....... 58
第 5 章 电磁式激振器试验分析 .... 59
5.1 试验样机制作 ...... 59
5.2 试验装置与方法 ......... 61
5.3 理论与试验对比 ......... 64
第 5 章 电磁式激振器试验分析
本章在前面章节的基础上，根据设计参数对电磁激振器进行样机的制作及设计试验，对样机进行电磁静态吸力的分析及进行不同频率、动态电压下对电磁铁性能的实验分析。
5.1 试验样机制作
由第二章的理论指导、第三章的设计计算、及第四章的仿真分析，确定了合理的电磁激振器结构，利用 UG NX 工程设计软件对激振器零件进行三维建模，并将零件进行虚拟样机装配，装配图如图 5.1 所示： 激振器结构如图 5.1 所示，配重 1 通过螺钉紧密连接构成一个整体，衔铁 3 通过限位底座的限制及定位与托盘底板相连接，线圈 2 绕制在线圈骨架上并利用自身结构和骨架结构定位在壳体内部，上端盖 5 将电磁铁机构限位在配重上，弹簧 4 支撑配重。 铁芯的加工，是加工过程中的重点与难点。电磁铁的铁芯为避免涡流的产生，采用厚度为 0.5mm 的硅钢片（牌号为 50TW350）叠制而成，圆柱形铁芯加工困难，在设计时铁芯截面积 S=-33.067 10 m2，将铁芯更改为正方形铁芯，边 a=58mm,b=53mm。硅钢片的制作过程为先打孔、堆叠、切割。普通钻孔工艺会使硅钢片变形量大，平面有凹凸，因此需要自制带孔模板，带孔模板一起定位作用，二是减小变形量，进行单片钻孔。钻孔模板如图 5.2 所示。堆叠，因为衔铁的工作位置限定，需要堆叠的紧密度高，且不妨碍其运动，同时堆叠处应有绝缘处理，采用热塑管包裹平头铆钉，为减小铆接对硅钢片影响，在衔铁 53mm 厚度的方向上衔铁的两侧添加厚度为 2mm 的钢板，而后进行铆接。切割的方式为线切割，在线切割时为防止生锈，应使用防锈液。
