（机械电子工程专业论文）变速泵控差动缸特性分析与应用研究.pdf

太原理r 大学硕士研究生学位论文 c h a r a c t e r l s t i ca n a i j y s i sa n da p p l l e d r e s e a r c h0 nt h eh y d r a u l i cd i f f e r e n t i a 薷 坚琶囊蓉嘉坦篓海霎! ：蠢翥鬻萎粪羹孽薹囊薹霪日f 荔妻萋霉奏 囊雾麟| 嚣羹囊雾委妻餮萎薹薹熏毪琴 鏊耄喜委蠢娶鬻 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景 篼一章绪论 现代科学技术特别是电子工业的快速发展，极大地推动了微电子技 术、计算机技术、控制技术、液压技术、传感器技术及信息技术的发展。 而机械、电气与液压控制的有机结合扩大了液压控制技术的应用范围，特 别是电液伺服控制技术被广泛的应用于国民生产的各个行业，成为机电一 体化技术的应用典范，成为控制领域的一个重要组成部分。 液压控制技术经过长期的使用、不断地趋于成熟和完善。在第一次世 界大战前，液压伺服系统作为海军船舶的操舵装置已开始应用；在2 0 世 纪4 0 年代开始了滑阀特性和液压伺服理论的研究，并在飞机上实现了电 液伺服系统；2 0 世纪5 0 年代出现了快速响应的力矩马达，从而形成了伺 服阀的雏形，并出现了喷嘴挡板阀、2 0 世纪6 0 年代出现了干式力矩马达 使电液伺服阀的性能日渐完善。如今电液伺服系统已经广泛应用于飞机的 操作系统、炮塔和雷达的跟踪系统、导弹的作动舵面、发射台的操纵系统、 试验机和机器人控制等方面。 为了适应高质量产品生产、试验的要求，液压伺服系统在一般：【业中 也得到了广泛的应运。伺服阀阀控系统具有响应快、控制精度高的优点， 太原理工大学硕十研究生学位论文 但存在严重的节流损失，能源浪费严重，这阻碍r 阀控系统在大功率系统 中的应用，而泵控系统具有效率高、经济节能、发热量小等优点，在大功 率系统得到广泛应用。液压泵控系统中，对变量泵的变量机构的操纵来实 的操纵消耗醚鞍| 台一；蚕翻鼎疆弭取硼i 征匝路豢巍篥甫嚣群鬲驿萄辇 裂哩譬灌壤蠢辨嚣；璀磊瑶警鼍溜坜曩攫冀j 篇搜躺空事刚韵席彝琴魏手 曩jm 鬈繇鞘翟j + 苹出羊尘晶草笊盘弩天拜俪艋。补偿式泵控等容吲堑系 统的梗倒域臻i 堡耄薹蒯桀衙彤郴哥瞳m 鞫舔耧鞫鸯巍貅戡彰? 妇荫q 孵轻毯铺藩 尉甜弹樊楚嘿氆寝津噶壤墨垄叁氆；缗謦饕鬈誊趱嚣鹱溪鏊塾。驻型鹱。 麓簿婴。鞲蔷戮妊掳素崭盯泵控等容同i 勉酵咐职习髭鹱瑁媸鲣磐醵靶轿 州 s y n c h r i i z 撕o ns y s t e m 该系统以泵控等容同步控制为主系统剿欧娇4 x 太原理i 大学硕士研究生学位论文 最泵的液乐伺服系统在二十世纪末已经开始研究。 1 2 课题的目的和意义 材料试验机是进行材料性能试验的设备，其控制方式经历了机械式、 液压万能式、电液伺服式的发展过程。电液伺服式试验机具有控制精度 高和响应快的优点而得到广泛应用，但伺服阀存在有节流能量损失大和效 率低的不足，尤其在动态试验的疲劳试液机中无功能量损失尤为严重吲。 另外伺服阀对液压油清洁度要求高，液压油污染后，影响系统的正常工作。 液压机的工况为高压低流量( 保压阶段) 工况较为普遍，液压机工作 循环中的保压过程与制品的质量密切相关，很多液压机均要求有较好的保 压性能。采用保压和泄压装置在一定程度上解决了液压机的换向冲击和减 少无功能量损失，但依然存在大量的能量消耗且系统控制的灵活性和精 度不高，难以适应高品质产品生产的要求。 论文的目的是针对试验机的大能耗、液压机的能耗和控制精度低的问 题，探讨新型控制方案的可行性。提出采用交流伺服电动机驱动定量液压 泵的变速泵控系统，该系统相对于液压伺服泵泵控系统无空载损耗，相对 于阀控系统无节流损耗和溢流损耗，且具有伺服电动机控制的响应快速 性。通过对试验机和液压机的负载特性、工作原理的分析，在低周疲劳试 验机和液压机中采用变速泵控原理代替传统阀控原理，以达到显著的节能 效果。 3 a 臆理攀盘京姜御甥毒芎咂堪誊 l l ；摩霉w ! l ；i 耄= “i 薹垂霞善薹錾l 到蠡裂副副彤氯副端琵鹜荨誊蓉 判餮j 囊瓣鞔揣筠碧骂雒鞑碧兰鬈鞘魏卦延鹱驰静龌；黔捞埏杰蔼理鹞 疆坦嚣霹瞩醚型。瓠州彤玉崮雌王茬穆生工会掣釜墨委缨堡昂暇功： 叁国雾优撤甲季b 引曩蓼毫型b 雌飘零要型罄型黟黼匹融番匝i ； 。牟会? 薪瀚猁兰套争孤常童誊耐酬绷定加优化回蹋爹楚丞用舞搏啊瑶币 万瑷与瑶饕嚏涩。辎鬻曼婪犁季松旧剖分擎蔓勤南辩墨孤黼酞勉巴弘驾配 譬翳繇鞘翟j + 苹出；# 粤蝌薯k 蛾鳝尺醇氰矧w 黝蘸露铡， i ? 搴鬟鬟静羹 i 鬟| 矧烈剖篓垂鞣滞甜茆明蛾弛刚i l 篓割錾孵奎擎群神型氰剩鞫_ 开磴滔鹎幢。 i 薹剿蛙鼗淄懈帑璀墨蘑溪埔器墨： l ：彰引繇懿型鳇鹱憋菱蓼基鬣驻嚣鬻嚣醵陈麓燃篓； l 。裂鹃嘉雾 彰 ；菇；i 同揖羹驵髻掘驻器碍。 ；二囊霎囊熏鍪 幅秘灌 太原理 ，大学硕士研究生学位论文 制作为补偿辅助系统，以小伺服阀的能量损耗补偿主系统的同步误差。系 统采用伺服补偿式泵埠等容同步系统可以达到节能和控制精度的要求高 的目的。 ! ? 箭商雨磊蠹瓣桩蒲 缮翟銎翌曼篱裂罂垂貉艘刚孽螺筘殂鞯罔璩m 绷磐蓬壁敢即；鸯圣薹 训州廷襄嗡e 莨甜m 州觅爨割锄霉夏瞬驯曲副冀导竭，掣蠹糕酬剖蹦每 拳戳瞄缎剖幽叫謦孽里影堑= 藿醪大 位移为，在正弦输 入情况下位移、速度、加速度、惯性力、粘性阻尼力、弹性力分别为 位移 x = s i 耐 ( 2 1 ) 速度 ，= c o s 耐( 2 2 ) 加速度 口= z o 2s i n f ( 2 3 ) 惯性力f ，= 胁=4 缸2s _ i n 耐 ( 2 4 ) 粘性阻尼力f y =曰，= 擞o c o s 埘 ( 2 5 ) 弹性力只- 墨z= k ，x o s i n “ ( 2 6 ) 其中，口为粘性阻尼系数，凰为负载的弹性系数，工为负载位移。 使活塞运动并能定的负载，则应满足以下关系1 8 x 太原理工大学硕士研究生学位论文 参数或结构，要求一边估计未知参数、一边修正控制作用，这就是自适应控 制。a c 的不足之处是对被控对象的数学模型( 阶次和相对阶) 仍有严格要 求，此外诸如持续激励、慢时变、严格正实和波波夫不等式等条件也制约 了a c 具有更强的鲁棒性。 ( 4 ) 变结构控制( v s c ) ：变结构控制是种根据系统状态偏离滑膜 的程度来变更控制器的结构( 控制律或控制器参数) ，从而使系统按照滑 膜规定的规律进行运动的一种控制方法。变结构控制本质上也是一种自适 应控制。变结构控制同时还孕育了智能控制的基本思想。 ( 5 ) 鲁棒控制：在实际问题中，系统模型可能包含不确定因素，希望 这时控制系统仍然有良好性能，这就是鲁棒控制的问题。近年来出现了h 。 设计方法，h 。控制器的设计全部工作可由m a t l a b 语言实现。 ( 6 ) 神经网络控制( n n c ) ：神经网络控制是模仿人类的感觉器官和脑 细胞的工作原理而工作的。 西安交通大学的李运华等人在离散变结构控制的新方法及其在泵控 马达速度伺服系统中的应用一文9 1 中提出了一种新的v s c s c ，它由积 分控制器和v s c 复合而成。通过对泵控马达速度伺服系统仿真，表明系 统具有良好的过渡过程品质和稳态性能，且具有对于参数变化和外负载扰 动具有很强的鲁棒性。i v s c 可以做到动态和稳态兼顾，非常适合于系统 的参数变化和存在外干扰的情况，s c 实旌简便，不需要在线辨识对象 6 太原理工大学硕上研究生学位论文 参数、设计状态观测器和持续激励条件等要求，非常适用于快时变系统。 s c 泵控马达速度伺服系统见图1 2 。 图l 一2 s c 控制简图 f i g 1 2n es c h e m a t i cd i a g r mo f s c n 昀l 西安交通大学机械电子工程系的贾志勇、林廷圻和咸阳机电部2 0 2 研 究黔崇伟、任瑞伍，在基于h 一控制的液压伺服系统鲁棒性设计阻”一 文蓼对液压伺服系统的参数的不确定性，采用鲁棒控制的h 理论设计 了辩0 器并运用到泵控马达系统来解决系统中的上述问题，仿真结果证明 了该控制器既具有很强的鲁棒性又具有很好的动态指标。该泵控马达系统 结构框图见图1 3 。 图1 3 泵控马达系统结构框图 f i g 1 _ 3t h es t m c t u f a ld i a 铲a i i lo f p u m pc o n 岫lm o t o rs y s t c m 湘潭工学院振动、冲击与诊断研究所和中国矿业大学机电学院的彭佑 多，刘德顺等人，在基于计算机控制的大惯量时变负载泵控马达液压试验 系统1 一文中，针对目前在煤矿井下运行的采掘、运输、提升等大功率 7 太原理i 大学硕士研究生学位论文 设备的泵控马达液压驱动系统普遍存在的振动噪声、无微机控制、运行精 度低、动态品质差等一系列问题，以液压提升机的泵控马达系统的动态品 质特性要求为例设计了增量式微分修正算法的数字p m 控制器。试验表 明系统的滞后减小，振动幅值明显降低，稳定时间也明显缩短，能得到较满意 的动态品质，在液压马达匀速运行过程中有滞后，匀速运行控制精度高、稳 态误差小，能满足乘坐舒适性要求。 西安交通大学的贾志勇、林廷圻和咸阳兵总2 0 2 研究所的韩崇伟、任 瑞伍，在摩擦补偿技术在泵控马达伺服系统中的应用n 2 1 一文中针对高精 度伺服跟踪系统的摩擦造成的跟踪误差、极限环，提出利用基于摩擦模型 的补偿技术改善系统性能，该模型不需要任何有关摩擦的先验知识。在泵 控马达伺服系统中应用c m a c 神经网络摩擦模型进行仿真研究，结果表 明模型是有效的。控制结构图见图1 4 。 图1 4a 江a c 神经网络控制结构图 f i g 1 - 41 h es l n 】c i l l r a ld i a g r a mo fc m a c 鹏u r a l e tc 0 叫 3 参数优化方式 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 作，当负载过大，要求p 超过n 时，泵便停止输出流量，不能在p 印，卜工作。 图1 5 恒压变量泵工作原理 f i g 1 - 5t h es c h c m a cd i a g 锄o fc o n s t a tp r e s s u r ev a r i a b l ed i s p l a y c e m e n tp 咖叩 5 负载敏感型比例变量泵系统 比例变量泵结构示意图见图1 6 。 3 寥一酗 。 4 i涩醚 i 且 删 f 。蚋随娥一 4 一一 p 黉_ 圃一l i 糕玎 驯o 一o l l _ j 育翮沪 童 图卜6 比例变量泵结构示意图 f i g 1 6n es 劬c t u r a ld j 3 铲眦o fp r o p o 嘣o n a lp u m p 卜比例压力阀：2 一安全压力阀；3 一压力反馈阀；4 一比例节流阀；5 一手动压力阀：6 一 变量柱塞泵 1 0 太原理工大学硕士研究事学位论文 负载敏感型( l o a d s e n s 州g ) 变量泵系统是经年来开发的泵控系统 对于流量为零时需要保持高压力的工况可以节约大量的能源。但是负载感 在响应要求高的场合其应用受到限制1 。在注塑机方面，比例变量泵系 统改变了注塑机常规的比例控制方法，由定量泵柙q比例阀系统转变为比 例变量泵系统。比例变量泵核心的控制元件采用了兼具比例压力、比例流 量、负载压力反馈等多种复合控制功能的负载敏感型比例变量柱塞泵。 震德塑料机械厂有限公司的饶启琛、张涛在比例变量泵系统在注塑机 上的疲用n酊一文中，分析了注塑机的普通定量泵+pq比例阀的控制系统 和比例变量泵系统。定量泵+pq比例阀系统虽然满足了注塑机控制的要 常规的节流调速系统转变为比例变量调速系统，整机的控制性能指标有了很大的改善和提高。 6定量泵一变量马达定量泵一变量马达系统采用定量泵提供恒定的流量，通过马达变量达 到系统的转速的变化。 cs瞄mandc一oke在论文speedcom限0lofanovercen硼既mdv觚iabledisplacemenrhydrauucmotor 太原理工人学硕士研究生学位论文 w l t hal o a d t o r o u eo b s e r v e r 1 7 1文中，分析了采用开环和坝 环级联控制的变排量液压马达( v d h m ) 系统的特点，见图1 7 。 图1 7v d l 日m 电液控制原理图 r g 。l - 7 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f v d 枞e l e c t r o - h y d i a u l i c c o n 廿o l 开环系统是不稳定的，而双环级联控制系统与开环系统相比其动态响 应提高，但是该系统动态响应在很大程度上受负载力矩的波动和系统参数 的变化的影响( 负载惯量、系统压力) 。自适应控制综合参数辨识的方法， 在系统参数波动变化很大的情况下，控制效果不是很好且需要大量的实时 计算。在论文中，作者采用带有负载转矩观测器的前馈补偿控制方法， 经实验证明，该方法在系统惯性负载和压力波动情况下，仍然有快速的动 态响应，系统具有很好的鲁棒性。 7 泵控与变频技术相结合 近年来，随着电力电子技术、计算机控制技术的发展，采用自关断器件 g t o 、高速开关器件i g b t ( 绝缘栅双极性晶体管) 及全数字p 1 v m 控制的交流 变频调速技术得到了迅速的发展，变频器已被成功地运用在电梯、泵、风 1 2 太原理工人学硕士研究生学位论文 机、机床等的控制中。把泵控与变频技术相结合的课题从上世纪末成为国 内夕! 技术人员研究的重点。目前国内外对这一课题的研率大多集中在开环 及速度控制回路。 太原理工大学的权龙教授和德国德累斯顿工业大学的n e u b e r tt 、 h e l d u s e rs 在转速可调泵直接闭环控制差动缸伺服系统的动特性1 一文 中，对变转速泵控系统进行了研究。试验系统见图1 8 。 溪 囊 j 螯 v 图l 一8 转速可调泵直接闭环控制差动缸试验系统 f i g 1 8t h es c h e m a n cd i a 伊帅0 fh y d m u l i cd i 彘r e i l 血lc y l i n d e rd o s e - l o 叩c o n 仃o u e d b yv a r i a b l es p e e dp 岫pt e s t i n gs y s t e m 系统采用双泵复合控制和总压力控制原理。系统的回路中不附加任何 1 3 太原理工大学硕士研究牛学位论文 节流元件和辅助油源，通过闭环控制差动缸的位置。总压力控制回路可自 动补偿泵缸的泄露，温度变化和磨损引起的泄露变化，使系统可以四象限 驱动，并具有与阀控完全相同的技术特征。静态时使两腔预涨紧，而当负 载变化时，两腔的压力能以相同的幅值反方向变化，以抵消外负载力，从 而使系统有高的控制精度和负载刚度。 浙江大学机械系的陈钢、杨华勇等人在电机变频控制液压电梯系统 的自校正自适应控制”3 一文中对自校正自适应控制法作了研究。系统采 用电机变频控制液压电梯系统以p w m ( 脉宽调制) 变频调速和定排量容积 控制方式弥补阀控缸调速系统“能耗大”的主要缺陷，和解决变排量泵控 缸调速方案中调速和频响特性差的问题。由于该系统非线性、变参、迟滞 和随机扰动等特性明显，使得p i d 控制效果差，自校正自适应控制法是在 线参数辨识与最优控制方法相结合的一种自适应控制技术，它抵御随机扰 动能力强，非常适用于对模型结构已知而参数缓慢时变的随机系统的控 制，该控制在实验中取得了令人满意的控制效果。 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室的张一丁等人在变转速泵 控液压缸实验仿真分析一文中对变转速泵控液压缸做了研究。将电机 作为控制系统中的一个环节来考虑，建立了变频器在矢量控制和变频变压 方式下的变频电机模型，并利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 工具箱构建了相应 的液压缸系统模型，对其动态特性进行了仿真研究。仿真对比了变频器在 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 矢量控制和变频变压方式的控制特性，结果表明矢量控制的控制特性优丁 变频变压控制。 太原理工大学的权龙、李风兰在注塑机电液控制系统节能原理及最新 技术2 “一文中，探讨了注塑机的几种液压控制方式。提出在注塑机中采 用变频调速电机加定量泵的两种控制方式，一种是采用普通的变频电机 另一种是采用高动态响应的伺服电机。 1 3 2 交流变频技术研究和发展现状 随着新型电力电子器件的出现，以普通晶闸管组成的方波逆变器被全 控型高频开关器件组成的p 眦逆变器取代后，又出现了s p _ i y m 、t p w m 、s a p w m 等滕宽调制技术。磁通跟综型p 咖逆变器、电流跟踪型p 删逆变器以及近 几句娄研制出的谐振型逆变器已呈现出取代s p 删的趋势。 由于变频技术的发展，电机控制技术也得到了快速发展。交流电机 是多变量强耦合的非线性系统，控制比较困难。v v v f 控制在v f = 常数、 转速开环控制的通用变频调速系统和转差频率转速闭环控制系统，基本上 具备了直流电机的一些优点，能满足普通工业的控制需求，但当执行机构 有较高的动静态性能要求时，w v f 控制往往不能满足控制的需要。矢量控 制技术是2 0 世纪7 0 年代由德国学者f b l a s c h k e 提出，经过不断的完善 而形成。矢量控制技术就是将三相电机的多变量、强耦台、非线性系统经 坐标变换和磁场定向得到和直流电机相当的模型，模仿直流电机的控制， 1 5 太原理r 大学硕士研究生学位论文 得到与直流电机同样好的动静态特性。2 0 世纪8 0 年代德国m d e p e n b r o c h 教授提出直接转矩控制，该控制避开了矢量控制技术的复杂的坐标变换和 解耦，实行转矩继电控制不受电机转子参数的影响，响应快，例如a b b 公 司a c s 6 0 0 直接转矩控制设备的静态精度为o 0 2 ，开环转矩阶跃上升时间 为5 m s ，远比开环磁通矢量控制变频调速系统的阶跃转矩上升时间l o o m s 快得多，起动转矩平稳可控，最大起动转矩2 0 0 9 6 ，零速转矩可达1 0 0 恤3 。 但直接转矩控制容易在低速区产生转矩脉动降低了调速性能，故一般已用 于对调速范围要求不高的场合2 “。 永磁同步伺服电机控制系统一般用于数控机床、机器人等对控制要求 较高的场合，驱动功率一般为几十千瓦。对于中大功率、控制要求较高的 场合一般采用三相异步电机矢量控制技术。 台湾y u a nz e 大学电气工程系的r o n g j o n gw a i 在r 0 b u s tc o n 仃0 lf o r h l d u 州彻s e r v om o t o rd 由e 2 “一文中，对鲁棒控制在感应伺服电机中的应 用进行了研究和试验。该研究的鲁棒控制可划分为三个部分，状态反馈控 制器、前馈控制器和扰动控制器。在系统是渐进稳定的前提下，它不仅具 有与智能控制相同的学习能力，而且结构比智能控制简单。应用该鲁棒控 制的感应伺服电机驱动过程拥有较好的跟踪能力和鲁棒性，适于感应伺服 电机驱动旋转位置的控制。 k s 1 d w 、k w l i m 和m f r a h m 趾在am i c r o p r o c e s s o r b a s e df i l l l yd i 1 6 太原理工大学硕土研究生学位论文 g i t a la c s e r v od v e | 一文中研究了用3 2 位微处理器通过软件编程实现硬 件功能，从而减少交流伺服驱动系统中所用的硬件数量，而且可以容易地 使用现代控制算法。用软件编程实现变结构控制器和电流矢量控制器。 华中理工大学的邓忠华等人在交流数字伺服系统的智能力矩控制”6 一文中，对交流永磁伺服电机的数字式智能力矩控制和滑模变结构力矩控 制器进行了研究。使用该控制器可以得到了平稳的直轴电流响应和快速且 平稳交轴电流响应，改善系统的速度响应和位置控制性能。 1 4 主要内容 l 季分析试验机和液压机的负载特性。 2 分析和确定试验机和液压机的控制方式。 3 翼建立交流伺服电机的数学模型。 4 建立变速泵控系统数学模型，分析系统的动态特性。 5 利用砸a t l a b 的s i 舢1 i n k 模块对系统进行仿真。 1 5 本章小结 本章首先叙述了本课题的背景以及课题的目的和意义。以大量的文献 为基础阐述了泵控系统和交流变频技术的的国内外的发展状况。针对目前 材料试验机和液压机普遍存在的大量无功能耗问题，提出采用变速泵控 x 太原理t 大学硕士研究生学位论文 2 1 试验机 第二章试验机和液压机 2 1 1 试验机的工作范围和负载特性 根据试验机驱动的负载情况，以横轴为负载作用力，纵轴为负载速度 可画出负载特性曲线( 负载运动时所需克服的阻力，与负载本身的位置、 速度及加速度之间的关系) 。 1 正弦输入时的负载情况 1 ) 负载的计算及与液压系统的匹配 若试验机液压缸的活塞位移为五充许的最大位移为，在正弦输 入情况下位移、速度、加速度、惯性力、粘性阻尼力、弹性力分别为 位移 x = s i 耐 ( 2 1 ) 速度 ，= c o s 耐 ( 2 2 ) 加速度 口= z o 2s i n f ( 2 3 ) 惯性力f ，= 胁= 4 缸2s _ i n 耐 ( 2 4 ) 粘性阻尼力f y = 曰，= 擞o c o s 埘 ( 2 5 ) 弹性力只- 墨z = k ，x o s i n “ ( 2 6 ) 其中，口为粘性阻尼系数，凰为负载的弹性系数，工为负载位移。 使活塞运动并能推动一定的负载，则应满足以下关系 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 2 惯性负载位移幅频极限曲线 f i g 2 - 2 t h cd i s p u a c e m e n ta m p l i t u d e e q u e n c yl i m i tc u r v eo f 血e r t i al o a d q 根据式( 2 - 1 0 ) 得：- 5 鲁 ( 2 1 1 ) q o 一负载所需最大流量 当频率超过q 以后，活塞运动的位移受流量限制而减小。按式( 2 一1 1 ) 规律变化。当频率达到n ，：时，除受液压泵或伺服阀的流量限制外， 还受液压缸的使用力限制。作用力与试验机所需的力有关。一定吨位的试 验机，他的作用力是一定的。 根据加讪) 确妒厚 ( 2 吨) 而流量限制线和作用力限制线的交点还应满足：5 去 ( 2 1 3 ) 由( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 可求得眈，并算出相应的幅值。 当超过岘后，由于输出的力是一定的，即凡。4 p 是常值，由此x 和 2 按式( 2 1 2 ) 的关系变化。又由于系统中液压缸的固有频率的影响， 在鸭处又有转折。 2 0 太原理上火学硕士研究生学位论文 3 ) 弹性负载时的工作范围 材料试验枫的主要负载为弹性负载。位移幅频特性曲线当空载时为 惯性负载，故曲线与惯性负载曲线相同，当带载后，由于弹性负载中油的 可压缩性对行程的影响不能忽略，液压油的压缩使活塞运动的流量减小。 式( 2 1 0 ) 变为： ( 2 1 4 ) 受流量曲线限制的影响嘶减小。同时性能还受系统的动态特性的限 制。带载后工作范围减小。 2 随机信号输入时的负载情况 誊i 才料实际上受到的作用力是随机信号，用这种信号做实验将更符合实 际的使用情况。随机信号有两种情况：一是时间历程的随机波所只有的最 大加速度、负载重量、速度等分别计算出所需的最大负载压力p m a 】【和最 大的负载流量q m 缸，按这两个值在伺服阀的负载流量曲线上选取工作点 从而确定伺服阀和泵的大小。二是随机信号是一定的功率谱密度曲线。功 率谱相似的随机信号会对零部件产生等效的损伤力。在进行模拟随机信号 输入试验时，应了解试件在实际工作时的功率谱密度函数s 。( m ) 和作用 的频率范围，也就是随机信号作用下的负载情况，在材料试验机中主要是 作用力f 。在疲劳试验机中，已知作用力的功率谱密度& ( m ) 和频度范围 2 1 太原理工大学硕上研究牛学位论文 “2 ，则作用力的方差值可按( 2 1 5 ) 得出。即 盯；= e 25 。( ) e7 d 一 ( 2 - 1 5 ) 3 试验机在静态试验时的加载过程 试验机在静态试验时需对加载速率进行控制，但对动态性能要求低， 加载过程见图2 3 。其中控制值有：力、位移、变形等。 控 佑_ 值 b 控 伟_ 值 图2 3 静态试验的加载过程 矸g 2 3t h el o a d i n go fs t a t i ct e s t 2 1 2 试验机的类型与结构 1 材料试验机的类型 材料试验机在初期是机械式的，如螺母、螺杆加载的万能试验机。约 在1 0 0 年前，瑞士的a m s l c r 公司开发了液压万能试验机，它利用液压油 的压力对试件加载，但在加载的过程中不能进行控制。在液压万能试验机 出现的同时，在原有双螺母、螺杆试验机的基础上出现了电子万能试验机 但电子万能试验机试验机的作用力有限。电液控制万能试验机的精度比电 太原理1 大学顾l 研究生学位论文 子万能试验机的略差、但能承受大负载。电液控制的试验机丰要有动静万 能试验机、疲劳试验机、结构试验机、电液振动台等。 1 ) 电液动静万能试验机 图2 4 吉林省金力试验技术有限公司的w a w 系列微机控制电液伺 服万能试验机的结构图。 图2 4w w 系列微机控制电液伺服万能试验机的结构图 f i g 2 4 t h es 臼c n l r a ld i a g 咖o f 硝、 ，s e i i e sd e c t r 0 - h y d m l i l i cs e ou n i v e r s a l t e s t i gm a c h i n e n 咖u e d b yc o m p u t e r 电液动静万能试验机既可做拉伸试验，也可做压缩试验，更换夹具还 能做弯曲、剪切一扭转等到试验，电液伺服控制的动静万能试验机既能 进行动态的高周疲劳，程序控制疲劳和低周疲劳试验，也能进行静态的恒位 移、恒负荷、恒变形、等速位移、等速加荷、等速变形等功能，可以进行 太原理工大学硕士研究生学位论文 断裂力学试验，根据需要也可以进行部分振动和冲击的试验，可对金属材 料和非金属材料进行试验，因此这种试验机得到了广泛的应用，已形成系 列产品，并在此基础上开发出了各种其他特殊用途的试验机如低周疲劳试 验机、疲劳试验机等。 2 ) 电液疲劳试验机 电液疲劳试验机主要是做材料疲劳试验的试验机：图2 5 为微机控 制电液伺服疲劳试验机p l d 一2 0 结构图。 图2 5 电液伺服疲劳试验机p i 肛2 0 结构图 f i g 2 - 5t h es t n l c t 哪ld i a 盯蛐o fp u ) 2 0e l e c 嘶- h y d 均u l i cs e i v o m g i l et c s t i n gm a c h i n e 最初的疲劳试验机是将试件作回转运动，用偏心轮及砝码加载或弹簧回载 加载进行疲劳试验但这种疲劳试验机作用力小、改变频率及幅值都较困 难。做疲劳试验目前大多采用电磁谐振式疲劳试验机或电液伺服控制的疲 劳试验机。电磁谐振式疲劳试验机作用力较小，只能进行高频的正弦运动， 用途较狭。电液疲劳试验机作用力大，可进行动态的低周疲劳、高周疲劳 太原理1 一大学硕十研究生学位论文 和程序控制疲劳试验，和进行静态的恒位移、恒负荷、恒变形、等遮位移、 等速加荷、等速变形试验。高周疲劳试验机的试验频率范围一般为 0 叭h z 4 0 h z ，长春试验机厂的p w s 一1 0 0 疲劳试验机的试验频率为 0 0 1 1 0 0 h z ，德国s c 珏n c k 公司的p s a 1 0 0 疲劳试验机的试验频率为 0 1 0 0 h z 。 此外还有拉伸试验机、压缩试验机、冲击试验机、扭转试验机等，这 些试验机的功能比较单一，试验对象范围比较小。 图2 6 活动横粱图2 7 固定横梁结构 f i g 2 6t h em o v a b i eb 咖f i g _ 2 _ 7t h ef i x e db e 蛐 图2 6 为活动横梁，图2 7 为固定框架式结构。此外还有油缸上置 的结构。 太原理工大学硕士研究生学位论文 当金属材料的弹性模量为e ) 1 5 0g p a 时，应力速率控制在3 m p a 3 0 m p a 之问的某一固定值上1 。 5 应变等速率控制 应变等速率控制是指试验过程中，采用试样应变作为反馈量，通过f = f _ | 环调节，使得试验过程中试样应变速率为恒定值的控制方式。 6 试验力保持控制 试验力保持控制是指试验过程中，采用试样所受试验力作为反馈量 通过闭环调节，使得试验过程中试拉所受试验力为恒定值的控制方式。 7 位移保持控制 位移保持控制是指试验过程中，以活塞位移作为反馈量，通过闭环调 z 节，j 使得试验过程中活塞的位移为恒定值的控制方式。 8 变形保持控制 变形保持控制是指试验过程中，采用引伸计测量的试样变形作为反馈 量，通过闭环调节，使得试验过程中试样的变形为恒定值的控制方式。 9 应力保持控制 应力保持控制是指试验过程中，采用试样所受应力作为反馈量，通过 闭环调节，使得试验过程中试样所受应力为恒定值的控制方式。 1 0 应变保持控制 应变保持控制是在试验过程中，采用试样的应变作为反馈量，通过闭 太原理。l 大学硕士研究生学位论文 环调节，使得试验过程中试样的应变为恒定值的控制方式。 1 1 试验力正弦控制 试验力正弦控制是在疲劳试验过程中，试验力为反馈量，通过闭环控 制使试件上所受的试验力按照正弦规律变化。 1 2 变形、位移正弦控制 变形、位移正弦控制是在弹性范围内进行疲劳试验过程中，变形量、 位移为反馈量，通过闭环控制使试件上变形、试件的弹性伸长量按照正弦 规律变化。 2 1 4 材料试验机的微机测试系统2 盯和控制系统 该系统由力传感器、电阻应变式引伸计、力值测量单元、形变测量 单元、信号放大器、a 仍( d a ) 转换和接口、微机、打印机及显示器等 组成。试验机测试和控制系统结构框图见图2 8 。 图2 8 材料试验机的微机测试与控制系统 f i g 2 - 8t h em i c m c o m p u t e r i e s t i n ga n dc 0 d t r o ls y s t e l no fm a t e r i a lt e s t i n gm a c h i e 太原理1 大学硕士研究牛学位论文 在金属材料试验中，采用力传感器将机械力变为电测力，力传感器 直接感受所承受试验力的大小，由力值测量单元将其转换成相应电信号。 同时，采用电测式夹式引伸计测出试样的微量塑性变形，通过形变测量荦 元、放大器，转换成电信号。上述电测信号经放大后，通过a d 转换和接 口，输入计算机进行采集、计算、处理，准确直观地显示引起该试样产生 的载荷一位移或应力一应变数值，打印记录出力值、变形量以及各种试验 曲线。输入计算机的信号与信号发生器的输入信号比较的偏差信号，经过 d a 转换后，由放大器放大后控制伺服阀驱动液压缸，液压缸输出力或位 移。 2 2 液压机 荔 液压系统应用于液压机，始于1 7 9 5 年英国研制成功的第一台水压机。 如今，液压机已得到了广泛的应用。根据液压机制情况，对液压系统提出 了不同的要求。 2 2 1 液压机负载特性【2 9 l 根据液压机驱动的负载情况，以纵轴为负载作用力，横轴为负载位移 或时间可画出负载特性曲线。 1 动作要求。 液压机根据其工作循环要求，有快进、慢进、保压、泄压、快退等基 太原理工大学硕士研究生学位论文 本动作。其工作循环图如图2 9 所示。 s 图2 9 液压机工作过程 f i g 2 - 9t h eo p e r a 0 np m c e s s so fh y d m u cp r e s s 2 负载类型 在慢进加压工作行程中，液压机的负载变化特性是液压机系统设计的 主要依据，常见的类型有以下几种。 1 ) 负载随工作行程的增大而增大，最高达到最大，负载特性是直线 见图2 1 0 。工体的镦粗延伸等属该类型。 p 图2 1 0图2 1 1图2 1 2 f i g 2 - 1 0f i g 2 - 1 lf i g 2 1 2 2 ) 在工作行程中，负载基本不变，负载特性呈水平。见图2 1 1 ：工 体的挤压，穿孔，拉拨属这一类型。 太坂理】一人学硕士硐究牛学位沦文 3 ) 负载的变化分二个阶段 l ：负载随工作行程缓慢增加 i i ：负载急剧升高，直至最大 工件弯曲，压块，粉末成形，打包属这一类型。见图2 1 2 。 4 ) 工作行程中，负载先逐步增大，达到最大值后，又逐步下降，负 载特性变化平稳。如图。拔料、拉伸、橡皮膜压属这一类型。见图2 1 3 。 p 图2 1 3 f i g 2 - 1 3 p 图2 1 4 h g 2 - 1 4 5 ) 负载在较短的工作行程内急剧上升在最大值又直到下降，直到全 部卸荷。下料，冲孔属这一类型。见图2 1 4 。 2 2 2 液压机的类型【删 液压机按照机架结构形式分为梁柱式、组合框架式、整体框架式、 单臂式等。按照功能和用途可分为手动液压机，锻造液压机，冲压液压机 一般用途液压机，校正、包装液压机，层压液压机，挤压液压机，压制液 压机，打包液压机，专用液压机等1 0 余种类型。 3 1 太原理t 大学硕士研究生学位论文 22 3 液压机液压系统 液压机工作过程中，负载和速度变化较大，要求相应的液压系统能够 提供较大范围的压力和流量。 1 传统的两种供油方案 1 ) 是采用高低压泵组，通过低压泵实现快速行程需求，高压泵满足 压力需求，见图2 1 5 。 图2 1 5 高低压泵组 图2 1 6 变量泵 f i g 2 1 5 皿eh 蛐柚d l o wp r e 鸽u r cp 岫p s聪2 - 1 61 k v a r i a b l ed i s p l a c c m tp u m p 2 ) 是采用恒功率变量机构实现快速行程见图2 1 6 。这两种情况都是 在不增加功率的前提条件下提高生产率。 2 保压方式 液压机工作循环中的保压过程与制品的质量密切相关，很多液压机均 要求有较好的保压性能。保压性能的好坏主要由保压时间和压力稳定性两 个指标来衡量。常见的保压方式有以下四种。 1 ) 采用液控单向阀保压。在主缸进油路上串联一个液控单向阀，利 太原理t 大学硕十研究生学位论文 图2 1 9 自动补油保压 图2 2 0 蓄能器保压 f i g 2 _ 1 9 皿ep f e u r cm a i n t a i i g f i g 2 - 2 0n ep r e s s u r em a i t a i n i n g b ya u t o m a t i cm a k e - u po n b ya c c u m u l a t e o r 4 ) 用蓄能器保压( 见图2 2 0 ) 。用薷能器保压2 小时内压力下降 不超过2 公斤。 3 泄压方式 保压过程结束后，需要卸压。泄压过程就是通过控制能量的释放速度， 避免液压系统产生冲击、振动及噪声，甚至管道破裂：常见的泄压方式有 用释压阀泄压、顺序阀泄压、单向节流阀泄压、比例阀泄压等。图2 2 1 为单向节流阀泄压回路。 太原理】人学硕十研究生学位论文 图2 2 1 液压机泄压回路 f i g 2 - 2 1t h eu n d e r p i e s s u 咒c i r d eo fh y d r a u l i cp r e s s 2 3 本章小结 本章主要论述了材料试验机的在正弦信号和随机信号输入下的负载 特性、材料试验机的试验控制形式、结构以及微机测试和控制系统；液压 机的负载特性、类型和液压系统。 3 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 第三章控制方案的确定 3 1 传统材料试验机的控制形式 材料试验机主要有电液伺服动静万能试验机、电液伺服疲劳试验机。 其中电液伺服动静万能试验机最为普遍。 1 手动控制系统 控制系统原理图见图3 1 。试验加载时，卸载阀关闭，人工操纵加载 阀的手柄，控制进入油缸压力油的流量，同时监视应力、应变指示机构装 置，通过调节加载阀口的大小，使应力、应变速北值达到达到预定值 图3 1 手动控制系统原理图 f i g 3 - 1t h es c h 锄a 廿cd i a 擘a mo fs y s t e m n 讯) u e db ym a 肌a l l yo p c r 撕o 卸载时，加载阀关闭，打开卸载阀进行卸载。试验载荷通过测力油缸及摆 锤在测力度盘上显示出来，整个试验过程人工控制。这种系统结构简单 运行可靠，成本低廉，维护和保养方便；系统的缺点是不能对应力、应 变的加载速率进行自动控制，无法实现试验过程中对应力应变速率进行定 太原理上人学硕士研究牛学付论文 量控制的要求。 2 电液比例阀控制 电液控制万能试验机采用电液比例阀控制系统，埘负载的速率、变形 速率及速度等进行控制。电液比例控制技术是电液伺服控制技术的基础 发展起来的。比例阀以其低廉的价格，高可靠性及抗污染能力使其在液 压领域得到广泛应用。各国试验机制造企业正致力于开发电液比例控制系 统的材料试验机。 3 电液伺服阀控制 电液伺服动静万能试验机、电液伺服疲劳试验机采用电液伺服阀 控制系统。可进行动态的高周疲劳、程序控制疲劳和低周疲劳试验，也能 进行静态的恒变形速率、恒负载速率和各种常规的力学性能试验。 试验 机的液压系统简图见图3 2 、图3 3 。 图3 2图3 3 f i g 3 - 2f i g 3 - 3 这种系统的特点是采用伺服阀作为电液转换元件，系统控制精度高、响应 3 7 太原理。i 一人学硕士研究生学位论文 快，容易实现自动控制，但是这种系统成本较高，对油液清洁度要求苛刻 可靠性不高，同时由于系统为定压系统，能耗大，有的系统必须加冷却装 置。 3 2 传统液压机的液压系统控制形式 1 定量泵加方向阀控制 图3 4 为定量泵加方向阀控制系统。在该控制形式中，定量泵始终 存在溢流损失，液压机液压系统容易发热，造成油液温度高、液压油密 封困难造成泄漏污染环境、油液变质加快。该系统采用单向阀保压。 图3 4 定量泵加方向阀控制系统 图3 5 恒功率变量泵系统 f i 昏3 - 4t h es y s t c ：mo o n h d c db yf 奴e d d i s p l a y c e m 蚰tp u 唧a d d i n gd i i e c t i o nv a l v 。 2 恒功率变量泵加方向阀控制形式 f 培3 - 5c o n g 诅n to u 蛭m tv a r i a b l e d i s p l a c 啪tp 咖叩s y s t e m 图3 5 为恒功率变量泵加方向阀控制形式，该系统单向阀保压用顺 序阀泄压。保压结束后，把换向阀左位接通回路，此时由于主缸上腔没有泄 骜鲁 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 3 控制方案的确定 3 3 1 试验机电液控制方案的确定 由试验机和液压机的工况，拟采用的液压控制方案为：由伺服电机驱 动定量泵为系统提供负载所需的连续变化的流量和压力，其控制主要有位 置、力和变形控制。 液压回路由定量泵、液控单向阀、单向阀、差动液压缸、补油泵和溢 流阀组成液压闭式回路，由交流伺服电机及其控制模块、放大模块、驱动 模块、力传感器、位置传感器等组成电气控制回路。见图3 7 。 图3 7 试验机电液控制方案一 f i g 3 7n e c o n 臼o ls c h 锄eo ft e s t i n gm a c h i ee k c 咖- h y d m u l i cc o n t f o ls y s t e m 1 安全阀2 一溢流阀3 一补油泵4 一方向阀5 、6 一液控单向阀7 一定最 泵8 一差动液压缸9 一伺服电机l o 一变频器1 1 、1 2 一上下夹具1 3 一试棒 控制原理为当指令信号电压作用于系统时，液压缸活塞便输出力、 位移，负载力、位移由力、位移传感器检测并转换为反馈电压，在控制器 4 j 0 a 原理l 大学硕士研究生学位论文 中与指令信号电压比较，得出偏差信号电压并放大，作为变频器的输入 变频器按照放大的偏差信号电压驱动伺服电机向定量泵输出转速与转矩 定量泵向液压缸输出与偏差信号电压成比例的流量或压力。其中液控单向 阀、补油泵( 补油泵为间歇工作方式) 和蓄能器为系统提供由于差动液压 缸运动所需的流量差，方向阀4 可以在空行程时控制液压缸的位置。 3 3 2 液压机电液控制方案的确定 液压机的机身结构有开式结构、闭式结构、立式结构、卧式结构等多 种形式。本论文仅以典型的闭式立式结构和卧式结构设计液压原理图。 图3 8 大吨位液压机电液控制原理图 f i g 3 - 8t h ee j e c t r 0 _ h y d r a u l i cc o n t m ls c h e m a t i cd i a g m mo f1 a r g ei o n m g eh y d r a u l i cp r e s s 1 安全阀2 一溢流阀3 一补油泵4 一方向阀5 、6 一液控单向阀7 一定量泵 8 一差动液压缸9 一蓄能罐1 0 一充液阀1 1 一变频器1 2 一伺服电机1 3 一充液箱 图3 8 为针对大吨位液压机设计的方案。该系统采用充液箱，利用 辅助快速液压缸实现快速行程，利用主系统实现慢进和对压力的控制。在 4 】 太原埋1 人学硕士研究生学位论文 保压阶段，泵除了提供系统所需的压力外