（机械制造及其自动化专业论文）多碰试验机电液集成控制系统的研究.pdf

j 苏州大学学位论文使用授权声明 !ifilrll ii i i i fii ii i iiiiiiiiiij i i i i i i i y 1 7 3 2 814 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属在 年一月解密后适用本规定。 非涉密论文团 论文作者签名：二国丛固 日 导师签名：丕兰堕磊e 1 多碰试验机电液集成控制系统的研究摘要 摘要 多次冲击碰撞是工程中常见工况，其多冲件的失效机理目前知之甚少，要研 究其失效机理，就要有能准确模拟其工况的试验机。针对目前缺少专用多碰试验 机的现状，本课题组研制了一台能模拟多冲碰撞工况的d c p 2 型大能量多冲碰撞试 验机。本研究重点研制一套与多冲碰撞试验机配套的电液集成控制系统。该系统 由液压和电气控制系统组成，电气控制系统由继电接触式控制系统和计算机控制 系统组成。采用p l c 或单片机计算机控制来实现统一、集中调控。 针对多碰撞试验机的碰撞频率可调、碰撞力与能量范围可调的要求，研制一 套液压控制系统。该液压系统采用特制的大回流量插装阀和电磁阀组成一个二位 三通逻辑换向阀。大回流量插装阀使得系统的回油速度快，冲头碰撞行程的速度 加快，碰撞能量增大。以电磁阀作为该插装阀的先导阀，通过电气控制系统控制 电磁阀实现了高频换向和频率可调。碰撞力的调节通过更换蓄能件来实现。 将计算机控制引入电气控制系统，基于p l c 的电气控制系统，设计了液压油超 温控制模块、过限位、报警模块和碰撞力检测模块，并采用触摸屏作为人机界面 进行控制信号、数据的输入和状态、报警的显示。该系统功能齐全，操作界面非 常人性化。基于单片机系统的电气控制系统，研制了一个控制模块，该模块有p w m 输出、报警信号的输出和计数显示功能。 对控制系统进行功能测试，p l c 控制系统在出现过限位、液压油超温、计数 溢出等异常情况后实现自动停机。对电磁阀的p w m 输出控制，实现了对液压回路 的上压、卸荷时间占空比调控和系统碰撞频率的调节。实现了对系统的液压油 油温和工作中碰撞力等参数进行采集并通过人机界面显示。操作更便捷，p l c 控 制系统实现了在线更改系统参数。研制的单片机模块运行正常，体积小，灵活 性强，易于扩展。 关键字：多冲碰撞；试验机；液压控制系统：p l c ；单片机系统 作者：何结国 指导老师：石世宏 d e v e l o p m e n t o f i n t e g r a t e de l e c t r i ca n dh y d r a u l i c p r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mf o rr e p e a t e di m p a c tt e s t i n g m a c h i n e a b s t r a c t r e p e a t e di m p a c ti st h ec o m m o no p e r a t i o nc o n d i t i o ni ne n g i n e e r i n g t h ef a i l u r e m e c h a n i s mo ft h ep a r t su n d e rr e p e a t e di m p a c ti sv e r yl i t t l ek n o w nt op e o p l ea tp r e s e m i nt h ec u r r e n ts t a t u so fl a c k i n go fs p e c i a lr e p e a t e di m p a c tf a t i g u et e s t i n gm a c h i n e ，t h e l a r g ee n e r g yd c p - 2r e p e a t e di m p a c tf a t i g u et e s t i n gm a c h i n eh a sb e e nd e v e l o p e dt o s i m u l a t et h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fr e p e a t e di m p a c ti nd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s a n i n t e g r a t e de l e c t r i ca n dh y d r a u l i cp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mf o rr e p e a t e di m p a c tt e s t i n g m a c h i n ei sm a d e e l e c t r i ca n dh y d r a u l i cp r e s s u r em a k eu po ft h ec o n t r o ls y s t e m ，t h e e l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m p l co rm c uw a su s e di nt h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e ma sa i n t e g r a t e da n du n i f i e dc o n t r o l l e r m a k eah y d r a u l i cp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mf o rf r e q u e n c ya n ds t r e n g t hc h a n g i n g ， p o w e r - s u f f i c i e n te n g i n e e r i n g h y d r a u l i cp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e mh a v ea s o l e n o i dv a l v e a sp r i o r i t yv a l v ef o rc a r t r i d g ev a l v e t h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e mc o n t r o ls o l e n o i dv a l v e ， a n dc h a n g ef r e q u e n c y e n l a r g eh y d r a u l i cf l u i dp o r tt or e a l i z er a p i dr e s p o n s eo fh y d r a u l i c p r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m i tg e t sd i f f e r e n ts t r e n g t hw i t hv a r i o u sc o e f f i c i e n to fs p r i n g e l a s t i c i t y r e l a yc o n t r o ls y s t e mi su s e df o rc o l l e c t i n gi n f o r m a t i o na n dd r i v i n go u t p u t t h e r e l a yc o n t r o ls y s t e mi su s e dt os t a r ta n ds t o pt h em o t o r , a n dc o n t r o lo u t p u t t i n gp w m t o s o l e n o i dv a l v e ，c o l l e c t i n ga l a r mi n f o r m a t i o na n do u t p u ti tt op r o t e c te l e c t r oc i r c u i t p l co rm c uw a su s e di nt h ee l e c t r i cc o n t r o ls y s t e ma sac e n t e rc o n t r o l l e r b a s e d o np l ce l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m ，d e s i g n e dah y d r a u l i cl i q u i dt e m p e r a t u r ec o n t r o lm o d u l e ， al i m i tc o n t r o l ，a na l a r ma n dd i s p l a ym o d u l e at o u c hp a n e la sah u m a nm a c h i n e i n t e r f a c ei st oi n p u ti n f o r m a t i o na n dd a t a , o u t p u ts t a t u sa n da l a r m f o c u s i n go nt h e i i 、 m c ub a s e de l e c t r i cc o n t r o ls y s t e m ，d e s i g n e dam o d u l et or e a l i z ep w ma n da l a r m o u t p u t ，l i m i tc o n t r o la n dd i s p l a y i n gc o u n t i n g k e yw o r d s ：r e p e a t e di m p a c t ，t e s t i n gm a c h i n e ，h y d r a u l i cp r e s s u r ec o n t r o ls y s t e m ， p l c ，m c u w r i t t e n b y ：h ej i e g u o s u p e r v i s e db y ：s h is h i h o n g 一 目录 第一章绪论l 1 1 研究意义”1 l - 2 多冲碰撞试验机及其控制系统国内外研究现状”l 1 2 1 碰撞试验机的国内外研究现状l 1 2 2 碰撞试验机控制系统研究现状3 1 3 现有碰撞试验机控制系统存在的不足6 1 4 论文研究内容和结构安排“7 1 4 1 研究内容7 1 4 2 结构安排”8 第二章多碰试验机工作原理及其液压控制系统研制”9 2 1 多碰试验机的工作原理“9 2 2 换向装置的研制l0 2 3 液压控制系统设计要求及工况分析1 1 2 4 系统升力的估算1 2 2 5 液压缸参数的确定”1 3 2 6 液压泵性能参数的确定及其选型1 3 2 7 碰撞力与冲头行程的关系1 5 2 8 本章小结16 第三章多碰试验机继电接触式控制系统的研制1 7 3 1 多碰试验机的电气控制系统原理1 7 3 2 电机及系统中低压电器的选用“1 8 3 3 多碰试验机的电气布置1 9 3 4 本章小结2 1 第四章多碰试验机计算机控制系统的研制2 2 4 1 基于p l c 的计算机控制系统的研制2 2 4 1 1 可编程控制器硬件设计2 2 4 1 2 可编程控制器软件设计“3 0 4 1 3 人机界面设计及应用3 4 4 2 基于单片机的计算机控制系统的研制3 7 4 2 1 单片机系统硬件设计3 9 4 2 2 单片机系统软件设计- 4 2 4 2 3 单片机系统的抗干扰设计4 2 4 3 本章小结”4 4 第五章多碰试验机控制系统的工作性能测试4 5 5 1 试验机安装4 5 5 2 控制系统的工作性能测试4 7 5 2 1 电磁阀的输出控制测试一4 7 5 2 2 碰撞力检测模块测试5 0 5 2 3 温度检测模块测试5 l 5 2 4 报警模块测试5 2 5 2 5 触摸屏测试5 2 5 2 6 抗干扰测试5 2 5 3 冲击试验结果“5 3 5 4 测试结果分析5 3 5 5 本章小结5 4 第六章结论与展望5 6 6 1 全文总结5 6 6 2 展望。5 7 参考文献5 8 攻读学位期间本人出版或公开发表的论著、论文6 2 附录6 3 致谢7 3 多碰试验机电液集成控制系统的研究第一章绪论 第一章绪论弟一早三百下匕 1 1 研究意义 工程中广泛存在着在多次冲击碰撞载荷下工作的零构件。如发动机气缸排气 阀，模具凹凸模，各类控制阀、泵，凿岩机活塞、钎杆，风动工具，刀具剪口等。 其碰撞接触表面容易出现各种形式的损伤，严重时将导致机件失效。这些零构件 一般都是机器中的重要关键件，除本身价值昂贵以外，其失效后由于检修、停产 而带来的间接经济损失往往更为巨大。所以探讨多碰工况下零构件的损伤、疲劳 及失效的行为、规律、机理、影响因素，寻求有效的控制方法，从而提高其使用 寿命、降低生产成本、提高系统的可靠性和安全性有着重要的意义l l j 。 国内外许多学者都曾经或正在致力于多碰工况下材料疲劳行为的研究【2 刁】。研 制出能够准确地模拟多冲碰撞工况的试验机显得尤为重要。 多碰试验机应具备的主要功能有： ( 1 ) 碰撞工况模拟。包括冲击力、冲击波形、频率、碰撞次数及运动参数等 的模拟，并达到足够的模拟精度； ( 2 ) 完备的控制系统。能够实现对机器起停、工况参数变化以及安全保护装 置等各个环节方便地实现调整和集成控制； ( 3 ) 安全保护装置。包括自动计数停机、超温控制、越程控制等。 遗憾的是现有的一些多碰试验机中能够满足上述要求的十分鲜见。一些文献 中【2 - 3 1 对于多冲碰撞的研究还是沿用一次冲击试验方法进行多次试验；很多研究中 虽然采用了多次连续冲击碰撞的试验方法【8 以2 1 ，但试验装置的加载频率、加载速度 或加载能量等都较小或较单一、不可调，与材料或零件的实际工况有很大区别。 不仅现有的各种多冲碰撞试验机在性能上尚无法满足对多冲碰撞的进一步研究， 而且目前对于多冲碰撞的试验方法也没有形成统一的标准，急需研制能够准确模 拟多冲碰撞类零构件真实工况的多冲碰撞试验机，而多冲碰撞试验机功能的实现 需要一套功能强大、自动化程度高、集成度高、参数可调的控制系统。 1 2 多冲碰撞试验机及其控制系统国内外研究现状 1 2 1 碰撞试验机的国内外研究现状 美国m t s 公司生产的8 8 6 系列冲击试验机、美国a v c o 公司生产的s m 系列 第一章绪论多碰试验机电液集成控制系统的研究 冲击试验机、日本吉田精机株式会社生产的a s q 系列冲击试验机、l a n s m o n t 公司 机械式，跌落式冲击台、美国t e a m 公司的振动冲击台等f 乃以5 1 。我国国内也有不 少企业和研究机构在生产和研制各种类型的冲击试验机。虽然这些试验机在某些 结构形式、局部装备方面不尽相同，但多数厂家和研究机构的产品和成果是第二 代的冲击台，能产生的波形比较单一，即以橡胶、液压或气动来提供缓冲多冲碰 撞试验机研制。目前也有少数厂家仿造研制了能产生多种波形的力脉冲发生器以 及其他装备的冲击试验机【1 6 】。总的来看，由于美国、日本、欧洲等国家和地区在 冲击试验方面的研究以及在冲击试验台的研制上都比我国开展的早，所以他们的 研发水平都高于我国的现有水平。但这些多为一次冲击碰撞试验机或是一些冲击 频率、冲击能较低的多冲碰撞试验机。通用型试验机主要有用于一次冲击碰撞试 验的试验机，如落锤冲击试验机，用于测试材料冲击强度与韧性的摆锤式冲击试 验机，还有一些用于测试材料其他性能的冲击试验台等。通用型冲击试验机主要 用来测试冲击疲劳特性、冲击韧度、硬度和疲劳式磨料磨损等参数之问的关系。 如j d 1 2 5 型多次冲击试验机用于测定材料在多次冲拉、冲弯、冲压载荷下的机械 性能，并可进行实物接触疲劳试验或模拟试验，但是其冲击能量较小最大只有 1 2 2 5 8 j 1 1 7 】，而且冲击速度和频率等参数不便于调节。专用型冲击试验机有用于企 业的产品测试的冲击试验机，如用于键盘打击疲劳寿命测试的专用冲击试验机等： 还有科研单位用于实验研究的试验机，测试材料冲击强度与冲击韧性的多冲弯曲 与多冲拉伸试验机【1 8 】；还有一些应用较广泛是用于冲击磨损研究的试验机【1 9 】。文 献【2 0 1 研制了一台由弹簧加载的多冲试验机，该试验机冲击速度最大可达1 0 m s 。上 个世纪7 0 8 0 年代国外在多冲试验机方面的研究进入了高潮【2 1 1 ，近年来随着新技 术的发展，多冲试验机在自动控制、信号输出、安全性和稳定性等性能上有了很 大的提高。随着新材料的研究和对材料力学性能研究的不断发展，对材料试验机 的要求也不断提高。越来越多的研究项目要求材料试验机能够模拟材料的真实工 作情况。近年来用于非金属材料和复合材料的冲击试验机发展很快，并且得到了 广泛的应用【2 2 】。但这些试验机仍然受到冲击能量大小的限制不适宜对金属材料进 行实验。 本课题组曾研制的第一代机械式多碰试验机是采用凸轮一弹簧机构来实现反 复冲击碰撞运动的。机械式试验机是利用凸轮和弹簧的能量转换方式来实现多次 冲击碰撞运动，主要为了满足小能量多冲碰撞的需要。如图l 一1 所示，整个试验机 2 多碰试验机电液集成控制系统的研究第一章绪论 的动力来源于驱动电机，电机带动飞轮将动力传给曲轴并带动大皮带轮工作，最 后大皮带轮将动力通过皮带传给小带轮带动凸轮轴工作。皮带轮安装在压力机的 曲轴上，由皮带轮带动附加装置上的凸轮轴转动。再通过凸轮轴与杠杆的作用， 使弹簧压缩。利用弹簧的压缩能量释放，使冲头对试件实现冲击行为。冲击力的 大小可由调节螺栓调和弹簧来实现。本试验机冲击频率为4 h z 2 3 】。 图1 1 凸轮弹簧机械式冲击机原理图 总结国内外研究的碰撞试验机的类型，共有如下几种1 ) 用气枪喷射固体粒子 流洲：2 ) 利用磁场力推动抛射体2 5 1 ：3 ) 自由落体：4 ) 由电机驱动，通过凸 轮、弹簧和连杆等机构带动振动锤运动等2 7 _ 3 1 1 。 1 2 2 碰撞试验机控制系统研究现状 碰撞试验机控制系统，是试验机的重要组成部分，对试验机的整体性能有重 大影响。随着技术的发展，液压、气动、电气控制和计算机控制引进到了碰撞机 的控制系统中，使得碰撞试验机控制系统得到了飞速发展。 液压、气动控制在碰撞试验机中的应用。在华中科技大研制的l p s 2 4 0 0 0 型冲 压试验机中用了液压控制。吉林大学研制的冲压试验机( 如图卜2 ) 以气压作为动 力源，以气压作为动力源减少成本并且环保。它由三部分组成，一部分为气缸，其 组成为：缸体，端盖，活塞杆，密封圈，螺钉等组成。其为双杆双作用气缸，形成气缸 的下腔和上腔，通过气缸的下腔接口，上腔接口的进、回气，在保持活塞杆不动的情 况下，缸体上、下移动。第二部分为快速脱开装置，其组成为：接头，卡环，钢珠，弹 簧，外套，接头体。第三部分为连接件，其组成为：固定抓套，固定螺钉，定位螺钉等 组成。另外，跟该快速脱开装置配合使用还有两个辅助机构：一为控制阀和气源：二 第一章绪论多碰试验机电液集成控制系统的研究 为提升吊环和砝码。气缸中的活塞杆一端连接吊环，另一端连接快速脱开装置的接 头体：缸体上由固定螺钉固定抓套，抓套和定位螺钉固定快速脱开装置上的外套。 缸体的上、下移动可带动快速脱开装置上的外套上、下移动，使外套处于上、下端 位置。外套在下端位置时，钢珠被压入v 型槽内将接头及砝码卡住，快速脱开装置 处于连接状态：外套在上端位置时，钢珠被挤出v 型槽，接头与接头体断开连接，接 头及砝码与快速脱开装置脱开，快速脱开装置处于脱开状态。弹簧和定位螺钉作用 是使外套能迅速回到下端位置。其特点是快脱气缸原始状态( 即控制阀为断电状态) 为结合，所以当发生突然断电等意外时，也能保证砝码可靠连接。并且这种连接非 常牢固，脱开时又非常迅速，使用起来安全方便1 3 。3 。 1 砝码2 接头3 卡环4 钢珠5 弹簧6 外套7 接头体8 缸体9 下腔 1 0 密封圈1 1 上腔1 2 端盖1 3 吊环1 4 提升装置1 5 密封圈1 6 螺钉1 7 上腔接口 1 8 活塞杆1 9 下腔接口2 0 控制阀2 1 抓套2 2 固定螺钉2 3 定位螺钉2 4 气源 图1 2 快脱气缸结构及控制图 当前，碰撞试验机控制系统中电气控制和计算机控制的使用，使得试验机控 制系统的发展进入了一个新纪元。如同本吉田精机株式会社生产的m d s t 试验机， 实验条件的设定与自动控制都是利用计算机与控制装置自动化操作，可做多频的 加速度检测与各种分析。西北机器厂研制的l o o k g 冲击试验机，其电气控制( 如 4 1 k 多碰试验机电液集成控制系统的研究第一章绪论 图1 - 3 ) 采用微机控制和监测冲击脉冲，并实时显示和打印出实际冲击的脉冲波形 及其容差带、速度变化及容差、峰值加速度和脉冲持续时间等【3 4 j 。辽宁石油化工 大学研制的自动冲击试验机系统( 如图1 - 4 ) 。计算机控制系统主要完成对冲击试 验机的自动控制及试验数据实时采集、存储及处理。它对冲击试验机的控制及数 据采集是通过继电器驱动卡上的开关量输入输出接口和正交编码计数卡接口 实现的。整个系统是在计算机中实现的，包括程序软件、控制软件、专业的分析软 件和数据采集、储存、处理和控制接口【3 5 】。西北第二民族学院为某材料试验机生 产厂家对冲压试压机设备进行自动化改造，改造后测控系统的组成图如图1 - 5 。采 用p l c 、人机界面及计算机等技术设计开发了一个测控系统，实现了设备的自动控 制，试验数据的自动采集、分析及处理。取得了良好的效果【3 6 1 。江苏技术师范学 院的j b 一3 0 b ，采用了p l c 来研制其控制系统。为了实现冲击试验机电气控制要求， 并根据触发信号及响应元件的性质、参数和特性要求，采用抗干扰强、可靠性高 的r 本三菱公司生产的f x o n 系列超小型可编程序控制器来研制其试验机，p l c 的 硬件接线图如图1 - 6 了7 1 。 图1 - 31 0 0 k g 冲击试验机电气控制系统框图 l 篙茸眦譬 i 机生机 = = = 纠工一、一b = 禚输二二鼍珏烈 l 墼s r 9 1 崩! 卜 温f 1 _ 一卜一 i 竺些墨= 剥：! i 炳 一 、辨 一 一一一 第一章绪论 多碰试验机电液集成控制系统的研究 y 8 图1 - 6j b 3 0 b 型冲击试验机硬件外部接线 1 3 现有碰撞试验机控制系统存在的不足 由于液压、气动控制系统的快速响应、易控制、易与电气控制结合、输出力 大等特性，当前碰撞试验机都趋向于采用液压、气动控制，并且将基于计算机的 电气控制引进其控制系统，提高其智能化，自动化的程度。目前在液压、气动和 电气结合的碰撞试验机的控制系统的研制还不够深入，结合得还不够紧密，某些 方面还有待于改进，存在的问题有以下几个主要方面。 ( 1 ) 控制系统的频率太低，响应速度太慢。 碰撞试验的冲击次数要求至少都在3 0 万次以上，这就要求控制系统的频率要 高才能及时的完成试验。现有的碰撞试验机的碰撞频率偏低，在上海电气核电设 备有限公司落锤冲击试验机的改造中和 3 3 】 3 4 】中系统的冲击频率都有这种缺陷。 ( 2 ) 控制系统的参数调节不便。 工作频率和冲击压力不方便调节，在本课题组中研制的凸轮一弹簧式冲击机 【1 9 】，更改频率还需要更换凸轮来实现，非常不便。参考文献 3 3 】中的摆锤式的系统 更改冲击压力，需要更换摆锤来实现，操作起来会比较繁琐。 ( 3 ) 加载能量较小 华东理工大学研制的弹射式冲击试验机运载球状或半球状的刚性模型作高速 6 i l m 辩 引 裁 洲 舢 雕 耋| 多碰试验机电液集成控制系统的研究第一章绪论 运动，使其高速撞击被测物，这种冲击试验加载的能量较小，可能达不到试验工况 的要求。 ( 4 ) 自动化程度不高 多冲碰撞试验机工作的时间较长，现场噪音较大，不可能现场留守实验人员 看管，这就要求控制系统必须具备完善的自动保护装置。在本课题组研制的凸轮 一弹簧式冲击机【2 3 1 ，主要是采用机械的方式来实现，控制系统自动化程度不够高， 不能实现自动计数停机、超温控制、意外越程控制。西北机器厂研制的l o o k g 冲 击试验机【3 4 1 和文献 5 4 】中研制的弹射冲击试验机的控制系统均没有相应的自动停 机保护功能。 针对上述存在的问题，需要研制具有多功能、自动化程度高、集成控制、参 数可调、安全可靠、操作界面更人性化、性能良好的并且能够准确模拟其多冲碰 撞工况的试验机控制系统。 1 4 论文研究内容和结构安排 1 4 1 研究内容 本文根据液压控制系统的快速响应、易控制、易与电气控制结合、输出能量 大等特性，拟采用液压驱动、计算机电液集成控制方法实现多碰试验机的运动方 案和集成控制。 ( 1 )多碰试验机液压控制系统的研制。 研制一个能实现往复运动、回油速度快、高频换向、频率可调、占空比可调、 系统压力可调的多碰试验机液压控制系统。 ( 2 ) 多碰试验机继电接触式控制系统的研制。 继电接触式控制系统要能实现对输入信号的采集，将信号传递给计算机控制 系统，并对计算机控制系统处理的结果进行放大输出。要求系统本身能够实现短 路、电机过载、失压和零压的自保护。 ( 3 )多碰试验计算机控制系统的研制 研制的计算机控制系统要能对继电接触式控制系统输入的参数进行处理，将 处理结果输出到人机界面进行显示或输出到继电接触式控制系统实现相关控制。 ( 4 ) 多碰试验机控制系统性能测试。 控制系统中的参数更改后，测试试验机的输出响应情况。对人机界面、碰撞 力检测模块、超温检测模块的工作性能进行测试。在出现下限位、计数溢出、油 7 第一章绪论 多碰试验机电液集成控制系统的研究 温超温异常情况后，对系统报警模块进行测试。 1 4 2 结构安排 如图卜7 是碰撞试验机的构成示意图，本文研究的重点是碰撞试验机的控制系 统，后面章节的组织按照图中介绍的控制系统来展开。 图1 7 碰撞试验机构成示意图 8 k 机片单 统 c 系 n 制 0 控 统 式 系 触 制 接 控 电 机 继 算 厂1 统 统 系 系 制 制 控 控 压 气 液 电 厂 l 构 统 结 系 械 制 机 控 厂1 帆验试撞 碰 多碰试验机电液集成控制系统的研究第二章多碰试验机1 = 作原理及其液压控制系统研制 第二章多碰试验机工作原理及其液压控制系统研制 本章主要介绍多碰试验机的的机械工作原理和其液压控制系统的研制。机械 部分是多碰试验机的执行机构，和碰撞试验机的液压控制系统、电气控制系统有 机结合在一起实现多冲碰撞试验功能。液压控制系统重量轻、结构紧凑、惯性小； 可在大范围内实现无级调速，传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定，液压 装置易于实现过载保护一借助于设置溢流阀；同时液压件能自行润滑，因此使用 寿命长；液压传动容易实现自动化借助于各种控制阀，特别是采用液压控制和 电气控制结合使用时，能很容易地实现复杂的自动工作循环，而且可以实现远程 控制。采用液压控制和电气控制结合，来研制试验机的控制系统【3 8 】。 2 1 多碰试验机的工作原理 该碰撞试验机的原理图如图2 - i ，机架1 0 用于固定和支撑，和液压缸、底座 刚性连接；弹簧1 1 用于加载蓄能用，依照液压缸的参数，设计大小两组弹簧，载 荷范围为2 0 0 0 n 1 2 3 0 0 n 的大弹簧，用于低频、大行程、大冲击速度( 或大冲击 能量) 或大试件等条件下的实验；载荷范围为5 0 0 n 2 0 0 0 n 的小弹簧用于高频、 小行程、低冲击速度( 或小冲击能量) 或小试件等条件下的实验；连接板1 2 用来 连接弹簧和活塞杆；活塞杆1 3 和活塞一起动作；重块1 6 主要用于重力蓄能；冲 头1 7 是用刚性材料制成，直接和试件接触，试件1 8 通过夹具装卡在工作台1 9 上。 当电磁换向阀4 处于右位时，高压液压油进入插装阀6 右腔压开阀芯进入液压 缸，提升活塞使弹簧1 1 压缩并使冲头1 6 蓄能。此时插装阀5 由于右腔通入液压油 而阀芯无法打开。当电磁换向阀4 处于左位时，插装阀6 左右两腔都通入高压液压 油，阀芯无法打开。此时插装阀5 右腔通油箱，左腔通液压缸高压油，阀芯打开，液 压缸和油箱接通，弹簧势能迅速释放，压力油回到油箱，从而实现冲头的一次碰撞 3 9 ，4 0 9 第二章多碰试验机i t 作原理及j 液压控制系统研制多碰试验机电液集成控制系统的研究 图2 1 多冲碰撞试验机工作原理图 2 2 换向装置的研制 如图2 2 中所示，电磁阀1 和两个插装阀2 、3 构成一个二位三通逻向装置， 用二位四通电磁阀转换两个插装阀的控制腔中的压力，在图示电磁阀断电状态， 右面的插装阀打开，左边的插装阀关闭，即a 通t ，p 与a 不通；电磁阀通电时， p 通a ，a 与t 不通。相当予一个二位三通的电液换向阀，先导阀电磁阀1 的通 断由电气控制系统控制。 在插装阀和电磁阀组成的二位三通的换向装置中，插装阀主要起到逻辑控制 作用。流进液压缸的液压油均需经过插装阀，由于多碰试验机液压控制系统要求 响应速度快、液压油压力足够大等特点，所以插装阀的孔径要足够大，要与管道 的直径相近。 这种二位三通换向装置具有流通能力大、控制自动化等显著优势，既可以实现 较高频率的换向，又可以满足高压大流量的要求。 1 0 、 i i 一 。 ￥： 卅 ，j j1 多碰试验机电液集成控制系统的研究 第二章多碰试验机工作原理及其液压控制系统研制 p 图2 2 两位三通换向阀 2 3 液压控制系统设计要求及工况分析 液压系统的设计要求有行程为0 - 3 0i i i i b ，速度范围为1 0 - - - 1 0 0 0 0 锄s ，工作 频率为0 5 - 5 赫兹，工作运行平稳可靠。工况分析主要对液压执行元件一液压缸 的工作情况进行分析，分析执行元件的速度、负载变化的规律，并将此规律用曲 线表示出来，作为拟定液压系统确定主要参数的依据。 运动分析：液压缸的动作分为两个，上压一卸荷。图2 - 3 为一个工作循环的 速度时间图t 1 时间段位上压行程速度，t 1 到t 2 时间段为卸荷行程速度，t 2 点的 速度从最大突变为o m s ，是因为出现了碰撞，在很短的时间内，动量全部转化冲 量，速度变为0m s 。 v ( m s ) 厂、 t 2 七| 图2 - 3 液压缸速度时间图 l i s ) 第二章多碰试验机t 作原理及j e 液压控制系统研制多碰试验机 乜液集成控制系统的研究 负载分析：图2 - 4 为液压缸负载时间图，上压行程段，起始段负载f 0 主要为 冲头的重力g 、弹簧的初压力f x 0 ，摩擦阻力f f 组成。随后到t l 点，负载一直在 成线性增加是由于弹簧的压缩力在增加，t 1 到t 2 段为卸荷段，此时液压缸中的背 压为零，所以负载为零。 r ( n ) f o s ) 图2 4 液压缸负载时间图 2 4 系统升力的估算 冲头上升过程由液压系统驱动，下冲过程由弹簧储存的弹性是能和重块的势 能共同作用。在下冲过程中忽略摩擦阻力的影响，系统满足机械能守恒。 m g h + 圭乃( 砰一霄) = 虿1 所v 2 h = 一凡 式中 一弹簧的工作压缩长度( 栅) ； ，一冲锤冲击末速度( m s ) ，简称为冲击速度，即冲锤接触试件表面瞬间速度。 在液压力提升活塞冲头的过程中忽略摩擦阻力并近似认为是匀速上升的过程。液 压系统升力为f r ( n ) ，根据动能定律可得： f ，h m g h ：丢砟( 彳一霄) 式中：m 一冲锤的质量应该为活塞杆、重块、冲头以及其它相联接零部件等件 质量的总和，其它参数意义同上。 f , h ：i 1 脚v 2 ( 1 ) 根据实际工况可知冲击速度大时对应的行程也大，按照试验的需要，选取 r n = 1 0 k g ，h = 2 8 m m ，v = 8r n s 代入上式得：e = 9 9 5 6 n 1 2 弋： 多碰试验机电液集成控制系统的研究第一二章多碰试验机工作原理及其液压控制系统研制 ( 2 ) 将丑一五= h 代入得 耐+ 丢( 2 丑卅办= 兰历v 2 k p = 2 0 n m m ，m = l o k g ，h = 2 8 m m ，v = 8 m s ，g = 9 8 n k g 代入上式得：五5 4 3 4 将该结果代入式e 咄= 后。力。中得c 一= 1 0 4 0 4 n 综合( 1 ) 和( 2 ) 结果取液压缸升力f r = 1 0 4 0 4 n 。在活塞实际运行过程由于各种摩 擦阻力、阻尼和惯性力的存在，所以在液压系统参数选取时f r 的值应略取大一些 1 a 0 4 3 1 。 2 5 液压缸参数的确定 为了减小液压系统卸荷过程中通过换向阀的流量，以保证实现较大的冲击速 度，因此液压缸尺寸尽量取小些。根据设计要求采用双出杆单作用液压缸，其进 回油共用一个油口。本试验机液压缸回油流量特别大，所以其油口也应开的很大 以避免产生较大的液阻以影响回油的流量。市场上标准的液压缸其油口尺寸都较 小，所以在本试验机研制中单独设计了液压缸的尺寸。为了最大限度地减小回油 口节流采用回油路处流通面积相等的方法，除了采用大口径的管道以外，还让回 油口的面积等于液压缸的有效作用面积。液压缸进出油口直径 d p = 倍训4 删。 液压缸的具体参数如表2 1 i 额定压力p m p a环形面积a r a m 2最大升力f r n杆径d m m内径d m m 8 21 4 7 21 2 0 7 05 57 0 2 6 液压泵性能参数的确定及其选型 ( 1 ) 液压泵的最大工作压力的确定 在液压缸参数选择中，本试验机液压系统选择了中压系统，油液在流经管路 及各元件中必然存在沿程压力损失和局部压力损失，因此液压泵的最大工作压力 n 应该略取大一些，以弥补各种压力损失。 n p + 卸 ( 2 1 4 ) 第二章多碰试验机工作原理及其液压控制系统研制多碰试验机电液集成控制系统的研究 式中p 一液压缸的最高压力； z a p 一液压缸的进油路上压力损失，对于简单系统y a p = 0 2 - 0 5 m p a ，复 杂系统卸= 0 5 - 1 5 m p a 5 2 1 。 本试验机液压系统主要为了提升冲头到上位并且压缩弹簧储存势能，在进油 回路中液压元件较少，因此取印= 0 4 m p a 。表2 3 中给出液压缸额定压力( 液 压缸的最高压) p = 8 2 m p a ，所以p p = 8 6 m p a 。 ( 2 ) 液压泵排量的计算及类型的选择 当厶= 1 0 h z ，办= 1 0 1 1 1 i n 时，t - - 1 0 0 m s ，此时系统冲击频率最高，活塞提升的 时问最短，液压缸的进油流量为最大。根据活塞的运动规律以及表2 - 2 ，取f i = 6 0 m s ，b = 4 3 m s ，t m - - 2 6 7 m s ，取有效上升时间为t i - - 4 0 m s 液压缸进油量为：v = a h - - 1 4 7 2 m m 2 x l o m m o 0 1 5 l ； 进油过程中液压缸中的流量和流速： 最大平均流量：吼v f l = 0 0 1 5 l 4 0 m s 2 2 5 l m i n ； 最大平均流速( 活塞最大的平均提升速度) ： 屹2 等2 2 2 5 ( l m i n ) 1 4 7 2 m m 2 0 2 6 m s ； 在系统中由于泄漏和其它形式流量损失的存在，液压泵的最大流量g p 应大于 执行元件一液压缸的最大流量q 。即 q p 局q q 式中k 一泄漏系数，般取k = 1 1 - - - 1 3 ，大流量时取小值，反之取大值【5 2 1 。 本文属于大流量系统，因此取k = 1 2 ，带入上式p - i 得q p 应大于2 7 l m i n 。由于采 用变量泵，泵的最大进油流量略取大些，取g p = 3 6 l m i n 。 1 4 多碰试验机电液集成控制系统的研究第二章多碰试验机工作原理及其液压控制系统研制 若取泵电机转速n e = 1 4 4 0 转分，则油泵排量形为： 巧q e = 3 6 0 ( l m i n ) 14 4 0 ( r ) = 2 5 0 m l r ，取k = 2 5 m l r 。 刀 另外，考虑泵的流量可以改变以满足对冲击行程进行调节的目的，因此选择 公称排量为2 5 m l r y c y l 4 1 b 轴向柱塞变量泵，其具体参数如表2 3 。 改变上升阶段的时间是进行冲击频率调节的主要方式。当上升时间( 或频率) 确定后改变系统的流量直接影响冲击行程，而通过手动调节变量泵排量是一种实 用、方便的方法，因此在本系统中采用了手动变量泵。 表2 3y c y l 4 1 b 轴向柱塞变量泵主要性能参数 公称排量 2 5m l r 公称压力 3 1 5m p a 理论( 空载) 排量 8 7 6m l r 1 0 0 0r m i n 的理论流量 2 5l m i n 1 5 0 0r m i n 的理论流量 3 7 5l m i n ( 3 ) 液压泵电机的选择 在确定了液压泵的最大工作压力佛最大流量哪之后，驱动液压泵得电机功率 尸可按下式计算： p = ( p p q p ) ( 2 - 2 ) 式中一液压泵的总效率，可由泵的产品样本查出。 取r p = 0 9 5 代入上式可得p 5 5 k w 。 ( 4 ) 溢流阀的选择 根据泵的流量要求3 7 5l m i n 和调压要求，选择的流量4 0 l m i n ，调压范围为溢 流阀1 6 3 1 5 m p a ，公称压力为3 1 5 m p a ，型号为y f b 1 0 h 4 3 的溢流阀。 2 7 碰撞力与冲头行程的关系 每一次碰撞力的大小为f ，冲头的行程为h ，冲头质量为m ，冲头接触试件临界 点的速度为v 。根据能量守恒定律可知弹性势能要k h z 和重力势能，咖最后都转换 第二章多碰试验机工作原理及其液压控制系统研制 多碰试验机电液集成控制系统的研究 成动能去m v 2 。 !kh2+mgh=互12 所1 ，2 2 在碰撞接触到试件到冲头的速度转化为零的过程中，由动量定理可知碰撞力 与碰撞速度关系如下。 f t = ，竹， 因此由以上两式可知，冲击力和冲头的行程h 呈正比关系。冲击时间恒定在 2 0 0 m s 左右，因此只要标定冲头的行程h 所对应的力f 以后只要用标尺测得冲头行 程就可知道每次冲压力的大小。 2 8 本章小结 1 ) 采用特殊的换向装置，对单向液压缸进行上压、卸荷，实现试验机的往复 冲击运动的控制要求。 2 ) 增大液压缸的进出油口和换向装置的口径，加大流量，加快液压控制系统 的响应速度。 3 ) 采用快速响应电磁阀作为插装阀的先导阀，通过电气控制系统对电磁阀进 行控制，实现快速换向，满足碰撞试验机的高频工作要求。 4 ) 液压缸输出的液压力压缩弹簧进行弹性蓄能，对重块的提升进行重力蓄能， 保证多冲碰撞试验机能输出较大的输出力。更