（机械工程专业论文）电液伺服三通道试验机优化设计与性能分析.pdf

摘要 摘要 材料试验机有静态和动态之分，静态试验机顾名思义就是检测材料静态力学 性能的试验机，如检测金属材料的屈服强度、抗拉强度等。动态疲劳试验机是检 测材料的动态力学性能的试验机，如材料的疲劳寿命，裂纹扩展性能，零部件的 动刚度等。由电液伺服技术的发展而研制的电液伺服动静态万能试验机自从问世 以来，很快就成为研究材料疲劳性能和动态特性的有力手段，在国际和国内动态 力学研究领域得到广泛应用，备受专业人士的青睐。由此发展而来的拉扭复合加 载动态试验机以及拉弯扭多通道复合加载试验机，满足了检测受力复杂材料的动 态性能和疲劳性能，以及模拟一些零部件使用工况的需求。电液伺服三通道试验 机就是一款可对材料及零件进行拉压、弯曲和扭转加载的多功能试验机。该机有 三个作动器分别对试验对象产生拉压力、弯曲力和扭矩作用。多通道控制加载是 一项比较复杂的控制试验技术，而多种作用力作用在同一零件上的多向加载难度 更大。 本文所述电液伺服三通道试验机是我司为北航研制的一款全新的材料复合加 载试验机，由于缺乏复合加载试验机的设计经验，国际和国内类似产品很少，因 此在样机试制中发现些许不足。本文结合工程实践中的问题，从产品样机的具体 问题出发，分析设计目标与样机试验中存在的差距，结合先进的分析软件等找出 问题的症结所在，并提出主机机械结构优化方案。在提出优化方案的同时又对试 验机的特性进行了分析。在本文写作中有如下创新和深入研究： 1 ) 针对该机型提出了框架封闭式受力结构和框架开式受力结构。 2 ) 通过对弯曲加载特点的分析，提出了现有夹具的不足并提出优化方案。 3 ) 通过对整机的模拟分析，指出刚度对系统结果的影响。从机械和液压两方 面提出优化措施。 4 ) 按照优化参数运用计算机仿真手段进行仿真分析，得到了良好效果。 总之，本文通过运用有限元方法对主机关键件进行建模、分析、对比可以显 i 山东大学硕士学位论文 示出框架封闭式受力结构的优点。同时还对产品的夹具提出了优化方案，消除了 存在的安全隐患，提高了整机的寿命。产品优化后的性能通过仿真软件进行了模 拟，以主要加载通道为例进行了幅频特性分析，其效果达到了设计要求。找出了 前期设计制造中的问题，为后期的改进工作提供了理论依据及切实可行的改进方 案。摸索积累了多通道多向加载试验机的分析、设计、模拟经验。 关键词试验机；电液伺服；疲劳试验；优化设计 a b s t r a c t a b s t r a c t m a t e r i a lt e s t i n gm a c h i n e st i t l ed i v i d e di n t ot w ot y p e s ：s t a t i ct e s t i n gm a c h i n ea n d d y n a m i ct e s t i n gm a c h i n e s t a t i ct e s t i n gm a c h i n ei sa p p l i e dt ot e s tt h ep e r f o r m a n c eo f m a t e r i a ls t a t i cm e c h a n i c s ，s u c h 蕊t h ey i e l ds t r e n g t ha n dt e n s i l es t r e n g t ho ft h em e t a l t h ed y n a m i cf a t i g u et e s t i n gm a c h i n ei s s p e c i a l i z e di nt h ec a p a b i l i t yo fd y n a m i c m e c h a n i c s ，s u c ha st h ef a t i g u es t r e n g t ho fm a t e r i a l ，c r a c k l ee x p a n s i o nc a p a b i l i t ya n dt h e d y n a m i cs t i f f n e s so ft h ep a r t s n os o o n e rd i dt h es e r v o - h y d r a u l i cu n i v e r s a lt e s t i n g m a c h i n e s ，w h i c ha r ed e v e l o p e df r o mt h es e l w o - h y d r a u l i ct e c h n i q u e ，b e c o m et h e p o w e r f u lm e a n st or e s e a r c ht h em a t e r i a lf a t i g u ep e r f o r m a n c ea n dd y n a m i cc a p a b i l i t ya s t 1 1 e yc o m eo u tt ot h em a r k e t t h e ya l ea p p l i e dw i d e l yi nb o t hi n t e r n a t i o n a la n dd o m e s t i c d r a m a t i cr e s e a r c hf i e l d t h et e n s i l e t o r s i o nc o m p l e xl o a d i n gd y n a m i ct e s t i n gm a c h i n e a n dt e n s i l e b e n d i n g - t o r s i o nm u l t i c h a n n e l c o m p l e x l o a d e dt e s t i n gm a c h i n em e e tt h e r e q u i r e m e n t o f t e s t i n gt h ed y n a m i cp e r f o r m a n c ea n df a t i g u ep e r f o r m a n c eo f c o m p l i c a t e dm a t e r i a l s ，a n ds i m u l a t i n gt h ew o r k i n gs t a t eo ft h ep a r t s s e r v o - h y d r a u l i c t r i p l e c h a n n e lt e s t i n gm a c h i n ei so n et y p eo fm u l t i f u n c t i o n a lm a c h i n ew h i c hc a nb eu s e 0 1 1t e n s i l ec o m p r e s s i o n ，b e n d i n ga n dt o r s i o nl o a d i n g t h i sm a c h i n eh a st h r e ea c t u a t o r s w h i c ha r eu s e ds e p a r a t e l yt ol o a dt e n s i l e ，c o m p r e s s i o n , b e n d i n ga n dt o r s i o no nt e s t i n g o b j e c t s m u l t i - c h a n n e lc o n t r o ll o a d i n gi s ac o m p l i c a t e dt e c h n i q u e ，a n di ti sm o r e c o m p l i c a t e dt ol o a dm u l t i p l ef o r c e so n o n ep a r t t h es e r v o - h y d r a u l i ct r i p l ec h a n n e lt e s t i n gm a c h i n ei sat y p eo ff u l l yn e w c o m p l e x l ym a t e r i a l - l o a d i n gt e s t i n gm a c h i n ew h i c hi sd e v e l o p e ds p e c i a l l yf o rb e ih a n g u n i v e r s i t y t h e r ei ss o m ed e f e c t i o nd u et ol a c ko fs u c hd e s i g ne x p e r i e n c ea n ds i m i l a r p r o d u c e sb o t hi n t e r n a t i o n a l l ya n dd o m e s t i c a l l y t h ec o n t e n ti sc o m b i n e d 、析t ht h e p r o b l e mo c c u r r e di np r a c t i c e i ts t a r t sf r o mt h ep r o v i d e dp r o b l e m st oa n a l y s i st h e d i s p a r i t i e sb e t w e e nt h ed e s i g nt a r g e ta n dt h es p e c i m e nm a c h i n e ，t h e np u tf o r w a r dt h e n l 山东大学硕士学位论文 l o a df l a m em e c h a n i cs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o np r o g r a mc o m b i n i n gw i t ht h ea d v 锄c e d a n a l y s i ss o f t w a r e t h e r ei ss o m ec r e a t i o na n dd e e p e rr e s e a r c hi nt h i sc o n t e n t 1 ) f o r c ec l o s e d l o o pf r a m es t r u c t u r ea n df o r c eo p e n - l o o pf r a n es t r u c t u r ea r e p u t f o r w a r da c c o r d i n gt ot h i st y p eo f m a c h i n e 2 ) o p t i m i z a t i o np r o g r a mi sp r o v i d e db a s e do nt h ec h a r a c t e ro fb e n dl o a d i n ga n d t h ed e f e c t i o n so ft h ef i x t u r ei ne x i s t e n c e 3 ) p o i n to u tt h ee f f e c to ft h es y s t e mc a u s eb yt h e s t i f f n e s s p u tf o r w a r dt h e o p t i m i z e dm e a s u r ef r o mb o t hl o a df r a m ea n dh y d r a u l i cs t a t i o n 4 ) p e r f o r ms i m u l a t i o na n a l y s i st og e tt h eg o o dr e s u l t i nc o n c l u s i o n , t h ea d v a n t a g eo ff o r c ec l o s e d l o o ps t r u c t u r ei sd i s p l a y e db y m o d e l i n g ，a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gt h ef l a m et h r o u g hf i n i t e e l e m e n tm e t h o d t h e l i f e - s p a ni sa l s oi m p r o v e db yo p t i m i z i n gt h ef i x t u r et oe l i m i n a t et h ep o t e n t i a ls a f e t y p r o b l e m s t h ep e r f o r m a n c ea f t e ro p t i m i z i n gi ss i m u l a t e dt h r o u g hm v a n c e da n a l y z i n g s o f t w a r e t h es i m u l a t i o ne f f e c tm e e t st h ed e s i g nr e q u i r e m e n tt h r o u g ht h em a i nl o a d i n g c h a n n e l s o l u t i o n sf o rt h ef o r m e rs t e p sp r o v i d eat h e o r yb a s ea n dp r a c t i c a ls c h e m e sf o r t h ef o l l o w i n g o n e s a n a l y s i s ，d e s i g n ，c a l c u l a t i o na n ds i m u l a t i o ne x p e r i e n c e sa r e a c c u m u l a t e da b o u tm u l t i - c h a n n e l & m u l t i - d i r e c t i o nl o a d i n g k e y w o r d st e s t i n gm a c h i n e ；e l e c t r o - h y d r a l i cs e r v o ；f a t i g u et e s t i n g ；o p t i m i z a t i o n d e s i g n i v c o n t e n t s c o n t e n t s a b s i r a c + i i c h a p t e rli n t r o d u c t i o n 1 1 1b a c kg r o u n da n dm e a n i n g 1 1 1 1s u m m a r i z a t i o no ft e s t i n gm a c h i n e s 1 1 1 2m e a n i n g o f t e s t i n gm a c h i n e s r e s e a r c h 2 1 1 3b a c kg r o u n da n d m e a n i n go f t h i ss t u d y 2 1 2d e v e l o p m e n tp r e s e n ts t a t u sa n dt r e n do fd y n a m i ct e s t i n gm a c h i n e 3 1 2 1d e v e l o p m e n tp r e s e n ts t a t u so fd y n a m i ct e s t i n gm a c h i n e 3 1 2 2d e v e l o p m e n tt r e n do fd y n a m i ct e s t i n gm a c h i n e 4 1 2 31 1 1 ea p p l i c a t i o n so fh y d r a u l i cs i m u l a t i o ni nt e s t i n gm a c h i n e s 5 1 3s t u d yc o n t e n t so f t h es u b j e c t 6 c h a p t e r2p r e s e n t i n go f t h eo p t i m i z a t i o np r o g r a m 9 2 1s u m m a r i z a t i o n o f p r o d u c t 9 2 2s h o r t a g eo ft h ep r o d u c t 10 2 2 1d y n a m i cs t i f f n e s so ft h ef r a m e 10 2 2 2s h o r t a g eo f t h ec l a m p 11 2 2 3f r e q u e n c y & s t r o k ec h a r a c t e ro f a c t u a t o r s 1 3 2 3o p t i m i z a t i o np r o g r a mw a y sa n dm e a n s 1 4 2 3 1t h ew a y sa n dm e a n so ff r a m e 。14 2 3 2t h ew a y sa n dm e a n so f c l a m p s 1 5 2 3 3t h ew a y sa n dm e a n so f e l e c t r o - h y d r a u l i cs e r v os y s t e m 1 6 2 4s u m m a r y 17 c h a p t e r 3d e s i g na n dc a l c u l a t eo f t h eo p t i m i z a t i o np r o g r a m 1 9 ：；1d e s i g no f t h ef l a m e 1 9 3 1 1c a l c u l a t ed y n a m i cs t i f f n e s so f t h ef r a m e 2 0 3 1 2c o n t r a s to f t w ok i n d sf r a m e 2 2 i i i 山东大学硕士学位论文 3 2d e s i g no f t h ec l a m p ”2 5 3 2 1d e m a n do f h y d r a u l i cc l a m p a tl i n e a ra c t u a t o r 2 5 3 2 2d e m a n do f h y d r a u l i cc l a m pa tr o t a t o r ya c t u a t o r 2 9 3 2 3a n a l y s i so f m e c h a n i c a lc l a m p ”3 1 3 3d e s i g no f t h eh y d r a u l i cs y s t e m 3 2 3 4s u m m a r y 3 6 c h a p t e r4p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n ds i m u l a t i o ns t u d y 3 9 4 1f u n c t i o no f t h ec o n t r o l l e r 。3 9 4 1 1m a n u a lt e s t i n gm o d e s 3 9 4 1 2 c y c l et e s t i n gm o d e s “4 0 4 1 3 f a t i g u e ( s e q u e n c e ) t e s t i n gm o d e s 4 2 4 1 4s t a t i ct e s t i n gm o d e s 4 3 4 1 5 m u l t i c h a n n e lc y c l et e s t i n gm o d e s 4 4 4 2s i m u l a t i o ns t u d y 4 5 4 2 1r e s u l t so f s i m u l a t i o n 4 5 4 2 2 a n a l y s i sa b o u ti t sc h a r a c t e r s 4 6 4 3s u m m a r y 5 4 c h a p t e r5c o n c l u s i o n sa n dp r o s p e c t s 5 5 5 1c o n c l u s i o n s 5 5 5 2p r o s p e c t s 5 6 r e f e r e n c e s 5 7 t h a n k s 6 1 i 、， 第1 章绪论 曼i= ii i i i 皇曼皇曼量曼舅舅蔓曼曼曼曼蔓曼舅曼曼曼曼曼量 1 1 研究背景及研究意义 1 1 1 试验机概述 第1 章绪论 通常说的试验机是指材料试验机，这种试验机是一种用来检测材料力学性能、 零部件力学性能或者整体构件力学性能的机器。材料和构件的力学性能在单向受 力状态一静态和反复受力状态动态下有不同的表现。例如普通钢材的静态参数有： 屈服强度，抗拉强度等；其动态参数有：疲劳极限等。材料的静态特性和动态特 性分别要用静态试验机和动态试验机来检测。静态试验机种类很多，作为检测材 料常规力学性能的试验机主要有微机控制电子万能试验机和微机控制液压万能试 验等。动态试验机主要有电子式动静态万能试验机和电液伺服动静万能试验机。 最早的静态试验机是机械式的，早在1 8 8 0 年英国己生产了杠杆重锤式材料试 验机，在1 9 0 8 年又生产了螺母、螺杆加载的万能试验机( 电子万能试验机的雏形 ) 这些试验机可进行材料的拉伸、压缩、弯曲和扭转等试验。约在9 0 年前，瑞士 a m s l e r 公司开发了液压万能试验机，这种试验机较机械式操作简便、输出力大、 结构简单、体积紧凑，能完成材料的各种静态力学性能试验【1 】。这应该算是试验机 的真正雏形。我国的试验机产业开始于上世纪5 0 年代，长春材料试验机研究所是 我国试验机的发祥地。半个多世纪以来世界范围内的静态试验机已经发展的比较 完善，实现了由手动控制到自动控制的转变，能够满足材料的恒速率、恒应变、 恒应力的闭环控制。 然而，单单了解材料的静态力学性能是不够的，现实生活中大多数材料的破 坏或机器的失效是因为材料的疲劳破坏引起的。材料的动态力学性能不仅对航空 航天、军工原子能等尖端产业有着重要的影响，而且对于一般的工业产品有着深 刻的影响。根据国外统计，失效的机器零件中5 0 - 9 0 为疲劳破坏。发动机曲轴， 传动轴，汽车减震器，车辆弹簧，受复杂应力的螺栓等，其主要失效形式为疲劳 破坏【1 j 。特别是近几十年，随着交通工具的高速发展，人类探索宇宙的进步等，在 高速、高低温、高强度方面，对材料提出了非常苛刻的要求。如果不进行材料动 态性能检测，很难想象在实际会发生什么灾难，因此许多发达国家非常重视对疲 1 山东大学硕士学位论文 劳现象的研究。 对疲劳现象首先系统研究的实验者是德国人a w h l e r ( 沃勒) ，他设计了第一台 用于机车车轴的疲劳试验机( 亦称a w h l e r 疲劳试验机) ，用来进行全尺寸机车车 轴的疲劳试验【1 1 。以后他又研制出多种型式的疲劳试验机，并首次用金属试样进行 疲劳试验。 上世纪5 0 年代随着电液伺服技术的发展，国外逐渐研制出电液伺服动态疲劳 试验机，我国从上世纪7 0 年代才开始研制电液伺服试验机。 1 1 2 试验机的研究意义 试验机在某种意义上说代表了一个国家的高、精、尖工业发展水平。现代的 试验机是集合机械、液压、电气、软件等工业主流行业的尖端产品于一身的精密 机器。作为一种检测工具，其自身必须具有更高的精度、更高的稳定性以及更先 进的前瞻性。只有试验的精度提高了，我们测定的数据才更接近材料的真实特性。 例如，2 0 0 5 年下线首飞的空客a 3 8 0 大飞机，其使用的碳纤维等先进复合材料的 比例达到2 2 ，相对使用铝合金与钛合金机体减重约2 5 。其中就需要对碳纤维 等复合材料做常规力学性能试验、疲劳试验和高低温特性试验等，并与铝合金钛 合金进行对比，由此得出的数据可以反映材料性能的优劣。为工程决策提供必要 的数据支持。另外，工业生产中的很多材料检测都需要试验机，如钢材、铝材等 金属型材的检验；橡胶材料的耐磨损试验；手机按键的耐磨试验等等。 用航空航天材料制造的许多零件往往需要在超高温、超低温、高真空、高应 力、强腐蚀等极端条件下工作，有的则受到重量和容纳空间的限制，需要以最小 的体积和质量发挥在通常情况下等效的功能，有的需要在大气层中或外层空间长 期运行，不可能停机检查或更换零件，因而要有极高的可靠性和质量保证。不同 的工作环境要求航空航天材料具有不同的特性。要试验这样条件下的材料必须先 制造出能在这种环境中工作的试验机。因此，可以说试验机的应用水平代表工业 发展的水平。 1 1 3 本课题的研究背景和意义 早期的动态试验机主要是完成材料的疲劳试验( 如高、低周疲劳试验) 等常 规的力学疲劳试验。随着大规模集成电路的出现和电子计算机的应用，电液伺服 2 第l 苹绪论 疲劳试验机也在不断更新，逐渐研制出能模拟零部件工况的疲劳试验机，也叫多 通道试验机。航空航天器、军工武器上的个别材料或者零部件，它们的受力更复 杂，有时候受到空间三个方向的反复作用力，因此这类零部件的试验就变得非常 重要。作为发展中国家要想进口先进的试验机是受到限制的，特别是用于军工、 原子能、航空航天领域的专用试验机。 本文所述试验机也属于多通道( 三个通道) 复合加载试验机。它是三个作动 器的精心集合，能够完成拉压、弯曲、扭转的复合加载以及两两组合加载试验的 专用试验机。该类型试验机在国内外是不多见的，由于该类型试验机主要应用于 个别航天航空器，因此受到国外的出口限制，只能由国内自主开发。我公司于2 0 0 6 年与北京航空航天大学签订协议，为其设计开发一套能同时实现拉压、弯曲、扭 转的多通道协调加载试验机。该机可实现某关键零件的多向加载疲劳试验，寿命 评估等试验。通过配置相应的夹具，也可以对普通材料进行常规疲劳试验。 该机的研制是一次打破国外高端试验机垄断的尝试，同时也是国产高端专用 试验机研制商业化的探索。作为民营企业承担这样的试验机研制，我们自豪的同 时倍感压力巨大。首先是缺乏该类型机器研发经验；其次是国内没有可借鉴的机 器，即便是文字资料也是屈指可数的。样机完成装配并进行型式试验时，发现些 许不足之处。为此，本文以项目中实际存在的问题为出发点，运用机械设计理论、 液压传动知识、伺服控制知识，去分析并提出优化改进方案，从而为设备更可靠、 更精确的完成试验任务提出可行性改进方案。 j 1 2 动态试验机的研究现状和发展趋势 1 2 i 动态试验机的研究现状 我国电液伺服试验机的研制起步于上世纪7 0 年代，以长春试验机研究所、红 山试验机厂和济南试验机厂为代表的企业，先后开发出了电液伺服万能试验机。 但这时的电液伺服试验机主要是用在材料常规力学测试中，此时的油缸速度慢， 采样频率低，控制精度低，没有达到进行疲劳试验的能力。经过近三十年的发展， 国内老牌试验机企业和新兴民营企业在电液伺服试验机研制方面取得了较大进 步，特别是9 0 年代以美国m t s 公司为代表的国外试验机企业在我国的动态试验 市场份额逐步扩大，引起国内有技术实力的企业的重视，他们开始花大力气研发 电液伺服动态疲劳试验机。 3 山东大学硕士学位论文 目前，在电液伺服动态疲劳试验机中，电液伺服动静万能试验机和电液伺服 多通道试验机是国内厂家主力机型，这两种机型也基本能满足一般的疲劳试验， 试验频率一般在7 5 h z 以内。多通道试验机多见于土木加载试验中，即多个作动器 对土木结构多点加载。在该领域除地震台外国内产品基本可以满足使用要求。其 他类型电液伺服动态疲劳试验机，其性能还有待于进一步发展、提高。作为整个 试验机的核心之一的控制器，其先进程度一直在制约试验机的发展。控制器的运 算速度、稳定性、通用性、可扩展性等与国外生产的控制器还存在很大差距。美 国m t s 公司在二十世纪9 0 年代中期就推出了t e s t s t a r i i 全数字控制器，并且陆续 将f l e x t e s t s e 和多通道f l e x t e s t g t 等数字控制器推向市场。这些控制系统功能 齐全、资源配置灵活、组合方便、适应面广，性能指标都非常高。其控制频率可 以达到几百赫兹。国内早期的动态试验机基本是采用进口的控制器，自行研发的 控制器是采用a d ，d a 转换形式进行控制，控制精度差，试验速率低。近几年国 内也出现了全数字控制器，但是在有效控制频率、稳定性和精度方面还是没法同 国外产品比，比较典型的问题是我们只能在几十赫兹内能做出较完整可靠的试验 数据。 1 2 2 动态试验机的发展趋势 近年来随着科学技术特别是材料科学的发展，人们更加重视材料试验，零部 件试验，产品性能试验等。从国内各主要试验机厂家的销量数据就可以看出国内 试验机需求在迅速增长。电液伺服动态疲劳试验机的需求也呈上升趋势。如美国 m t s 在2 0 0 5 年以前其中国市场的销售额基本在两千万美元，而到2 0 0 9 年其销售 额达到了四千万美元。 目前我国的电液伺服动态疲劳试验机还处在发展的初级阶段，虽然在常规电 液伺服材料试验机技术方面，我们有了一定的发展。但是这个发展只是低端的， 作为电液伺服动态试验机中的典型机器动静万能试验机的研发我们还有很大的差 距，比如目前国外已经开发出5 0 0 0 k n 以上的电液伺服动静万能试验机，而国内尚 未开发出1 0 0 0 k n 以上机型。国外已经生产出响应频率几百赫兹的动静万能，m t s 公司甚至已经生产出1 0 0 0 h z 的电液伺服高频试验机，国内还鲜有做到1 0 0 h z 的。 因此，在典型材料试验机方面，我们应往更大载荷方向发展，应往更高速度方向 发展。 另外，利用电液伺服技术开发的特殊专用设备也开始随着增多。地震台、多 4 第1 苹绪论 曼曼量曼曼曼皇曼暑曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼量皇皇曼曼曼皇i i 曼曼曼皇曼鼍曼皇曼曼曼曼曼鼍曼曼曼量曼量皇曼曼曼鼍皇曼曼量鼍曼 自由度试验台等等，这些技术基本是掌握在国外试验机企业，国内基本没有厂家 能生产出实用的该类设备。电液伺服技术是集机械、液压和自动控制于一体的综 合性技术，以电液伺服技术为基础的电液伺服动态疲劳试验机的发展，需要整个 理论研究的发展，需要工业技术基础的发展。 总之，国外顶尖动态试验机企业的产品、技术水平是我们努力的方向。全数 字化测控系统已经成为今后测量控制系统发展的方向。在液压系统方面，国外目 前密封大都采用球面和锥面配合密封方式，结构简单，密封性能可靠。今后改善 国内液压件结构还需要在工艺性上下功夫，需要一个系统的完善过程。伺服作动 器密封形式要由目前的橡胶密封式向静压支撑动压支撑以及特殊涂层密封方向努 力，由低速直线作动器向高速作动器发展。伺服阀是动态试验机上的关键元器件 之一，国外很多优秀试验机企业都与专业伺服阀生产商有密切联系，联合开发了 一批试验机专用伺服阀。在国内试验机企业鲜有与伺服阀厂商联合开发的，基本 是采购国内外现成伺服阀。借鉴先进的经验，弥补我们的不足，就是国内试验机 的发展方向。 1 2 3 液压仿真技术在试验机上的应用 仿真技术作为液压系统或元件设计阶段的必要手段，已被业界广泛认识。液 压仿真技术，从诞生到今天，已经有3 0 多年的历史。国外早在1 9 7 3 年，第一个 直接面向液压技术领域的专用液压仿真软件h y d s i m 程序研制成功1 2 。随着流体力 学，现代控制理论，算法理论，可靠性理论等相关学科的发展，特别是计算机技 术的突飞猛进，液压仿真技术也日益成熟，越来越成为液压系统设计人员的有力 工具。以前人们在研究和设计时，常常凭借设计者的知识和经验用真实的元部件 构成一个动态系统，然后在这个系统上进行实验，研究结构参数对系统动态特性 的影响。用这种方法进行参数调节比较困难，要花费大量的人力、物力和时间，而 且一次性成功的把握很小。这就要求人们利用其它方法对元件进行设计与试验。 计算机仿真技术不仅可以在设计中预测系统性能，减少设计时间，还可以通过仿 真对于所设计的系统进行整体分析和评估，从而达到优化系统、缩短设计周期和 提高系统稳定性的目的。 作为以液压为动力并由伺服阀控制组成的闭环液压伺服阀系统，无疑需要这 种更先进的手段进行精确仿真，从而为优化设计提供依据。液压仿真技术在国内 液压行业应用约有十几年历史，但是在电液伺服试验机上却很少有应用。从数学 5 山东大学硕士学位论文 角度来看，电液伺服动态试验系统的控制通道模型是高阶系统，在缺少强大计算 能力的时期，该类数学模型的求解基本上都对个别小值参数进行了简化，有的甚 至忽略。从而转化成便于计算的低阶系统。但是低阶系统的拟合精度低，掩盖了 或者忽略了小值参数的影响，以及各个参数之间的相互作用【8 】。因此，引进先进的 计算工具进行全面的数学模型分析，对于电液伺服系统的计算来说更全面更详细。 可以全面的了解各个参数对系统的影响。因此，在电液伺服动态试验机分析设计 中引入推广液压仿真是非常有必要的。 1 3 本课题的研究内容 首先，机械优化设计的基本思想是根据机械设计的理论和方法等建立反映工 程设计问题和符合数学规划要求的数学模型，然后采用数学方法和计算机技术自动 找出设计问题的最优方案。它建立在数学规划理论和计算机程序设计基础上，通 过计算机的数值计算，胄皂从众多的设计方案中寻到尽可能完善的或最适宜的设计方 案，使期望的经济指标达到最优，它可以成功地解决其它方法难以解决的复杂问 题。其主要特点之一就是能使各种设计参数自动向更优的方向进行调整，直至找 到一个尽可能完善的或最合适的设计方案。 本文针对样机的不足进行分析，根据“刚度最优化”、“误差减小化”的目标 找出合理的优化改进方案。并运用有限元软件进行分析，确定结构参数，提高试 验机性能。在进行优化后又进行液压仿真尝，最终确定试验机的优化改进方案。 工程实践中的主要具体问题有： 1 ) 关键构件在动态试验频率较高阶段存在刚性较差现象。如主机平板，在拉 压试验中当负载设置为5 0 k n ，频率l o h z 及以上时，整个平板产生弯曲变形，甚至 产生共振现象。 2 ) 试验夹具存在设计缺陷。试样受力复杂，为了尽可能的模拟零件在实际工作 中的受力，夹具设计必须合理。在试验中发现，弯曲方向的夹具设计存在问题， 它会对另外两通道产生较大的影响。液压夹具也存在抗疲劳性能弱的缺陷。 3 ) 各通道的动态幅频特性在较高频率阶段跟随性较差。 由此出发，本文重点研究以下内容： 1 ) 针对问题一，提出了主机框架封闭式受力结构和框架开式受力结构。 2 ) 通过对弯曲加载特点的分析，提出了现有夹具的不足并提出优化方案。 3 ) 通过对整机的模拟分析，指出刚度对系统结果的影响。从机械和液压两方 6 第1 章绪论 面提出优化措施。 4 ) 按照优化参数运用计算机仿真手段进行仿真分析，得n t 良好效果。 8 山东大学硕士学位论文 第2 章优化方案的提出 第2 章优化方案的提出 本文研究的的产品是公司与北航签订的疲劳试验机项目。该机主要是为某型 飞机的零部件进行疲劳试验而用，根据飞机上零件的位置及工作受力情况，设计 能模仿零件实际受力状态的试验系统。其三维造型见图2 - 1 。 根据该类零部件的试验要求，及尽可能的扩展试验机的应用范围，双方协商 并达成一致的技术协议。该机主要包括三个加载作动器，分别是拉压方向1 0 0 k n 直线作动器，扭转加载3 0 0 0 n r n 摆动作动器，弯曲方向2 0 k n 直线作动器；一套 伺服液压泵站；一套液压夹具；一套弯曲方向用机械夹具；工作平板等。该机经 过两年的设计制造后，终于进入型式试验阶段。由于在该类设备的设计制造中缺 乏经验，因此试验中发现个别指标没有达到预期设计目标，也发现了几处存在的 设计不足。有必要进行结构优化，并对优化后结构进行性能分析，最终使产品达 到性能要求。 图2 - 1 电液伺服三通道试验机三维模型 山东大学硕士学位论文 2 2 课题产品存在的不足 2 2 1 主机框架的动态刚度 可以通过平面图来看三个加载作动器在平板上的布置情况，下图2 2 为俯视各 作动器在平板上的布置情况，图2 3 是拉压扭转通道的主视图。 图2 2 主机上作动器的布置( 俯视) 图2 - 3 拉压扭转通道的主视图 在平板的设计中，前期主要是计算平板的抗拉压强度，包括扭转力矩折合到 平板上的抗弯曲能力。由于平板尺寸较大，加上考虑到需要吸震性能，所以平板 采用强度和耐磨性较好的h t 2 0 0 半空心式铸造结构。铸铁件的抗压强度远大于抗 拉强度，因此将灰铸铁的抗拉疲劳极限作为计算依据，由文献 1 8 ，3 - 7 4 知h t 2 0 0 的抗拉强度极限约为1 6 0 m p a 。选取疲劳安全系数为n = 5 ，计算并圆整后得到平板 1 0 第2 苹优化方案的提出 i , 皇曼曼曼曼笪曼曼皇皇曼曼曼曼曼皇曼曼曼皇皇皇量曼曼曼曼曼曼皇曼曼皇皇曼曼舅量曼罾鼍蔓曼曼! 曼曼 尺寸为：长宽高= 4 5 1 0 m m 1 0 1 0 m m 2 0 0 m m 。 设计工作状态是将平板水平放置于稳固地基上，实际试验时发现平板在中等 试验距离，加载5 0 k n ，试验频率为1 0 h z 时开始出现振颤，平板中部约有2 到3 m m 的变形，由此造成试验频率不能继续增加。为此专门设计设备地基，对平板进行 固定。虽然通过固定平板解决了共振问题，但是这样“治标不治本”，由于力的 传递作用，会导致支座与平板间的连接螺钉和固定底板的地脚螺栓，承受“难以 预测”的拉力及一部分弯矩。久而久之可能会出现连接变松，平板或地基破坏的 问题。 另外，对于拉压作动器的固定座和扭转作动器的固定座来说，还受到类似悬 臂梁( 见图2 3 所示挠度变化方向) 的反复疲劳问题。这样会产生一个矛盾：为了 增加固定座的刚度，势必要增加支座的厚度，这样固定座的螺钉相比较来看要承 受更大的变形。由此造成了零件体积增大，成本上升。 2 2 2 试验夹具存在的隐患 试验夹具在试验中是很关键的部件，一般情况下夹具直接与试件相连接固定。 因此夹具必须有可靠的刚强度，必须保证夹持牢固，同时要求夹具必须有较大的 抗疲劳能力。 本设备中有两种两套夹具，一套液压夹具( 液压夹头) 和一套机械夹具。关 于液压夹头，其本身是没有问题的，该类型夹头在其他试验机上经常使用，比较 成熟。对于本机上所配液压夹头其突出特点就是尺寸较大，这是为了满足最大试 样尺寸而设计的，因此会存在作动器与夹头连接环节的尺寸较大的问题。由图2 - 3 可以看出液压夹头分别安装在1 0 0 k n 直线作动器和3 0 0 0 n 。m 摆动作动器上，夹头 分别跟随直线作动器活塞做往复直线运动和摆动作动器转子做往复摆动运动。 直线作动器端的液压夹头运动和受力简析 液压夹头与直线作动器一起做往复直线运动，受到拉压力的作用，通过液压 力和楔形结构将作动器活塞与被试件牢