电液伺服阀试验

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信号
输入 u1
u 伺服 i 电液 Q 伺服 Xp 试 ε 传 U0
发生
选择
控制
伺服
作动




阀 ( Q) 器


u2 位移传感器
u3 变形传感器
u4百度文库负荷传感器
图 3 电液伺服动静万能试验机控制方框图
3.2 电液伺服动态试验机的主要组成单元:伺服控制器、伺服作动器(直线、摆动)、恒压伺服泵站、 加载框架、试验夹具等组成。 3.3 电液伺服动态试验机的分类
比较昂贵。此外,维护也比较麻烦。
3 电液伺服动态试验机
3.1 电液伺服动态试验机的工作原理 电液伺服动态试验机的结构原理图如图 2 所示,试验机的泵站向主机提供液压动力,程序装置、
信号发生装置、函数发生器等发出控制信号驱动伺服驱动器,伺服驱动器驱动伺服阀,伺服阀驱动直 线作动器。各种传感器测量信号经过信号测量放大器输出各种信号,根据需要选择其中之一进行反馈, 同时与驱动(命令)信号进行比较,形成闭环控制回路。随着计算机技术的发展,计算机已经将程序 装置、信号发生装置、函数发生器和信号操作装置取代,同时它还取代了伺服控制器中的某些功能, 起到校正的作用,并进行数据处理。整个电液伺服动态试验机的控制方框图如图 3 所示。
图 2 电液伺服动态试验机的结构原理图 1—程序装置 2—信号发生器 3—显示装置 4—函数发生器 5—信号操作装置 6—测量放大器 7—测量放大器 8—测 量放大器 9—伺服驱动器 10—负荷传感器 11—引伸计 12—试样 13—伺服阀 14—作动器 15—位移传感器 16—蓄 能器 17—压力表 18—精密滤油器 19—单向阀 20—液压泵 21—电机 22—粗滤油器 23—先导溢溜阀 24—直通溢溜 阀 25—直通溢溜阀 26—电磁换向阀 27—热交换器
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关,因此,在应变幅较大的情况下,循环波形对裂纹形成寿命有很大影响,而对裂纹扩展寿命影响很 小。在焊接试样试验时,由三角波变为方波,使疲劳寿命明显降低。
中间停歇对材料疲劳寿命的影响:通过 Bollenrath(博伦拉思)和他人的试验,可以得出如下结 论:
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A.Whler(沃勒)设计了第一台用于机车车轴的疲劳试验机(亦称 A.Whler 疲劳试验机)。这种疲劳试验 机是将试件作回转运动,用偏心轮及砝码加载进行疲劳试验,以后的有些疲劳试验机将砝码改为弹簧 加载,虽然结构略为紧凑,但这种疲劳试验机作用力小、改变频率及幅值都较困难。给疲劳试验的研 究带来很大的困难,同时也阻碍了材料的疲劳性能的研究。电液伺服动态试验机,在此背景下随着电 液伺服技术的发展而发展起来。由于它既能进行动态的高低周疲劳、程序控制疲劳试验,也能进行静 态的恒速率、恒应变、恒应力控制下的试验和各种常规的力学性能试验,还可进行断裂力学试验,根 据需要也可以进行部分的振动和冲击试验,也可以对广义范围上材料或构件的疲劳寿命、裂纹扩展、 断裂韧性性能测试、实际试件的安全性评价、工况模拟等,因此有着其它任何种类的试验机所不能比 拟的优势,是国际疲劳界最推崇的材料试验设备。
阀 ( P) 器
显示、存储
测量传感器
图 1 电液伺服系统的工作原理图
由图 1 可见,电液控制系统输入信号为u1,信号u1是根据试验要求在时间坐标上输出某种波形的电 压量,这种波形有正弦波、三角波、方波、斜波、程序波、随机波等。伺服控制器将信号的电压量放 大并转换成电流△i后输入到伺服阀,使伺服阀输出相应的流量△Q或压力△P,控制伺服作动器的活 塞带动试件按输入的信号运动,负载运动时它的被控量,如位移、力、变形、加速度等,由检测元件 检测转换成电量u2,u2一方面用来显示、记录或进行数据处理,另一方面反馈到伺服控制器的输入端 与输入信号进行比较,进行误差修正,使△u尽量接近零。
(3) 电液伺服振动台:采用开式试验力加载,控制信号为加速度。 (4) 电液伺服动态试验机按激振方法分成以下几种类型:机械试、电磁式、液压式、电 液式。 (5) 电液伺服动态试验机按加载频率分:频率低于 5Hz 的称为低频疲劳试验机,5-50Hz 的称为中频疲劳试验机,50-300Hz 的称为高频疲劳试验机,300-1000Hz 的称为超高频疲劳试验 机。
电液伺服动态试验机按试验对象分成以下几种类型: (1) 电液伺服动静万能试验机:主要用于材料的动静台力学试验。电液伺服专用疲劳试
验机;主要用于进行特殊零部件的疲劳试验,如减振器疲劳试验机、传动轴扭转疲劳试验机等等。 (2) 电液伺服多(单)通道加载(协调)试验系统(结构疲劳试验系统):组成这种试验
系统的作动器和加载框架是分离的,通常加载作动器可能不是一个而是多个,各个作动器之间的 运行可以是独立也可以是协调的。
2 电液伺服动态试验技术
2.1 电液伺服系统工作原理 电液伺服系统的工作原理图如图 1 所示,由图可见控制系统由控制放大器、电液伺服阀、伺服作
动器以及负载、测量传感器等组成。 伺服控制器的主要功能是对系统的电信号进行综合、比较、校正和放大。通常还包括稳压电源、
颤振信号发生器。 电液伺服阀是将伺服控制器输入的电流信号转换为液压能的元件,它的性能对整个系统的影响很
4 结束语
通过回顾试验机尤其电液伺服动态试验机的发展历史,阐述了电液伺服控制系统以及电液伺服动 态试验机的技术原理,为试验机的使用人员了解电液伺服动态试验机提供一种便捷的手段。
在上个世纪 50 年代初,出现了高速响应的永磁式力矩马达,50 年代后期又出现了已喷嘴挡板阀 为先导级的电液伺服阀,使电液伺服系统成为当时响应嘴快,控制精度最高的伺服系统。1958 年美国 勃莱克布恩等公布了他们在麻省理工学院的研究工作,为现代电液伺服系统的理论和实践奠定了基 础。60 年代各种结构的电液伺服阀的相继问世,特别是以穆格为代表的采用干式力矩马达的级间力反 馈的电液伺服阀的出现和各类电反馈技术的应用,进一步提高了电液伺服阀的性能,电液伺服技术日 臻成熟,电液伺服系统已成为武器和航空、航天自动控制以及一部分民用技术设备自动控制的重要组 成部分。
电液伺服动态试验机,在此背景下随着电液伺服技术的发展而发展起来。由于它既能进行动态的 高低周疲劳试验、程序控制疲劳试验,也能进行静态的恒速率、恒应变、恒应力控制下的试验和各种 常规的力学性能试验,还可进行断裂力学试验,根据需要也可以进行部分的振动和冲击试验,也可以 对广义范围上材料或构件的疲劳寿命、裂纹扩展、断裂韧性性能测试、实际试件的安全性评价、工况 模拟等,因此有着其它任何种类的试验机所不能比拟的优势,是国际疲劳界最推崇的材料试验设备。
(1) 电液伺服动态试验技术以及电液伺服动态试验机的发展历史 最早的静态试验机是机械式,如英国早在 1880 年已生产了杠杆重锤式材料试验机,在 1908 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、弯曲和扭转等验,约在 90 年前,瑞士 Amsler 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。 仅仅了解材料的静态力学性能是远远不够的,在现实生活中大部分的破坏是因为疲劳破坏。材料 的动态力学性能不仅对于航空、造船和原子能等尖端工业产品有着十分重要的意义,也是影响一般机 械产品可靠性和使用寿命的一个重要因素。根据国外统计,失效的机器零件中 50%-90%为疲劳破坏。 轴、曲轴、连杆、齿轮、弹簧、螺栓、压力容器、海洋石油平台、气轮机叶片、水轮机转轮和叶片、 焊接结构等许多机器零部件和结构件的主要结构等许多机器零部件和结构件的主要破坏方式都是疲 劳断裂。特别是近 60 年来,随着机器向高温、高速和大型化方向发展,机器零件的工作应力日趋提 高,工作环境日趋恶劣,疲劳破坏的事故更是层出不穷。因此许多发达国家非常重视对疲劳强度的研 究。疲劳问题的产生可追溯到 19 世纪初叶,产业革命以后,随着蒸汽机车和机动运载工具的发展以 及机械设备的广泛应用,运动部件的破坏经常发生,破坏处的名义应力不高,低于强度极限,有时还 低于屈服极限。直到 1829 年,其原因才被德国 Albert(阿尔培特)用矿山卷扬机焊接链条进行的疲 劳试验所阐明。1893 法国工程师 J.V.Poncelet(彭西列特)首先采用了“疲劳”这一术语,用来描 述材料在交变载荷下承载能力逐渐耗尽以至最终断裂的破坏现象。 因此材料的力学性能并不能简单的以静态力学性能代替。要了解材料的力学性能不仅要进行静态 力学性能试验还要进行动态力学性能试验即疲劳试验。 最早的疲劳试验机出现在 1850 年,德国人
电液伺服动态试验技术与电液伺服动态试验机
■ 济南新三思公司 程永全 [摘 要] 回顾了试验机的发展历史,尤其是电液伺服技术的发展以及电液伺服动态试验机的发展历程,分析了电
液伺服控制系统以及电液伺服动态试验机的技术原理。
[关键词] 电液伺服 动态试验机 闭环控制 性能曲线
1 前言
工业生产中各种材料、零部件、构件以至整机或整个建筑物等都需要经过试验才能确定他们的力 学性能。在了解了这些性能以后才能使设计合理、使用可靠。经过试验才能确定产品性能的优劣。因 此,试验机在国民经济中占有相当重要的地位,它的发展水平在某种程度上反映了一个国家的工业水 平,尤其是动态试验机的水平更是代表了一个国家在材料力学研究领域的水平。
大,是电液伺服系统的关键元件。 伺服作动器接受伺服阀输出的液压油,使活塞按要求进行往复运动。试样一般装在活塞杆末端,
由作动器的活塞对试件施加作用力。 检测元件包括传感器和测量放大器,由检测元件检测出被控量的大小。
控制
被控量
信号
u 伺服 i 电液 Q 伺服(x,x,x,F等)
u1 u2
控制 器
伺服
作动
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2.2 电液伺服系统的优缺点 液压元件的功率—重量比和力矩—惯量比(或力—质量比)大,因而可以组成体积小、重量轻、
加速能力强和快速反应的伺服系统来控制大功率和大负载。 液压伺服控制系统抗负载的刚度大,即输出位移受负载的影响小,控制精度高。 此外,液压油还能起到润滑作用,使元件寿命延长。 电液伺服控制系统中,电液伺服系统的功率消耗大,装备较复杂,因此在购置和使用时,费用都
电液伺服动态试验机的出现被国际疲劳研究界认为是疲劳研究的三大贡献之一,由于采用了闭环 控制技术,从而在试验中可以模拟实际使用工况,大大促进了疲劳试验的发展。
(2) 疲劳以及疲劳试验常识 疲劳:试件(材料)在循环应力或循环应变作用下,某点或某些点逐渐产生了永久的结构变化, 导致在一定的循环数以后形成裂纹或发生断裂的过程。 疲劳试验:用一组试样、模型或全尺寸零部件在循环载荷下进行试验,以提供材料或零部件的某 种疲劳性能数据的过程。 动态力学试验:即通常所说的疲劳力学试验。 加载频率对材料疲劳寿命的影响:室温下,对于钢、铜、铝以及其它高熔点的金属,试验频率对 疲劳极限影响不大;美国材料与试验协会(ASTM)根据他们的试验结果得出,至少在 3.3Hz—116Hz 范围内,频率的变化对疲劳强度不产生明显影响,但在高频试验时,由于试样发热足以引起材料发生 蠕变时才起到有害作用;低频(0.1-0.5Hz)疲劳极限降低,正常频率(5-300Hz)疲劳极限没有影响, 高频(300-1000Hz)疲劳极限升高。 加载波形对材料疲劳寿命的影响:循环波形(正弦波、三角波、梯形波、方波等)确定了在最大 应力下的停留时间。在高温或腐蚀介质条件下循环波形有较大影响。滞后回线特性与循环波形密切相
① 中间停歇对疲劳极限没有明显影响。 ② 中间停歇对疲劳极限有一定影响,其影响随材料而异。对于低碳钢影响较大,每隔 10%N(N 为疲劳极限)停歇 6-10 小时,可使疲劳极限提高一倍以上;而对合金钢、铝合金和镁、铜等金 属,则影响极小。停歇越频繁,停歇时间越长,对疲劳寿命的影响越大。停歇时,若对试样进行 中间加热,则提高疲劳寿命的效应加强,这是即使停歇时间很短也有明显影响。
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