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*章 概述

一．液壓試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展趨勢

 近年來隨著科學(xué)技術(shù)特別是材料科學(xué)的發(fā)展，人們更加重視試驗(yàn)結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)化與一致性，對(duì)試驗(yàn)機(jī)的自動(dòng)化程度也提出了新的標(biāo)準(zhǔn)。國家*也對(duì)各種材料的檢測方法不斷地進(jìn)行修正，以適應(yīng)化的檢測標(biāo)準(zhǔn)。這就導(dǎo)致對(duì)電液伺服試驗(yàn)機(jī)的需求也呈上升趨勢。從2000年開始電液伺服試驗(yàn)機(jī)的銷售量逐年增長。另外，利用電液伺服技術(shù)開發(fā)的特殊設(shè)備也開始隨著增多，國內(nèi)外同行都看好了這個(gè)快速增長的市場。另外，國內(nèi)的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也逐漸的向歐美及標(biāo)準(zhǔn)靠攏。從 國內(nèi)電液伺服試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)廠家的發(fā)展情況來看,近年來國內(nèi)試驗(yàn)機(jī)行業(yè)的格局，無論是從產(chǎn)品結(jié)構(gòu)還是生產(chǎn)廠家方面都發(fā)生了一些變化。過去的一些老的產(chǎn)品逐漸被新的產(chǎn)品替代。

從技術(shù)發(fā)展的趨勢看 ，我國的電液伺服水平目前已經(jīng)發(fā)展到一定水平，特別是在常規(guī)電液伺服標(biāo)準(zhǔn)材料試驗(yàn)機(jī)技術(shù)方面，我們有了一定的發(fā)展。但在電液伺服產(chǎn)品及應(yīng)用技術(shù)方面，我們距離國外發(fā)達(dá)國家的技術(shù)水平還有著較大的差距。特別是在高智能化，機(jī)器人自動(dòng)安裝、處理試樣的綜合技術(shù)方面。電液伺服技術(shù)是集機(jī)械、液壓和自動(dòng)控制于一體的綜合性技術(shù)，要發(fā)展的電液伺服技術(shù)必須要從機(jī)械、液 壓、自動(dòng)控制和計(jì)算機(jī)等各技術(shù)領(lǐng)域同步推進(jìn)。

測量控制系統(tǒng)  隨著數(shù)字控制理論的成熟以及高速DSP技術(shù)的發(fā)展。全數(shù)字化測控系統(tǒng)已經(jīng)成為今后測量控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。動(dòng)態(tài)電液伺服全數(shù)字測量控制系統(tǒng)；它不僅要求硬件運(yùn)算速度快、運(yùn)算精度高，同時(shí)還要求在軟件和數(shù)字控制理論方面要有新的突破。這樣才能滿足電液伺服控制系統(tǒng)響應(yīng)快速、控制、穩(wěn)定可靠的要求。 

隨著科技的逐步發(fā)展，電液伺服試驗(yàn)機(jī)不再像以前那樣價(jià)格昂貴，液壓系統(tǒng)也由原來的多模塊組合到集成單元演變，經(jīng)濟(jì)性也成為伺服試驗(yàn)機(jī)的發(fā)展趨勢。

二．電液伺服試驗(yàn)機(jī)的分類

電液伺服試驗(yàn)機(jī)分為動(dòng)態(tài)電液伺服和靜態(tài)電液伺服試驗(yàn)機(jī)兩 種，伺服閥更適合于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)，而電液比例閥在靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)上有*的*性。電液比例閥式試驗(yàn)機(jī)及老產(chǎn)品技術(shù)改造自開始生產(chǎn)至今，小至10kN大至15000kN微機(jī)控制電液伺服試驗(yàn)機(jī)壓力試驗(yàn)機(jī)。電液比例閥控制技術(shù)是目前國內(nèi)外控制技術(shù)*了試驗(yàn)機(jī)行業(yè) 空白，將電液比例閥成功運(yùn)用于靜態(tài)電液伺服試驗(yàn)機(jī)，打破伺服閥在靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)上的壟斷局面，使其具有更高可靠性、穩(wěn)定性及技術(shù)*性，為我國液壓試驗(yàn)機(jī)發(fā)展 開辟更為廣闊的前景。將該項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用于普通液壓式試驗(yàn)機(jī)技術(shù)改造，使老產(chǎn)品更新?lián)Q代成為可能，使之達(dá)到與新的電液伺服試驗(yàn)機(jī)具有相同的技術(shù)水平，使用更為方便可靠。 

第二章 液壓試驗(yàn)機(jī)控制技術(shù)概論

一．當(dāng)前國內(nèi)外同類產(chǎn)品技術(shù)概況 

• 隨著試驗(yàn)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外電液伺服液壓試驗(yàn)機(jī)， 近年來發(fā)展了四種不同控制方式；一種是電液伺服閥控制，一種是采用具有速度控制器的壓力閥控制，第三種是寬流量范圍的比例閥控制，第四種是使用伺服油泵控制壓力油流量。除了控制系統(tǒng)外，還采用 高精度力與位移測量系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)采集處理等技術(shù)，在功能上達(dá)到甚至超過電子試驗(yàn)機(jī)，尤其在大負(fù)荷上液壓試驗(yàn)機(jī)及各種壓力試驗(yàn)機(jī)具有更大的優(yōu)勢。

• 日本島津UEH型及美國STEX公司的HVL型液壓試驗(yàn)機(jī)均采用電液伺服閥控制雙向油缸；負(fù)荷、變形、位移控制由電液伺服閉環(huán)控制，同時(shí)具有電子測量和 計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理功能，電液伺服閥的優(yōu)點(diǎn)是靜動(dòng)態(tài)性能良好，分辨率高、滯環(huán)小、線性度高、工作范圍廣更適合動(dòng)態(tài)電液伺服試驗(yàn)機(jī)。其缺點(diǎn)是用于靜態(tài)液壓試 驗(yàn)機(jī)上未能發(fā)揮其特點(diǎn)，使其造價(jià)提高、抗污染能力變差、工作噪聲較大，油溫升高快，有些還需水冷卻。

• 西德申克公司的UPM液壓試驗(yàn)機(jī)，其控制原理是由速度控制器控制力矩電機(jī)而帶動(dòng)壓力控制閥施加負(fù)荷，并具有速度電流反饋，是一種傳統(tǒng)的控制方式。

• 在*先是濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠與其他廠家合作研究了500kN微機(jī)控制液壓試驗(yàn)機(jī)與日本島津產(chǎn)品相似，采用伺服閥控制，此外濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠已引進(jìn)日本500kN的UDH型電液伺服閥式液壓試驗(yàn)機(jī)，目前上述控制方式成為為國內(nèi)的電液伺服試驗(yàn)機(jī)的主打產(chǎn)品。

二．控制閥技術(shù)的發(fā)展 

• “比例控制閥發(fā)展的初期階段，僅僅是將比例電磁鐵代替普通液壓閥的開關(guān)型電磁鐵或調(diào)節(jié)手柄，這種比例閥的結(jié)構(gòu)原理和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則沒有變化。這種比例閥工作頻寬小，穩(wěn)定滯環(huán)大，只能用于開環(huán)控制。七十年代中期至八十年代初，是比例閥發(fā)展的第二個(gè)階段，比例閥開始采用各種內(nèi)反饋原理，耐高壓，比例電磁鐵出口比例放大技術(shù)日趨成熟。閥工作頻寬達(dá)到5～10Hz穩(wěn)定滯環(huán)降低到3%左右，八十年代以后，比例閥技術(shù)發(fā)展進(jìn)入第三階段，比例閥原理進(jìn)一步改善，采用了壓力流量 位移反饋和動(dòng)壓反饋及電校正等手段，使閥穩(wěn)定精度動(dòng)態(tài)相應(yīng)和穩(wěn)定性都有進(jìn)一步提高。除中位仍有部分死區(qū)外其控制性能與伺服閥更為接近。此外比例放大技術(shù)也相應(yīng)迅速發(fā)展，不僅集成了各種反饋信號(hào)傳感接受和處理功能，而且尺寸大為減小，可安裝在閥體上使整個(gè)控制系統(tǒng)組成一體，使用更為方便，比例電磁鐵驅(qū)動(dòng)力的提高，也為閥的動(dòng)態(tài)特性的改善提供了條件，將其應(yīng)用于靜態(tài)電液伺服試驗(yàn)機(jī)中，配合微機(jī)精密調(diào)速控制系統(tǒng)已*其使用要求。

• 至于比例閥可以分為多種，比例溢流閥，比例調(diào)速閥，比例流量閥等多種，如有興趣可以單獨(dú)探討。

三．電液比例閥與伺服閥控制技術(shù)在靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)上應(yīng)用比較 

• 電液比例閥：抗污染能力*，對(duì)液壓油的過濾要求為20μm，可實(shí)現(xiàn)*運(yùn)行。伺服閥：對(duì)液壓油的過濾要求需達(dá)到3μm以內(nèi)，抗污染能力極弱，尤其對(duì)靜態(tài)液壓式試驗(yàn)機(jī)間隙密封的柱塞油缸，更易引起油質(zhì)污染，阻塞伺服閥。

• 控制方式：電液比例閥是純數(shù)字電器伺服控制、電路簡單，穩(wěn)定性非常高。

• 控制方式：伺服閥多數(shù)采用模擬電器控制、電路復(fù)雜，穩(wěn)定性較弱。 

   電器測量控制系統(tǒng)：目前已經(jīng)沒有大的差別。

   性能：電液比例閥反應(yīng)速度較低，適合于靜態(tài)液壓試驗(yàn)機(jī)（頻寬Hz/-3dB）30～80 

   性能：而伺服閥反應(yīng)速度較高，頻寬（Hz/-3dB）50～200，適合于動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)。 

第三章 液壓油源控制技術(shù)及原理

一．壓力隨動(dòng)系統(tǒng)

在介紹靜態(tài)電液伺服試驗(yàn)機(jī)的液壓原理之前，先來熟悉一下壓力隨動(dòng)系統(tǒng)：

壓力隨動(dòng)系統(tǒng)（自適應(yīng)節(jié)能系統(tǒng)）

壓力隨動(dòng)指的是油泵的壓強(qiáng)永遠(yuǎn)比油缸處壓力高1MPa（彈簧的推力作用）左右，根據(jù)油針的開口大小形成一個(gè)恒流量壓力系統(tǒng)。

可以分析一下送油閥的壓力分布狀況：

設(shè)油泵來油腔的壓強(qiáng)為P

  連接油缸的口處壓強(qiáng)為P1

  彈簧力所產(chǎn)生的壓強(qiáng)為P2

  彈簧所在的后腔的壓強(qiáng)為P3

  送油針處由于小孔節(jié)流現(xiàn)象所產(chǎn)生的壓強(qiáng)損失為△Pk

  反饋油針處的毛細(xì)節(jié)流現(xiàn)象所產(chǎn)生的壓強(qiáng)損失為△Pz

那么：△Pk=P-P1

      P3=P-P2

同理：P3=P1-△Pz

  則：P-P2=P1-△Pz

      P-P1-P2=△Pz

      △Pk-P2=△Pz

      △Pk-△Pz=P2(常數(shù))

還可以有另一種推導(dǎo)方法：（略去）

電液伺服試驗(yàn)機(jī)中電腦控制的伺服閥所要做的工作就是實(shí)時(shí)控制圓圈處流量的大小，用以達(dá)到系統(tǒng)壓力的實(shí)現(xiàn)。

二、液壓控制原理圖

以下為典型的電液伺服機(jī)液壓控制原理圖，根據(jù)這些原理圖還可以衍生出很多的控制方法以及產(chǎn)品，比如雙向缸加載臥式拉力試驗(yàn)機(jī)，壓力試驗(yàn)機(jī)，壓剪試驗(yàn)機(jī)等，但是都是以壓力隨動(dòng)系統(tǒng)為核心進(jìn)行油路分配。

第四章、核心單元介紹

一、壓力隨動(dòng)系統(tǒng)

壓力隨動(dòng)系統(tǒng)是一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)的控制核心，它和控制軟件，比例閥具有同等重要的地位。其關(guān)鍵要素在于以下幾個(gè)方面：

1.壓差閥芯閥套的靈敏性；

2.阻尼油針的壓差形成及反饋油壓快速性；

3.閥塊的潔凈程度。

我公司生產(chǎn)的壓力隨動(dòng)系統(tǒng)是使用加工中心加工而成，閥芯閥套使用超精磨床磨制，zui后經(jīng)人工對(duì)研成型。所有的零部件包括管接頭均使用超聲波清洗機(jī)清洗后在進(jìn)行組合安裝，保證了液壓系統(tǒng)的潔凈。除安裝比例閥外，增加轉(zhuǎn)接墊塊可直接安裝噴流擋板式伺服閥，并且每個(gè)系統(tǒng)在出廠前均經(jīng)過加壓控制。

其控制原理圖有以下幾種形式：

二、比例伺服閥

由于噴流擋板和射流管伺服閥對(duì)油液要求高，易出故障，所以現(xiàn)在的靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)基本采用比例伺服閥或者比例閥。目前，在試驗(yàn)機(jī)行業(yè)使用比較多的有以下幾種產(chǎn)品：

MOOG公司的D633系列比例伺服閥

ATOS公司的比例伺服閥以及比例閥

北京華德生產(chǎn)的比例閥

浙大系研制的試驗(yàn)機(jī)比例閥

其中前三種閥的原理符號(hào)為

該系列比例閥為工業(yè)通用，由于閥的開口曲線不同，所使用的場合也不同，使用時(shí)應(yīng)慎重選型，以免控制效果不理想。

浙大系研制的比例閥的原理符號(hào)為以下兩種

這兩種閥的前一種比較適合于試驗(yàn)機(jī)，具有進(jìn)回程控制功能，而第二種只具備進(jìn)程控制功能，對(duì)于采用程控編程控制的試驗(yàn)機(jī)則無能為力。一般只用于簡單壓力試驗(yàn)機(jī)以及控制不復(fù)雜的機(jī)。

我公司生產(chǎn)的比例閥兼具以上幾種閥的特性，對(duì)于試驗(yàn)機(jī)控制比較熟悉的人都知道，只要試驗(yàn)機(jī)的油缸泄露不是很嚴(yán)重，大力值控制比較輕松，而小力值的控制一般比較困難。試驗(yàn)機(jī)比例閥在設(shè)計(jì)上客服了這一難題，其開口的設(shè)計(jì)針對(duì)試驗(yàn)機(jī)的控制特性進(jìn)行優(yōu)化，特別是對(duì)于試驗(yàn)機(jī)的小負(fù)荷控制具有極大的優(yōu)勢，有以下幾種型號(hào)，具體見下表。根據(jù)壓力隨動(dòng)系統(tǒng)不同的功能選擇不同的比例伺服閥。

試驗(yàn)機(jī)閥控制曲線如下圖：

單頭和雙頭比例閥

三、油泵

對(duì)于試驗(yàn)機(jī)油泵，現(xiàn)在行業(yè)內(nèi)通用的電液伺服試驗(yàn)機(jī)基本上采用NACHI公司的內(nèi)嚙合高壓齒輪泵，這是一款性價(jià)比較高的產(chǎn)品。還有采用高壓柱塞泵的廠家，對(duì)于噪音要求不高的用戶可以采用此產(chǎn)品。其次近幾年由于成本控制，有好多廠家使用外嚙合齒輪泵，這種油泵外觀漂亮，噪音小，但是不推薦使用。因?yàn)橥鈬Ш淆X輪泵的結(jié)構(gòu)所限制，21MPa以上壓力不穩(wěn)定，即使當(dāng)時(shí)沒有問題，這也要靠運(yùn)氣，壽命也短，特別是試驗(yàn)機(jī)使用頻率較高的單位，兩年之后就不一定達(dá)到試驗(yàn)機(jī)滿負(fù)荷了。一般推薦前兩種油泵使用。

第五章、總結(jié)

綜合來說，一臺(tái)試驗(yàn)機(jī)的性能好壞，取決于各部件的匹配性能，當(dāng)然，哪怕其中一個(gè)不起眼的部件，也會(huì)影響整機(jī)性能。這里不僅是指液壓系統(tǒng)，還包括控制軟件和主機(jī)的結(jié)構(gòu)。主機(jī)一般推薦剛度大，整機(jī)消除間隙的C型機(jī)為好。或者我公司生產(chǎn)的Y系列機(jī)主機(jī)，該主機(jī)既消除試驗(yàn)過程中的機(jī)械間隙，又比C型機(jī)的剛度大，是下一步試驗(yàn)機(jī)市場的強(qiáng)有力競爭機(jī)型。