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电液伺服动静万能试验机液压系统设计的原理

发布时间:2019-6-10 浏览人数:

分析讨论了电液伺服动静万能试验机液压系统设计中的一些共性问题,包括负载动力的匹配、伺服阀的选用、作动器固有频率的提高,加紧装置与冷却系统的设计等,提出了设计该类试验机液压系统的一些原则,其有效性在1MN电液伺服动静万能试验机设计中得到验证,该原则可以作为工程技术人员设计同类试验机的参考依据。

电液伺服动静万能试验机主要用于材料和零部件的力学性能试验研究,它不但可以完成静态下的拉伸、压缩、弯曲、剪切试验,而且还可以完成动态下的诸如高周频疲劳、低周疲劳、静态试验和动态试验队试验机提出了不同的要求。

静态试验所追求的主要是试验精度,还应保证较强的稳定性和较高的频响速度,以上要求通常用示值误差、幅值精度、波形失真度、幅值稳定度等指标来衡量,而一套优化合理的液压控制系统无疑使保证这些性能指标的关键,具体来讲,电液伺服动静万能试验机液压系统设计时应考虑的问题主要有:

(1)协调动态大流量与静态小流量的矛盾,即负载动力的合理匹配。

(2)伺服阀的正确选用。

(3)作动器固有频率的提高。

(4)夹紧油源和夹紧装置的设计。

(5)冷却方式的选择,本文主要讨论解决以上问题的一些方法。

1、负载动力的合理匹配 在试验机的正常工况,动作器中活塞的运动速度可以从静态试验时的0.01mm/s到到动态试验时的1.5m/s速度范围内变化,调速比为150000:1,如此宽的速度变化范围为油源的设计和伺服阀选择带来了难度,导致出现静态小流量和动态大流量之间的矛盾。

解决此矛盾的关键是对作动器、伺服阀、液压源之间进行合理的负载匹配。所应遵循的设计原则是:作动器、伺服阀、液压源所提供的液压动力应满足试验机的速度、加速器和试验力的要求,同时还应考虑系统的效率。负载与泵、阀的匹配关系,即伺服阀的负载流量特性曲线必须包容试验机的负载特性曲线,液压源的曲线应包容伺服阀的负载曲线,Qs>1.1-1.3Qo;Ql>1.05-1.1Qlmax。这即为包容原则。另外,系统的效率也应引起重视。

液压泵输出的流量是根据动态试验时所需的大流量选取的,静态试验时所需的流量很少,此时,必须使液压源输出流量降下来,为达此目的,有三个方案可供选择,第一个方案是动静态试验由一台变量泵供油,油泵由三相异步电动机驱动,其优点是设计成本较低,流量可调,液压系统效率较高。

但在小流量输出时电动机的效率却很低,约为0.3-0.4左右,出现“大马拉小车”的问题,电动机本身的功率损耗包括铜损、铁损、机械损耗等相当大,造成电能的浪费,总效率并没有提高;第二个方案是动静态试验由一台定量泵供油,油泵由变频调速器控制的三相异步电动机驱动,此方案的总效率比前者高,但由于油泵在低转速下流量脉动加剧,造成伺服阀供油压力的较大波动,对静态试验不适用,第三个方案是动静态试验分别由独立的大小两个油泵供油,小泵采用定量泵,大泵采用变量泵,此方案在满足动态和静态试验要求的同时,还由于静态试验时大泵是停止工作的,系统总效率大为提高,静态试验时油源噪音也很低。

2、伺服阀的正确选用 由于电液伺服动静万能试验机既要控制力又要控制位移和应变,所以一般都采用位置反馈式的流量型伺服阀,以力反馈式的喷嘴挡板阀使用为普遍。压力性的伺服阀虽然控制作用力时性能较好,但因无法控制位置而不适用。当动态试验要求的流量较大时,可以采用几个阀并联工作,也可以采用三级伺服阀,并联使用时由于各阀之间存在相位差,将给电控系统带来一定的麻烦。

供油压力的选择也很重要,较高的供油压力,可以减轻作动器活塞的质量、提高伺服阀的流量增益,从而获得较快的响应速度,但过高的供油压力使得伺服阀的零位泄漏量加大,使用寿命减小,系统噪音增大,根据有关资料,供油压力选择21-28MPa大范围为佳,负载压力按系统效率高原则确定,为供油压力的2/3时可获得高的系统效率。

动态万能试验机对电液伺服阀的性能要求比较高,既有静态和动态性能的要求,又有寿命的要求,因此在选用上必须严格掌握,必要时应从伺服阀的制造厂家订做专用阀。

3、作动器固有频率的提高 当伺服油源压力确定后,试验机要求的作用力和振幅是给定参数,作动器固有频率的提高只有从减小运动质量和提高油液弹性模量两方面考虑。

在作动器可动部分的刚度和强度足够的前提下,应尽可能减轻活塞和夹头的质量,对连接伺服阀和作动器管路内油液的当量质量不容忽视,若设计不当,这一部分质量将远大于活塞的质量,因此在设计中必须注意使伺服阀至作动器的油腔尽可能短而且过流面积不能太小。

通常的做法是伺服阀直接固定在作动器的外院上,且伺服阀至作动器两腔的油路对称等长。

提高油液弹性模具的关键是合理设计油源,避免空气重混入油中。

在邮箱的吸油扣和回油口之间设置与箱底成20摄氏度左右的夹角、60-80目的过滤网可以有效分离出混入油中的空气,液压油应选用粘度适中(41-50mm2/s)且加有抗泡剂的精密机床液压油或抗磨液压油。

4、夹紧油源与夹紧装置 夹紧油源是液压夹头和衡量夹紧装置提供动力,适当提高夹紧油源的供油压力,可以使液压夹头的体积和重量大为降低,从而使系统固有频率得到提高,改善系统的动态应速度,提高夹紧油源的供油压力也是受横梁夹紧装置的设计空间限制之故。

因此,夹紧油源的供油压力高于伺服油源的供油压力,一般在35MPa以上。

夹紧油源可以采用超高压油泵供油、液-液增压供油和气-液增压供油三种方式。

超高压油泵供油系统在设计简单,不足之处是溢流损失和噪音较高。

液-液增压供油系统设计时由于增压缸需自制,加工成本较高且性能质量不易保证,除非特殊情况,一般很少采用。

气-液增压供油系统的设计时,由于气-液增压缸是市购的标准件,有多重规格可供选择。

气-液增压缸内置行程换向阀,活塞到终点后自动换向,当达到设定压力时,活塞的往返运动停止,系统保压。

气-液增压油源的显著特点是系统压力敏感性好、噪音低,这种油源正逐步被推广使用。

根据实验空间调整之需要,横梁可以沿立柱上下移动;而在进行套试验时,横梁应和立柱处于刚性的夹持状态,此功能由横梁夹紧装置来实现。

横梁夹紧装置设计有两种方式,一种是机械锁紧-液压松开,另一种是液压锁紧-机械松开。

前者是采用预应力弹性拉杆对横梁实施锁紧,在横梁需要升降时由液压缸将横梁顶开以使其移动,这种夹持方法的主要缺点是弹性拉杆所受的应力较大,需选用高强度弹性材料;再者,弹性拉杆存在应力松弛问题,过一定的时间需要用力矩扳手再对其预紧,操作不便,其优点是机械停止工作时横梁的位置能被锁定,而采用液压锁紧的优点是结构简单、夹紧力容易保证,其缺点是当机器停止工作时,如果控制阀存在零位泄漏,将出现横梁缓慢下滑的问题,综合比较,后者用途广泛,夹持可靠性较高。

5、冷却方式的选择 为了维持理想的油温,电液伺服动静万能试验机的液压系统必须采取强制冷却方式,冷却方式一般有三种:风冷式、水冷式和冷媒式。

风冷式条文能力有限,不适合大功率的油源使用;水冷式冷却能力强,但冷却装置占用面积大;冷媒型对油温控制精度高、体积较小,初始费用虽较高,但运转费用较低,且可以喝油源一起安装在室内,因此,其应用面在逐渐扩大。

通过以上介绍我们可以看出,一套合理适用的液压系统是保证试验机正常工作、顺利完成各种动作的保证,对电液伺服动静万能试验机而言,其液压系统有相似之处,但针对不同规格的试验机,液压系统又有着各自的特点,因此在设计实验的液压系统时,一方面应遵循共同的原则,另一方面还应因地制宜、有的放矢。更多关于试验机的问题,可以随时咨询扬州凯德试验机械有限公司。