CN100363732C - 立式双轴四缸电液伺服试验机 - Google Patents
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Abstract
立式双轴四缸电液伺服试验机，属于工程材料、物理性能、结构形变及力学实验技术领域。本发明采用直接实现双向应力场的液压驱动。四缸驱动能够实现任意的加载路径，有差闭环伺服控制系统保证同步和中心对称加载；每一套传动通过一个电液伺服即可实现慢速实验和快速的移动状态；配备能够实现正弦波、三角波、方波、斜波、组合波的函数发生器，产生相应的加载实验波形；通过位传装置方便试件的安装；通过导向板和线性导轨保证同轴性并避免水平方向夹头由于自重而引起弯曲；本试验机能够完成双轴拉伸、压缩外，还能完成双轴动态疲劳力学实验。整个实验过程采用计算机控制，简单方便。
Description
技术领域
本发明涉及一种立式双轴四缸电液伺服试验机，属于工程材料、物理性能、结构形变及力学实验技术领域。它可用于测试材料，尤其是各向异性的复合材料在双轴向承受拉伸，压缩和疲劳载荷的力学特性。
背景技术
随着轻质复合材料在各工业领域越来越广泛的应用，迫切需要完成各向异性材料在双轴向承受拉伸，压缩和疲劳载荷的力学实验。这是因为从实际应用的角度来看，复合材料一般在多方向上承受载荷；而且从材料的各向异性理论出发，在多轴承载状态下，材料的应力分布也十分复杂，传统的单轴力学实验也不能够充分的提供有效应用各向异性材料需要的材料特性和实验数据。
目前，国内和国际上存在多种双轴试验机，从双向载荷场的实现来看，主要有两种方法：一种是通过薄壁筒的拉扭联合加载在材料内部造成双向应力场(Experimental mechanics，23，384-392，1983)，这种方法比较简便，但是加载的路径受到限制，并且是近似的双向应力场，也不能应用到片状的材料；另一种方法是直接实现双向应力场。在这种直接实现双向应力场的驱动系统来看，大致有三种方法：一种是通过重物和一套杠杆系统在实现驱动(J.Strain Analysis，8(2)，119-123，1973)，这种驱动系统由于长时间恒定的载荷，适合完成儒变的实验，但需要克服较大的摩擦力，而且很难加载很大的载荷和变形；一种是通过一台电机与离合器匹配驱动(CN 1013809B)，这种一台电机驱动的方法，容易实现同步和中心对称加载，但由于受设备几何结构的限制，而不能实现各种双轴加载路径，并且发明专利CN1013809B中的设备仅能完成拉伸实验；还有一种半个电机的驱动系统通过四套双作用传动和反馈系统实现双轴加载，(Experimental mechanics，34，1-9，1994)每一套传动系统中有一个直流电机和一个交流电机，分别实现慢速的实验状态和快速的移动状态，能够完成准静态的任意加载比例的双轴拉伸和压缩实验，但它不能实现双轴载荷下的动态疲劳实验，而且其快速移动状态没有进行同步反馈，通过LVDT数值来确定试件的夹持中心，给试件安装带来了麻烦，通过悬浮重物来避免水平加载装置由于自重引起的弯曲。
发明内容
针对现有技术的不足和缺陷，本发明的目的在于提供一种立式双轴四缸电液伺服试验机，采用直接实现双向应力场的液压驱动。使其不仅能实现同步和中心对称加载，而且能够完成双轴拉伸、压缩、疲劳力学实验，同时具有调速方便，调速范围大，工作比较平稳、反应快、快速启动、制动和频繁换向等优点。
本发明的技术方案如下：
一种立式双轴四缸电液伺服试验机，该试验机包括立式主机、液压源和控制系统，所述的主机包括立式框架，水平方向和竖直方向加载传动系统，其特征在于：所述的水平方向和竖直方向加载传动系统均采用电液伺服加载传动系统，所述的电液伺服加载传动系统包括伺服油缸，伺服阀，防松垫，载荷传感器，液压夹头，线性导轨，设置在液压夹头上的导向板和位传装置；所述伺服油缸的活塞杆通过防松垫与载荷传感器的一端连接，另一端与液压夹头连接；所述的液压夹头通过导向板在线性导轨上滑动，在导向板上安装有位传装置；所述的位传装置包括电磁铁，带有穿孔及夹缝的夹板，穿过夹板穿孔的导杆，设置在所述导杆下部的位移传感器以及恢复弹簧组； 所述的电磁铁与带有穿孔及夹缝的夹板成90度安装在主机框架上；所述位移传感器活套在导杆上，并固定在导向板上；所述的恢复弹簧组两个弹簧对称设置在位移传感器的上下两侧，每一个弹簧的两端分别与位移传感器和导杆相连。
所述的控制系统包括水平控制系统和竖直控制系统，所述的水平和竖直控制系统种中均包含控制环路和反馈环路，所述的每一个控制环路包括伺服控制环路和中心控制环路，伺服控制环路含有计算机、与计算机相连的函数发生器、D/A卡、伺服比较放大器和伺服PID调节器，所述的函数发生器采用能产生正弦波、三角波、方波、斜波或组合波的函数发生器，所述的计算机通过D/A卡和伺服比较放大器分别与伺服PID调节器和控制状态选择器连接，所述的伺服PID调节器的另一端分别通过第一伺服驱动器和第二伺服驱动器连接与第一伺服阀和第二伺服阀连接，所述控制状态选择器分别与第一第二位移传感器，第一第二载荷传感器以及变形传感器连接；所述的中心控制环路包括计算机、D/A卡、中心比较放大器、中心PID调节器，所述的计算机通过D/A卡和中心比较放大器分别与中心PID调节器连接和中心定位选择器连接，所述的中心PID调节器的一端分别通过第一伺服驱动器和第二伺服驱动器连接与第一伺服阀和第二伺服阀连接；所述的中心定位选择器的另一端分别与第一第二位移传感器，第一第二载荷传感器连接。所述的反馈环路包括计算机，A/D卡，第一第二位移传感器，第一第二载荷传感器以及变形传感器，所述的第一第二位移传感器，第一第二载荷传感器以及变形传感器分别通过A/D卡与计算机相连。
所述的液压源包括进油路，回油路；所述的进油路经过油泵机组，高压滤油器，进油蓄能器，分为伺服控制油路和液压夹头油路，其中伺服控制油路包括四条支路，它们分别通过水平和竖直控制环路中的伺服阀与伺服油缸连接，液压夹头油路通过叠加减压阀分为四条支路，它们分别通过电磁阀与液压夹头油缸连接；所述的回油路包括溢流回路和主回路，所述的溢流回路由三级溢流阀与主回路连接；所述的主回路经过与进油路相对应的所述的八条支路与回油蓄能器，板式换热器，回油滤油器相连。
本发明具有以下优点及突出性效果：本发明提供的立式双轴四缸电液伺服试验机，能够实现任意的加载路径，有差闭环伺服控制系统保证同步和中心对称加载；每一套传动通过一个电液伺服即可实现慢速实验和快速的移动状态；配备能够实现正弦波、三角波、方波、斜波、组合波的函数发生器，产生相应的加载实验波形；通过位传装置可以方便的安装试件；通过导向板和线性导轨保证同轴性并避免水平方向夹头由于自重而引起弯曲；本试验机能够完成双轴拉伸、压缩外，还能完成疲劳力学实验。相比较先有技术的机械传动，本发明还具有液压传动的优点，可在运行过程中进行无级调速，调速方便且调速范围大；在相同功率的情况下，液压传动装置的体积小、重量轻、结构紧凑。液压传动工作比较平稳、反应快、换向冲击，能快速启动、制动和频繁换向；液压传动的控制调节简单，操作方便、省力，易实现自动化，当其与电气控制结合，更易实现各种复杂的自动工作循环；液压传动易实现过载保护，液压元件能够自行润滑，故使用寿命较长；由于液压元件已实现了系列化、标准化和通用化，过制造、使用和维护都比较方便。
附图说明
图1是本发明的立式主机结构示意图。
图2是本发明的位传装置的结构示意图。
图3是本发明位传装置中的夹板结构示意图。
图4是本发明液压源的油路原理图。
图5是本发明的水平方向控制系统原理图。
图6是已有技术的结构示意图。
图中：1-伺服油缸；2a-水平方向第一伺服阀；2b-水平方向第二伺服阀；2c-竖直方向第一伺服阀；2d-竖直方向第二伺服阀；3-进油蓄能器；4-温度计；5-高压滤油器；6-压力表；7-压力表开关；8-三级溢流阀；9-油泵机组；10-回油滤油器；11-板式换热器；12-液位计；13-出油蓄能器；14-叠加式减压阀；15-电磁阀；16-液压夹头油缸；17-带有穿孔及夹缝的夹板；18-面板；19-操作盒；20-导向板；21-液压夹头；22-位传装置；23-防松垫；24-调整垫；25-试件；26-主机框架；27-线性导轨；28-载荷传感器；29-电磁铁；30-定位导套；31-导杆；32-位移传感器；33-恢复弹簧组；
具体实施方式
图1是本发明提供的立式主机的示意图，所述的主机包括主机框架26以及水平方向和竖直方向加载传动系统，所述的水平方向和竖直方向加载传动系统均采用电液伺服加载传动系统，所述的电液伺服加载传动系统包括伺服油缸1，伺服阀，防松垫23，载荷传感器28，液压夹头21，液压夹头油缸16，线性导轨27，设置在液压夹头上的导向板20和位传装置22；所述伺服油缸的活塞杆通过防松垫23与载荷传感器28的一端连接，活塞杆的另一端与液压夹头21连接；所述的液压夹头通过导向板20在线性导轨27上滑动，在导向板上安装有位传装置22；其中主机框架26采用立式封闭整体铸钢框架，它具有整机刚性好，系统频率高等特点。加载和传动系统是产生力和位移的装置，从设计上保证了低阻尼、高频响的最佳动态特性。液压夹头可以方便而可靠的使试样与主机刚性连接，该液压夹头的优点是夹持时夹块无轴向移动，夹持力均匀，同轴好。缺点是对试件夹持部分的加工精度要求高。传感器包括水平方向两个位移传感器和竖直方向两个位移传感器，水平方向两个载荷传感器和竖直方向两个载荷传感器、水平方向和竖直方向各一个变形传感器。传感器是测量及参与反馈控制的关键部分，其精度直接影响控制精度。载荷传感器采用轮辐式应变负荷传感器，具有精度高，稳定性好的优点。载荷传感器与液压夹头连接成一体。位移传感器采用交流差动变压器式位移传感器。变形传感器采用电阻应变桥结构。使用时可以夹持在试件变形区，将试件一定标距内的变化转换成相应的电信号。滑动导轨主要是用来保护活塞杆免受侧向力作用而损坏，还能保证对中性。
图2，3是本发明提供的位传装置示意图，所述的位传装置22包括电磁铁29，带有穿孔及夹缝的夹板17，穿过夹板穿孔的导杆31，设置在所述导杆下部的位移传感器32以及恢复弹簧组33；所述的电磁铁29与带有穿孔及夹缝的夹板17成90度安装在主机框架26上；所述位移传感器32活套在导杆31上，并固定在导向板20上；所述的恢复弹簧组33的两个弹簧对称设置在位移传感器32的上下两侧，每一个弹簧的两端分别与位移传感器和导杆相连。在安装试件的时候，电磁铁29产生吸力，使带有穿孔及夹缝的夹板17松开，位移传感器32和导杆31可整体随液压夹头移动，当试件夹持完成后，可以通过电磁铁29控制，使带有穿孔及夹缝的夹板17夹紧，恢复弹簧组33能够使位移传感器32恢复到初始的位置，这种位传装置设计可以保证位移传感器32始终工作在最优区域，同时方便试件的安装过程。
图4是本发明提供的水平方向控制系统原理图，所述的控制系统包括水平控制系统和竖直控制系统，所述的水平和竖直控制系统种中均包含控制环路和反馈环路，所述的每一个控制环路包括伺服控制环路和中心控制环路，伺服控制环路含有计算机、与计算机相连的函数发生器、D/A卡、伺服比较放大器和伺服PID调节器，所述的函数发生器采用能产生正弦波、三角波、方波、斜波或组合波的函数发生器，所述的计算机通过D/A卡和伺服比较放大器分别与伺服PID调节器和控制状态选择器连接，所述的伺服PID调节器的另一端分别通过第一伺服驱动器和第二伺服驱动器连接与第一伺服阀和第二伺服阀连接，所述控制状态选择器分别与第一第二位移传感器，第一第二载荷传感器以及变形传感器连接；所述的中心控制环路包括计算机、D/A卡、中心比较放大器、中心PID调节器，所述的计算机通过D/A卡和中心比较放大器分别与中心PID调节器连接和中心定位选择器连接，所述的中心PID调节器的一端分别通过通过第一伺服驱动器和第二伺服驱动器连接与第一伺服阀2a和第二伺服阀2b连接；所述的中心定位选择器的另一端分别与第一第二位移传感器，第一第二载荷传感器连接。所述的反馈环路包括计算机，A/D卡，第一第二位移传感器，第一第二载荷传感器以及变形传感器，所述的第一第二位移传感器，第一第二载荷传感器以及变形传感器分别通过A/D卡与计算机相连。这里所述的第一第二位移传感器，第一第二载荷传感器在水平控制系统中分别代表左右两个位移传感器和左右两个载荷传感器，在竖直控制系统中分别代表上下两个位移传感器和上下两个载荷传感器。下面水平方向为例说明控制系统工作的原理：
控制信号源输出的控制指令信号与控制状态选择器选择的反馈信号在伺服比较器放大器输出一个误差信号。这个误差信号经过伺服PID(比例、积分、微分)调节器后同时送到水平方向的第一第二伺服驱动器上，控制两个伺服阀推动各自的油缸向着指令要求的方向对称运动，来减小误差趋向控制指令目标。当两个油缸对称作用时，由于各种综合因素的影响，会使其载荷中心偏离“中心信号指令”要求的值时，其中心比较放大器输出一个误差信号，经过PI(比例、积分)调节后分别送到第一第二伺服驱动器上，改变两个驱动器平衡来修正中心对称。整个控制过程就是两个调节器不断地调整两个驱动器的输出，使其相应的反馈信号与设定信号之间的误差最小。
图5是本发明提供的油路原理图，所述的液压源包括进油路，回油路；所述的进油路经过油泵机组9，高压滤油器5，进油蓄能器3，分为伺服控制油路和液压夹头油路，其中伺服控制油路包括四条支路，它们分别通过水平和竖直控制环路中的伺服阀与伺服油缸1连接，液压夹头油路通过叠加减压阀14分为四条支路，它们分别通过电磁阀15与液压夹头油缸16连接；所述的回油路包括溢流回路和主回路，所述的溢流回路由三级溢流阀8与主回路连接；所述的主回路经过与进油路相对应的所述的八条支路与回油蓄能器13，板式换热器11，回油滤油器10相连。
其中高压泵组用手动斜盘式轴向柱塞泵组，输出流量最大100l/min，驱动电机功率37KW。蓄能器使高压泵组输出脉动油流变得平稳，伺服阀是电液伺服系统中，电液转换关键元件。本系统用带液压力矩反馈的二级伺服阀。其输出液压流量与输信号电流成正比。
Claims (4)
1.一种立式双轴四缸电液伺服试验机，该试验机包括立式主机、液压源和控制系统，所述的主机包括主机框架(26)，水平方向和竖直方向加载传动系统，其特征在于：所述的水平方向和竖直方向加载传动系统各有两个电液伺服加载传动系统，所述的电液伺服加载传动系统包括伺服油缸(1)，伺服阀，防松垫(23)，载荷传感器(28)，液压夹头(21)，线性导轨(27)，设置在液压夹头上的导向板(20)和位传装置(22)；所述伺服油缸的活塞杆通过防松垫(23)与载荷传感器(28)的一端连接，载荷传感器的另一端与液压夹头(21)连接；所述的液压夹头通过导向板在线性导轨上滑动，在导向板上安装有位传装置(22)；所述的位传装置(22)包括电磁铁(29)，带有穿孔及夹缝的夹板(17)，穿过夹板穿孔的导杆(31)，设置在所述导杆下部的位移传感器(32)以及恢复弹簧组(33)；所述的电磁铁(29)与带有穿孔及夹缝的夹板(17)成90度安装在主机框架(26)上；所述位移传感器(32)活套在导杆(31)上，并固定在导向板(20)上；所述的恢复弹簧组(33)的两个弹簧对称设置在位移传感器(32)的上下两侧，每一个弹簧的两端分别与位移传感器和导杆相连。
2.如权利要求1所述的立式双轴四缸电液伺服试验机，其特征在于：所述的控制系统包括水平控制系统和竖直控制系统，所述的水平控制系统和竖直控制系统中均包含控制环路和反馈环路，所述的每一个控制环路包括伺服控制环路和中心控制环路，伺服控制环路含有计算机、与计算机相连的函数发生器、D/A卡、伺服比较放大器和伺服PID调节器，所述的函数发生器采用能产生正弦波、三角波、方波、斜波或组合波的函数发生器，所述的计算机通过D/A卡和伺服比较放大器分别与伺服PID调节器和控制状态选择器的一端连接，所述的伺服PID调节器的另一端分别通过第一伺服驱动器和第二伺服驱动器与第一伺服阀和第二伺服阀连接，所述控制状态选择器分别与第一和第二位移传感器、第一和第二载荷传感器以及变形传感器连接；所述的中心控制环路包括计算机、D/A卡、中心比较放大器、中心PID调节器，所述的计算机通过D/A卡和中心比较放大器分别与中心PID调节器和中心定位选择器的一端连接，所述的中心PID调节器的另一端分别通过第一伺服驱动器和第二伺服驱动器与第一伺服阀(2a)和第二伺服阀(2b)连接；所述的中心定位选择器的另一端分别与第一和第二位移传感器以及第一和第二载荷传感器连接；所述的反馈环路包括计算机，A/D卡，第一和第二位移传感器、第一和第二载荷传感器以及变形传感器，所述的第一和第二位移传感器、第一和第二载荷传感器以及变形传感器分别通过A/D卡与计算机相连。
3.如权利要求1或2所述的立式双轴四缸电液伺服试验机，其特征在于：所述的液压源包括进油路，回油路；所述的进油路经过油泵机组(9)，高压滤油器(5)，进油蓄能器(3)，分为伺服控制油路和液压夹头油路，其中伺服控制油路包括四条支路，它们分别通过水平和竖直控制环路中的伺服阀(2)与伺服油缸(1)连接，液压夹头油路通过叠加减压阀(14)分为四条支路，它们分别通过电磁阀(15)与液压夹头油缸(16)连接；所述的回油路包括溢流回路和主回路，所述的溢流回路由三级溢流阀(8)与主回路连接；所述的主回路经过与进油路相对应的所述的八条支路与回油蓄能器(13)，板式换热器(11)，回油滤油器(10)相连。
4.按照权利要求1所述的立式双轴四缸电液伺服试验机，其特征在于：所述的位移传感器采用交流差动变压器式位移传感器。
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