CN102645329A - 电液谐振高频疲劳试验机及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种电液高频疲劳试验机，包括工作台、二位三通双自由度电液控制阀、单出杆主液压缸、设于工作台上方两侧有两个立柱、设于工作台上方立柱外侧有两个升降保持液压油缸和设于工作台上方的横梁，二位三通双自由度电液控制阀的出油口与单出杆主液压缸的活塞杆无杆端腔连通，单出杆主液压缸的活塞杆无杆端安装位移传感器，单出杆主液压缸的活塞杆端与下夹头相连，两个升降保持液压油缸体底部与工作台相连，两个升降保持液压油缸活塞杆顶端与横梁相连，横梁可上下滑动地套装在立柱上，横梁中间与载荷传感器相连，载荷传感器下方与上夹头相连。以及一种试验机的控制方法。本发明高频段工作时保持输出载荷力和振幅、实现谐振疲劳试验。

Description

电液谐振高频疲劳试验机及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种疲劳试验机及其控制方法。

背景技术

电液式疲劳试验机具有振动输出载荷大的特点，结构较大、载荷要求高的零部件一般都采用电液式疲劳试验机进行疲劳试验，但受伺服阀频宽限制，电液式疲劳试验机的工作频率在2Hz～100Hz之间。美国MTS公司与密西根理工大学联合研发一种音圈伺服阀控制方案，将电液疲劳试验系统工作频率提高到1000Hz，但是由于该阀先导和功率级阀口面积随系统频率提高而大幅衰减，系统振动频率、振幅及零点存在耦合干扰，难以实现高精度控制。中国浙江工业大学阮健教授团队采用2D高速转阀控制双出杆液压缸技术，已经成功将电液疲劳试验台的工作频率提高到2000Hz，但是该方案也存在系统高频段工作时，输出载荷力和振幅严重衰减问题。

发明内容

为了克服已有疲劳试验机高频段工作时输出载荷力和振幅严重衰减的不足，本发明提供一种高频段工作时保持输出载荷力和振幅、实现谐振疲劳试验的电液谐振高频疲劳试验机及其控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种电液高频疲劳试验机，包括工作台、设于工作台下方的二位三通双自由度电液控制阀、设于工作台下方的单出杆主液压缸、设于工作台上方两侧有两个立柱、设于工作台上方立柱外侧有两个升降保持液压油缸和设于工作台上方的横梁，所述二位三通双自由度电液控制阀的出油口与单出杆主液压缸的活塞杆无杆端腔连通，单出杆主液压缸的活塞杆无杆端安装用以测量所述单出杆主液压缸杆腔长度的位移传感器，所述单出杆主液压缸的活塞杆端与下夹头相连，所述两个升降保持液压油缸体底部与工作台相连，所述两个升降保持液压油缸活塞杆顶端与横梁相连，所述横梁可上下滑动地套装在立柱上，所述横梁中间与载荷传感器相连，所述载荷传感器下方与上夹头相连。

一种电液高频疲劳试验机实现的控制方法，所述控制方法中，根据所述位移传感器所测得所述单出杆主液压缸无杆腔长度y_p0，通过等式①算出电液疲劳试验机固有频率f₀，

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K_L}{m_t}+\frac{E_h{A}_1}{m_t{y}_{p0}}}$ ①

式中：K_L为负载等效弹性刚度，N/m；m_t为等效质量，kg；E_h为液压弹性模量，MPa；A₁为活塞杆无杆腔侧端面积，m²；y_p0为液压缸无杆腔初始长度，m；

通过控制二位三通2D阀阀口轴向开度值和阀芯旋转速度，分别实现对电液谐振疲劳试验机所述单出杆主液压缸输出振动幅值控制和振动频率控制。通过对所述下夹头振动波形的测量与频谱分析，得到振动幅值反馈和振动频率反馈信号，对所述二位三通2D阀阀口轴向开度值和阀芯旋转速度值修正，使所述下夹头的振幅和振动频率达到既定要求。

本发明的技术构思为：般的电液伺服疲劳试验机是有电液伺服阀控制液压缸，液压缸对试件施加作用力，这种控制方式大部分能量损耗在伺服阀和溢流阀的节流口上，工作效率低、功耗大。谐振电液高频疲劳试验机工作时，试件吸收的能量几乎完全释放，高效、能耗小。通过升降保持液压油缸调节单出杆主液压缸无杆腔的容积，实现改变电液高频疲劳试验机的固有频率，实现电液高频疲劳试验机全频段谐振工作。

本发明的有益效果主要表现在：1、提出变谐振频率的技术方案，通过举升液压缸改变单出杆主液压缸无杆腔容腔的体积，来改变液压系统的固有频率，使系统谐振频率为可控；

2、将变谐振频率技术在电液疲劳试验系统中进行应用研究，使系统的固有频率与试验频率保持一致，在谐振点对疲劳试验进行疲劳试验，利用谐振能量节约能源，同时通过谐振幅值控制对幅值进行控制。

附图说明

图1是一种电液高频疲劳试验机基本结构图。

图2是一种电液高频疲劳试验机变谐振控制原理图。

图3是一种电液高频疲劳试验机信号流程图。

图4是下夹头输出波形频谱特性图。

图5是下夹头输出波形相频特性图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图5，一种电液高频疲劳试验机，包括工作台1、设于工作台下方的二位三通双自由度电液控制阀2(简称2D阀)、设于工作台下方的单出杆主液压缸3、设于工作台上方两侧有两个立柱5、设于工作台上方立柱外侧有两个升降保持液压油缸4、设于工作台上方的横梁6，所述单出杆主液压缸3的活塞杆端与下夹头10相连，所述两个升降保持液压油缸体底部与工作台1相连，所述两个升降保持液压油缸活塞杆顶端与横梁6相连，所述横梁6可以沿着立柱上下滑动，所述横梁6中间与载荷传感器7相连，所述载荷传感器7下方与上夹头8相连，所述上夹头8与下夹头10之间为试件9，单出杆主液压缸3的活塞杆无杆端安装用以测量所述单出杆主液压缸3无杆腔长度的位移传感器。

本实施例的电液谐振疲劳试验机控制方法中，所述升降保持液压油缸体底部与工作台连接，活塞杆顶部与横梁连接。同步控制升降保持液压油缸可以实现横梁沿立柱上升或下降。

所述横梁两侧与升降保持液压油缸活塞杆相连，横梁中间与载荷传感器相连。横梁沿着立柱上升或下降，带动载荷传感器同步上升或下降。

所述载荷传感器顶部与横梁相连，底部与上夹头相连。载荷传感器的上升或下降，带动上夹头同步上升或下降。

所述上夹头顶部与载荷传感器相连，底部与试件相连。上夹头的上升或下降，带动试件同步上升或下降。

所述下夹头顶部与试件相连，底部与单出杆主液压缸活塞杆顶部相连。试件的上升或下降，带动下夹头同步上升或下降。

单出杆主液压缸缸体顶部与工作台相连，无杆腔与二位三通2D阀相连，有杆腔与油源相连，活塞杆顶部与下夹头相连，活塞杆无杆端装有位移传感器。下夹头的上升或下降，同步带动活塞杆上升或下降，同时改变单出杆主液压缸无杆腔容积，达到改变电液疲劳试验机固有频率的目的。

参照图1，同步控制所述举升保持液压缸4上升或下降运动，所述横梁6沿着立柱5上升或下降运动，所述载荷传感器7、所述上夹头8、所述试件9、所述下夹头10和所述单出杆主液压缸3活塞杆连同所述横梁6上升或下降运动，所述位移传感器11可以测量所述单出杆主液压缸3无杆腔长度，通过算法得出电液疲劳试验机变化后的固有频率；控制所述二位三通2D阀阀芯旋转运动，实现控制所述单出杆主液压缸3活塞杆振动频率发生变化与电液疲劳试验机新的固有频率相匹配，达到谐振目的；控制所述二位三通2D阀阀芯轴向运动，实现改变2D阀阀口开度大小，实现控制2D阀阀口流量，实现改变所述单出杆主液压缸3无杆腔流量大小，实现改变所述单出杆主液压缸3活塞杆振幅，达到控制所述试件9振幅的目的。

参照图2，根据所述位移传感器11所测得所述单出杆主液压缸无杆腔长度y_p0，通过等式①算出电液疲劳试验机固有频率f₀，

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K_L}{m_t}+\frac{E_h{A}_1}{m_t{y}_{p0}}}$ ①

式中：K_L为负载等效弹性刚度，N/m；m_t为等效质量，kg；E_h为液压弹性模量，MPa；A₁为活塞杆无杆腔侧端面积，m²；y_p0为液压缸无杆腔初始长度，m；

通过控制二位三通2D阀2阀口轴向开度值和阀芯旋转速度，分别实现对电液谐振疲劳试验机所述单出杆主液压缸3输出振动幅值控制和振动频率控制。通过对所述下夹头振动波形的测量与频谱分析，得到振动幅值反馈和振动频率反馈信号，对所述二位三通2D阀2阀口轴向开度值和阀芯旋转速度值修正，使所述下夹头10的振幅和振动频率达到既定要求。

Claims (2)

1.一种电液高频疲劳试验机，其特征在于：所述试验机包括工作台、设于工作台下方的二位三通双自由度电液控制阀、设于工作台下方的单出杆主液压缸、设于工作台上方两侧有两个立柱、设于工作台上方立柱外侧有两个升降保持液压油缸和设于工作台上方的横梁，所述二位三通双自由度电液控制阀的出油口与单出杆主液压缸的活塞杆无杆端腔连通，单出杆主液压缸的活塞杆无杆端安装用以测量所述单出杆主液压缸杆腔长度的位移传感器，所述单出杆主液压缸的活塞杆端与下夹头相连，所述两个升降保持液压油缸体底部与工作台相连，所述两个升降保持液压油缸活塞杆顶端与横梁相连，所述横梁可上下滑动地套装在立柱上，所述横梁中间与载荷传感器相连，所述载荷传感器下方与上夹头相连。

2.一种如权利要求1所述的电液高频疲劳试验机实现的控制方法，其特征在于：所述控制方法中，根据所述位移传感器所测得所述单出杆主液压缸无杆腔长度y_p0，通过等式①算出电液疲劳试验机固有频率f₀，

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}}\sqrt{\frac{K_L}{m_t}+\frac{E_h{A}_1}{m_t{y}_{p0}}}$ ①

式中：K_L为负载等效弹性刚度，N/m；m_t为等效质量，kg；E_h为液压弹性模量，MPa；A₁为活塞杆无杆腔侧端面积，m²；y_p0为液压缸无杆腔初始长度，m；

通过控制二位三通2D阀阀口轴向开度值和阀芯旋转速度，分别实现对电液谐振疲劳试验机所述单出杆主液压缸输出振动幅值控制和振动频率控制。通过对所述下夹头振动波形的测量与频谱分析，得到振动幅值反馈和振动频率反馈信号，对所述二位三通2D阀阀口轴向开度值和阀芯旋转速度值修正，使所述下夹头的振幅和振动频率达到既定要求。

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