CN109342208B - 大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备，在设备组成上包括加载机承载装置、载荷输出装置、加载力控制装置，所述载荷输出装置用于输出加载到材料上的载荷力，所述加载机承载装置用于将载荷输出装置的载荷力传递到材料上，加载力控制装置用于载荷力加载过程的载荷精密控制。本发明的技术方案提供了适用于炸药材料静力学性能测试中的一种安全型、静力精确可控加载的模拟静力载荷加载的装置。

Description

大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备

技术领域

本发明涉及材料静力学性能测试技术领域，特别涉及一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备。

背景技术

材料的强度性能是材料作为机械部件最重要的指标之一，大型装备、军工复合材料、含能材料的强度性能关系到大型装备的安全、武器装备的可靠性与安全性。

各项异性复合材料在长寿命使用中，由于静力载荷、高低温温度载荷、疲劳载荷、蠕变载荷等各种载荷的作用下，强度性能发生变化。强度性能蜕化已经成为材料在长寿命使用中最容易出现的问题之一。

炸药材料作为一种各项异性复合材料，受到静力载荷下其强度降低，严重影响炸药材料的力学强度性能。为开展炸药材料的寿命评估，建立炸药材料的寿命模型，需研究炸药材料的静力载荷与强度寿命的关系，急需建立一套适用于炸药材料的大吨位、静力载荷精密可控型、安全型的静力精确加载装置。

现有的静力加载机只满足低吨位(10T以下)的精密可控加载功能、且在低载荷区域存在压力精密控制死区、无法满足全载荷域的载荷精密控制功能，无法满足大吨位、静力载荷精密控制加载需求。另外，现有的静力加载机的安全控制性能较低，无法满足炸药材料的静力加载模拟所需的安全控制性能。

为满足炸药材料的静力强度测试与评价需求，急需发明一台大吨位、静力载荷精密控制型、安全控制型的静力载荷加载装置。

发明内容

本发明的目的是克服上述背景技术中不足，提供一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备，具体是一种适用于炸药材料静力学性能测试中的一种安全型、静力精确可控加载的模拟静力载荷加载的装置，包括加载机的承载装置设计方法，大吨位加载力的提供方法，加载力的精确可控加载控制方法，加载力的精确测试方法，以及被加载炸药材料损伤或者破坏后的安全控制方法，可满足炸药材料的静力强度测试与评价需求。

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

首先，本发明公开了一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备的具体设计，包括：加载机承载装置、载荷输出装置、加载力控制装置；其中：

加载机承载装置主要用于将载荷输出装置的载荷力传递到材料上，因此，加载机承载装置的机械材料需满足大吨位载荷加载所需的强度要求，一般至少按照薄弱部位所承受载荷的四倍进行冗余设计；加载机承载装置底部安装负荷传感器，负荷传感器应确保所有的加载力均作用到负荷传感器上实现负荷量可靠测量，同时，加载机承载装置与载荷输出装置应连接可靠，从而确保载荷加载过程中平稳、无振动；

载荷输出装置是实现大吨位、全载荷域静力精密加载的本质核心部件，是保证材料静力精确加载模拟设备性能的基础部件，本发明中的载荷输出装置采用液压精密伺服阀驱动技术实现，载荷输出装置在组成上包括液压站、液压控制模组、液压控制阀、液压油缸、液压测试仪表等；载荷输出装置组件的液压回路至少满足空载下快速位移控制要求，主要实现加载冲头的上行与下行功能；液压回路还需满足有载荷下的加载与卸载精密载荷控制要求，主要实现加载与卸载过程的加载速度可按照设定曲线精密控制功能；液压加载回路还需满足材料断裂时候突然失载下的安全保护功能，实现加载装置失载下冲头不过冲；液压油缸的线性载荷输出功能主要实现将一定的液压压强力线性加载到材料与负荷传感器上；

加载力控制装置主要实现液压站的驱动电机、液压控制开关阀与比例阀的控制，结合负荷传感器、液压油缸位移传感器、液压压强传感器，实现大吨位加载力加载过程的载荷精密控制，是静力精密加载装置的中枢系统；加载力控制装置组成上包括了：电气控制中枢系统、远程操作计算机、近地操作控制箱等；加载力控制装置至少需满足加载装置的冲头的上行与下行控制，载荷的加载与卸载控制，加载机的近地控制、液压站的触摸屏控制与远程计算机控制等功能；还需满足材料加载过程的安全控制功能；另外还需承担负荷、压强、位移的检测测量功能。

针对上述加载机承载装置的设计要求，本发明的技术方案具体公开了一种满足上述设计要求的加载机承载装置，具体包括：

1)加载机承载装置采用框架式或者四柱式液压机的机械结构，组成上包括：下横梁、底座、承载柱、上横梁；

2)上横梁、下横梁与承载柱组成了加载装置承载力主体，应采用机械强度有限元分析法计算其强度薄弱环节，承载装置的载荷冗余应不低于4倍；

3)承载柱的高度决定了加载装置的可使用作业的高度，承载柱的高度H_total根据上横梁与下横梁的距离H_eff、负荷传感器螺纹接口高度H_down、油缸冲头螺纹高度H_up计算，数值关系为：H_total＝H_eff+H_down+H_up，其中：上横梁面与下横梁面的距离确定了静力加载设备的有效作业高度；

4)底座用于承载整个承载装置主体与加载力，底座需具备足够的强度；底座还需满足承载装置主体的平衡度要求，且满足便于安装、移动，且保证整个承载装置的平稳、无振动；

5)下横梁安装在底座上，下横梁上安装有负荷传感器，下横梁需具备足够的强度；

6)负荷传感器上需采用标准螺纹连接接口，方便设计适用于炸药材料结构形状的加载工装；

7)上横梁上安装有液压油缸，油缸冲头采用标准螺纹连接接口，方便设计适用于炸药材料结构形状的加载工装。

同时，本发明还公开了上述大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备的载荷输出液压驱动系统的设计方法，具体包括：

1)液压驱动系统采用电控伺服阀驱动控制型液压系统，电机驱动液压泵提供液压油源，液压方向控制阀、液压比例流量阀与液压比例溢流阀分别控制液压油的方向、流量与压强，液压力输出采用精密型液压油缸实现；液压驱动系统组成上包括：液压油箱、液压阀控制块、电机、液压泵、液压方向控制阀、液压油路流量控制阀、液压油路比例溢流阀、液压油缸、液压油管、液压油表与液压等；

2)液压油箱体积V_box按照液压油缸的体积V_cyl、液压油管管径d_pipe与长度L_pipe计算，即加载到达液压最高工作压力后液压系统介质油输出量最大，此时液压站剩余液压油的液位高度不低于液压油箱液位满高度的三分之二，以确保液压系统长期工作随着液压油挥发或泄露后液压系统仍可靠；

3)液压油缸的机械强度、缸内直径、有效工作行程、缸内密封性能、油缸运动机构柔顺性能设计需综合考虑高压泵的出口压力、载荷高精度线性控制要求进行计算，具体为：为充分发挥液压泵性能并考虑密封性能，液压泵最高工作压强一般以20MPa计算静力加载装置的最大载荷力；最大载荷力决定了油缸缸径；油缸机械强度需按照最高工作压强进行冗余设计；液压油缸最低工作行程根据静力加载装置的有效作业高度H₁与加载时炸药材料的高度H₀共同确定，最低工作行程不低于H₁-H₀；液压油缸进口安装压强传感器，用于监测液压缸的缸内压强；

4)液压泵阀块的功能至少应包括：液压冲头下行、上行、加载与卸载；液压泵阀块根据液压图纸与动作表设计，与液压驱动电机、液压泵、油泵出口压力表、各种液压阀共同实现液压的介质油方向、介质油压强、介质油流量的控制；

5)液压驱动系统共包含两路液压驱动电机回路，一路负责快速位移控制功能，一路负责载荷控制功能；两路液压驱动电机回路均包括液压驱动电机、液压泵、液压介质油油表；其中，为避免低压泵驱动下油缸冲头接触承载材料导致低负荷段加载过程不柔顺，一般要求低压泵的液压出口压力不高于低压泵安全运行压力，可设置为1MPa，低压泵的出口流量Fl_lp按照油缸冲头的空程位移速度V_lp要求设计，数值上等于空程位移速度V_lp与缸径面积S_cyl之积；高压泵的最高液压出口压力不低于20Mpa(液压最高工作压强)，高压泵的出口流量Fl_hp按照油缸冲头的载荷控制速度Ld_hp要求、并结合比例流量阀的流量特性设计，数值上计算方法如下：

其中：C为液压介质油压缩系数；S_cyl为油缸缸径面积；S_val为比例流量阀通径；V_cyl为油缸充满介质油后的体积；

两个液压介质油油表用于监视液压泵的出口压力，便于加载系统的调试、故障判定与维修；

6)液压方向控制阀主要包括了高低压油路选择切换阀、高压油路通断控制阀、油缸管路通断控制阀、上行与下行油路切换阀等功能；

7)液压比例流量阀主要实现载荷加载模式下的位移精确控制模式，实现加载过程中位移高精度控制；液压比例流量阀的进出口承载油压不低于液压最高工作压强一般为20MPa；液压比例流量阀的通径特性需线性、且低流量死区；液压比例流量阀最大通径根据加载过程中位移控制最大值设计；

8)液压比例溢流阀主要实现载荷加载模式下的载荷精确控制模式，实现加载过程中载荷高精度控制；液压比例溢流阀的进出口承载油压不低于液压最高工作压强；液压比例溢流阀的溢流特性需单调、且低压死区；液压比例溢流阀最大溢流压力按照不低于液压最高工作压强设计；

9)液压驱动系统的失载安全控制方法为：失载下，液压系统的液压锁会闭锁液压回路，将高压介质油闭锁截止，防止对承载部件造成二次冲击加载。

同时，本发明还公开了一种上述大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备的加载力控制系统的设计方法，具体包括：

1)加载力控制系统结合可编程逻辑控制器、触摸屏、计算机组态软件控制、工业以太网通信技术进行设计，加载力控制系统组成上至少包括：电气控制柜、远程控制计算机、近地控制操作箱、液压站控制触摸屏系统、可编程逻辑控制系统与控制软件、计算机组态控制软件等；加载力控制系统功能上至少包括：电机控制回路、电源转换回路、系统控制按钮、可编程逻辑控制器回路、急停控制回路；加载力控制系统性能上至少包括了：精确上行控制算法、精确下行控制算法、精确加载控制方法、精确卸载控制方法、材料断裂失载安全控制方法等；

2)电气控制柜主要实现各种控制元件的安装与线路连接，是形成控制功能的基础；电气控制柜安装了加载装置总控制开关、电源转换器件、电机控制回路、可编程逻辑控制器部件与回路、安全检测回路等；

3)近地控制操作箱用于在加载装置现场操作加载机，可实现加载机基本的上行、下行、加载、卸载以及急停、操作地选择等功能；

4)液压站控制触摸屏主要实现液压驱动系统各个电机液压泵、液压阀等部件的单动功能，用于调试与设备功能优化；

5)系统控制按钮用于实现所有操作的允许许可功能，只有控制电源接通后所有的动作才能启动，断开控制电源后设备的所有动作均禁止；

6)急停控制回路用于实现液压泵站、近地操作箱、远程计算机控制三处的急停工作，按下急停后，设备的所有动作均停止，以保证设备的运行安全；

7)远程控制计算机运行计算机智能控制组态软件，向可编程逻辑控制器发送控制指令；可编程逻辑控制系统与控制软件完成所有的逻辑控制、先进智能控制算法、安全控制，是整个控制系统的中枢系统；远程控制计算机、触摸屏、可编程逻辑控制器之间通过工业以太网通讯方法实现。

同时，本发明还公开了一种上述大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备的加载力控制系统的加载力控制方法，首先，该加载力控制方法包括了加载力起始段载荷的柔顺控制方法、线性加载过程中的精确线性加载控制方法、线性卸载过程中的精确线性卸载控制方法，加载力控制方法的原理是：加载力控制过程中，液压油缸接触被加载材料后，高压泵与及高压加载相关油路打开，通过控制比例溢流阀与比例流量阀的开度，实现加载与卸载过程的精确控制；

具体的，加载力起始段载荷的柔顺控制方法具体包括：根据实验确定柔顺加载过程中的比例溢流阀、比例流量阀开度，具体为比例溢流阀确保加载起始段不过冲，比例流量阀确保加载过程载荷慢速可控增加；然后，将柔顺加载过程中的比例溢流阀、比例流量阀开度写入可编程逻辑控制器，启动加载过程，当实时载荷值超过起始段载荷阈值后，起始段载荷加载过程结束；

线性加载过程中的精确线性加载控制方法具体包括：根据液压驱动系统选择控制算法，其中，由于溢流阀与液压油缸直连因此不宜采用闭环控制方法，故可采用通过比例溢流阀的开环控制方法实现加载过程线性控制；

首先需要通过实验方法获得比例溢流阀开度与实时载荷的曲线，采用数学计算方法，获得对比例溢流阀开度与实时载荷关系的线性修正补偿函数；根据起始载荷、目标加载载荷、加载时间，在可编程逻辑控制器中按照T秒中断，计算每个T秒时刻的设定加载载荷值；这里表述的T秒中断可根据控制器的资源设计，一般可设为0.1秒～1秒，推荐值为0.1秒，在每个T秒中断累加计算设定载荷值步距对应比例溢流阀开度，并加入线性修正补偿函数；到达目标加载载荷值，加载过程结束，此时可获得精确的载荷加载曲线，满足了加载装置加载过程精确控制需求；若系统继续加载或卸载，可按照加载或卸载精确控制方法实现，但控制软件需设置比例溢流阀看门狗变量，确保比例溢流阀开度始终连续可控变化；

具体的，静力加载过程设定载荷值计算方法为：

其中：F_i ^e表示加载目标压力值，单位：KN；F_i(T)表示T时刻中断的设定压力值，单位：KN；F_i(T+1)表示T+1时刻中断的设定压力值，单位：KN；T^inter表示中断周期，单位为：S；T_i ^e表示加载过程控制时间，单位为：Min。

线性补偿修正函数的数学计算方法为：试验方法获得加载过程中载荷力F与比例溢流阀开度X在离散数值上的关系；通过拟合次数不低于二次方法，获得以载荷力F为自变量、以开度X为因变量的显示关系：X_i＝g_i(F)；对该显示关系求导即可得到在负荷F下，负荷变化一个单位量时开度X的变化量：

采用线性补偿修正函数修正加载曲线线性的方法为：通过开环控制方法获得了每个中断中负荷的段距增量ΔF_i，通过修正公式即可获得需控制的比例溢流阀的开度增量ΔX_i：

线性卸载过程中的精确线性卸载控制方法具体包括：根据液压驱动系统选择控制算法，由于溢流阀与液压油缸直连而不宜采用闭环控制方法，因此采用通过比例溢流阀的开环控制方法实现卸载过程线性控制；通过卸载实验获得比例溢流阀开度与实时载荷的曲线，采用数学计算方法，获得卸载过程的比例溢流阀开度与实时载荷关系的线性修正补偿函数；根据起始载荷、目标卸载载荷、卸载时间，在可编程逻辑控制器中按照T秒中断，计算每个T秒时刻的设定卸载载荷值，这里表述的T秒中断可根据控制器的资源设计，一般可设为0.1秒～1秒，推荐值为0.1秒；在每个T秒中断累加计算设定载荷值步距对应比例溢流阀开度，并加入线性修正补偿函数；到达目标卸载载荷值，卸载过程结束，此时可获得精确的载荷加载曲线，满足了加载装置卸载过程精确控制需求；如同加载过程一样，卸载过程的控制软件里也需设置比例溢流阀看门狗变量，确保比例溢流阀开度始终连续可控变化。

具体的，线性卸载过程中：

设定载荷值计算方法为：

其中：

表示加载目标压力值，单位：KN；F_d(T)表示T时刻中断的设定压力值，单位：KN；F_d(T+1)表示T+1时刻中断的设定压力值，单位：KN；T^inter表示中断周期，单位为：S；

表示加载过程控制时间，单位为：Min；

线性修正补偿函数的数学计算方法为：试验方法获得卸载过程中载荷力F与比例溢流阀开度X在离散数值上的关系；通过拟合次数不低于二次方法，获得以载荷力F为自变量、以开度X为因变量的显示关系：X_d＝g_d(F)；对该显示关系求导即可得到在负荷F下，负荷变化一个单位量时开度X的变化量：

通过线性修正补偿函数修正卸载线性度的方法为：

通过开环控制方法获得静力卸载中每个中断负荷的段距递减量ΔF_d，通过修正公式即可获得需控制的比例溢流阀的开度递减量ΔX_d：

同时，本发明还公开了上述大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备的失载下安全控制方法，由于加载过程中材料部件损伤、断裂、破片或者破碎，可能会造成加载装置失载，安全控制系统可确保失载情况下将载荷安全控制，防止载荷控制过程失控继续对材料部件复压、载荷力不受控冲击加载等不安全行为，因此，失载下的安全控制方法在炸药材料的静力精确加载过程中的需求更为突出，主要包括：失载检测方法、失载安全控制方法；

其中，失载检测方法具体为：材料在受到一定载荷后，加载过程中实时按照失载特性确定实时失载阈值；当某时刻实时载荷值低于该时刻的实时失载阈值时，即可判断为产品失载；

失载安全控制方法具体为：检测到失载后，由于液压站安全闭锁作用液压油介质压力高、而负荷传感器由于失载而载荷值低，此时应采用基于压强传感器的压强控制方法实现卸载；卸载过程可以采用比例溢流阀的开环控制方法，将压强值卸压到安全水平。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：

通过本发明的技术方案提供了一种大吨位、安全型的材料静强度测试的精确加载静力模拟设备的设计方法，满足实验室或者工业科研生产对材料静强度测试研究的静力模拟加载需求，极大推动了材料特别是炸药材料的静强度测试与评价工作。该静力模拟加载设备还可应用于其他混凝土材料、高分子材料等静强度的测试与评价。

附图说明

图1是本发明的大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备的示意图。

图2是本发明的大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备的液压原理示意图。

图3是本发明的大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备的加载力控制系统的示意图。

图4是本发明的加载力控制系统的精确线性加载控制方法的示意图。

图5是本发明的加载力控制系统的精确线性卸载控制方法的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明的实施例对本发明作进一步的阐述和说明。

实施例：

如图1所示，一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备的具体设计，包括：加载机承载装置、载荷输出装置、加载力控制装置；其中：

加载机承载装置主要用于将载荷输出装置的载荷力传递到炸药材料上，因此，加载机承载装置的机械材料需满足大吨位载荷加载所需的强度要求，一般至少按照薄弱部位所承受载荷的四倍进行冗余设计；加载机承载装置底部安装负荷传感器，负荷传感器应确保所有的加载力均作用到负荷传感器上实现负荷量可靠测量，同时，加载机承载装置与载荷输出装置应连接可靠，从而确保载荷加载过程中平稳、无振动。

载荷输出装置是实现大吨位、全载荷域静力精密加载的本质核心部件，是保证材料静力精确加载模拟设备性能的基础部件，本发明中的载荷输出装置采用液压精密伺服阀驱动技术实现，载荷输出装置在组成上包括液压站、液压控制模组、液压控制阀、液压油缸、液压测试仪表等；载荷输出装置组件的液压回路至少满足空载下快速位移控制要求，主要实现加载冲头的上行与下行功能；液压回路还需满足有载荷下的加载与卸载精密载荷控制要求，主要实现加载与卸载过程的加载速度可按照设定曲线精密控制功能；液压加载回路还需满足炸药材料断裂时候突然失载下的安全保护功能，实现加载装置失载下冲头不过冲；液压油缸的线性载荷输出功能主要实现将一定的液压压强力线性加载到炸药材料与负荷传感器上。

加载力控制装置主要实现控制液压站的驱动电机、液压控制开关阀与比例阀的控制，结合负荷传感器、液压油缸位移传感器、液压压强传感器，实现大吨位加载力加载过程的载荷精密控制，是静力精密加载装置的中枢系统；加载力控制装置组成上包括了：电气控制中枢系统、远程操作计算机、近地操作控制箱等；加载力控制装置至少需满足加载装置的冲头的上行与下行控制，载荷的加载与卸载控制，加载机的近地控制、液压站的触摸屏控制与远程计算机控制等功能；还需满足炸药材料加载过程的安全控制功能；另外还需承担负荷、压强、位移的检测测量功能。

具体的，本实施例中的加载机承载装置，具体包括：

1)加载机承载装置采用框架式或者四柱式液压机的机械结构，组成上包括：下横梁、底座、承载柱、上横梁；

2)上横梁、下横梁与承载柱组成了加载装置承载力主体，应采用机械强度有限元分析法计算其强度薄弱环节，承载装置的载荷冗余应不低于4倍；

3)承载柱的高度决定了加载装置的可使用作业的高度，承载柱的高度H_total根据上横梁与下横梁的距离H_eff、负荷传感器螺纹接口高度H_down、油缸冲头螺纹高度H_up计算，数值关系为：H_total＝H_eff+H_down+H_up，其中：上横梁面与下横梁面的距离确定了静力加载设备的有效作业高度；

4)底座用于承载整个承载装置主体与加载力，底座需具备足够的强度；底座还需满足承载装置主体的平衡度要求，且满足便于安装、移动，且保证整个承载装置的平稳、无振动；

5)下横梁安装在底座上，下横梁上安装有负荷传感器，下横梁需具备足够的强度；

6)负荷传感器上需采用标准螺纹连接接口，方便设计适用于炸药材料结构形状的加载工装；

7)上横梁上安装有液压油缸，油缸冲头采用标准螺纹连接接口，方便设计适用于炸药材料结构形状的加载工装。

具体的，如图2所示为本实施例的大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备的液压原理示意图，本实施例中的载荷输出液压驱动系统的具体设计为：

1)液压驱动系统采用电控伺服阀驱动控制型液压系统，电机驱动液压泵提供液压油源，液压方向控制阀、液压油路比例流量阀(简称比例流量阀)与液压油路比例溢流阀(简称比例溢流阀)分别控制液压油的方向、流量与压强，液压力输出采用精密型液压油缸实现；液压驱动系统组成上包括：液压油箱、液压阀控制块、电机、液压泵、液压方向控制阀、液压油路流量控制阀、液压油路比例溢流阀、液压油缸、液压油管、液压油表与液压油等。

具体的，图2中具体示意出了液压驱动系统中关键的零部件及其连接关系，具体为：各个关键部件的具体连接关系为：液压油箱与空载运行泵和加载泵连接，为液压系统提供油源，空载运行泵连接到下行回程液压阀，用于控制进入液压油缸的液压油实现下行与回程；比例溢流阀连接加载泵与比例流量阀，比例流量阀与下行回程液压阀共同连接到液压油缸，比例溢流阀控制加载泵输出给液压油缸的压力，比例流量阀控制进入液压油缸的流量，实现加载与卸载控制功能。

2)液压油箱体积V_box按照液压油缸的体积V_cyl、液压油管管径d_pipe与长度L_pipe计算，加载到达液压最高工作压力后液压系统介质油输出量最大，此时液压站剩余液压油的液位高度不低于液压油箱液位满高度的三分之二，以确保液压系统长期工作随着液压油挥发或泄露后液压系统仍可靠；

3)液压油缸的机械强度、缸内直径、有效工作行程、缸内密封性能、油缸运动机构柔顺性能设计需综合考虑高压泵的出口压力、载荷高精度线性控制要求进行计算，具体为：为充分发挥液压泵性能并考虑密封性能，液压泵最高工作压强一般以20MPa计算静力加载装置的最大载荷力；最大载荷力决定了油缸缸径；油缸机械强度需按照最高工作压强进行冗余设计；液压油缸最低工作行程根据静力加载装置的有效作业高度H₁与加载时炸药材料的高度H₀共同确定，最低工作行程不低于H₁-H₀；液压油缸进口安装压强传感器，用于监测液压缸的缸内压强；

4)液压泵阀块的功能至少应包括：液压冲头下行、上行、加载与卸载；液压泵阀块根据液压图纸与动作表设计，与液压驱动电机、液压泵、油泵出口压力表、各种液压阀共同实现液压的介质油方向、介质油压强、介质油流量的控制；

5)液压驱动系统共包含两路液压驱动电机回路，一路负责快速位移控制功能，一路负责载荷控制功能；两路液压驱动电机回路均包括液压驱动电机、液压泵、液压介质油油表；其中，为避免低压泵驱动下油缸冲头接触承载材料导致低负荷段加载过程不柔顺，一般要求低压泵的液压出口压力不高于低压泵安全运行压力，可设置为1MPa；低压泵的出口流量Fl_lp按照油缸冲头的空程位移速度V_lp要求设计，数值上等于空程位移速度V_lp与缸径面积S_cyl之积；高压泵的最高液压出口压力不低于20MPa，高压泵的出口流量Fl_hp按照油缸冲头的载荷控制速度Ld_hp要求、并结合比例流量阀的流量特性设计，两个液压介质油油表用于监视液压泵的出口压力，便于加载系统的调试、故障判定与维修。

其中，低压泵的出口流量Fl_lp数值上计算方法如下：

其中：C为液压介质油压缩系数；S_cyl为油缸缸径面积；S_val为比例流量阀通径；V_cyl为油缸充满介质油后的体积。

6)液压方向控制阀主要包括了高低压油路选择切换阀、高压油路通断控制阀、油缸管路通断控制阀、上行与下行油路切换阀等功能。

7)液压比例流量阀主要实现载荷加载模式下的位移精确控制模式，实现加载过程中位移高精度控制；液压比例流量阀的进出口承载油压不低于液压最高工作压强；液压比例流量阀的通径特性需线性、且低流量死区；液压比例流量阀最大通径根据加载过程中位移控制最大值设计。

8)液压比例溢流阀主要实现载荷加载模式下的载荷精确控制模式，实现加载过程中载荷高精度控制；液压比例溢流阀的进出口承载油压不低于液压最高工作压强如20MPa；液压比例溢流阀的溢流特性需单调、且低压死区；液压比例溢流阀最大溢流压力按照不低于液压最高工作压强设计。

9)液压驱动系统的失载安全控制方法为：失载下，液压系统的液压锁会闭锁液压回路，将高压介质油闭锁截止，防止对承载部件造成二次冲击加载。

具体的，如图3所示，本实施例中的大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备的加载力控制系统的具体设计包括：

1)加载力控制系统结合可编程逻辑控制器、触摸屏、计算机组态软件控制、工业以太网通信技术进行设计，加载力控制系统组成上至少包括：电气控制柜、远程控制计算机、近地控制操作箱、液压站控制触摸屏系统、可编程逻辑控制系统与控制软件、计算机组态控制软件等；加载力控制系统功能上至少包括：电机控制回路、电源转换回路、系统控制按钮、可编程逻辑控制器回路、急停控制回路；加载力控制系统性能上至少包括了：精确上行控制算法、精确下行控制算法、精确加载控制方法、精确卸载控制方法、材料断裂失载安全控制方法等。

2)电气控制柜主要实现各种控制元件的安装与线路连接，是形成控制功能的基础；电气控制柜安装了加载装置总控制开关、电源转换器件、电机控制回路、可编程逻辑控制器部件与回路、安全检测回路等。

3)近地控制操作箱用于在加载装置现场操作加载机，可实现加载机基本的上行、下行、加载、卸载以及急停、操作地选择等功能。

4)液压站控制触摸屏主要实现液压驱动系统各个电机液压泵、液压阀等部件的单动功能，用于调试与设备功能优化；

5)系统控制按钮用于实现所有操作的允许许可功能，只有控制电源接通后所有的动作才能启动，断开控制电源后设备的所有动作均禁止；

6)急停控制回路用于实现液压泵站、近地操作箱、远程计算机控制三处的急停工作，按下急停后，设备的所有动作均停止，以保证设备的运行安全；

7)远程控制计算机运行计算机智能控制组态软件，向可编程逻辑控制器发送控制指令；可编程逻辑控制系统与控制软件完成所有的逻辑控制、先进智能控制算法、安全控制，是整个控制系统的中枢系统；远程控制计算机、触摸屏、可编程逻辑控制器之间通过工业以太网通讯方法实现。

本实施例中，大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备的加载力控制系统的加载力控制方法具体包括：

如图4至图5所示，首先，该加载力控制方法包括了加载力起始段载荷的柔顺控制方法、线性加载过程中的精确线性加载控制方法、线性卸载过程中的精确线性卸载控制方法，加载力控制方法的原理是：加载力控制过程中，液压油缸接触被加载材料后，高压泵与及高压加载相关油路打开，通过控制比例溢流阀与比例流量阀的开度，实现加载与卸载过程的精确控制。

具体的，加载力起始段载荷的柔顺控制方法具体包括：根据实验确定柔顺加载过程中的比例溢流阀、比例流量阀开度，具体为比例溢流阀确保加载起始段不过冲，比例流量阀确保加载过程载荷慢速可控增加；然后，将柔顺加载过程中的比例溢流阀、比例流量阀开度写入可编程逻辑控制器，启动加载过程，当实时载荷值超过起始段载荷阈值后，起始段载荷加载过程结束。

线性加载过程中的精确线性加载控制方法具体包括：根据液压驱动系统选择控制算法，其中，由于溢流阀与液压油缸直连因此不宜采用闭环控制方法，故可采用通过比例溢流阀的开环控制方法实现加载过程线性控制。

首先需要通过实验方法获得比例溢流阀开度与实时载荷的曲线，采用数学计算方法，获得对比例溢流阀开度与实时载荷关系的线性修正补偿函数；根据起始载荷、目标加载载荷、加载时间，在可编程逻辑控制器中按照0.1秒中断，计算每个0.1秒中断时刻的设定加载载荷值，在每个0.1秒中断累加计算设定载荷值步距对应比例溢流阀开度，并加入线性修正补偿函数；到达目标加载载荷值，加载过程结束，此时可获得精确的载荷加载曲线，满足了加载装置加载过程精确控制需求；若系统继续加载或卸载，可按照加载或卸载精确控制方法实现，但控制软件需设置比例溢流阀看门狗变量，确保比例溢流阀开度始终连续可控变化。

具体的，线性加载过程中设定载荷值计算方法为：

其中：F_i ^e表示加载目标压力值，单位：KN；F_i(T)表示T时刻中断的设定压力值，单位：KN；F_i(T+1)表示T+1时刻中断的设定压力值，单位：KN；T^inter表示中断周期，单位为：S；T_i ^e表示加载过程控制时间，单位为：Min。

线性修正补偿函数的数学计算方法为：试验方法获得加载过程中载荷力F与比例溢流阀开度X在离散数值上的关系；通过拟合次数不低于二次方法，获得以载荷力F为自变量、以开度X为因变量的显示关系：X_i＝g_i(F)；对该显示关系求导即可得到在负荷F下，负荷变化一个单位量时开度X的变化量：

采用线性修正补偿函数修正加载曲线线性的方法为：通过开环控制方法获得了每个中断中负荷的段距增量ΔF_i，通过修正公式即可获得需控制的比例溢流阀的开度增量ΔX_i：

线性卸载过程中的精确线性卸载控制方法具体包括：根据液压驱动系统选择控制算法，由于溢流阀与液压油缸直连而不宜采用闭环控制方法，因此采用通过比例溢流阀的开环控制方法实现卸载过程线性控制；通过卸载实验获得比例溢流阀开度与实时载荷的曲线，采用数学计算方法，获得卸载过程的比例溢流阀开度与实时载荷关系的线性修正补偿函数；根据起始载荷、目标卸载载荷、卸载时间，在可编程逻辑控制器中按照0.1秒中断，计算每个0.1秒时刻的设定卸载载荷值；在每个0.1秒中断累加计算设定载荷值步距对应比例溢流阀开度，并加入线性修正补偿函数；到达目标卸载载荷值，卸载过程结束，此时可获得精确的载荷加载曲线，满足了加载装置卸载过程精确控制需求；如同加载过程一样，卸载过程的控制软件里也需设置比例溢流阀看门狗变量，确保比例溢流阀开度始终连续可控变化。

具体的，线性卸载过程中：设定载荷值计算方法为：

其中：

表示加载目标压力值，单位：KN；F_d(T)表示T时刻中断的设定压力值，单位：KN；F_d(T+1)表示T+1时刻中断的设定压力值，单位：KN；T^inter表示中断周期，单位为：S；

表示加载过程控制时间，单位为：Min。

线性修正补偿函数的数学计算方法为：试验方法获得卸载过程中载荷力F与比例溢流阀开度X在离散数值上的关系；通过拟合次数不低于二次方法，获得以载荷力F为自变量、以开度X为因变量的显示关系：X_d＝g_d(F)；对该显示关系求导即可得到在负荷F下，负荷变化一个单位量时开度X的变化量：

通过线性修正补偿函数修正卸载线性度的方法为：通过开环控制方法获得静力卸载中每个中断负荷的段距递减量ΔF_d，通过修正公式即可获得需控制的比例溢流阀的开度递减量ΔX_d：

作为优选，本实施例中还公开了上述大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备的失载下安全控制方法，由于加载过程中材料部件损伤、断裂、破片或者破碎，可能会造成加载装置失载，安全控制系统可确保失载情况下将载荷安全控制，防止载荷控制过程失控继续对材料部件复压、载荷力不受控冲击加载等不安全行为，因此，失载下的安全控制方法在炸药材料的静力精确加载过程中的需求更为突出，主要包括：失载检测方法、失载安全控制方法；

其中，失载检测方法具体为：材料在受到一定载荷后，加载过程中实时按照失载特性确定实时失载阈值；当某时刻实时载荷值低于该时刻的实时失载阈值时，即可判断为产品失载；

失载安全控制方法具体为：检测到失载后，由于液压站安全闭锁作用液压油介质压力高、而负荷传感器由于失载而载荷值低，此时应采用基于压强传感器的压强控制方法实现卸载；卸载过程可以采用比例溢流阀的开环控制方法，将压强值卸压到安全水平。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备，其特征在于，在设备组成上包括加载机承载装置、载荷输出装置、加载力控制装置，所述载荷输出装置用于输出加载到材料上的载荷力，所述加载机承载装置用于将载荷输出装置的载荷力传递到材料上，加载力控制装置用于载荷力加载过程的载荷精密控制；

加载机承载装置被设计为：加载机承载装置的机械材料至少满足大吨位载荷加载所需的强度要求，具体至少按照薄弱部位所承受载荷的四倍进行冗余设计，加载机承载装置底部安装负荷传感器，负荷传感器应确保所有的加载力均作用到负荷传感器上实现负荷量可靠测量；加载机承载装置与载荷输出装置连接可靠，确保载荷加载过程中平稳、无振动；

载荷输出装置被设计为：载荷输出装置采用液压精密伺服阀驱动技术实现，载荷输出装置的组成上至少包括液压站、液压控制模组、液压控制阀、液压油缸、液压测试仪表，载荷输出装置的液压回路至少满足以下要求：空载下快速位移控制要求、有载荷下的加载与卸载精密载荷控制要求、突然失载下的安全保护要求，同时，液压油缸具备线性载荷输出功能，以实现将一定的液压压强力线性加载到材料与负荷传感器上；

加载力控制装置被设计为：加载力控制装置用于实现液压站的驱动电机、液压控制阀的控制，结合负荷传感器、液压油缸位移传感器、液压压强传感器，实现大吨位加载力加载过程的载荷精密控制，加载力控制装置的组成上至少包括电气控制中枢系统、远程操作计算机、近地操作控制箱，加载力控制装置至少需满足以下要求：具备加载装置的冲头的上行与下行控制、载荷的加载与卸载控制、静力加载装置的近地控制、液压站的触摸屏控制与远程计算机控制功能；具备材料加载过程的安全控制功能以及承担负荷、压强、位移的检测测量功能；

所述加载机承载装置采用框架式或者四柱式液压机的机械结构，具体组成上包括：下横梁、底座、承载柱、上横梁；

所述上横梁、下横梁与承载柱组成加载机承载装置的承载力主体，应采用机械强度有限元分析法计算承载力主体强度薄弱环节，且加载机承载装置的载荷冗余应不低于4倍；所述承载柱的高度H_total根据上横梁与下横梁的距离H_eff、负荷传感器螺纹接口高度H_down、油缸冲头螺纹高度H_up计算；数值关系为：H_total＝H_eff+H_down+H_up；所述底座用于承载整个加载机承载装置主体与加载力，底座需满足加载机承载装置主体的平衡度要求，所述下横梁安装在底座上，下横梁上安装有负荷传感器；上横梁上安装有液压油缸；

所述大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备还包括载荷输出液压驱动系统，所述载荷输出液压驱动系统采用电控伺服阀驱动控制型液压系统，电机驱动液压泵提供液压油源，液压方向控制阀、液压比例流量阀与液压比例溢流阀分别控制液压油的方向、流量与压强，液压力输出采用精密型液压油缸实现；载荷输出液压驱动系统组成上至少包括：液压油箱、液压阀控制块、电机、液压泵、液压方向控制阀、液压油路流量控制阀、液压比例溢流阀、液压油缸、液压油管、液压油表、液压泵阀块；

其中，液压油箱体积V_box按照液压油缸的体积V_cyl、液压油管管径d_pipe与长度L_pipe计算，即加载到达液压最高工作压强后，液压系统介质油输出量最大，此时，液压站剩余液压油的液位高度不低于液压油箱液位满高度的三分之二，以确保液压系统长期工作随着液压油挥发或泄露后液压系统仍可靠；

液压油缸的机械强度、缸内直径、有效工作行程、缸内密封性能、油缸运动机构柔顺性能设计需综合考虑高压泵的出口压力、载荷高精度线性控制要求进行计算，具体为：为充分发挥液压泵性能并考虑密封性能，液压泵最高工作压力以液压最高工作压强计算静力加载装置的最大载荷力；最大载荷力决定了油缸缸径；油缸机械强度需按照液压最高工作压强进行冗余设计；液压油缸最低工作行程根据静力加载装置的有效作业高度H₁与加载时材料的高度H₀共同确定，液压油缸最低工作行程不低于H₁-H₀；液压油缸进口安装压强传感器，用于监测液压缸的缸内压强；

液压泵阀块根据液压图纸与动作表设计，液压泵阀块用于实现液压冲头下行、上行、加载与卸载；

载荷输出液压驱动系统还包含两路液压驱动电机回路，一路负责快速位移控制功能，一路负责载荷控制功能；两路液压驱动电机回路均包括液压驱动电机、液压泵、液压介质油油表；要求：为避免低压泵驱动下油缸冲头接触承载材料导致低负荷段加载过程不柔顺，要求低压泵的液压出口压力不高于低压泵安全运行压力，低压泵的出口流量Fl_lp按照油缸冲头的空程位移速度V_lp要求设计，低压泵的出口流量Fl_lp数值上等于空程位移速度V_lp与缸径面积S_cyl之积；高压泵的最高液压出口压力不低于液压最高工作压强，高压泵的出口流量Fl_hp按照油缸冲头的载荷控制速度Ld_hp要求、并结合液压比例流量阀的流量特性设计，两个液压介质油油表用于监视液压泵的出口压力，高压泵的出口流量Fl_hp数值上计算方法如下：

其中：C为液压介质油压缩系数；

S_cyl为油缸缸径面积；

S_val为液压比例流量阀通径；

V_cyl为油缸充满介质油后的体积；

液压方向控制阀被设计为：至少具备高低压油路选择切换阀、高压油路通断控制阀、油缸管路通断控制阀、上行与下行油路切换阀的功能；

液压比例流量阀用于实现加载过程中位移高精度控制；液压比例流量阀被设计成如下：进出口承载油压不低于液压最高工作压强，通径特性需线性、且低流量死区，最大通径根据加载过程中位移控制最大值设计；

液压比例溢流阀用于加载过程中载荷高精度控制；液压比例溢流阀被设计成如下：进出口承载油压不低于液压最高工作压强，溢流特性需单调、且低压死区；最大溢流压力按照不低于液压最高工作压强设计；所述大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备还包括加载力控制系统，具体为：

加载力控制系统结合可编程逻辑控制器、触摸屏、计算机组态软件控制、工业以太网通信技术进行设计，加载力控制系统包括结构附件及功能附件，所述结构附件至少包括：电气控制柜、远程控制计算机、近地控制操作箱、液压站控制触摸屏系统、可编程逻辑控制器与控制软件、计算机组态控制软件；所述功能附件至少包括：电机控制回路、电源转换回路、系统控制按钮、可编程逻辑控制器回路、急停控制回路；在所述可编程逻辑控制器与控制软件内至少加载有精确上行控制算法、精确下行控制算法、精确加载控制方法、精确卸载控制方法、材料断裂失载安全控制方法；

所述电气控制柜用于实现各种控制元件的安装与线路连接，电气控制柜内至少安装有加载装置总控制开关、电源转换器件、电机控制回路、可编程逻辑控制器相关部件与回路、安全检测回路；近地控制操作箱用于在加载装置现场操作静力加载装置，近地控制操作箱被设计为：可实现静力加载装置基本的上行、下行、加载、卸载以及急停、操作地选择的功能；液压站控制触摸屏系统用于实现载荷输出液压驱动系统的各个电机液压泵、液压阀部件的单动功能；系统控制按钮用于实现所有操作的允许许可功能，只有控制电源接通后所有的动作才能启动，断开控制电源后设备的所有动作均禁止；急停控制回路用于实现液压站、近地控制操作箱、远程计算机三处的急停工作，启动后设备的所有动作均停止，以保证设备的运行安全；远程控制计算机运行计算机组态控制软件，并向可编程逻辑控制器发送控制指令；可编程逻辑控制器与控制软件完成所有的逻辑控制、先进智能控制算法、安全控制；远程控制计算机、触摸屏、可编程逻辑控制器之间通过工业以太网通讯方法实现通讯；所述加载力控制系统还包括加载力控制方法，所述加载力控制方法包括加载力起始段载荷的柔顺控制方法、线性加载过程中的精确线性加载控制方法、线性卸载过程中的精确线性卸载控制方法，加载力控制方法的原理是：加载力控制过程中，液压油缸接触被加载材料后，高压泵与及高压加载相关油路打开，通过控制液压比例溢流阀与液压比例流量阀的开度，实现加载与卸载过程的精确控制；所述加载力起始段载荷的柔顺控制方法具体包括：

首先，根据实验确定柔顺加载过程中的液压比例溢流阀、液压比例流量阀开度，要求为：液压比例溢流阀确保加载起始段不过冲，液压比例流量阀确保加载过程载荷慢速可控增加；然后，将柔顺加载过程中的液压比例溢流阀、液压比例流量阀开度写入可编程逻辑控制器，启动加载过程，当实时载荷值超过起始段载荷阈值后，起始段载荷加载过程结束；

所述线性加载过程中的精确线性加载控制方法具体包括：

根据液压驱动系统选择控制算法，具体采用通过液压比例溢流阀的开环控制方法实现加载过程线性控制；通过实验方法获得液压比例溢流阀开度与实时载荷的曲线，采用数学计算方法，获得对液压比例溢流阀开度与实时载荷关系的线性修正补偿函数；根据起始载荷、目标加载载荷、加载时间，在可编程逻辑控制器中按照T秒中断，计算每个T秒时刻的设定加载载荷值；在每个T秒中断累加计算设定载荷值步距对应液压比例溢流阀开度，并加入线性修正补偿函数；到达目标加载载荷值，加载过程结束，此时可获得精确的载荷加载曲线；

线性加载过程中：

设定加载载荷值计算方法为：

其中：F_i ^e表示加载目标压力值，单位：KN；

F_i(T)表示T时刻中断的设定加载载荷值，单位：KN；

F_i(T+1)表示T+1时刻中断的设定加载载荷值，单位：KN；

T^inter表示中断周期，单位为：S；

T_i ^e表示加载过程控制时间，单位为：Min；

线性修正补偿函数的数学计算方法为：试验方法获得加载过程中载荷力F与液压比例溢流阀开度X在离散数值上的关系；通过拟合次数不低于二次方法，获得以载荷力F为自变量、以开度X为因变量的显示关系：X_i＝g_i(F)；对该显示关系求导即可得到在载荷力F下，负荷变化一个单位量时开度X的变化量：

采用线性修正补偿函数修正加载曲线线性的方法为：通过开环控制方法获得加载中每个中断中负荷的段距增量ΔF_i，通过修正公式即可获得需控制的液压比例溢流阀的开度增量ΔX_i：

所述线性卸载过程中的精确线性卸载控制方法具体包括：

根据液压驱动系统选择控制算法，具体可采用通过液压比例溢流阀的开环控制方法实现卸载过程线性控制；通过卸载实验获得液压比例溢流阀开度与实时载荷的曲线，采用数学计算方法，获得卸载过程的液压比例溢流阀开度与实时载荷关系的线性修正补偿函数；根据起始载荷、目标卸载载荷、卸载时间，在可编程逻辑控制器中按照T秒中断，计算每个T秒时刻的设定卸载载荷值；在每个T秒中断累加计算设定载荷值步距对应液压比例溢流阀开度，并加入线性修正补偿函数；到达目标卸载载荷值，卸载过程结束，此时可获得精确的载荷加载曲线；

线性卸载过程中：

设定卸载载荷值计算方法为：

其中：

表示加载目标压力值，单位：KN；

F_d(T)表示T时刻中断的卸载载荷值，单位：KN；

F_d(T+1)表示T+1时刻中断的卸载载荷值，单位：KN；

T^inter表示中断周期，单位为：S；

T_d ^e表示加载过程控制时间，单位为：Min；

线性修正补偿函数的数学计算方法为：试验方法获得卸载过程中载荷力F与液压比例溢流阀开度X在离散数值上的关系；通过拟合次数不低于二次方法，获得以载荷力F为自变量、以开度X为因变量的显示关系：X_d＝g_d(F)；对该显示关系求导即可得到在负荷F下，负荷变化一个单位量时开度X的变化量：

通过线性修正补偿函数修正卸载线性度的方法为：

通过开环控制方法获得卸载中每个中断负荷的段距递减量ΔF_d，通过修正公式即可获得需控制的液压比例溢流阀的开度递减量ΔX_d：

2.根据权利要求1所述的一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备，其特征在于，所述T秒中断的取值范围为不小于0.1秒且不大于1秒。

3.根据权利要求1所述的一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备，其特征在于，当加载或卸载过程结束后，若还需继续加载或卸载，可按照所述精确线性加载控制方法或精确线性卸载控制方法实现，其中，可编程逻辑控制器的控制软件需设置液压比例溢流阀看门狗变量，确保液压比例溢流阀开度始终连续可控变化。

4.根据权利要求1所述的一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备，其特征在于，所述加载力控制系统还包括失载下安全控制方法，所述失载下安全控制方法包括：失载检测方法、失载安全控制方法；

所述失载检测方法具体为：材料在受到一定载荷后，加载过程中实时按照失载特性确定实时失载阈值；当某时刻实时载荷值低于该时刻的实时失载阈值时，即判断为产品失载；

所述失载安全控制方法具体为：在检测到失载后采用基于压强传感器的压强控制方法实现卸载；卸载过程采用液压比例溢流阀的开环控制方法，将压强值卸压到安全水平。

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