CN109596436B - 大吨位安全型静力精确加载模拟装置的静力精确驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大吨位安全型静力精确加载模拟装置的静力精确驱动方法，包括应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统的实现方法、静力精确驱动系统设计计算方法、静力精确驱动系统结构设计方法、静力精确驱动系统液压控制功能设计方法、载荷突然失载下的安全控制方法。本发明的方法满足静力精密加载试验对压力控制高精度、柔顺性、安全控制型的需求，该方法可推广应用到其他静力加载装置研制。

Description

大吨位安全型静力精确加载模拟装置的静力精确驱动方法

技术领域

本发明涉及液压控制技术领域，特别涉及一种大吨位安全型静力精确加载模拟装置的静力精确驱动方法。

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。静力精确驱动是静力精确加载模拟装置的静力源，其线性性能与可控性能直接关系到静力精确加载模拟装置的精确性、线性、柔顺性，现有已经公布的液压驱动技术存在可控型性差、控制精度低、无失载保护功能、存在大低压死区等缺点，需发明一种静力精确驱动方法。

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静力精确加载模拟装置的静力精确驱动方法，目的是为静力精确加载模拟装置提供精确、可精密控制、无死区、柔顺性的静力源，满足静力精确加载装置加载部件空程运行中的上行与下行运动控制、加载与卸载过程中的载荷控制与位移控制对静力驱动系统的要求。

为了达到上述的技术效果，本发明采取以下技术方案：

本申请的大吨位安全型静力精确加载模拟装置的静力精确驱动方法中具体包括应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统的实现方法、应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统设计计算方法、应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统结构设计方法、应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统液压控制功能设计方法、应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的载荷突然失载下的安全控制方法。

具体的，应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统的实现方法，具体包括：

首先，考虑到高精密、安全型、长期使用等要求，本方法中，静力精确驱动系统优选采用液压驱动方法实现，通过设计液压驱动控制系统速度可精密控制驱动静力产生，通过液压油缸实现驱动静力线性输出到被模拟加载部件；

同时，本方法的液压驱动系统采用电控伺服阀驱动控制型液压系统，由电机驱动液压泵提供液压油源，由液压方向控制阀、液压比例流量阀与液压比例溢流阀对应控制液压介质油的方向、流量与压强；

最后，本方法中通过精密型的圆筒形液压油缸将方向、流量与压强可控的液压能转化为线性的驱动机械能输出，实现加载冲头的上行与下行、加载与卸载功能。

具体的，本发明的应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统设计计算方法，具体包括：

首先，本方法中设计液压系统的最大工作压力为20Mpa，以符合液压系统通用性的要求；

其次，本方法中具体按照静力精确加载模拟装置的最大静力设计要求，即最大静力等于设计最大压强与油缸有效内径面积的关系，计算得到有效缸径：D_effective，计算公式如式：

其中：P_max表示最大压强，单位：Pa；

F_max表示最大压力，单位：N；

S_effective表示油缸有效内径，单位：m²；

D_effective表示油缸有效内径，单位：m。

同时，本方法中具体按照静力加载模拟实验的装配作业高度H₁与加载时炸药材料的高度H₀确定液压油缸的行程H₂，计算公式为：H₂＝H₁-H₀；

本方法中关于液压油箱体积的计算方法为：按照液压油缸体积V_cy与液压油管道充满后介质油体积V_pipe，按照充满介质油后液压站油箱体积不低于总体积的五分之四的原则，计算出液压站油箱体积V_tank，计算公式为：

V_tank＝5·(V_cy+V_pipe)

其中：V_cy表示液压油缸体积，单位为：m³；

V_pipe表示管道内常压下介质油体积，单位为：m³；

V_tank表示液压站油箱体积，单位为：m³；

本方法中还涉及液压驱动泵源设计方法，具体为：

按照上行与下行的空程速度要求，计算出空程运动中驱动泵源的液压介质油输出流量ν_ZeroLoad，计算方法为根据加满油缸的介质油体积V_VatFull与所用的时间

然后，按照加载与卸载的载荷速度要求设计出有载运动中驱动泵源的液压介质油输出流量ν_Load，计算方法为根据液体压缩公式进行计算加载到最大负荷F_Max所需注入的介质油体积ΔV_Inject，根据加载到最大负荷所需最短时间t_LoadMax计算得到最大的介质油注入速度

作为优选，考虑到比例流量阀工作死区截止特性，当ν_ZeroLoad≥10·ν_Load时，一般需采用两个不同流量的液压泵分别完成空程与有载的液压驱动功能；

具体的，由于空程泵只完成上行与下行动作，负载主要为克服液体惯性与摩擦力，一般选用出口压力在2Mpa以下的低压液压泵，同时，根据加载力所需的液压系统加载工作压力，本方法中设计载荷泵的最大压力应不低于25MPa；

本方法中液压驱动泵电机设计方法具体为：

一般选用三相异步电机驱动，电机的功率Po_Motor根据泵出口压力P_Pump与流量ν_Pump计算：

本方法中比例溢流阀回路设计方法具体为：根据最大工作压力选择液压比例溢流阀，且液压比例溢流阀可闭锁住的最大压力应大于液压系统的最大工作压力；

比例流量阀回路设计方法具体为：根据精确驱动系统的线性度与流量要求，液压比例流量阀的最大流量应与最大加载速度所需的流量匹配。

具体的，本发明的应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统结构设计方法，具体包括：

首先，本方法中设计的静力精确驱动系统在组成包括：液压油箱、液压阀控制块、电机与液压泵、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、液压油缸压力传感器、油缸位移传感器等；

其中，液压油箱为液压系统提供介质油源；液压电机与液压泵为液压系统提供动力，将带压介质油泵入液压阀控制块；各种液压阀(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)与液压阀控制块实现液压油的方向、压强、流量与压力等参数控制；液压油缸用于向精确加载驱动装置输出机械动力与载荷；液压油管实现液压站与液压油缸的介质油管路连接；液压油表用于指示液压泵的输出压力；液压传感器用于测量液压油缸的介质压强；比例溢流阀通过控制开度实现液压油缸压力控制；比例流量阀通过控制流量实现液压油缸压力控制；油缸位移传感器用于测量油缸冲头的绝对位移；

具体的，上述各组成部分的连接安装关系为：液压油箱是液压系统的主体，液压阀控制块、电机与液压泵安装在液压油箱上；液压阀件安装在液压阀控制块上；电机与液压泵连接，液压泵一端连接油箱、另一端连接液压阀控制块；液压油表安装在液压泵的出口；液压油缸压力传感器安装在液压油缸的进口；油缸位移传感器内置于油缸，其运动滑环与油缸冲头一体移动。

同时，本方法中设计的静力精确驱动系统中包含两路液压驱动电机回路，分别由电机与液压泵组成，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电机、液压泵、液压油表；实现快速位移控制功能的电机回路所用的液压泵为低压泵，实现载荷控制功能的电机回路所用的液压泵为高压泵；本设计方法中具体要求低压泵的液压出口压力不高于1MPa，低压泵的出口流量按照油缸冲头的空程位移速度要求设计，即：

F_low＝v_low·S_effective，

其中；v_low为低压泵运行时油缸冲头空程速度，单位：m/s；

F_low为油缸冲头空程运行时低压泵流量，单位：m³/s；

高压泵的最高液压出口压力不低于20MPa，高压泵的出口流量按照油缸冲头的载荷控制速度要求、并结合比例流量阀的流量特性设计，即：

F_high＝v_high·S_effective，

其中；v_high为低压泵运行时油缸冲头空程速度，单位：m/s；

F_high为油缸冲头空程运行时低压泵流量，单位：m³/s；

两个液压油表分别用于监视液压泵的出口压力及用于加载系统的调试、故障判定与维修。

具体的，上述液压方向控制阀被设计为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。

上述液压比例流量阀(即液压油路流量控制阀)被设计为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；其中，液压比例流量阀的进出口承载油压设计为不低于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。

上述液压比例溢流阀(即液压油路比例溢流阀)被设计为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；其中，液压比例溢流阀阀的进出口承载油压设计为不低于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20MPa设计。

具体的，本发明的应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统液压控制功能设计方法，具体包括：

首先，液压控制功能至少应包括：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，液压阀控制块、电机、液压泵、液压油表、液压方向控制阀、液压比例流量控制阀与液压比例溢流阀共同组成了液压的介质油方向、介质油压强、介质油流量的控制；

本方法中设计的下行工作的实现方法为：低压泵启动，低压泵保护阀、回程换向开关阀、下行开关阀、回程开关阀关闭，其余阀件打开，液压比例流量阀与液压比例溢流阀不参与控制，实现将大流量液压油注入油缸上部，油缸下行，驱动输出机构下行；

上行工作的实现方法为：低压泵启动，低压泵保护阀、下行换向开关阀、下行开关阀、回程开关阀关闭，其他阀件打开，液压比例流量阀与液压比例溢流阀不参与控制，实现将大流量液压油注入油缸下部，油缸上行，驱动输出机构上行，实现回程功能；

加载工作的实现方法为：高压泵启动，卸压开关、加载开关与回程开关功能的液压方向控制阀关闭，其他阀件打开，液压比例流量阀与液压比例溢流阀按照高精度线性曲线加载控制算法实时计算比例流量阀开度与比例溢流阀开度，实现将流量可控、加载压力可控的小流量液压油注入油缸上部，油缸液压力上升，实现驱动输出机构向被加载装置加压；

卸载工作的实现方法为：高压泵、低压泵均停止，加载开关功能液压方向控制阀关闭，其他阀件打开，液压比例流量阀与液压比例溢流阀按照高精度线性曲线卸载控制算法计算比例流量阀开度与比例溢流阀开度，实现将流量可控、加载压力可控的小流量液压油从油缸上部卸放，油缸液压力下降，实现驱动输出机构对被加载装置施加的载荷释放；

静态保载工作的实现方法为：高压泵、低压泵均停止，卸压开关功能液压方向控制阀关闭，其他阀件均打开，液压比例流量阀与液压比例溢流阀维持加载或者卸载结束时刻的比例流量阀开度与比例溢流阀开度不变，维持油缸内部的高压环境，实现驱动输出机构对被加载装置施加的载荷保载；

补压工作的实现方法为：高压泵启动，卸压开关、加载开关与回程开关功能液压方向控制阀关闭，其他阀件打开，液压比例流量阀与液压比例溢流阀按照控制柔性线性补压算法计算比例流量阀开度与比例溢流阀开度，实现将流量可控、加载压力可控的小流量液压油注入油缸上部，油缸液压力上升到目标压力，实现驱动输出机构向被加载装置补压。

具体的，本发明的应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的载荷突然失载下的安全控制方法，具体包括载荷突然失载下的安全设计方法及控制操作流程：

载荷突然失载下的安全设计方法为：载荷失载后，液压系统需具备自闭锁功能，液压锁会闭锁液压回路，将高压介质油闭锁截止；控制操作流程包括：立刻切断加载油路的高压泵电机，按照液压力卸压方法、根据设定速度将液压力卸放到安全水平。

本发明与现有技术相比，具有以下的有益效果：

本发明提供了一种应用于材料静强度静力精确加载模拟装置的加载驱动系统设计方法，满足静力精密加载试验对压力控制高精度、柔顺性、安全控制型的需求，该方法可推广应用到其他静力加载装置研制。

附图说明

图1是本发明的静力精确驱动系统结构示意图。

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：

本申请的大吨位安全型静力精确加载模拟装置的静力精确驱动方法中具体包括应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统的实现方法、应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统设计计算方法、应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统结构设计方法、应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统液压控制功能设计方法、应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的载荷突然失载下的安全控制方法。

具体的，应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统的实现方法，具体包括：

首先，考虑到高精密、安全型、长期使用等要求，本实施例中，静力精确驱动系统优选采用液压驱动方法实现，通过设计液压驱动控制系统速度可精密控制驱动静力产生，通过液压油缸实现驱动静力线性输出到被模拟加载部件；

同时，本实施例的液压驱动系统采用电控伺服阀驱动控制型液压系统，由电机驱动液压泵提供液压油源，由液压方向控制阀、液压比例流量阀与液压比例溢流阀对应控制液压介质油的方向、流量与压强。

作为优选，本实施例中通过精密型的圆筒形液压油缸将方向、流量与压强可控的液压能转化为线性的驱动机械能输出，实现加载冲头的上行与下行、加载与卸载功能。

具体的，本实施例的应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统设计计算方法，具体包括：

首先，本实施例中设计液压系统的最大工作压力为20Mpa，以符合液压系统通用性的要求；

其次，本方法中具体按照静力精确加载模拟装置的最大静力设计要求，即最大静力等于设计最大压强与油缸有效内径面积的关系，计算得到有效缸径：D_effective，计算公式如式：

其中：P_max表示最大压强，单位：Pa；

F_max表示最大压力，单位：N；

S_effective表示油缸有效内径，单位：m²；

D_effective表示油缸有效内径，单位：m。

同时，本实施例中具体按照静力加载模拟实验的装配作业高度H₁与加载时炸药材料的高度H₀确定液压油缸的行程H₂，计算公式为：H₂＝H₁-H₀；

具体的，本实施例中关于液压油箱体积的计算方法为：按照液压油缸体积V_cy与液压油管道充满后介质油体积V_pipe，按照充满介质油后液压站油箱体积不低于总体积的五分之四的原则，计算出液压站油箱体积V_tank，计算公式为：

V_tank＝5·(V_cy+V_pipe)

其中：V_cy表示液压油缸体积，单位为：m³；

V_pipe表示管道内常压下介质油体积，单位为：m³；

V_tank表示液压站油箱体积，单位为：m³；

本方法中还涉及液压驱动泵源设计方法，具体为：

按照上行与下行的空程速度要求，计算出空程运动中驱动泵源的液压介质油输出流量ν_ZeroLoad，计算方法为根据加满油缸的介质油体积V_VatFull与所用的时间

然后，按照加载与卸载的载荷速度要求设计出有载运动中驱动泵源的液压介质油输出流量ν_Load，计算方法为根据液体压缩公式进行计算加载到最大负荷F_Max所需注入的介质油体积ΔV_Inject，根据加载到最大负荷所需最短时间t_LoadMax计算得到最大的介质油注入速度

作为优选，考虑到比例流量阀工作死区截止特性，当ν_ZeroLoad≥10·ν_Load时，一般需采用两个不同流量的液压泵分别完成空程与有载的液压驱动功能；

具体的，由于空载运行泵只完成上行与下行动作，负载主要为克服液体惯性与摩擦力，一般选用出口压力在2Mpa以下的低压液压泵，同时，根据加载力所需的液压系统加载工作压力，本方法中设计载荷泵的最大压力应不低于25MPa。

本方法中液压驱动泵电机设计方法具体为：

一般选用三相异步电机驱动，电机的功率Po_Motor根据泵出口压力P_Pump与流量ν_Pump计算：

本方法中比例溢流阀回路设计方法具体为：根据最大工作压力选择液压比例溢流阀，且液压比例溢流阀可闭锁住的最大压力应大于液压系统的最大工作压力；

本方法中比例流量阀回路设计方法具体为：根据精确驱动系统的线性度与流量要求，液压比例流量阀的最大流量应与最大加载速度所需的流量匹配。

具体的，本发明的应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统结构设计方法，具体包括：

首先，如图1所示，本方法中设计的静力精确驱动系统在组成包括：液压油箱、液压阀控制块、电机与液压泵、液压方向控制阀、液压油路流量控制阀即液压比例流量阀、液压油路比例溢流阀即液压比例溢流阀、液压油缸、液压油管、液压油表、液压油缸压力传感器、油缸位移传感器等，图1中仅示出了关键的零部件，其中，图1中的液压方向控制阀由下行与回程换向阀实现，具体包含了下行换向开关阀及回程换向开关阀，高压泵及低压泵为该系统的液压泵，且高压泵为加载泵，低压泵为空载运行泵。

其中，液压油箱为液压系统提供介质油源；液压电机与液压泵为液压系统提供动力，将带压介质油泵入液压阀控制块；各种液压阀(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)与液压阀控制块实现液压油的方向、压强、流量与压力等参数控制；液压油缸用于向静力精确驱动系统输出机械动力与载荷；液压油管实现液压站与液压油缸的介质油管路连接；液压油表用于指示液压泵的输出压力；液压传感器用于测量液压油缸的介质压强；比例溢流阀通过控制开度实现液压油缸压力控制；比例流量阀通过控制流量实现液压油缸压力控制；油缸位移传感器用于测量油缸冲头的绝对位移。

具体的，上述各组成部分的连接安装关系为：液压油箱是液压系统的主体，液压阀控制块、电机与液压泵安装在液压油箱上；液压阀件安装在液压阀控制块上；电机与液压泵连接，液压泵一端连接油箱、另一端连接液压阀控制块；液压油表安装在液压泵的出口；液压油缸压力传感器安装在液压油缸的进口；油缸位移传感器内置于油缸，其运动滑环与油缸冲头一体移动。

同时，本方法中设计的静力精确驱动系统中包含两路液压驱动电机回路，分别由电机与液压泵组成，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电机、液压泵、液压油表；实现快速位移控制功能的电机回路所用的液压泵为低压泵，实现载荷控制功能的电机回路所用的液压泵为高压泵；本设计方法中具体要求低压泵的液压出口压力不高于1MPa，低压泵的出口流量按照油缸冲头的空程位移速度要求设计，即：

F_low＝v_low·S_effective，

其中；v_low为低压泵运行时油缸冲头空程速度，单位：m/s；

F_low为油缸冲头空程运行时低压泵流量，单位：m³/s；

高压泵的最高液压出口压力不低于20MPa，高压泵的出口流量按照油缸冲头的载荷控制速度要求、并结合比例流量阀的流量特性设计，即：

F_high＝v_high·S_effective，

其中；v_high为低压泵运行时油缸冲头空程速度，单位：m/s；

F_high为油缸冲头空程运行时低压泵流量，单位：m³/s；

两个液压油表分别用于监视液压泵的出口压力及用于加载系统的调试、故障判定与维修。

具体的，上述液压方向控制阀被设计为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。

上述液压比例流量阀(即液压油路流量控制阀)被设计为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；其中，液压比例流量阀的进出口承载油压设计为不低于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。

上述液压比例溢流阀(即液压油路比例溢流阀)被设计为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；其中，液压比例溢流阀阀的进出口承载油压设计为不低于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20MPa设计。

具体的，本发明的应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统液压控制功能设计方法，具体包括：

首先，液压控制功能至少应包括：液压冲头下行、上行、加载与卸载、静态保压、补压等功能；液压阀控制块、电机、液压泵、液压油表、液压方向控制阀、液压比例流量控制阀与液压比例溢流阀共同组成了液压的介质油方向、介质油压强、介质油流量的控制。

本方法中设计的下行工作的实现方法为：低压泵启动，低压泵保护阀、回程换向开关阀、下行开关阀、回程开关阀关闭，其余阀件打开，液压比例流量阀与液压比例溢流阀不参与控制，实现将大流量液压油注入油缸上部，油缸下行，驱动输出机构下行；

上行工作的实现方法为：低压泵启动，低压泵保护阀、下行换向开关阀、下行开关阀、回程开关阀关闭，其他阀件打开，液压比例流量阀与液压比例溢流阀不参与控制，实现将大流量液压油注入油缸下部，油缸上行，驱动输出机构上行，实现回程功能；

加载工作的实现方法为：高压泵启动，卸压开关、加载开关与回程开关功能的液压方向控制阀关闭，其他阀件打开，液压比例流量阀与液压比例溢流阀按照高精度线性曲线加载控制算法实时计算比例流量阀开度与比例溢流阀开度，实现将流量可控、加载压力可控的小流量液压油注入油缸上部，油缸液压力上升，实现驱动输出机构向被加载装置加压；

卸载工作的实现方法为：高压泵、低压泵均停止，加载开关功能液压方向控制阀关闭，其他阀件打开，液压比例流量阀与液压比例溢流阀按照高精度线性曲线卸载控制算法计算比例流量阀开度与比例溢流阀开度，实现将流量可控、加载压力可控的小流量液压油从油缸上部卸放，油缸液压力下降，实现驱动输出机构对被加载装置施加的载荷释放；

静态保载(即静态保压)工作的实现方法为：高压泵、低压泵均停止，卸压开关功能液压方向控制阀关闭，其他阀件均打开，液压比例流量阀与液压比例溢流阀维持加载或者卸载结束时刻的比例流量阀开度与比例溢流阀开度不变，维持油缸内部的高压环境，实现驱动输出机构对被加载装置施加的载荷保载；

补压工作的实现方法为：高压泵启动，卸压开关、加载开关与回程开关功能液压方向控制阀关闭，其他阀件打开，液压比例流量阀与液压比例溢流阀按照控制柔性线性补压算法计算比例流量阀开度与比例溢流阀开度，实现将流量可控、加载压力可控的小流量液压油注入油缸上部，油缸液压力上升到目标压力，实现驱动输出机构向被加载装置补压。

具体的，本发明的应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的载荷突然失载下的安全控制方法，具体包括载荷突然失载下的安全设计方法及控制操作流程：

载荷突然失载下的安全设计方法为：载荷失载后，液压系统需具备自闭锁功能，液压锁会闭锁液压回路，将高压介质油闭锁截止；控制操作流程包括：立刻切断加载油路的高压泵电机，按照液压力卸压方法、根据设定速度将液压力卸放到安全水平

由上可知，通过本发明的技术方案提供了一种应用于材料静强度静力精确加载模拟装置的加载驱动系统设计方法，满足静力精密加载试验对压力控制高精度、柔顺性、安全控制型的需求，该方法可推广应用到其他静力加载装置研制。

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 (5)

1.大吨位安全型静力精确加载模拟装置的静力精确驱动方法，其特征在于，包括应用于大吨位安全型材料力学强度测试的静力精确加载模拟装置的静力精确驱动系统的实现方法、静力精确驱动系统设计计算方法、静力精确驱动系统结构设计方法、静力精确驱动系统液压控制功能设计方法、载荷突然失载下的安全控制方法；

所述静力精确驱动系统的实现方法采用液压驱动方法实现，通过设计液压驱动控制系统速度精密控制驱动静力产生，通过液压油缸实现驱动静力线性输出到被模拟加载部件；

其中，液压驱动系统采用电控伺服阀驱动控制型液压系统，由电机驱动液压泵提供液压油源，由液压方向控制阀、液压比例流量阀与液压比例溢流阀对应控制液压介质油的方向、流量与压强，同时，采用精密型的圆筒形液压油缸将方向、流量与压强可控的液压能转化为线性的驱动机械能输出；所述静力精确驱动系统设计计算方法具体包括：

将液压系统的最大工作压力设计为20Mpa，按照静力精确加载模拟装置的最大静力设计要求，即最大静力等于设计最大压强与油缸有效内径面积的关系，计算得到有效缸径D_effective，计算公式为：

其中：P_max表示最大压强，单位：Pa；F_max表示最大压力，单位：N；S_effective表示油缸有效内径，单位：m²；D_effective表示油缸有效内径，单位：m；

按照静力加载模拟实验的装配作业高度H₁与加载时炸药材料的高度H₀确定液压油缸的行程H₂，计算公式为：H₂＝H₁-H₀；

按照液压油缸体积V_cy与液压油管道充满后介质油体积V_pipe，按照充满介质油后液压站油箱体积不低于总体积的五分之四的原则，计算出液压站油箱体积V_tank，计算公式为：V_tank＝5·(V_cy+V_pipe)；

其中：V_cy表示液压油缸体积，单位为：m³；V_pipe表示管道内常压下介质油体积，单位为：m³；V_tank表示液压站油箱体积，单位为：m³；

所述静力精确驱动系统结构设计方法，具体包括：

所述静力精确驱动系统组成包括：液压油箱、液压阀控制块、电机与液压泵、液压方向控制阀、液压比例流量阀、液压比例溢流阀、液压油缸、液压油管、液压油表、液压油缸压力传感器、油缸位移传感器；

所述液压油箱是液压系统的主体，液压阀控制块、电机与液压泵安装在液压油箱上；液压方向控制阀、液压比例流量阀、液压比例溢流阀安装在液压阀控制块上；电机与液压泵连接，液压泵一端连接液压油箱、另一端连接液压阀控制块；液压油表安装在液压泵的出口；液压油缸压力传感器安装在液压油缸的进口；油缸位移传感器内置于油缸，其运动滑环与油缸冲头一体移动；

所述静力精确驱动系统包含两路液压驱动电机回路，一路用于实现快速位移控制功能，一路用于实现载荷控制功能，两路液压驱动电机回路均包括电机、液压泵、液压油表，实现快速位移控制功能的电机回路所用的液压泵为低压泵，实现载荷控制功能的电机回路所用的液压泵为高压泵；静力精确驱动系统液压控制功能设计方法包括：

所述静力精确驱动系统液压控制功能至少应包括：液压冲头下行工作、上行工作、加载工作与卸载工作、静态保载工作及补压工作的功能；

所述上行工作的实现方法为：低压泵启动，低压泵保护阀、下行换向开关阀、下行开关阀、回程开关阀关闭，其他阀件打开，液压比例流量阀与液压比例溢流阀不参与控制，实现将大流量液压油注入油缸下部，油缸上行，驱动输出机构上行，实现回程功能；

所述加载工作的实现方法为：高压泵启动，卸压开关、加载开关与回程开关功能的液压方向控制阀关闭，其他阀件打开，液压比例流量阀与液压比例溢流阀按照高精度线性曲线加载控制算法实时计算比例流量阀开度与比例溢流阀开度，实现将流量可控、加载压力可控的小流量液压油注入油缸上部，油缸液压力上升，实现驱动输出机构向被加载装置加压；

所述卸载工作的实现方法为：高压泵、低压泵均停止，加载开关功能液压方向控制阀关闭，其他阀件打开，液压比例流量阀与液压比例溢流阀按照高精度线性曲线卸载控制算法计算比例流量阀开度与比例溢流阀开度，实现将流量可控、加载压力可控的小流量液压油从油缸上部卸放，油缸液压力下降，实现驱动输出机构对被加载装置施加的载荷释放；

所述静态保载工作的实现方法为：高压泵、低压泵均停止，卸压开关功能液压方向控制阀关闭，其他阀件均打开，液压比例流量阀与液压比例溢流阀维持加载或者卸载结束时刻的比例流量阀开度与比例溢流阀开度不变，维持油缸内部的高压环境，实现驱动输出机构对被加载装置施加的载荷保载；

所述补压工作的实现方法为：高压泵启动，卸压开关、加载开关与回程开关功能液压方向控制阀关闭，其他阀件打开，液压比例流量阀与液压比例溢流阀按照控制柔性线性补压算法计算比例流量阀开度与比例溢流阀开度，实现将流量可控、加载压力可控的小流量液压油注入油缸上部，油缸液压力上升到目标压力，实现驱动输出机构向被加载装置补压；

所述载荷突然失载下的安全控制方法，具体包括载荷突然失载下的安全设计方法及控制操作流程：

所述载荷突然失载下的安全设计方法为：设计载荷失载后，液压系统需具备自闭锁功能，液压锁会闭锁液压回路，将高压介质油闭锁截止；

控制操作流程包括：立刻切断加载油路的高压泵电机，按照液压力卸压方法、根据设定速度将液压力卸放到安全水平。

2.根据权利要求1所述的大吨位安全型静力精确加载模拟装置的静力精确驱动方法，其特征在于，所述静力精确驱动系统设计计算方法中还包括液压驱动泵源设计方法、液压驱动泵电机设计方法、比例溢流阀回路设计方法、比例流量阀回路设计方法；

其中，液压驱动泵源设计方法具体为：

按照上行与下行的空程速度要求，计算出空程运动中驱动泵源的液压介质油输出流量ν_ZeroLoad，计算方法为根据加满油缸的介质油体积V_VatFull与所用的时间t_Full：

按照加载与卸载的载荷速度要求设计出有载运动中驱动泵源的液压介质油输出流量ν_Load，计算方法为根据液体压缩公式进行计算加载到最大负荷F_Max所需注入的介质油体积ΔV_Inject，根据加载到最大负荷所需最短时间t_LoadMax计算得到最大的介质油注入速度ν_Load：

液压驱动泵电机设计方法具体为：选用三相异步电机驱动，电机的功率Po_Motor根据泵出口压力P_Pump与流量ν_Pump计算：

比例溢流阀回路设计方法具体为：根据最大工作压力选择液压比例溢流阀，且液压比例溢流阀可闭锁住的最大压力应大于液压系统的最大工作压力；

比例流量阀回路设计方法具体为：根据精确驱动系统的线性度与流量要求，液压比例流量阀的最大流量应与最大加载速度所需的流量匹配。

3.根据权利要求2所述的大吨位安全型静力精确加载模拟装置的静力精确驱动方法，其特征在于，在液压驱动泵源设计方法中，当ν_ZeroLoad≥10·ν_Load时，采用两个不同流量的液压泵分别完成空程与有载的液压驱动功能，选用出口压力在2Mpa以下的低压液压泵并根据加载力所需的液压系统加载工作压力。

4.根据权利要求1所述的大吨位安全型静力精确加载模拟装置的静力精确驱动方法，其特征在于，所述低压泵的液压出口压力不高于1MPa，低压泵的出口流量按照油缸冲头的空程位移速度要求设计，即：F_low＝v_low·S_effective，

其中；v_low为低压泵运行时油缸冲头空程速度，单位：m/s；F_low为油缸冲头空程运行时低压泵流量，单位：m³/s；

高压泵的最高液压出口压力不低于20MPa，高压泵的出口流量按照油缸冲头的载荷控制速度要求、并结合比例流量阀的流量特性设计，即：F_high＝v_high·S_effective，

其中；v_high为低压泵运行时油缸冲头空程速度，单位：m/s；

F_high为油缸冲头空程运行时低压泵流量，单位：m³/s。

5.根据权利要求1所述的大吨位安全型静力精确加载模拟装置的静力精确驱动方法，其特征在于，所述静力精确驱动系统的液压方向控制阀被设计为至少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；

所述液压比例流量阀被设计为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，其中，液压比例流量阀的进出口承载油压设计为不低于20Mpa，其通径特性需线性、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；

所述液压比例溢流阀被设计为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设计为不低于20Mpa，其溢流特性需单调、且低压死区，最大溢流压力按照不低于20MPa设计。

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