液压式材料试验机

关键词： 机械式 试验机 液压 材料

液压式材料试验机（精选三篇）

液压式材料试验机 篇1

材料试验机主要用于混凝土制品、金属以及非金属制品等材料的抗压抗折强度试验和力学强度试验。

传统的机械式液压材料试验机采用七柱塞轴向柱塞泵, 其输出的油压随压力负荷的升高而提高。液压控制阀结构由一个溢流阀和一个三通滑阀组成, 通过手轮的旋转推动杠杆结构, 使滑阀的阀芯移动位置, 改变通路的大小。油泵出来的高压油首先进入控制阀的溢流阀部分, 这时候如果控制处于关闭状态或开启不大, 溢流阀中液压油克服弹簧力顶开溢流阀活塞, 使得油泵出来的油全部回到油箱。开启控制阀, 液压油进入工作油缸, 推动测力活塞获得试验力。这种液压传动系统通过手动控制, 油压不稳, 压力难于控制, 关键是不能保压, 精度低, 多用于普通的力学精度等级低的试验。

2 液压伺服自动控制系统试验机

随着科学技术的飞速发展, 传统的材料试验机已经不适应现代工业农业生产对力值计量的需求。目前在市场上有两种液压伺服自动控制系统的试验机。

1) 采用伺服阀控制的节流调控系统。这种系统在试验机保压状态时油泵还继续供油, 这时液压油完全可以通过伺服阀的回油口流回油箱, 致使油温升高, 油变稀, 从而使伺服阀芯和阀套间摩擦, 导致控制不稳定。

2) 宽频伺服自控泵调节系统。采用容积调节原理, 自动控制活塞前后移动, 并用蓄能器稳定压力。缺点是力值稳定时间长, 影响工作效率, 当泵活塞移动至自控泵油缸终点时需要从头开始, 无法保证在某个力值点保持压力;蓄能器工作能量有限, 无法长时间保压。

这种液压控制系统的控制原理如下:

在理想状态下伺服电机直接驱动油泵, 伺服电机的转速、转矩与液压执行机构所需的压力、流量, 通过推导得出关系:

由式 (1) 、 (2) 可得

由于:

将式 (3) 代入式 (4) 得

式中:P—系统功率 (W) ;p—系统压力 (Pa) ;Q—流量 (m3/s) ;Tw—转矩 (N·m) ;n—电机转速 (r/s) ;q—油泵排量 (m3/r) 。

根据 , 在理想系统中 为常数, 电机的转矩和所需的压力成正比。根据Q=n×q, 可知伺服电机的转速和所需流量成正比。

因此导出只要动态地调节伺服电机的转速、转矩, 就能提供液压系统所需的压力、流量。如图1所示。

1.油缸;2.电磁换向阀;3.伺服阀;4.油泵;5.电机;6.油箱;7.伺服控制器

根据上述理论分析, 采用两个伺服电机分别控制两个油泵, 分高压泵和低压泵, 高压泵控制油缸的进油, 低压泵控制回油, 由于任何油泵都有一个工作区域, 低于此区域油泵的输出非线性增大, 油泵的波动会变大, 导致液压系统不稳定。可通过两个油泵的转速差决定油缸压力的增减且两油泵的转速差乘以油泵的排量等于油泵对油缸的供油量, 这个方案可以达到以下目的: (1) 使得将液压流量细分, 提高分辨率。 (2) 使伺服电机以及油泵在理想的状态下运行。 (3) 油缸不确定的渗漏控制成相对恒定的渗漏。如图2所示。

此液压系统采用开放式油路, 即液压泵从油箱中吸油经控制阀到执行元件, 执行元件排出的油返回油箱;系统中包括溢流阀和换向阀组成的压力控制回路。

3 结语

本液压伺服控制能使执行元件工作平稳, 能获得比较低的稳定速度并防止向前冲现象。实现检测工作快进和快退, 从而提高工作效率, 快进转工进时位置准确平稳可靠。为了实现自动控制, 本液压伺服系统的执行元件多采用外控式。

摘要：在材料试验机的工作原理和通用技术要求下, 针对材料试验机的液压伺服系统进行改造。

关键词：材料试验机,液压伺服系统,改选方案

参考文献

[1]李世平, 韦增亮, 戴凡.PC计算机测控技术及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2003.

[2]梁力华.液压传动与电液伺服系统[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社, 2005.

液压式材料试验机 篇2

关键词：液压；万能材料；试验机测控系统

中图分类号：TH879 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 12-0000-01

一、引言

传统的试验机只能依靠试验人员来进行观察，再基于自身的经验来手工进行相应的调整，依靠指针表盘所显示的数据来进行材料性能数据方面的计算，其操作相对较为复杂，且适应不了当前试验机的实际需求，并也逐渐被社会所淘汰。针对这些问题，文章将在Delphi语言软件的基础上，结合单片机自身所具备的自动控制技术，把这一单片机应用在万能材料试验机的控制系统中，分析通用材料等各种试验标准，并在此基础上提出了一种模块化的上位机软件、下位机软件以及上下位硬件设计方式，并在此基础上对这种试验设计方法进行了评价，此外还实施了不同的试验。

二、测控系统硬件的设计

在本文中，这一测控系统硬件的核心为AVR单片机，以硬件模块化设计作为其思想来进行测控系统硬件的设计，该硬件包括了六个子模块，其结构如下图所示：

（一）单片机的最小系统。在该系统中主要采用的是AVR系列的Atmega16L单片机，其中最小系统是由复位电路、单片机、晶振以及电源所组成，在设计系统硬件中，复位电路作为一种比较常见的电路，其自身设计质量的高低将直接影响系统整个工作的可靠性以及稳定性。针对这一特性，为了使系统运行的可靠性得到保障，本文所阐述的这一系统，其复位电路是在单片机的低电平基础上，通过10kΩ电阻来实现复位电路等，这种方式比较简单，而且其可靠性也较强。此外，晶振电路主要采用的是陶瓷晶体和双30pF电容，其频率为8MHz。

（二）高精度的A/D转换模块。这一模块依靠压力以及变形等各种模拟型号的采集，通过滤波放大以后，将A/D转换器输入到该模块，同时将其转换成为数据信号，将其传递至单片机，其中A/D转换器采用的是型号为AD7710的转换器，而放大器则采用的是OP07这一型号。

（三）拉线编码器的解码模块。拉线编码器主要是测试工作台的位移，其包含两个内容：即即位编码与方向解码，编码器所产生的信号再经过光电耦合器隔离以后，就会进入到单片机、方向编码中，待信号被输入至单片机后，单片机就会对其进行相应的计数，并实施位移的计算。在本文所阐述的这一系统中，其电源模块主要是对所有IC予以供电。

（四）串口通讯模块和开关量输出模块。在该系统中，串口通讯这一模块可实现上位机、下位机间数据的通讯，当下位机将信号采集后，就会将其传送至上位机，接着由上位机来发布相关的命令，同时指示下位机下一步动作。而在系统中，其开关量这一模块的功能主要表现如下：第一，控制电机的输出方向以及其脉冲输出；第二，利用上述这一输出控制来过载保护系统。

三、软件的设计

（一）上位机的设计。针对万能机试验机自身测控软件操作的复杂性以及对试验人员的水平要求高等特点，本文所研究的这一软件主要分为三个部分。即试验模块、主程序以及设备配置模块，其中试验模块和设备配置模块都是以DLL形式来进行封裝的，有利于新试验方式的扩展。其中动态链接库为一种资源库或者函数，可编写和语言没有关系的各种方程，可被其他的DLL文件或者应用程序所调用，基于该特性可得知，主程序能实现不同试验模块之间的切换，在试验人员在切换某预置试验模块时，和该试验模块有关的结果分析方式、控制过程以及数据记录等均会被完全的定制，使试验人员可从以往繁琐且专业的参数设置中释放出来。

（二）下位机软件的设计。这一软件为压力控制程序、通讯程序和数据采集程序等所构成，利用数据采集这一软件可实现单片机与转换器间通讯；而通讯程序则不仅可实现上下位机数据的交互，同时还可实现命令的解析；此外压力控制这一程序可对试验机实施加载控制，在这一程序中，如果采用的控制策略较为单一，就会导致其控制效果比较低下，如果采取的是单一且模糊控制策略，尽管能够有效改善其动态特性，但由于在其内部存在大量模糊的控制规则，很容易使其控制的准确性以及可靠性受到影响。

四、试验研究

（一）多目标持荷试验。实施该试验的目的就是为了测试这种算法在均匀加载以及目标持荷的时候所产生的效果，以此来验证这种测试控制系统基本性能，通过这一试验得知，这种算法满足一级精度的要求。

（二）水泥胶沙抗压试验。基于上述这一试验，再来实施水泥胶沙抗压试验，在试验过程中，其加速度可精确控制在试验的标准所规定的范围内，即2.4kN/s，而这也说明来该算法以及其控制器在控制精确力上的效果。

（三）金属材料的拉伸试验。基于上述的这两种试验，在本文还对具备明显的屈服材料实施了拉伸材料，在试验过程中，主要采取的是位移、力以及变形的三闭环控制，从其试验结果来看，所获的材料力学性能和该材料理论力学性能基本处于吻合状态，而这也在一定程度上说明了在三闭环的金属拉伸试验过程中，这种自适应PID算法具有较强的适用性。

五、结束语

综上所述，本文所阐述的这一材料试验机控制系统不管是在硬件上，还是在软件上均实现了操作、扩展以及设计的方便性，不仅使工作人员在试验过程中的工作强度得到了减轻，同时在一定程度上还使这些集成材料试验标准变得更为简单，且数据精度和系统的控制精度也较高。

参考文献：

[1]巫志文.基于通用硬件平台的液压万能材料试验机改造[J].机床与液压，2012，40（22）：61-64，70.

[2]许志军，王光福.基于电液比例阀控制的液压万能试验机系统模糊PID控制器研究[J].自动化与仪器仪表，2010（5）：5-7.

液压式材料试验机 篇3

随着液压动力转向系统在各级各类汽车上得到广泛应用,国内外许多学者对液压动力转向系统的助力性能进行了研究。毕大宁[1]与朱骏[2]分别从转向系统灵敏度特性曲线和手力特性曲线分析了系统的助力性能;Kang等[3]分析了液压动力转向系统压力和流量的振动特性;文献[4,5,6,7]研究了滑阀式动力转向系统的动态响应特性。但是,针对转阀式动力转向系统关键参数对系统助力性能影响的研究较少。在对转阀式动力转向系统进行匹配设计时,十分有必要清楚各参数对助力性能的影响及影响程度。本文参考Birsching[8]建立的转阀的二维模型,利用AMESim软件和LMS Virtual. Lab Motion软件建立了转阀式液压动力转向系统的联合仿真模型,采用正交试验分析方法,分析了系统供油量、转阀阀口尺寸及扭杆刚度对动力转向系统助力性能的影响。

1 转阀结构及工作原理简介

转阀在液压动力转向系统中控制着助力压力的大小和方向。图1a所示为六槽式转阀的截面结构,它由阀套、阀芯及扭杆组成,阀套和阀芯上均匀分布着3组进油孔、回油孔以及到转向动力缸左右腔的油孔。其中,到转向动力缸右腔的油路为阀芯孔与扭杆之间的径向间隙。阀套的内表面开有轴向盲槽,阀芯的外表面开有与阀套表面台肩相配合的槽,阀芯台肩与阀套槽在圆周方向留有预开间隙。

转阀工作时,阀芯与阀套相对转动,假设阀芯相对阀套顺时针转动,节流孔1和节流孔3的过流面积逐渐增大,节流孔2和节流孔4的过流面积逐渐减小以趋于关闭。由于转阀结构的对称性,其他进油口处的节流口工作方式相同,因此可将图1a所示的转阀表示为图1b所示的转阀模型。由图1b可以看出,该转阀由3组完全相同的惠斯通电桥式结构的油路并联而成。图1b中,带有向上箭头的节流孔表示在阀芯相对阀套顺时针转动时,过流面积逐渐增大的节流孔,带有向下箭头的节流孔表示过流面积逐渐减小的节流孔。

2 转阀式动力转向系统助力特性曲线的分析

转阀式动力转向系统的助力性能可以用转向灵敏度特性曲线表示,也可以用转向手力特性曲线表示。由于转向扭杆是线性弹簧,转向手力特性曲线中的转向手力矩大小与转向灵敏度特性曲线中的转向盘转角大小成比例关系,二者的比值即为扭杆刚度。但转向手力特性曲线包含了转向系统干摩擦力矩,即在曲线原点左右会出现一段助力压力很小的干摩擦力矩段。因此相对于转向灵敏度曲线,转向手力特性曲线表现出一定的滞后现象。

2.1转向灵敏度特性曲线

转阀工作过程中,节流孔的突然闭合会导致油压的突然升高,对转向操作不利,因此阀芯刃口上通常加工有短切口,用于减缓节流孔关闭时阀口过流面积的变化,避免系统压力出现突变,实现动力转向系统的压力变化理想控制。图2为转阀刃口示意图。

转阀结构尺寸确定后,根据薄壁小孔节流公式可以得出每个节流孔口压力随阀芯与阀套相对转角的变化关系,图1b所示的12个节流孔中,有6个节流孔的过流面积随着阀芯相对阀套的转动逐渐增大,其节流作用可忽略不计,只留下过流面积逐渐减小的节流孔,这些节流孔对转向助力起主要作用。动力转向系统供油量[8]为

$Q{}_{\text{s}}=6C{}_{\text{q}}A\sqrt{2\text{Δ}p/\rho }$ (1)

式中,Cq为流量系数;ρ为油液密度,kg/m3;A为单个阀口过流面积,m2;Δp为动力转向系统助力压力,Pa。

阀口过流面积A为[1]

式中,R为阀芯半径,mm;L1为预开间隙,mm;L2为短切口周向长度,mm;W1为预开间隙的轴向有效长度,mm;W2为短切口的轴向长度,mm;ψ为阀芯与阀套的相对转角;α1为预开间隙关闭时阀芯相对阀套转过的角度,(°);α2为短切口关闭时阀芯相对阀套转过的角度,(°)。

图3所示为某转阀的转向灵敏度曲线,其阀口预开间隙在相对转角1°左右关闭,阀口接近完全关闭时,系统助力压力可达10MPa。

2.2转向手力特性曲线

图4所示为某动力转向系统转向手力特性曲线,曲线1、3为转向盘从中间位置分别向左右两个方向转动时动力转向系统输出压力的变化曲线,曲线2、4为转向盘回程时的压力变化曲线。转向手力特性曲线分为A、B、C、D四个区间[1,2]。

(1)区间A为汽车直线行驶位置附近的助力区。区间A的宽度影响系统助力性能,过宽会造成动力转向系统助力反应不灵敏,过窄则系统助力反应过于灵敏,驾驶手感不好。区间A的横坐标范围应不小于转向系统的干摩擦力矩,否则驾驶员在进行转向操作时,在克服转向系统干摩擦阶段就会有助力产生,即稍有转向盘转动,车辆行驶路线就会产生较大偏移,车辆直线行驶能力差。

(2)区间B为车辆从直线行驶位置附近的小角度转向区向快速转向区C的过渡区域,即临界转换区。B区末端对应的助力系统压力影响车辆的急速避障能力,该值越小,避障能力越差;但是随着该值的增大,车辆中心区行驶手感变差。

(3)区间C属于常用转向区,是助力转向系统的关键区域。在区间C内,系统助力压力的增加速度和区间末端助力压力的大小对车辆的转向性能有直接影响。压力增大速度越快,助力反应越灵敏;区间末端压力越大,车辆的急速避障能力越好,但该值过大,车辆中心区中心区行驶手感变差。

(4)区间D为车辆低速行驶的大助力区,系统助力压力大小接近原地转向工况,此时的转向阻力最大,动力转向系统助力压力迅速增大以满足转向需求。

3 联合仿真模型的建立及验证

3.1联合仿真模型的建立

分析国产某车型的助力性能,在AMEsim软件中建立该车转向系统的液压模块模型,在LMS Virtual. Lab Motion软件中建立整车动力学分析模型并进行联合仿真。考虑转阀结构的对称性,取图1b中的一个分支建立仿真模型,并将各个阀口的过流面积设置为原面积的3倍,模型基本参数如表1所示。

3.2联合仿真模型验证

使用建立的模型进行转向轻便性试验和急速避障试验。车辆急速避障试验[2],即车辆以较低车速稳定行驶时,前方突然出现障碍物,驾驶员需要快速对转向盘施加较大的转角,使车辆绕过障碍物。文中的车辆以20km/h稳定行驶时,1s内给转向盘施加300°转角,分析急速避障角输入时所需要的转向盘手力矩。转向轻便性试验和急速避障试验的转向盘转角和转向手力矩曲线分别如图5、图6所示。对比仿真结果与试验结果可知,试验数据与仿真数据一致,因此该联合仿真模型能代表原车物理模型。

4 动力转向系统助力性能正交试验研究

使用建立的联合仿真模型进行正交试验,分析液压动力转向系统关键参数对助力性能的影响,并对系统关键参数做出优化。

4.1试验指标的确定

液压动力转向系统在满足转向轻便性的同时应具有一定的“路感”。本试验以QC/T 480-1999《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》中汽车转向轻便性试验综合评价计分值为转向轻便性评价指标;以路感强度即转向手力特性曲线中相当于1/4最大载荷点的斜率为“路感”的评价指标[1]。

4.2试验因素及水平的确定

液压动力转向系统助力性能影响较大的主要参数有转阀阀口尺寸、扭杆刚度及动力转向系统供油量。因此,选择的试验因素为节流口的预开间隙量、短切口周向长度、扭杆刚度及动力转向系统供油量。为研究各因素的上下波动对助力性能的影响,各因素水平均取为3。确定的正交试验条件如表2所示。

4.3试验计划的安排

根据所选因素数和确定的水平数,不考虑因素间的交互作用,选择L9(34)型正交表安排试验,具体试验计划如表3所示。

表3中的转向轻便性综合评价计分值分三步计算,先根据GB/T 6323.5-1994《汽车操纵稳定性试验方法 转向轻便性试验》中规定的算法计算出转向盘的平均操舵力和最大操舵力,再根据QC/T 480-1999《汽车操纵稳定性指标限值与评价方法》中的规定分别求出转向盘平均操舵力和最大操舵力的评价计分值,最后计算出转向轻便性试验的综合评价计分值。在计算各项指标评价计分值时,大于100分的分值按100分计,因此本次试验中有4组试验的转向轻便性综合评价计分值为100分。

4.4试验结果分析

对试验数据进行处理,分别计算出各因素第i水平所在试验中对应的转向轻便性综合评价计分值及路感强度值的平均值ki与极差K。试验数据的处理结果记录在表4中。

由表4可知,试验分析的4个因素对转向轻便性影响最大的是系统供油量,其次分别是扭杆刚度、短切口周向宽度,影响最小的因素为预开间隙量;对路感强度影响最大的影响因素为扭杆刚度,其次为短切口周向宽度、系统供油量,影响最小的因素为预开间隙量。

由于不同指标对应的最优方案不相同,于是采用综合平衡法[9]确定系统最终的最优方案,对于因素A、B、D均取第一水平值大小;因素C为转向轻便性指标最主要的影响因素,取水平二值C2。因此,确定方案A1B1C2D1为最后优化结果。

5 优化结果分析

改进前后的转向盘手力矩随转角变化曲线与转向手力特性曲线如图7所示,改进前后的动力转向系统参数与评价指标如表5所示,改进后的动力转向系统在进行转向轻便性试验时的最大手力矩为4.5N·m,位于ZF公司的最佳手力矩3～5N·m范围内[2]。改进后方案在保证转向轻便性的同时路感由10.766增加到28.421,系统参数得到明显优化。

6 结论

(1)对动力转系系统转向轻便性影响最大的参数为系统供油量,影响最小的参数为节流口预开间隙量;对动力转向系统路感强度影响最大的参数为扭杆刚度,影响最小的参数为节流口预开间隙量。

(2)优化后的动力转向系统最大手力矩减小,且“路感”增强,系统参数得到明显优化。

摘要：为研究转阀式液压动力转向系统的助力性能,利用AMESim软件和LMS Virtual.Lab Mo-tion软件建立了液压动力转向车辆的联合仿真模型,以转向轻便性和“路感”为评价指标进行正交试验,分析了动力转向系统供油量、转阀阀口尺寸及扭杆刚度对动力转向系统助力性能的影响。分析结果表明,对轻便性影响最大的参数为系统供油量,对“路感”影响最大的参数为扭杆刚度;正交优化后的转向系统“路感”较优化前明显增强。

关键词：动力转向,转阀,正交试验,助力性能

参考文献

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