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*章 概述

一．液壓試驗機的發(fā)展趨勢

 近年來隨著科學技術特別是材料科學的發(fā)展，人們更加重視試驗結果的標準化與一致性，對試驗機的自動化程度也提出了新的標準。國家*也對各種材料的檢測方法不斷地進行修正，以適應化的檢測標準。這就導致對電液伺服試驗機的需求也呈上升趨勢。從2000年開始電液伺服試驗機的銷售量逐年增長。另外，利用電液伺服技術開發(fā)的特殊設備也開始隨著增多，國內外同行都看好了這個快速增長的市場。另外，國內的試驗標準也逐漸的向歐美及標準靠攏。從 國內電液伺服試驗機生產廠家的發(fā)展情況來看,近年來國內試驗機行業(yè)的格局，無論是從產品結構還是生產廠家方面都發(fā)生了一些變化。過去的一些老的產品逐漸被新的產品替代。

從技術發(fā)展的趨勢看 ，我國的電液伺服水平目前已經發(fā)展到一定水平，特別是在常規(guī)電液伺服標準材料試驗機技術方面，我們有了一定的發(fā)展。但在電液伺服產品及應用技術方面，我們距離國外發(fā)達國家的技術水平還有著較大的差距。特別是在高智能化，機器人自動安裝、處理試樣的綜合技術方面。電液伺服技術是集機械、液壓和自動控制于一體的綜合性技術，要發(fā)展的電液伺服技術必須要從機械、液 壓、自動控制和計算機等各技術領域同步推進。

測量控制系統(tǒng)  隨著數字控制理論的成熟以及高速DSP技術的發(fā)展。全數字化測控系統(tǒng)已經成為今后測量控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。動態(tài)電液伺服全數字測量控制系統(tǒng)；它不僅要求硬件運算速度快、運算精度高，同時還要求在軟件和數字控制理論方面要有新的突破。這樣才能滿足電液伺服控制系統(tǒng)響應快速、控制、穩(wěn)定可靠的要求。 

隨著科技的逐步發(fā)展，電液伺服試驗機不再像以前那樣價格昂貴，液壓系統(tǒng)也由原來的多模塊組合到集成單元演變，經濟性也成為伺服試驗機的發(fā)展趨勢。

二．電液伺服試驗機的分類

電液伺服試驗機分為動態(tài)電液伺服和靜態(tài)電液伺服試驗機兩 種，伺服閥更適合于動態(tài)試驗機，而電液比例閥在靜態(tài)試驗機上有*的*性。電液比例閥式試驗機及老產品技術改造自開始生產至今，小至10kN大至15000kN微機控制電液伺服試驗機壓力試驗機。電液比例閥控制技術是目前國內外控制技術*了試驗機行業(yè) 空白，將電液比例閥成功運用于靜態(tài)電液伺服試驗機，打破伺服閥在靜態(tài)試驗機上的壟斷局面，使其具有更高可靠性、穩(wěn)定性及技術*性，為我國液壓試驗機發(fā)展 開辟更為廣闊的前景。將該項技術成功應用于普通液壓式試驗機技術改造，使老產品更新換代成為可能，使之達到與新的電液伺服試驗機具有相同的技術水平，使用更為方便可靠。 

第二章 液壓試驗機控制技術概論

一．當前國內外同類產品技術概況 

• 隨著試驗機技術的發(fā)展，國內外電液伺服液壓試驗機， 近年來發(fā)展了四種不同控制方式；一種是電液伺服閥控制，一種是采用具有速度控制器的壓力閥控制，第三種是寬流量范圍的比例閥控制，第四種是使用伺服油泵控制壓力油流量。除了控制系統(tǒng)外，還采用 高精度力與位移測量系統(tǒng)及計算機采集處理等技術，在功能上達到甚至超過電子試驗機，尤其在大負荷上液壓試驗機及各種壓力試驗機具有更大的優(yōu)勢。

• 日本島津UEH型及美國STEX公司的HVL型液壓試驗機均采用電液伺服閥控制雙向油缸；負荷、變形、位移控制由電液伺服閉環(huán)控制，同時具有電子測量和 計算機數據處理功能，電液伺服閥的優(yōu)點是靜動態(tài)性能良好，分辨率高、滯環(huán)小、線性度高、工作范圍廣更適合動態(tài)電液伺服試驗機。其缺點是用于靜態(tài)液壓試 驗機上未能發(fā)揮其特點，使其造價提高、抗污染能力變差、工作噪聲較大，油溫升高快，有些還需水冷卻。

• 西德申克公司的UPM液壓試驗機，其控制原理是由速度控制器控制力矩電機而帶動壓力控制閥施加負荷，并具有速度電流反饋，是一種傳統(tǒng)的控制方式。

• 在*先是濟南試驗機廠與其他廠家合作研究了500kN微機控制液壓試驗機與日本島津產品相似，采用伺服閥控制，此外濟南試驗機廠已引進日本500kN的UDH型電液伺服閥式液壓試驗機，目前上述控制方式成為為國內的電液伺服試驗機的主打產品。

二．控制閥技術的發(fā)展 

• “比例控制閥發(fā)展的初期階段，僅僅是將比例電磁鐵代替普通液壓閥的開關型電磁鐵或調節(jié)手柄，這種比例閥的結構原理和設計準則沒有變化。這種比例閥工作頻寬小，穩(wěn)定滯環(huán)大，只能用于開環(huán)控制。七十年代中期至八十年代初，是比例閥發(fā)展的第二個階段，比例閥開始采用各種內反饋原理，耐高壓，比例電磁鐵出口比例放大技術日趨成熟。閥工作頻寬達到5～10Hz穩(wěn)定滯環(huán)降低到3%左右，八十年代以后，比例閥技術發(fā)展進入第三階段，比例閥原理進一步改善，采用了壓力流量 位移反饋和動壓反饋及電校正等手段，使閥穩(wěn)定精度動態(tài)相應和穩(wěn)定性都有進一步提高。除中位仍有部分死區(qū)外其控制性能與伺服閥更為接近。此外比例放大技術也相應迅速發(fā)展，不僅集成了各種反饋信號傳感接受和處理功能，而且尺寸大為減小，可安裝在閥體上使整個控制系統(tǒng)組成一體，使用更為方便，比例電磁鐵驅動力的提高，也為閥的動態(tài)特性的改善提供了條件，將其應用于靜態(tài)電液伺服試驗機中，配合微機精密調速控制系統(tǒng)已*其使用要求。

• 至于比例閥可以分為多種，比例溢流閥，比例調速閥，比例流量閥等多種，如有興趣可以單獨探討。

三．電液比例閥與伺服閥控制技術在靜態(tài)試驗機上應用比較 

• 電液比例閥：抗污染能力*，對液壓油的過濾要求為20μm，可實現*運行。伺服閥：對液壓油的過濾要求需達到3μm以內，抗污染能力極弱，尤其對靜態(tài)液壓式試驗機間隙密封的柱塞油缸，更易引起油質污染，阻塞伺服閥。

• 控制方式：電液比例閥是純數字電器伺服控制、電路簡單，穩(wěn)定性非常高。

• 控制方式：伺服閥多數采用模擬電器控制、電路復雜，穩(wěn)定性較弱。 

   電器測量控制系統(tǒng)：目前已經沒有大的差別。

   性能：電液比例閥反應速度較低，適合于靜態(tài)液壓試驗機（頻寬Hz/-3dB）30～80 

   性能：而伺服閥反應速度較高，頻寬（Hz/-3dB）50～200，適合于動態(tài)試驗機。 

第三章 液壓油源控制技術及原理

一．壓力隨動系統(tǒng)

在介紹靜態(tài)電液伺服試驗機的液壓原理之前，先來熟悉一下壓力隨動系統(tǒng)：

壓力隨動系統(tǒng)（自適應節(jié)能系統(tǒng)）

壓力隨動指的是油泵的壓強永遠比油缸處壓力高1MPa（彈簧的推力作用）左右，根據油針的開口大小形成一個恒流量壓力系統(tǒng)。

可以分析一下送油閥的壓力分布狀況：

設油泵來油腔的壓強為P

  連接油缸的口處壓強為P1

  彈簧力所產生的壓強為P2

  彈簧所在的后腔的壓強為P3

  送油針處由于小孔節(jié)流現象所產生的壓強損失為△Pk

  反饋油針處的毛細節(jié)流現象所產生的壓強損失為△Pz

那么：△Pk=P-P1

      P3=P-P2

同理：P3=P1-△Pz

  則：P-P2=P1-△Pz

      P-P1-P2=△Pz

      △Pk-P2=△Pz

      △Pk-△Pz=P2(常數)

還可以有另一種推導方法：（略去）

電液伺服試驗機中電腦控制的伺服閥所要做的工作就是實時控制圓圈處流量的大小，用以達到系統(tǒng)壓力的實現。

二、液壓控制原理圖

以下為典型的電液伺服機液壓控制原理圖，根據這些原理圖還可以衍生出很多的控制方法以及產品，比如雙向缸加載臥式拉力試驗機，壓力試驗機，壓剪試驗機等，但是都是以壓力隨動系統(tǒng)為核心進行油路分配。

第四章、核心單元介紹

一、壓力隨動系統(tǒng)

壓力隨動系統(tǒng)是一臺試驗機的控制核心，它和控制軟件，比例閥具有同等重要的地位。其關鍵要素在于以下幾個方面：

1.壓差閥芯閥套的靈敏性；

2.阻尼油針的壓差形成及反饋油壓快速性；

3.閥塊的潔凈程度。

我公司生產的壓力隨動系統(tǒng)是使用加工中心加工而成，閥芯閥套使用超精磨床磨制，zui后經人工對研成型。所有的零部件包括管接頭均使用超聲波清洗機清洗后在進行組合安裝，保證了液壓系統(tǒng)的潔凈。除安裝比例閥外，增加轉接墊塊可直接安裝噴流擋板式伺服閥，并且每個系統(tǒng)在出廠前均經過加壓控制。

其控制原理圖有以下幾種形式：

二、比例伺服閥

由于噴流擋板和射流管伺服閥對油液要求高，易出故障，所以現在的靜態(tài)試驗機基本采用比例伺服閥或者比例閥。目前，在試驗機行業(yè)使用比較多的有以下幾種產品：

MOOG公司的D633系列比例伺服閥

ATOS公司的比例伺服閥以及比例閥

北京華德生產的比例閥

浙大系研制的試驗機比例閥

其中前三種閥的原理符號為

該系列比例閥為工業(yè)通用，由于閥的開口曲線不同，所使用的場合也不同，使用時應慎重選型，以免控制效果不理想。

浙大系研制的比例閥的原理符號為以下兩種

這兩種閥的前一種比較適合于試驗機，具有進回程控制功能，而第二種只具備進程控制功能，對于采用程控編程控制的試驗機則無能為力。一般只用于簡單壓力試驗機以及控制不復雜的機。

我公司生產的比例閥兼具以上幾種閥的特性，對于試驗機控制比較熟悉的人都知道，只要試驗機的油缸泄露不是很嚴重，大力值控制比較輕松，而小力值的控制一般比較困難。試驗機比例閥在設計上客服了這一難題，其開口的設計針對試驗機的控制特性進行優(yōu)化，特別是對于試驗機的小負荷控制具有極大的優(yōu)勢，有以下幾種型號，具體見下表。根據壓力隨動系統(tǒng)不同的功能選擇不同的比例伺服閥。

試驗機閥控制曲線如下圖：

單頭和雙頭比例閥

三、油泵

對于試驗機油泵，現在行業(yè)內通用的電液伺服試驗機基本上采用NACHI公司的內嚙合高壓齒輪泵，這是一款性價比較高的產品。還有采用高壓柱塞泵的廠家，對于噪音要求不高的用戶可以采用此產品。其次近幾年由于成本控制，有好多廠家使用外嚙合齒輪泵，這種油泵外觀漂亮，噪音小，但是不推薦使用。因為外嚙合齒輪泵的結構所限制，21MPa以上壓力不穩(wěn)定，即使當時沒有問題，這也要靠運氣，壽命也短，特別是試驗機使用頻率較高的單位，兩年之后就不一定達到試驗機滿負荷了。一般推薦前兩種油泵使用。

第五章、總結

綜合來說，一臺試驗機的性能好壞，取決于各部件的匹配性能，當然，哪怕其中一個不起眼的部件，也會影響整機性能。這里不僅是指液壓系統(tǒng)，還包括控制軟件和主機的結構。主機一般推薦剛度大，整機消除間隙的C型機為好?；蛘呶夜旧a的Y系列機主機，該主機既消除試驗過程中的機械間隙，又比C型機的剛度大，是下一步試驗機市場的強有力競爭機型。