摘要：分析討論了電液伺服動(dòng)靜
萬能試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一些共性問題，包括負(fù)載動(dòng)力的匹配、伺服閥的選用、作動(dòng)器固有頻率的提高，加緊裝置與冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)等，提出了設(shè)計(jì)該類
試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)的一些原則，其有效性在1MN電液伺服動(dòng)靜萬能試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)中得到驗(yàn)證，該原則可以作為工程技術(shù)人員設(shè)計(jì)同類試驗(yàn)機(jī)的參考依據(jù)。
電液伺服動(dòng)靜萬能試驗(yàn)機(jī)主要用于材料和零部件的力學(xué)性能試驗(yàn)研究，它不但可以完成靜態(tài)下的拉伸、壓縮、彎曲、剪切試驗(yàn)，而且還可以完成動(dòng)態(tài)下的諸如高周頻疲勞、低周疲勞、靜態(tài)試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)試驗(yàn)隊(duì)試驗(yàn)機(jī)提出了不同的要求。靜態(tài)試驗(yàn)所追求的主要是試驗(yàn)精度，還應(yīng)保證較強(qiáng)的穩(wěn)定性和較高的頻響速度，以上要求通常用示值誤差、幅值精度、波形失真度、幅值穩(wěn)定度等指標(biāo)來衡量，而一套優(yōu)化合理的液壓控制系統(tǒng)無疑使保證這些性能指標(biāo)的關(guān)鍵，具體來講，電液伺服動(dòng)靜萬能試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮的問題主要有：（1）協(xié)調(diào)動(dòng)態(tài)大流量與靜態(tài)小流量的矛盾，即負(fù)載動(dòng)力的合理匹配。（2）伺服閥的正確選用。（3）作動(dòng)器固有頻率的提高。（4）夾緊油源和夾緊裝置的設(shè)計(jì)。（5）冷卻方式的選擇，本文主要討論解決以上問題的一些方法。
1、負(fù)載動(dòng)力的合理匹配
在試驗(yàn)機(jī)的正常工況，動(dòng)作器中活塞的運(yùn)動(dòng)速度可以從靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)的0.01mm/s到到動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)的1.5m/s速度范圍內(nèi)變化，調(diào)速比為150000:1，如此寬的速度變化范圍為油源的設(shè)計(jì)和伺服閥選擇帶來了難度，導(dǎo)致出現(xiàn)靜態(tài)小流量和動(dòng)態(tài)大流量之間的矛盾。解決此矛盾的關(guān)鍵是對(duì)作動(dòng)器、伺服閥、液壓源之間進(jìn)行合理的負(fù)載匹配。所應(yīng)遵循的設(shè)計(jì)原則是：作動(dòng)器、伺服閥、液壓源所提供的液壓動(dòng)力應(yīng)滿足試驗(yàn)機(jī)的速度、加速器和試驗(yàn)力的要求，同時(shí)還應(yīng)考慮系統(tǒng)的效率。
負(fù)載與泵、閥的匹配關(guān)系如圖1所示，即伺服閥的負(fù)載流量特性曲線必須包容試驗(yàn)機(jī)的負(fù)載特性曲線，液壓源的曲線應(yīng)包容伺服閥的負(fù)載曲線，Qs>1.1-1.3Qo；Ql>1.05-1.1Qlmax。這即為包容原則。
另外，系統(tǒng)的效率也應(yīng)引起重視。液壓泵輸出的流量是根據(jù)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)所需的最大流量選取的，靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)所需的流量很少，此時(shí)，必須使液壓源輸出流量降下來，為達(dá)此目的，有三個(gè)方案可供選擇，第一個(gè)方案是動(dòng)靜態(tài)試驗(yàn)由一臺(tái)變量泵供油，油泵由三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)成本較低，流量可調(diào)，液壓系統(tǒng)效率較高。但在小流量輸出時(shí)電動(dòng)機(jī)的效率卻很低，約為0.3-0.4左右，出現(xiàn)“大馬拉小車”的問題，電動(dòng)機(jī)本身的功率損耗包括銅損、鐵損、機(jī)械損耗等相當(dāng)大，造成電能的浪費(fèi)，總效率并沒有提高；第二個(gè)方案是動(dòng)靜態(tài)試驗(yàn)由一臺(tái)定量泵供油，油泵由變頻調(diào)速器控制的三相異步電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，此方案的總效率比前者高，但由于油泵在低轉(zhuǎn)速下流量脈動(dòng)加劇，造成伺服閥供油壓力的較大波動(dòng)，對(duì)靜態(tài)試驗(yàn)不適用，第三個(gè)方案是動(dòng)靜態(tài)試驗(yàn)分別由獨(dú)立的大小兩個(gè)油泵供油，小泵采用定量泵，大泵采用變量泵，此方案在滿足動(dòng)態(tài)和靜態(tài)試驗(yàn)要求的同時(shí)，還由于靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)大泵是停止工作的，系統(tǒng)總效率大為提高，靜態(tài)試驗(yàn)時(shí)油源噪音也很低。
2、伺服閥的正確選用
由于電液伺服動(dòng)靜萬能試驗(yàn)機(jī)既要控制力又要控制位移和應(yīng)變，所以一般都采用位置反饋式的流量型伺服閥，以力反饋式的噴嘴擋板閥使用最為普遍。壓力性的伺服閥雖然控制作用力時(shí)性能較好，但因無法控制位置而不適用。當(dāng)動(dòng)態(tài)試驗(yàn)要求的流量較大時(shí)，可以采用幾個(gè)閥并聯(lián)工作，也可以采用三級(jí)伺服閥，并聯(lián)使用時(shí)由于各閥之間存在相位差，將給電控系統(tǒng)帶來一定的麻煩。
供油壓力的選擇也很重要，較高的供油壓力，可以減輕作動(dòng)器活塞的質(zhì)量、提高伺服閥的流量增益，從而獲得較快的響應(yīng)速度，但過高的供油壓力使得伺服閥的零位泄漏量加大，使用壽命減小，系統(tǒng)噪音增大，根據(jù)有關(guān)資料，供油壓力選擇21-28MPa大范圍為佳，負(fù)載壓力按系統(tǒng)效率最高原則確定，為供油壓力的2/3時(shí)可獲得最高的系統(tǒng)效率。
動(dòng)態(tài)萬能試驗(yàn)機(jī)對(duì)電液伺服閥的性能要求比較高，既有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能的要求，又有壽命的要求，因此在選用上必須嚴(yán)格掌握，必要時(shí)應(yīng)從伺服閥的制造廠家訂做專用閥。
3、作動(dòng)器固有頻率的提高
當(dāng)伺服油源壓力確定后，試驗(yàn)機(jī)要求的作用力和振幅是給定參數(shù)，作動(dòng)器固有頻率的提高只有從減小運(yùn)動(dòng)質(zhì)量和提高油液彈性模量?jī)煞矫婵紤]。
在作動(dòng)器可動(dòng)部分的剛度和強(qiáng)度足夠的前提下，應(yīng)盡可能減輕活塞和夾頭的質(zhì)量，對(duì)連接伺服閥和作動(dòng)器管路內(nèi)油液的當(dāng)量質(zhì)量不容忽視，若設(shè)計(jì)不當(dāng)，這一部分質(zhì)量將遠(yuǎn)大于活塞的質(zhì)量，因此在設(shè)計(jì)中必須注意使伺服閥至作動(dòng)器的油腔盡可能短而且過流面積不能太小。通常的做法是伺服閥直接固定在作動(dòng)器的外院上，且伺服閥至作動(dòng)器兩腔的油路對(duì)稱等長(zhǎng)。
提高油液彈性模具的關(guān)鍵是合理設(shè)計(jì)油源，避免空氣重混入油中。在郵箱的吸油扣和回油口之間設(shè)置與箱底成20攝氏度左右的夾角、60-80目的過濾網(wǎng)可以有效分離出混入油中的空氣，液壓油應(yīng)選用粘度適中（41-50mm2/s）且加有抗泡劑的精密機(jī)床液壓油或抗磨液壓油。
4、夾緊油源與夾緊裝置
夾緊油源是液壓夾頭和衡量夾緊裝置提供動(dòng)力，適當(dāng)提高夾緊油源的供油壓力，可以使液壓夾頭的體積和重量大為降低，從而使系統(tǒng)固有頻率得到提高，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)應(yīng)速度，提高夾緊油源的供油壓力也是受橫梁夾緊裝置的設(shè)計(jì)空間限制之故。因此，夾緊油源的供油壓力高于伺服油源的供油壓力，一般在35MPa以上。夾緊油源可以采用超高壓油泵供油、液-液增壓供油和氣-液增壓供油三種方式。超高壓油泵供油系統(tǒng)在設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不足之處是溢流損失和噪音較高。液-液增壓供油系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)由于增壓缸需自制，加工成本較高且性能質(zhì)量不易保證，除非特殊情況，一般很少采用。氣-液增壓供油系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)，由于氣-液增壓缸是市購(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)件，有多重規(guī)格可供選擇。氣-液增壓缸內(nèi)置行程換向閥，活塞到終點(diǎn)后自動(dòng)換向，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，活塞的往返運(yùn)動(dòng)停止，系統(tǒng)保壓。氣-液增壓油源的顯著特點(diǎn)是系統(tǒng)壓力敏感性好、噪音低，這種油源正逐步被推廣使用。
根據(jù)實(shí)驗(yàn)空間調(diào)整之需要，橫梁可以沿立柱上下移動(dòng)；而在進(jìn)行套試驗(yàn)時(shí)，橫梁應(yīng)和立柱處于剛性的夾持狀態(tài)，此功能由橫梁夾緊裝置來實(shí)現(xiàn)。橫梁夾緊裝置設(shè)計(jì)有兩種方式，一種是機(jī)械鎖緊-液壓松開，另一種是液壓鎖緊-機(jī)械松開。前者是采用預(yù)應(yīng)力彈性拉桿對(duì)橫梁實(shí)施鎖緊，在橫梁需要升降時(shí)由液壓缸將橫梁頂開以使其移動(dòng)，這種夾持方法的主要缺點(diǎn)是彈性拉桿所受的應(yīng)力較大，需選用高強(qiáng)度彈性材料；再者，彈性拉桿存在應(yīng)力松弛問題，過一定的時(shí)間需要用力矩扳手再對(duì)其預(yù)緊，操作不便，其優(yōu)點(diǎn)是機(jī)械停止工作時(shí)橫梁的位置能被鎖定，而采用液壓鎖緊的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、夾緊力容易保證，其缺點(diǎn)是當(dāng)機(jī)器停止工作時(shí)，如果控制閥存在零位泄漏，將出現(xiàn)橫梁緩慢下滑的問題，綜合比較，后者用途廣泛，夾持可靠性較高。
5、冷卻方式的選擇
為了維持理想的油溫，電液伺服動(dòng)靜萬能試驗(yàn)機(jī)的液壓系統(tǒng)必須采取強(qiáng)制冷卻方式，冷卻方式一般有三種：風(fēng)冷式、水冷式和冷媒式。風(fēng)冷式條文能力有限，不適合大功率的油源使用；水冷式冷卻能力強(qiáng)，但冷卻裝置占用面積大；冷媒型對(duì)油溫控制精度高、體積較小，初始費(fèi)用雖較高，但運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用較低，且可以喝油源一起安裝在室內(nèi)，因此，其應(yīng)用面在逐漸擴(kuò)大。
總結(jié)：一套合理適用的液壓系統(tǒng)是保證試驗(yàn)機(jī)正常工作、順利完成各種動(dòng)作的保證，對(duì)電液伺服動(dòng)靜萬能試驗(yàn)機(jī)而言，其液壓系統(tǒng)有相似之處，但針對(duì)不同規(guī)格的試驗(yàn)機(jī)，液壓系統(tǒng)又有著各自的特點(diǎn)，因此在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的液壓系統(tǒng)時(shí)，一方面應(yīng)遵循共同的原則，另一方面還應(yīng)因地制宜、有的放矢。
