变转速泵控系统应用于低周疲劳材料试验机的研究

    电液伺服式试验机具有控制精度高和响应快的优点,但伺服阀存在有节流能量损失大和效率低的不足,尤其是在动态试验的疲劳试验机中无功能量损失更为严重[1]。另外伺服阀对液压油清洁度要求高,液压油污染后,影响系统的正常工作。为了解决上述问题,可行的方法是采用直接泵控技术,避免阀控系统的节流损失。直接泵控技术有两种,一种是采用传统的液压伺服泵,但液压伺服泵泵控系统为了达到高的动态响应,必须采用高的控制压力,且部分负载工况效率仍较低[2];另一种是采用伺服电动机驱动定量液压泵的变速泵控制系统,该系统相对于液压伺服泵泵控系统无空载损耗,相对于阀控系统无节流损耗和溢流损耗,且具有伺服电动机控制的响应快速性。通过对试验机负载特性、工作原理的分析,提出在低周疲劳试验机中采用变速泵控原理代替传统阀控原理,以达到显著的节能效果。

    1　变速泵控系统低周疲劳试验机

    1·1　电液控制系统原理

    新设计的变速泵控回路原理如图1所示。当指令信号电压作用于系统时,液压缸活塞便输出力、位移,负载力、位移由力、位移传感器检测并转换为反馈电压,在控制器中与指令信号电压比较,得出偏差信号电压并放大,作为变频器的输入。变频器按照放大的偏差信号电压驱动伺服电机向定量泵输出转速与转矩,定量泵向液压缸输出与偏差信号电压成比例的流量或压力。其中,液控单向阀、补油泵(补油泵为间歇工作方式)和蓄能器为系统提供由于差动液压缸运动所需的流量差,方向阀4可以在空行程时控制液压缸的位置。低周疲劳试验机的技术参数为:试验频率0.01~5 Hz;最大静态力100 kN;最大动态力为50 kN;最大位移幅值,0.5 Hz时为20 mm,5 Hz时为2 mm;位移行程250 mm。可进行三角波、正弦波、方波、随机波等低周循环试验。

   1.2　试验机的负载特性

    试验机在作变形和疲劳试验时的负载主要为弹性负载,惯性负载较小。作正弦运动时可作出整个运动曲线,其它情况如拉伸试验等条件下可考虑最大速度、作用力和功率。作正弦运动时的负载特性为一椭圆。由不同频率时的最大位移以及液压缸参数得到低周疲劳试验机负载特性,见图2所示。

    泵的压力流量特性曲线包容试验机的负载特性,故所选用的液压泵能满足试验机的试验要求。

    2　系统数学模型

    2.1　交流伺服电动机数学模型

    由文献[3]得到交流伺服电动机状态方程: