基于两级液压动力系统的2MN叠加式力标准机的设计

　　0　引言

　　力标准机是力学计量中对测力仪、力及称重传感器等进行检定或测试的标准设备。力标准机从原理分为4种:静重式、杠杆式、液压式、叠加式。叠加式力标准机在我国是20世纪80年代才出现的一种新型力标准机,由于它具有价格低、效率高、体积小、使用方便、能够提供无级连续的力值等优点,近年来应用范围逐渐扩大,并成为测力、称重行业重要的技术装备。就控制原理而言,叠加式力标准机又可分为机械式、液压伺服式、压电陶瓷式等控制技术实现加卸载荷。本文提出的叠加式力标准机有别于传统的控制方式,它是基于两级液压力系统,即采用大、小两级活塞控制系统,并结合微机控制电液伺服方式实现加卸载荷,可以实现宽量程稳定控制。

　　1　力标准机的工作原理

　　1.1　力标准机的基本工作原理

　　2MN叠加式力标准机(以下简称力标准机)的基本工作原理是利用力源发生器对标准测力仪和被检测力仪(包括力及称重传感器等,下同)同时加载,两者串联受力,承受同一载荷,当力源发生器输出达到标准测力仪的定度值(用高一级力标准机标定)时,所施加的载荷为一标准力值,稳定该力值,记录下被检测力仪的输出,逐级加载和卸载,完成对被检测力仪的检测。叠加式力标准机力产生和标准力值由不同部分给出,力的产生由力源发生器加卸载完成,标准力值大小则由标准测力仪确定。因此,力源发生器的好坏确定了力值的稳定性,力值的准确度主要由标准测力仪的性能确定。

　　1.2　力标准机主机立柱受力原理

　　当力标准机产生力值时,立柱会受到拉力F,根据拉杆强度理论:

　　式中:A为立柱横截面积;d为立柱直径;σ为立柱应力;[σ]为立柱所用材料的许用应力。

　　立柱除了强度应足够外,还应具有一定刚度,所以应限制其变形,根据虎克定律:

　　式中:Δl为立柱的变形量;l为立柱的长度;E为弹性模量;ε为立柱的应变。

　　根据式(1)~(4),可以得到力标准机需要多大直径的立柱才能承受最大的力值。

　　1.3　液压控制原理

　　液路系统与活塞间形成闭合回路,在动力系统趋于稳定时,基本满足流体静力学原理。

　　对式(5)取微分运算得到:

　　它表明密封液体的任何一部分发生压力变化,将毫无损失地传递到液体的各个部分,这就是帕斯卡定律。力标准机液压部分就是依据此原理工作的。

　　根据式(6),假设工作活塞和控制活塞的截面积分别为A1、A2,如在控制活塞端施加力F2,产生压力p1,则在工作活塞端得到压力p2=p1,得到的力F1为: