基于微小流量阀的匀速加载压力控制系统研究

　　0　引言

　　压力试验机用于材料力学性能的检测, GB228-2001规定,压力试验机必须具备匀速压力控制能力,能够以规定速率匀速加载。不同材料有各自的力学性能试验国家标准,标准规定的加载速率一般不同,所达到的最大载荷也不一样,为此,我们设计了一种通过数字式微小流量阀控制的匀速加载压力控制系统,加载速率范围0.05 ~25kN/s,负载范围10~3000kN,可根据不同需要任意选择,能够满足不同型号压力试验机生产的要求。

　　1　基本原理

　　液压系统如图1所示,主要由液压缸1、节流阀2、等差减压阀3和油泵4组成,节流阀和等差减压阀组成微小流量阀。液压缸为单作用缸,系统仅用一只微小流量阀构成节流调压,通过调节微小流量阀输出流量控制系统输出压力。微小流量阀采用三通转阀式结构,利用二相混合式步进电机作为电-机械转换元件,额定压力大于50MPa。

　　图2所示为节流阀阀芯阀套平面展开图,考虑到径向力平衡关系,设计中采用了对称开口结构,在阀芯上开有一对与油泵相通的P口和一对与油箱相通的T口,在阀套上开有一对与油缸相通的三角形A口。步进电机顺时针进给, P-A导通,系统通过改变节流阀开口面积调节其输出流量,从而控制系统压力;步进电机逆时针进给, A-T导通,系统卸载,泵出口流量通过等差减压阀回油箱。

　　压力试验机机架刚度远高于被压件刚度,可将其看作刚性结构,因此,压力机机架、负载和液压缸可以简化如图3所示。

　　式中:Q₁为节流阀阀口流量;Q₂为等差减压阀阀口流量;A₁为节流阀阀口过流面积;A₂为等差减压阀阀口过流面积;p_p为泵出口腔工作压力;pl为液压缸负载腔工作压力;C_d1为节流阀阀口流量系数;C_d2为等差减压阀阀口流量系数;ρ为油液密度。泵出口容腔流量连续性方程:

　　式中:Q_p为泵流量;V_p为泵出口容腔体积;V₁为液压缸负载腔体积;A₂为等差减压阀阀芯有效截面积;A₁为液压缸滑塞有效截面积;xv为等差减压阀阀芯开度;E为液体体积弹性模量;C_e为液压缸泄漏系数;y为液压缸活塞位移。等差减压阀阀芯力平衡方程:

　　式中:m₂为等差减压阀阀芯质量;m₁为液压缸活塞组件及负载的总质量;B₂为等差减压阀阀芯运动的粘性阻尼系数;B₁为活塞和负载的粘性阻尼系数;Kt为等差减压阀阀芯平衡弹簧刚度;K为负载的弹簧刚度;F为作用在活塞上的任意外负载;Fg为液压缸产生的驱动力。