KLZ-27型螺旋開溝機(jī)設(shè)計

1、通過各專業(yè)全套畢業(yè)設(shè)計第一章 緒論1.1研究的目的和意義材料試驗(yàn)機(jī)在開發(fā)新材料和材料質(zhì)量控制領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，作為大型精密儀器，對它的控制精確性、智能性及人機(jī)交互便利性都提出了很高的要求。然而，目前的材料試驗(yàn)機(jī)發(fā)展不完善，還存在各種問題。第一，針對試驗(yàn)過程中，負(fù)載剛度變化，怎樣找到科學(xué)合理的解決辦法，在能得到負(fù)載力學(xué)性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，確?？刂葡到y(tǒng)的精確性；第二，針對不同的試驗(yàn)對象以及試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，研制能夠自動控制完成試驗(yàn)過程，并具有良好人機(jī)界面的試驗(yàn)機(jī)；第三，控制系統(tǒng)中的問題，比如電液比例控制系統(tǒng)的不確定性，它的系統(tǒng)參數(shù)具有高維、時變、模糊、非線性等特點(diǎn)，試驗(yàn)機(jī)本身要滿足控制多項(xiàng)性能指標(biāo)的苛刻

2、要求。常規(guī)的控制方法不能滿足這些苛刻的要求，需要研制常規(guī)方法和智能控制方法相結(jié)合的控制系統(tǒng)。第四，建立物理和數(shù)學(xué)模型時的誤差問題。論文針對目前試驗(yàn)機(jī)存在的各種問題，以電液比例控制液壓萬能材料試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)為對象，進(jìn)行了深入探討和研究。全套圖紙，加1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展材料試驗(yàn)機(jī)是一種施力裝置或者力控制系統(tǒng)。主要是用來測試各種材料在不同條件下的物理機(jī)械性能、工藝性能、抗震強(qiáng)度及內(nèi)外結(jié)構(gòu)缺陷的重要科學(xué)測試儀器。當(dāng)今國內(nèi)外市場上存在的試驗(yàn)機(jī)主要可分為三大類：電液伺服控制材料試驗(yàn)機(jī)、電液比例控制材料試驗(yàn)機(jī)、電子式萬能試驗(yàn)機(jī)。最初的自動控制液壓材料試驗(yàn)機(jī)采用電液伺服閥構(gòu)成控制系統(tǒng)，這類試驗(yàn)機(jī)采用大流量的

3、伺服閥系統(tǒng)，其功率消耗大、裝備復(fù)雜、費(fèi)用昂貴，此外，抗污染能力差，傳動液壓油受到污染后系統(tǒng)將不能正常工作。針對電液伺服控制中存在的各種問題，電液比例控制技術(shù)被應(yīng)用于材料試驗(yàn)機(jī)。比例閥以傳統(tǒng)的工業(yè)液壓閥為基礎(chǔ)，采用可靠、價廉的模擬電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器和與之相應(yīng)的閥內(nèi)設(shè)計，對油質(zhì)要求與一般工業(yè)閥相同，其閥內(nèi)壓力損失低，性能又能滿足大部分工程測試業(yè)要求的比例控制元件。近年來出現(xiàn)了一種性能和價格介于伺服閥和普通比例閥之間的控制閥高性能電液比例方向閥，它具有傳統(tǒng)比例閥的特征，采用比例電磁鐵作為電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，同時，它又采用伺服閥的加工工藝、零遮蓋閥口，對油液清潔度要求低于電液伺服閥，而它的控制性能已經(jīng)與普通電

4、液伺服閥相當(dāng)，能大幅提高控制性能。隨著電液伺服技術(shù)、電液比例技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)及現(xiàn)代控制技術(shù)的飛速發(fā)展，國內(nèi)外試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)廠商都積極研發(fā)具有恒加載速率、恒應(yīng)變速率、恒位移速率控制特點(diǎn)的試驗(yàn)機(jī)。20世紀(jì)80年代末，濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠和日本島津公司合資生產(chǎn)了WAW-500型試驗(yàn)機(jī)。其采用電液伺服閥，試驗(yàn)范圍大，具有恒加載速率、恒應(yīng)變速率、恒位移速率控制等特點(diǎn)，可高效率高精度地自動完成試驗(yàn)過程，描繪出試驗(yàn)曲線，并對結(jié)果進(jìn)行處理和打印、記錄，還有故障自我診斷功能和人機(jī)對話功能，是比較先進(jìn)的液壓萬能試驗(yàn)機(jī)。1.2.1國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國內(nèi)液壓試驗(yàn)機(jī)從五十年末開始，仿制并大批生產(chǎn)了德國申克公司的手動控制的U

5、PM系列液壓萬能試驗(yàn)機(jī)。如國內(nèi)各試驗(yàn)機(jī)廠生產(chǎn)的WE系列萬能機(jī)、YA系列壓力機(jī)。它采用手動控制系統(tǒng)，主要特點(diǎn)是手動加載、卸載，擺錘測力、度盤顯示，如圖1.1所示。這種設(shè)備測量范圍小，精度低，對變形及位移不能等速率控制，加上擺錘的慣性誤差等的影響，國家己經(jīng)開始逐步限制這類試驗(yàn)機(jī)進(jìn)入市場。但由于這種試驗(yàn)機(jī)價格低廉、維護(hù)方便，目前，這兩種試驗(yàn)機(jī)仍占相當(dāng)大的市場。圖1.1 手動式液壓萬能試驗(yàn)機(jī) 圖1.2 數(shù)顯式液壓萬能試驗(yàn)機(jī)為了提高測量精度，消除擺錘對測量精度的影響，一些試驗(yàn)機(jī)廠家以電子測力代替杠桿擺錘測力，如圖1.2所示。這類試驗(yàn)機(jī)只在測力系統(tǒng)和數(shù)據(jù)顯示方面作了改進(jìn)，大多以單片機(jī)作為數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)

6、，在長期可靠性方面存在不少問題，在控制系統(tǒng)方面存在不少缺陷，無法實(shí)現(xiàn)等速控制。長春試驗(yàn)機(jī)研究所生產(chǎn)的WAW系列微機(jī)控制液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，其測量范圍可達(dá)6檔，具有等速控制試驗(yàn)方式及專門為金屬拉伸試驗(yàn)設(shè)計的試驗(yàn)方式，但采用模擬放大器，繼電器自動換檔，不能實(shí)現(xiàn)各檔之間的平滑切換，可靠性比較差。同時，國內(nèi)試驗(yàn)機(jī)廠也積極與國外著名試驗(yàn)機(jī)公司合作聯(lián)合開發(fā)自動控制液壓萬能試驗(yàn)機(jī)，濟(jì)南試驗(yàn)機(jī)廠引進(jìn)日本島津技術(shù)開發(fā)WAW-Y系列微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，上海華龍測試儀器廠引進(jìn)德國DOLI公司技術(shù)生產(chǎn)的WAW系列微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)，這些試驗(yàn)機(jī)雖然能實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，但存在各種控制方式不能靈活組合，控制性能難以

7、適應(yīng)材料剛度的變化，調(diào)試和使用復(fù)雜，適用范圍不廣，而且因價格昂貴難以被國內(nèi)大部分企業(yè)所接受。國外著名的試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)廠商主要有四個：美國的MTS公司，英國的INSTRON，德國的申克公司和日本的島津公司。日本島津公司生產(chǎn)的UDH系列試驗(yàn)機(jī)，如圖1.3所示。它可進(jìn)行自動和手動兩種操作，具有計算機(jī)控制和數(shù)據(jù)處理功能，其系列性能好，機(jī)種覆蓋廣，缺點(diǎn)是自動化程度低。德國申克公司的UPM液壓萬能試驗(yàn)機(jī)控制原理是由速度控制器控制力矩電機(jī)進(jìn)而帶動壓力控制閥施加壓力，具備計算機(jī)處理和控制功能，是一種較傳統(tǒng)的控制方式。美國MTS公司生產(chǎn)的NEW810系列主機(jī)采用318系列，主要特點(diǎn)在伺服液壓缸上，液壓缸滑動表面，用

8、非金屬噴涂處理，實(shí)現(xiàn)較小阻尼。電控系統(tǒng)有MTS TEST STAR試驗(yàn)系統(tǒng)和MTS TEST LINK試驗(yàn)系統(tǒng)，TEST STAR計算機(jī)參與控制，P、I、D參數(shù)給定，TEST LINK可以連接計算機(jī)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，但在非線性區(qū)沒有良好的控制能力，控制方式平滑切換裝置不夠理想。英國Instron公司生產(chǎn)的1190系列、1100系列和日本島津生產(chǎn)的Dss系列和AG-A系列，由于引入了各種功能附件及計算機(jī)，其功能、可靠性、測試精度大大提高。20世紀(jì)末21世紀(jì)初，Instron公司研制的5500系列電子試驗(yàn)機(jī)采用Windows操作系統(tǒng)和Morlin標(biāo)準(zhǔn)軟件以及數(shù)字信號處理(DSP)技術(shù)，其性能得到進(jìn)一

9、步增強(qiáng)。圖1.4為英國英斯特朗公司生產(chǎn)的HTV液壓萬能試驗(yàn)機(jī)。由于這些試驗(yàn)機(jī)的量程小，價格昂貴，在國內(nèi)應(yīng)用較少。 圖1.3 日本島津UH-l-Fl液壓萬能試驗(yàn)機(jī) 圖1.4 英國英斯特朗HTV液壓萬能試驗(yàn)機(jī)在材料試驗(yàn)機(jī)電控系統(tǒng)的控制策略方面，人們已經(jīng)做了一些研究。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因它具有學(xué)習(xí)任意非線性關(guān)系的能力和容許大量輸入的并行信息處理方式，為試驗(yàn)機(jī)這樣的復(fù)雜非線性和不確定性系統(tǒng)的控制開辟了一條新途徑，但是由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)時性差，目前較少用于實(shí)際工業(yè)控制過程。以模擬人的控制行為作為出發(fā)點(diǎn)的智能控制方法，在上世紀(jì)末取得了長足進(jìn)步，可拓學(xué)與控制論的結(jié)合，產(chǎn)生了一種新型的智能控制方法-可拓智能控制方法，并

10、將它應(yīng)用于試驗(yàn)機(jī)上，取得了良好控制效果。1.2.2國內(nèi)外發(fā)展材料試驗(yàn)機(jī)是典型的非線性、微小流量系統(tǒng)，材料試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)與一般液壓系統(tǒng)工況不同，其主要工作在微小流量領(lǐng)域，一般最大系統(tǒng)流量僅為，正常工作流量主要在幾十毫升至幾百毫升之間，此時，油缸活塞摩擦力的大小、油泵的流量、系統(tǒng)的油液泄漏等因素，將對系統(tǒng)產(chǎn)生較大的影響，系統(tǒng)存在著嚴(yán)重的非線性。因此有必要研制更智能有效的控制系統(tǒng)，以解決由于非線性而產(chǎn)生的控制不精確的問題。電液比例控制技術(shù)以其低廉的價格、高可靠性及抗污染能力強(qiáng)等特性，在液壓控制領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。電液比例控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢應(yīng)該是可以把電液比例換向閥、手動調(diào)節(jié)閥、背壓閥、安全閥及溢流閥、

11、壓差閥等多個閥控機(jī)構(gòu)集中在一個比例閥組上，做到結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，同時要盡量降低成本，并且使調(diào)試及維修方便，易于推廣。新型的材料試驗(yàn)機(jī)還應(yīng)具有極高的測量精度，試驗(yàn)機(jī)是一種大型儀器儀表設(shè)備，它的測量結(jié)果作為產(chǎn)品設(shè)計及生產(chǎn)控制的主要依據(jù)，因此對試驗(yàn)結(jié)果的可靠性、準(zhǔn)確性都提出了越來越高的要求。測量精度主要與傳感器的精度、放大器的性能及油缸活塞的摩擦力大小等斟數(shù)有關(guān)。先進(jìn)的萬能材料試驗(yàn)機(jī)的另一個特點(diǎn)便是由計算機(jī)全自動控制，能方便快捷的實(shí)現(xiàn)等速控制，價格低廉，能實(shí)現(xiàn)各檔的平滑切換，各種控制方式的靈活組合，適應(yīng)試樣剛度的變化，抗污染能力強(qiáng)，能耗低，功能強(qiáng)大，能模擬各種條件測試各種材料的性能，在負(fù)載剛度變化狀

12、況下，照樣能精確測得材料性能。此外，集多種試驗(yàn)方式于一身，如拉伸、彎曲、壓縮、剪切試驗(yàn)外，還有組合應(yīng)力試驗(yàn)、應(yīng)力保持試驗(yàn)、低周疲勞試驗(yàn)等，真正實(shí)現(xiàn)萬能試驗(yàn)機(jī)的多功能特性。1.3拉伸試驗(yàn)的負(fù)載分析以低碳鋼拉伸試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線為例如圖1.5所示，分析材料拉伸時所表現(xiàn)出的力學(xué)性質(zhì)。圖1.5 拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力一應(yīng)變曲線注：圖中應(yīng)力，F(xiàn)為拉力，為試樣原始橫截面積；應(yīng)變，為試樣伸長，為試樣原始標(biāo)距。拉伸開始階段OA為一條斜直線，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，將其斜率表示如下，得：此式即為虎克定律。由此可見，當(dāng)應(yīng)力一定時，材料的E越大，應(yīng)變越小；E值越小，應(yīng)變越大，因此，E值表征了材料對彈性形變的抵抗能力，它是材料

13、的剛性指標(biāo)，稱E為材料的彈性模量。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到A點(diǎn)時，材料開始非比例伸長，稱A點(diǎn)為比例極限或彈性極限，以表示，若在此點(diǎn)卸載拉力，試樣便停止變形。因此，虎克定律可以表述如下：當(dāng)應(yīng)力不超過彈性極限時，材料的應(yīng)力與應(yīng)變成正比，并將遵守虎克定律的材料稱為線性彈性材料。當(dāng)應(yīng)力超過彈性極限后，曲線明顯變彎，如圖1.5中的AC段，材料在這一階段，應(yīng)力幾乎不變的情況下，仍然繼續(xù)變形，對變形失去了抵抗能力，此階段稱為屈服階段。材料在屈服階段中的最大應(yīng)力點(diǎn)，即B點(diǎn)，稱為上屈服點(diǎn)，用表示；排除屈服階段剛開始時出現(xiàn)的第一個最小應(yīng)力點(diǎn)，即忽略初始瞬時效應(yīng)，以后出現(xiàn)的最小應(yīng)力點(diǎn)稱為下屈服點(diǎn)，用表示；若取屈服階段應(yīng)力的平均值

14、，稱其為屈服點(diǎn)。下屈服點(diǎn)是材料重要的強(qiáng)度指標(biāo)，因?yàn)楫?dāng)應(yīng)力達(dá)到它所對應(yīng)的值時，材料就會產(chǎn)生塑性變形，因此也稱之為屈服極限。當(dāng)材料所受應(yīng)力超過屈服極限后，將影響構(gòu)件的正常工作，這在工程上是不允許的。屈服階段AC結(jié)束后，曲線開始上升，這表明材料又恢復(fù)了抵抗形變能力，此階段稱為材料的強(qiáng)化階段，如圖中CH階段。H點(diǎn)的應(yīng)力值是強(qiáng)化階段中的最高應(yīng)力值，稱之為強(qiáng)度極限，以表示，在強(qiáng)化階段以塑性變形為主，且比彈性階段變形大得多。當(dāng)材料應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限時，在試件某處其橫向尺寸顯著縮小，形成細(xì)頸，此現(xiàn)象稱為“頸縮”。此時得變形集中在細(xì)頸附件，相應(yīng)得橫截面積隨之收縮，因而使試件變形所需的拉力減少，曲線由H點(diǎn)急劇下降，

15、達(dá)到K點(diǎn)時，試件在細(xì)頸處被拉斷。這一階段HK被稱為頸縮階段(或稱局部變形階段)。強(qiáng)度極限也是材料的又一重要指標(biāo)，當(dāng)材料應(yīng)力達(dá)到強(qiáng)度極限時，就標(biāo)志著斷裂即將到來。試件斷裂后，變形中的彈性變形(如圖1.5中的段)消失，而塑性變形(如圖1.5中的OG段)保留下來，為了確定塑性變形的程度，引入式中：是試件原始標(biāo)距長度，為斷后對接得到的試件標(biāo)距長度。稱為材料的延伸率，此值越大，材料的塑性性能就愈好。工程上通常按延伸率的大小將材料進(jìn)行分類，的材料稱為塑性材料，如低碳剛等：而將的材料稱為脆性材料，如混凝士等。1.4材料力學(xué)性能參數(shù)測定力學(xué)性能參數(shù)的測定，即利用材料試驗(yàn)機(jī)等儀器獲得材料試驗(yàn)過程曲線，通過分析曲

16、線，計算得到該材料的重要力學(xué)性能參數(shù)。以常見的會屬拉伸試驗(yàn)為例，首先定義幾個重要的力學(xué)性能參數(shù)如下：規(guī)定非比例伸長應(yīng)力()，試樣標(biāo)距部分的非比例伸長達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時的應(yīng)力，表示此應(yīng)力的符號附以腳注說明，例如：，表示規(guī)定非比例伸長率為0.2時的應(yīng)力；規(guī)定總伸長應(yīng)力()，試樣標(biāo)距部分的總伸長(彈性伸長加塑性伸長)達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時的應(yīng)力；規(guī)定殘余伸長應(yīng)力()，試樣卸除拉伸力后，其標(biāo)距部分的殘余伸長達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時的應(yīng)力；屈服點(diǎn)伸長率()，試樣從屈服開始至屈服階段結(jié)束之間標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比；最大力下的伸長率，試樣拉到最大力時標(biāo)距的伸長與原始標(biāo)距的百分比，分總伸長

17、率()和非比例伸長率()。國標(biāo)GBT2282002規(guī)定，當(dāng)測定規(guī)定非比例伸長應(yīng)力、規(guī)定總伸長應(yīng)力、規(guī)定殘余伸長應(yīng)力、屈服點(diǎn)和上屈服點(diǎn)時，彈性范圍內(nèi)的應(yīng)力速率應(yīng)符合表1.1規(guī)定，并保持試驗(yàn)機(jī)控制固定于這一速率上，直到該性能測出為止。表1.1 應(yīng)力速率表測定下屈服點(diǎn)時，平行長度內(nèi)的應(yīng)變速率應(yīng)在00002500025mms之間，應(yīng)盡可能保持恒定。如不能直接控制這一速率，則應(yīng)通過調(diào)節(jié)在屈服開始前的應(yīng)力速率將其固定，直至屈服階段過后。但彈性范圍內(nèi)的應(yīng)力速率不能超過表1.1中所允許的最大速率。屈服過后或只需測定抗拉強(qiáng)度時，試驗(yàn)機(jī)兩夾頭在力作用下的分離速率應(yīng)不超過，為試樣平行長度?，F(xiàn)將幾個力學(xué)性能參數(shù)的測定

18、方法簡述如下。1規(guī)定非比例伸長應(yīng)力的測定(1)圖解法圖1.6 圖解法 圖1.7 逐步逼近法參考圖1.6的力-伸長曲線，在曲線圖的x軸上，截取一段相應(yīng)規(guī)定非比例伸長的段，為位移放大倍數(shù)，為引伸計標(biāo)距，為規(guī)定非比例伸長率。過C點(diǎn)作彈性直線段的平行線CA交曲線于A點(diǎn)，A點(diǎn)對應(yīng)的力即為所測規(guī)定非比例伸長力，則規(guī)定非比例伸長應(yīng)力為，為試樣原始橫截面積。(2)逐步逼近法當(dāng)力一伸長曲線沒有明顯彈性直線段，以致較難測出相應(yīng)的非比例伸長力時，用此種辦法。如圖1.7所示，以獲取為例，在曲線上估取一點(diǎn)為規(guī)定非比例伸長率等于0.2時的力，在曲線上分別確定力為和的和兩點(diǎn)，并進(jìn)行連接。從曲線原點(diǎn)起截取()，過C點(diǎn)作平行于

19、的直線交曲線于點(diǎn)。如和重合，則為規(guī)定非比例伸長率為0.2時的力。如與點(diǎn)重合，則需采取與上述相同的步驟進(jìn)行進(jìn)一步逼近。此時取點(diǎn)的力，分別確定力為0.1 和的和兩點(diǎn)。然后過點(diǎn)作的平行線確定交點(diǎn)。如此重復(fù)，直到最后一次得到的交點(diǎn)與前一次重合。2規(guī)定總伸長應(yīng)力的測定可參見圖1.6，在力一伸長曲線上，自曲線的原點(diǎn)O起，截取等于規(guī)定總伸長的段()，一般不小于50倍。過點(diǎn)作力軸的平行線交曲線于點(diǎn)，點(diǎn)所對應(yīng)的力為所測定總伸長應(yīng)力的力，則規(guī)定總伸長應(yīng)力為。3屈服點(diǎn)、上屈服點(diǎn)、下屈服點(diǎn)的測定有明顯屈服現(xiàn)象的金屬材料，應(yīng)測定其屈服點(diǎn)、上屈服點(diǎn)、下屈服點(diǎn)。通常可用圖示法，如圖1.8、1.9所示，在力一伸長曲線上，確定

20、屈服平臺恒定的力、上屈服點(diǎn)和下屈服點(diǎn)，則屈服點(diǎn)、上屈服點(diǎn)、下屈服點(diǎn)的相應(yīng)應(yīng)力分別按以下公式來計算圖1.8 屈服平臺恒定的力一伸長曲線 圖1.9 典型力一伸長曲線 (屈服點(diǎn))、 （上屈服點(diǎn)）、 (下屈服點(diǎn))本章小結(jié)在介紹材料力學(xué)性能的基本概念基礎(chǔ)上，以低碳鋼拉伸試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線為例，詳細(xì)分析了材料被拉伸時表現(xiàn)出的典型力學(xué)特性，它是定量分析材料試驗(yàn)曲線的理論依據(jù)。最后，以金屬拉仲的力學(xué)性能參數(shù)測定為例，利用圖示法求解規(guī)定非比例伸長應(yīng)力、規(guī)定總伸長應(yīng)力及不同屈服點(diǎn)等典型參數(shù)，為電控系統(tǒng)軟件設(shè)計及計算主要力學(xué)性能參數(shù)提供了依據(jù)。第二章 材料試驗(yàn)機(jī)的總體設(shè)計方案2.1材料試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成電液伺服試驗(yàn)

21、機(jī)系統(tǒng)采用以工控機(jī)為核心控制器，以壓力傳感器、引伸計、位移傳感器、信號放大器、信號調(diào)理器、為輔助外圍電路組成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以DA、控制放大器、伺服閥閥、數(shù)字驅(qū)動器等組成信號輸出控制系統(tǒng)，用戶通過人機(jī)界面、打印報表、數(shù)據(jù)庫管理等實(shí)現(xiàn)與工控機(jī)的人機(jī)交互，利用工控機(jī)的高速計算能力實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的自動處理，其電液伺服控制液壓材料試驗(yàn)機(jī)的主機(jī)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.1。圖2.1 試驗(yàn)機(jī)的主機(jī)結(jié)構(gòu)框圖由圖2.1可見，試驗(yàn)機(jī)主機(jī)主要由伺服閥控制放大器、比例閥、液壓缸及負(fù)荷傳感器、引伸計、位移傳感器等幾部分組成，其它硬件還包括底座、油缸、活塞、立柱、絲桿、工作臺、上下移動橫梁、試樣夾持裝置以及橫梁升降機(jī)構(gòu)等，由試樣夾持

22、裝置夾緊試樣，通過控制橫梁的升降機(jī)構(gòu)可以調(diào)整試樣夾持空間，并且通過油缸活塞完成對試樣的加載。2.1.1試樣夾持系統(tǒng)的設(shè)計在金屬拉伸試驗(yàn)過程中，為了避免由于鉗口滑移而影響控制效果，需采用配套單獨(dú)油源的試樣夾持系統(tǒng)，如圖2.2，通過調(diào)整油源的系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)夾緊力的大小，保證了試樣拉斷時不至于因?yàn)榉礇_力的存在導(dǎo)致夾頭自動松開，破壞夾持在試樣上的引伸計。圖2.2 試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)的試樣夾持裝置2.2材料試驗(yàn)機(jī)的液壓控制系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)的動力由液壓控制系統(tǒng)提供，如圖2.3。電液伺服閥液壓控制系統(tǒng)主要由伺服閥、液壓缸、油泵、電機(jī)等液壓元件組成，完成的功能是控制試樣的央緊和根據(jù)控制信號對試樣進(jìn)行加載。2.2.1液壓系

23、統(tǒng)原理圖圖2.3 試驗(yàn)機(jī)的液壓控制系統(tǒng)試驗(yàn)機(jī)最大試驗(yàn)力的大小由液壓缸的直徑和液壓系統(tǒng)的系統(tǒng)壓力決定，也表征了試驗(yàn)機(jī)的工作能力。考慮到試驗(yàn)機(jī)的工作特點(diǎn)是斷續(xù)工作，試驗(yàn)力的一般使用范圍是，因此大部分時間工作在卸荷狀態(tài)，并且要求試驗(yàn)過程平穩(wěn)、可靠，綜合考慮，采用帶有壓差補(bǔ)償?shù)呢?fù)載適應(yīng)型液壓控制系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)進(jìn)油調(diào)速控制，在伺服閥的兩端設(shè)置了一個壓差閥，如圖2.4，使得進(jìn)油口兩端壓差始終保持不變，保證了進(jìn)入油缸的控制油流量與輸入伺服閥的電信號成正比，油源的系統(tǒng)壓力隨著負(fù)載壓力的上升而升高，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載適應(yīng)型的材料試驗(yàn)機(jī)液壓控制系統(tǒng)。圖2.4 液壓控制系統(tǒng)的壓差閥2.3材料試驗(yàn)機(jī)的電氣控制系統(tǒng)2.3.1.

24、 ISA總線全數(shù)字控制器試驗(yàn)機(jī)控制器是試驗(yàn)機(jī)和計算機(jī)通信的重要部件，目前國內(nèi)許多試驗(yàn)機(jī)生產(chǎn)廠家仍然采用模擬旋轉(zhuǎn)電位計手動進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)節(jié)和增益調(diào)整，并且大部分只做到4檔量程衰減倍率，由于每個通道的每個量程都要進(jìn)行零點(diǎn)調(diào)整和增益調(diào)整，這使得控制器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不便，可靠性及測量精度都很難保證，無法實(shí)現(xiàn)各通道量程自動平滑切換，不能支持多傳感器系統(tǒng)。本課題根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)，采用性能優(yōu)越的試驗(yàn)機(jī)專用ISA總線全數(shù)字控制器，控制器框圖如圖2.5。圖2.5 ISA總線全數(shù)字控制器框圖對于工業(yè)控制和采集系統(tǒng)來說，ISA(Industry Standard Architecture)總線是一個比較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的實(shí)現(xiàn)方

25、案，ISA總線的8MHz主頻也能滿足大部分機(jī)電控制要求，該材料試驗(yàn)機(jī)控制器直接使用工控機(jī)的主板系統(tǒng)總線ISA，共用直流穩(wěn)壓電源，做到單卡控制系統(tǒng)(SOC：System On Card)，控制器的核心由工控機(jī)擔(dān)任，把材料試驗(yàn)機(jī)控制器所需的外圍硬件系統(tǒng)，如信號放大、數(shù)字調(diào)零、數(shù)字增益調(diào)整、標(biāo)定、AD、DA及開關(guān)量輸入輸出等設(shè)計成主板的系統(tǒng)總線形式，全部集成在一塊ISA插卡板上，省去了控制器和計算機(jī)之間的連線，提高了可靠性，充分利用工控機(jī)的豐富資源及強(qiáng)大的運(yùn)算能力，組成功能強(qiáng)大、設(shè)計靈活的材料試驗(yàn)機(jī)控制器。2.4材料試驗(yàn)機(jī)的工作原理力信號經(jīng)放大器放大后送入伺服閥的線圈中，伺服閥輸出與電信號成比例的壓

26、差，同時作用在液壓缸的活塞上，形成與電信號成比例的作用力。力傳感器檢測實(shí)際作用力，發(fā)出電信號經(jīng)反饋放大器放大后與信號源給定的電信號相比較，如果活塞加到試驗(yàn)件上的作用力等于給定值，則兩個電信號差值為零，否則經(jīng)放大器放大后的差值通過伺服閥將去糾正活塞的作用力，直到活塞作用力，即試驗(yàn)件所受力等于給定值為止。工作原理圖，如下圖2.6圖2.6 電液伺服控制系統(tǒng)工作原理圖本章小結(jié)本章給出了工控機(jī)為核心控制器的電液伺服控制試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，利用1SA總線全數(shù)字控制器作為工控機(jī)與試驗(yàn)機(jī)之間的接口，控制系統(tǒng)具有功能強(qiáng)、設(shè)計靈活的特點(diǎn)。其中，有效采用、保留了液壓控制系統(tǒng)采用壓差閥，使伺服閥的流量輸出基本不受負(fù)載變化

27、的影響，提高了控制的精確性。第三章 材料試驗(yàn)機(jī)主要技術(shù)指標(biāo)計算技術(shù)要求如下：最大靜態(tài)負(fù)載：0.2MN最大動態(tài)負(fù)載：0.02MN試驗(yàn)行程：10mm系統(tǒng)頻寬f0.7：100HZ速度精度（%）：0.2力控精度（%）：0.2總剛度總阻尼系數(shù)最大振幅：0.5Hz 4mm 12Hz 1.6mm總重量：145kg力傳感器增益：3.1材料試驗(yàn)機(jī)靜態(tài)設(shè)計液壓動力元件參數(shù)的選擇是系統(tǒng)靜態(tài)設(shè)計的一個主要內(nèi)容。動力元件參數(shù)選擇包括系統(tǒng)的供油壓力，液壓執(zhí)行元件的主要規(guī)格尺寸，即液壓缸的有效面積，伺服閥的最大空載流量。3.1.1液壓缸的選擇按照常規(guī)選取供油壓力。液壓缸的工作面積按負(fù)載力和負(fù)載壓力確定。由于材料試驗(yàn)機(jī)有速度

28、波形和負(fù)載力波形的要求，同時考慮延長伺服閥的疲勞壽命，所以負(fù)載壓力應(yīng)取得低一些，且限定伺服閥的負(fù)載壓力。取。按最大負(fù)載力計算，則液壓缸的有效面積為3.1.2伺服閥的選擇供油流量應(yīng)滿足最大振幅的要求，即 （3-1）式中為頻率下的最大振幅。代入具體數(shù)值得因此得伺服閥的規(guī)格選用額定電流為,時的空載流量為的QDY3-G200型號的電液伺服閥，閥3.1.3傳感器的選擇試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)反饋三個變量：試驗(yàn)力、試樣變形和活塞位移，分別通過壓力傳感器、引伸計和光電編碼器進(jìn)行檢測。試驗(yàn)力的信號檢測分六檔，位移的信號檢測分四檔，每檔的精度都為1級。三個傳感器均被集成在ISA總線全數(shù)字控制器內(nèi)，因?yàn)槿齻€傳感器對系統(tǒng)的可

29、靠性、精確性非常重要，因此必須選擇性能優(yōu)越的傳感器。3.2材料試驗(yàn)機(jī)動態(tài)設(shè)計3.2.1具體計算力控制回路的傳遞函數(shù)一、液壓缸的傳遞函數(shù)由參考文獻(xiàn)9可知，液壓缸的傳遞函數(shù)的表達(dá)方式為 （3-2）由于忽略液壓缸泄漏，則，取，將參數(shù)代入上式得，二、伺服閥的傳遞函數(shù)由參考文獻(xiàn)9可知，伺服閥的傳遞函數(shù)的表達(dá)式為 （3-3）其中為電液伺服閥的流量增益為液壓固有頻率為液壓阻尼比代入上式得伺服閥的傳遞函數(shù)為放大器增益待定。由上述具體傳遞函數(shù)代入可得材料試驗(yàn)機(jī)的方框圖，如下圖3.1圖3.1 材料試驗(yàn)機(jī)力控制回路方框圖3.2.2繪制波特圖并分析由圖3.1可繪制系統(tǒng)的開環(huán)波特圖，見圖3.2，圖3.3。系統(tǒng)波特圖有四

30、個轉(zhuǎn)折頻率，它們分別是，。為了確定放大器的增益值，須先求出系統(tǒng)的開環(huán)增益。要確定，先在處繪出伺服閥的幅頻特性，留17dB的增益裕量。由伺服閥漸近幅頻特性線交點(diǎn)向左上方畫-20dB的斜線，與的垂直線相交，便得系統(tǒng)開環(huán)增益為，則。于是放大器增益量圖3.2 用matlab畫波特圖圖3.3 CAD界面分析波特圖3.3檢驗(yàn)技術(shù)指標(biāo)一、最大振幅計算流量時已考慮滿足12Hz時1.6mm的振幅。實(shí)際加載12Hz時，力輸出衰減到-1dB，即為。此時液壓缸的位移為滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。二、靜態(tài)負(fù)載下控制力的漂移從圖3.1看出，本系統(tǒng)為0型系統(tǒng)，干擾引起的穩(wěn)態(tài)誤差為 （3-4）飄移干擾為又因?yàn)?，代入上式得滿足系統(tǒng)設(shè)計要

31、求三、系統(tǒng)頻寬由圖3.2可得滿足系統(tǒng)設(shè)計要求本章小結(jié)主要對液壓伺服系統(tǒng)的設(shè)計，通過靜態(tài)計算，動態(tài)設(shè)計，以及對系統(tǒng)進(jìn)行校正選擇符合要求的系統(tǒng)各元件。設(shè)計材料試驗(yàn)機(jī)時應(yīng)注意以下幾點(diǎn)內(nèi)容：(1)系統(tǒng)頻寬和負(fù)載剛度有關(guān)從圖3.3可以看出，如果系統(tǒng)開環(huán)增益保持不變，由可知，剛度加大，必然使提高，從而也隨之提高。此時，由于相位裕量很大，所以系統(tǒng)仍保持穩(wěn)定而頻寬提高。由于試樣剛度在負(fù)載剛度中占很大比重，所以試樣越粗大，系統(tǒng)頻寬越高。(2)選用伺服閥時必須考慮閥中變形零件的疲勞，所以流量規(guī)格應(yīng)選大一些，使閥內(nèi)零件的變形幅度小一些，以提高伺服閥的使用壽命。(3)要想加大負(fù)載力，必須加大液壓缸面積；要提高頻寬，可

32、以減小面積及容積，但主要還是提高伺服閥頻寬。第四章 材料試驗(yàn)機(jī)其他元件計算選擇4.1液壓泵的選擇一、確定液壓泵的工作壓力液壓泵的最大工作壓力式中為執(zhí)行元件的最大工作壓力為液壓泵出口到執(zhí)行元件入口之間的壓力損失，按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取。由于管路復(fù)雜流速較大，取。代入數(shù)據(jù)得二、確定液壓泵的流量系統(tǒng)所需的最大流量為，若取回路泄漏系數(shù)，則泵的總流量三、選擇液壓泵的規(guī)格根據(jù)其最大工作壓力和流量，再數(shù)據(jù)查閱產(chǎn)品樣本，選用規(guī)格相近的YB-E125型葉片泵四、確定驅(qū)動液壓泵的功率工作循環(huán)中，液壓泵的壓力和流量比較恒定，則液壓泵的驅(qū)動功率 （4-1）因?yàn)檫x用的是葉片泵，其液壓泵的總效率為0.7-0.85，選取，再將上述

33、數(shù)據(jù)代入得選用規(guī)格相近的Y200L2-2型電動機(jī)，其額定功率為37KW。4.2油箱的選擇按照經(jīng)驗(yàn)公式計算油箱容量4.3液壓油的選擇建議使用22號透平油，YH10型油或其它合適的液壓油為工作液體。工作液體應(yīng)符合ISO4406的15/1118/14污染等級或NAS7-8級以上的清潔度。工作油液溫度：最低溫度 -40，最高溫度 +100，一般溫度控制在3545之間。本章小結(jié)本章主要是通過第三章得出的數(shù)據(jù)對材料試驗(yàn)機(jī)的液壓能源進(jìn)行選擇。選出液壓泵的規(guī)格，同時得出驅(qū)動電機(jī)的規(guī)格；選出油箱容量；通過伺服閥選出液壓油的各種指標(biāo)要求。第五章 材料試驗(yàn)機(jī)泵站校核計算5.1液壓系統(tǒng)壓力損失計算計算系統(tǒng)壓力損失，必

34、須知道管道的直徑和管道長度。管道直徑按選定元件的接口尺寸確定為，進(jìn)、回油管道長度都定為；油液的運(yùn)動粘度取，油液的密度取。系統(tǒng)壓力損失包括管路的沿程壓力損失，局部壓力損失及液壓閥類元件的局部損失，即。其中 （5-1） （5-2） （5-3）一、判斷流動狀態(tài) 由雷諾數(shù) （5-4）可知，在油液粘度、管道內(nèi)徑一定條件下，的大小與成正比。由第三章可得最大流量為，由此可知，此時的為最大。因?yàn)樽畲蟮木托∮谂R界雷諾數(shù)2000，故可推論出：各工況下的進(jìn)、回油路中油液的流動狀態(tài)全為層流。二、計算系統(tǒng)壓力損失由上可知，適用于層流流動狀態(tài)的沿程阻尼系數(shù)為油液在管道內(nèi)的流速為 （5-5）將上式代入沿程壓力損失計算公式（

35、5-1），并代入數(shù)據(jù)后，得在管道結(jié)構(gòu)尚未確定的情況下，管道的局部壓力損失常按下式作經(jīng)驗(yàn)計算，即由上幾章可知，而電液伺服閥的額定壓力損失，由此可得出為了保證液壓缸的下行速度，應(yīng)使系統(tǒng)壓力損失滿足以下條件：而，滿足條件5.2液壓系統(tǒng)的發(fā)熱與散熱計算液壓系統(tǒng)的壓力、容積和機(jī)械損失構(gòu)成總的能量損失，這些能量損失轉(zhuǎn)化為熱量，使系統(tǒng)油溫升高，由此產(chǎn)生一系列不良影響。為此，必須對系統(tǒng)進(jìn)行發(fā)熱計算，以便對系統(tǒng)溫升加以控制。5.2.1液壓系統(tǒng)的發(fā)熱計算液壓系統(tǒng)發(fā)熱的主要原因，是由于液壓泵和執(zhí)行元件的功率損失以及溢流閥的溢流損失所造成的。因此，系統(tǒng)的總發(fā)熱量（實(shí)為熱流量習(xí)慣稱為熱量）可按下式估算 （5-6）式中為

36、液壓泵的輸入功率為執(zhí)行元件的輸出功率由第三第四章可算出故5.2.2液壓系統(tǒng)的散熱計算液壓系統(tǒng)中產(chǎn)生的熱量，由系統(tǒng)中的各個散熱面散發(fā)到空氣中去，其中油箱是主要散熱面。因?yàn)楣艿赖纳崦嫦鄬^小，且與自身由于壓力損失產(chǎn)生的熱量基本平衡，故一般略去不計。當(dāng)只考慮油箱散熱時，其散熱量可按下式計算 （5-7）其中K為傳熱系數(shù)，這里取通風(fēng)良好時，為油箱散熱面積，當(dāng)油箱三個邊的結(jié)構(gòu)尺寸比例為1:1：1到1:2:3，且油面高度是油箱高度的0.8倍時，其近似計算式為為系統(tǒng)溫升當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量等于其散發(fā)出去的熱量時，系統(tǒng)達(dá)到熱平衡，這時有代入具體數(shù)據(jù)，得本系統(tǒng)溫升較小，符合要求5.3液壓系統(tǒng)的沖擊壓力計算液壓沖擊的

37、危害性很大，不但使系統(tǒng)產(chǎn)生振動與噪聲，而且導(dǎo)致液壓元件、密封裝置等的損壞。因此，分析、計算和設(shè)法減輕液壓沖擊式很重要的。由于影響液壓沖擊的因素很多，很難用準(zhǔn)確的方法計算，一般采用估算或?qū)嶒?yàn)確定。當(dāng)有特殊要求的時候，應(yīng)按下述情況進(jìn)行驗(yàn)算。一、當(dāng)迅速關(guān)閉或者開啟液流通道時在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的液壓沖擊完全沖擊（即）時，管道內(nèi)壓力的增大值 （5-8）非完全沖擊（即）時，管道內(nèi)壓力的增大值 （5-9）式中為液壓油密度為關(guān)閉或開啟液流通道前、后管道內(nèi)液流速度變化值為關(guān)閉或開啟液流通道的時間為沖擊波在管道內(nèi)的傳播速度為沖擊波往返所需時間若不考慮粘性和管徑變化的影響，沖擊波在管道內(nèi)的傳播速度 （5-10）式中為液壓

38、油的體積彈性模量、為管道的壁厚和內(nèi)徑為管道材料的彈性模量由以上不難看出，為了避免和減少因迅速關(guān)閉或開啟液流通道所引起的液壓沖擊，可考慮：（1）延長開啟或關(guān)閉通道的時間,如用先導(dǎo)閥減緩換向閥的換向速度。（2）縮短沖擊波傳播反射的時間，如縮短管道長度。（3）降低沖擊波的傳播速度，如采用較大的管道內(nèi)徑等。二、液壓缸所驅(qū)動的運(yùn)動部件被制動時，在系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的液壓沖擊壓力 （5-11）式中為被制動部件的質(zhì)量為運(yùn)動部件速度的變化量為液壓缸的有效作用面積為運(yùn)動部件制動或速度減慢所需時間由上式（5-11）可得出，為了減少運(yùn)動部件制動時產(chǎn)生的液壓沖擊，應(yīng)延長制動時所需的時間，或減少運(yùn)動部件速度的變化量，如在液壓缸

39、行程終點(diǎn)采用減速、節(jié)流等緩沖裝置。本章小結(jié)在液壓系統(tǒng)設(shè)計計算過程中及設(shè)計終了，需要對它的技術(shù)性能進(jìn)行驗(yàn)算，以便判斷其設(shè)計質(zhì)量。這些驗(yàn)算一般包括：系統(tǒng)壓力損失計算，系統(tǒng)發(fā)熱與溫升計算，液壓沖擊計算等。通過驗(yàn)算，驗(yàn)證得到最佳的工作狀態(tài)。第六章 結(jié)論當(dāng)前的材料試驗(yàn)機(jī)主要采用電液伺服控制系統(tǒng)，普遍存在能耗大、溫升快、適用范圍窄、成本高、維護(hù)困難及控制不好等問題，并且存在測量精度低、控制方式不能靈活組合、穩(wěn)定性差等難點(diǎn)。論文根據(jù)試驗(yàn)機(jī)的特點(diǎn)及存在的諸多問題，以電液比例控制液壓萬能試驗(yàn)機(jī)為背景，對試驗(yàn)機(jī)的電控系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究和探討。論文在分析了試驗(yàn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理基礎(chǔ)上，給出了系統(tǒng)模型，并進(jìn)行了動靜特性分析、工程測試應(yīng)用軟件的設(shè)計、控制策略的研究和探討。(1)、論文在詳細(xì)分析了電液伺服控制液壓拉力試驗(yàn)機(jī)的電控系統(tǒng)基礎(chǔ)上，推導(dǎo)并給出了系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并就慣性負(fù)載、彈性負(fù)載兩種不同的負(fù)載特性情況下，著重對位置控制系統(tǒng)、變形控制系統(tǒng)、試驗(yàn)力控制系統(tǒng)進(jìn)行了動態(tài)特性分析。在此基礎(chǔ)上提出了影響系統(tǒng)精確性、快速性、穩(wěn)定性的因素及相應(yīng)的解決辦法。論文探討了系統(tǒng)在承受慣性負(fù)載，實(shí)現(xiàn)慣性負(fù)載位置控制系統(tǒng)時，開環(huán)增益對控制精度，以及液壓缸的頻率和比例閥的頻率對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響；同時討論了