多維力加載試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

梁來(lái)雨，李維嘉

(華中科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院運(yùn)動(dòng)仿真中心，湖北 武漢 430074)

1 前言

目前，疲勞試驗(yàn)機(jī)已經(jīng)在很多方面得到了廣泛的應(yīng)用，它能夠在實(shí)驗(yàn)室完成對(duì)構(gòu)件進(jìn)行嚴(yán)格的實(shí)體實(shí)驗(yàn)，深受青睞。但是，一些大型的疲勞結(jié)構(gòu)件(如：工程車輛整車)由于其工作載荷復(fù)雜，普通試驗(yàn)臺(tái)很難對(duì)其進(jìn)行全方位的疲勞試驗(yàn)。為了模擬這些大型結(jié)構(gòu)件在實(shí)際工況下的載荷情況，疲勞試驗(yàn)臺(tái)必須能夠在空間 3個(gè)方向同時(shí)輸出可控的力和力矩(稱之為六維力，即多維力)對(duì)其加載。應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)模擬器和空間對(duì)接技術(shù)中的六自由度平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)空間六個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，因此可以將六自由度平臺(tái)技術(shù)引入該疲勞試驗(yàn)臺(tái)，實(shí)現(xiàn)其在大型結(jié)構(gòu)件的多維力加載。

2 多維力加載試驗(yàn)臺(tái)的主體構(gòu)成

2.1 系統(tǒng)組成

該疲勞試驗(yàn)臺(tái)是一個(gè)集機(jī)械、液壓、計(jì)算機(jī)控制、傳感器技術(shù)為一體的復(fù)雜系統(tǒng)，其主要由控制臺(tái)，液壓系統(tǒng)，機(jī)械系統(tǒng)等組成。如圖 1所示，圖中不包括液壓管路元件及管系、加載平臺(tái)的其他輔助組件。

2.2 工作過(guò)程

對(duì)大型結(jié)構(gòu)件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，需要先把圖 1中所示部件 7(加載塔)的底部從加載平臺(tái)下面移走，只留下與加載平臺(tái)連在一起的加載塔上半部分，大型結(jié)構(gòu)件運(yùn)至加載平臺(tái)下面，接近地基結(jié)構(gòu)的中心;對(duì)該巨型六自由度平臺(tái)進(jìn)行伺服控制，使加載塔上半部分與大型結(jié)構(gòu)件完全對(duì)接，并用螺栓鎖死，然后根據(jù)該大型結(jié)構(gòu)件的實(shí)際工況，即可用試驗(yàn)臺(tái)對(duì)其進(jìn)行加載試驗(yàn)。

圖1 多維力加載平臺(tái)總圖

3 液壓站的設(shè)計(jì)

液壓泵的工作壓力調(diào)定為 10 MPa，采用恒功率變量泵控制模式。由于該多維力加載平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)設(shè)備為6個(gè)伺服液壓缸，當(dāng)加載平臺(tái)速度較大時(shí)，所需流量很大，因此設(shè)計(jì)液壓站考慮設(shè)置 3臺(tái)工作泵，理論上能夠讓一臺(tái)工作泵滿足兩個(gè)油缸的速度要求;同時(shí)配置兩臺(tái)冷卻泵對(duì)液壓油源進(jìn)行冷卻。圖 2和圖 3分別是液壓站設(shè)計(jì)原理圖和實(shí)物圖。

在對(duì)大型結(jié)構(gòu)件做疲勞試驗(yàn)時(shí)，由于控制對(duì)象的剛度比較大，且油缸速度比較低，實(shí)際控制過(guò)程中對(duì)流量的需求并不大，兩臺(tái)工作泵已滿足使用要求。因此設(shè)置 3臺(tái)工作泵使液壓站的工作更加可靠。

圖2 液壓站原理圖

圖3 液壓站實(shí)物圖

4 油缸液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 油缸系統(tǒng)原理圖

由于該試驗(yàn)臺(tái)外形大，液壓油源距離各加載油缸距離遠(yuǎn)，因此在地基結(jié)構(gòu)的外層，布置了相應(yīng)的連接管路。來(lái)自液壓站的進(jìn)油、回油和泄露油軟管，與液壓管路中的一級(jí)分流塊相連，一級(jí)分流塊與二級(jí)分流塊之間由高壓、低壓和泄露油硬管串聯(lián)一起。加載液壓缸的進(jìn)、回油路，通過(guò)軟管與二級(jí)分流塊相連。二級(jí)分流塊安裝有高、低壓蓄能器，以減小壓力的波動(dòng)，高壓油路上串連的濾油器，保證電液伺服閥工作油液的清潔度。油缸原理圖如圖 4所示。圖中所示加載液壓缸油路為 6套，輔助油缸及其油路為 3套。

4.2 液壓缸油路工作過(guò)程

加載液壓缸油路可以分為兩路，分別為伺服控制油路和旁通油路。兩油路的通斷互不影響，相互獨(dú)立。

1)4YA，5YA得電，對(duì)比例閥輸入不同的電壓(放大器與比例閥集成一體)，即可控制加載油缸伸縮。換向閥 7的 4YA得電，壓力油便可進(jìn)入伺服控制油路，4YA失電后，控制油路無(wú)壓力油進(jìn)入;換向閥 11對(duì)液控單向閥 9進(jìn)行控制，當(dāng) 5YA得電，液控單向閥 9油路雙向連通，失電后只能單向通油。

圖4 油缸系統(tǒng)原理圖

2)旁通油路上的換向閥 4的 1YA得電，油缸收回，2YA得電，加載油缸伸出。

輔助液壓缸兩腔始終與回油相連，輔助油缸處于隨動(dòng)狀態(tài)，不對(duì)其進(jìn)行控制，輔助油缸增大了力加載試驗(yàn)臺(tái)在運(yùn)行過(guò)程中的可靠性與安全性。

5 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)

5.1 液壓系統(tǒng)具有更高的安全性

1)液壓站設(shè)計(jì)采用彼此獨(dú)立的 3臺(tái)工作泵和兩臺(tái)冷卻泵，而在一般實(shí)驗(yàn)過(guò)程中兩臺(tái)工作泵和一臺(tái)冷卻泵即可滿足工作流量與冷卻量的需求。但由于上加載平臺(tái)自重很大(70 t)，并且一般疲勞試驗(yàn)均為 24小時(shí)不停工作，這就對(duì)液壓系統(tǒng)的可靠性提出了更高的要求，在做常規(guī)疲勞試驗(yàn)時(shí)可留有一臺(tái)工作泵和冷卻泵備用，液壓源可靠性得到了保證。

2)加載油缸油路中的兩個(gè)換向閥 7和 11(如圖 4所示)對(duì)伺服控制油路起鎖定作用，其中換向閥 7處于中位時(shí)，油缸控制油路斷開(kāi)，有桿腔和無(wú)桿腔中均保持壓力。但考慮到換向閥的泄露問(wèn)題，在加載液壓缸的閥塊油路上，裝有外控式單向閥(圖 4中的 9.1和9.2)，可以將加載液壓缸可靠地鎖定在某個(gè)位置。特別是出現(xiàn)意外情況，需要緊急停機(jī)時(shí)，外控式單向閥保證加載液壓缸停止工作，加載平臺(tái)保持不動(dòng)，避免加載平臺(tái)因自重對(duì)被測(cè)試結(jié)構(gòu)件造成損壞。

3)緊急停機(jī)后(禁止泄壓)，通過(guò)旁通油路起作用，按照順序依次對(duì)換向閥 4(如圖 4所示)的 1YA(或2YA)通電，解除意外情況。

4)油缸油路中裝有溢流閥(圖 4中的元件 6)，把兩個(gè)溢流閥的泄油壓力調(diào)整到 11 MPa，略高于系統(tǒng)壓力(10 MPa)，對(duì)加載缸兩腔的油壓起到過(guò)載保護(hù)作用，防止油缸失控時(shí)沖擊速度過(guò)大。

5.2 伺服控制精度高

1)如圖 1所示，加載油缸與各種控制閥通過(guò)閥塊油路集成為伺服液壓缸，增加了液壓伺服系統(tǒng)的剛度，有利于提高伺服控制精度。

2)當(dāng)加載液壓缸需要工作時(shí)，通過(guò)電磁換向閥，使其正常工作。加載液壓缸上耳環(huán)鉸支軸，采用的是高精度的銷軸傳感器(圖 4中的元件 14)，用于測(cè)量加載液壓缸作用力的大小。由于銷軸傳感器僅能測(cè)量作用力的大小，無(wú)法給出作用力的方向(推力或拉力)，通過(guò)兩個(gè)壓力傳感器(圖 4中的元件 10)輔助確定作用力的方向。

3)油缸內(nèi)部裝有高精度的磁致伸縮式位移傳感器，伺服控制系統(tǒng)可以根據(jù)需要對(duì)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行力閉環(huán)控制或是位置閉環(huán)控制。

5.3 方便遠(yuǎn)程自動(dòng)控制與監(jiān)測(cè)

液壓系統(tǒng)在工作過(guò)程中，通過(guò)電磁閥、壓力繼電器和行程開(kāi)關(guān)等自動(dòng)控制，并且液壓站液位，溫度及濾器狀態(tài)在控制室實(shí)時(shí)監(jiān)控，使整個(gè)疲勞試驗(yàn)自動(dòng)完成，節(jié)約資源，設(shè)備自動(dòng)化程度高。

6 結(jié)束語(yǔ)

該多維力加載試驗(yàn)臺(tái)已經(jīng)進(jìn)行了短期試用，能按要求對(duì)大型結(jié)構(gòu)件施加全方位疲勞力和力矩。液壓系統(tǒng)運(yùn)行可靠、穩(wěn)定，能全面滿足試驗(yàn)需求。大型結(jié)構(gòu)件疲勞試驗(yàn)臺(tái)的出現(xiàn)對(duì)驗(yàn)證該類結(jié)構(gòu)件在實(shí)際工況中表現(xiàn)提供了重要的依據(jù)。

[1] 雷天覺(jué).新編液壓工程手冊(cè)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1998，12.