電液高頻疲勞試驗機的控制系統(tǒng)

， 　， 　， (浙江工業(yè)大學(xué) 特種裝備制造與先進加工技術(shù)教育部重點實驗室， 浙江 杭州　310014)

引言

疲勞試驗機是一種主要用于在室溫狀態(tài)下，測定金屬及其構(gòu)件的疲勞性能、疲勞壽命，完成預(yù)制裂紋及裂紋擴展等疲勞試驗的機器。試件在激振器產(chǎn)生的交變載荷作用下進行斷裂韌性試驗，測試金屬材料裂紋擴展速率及材料的門坎值[1,2]。當(dāng)激振系統(tǒng)的振動頻率等于系統(tǒng)自身的固有頻率時，即系統(tǒng)發(fā)生共振，所產(chǎn)生的微小激振力經(jīng)過放大后作用在試件上可進行材料疲勞試驗[3]。電液高頻疲勞試驗機由于其動態(tài)響應(yīng)快、輸出功率大等優(yōu)點，因而在疲勞試驗機領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本研究以電液高頻疲勞試驗機為對象，設(shè)計了其控制系統(tǒng)。

1　結(jié)構(gòu)

圖1是電液高頻疲勞試驗機的實物圖。電液高頻疲勞試驗機的激振器被安裝在試驗機的底座內(nèi)，它是一種由2D激振閥控對稱缸構(gòu)成的新型電液激振器，在2D激振閥的驅(qū)動下可實現(xiàn)高達2500 Hz的激振頻率。通過控制雙邊閥控單出桿的同步運動，調(diào)節(jié)上夾頭高度以適應(yīng)長短不一的各疲勞試驗材料。當(dāng)試驗材料被上下夾頭固定后，2D電液激振器開始工作。2D激振閥連續(xù)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動電液激振器實現(xiàn)往復(fù)振動，從而帶動試件進行疲勞試驗，激振頻率與2D激振閥閥芯的轉(zhuǎn)速成正比。通過控制2D激振閥的軸向運動實現(xiàn)激振幅值的變化。為了測量試件在拉應(yīng)力、壓應(yīng)力以及拉壓交變應(yīng)力下的疲勞特性， 需要對激振器的激振中心平衡位置進行偏置控制從而改變電液激振器輸出的載荷力性質(zhì)，而由于2D激振閥的轉(zhuǎn)閥特性，無法加入偏置信號，因此在對稱液壓缸上并聯(lián)一個數(shù)字伺服閥，其結(jié)構(gòu)與控制單出桿液壓缸的2D數(shù)字閥相同。改變數(shù)字伺服閥的開口大小和方向就可以實現(xiàn)激振器振動中心位置的偏置，偏置量與數(shù)字伺服閥的閥口開度成正比。當(dāng)需要對試件進行拉伸或壓縮試驗時，只需改變并聯(lián)數(shù)字閥的閥口方向和開口大小即可實現(xiàn)拉應(yīng)力和壓應(yīng)力的變化，也可實現(xiàn)拉壓交變載荷的應(yīng)力輸出。單出桿液壓缸所用油源與電液激振器的油源相互獨立，以免油壓波動造成橫梁高度發(fā)生變化。電液高頻疲勞試驗機的控制系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)電位計即可實現(xiàn)電液激振器激振頻率、幅值以及振動中心偏置的控制。

圖1　電液高頻疲勞試驗機

2　工作原理

2D激振器是電液高頻疲勞試驗機的控制系統(tǒng)核心。其控制部件是2D激振閥。

2.1　2D激振閥頻率與幅值控制原理

2D激振閥具有圓周方向的轉(zhuǎn)動和軸向的直線運動兩個運動自由度，是一種具有特殊結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)閥，分別由永磁同步伺服電機驅(qū)動閥芯的轉(zhuǎn)動和直線步進電機驅(qū)動軸向的滑動，從而改變激振器輸出的激振頻率和幅值。

2D激振閥工作原理如圖2所示。閥體上有4個開口，分別為A、B、P、T，其中A、B為負(fù)載口，分別與液壓缸左右腔相通，P為進油口，T為回油口。當(dāng)2D激振閥的Ⅱ、Ⅳ閥口打開時，Ⅰ、Ⅲ閥口關(guān)閉，A口和P口導(dǎo)通，B口和T口導(dǎo)通，油液通過激振閥P-A流入從液壓缸左腔，而液壓缸右腔的油液通過B-T的通道流出，活塞在液壓油的推動下向右運動，如圖2a所示；當(dāng)2D激振閥閥芯旋轉(zhuǎn)過某一角度后，Ⅰ、Ⅲ閥口打開，Ⅱ、Ⅳ閥口關(guān)閉，如圖2b所示，此時B口和P口導(dǎo)通，A口和T口導(dǎo)通，油液從液壓缸右腔流入，左腔流出，推動活塞向左運動。這樣當(dāng)2D激振閥閥芯在永磁同步伺服電機驅(qū)動下做連續(xù)旋轉(zhuǎn)時，Ⅰ、Ⅲ和Ⅱ、Ⅳ閥口組合交替打開與關(guān)閉，使液壓缸左右兩腔的油液發(fā)生周期性變化，活塞在液壓油的作用下實現(xiàn)往復(fù)振動，從而帶動試件進行疲勞試驗。

閥芯的左側(cè)安裝有一個彈簧，控制安裝在堵頭一側(cè)的直線步進電機可以實現(xiàn)閥芯的軸向滑動。直線步進電機轉(zhuǎn)動角度就會產(chǎn)生一定的線性位移，驅(qū)使閥芯軸向向左移動時，彈簧被壓縮；當(dāng)閥芯需要向右運動時只需縮小電機的線性位移，依靠彈簧的回復(fù)力推動閥芯運動，從而使液壓缸的流量大小發(fā)生變化，改變液壓缸輸出的振動幅值。

圖2　高頻電液激振器工作原理圖

2.2　2D激振器偏置控制原理

考慮到2D激振閥的轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)，激振器無法引入一個偏置信號實現(xiàn)激振中心位置的偏置控制。為了解決這個問題，提出了一個并聯(lián)控制方案，即在液壓缸上并聯(lián)一個數(shù)字伺服閥，以這種并聯(lián)機構(gòu)和電-機械轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)，構(gòu)建了電液激振器的偏置控制系統(tǒng)，實現(xiàn)激振器振動中心偏置的控制。電液激振器的偏置控制原理如圖3所示，與2D激振閥并聯(lián)的數(shù)字伺服閥為一滑閥，其閥芯位移由步進電機轉(zhuǎn)子通過齒輪嚙合進行驅(qū)動，改變轉(zhuǎn)子的角位移可以實現(xiàn)數(shù)字伺服閥閥芯的左右移動，使得通過數(shù)字伺服閥流入液壓缸左右兩腔的流量發(fā)生變化，從而實現(xiàn)激振器活塞振動平衡位置的偏置，改變激振器輸出載荷力性質(zhì)(拉伸應(yīng)力或壓縮應(yīng)力)。由于數(shù)字伺服閥在該系統(tǒng)中起偏置作用，故而也將它稱為偏置閥。當(dāng)并聯(lián)的數(shù)字伺服閥閥口關(guān)閉時，即偏置閥對激振器沒有起偏置作用，振動中心位置為液壓缸中心位置；當(dāng)數(shù)字伺服閥閥芯左移時，P’與A’相通，B’與T’相通，油液通過數(shù)字伺服閥的A’口進入液壓缸左腔，而右腔液壓油從B’- T’口流出，活塞在左腔液壓力的推動下向右移動；當(dāng)數(shù)字伺服閥閥芯向右移動時，P’與B’相通，A’與T’相通，油液通過B’口進入液壓缸右腔，而左腔液壓油回油，活塞向左移動。激振器工作時若需要對激振中心位置進行偏置，則將數(shù)字伺服閥打開一個固定開口，此時偏置閥對活塞的作用力恒定，因此可將其視為一恒定負(fù)載作用于液壓缸。激振器的振動頻率和幅值不受偏置閥的影響，且偏置閥的偏置作用不因激振頻率的改變而發(fā)生變化[4,5]。

圖3　高頻電液激振器偏置控制原理圖

3　實驗研究

3.1　頻率控制實驗研究

為了對電液激振器在不同工作頻率下的實際振動特性進行研究分析，選取50 Hz、100 Hz、300 Hz、600 Hz、800 Hz、980 Hz、1000 Hz、2500 Hz為激振器的工作頻率，對它的輸出波形進行實驗研究，如圖4a～4h所示。2D激振閥軸向開口1.5 mm，數(shù)字伺服閥閥口關(guān)閉，系統(tǒng)工作壓力為5 MPa。

由圖4a～4f對比發(fā)現(xiàn)，激振器開始工作后，隨著激振頻率的提高， 激振器輸出的振動幅值也在不斷衰減。在頻率達到800 Hz到1000 Hz之間時，激振器的激振幅值有一個躍升，在980 Hz附近達到最大，約為17 kN。這是因為激振器的工作頻率在該頻率段與液壓系統(tǒng)的固有頻率發(fā)生諧振。由圖4f～圖4h頻率超過980 Hz后，激振器的振動幅值又逐漸減小。因此，疲勞試驗機可以利用電液激振器的諧振機理，在諧振頻率段進行高頻率、大載荷的疲勞試驗。

圖4　不同頻率下激振器輸出的振動波形

3.2　幅值控制實驗研究

在相同激振頻率下改變激振幅值，研究電液激振器輸出的載荷力變化情況。數(shù)字伺服閥閥口關(guān)閉，液壓系統(tǒng)壓力為5 MPa，選取100 Hz、300 Hz、600 Hz、800 Hz、1000 Hz、2500 Hz為激振頻率，在2D激振閥軸向開口分別為0.5 mm、1 mm、1.5 mm情況下測得激振器輸出的載荷波形如圖5所示。從圖中可以看出，在相同激振頻率時，增大激振閥的軸向開口，從而使閥口面積增大，可以實現(xiàn)振動幅值變大。

3.3　偏置控制實驗研究

分別對激振器工作在低頻段、中頻段和高頻段時激振中心的偏置進行了實驗研究。當(dāng)并聯(lián)數(shù)字伺服閥開口負(fù)偏50%、100%和正偏50%、100%時，得到30 Hz (低頻段)、500 Hz(中頻段)和980 Hz(高頻段)下激振器的輸出載荷波形。實驗中液壓系統(tǒng)工作壓力為3 MPa，2D激振閥軸向開口為滿開口。

圖6是在激振頻率為30 Hz情況下，并聯(lián)數(shù)字伺服閥開口分別負(fù)偏50%、100%和正偏50%、100%時激振器輸出的載荷波形。從圖6a和6b中可以看出并聯(lián)數(shù)字伺服閥閥口開度為零時，振動偏置量為零，此時活塞以液壓缸中心位置為平衡位置進行往復(fù)振動；當(dāng)并聯(lián)數(shù)字伺服閥打開時，偏置量隨并聯(lián)數(shù)字伺服閥開口增大而增大，當(dāng)數(shù)字伺服閥閥口開度最大(即滿開口)時，偏置量達到最大值，此時活塞振動中心位置位于液壓缸左腔(右腔)最大處。

圖7是激振頻率為500 Hz， 并聯(lián)數(shù)字伺服閥開口

圖5　各激振頻率下不同激振閥軸向開口激振器的振動波形

圖6　30 Hz時并聯(lián)數(shù)字伺服閥不同開口下激振器輸出載荷波形

圖7　500 Hz時并聯(lián)數(shù)字伺服閥不同開口下激振器輸出載荷波形

分別在正偏50%、100%和負(fù)偏50%、100%的情況下激振器輸出的載荷波形。與30 Hz時激振器的輸出波形相比，它的幅值有所衰減，但是偏置作用明顯。

圖8是激振頻率為980 Hz，并聯(lián)數(shù)字伺服閥開口分別在正偏50%、100%和負(fù)偏50%、100%的情況下激振器輸出的載荷波形。由于激振頻率980 Hz接近于系統(tǒng)諧振頻率，高頻下液壓缸輸出的振動幅值與30 Hz下的激振波形有所減小，但明顯高于500 Hz時激振器的振動幅值。偏置量與并聯(lián)數(shù)字伺服閥的閥口開度成對應(yīng)關(guān)系。

圖8　980 Hz時并聯(lián)數(shù)字伺服閥不同開口下激振器輸出載荷波形

由以上不同頻率下的偏置控制實驗可知，并聯(lián)的數(shù)字伺服閥能夠?qū)崿F(xiàn)高頻電液激振器振動中心位置的偏置，只要改變數(shù)字伺服閥的閥口開度即可實現(xiàn)偏置量的控制。從而應(yīng)用于高頻疲勞試驗機，實現(xiàn)拉伸、壓縮以及拉壓交變載荷的變化。

4　結(jié)論

在該控制系統(tǒng)的控制下，根據(jù)激振器工作在不同頻率時實際輸出的振動載荷波形，得出在諧振頻率980 Hz附近可以進行高頻率、大載荷疲勞試驗的結(jié)論。其次測得2D激振閥軸向開口分別為0.5 mm、1 mm、1.5 mm時各激振頻率下的振動波形，改變2D激振閥閥芯位移可以實現(xiàn)振動幅值的改變。最后改變并聯(lián)的數(shù)字伺服閥開口大小，可以實現(xiàn)激振器振動中心的偏置，可以實現(xiàn)高頻疲勞試驗機拉伸、壓縮以及拉壓交變載荷的變化。

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