拉力试验机液压系统的节能设计
来源：天氏库力 发布日期
2018-08-05 浏览：
在设计拉力试验机时，设计者往往把着眼点放在试验机的精度、功能、可靠性等指标上，而对试验机的能耗方面考虑得较少，以致设计出的试验机效率较低，造成能量的浪费。特别对利用液压传动的试验机，绝大多数液压系统都是采用节流调速，由于存在不可避免的节流损失或溢流损失，从而造成系统的发热。为了维持理想的油温，又不得不采取降温的措施，从而进一步加剧了能量的无功消耗，这方面的问题在静态试验机上显得不是特别明显，但对动态的疲劳试验机和电液伺服动静万能试验机却表现得尤为突出。因此，拉力试验机的效率问题和绿色设计的概念逐渐得到人们的认识和重视。下面一些方案是在拉力试验机的开发和研制中所曾使用过的一些节能措施，实践证明，它们都在不同程度上起到了较好的节能的效果。
液压拉力试验机的节能设计
（1）采用压力自适应油源
尽管静态试验机的液压系统的功率不是很大，一般电机的功率不大于2.2KW。但在设计时考虑到结构的紧凑要求，一般是将油源嵌入到主机内，这样油箱的体积不可能太大，因而其散热效果有限，解决油液温升问题的较好办法是从液压系统的设计方面考虑。是一台最大试验力为500KN用于静态试验的电液伺服试验机的液压系统原理图。可以看出，由于在伺服阀的供油口和工作油口之间并联了一个压差式溢流阀，因此油泵的供油压力随工作载荷而变化，阀门仅起安全阀的作用。例如在完成材料拉伸试验时，泵的供油压力随负载力的增加而逐渐上升，多余的油液通过压差式溢流阀流回油箱。不难看出，这种压力自适应油源比恒压源可以提高效率约一倍左右。事实上，该试验机油源流量为2.5L/min，最高供油压力为25Mpa，油箱体积仅为390*310*260(mm)，且不需要冷却器。
500KN万能试验机液压系统原理图
（2）配置蓄能器
对于天氏库力生产的动态疲劳试验机的液压系统，因需满足在一定试验频率下试验力和振幅的要求，油源的流量都比较大，从二三十L/min 到二百多L/min不等，目前高档次的动态试验机一般都采用电液伺服控制。在设计中，通过在伺服阀的供油口前设置蓄能器，可以减小液压源的额定流量，从而达到减少能量损失之目的。正弦波形的流量输出在动态试验中，伺服阀的输入信号多为正弦波，负载流量可以表示为!这是半个周期的正弦波，但作为液压系统的脉动流量，它是一个脉动周期。在一个周期内，负载流量的盈亏与补偿，可依靠蓄能器来进行，即通过在液压系统中配置适当的蓄能器，油泵的供油量!就可不必达负载的最大流量，取一个脉动周期的平均流量即可期间多余的流量储存起来，时间段释放以满足负载所需的流量，从而使进入负载的总流量大于泵的流量。可见，在液压系统中设置了适当的蓄能器，就可使油源的额定流量减少到最大流量的!降低能耗。
正弦波形的流量输出
（3）采用交流液压技术
当对一些大型结构物进行疲劳试验时，机械式试验机因受到结构及惯性力的限制，对大型结构物试验较难实现；尽管电液伺服试验机具有精度高、控制灵活等优势，但由于其价格昂贵、维护复杂、能耗较大，一般用户亦使用不起。采用交流液压技术的脉动疲劳试验机正好可以弥补两者的不足，特别是这种试验机因具有可靠性高、能耗低等优势，受到许多用户的青睐。
脉动疲劳试验机工作原理图。当曲柄以角速度w旋转时，输入活塞作正弦运动，推动液压传输管道中的全部液体相对其平均位置作来回运动，从而把功率传递到输出活塞，输出活塞带动负载振动而作功。脉动管道中由于泄漏或温度变化，而使封闭腔流体的总体积发生变化，需在系统中加入补油单元自动调节管道中油量，保证输出活塞的运动中心处于正确的中间位置，补油压力为1Mpa。在交流液压系统中，没有控制阀，因而不存在节流损失和溢流损失，输入端的功可以不受损失的传递到输出端。例如：PMS-500型脉动疲劳试验机，工作频率在8HZ时，振幅±7.5mm，试验力可达500KN，所选用的电机的功率仅为11KW。如果采用电液伺服控制的方案，在满足相同的试验力、试验振幅、试验频率的条件下，电机的功率需为236KW。即使考虑到设置蓄能器所带来的36.3%最大节能效果，电机的功率至少应为150KW。可见，在采用交流液压技术后，在节能效果上的显著意义。当然，脉动疲劳试验机也有其不足之处，表现在这几个方面：试验波形仅有一种正弦波，试验频率不可能很高，一般不超过8-10HZ。再者，交流液压系统效率与很多因素有关，主要对输出负荷的阻抗最敏感，其次是交流频率，一般是随频率增加，效率略有降低。当然还与其它一些因素如传输管道的直径及长度等也有关系。即使将上述因素考虑进来，其效率也将远高于直流液压系统的效率。
PMS-500型脉动疲劳试验机液压系统原理图
（4）采用谐振原理设计
在强迫振动的电液伺服疲劳试验机中，由于伺服阀交替着使高压油进出于作动器两腔产生循环。对弹性试件而言，在回程中试件所吸收的弹性能无法回收。再者，就是工作频率不可能很高，一般在50HZ以内。而采用谐振原理设计的电液伺服试验机，是在谐振曲线的波峰上工作。这样，只需很低的功率便可以在高频率下获得高的试验负荷。根据试件的刚性、试件阻尼和所用砝码的不同，工作频率范围可在10-250HZ之间。在节能效果方面，我们以电液伺服扭转疲劳试验机为例，在扭矩为±10KN.m，最大振幅为±15mm的条件下，强迫振动式试验机所需的功率为150KW，最高试验频率为5HZ，而采用电液谐振的扭转疲劳试验机所需的功率仅为15KW，最高试验频率可达25HZ。它的体积较小，用来激励弹簧质量组件；另一个是施加作用力到试件上的平均负载液压缸，它的体积较大，它的两腔分别与蓄能器相连，因此当活塞运动时，整个液压缸相当一个很软的液压弹簧，这种谐振形式是质量和液压弹簧系统的谐振。负荷传感器检测到的信号通过信号综合处理装置分解成两路分量信号：一路是直流反馈信号，作为控制平均负载液压缸的大流量伺服阀的反馈信号；另一路是交流反馈信号，作为控制激振液压缸的小流量伺服阀的反馈信号。谐振状态的试验工作，完全是自动进行。当启动试验机时，控制系统便自动地寻找谐振频率；当试验期间谐振频率发生变化时，控制系统能自动的跟随谐振频率。可见，在谐振式疲劳试验机中，平均负载液压缸可认为是处在静态下工作，疲劳试验的平均负载力由其产生。 由于该缸的负载流量很小，因此所需的功率也很少；激振缸处于产生交变载荷的动态下工作，其输出的功 率用来平衡因系统的阻尼影响所导致的振幅衰减，消耗的功率也很小。因此，采用谐振原理设计的疲劳试验机具有显著的节能效果。由于谐振式疲劳试验机不可能在一个频率下工作，这就要求试验系统的谐振频率可变。平均负载液压缸的作用面积；— 连接蓄能器与平均负载液压缸之间的管道截面积；
谐振式电液伺服疲劳试验机液压系统原理图
— 蓄能器与平均负载液压缸之间的管道中液压油的总质量；
— 活塞等可动部分的质量；
— 试件刚度。
可见，变换谐振频率的途径有三条：改变配重砝码的质量；改变蓄能器数目；改变液压缸与蓄能器连接的管道截面积，通过这些途径可以达到满足不同试验频率的要求。
（5）采用双泵供油系统
对于电液伺服动静万能试验机的液压系统，可采用大小两种流量规格的双泵独立供油，两种油泵共用一个油箱和调压阀组单元，在静态试验或低频小振幅的动态试验时由小流量泵向伺服作动器供油，在高频率大振幅的动态试验时，由大流量泵向伺服作动器供油。采用此方案比用一个大流量泵具有节能效果，因为大流量泵所配电机的功率相当大，可达至一般异步电机运行在接近额定功率状态下功率因数较高，在空载或小功率输出状态下功率因数比较低。在小流量输出时，尽管溢流损失较少，但电机的运行效率较低，消耗的电能却比较大，实际上达不到真正的节能效果。对压力试验机的液压系统，在返行程或接近试件的空行程时要求活塞的移动速度较快，属于低压大流量工况，由大小泵一起向油缸供油；在压缩试件时属高压小流量工况，大泵卸荷由小泵单独供油，从而达到节能的目的。
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