摘要：分析討論了電液伺服動靜
萬能試驗機液壓系統(tǒng)設(shè)計中的一些共性問題，包括負載動力的匹配、伺服閥的選用、作動器固有頻率的提高，加緊裝置與冷卻系統(tǒng)的設(shè)計等，提出了設(shè)計該類
試驗機液壓系統(tǒng)的一些原則，其有效性在1MN電液伺服動靜萬能試驗機設(shè)計中得到驗證，該原則可以作為工程技術(shù)人員設(shè)計同類試驗機的參考依據(jù)。
電液伺服動靜萬能試驗機主要用于材料和零部件的力學性能試驗研究，它不但可以完成靜態(tài)下的拉伸、壓縮、彎曲、剪切試驗，而且還可以完成動態(tài)下的諸如高周頻疲勞、低周疲勞、靜態(tài)試驗和動態(tài)試驗隊試驗機提出了不同的要求。靜態(tài)試驗所追求的主要是試驗精度，還應(yīng)保證較強的穩(wěn)定性和較高的頻響速度，以上要求通常用示值誤差、幅值精度、波形失真度、幅值穩(wěn)定度等指標來衡量，而一套優(yōu)化合理的液壓控制系統(tǒng)無疑使保證這些性能指標的關(guān)鍵，具體來講，電液伺服動靜萬能試驗機液壓系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)考慮的問題主要有：（1）協(xié)調(diào)動態(tài)大流量與靜態(tài)小流量的矛盾，即負載動力的合理匹配。（2）伺服閥的正確選用。（3）作動器固有頻率的提高。（4）夾緊油源和夾緊裝置的設(shè)計。（5）冷卻方式的選擇，本文主要討論解決以上問題的一些方法。
1、負載動力的合理匹配
在試驗機的正常工況，動作器中活塞的運動速度可以從靜態(tài)試驗時的0.01mm/s到到動態(tài)試驗時的1.5m/s速度范圍內(nèi)變化，調(diào)速比為150000:1，如此寬的速度變化范圍為油源的設(shè)計和伺服閥選擇帶來了難度，導致出現(xiàn)靜態(tài)小流量和動態(tài)大流量之間的矛盾。解決此矛盾的關(guān)鍵是對作動器、伺服閥、液壓源之間進行合理的負載匹配。所應(yīng)遵循的設(shè)計原則是：作動器、伺服閥、液壓源所提供的液壓動力應(yīng)滿足試驗機的速度、加速器和試驗力的要求，同時還應(yīng)考慮系統(tǒng)的效率。
負載與泵、閥的匹配關(guān)系如圖1所示，即伺服閥的負載流量特性曲線必須包容試驗機的負載特性曲線，液壓源的曲線應(yīng)包容伺服閥的負載曲線，Qs>1.1-1.3Qo；Ql>1.05-1.1Qlmax。這即為包容原則。
另外，系統(tǒng)的效率也應(yīng)引起重視。液壓泵輸出的流量是根據(jù)動態(tài)試驗時所需的最大流量選取的，靜態(tài)試驗時所需的流量很少，此時，必須使液壓源輸出流量降下來，為達此目的，有三個方案可供選擇，第一個方案是動靜態(tài)試驗由一臺變量泵供油，油泵由三相異步電動機驅(qū)動，其優(yōu)點是設(shè)計成本較低，流量可調(diào)，液壓系統(tǒng)效率較高。但在小流量輸出時電動機的效率卻很低，約為0.3-0.4左右，出現(xiàn)“大馬拉小車”的問題，電動機本身的功率損耗包括銅損、鐵損、機械損耗等相當大，造成電能的浪費，總效率并沒有提高；第二個方案是動靜態(tài)試驗由一臺定量泵供油，油泵由變頻調(diào)速器控制的三相異步電動機驅(qū)動，此方案的總效率比前者高，但由于油泵在低轉(zhuǎn)速下流量脈動加劇，造成伺服閥供油壓力的較大波動，對靜態(tài)試驗不適用，第三個方案是動靜態(tài)試驗分別由獨立的大小兩個油泵供油，小泵采用定量泵，大泵采用變量泵，此方案在滿足動態(tài)和靜態(tài)試驗要求的同時，還由于靜態(tài)試驗時大泵是停止工作的，系統(tǒng)總效率大為提高，靜態(tài)試驗時油源噪音也很低。
2、伺服閥的正確選用
由于電液伺服動靜萬能試驗機既要控制力又要控制位移和應(yīng)變，所以一般都采用位置反饋式的流量型伺服閥，以力反饋式的噴嘴擋板閥使用最為普遍。壓力性的伺服閥雖然控制作用力時性能較好，但因無法控制位置而不適用。當動態(tài)試驗要求的流量較大時，可以采用幾個閥并聯(lián)工作，也可以采用三級伺服閥，并聯(lián)使用時由于各閥之間存在相位差，將給電控系統(tǒng)帶來一定的麻煩。
供油壓力的選擇也很重要，較高的供油壓力，可以減輕作動器活塞的質(zhì)量、提高伺服閥的流量增益，從而獲得較快的響應(yīng)速度，但過高的供油壓力使得伺服閥的零位泄漏量加大，使用壽命減小，系統(tǒng)噪音增大，根據(jù)有關(guān)資料，供油壓力選擇21-28MPa大范圍為佳，負載壓力按系統(tǒng)效率最高原則確定，為供油壓力的2/3時可獲得最高的系統(tǒng)效率。
動態(tài)萬能試驗機對電液伺服閥的性能要求比較高，既有靜態(tài)和動態(tài)性能的要求，又有壽命的要求，因此在選用上必須嚴格掌握，必要時應(yīng)從伺服閥的制造廠家訂做專用閥。
3、作動器固有頻率的提高
當伺服油源壓力確定后，試驗機要求的作用力和振幅是給定參數(shù)，作動器固有頻率的提高只有從減小運動質(zhì)量和提高油液彈性模量兩方面考慮。
在作動器可動部分的剛度和強度足夠的前提下，應(yīng)盡可能減輕活塞和夾頭的質(zhì)量，對連接伺服閥和作動器管路內(nèi)油液的當量質(zhì)量不容忽視，若設(shè)計不當，這一部分質(zhì)量將遠大于活塞的質(zhì)量，因此在設(shè)計中必須注意使伺服閥至作動器的油腔盡可能短而且過流面積不能太小。通常的做法是伺服閥直接固定在作動器的外院上，且伺服閥至作動器兩腔的油路對稱等長。
提高油液彈性模具的關(guān)鍵是合理設(shè)計油源，避免空氣重混入油中。在郵箱的吸油扣和回油口之間設(shè)置與箱底成20攝氏度左右的夾角、60-80目的過濾網(wǎng)可以有效分離出混入油中的空氣，液壓油應(yīng)選用粘度適中（41-50mm2/s）且加有抗泡劑的精密機床液壓油或抗磨液壓油。
4、夾緊油源與夾緊裝置
夾緊油源是液壓夾頭和衡量夾緊裝置提供動力，適當提高夾緊油源的供油壓力，可以使液壓夾頭的體積和重量大為降低，從而使系統(tǒng)固有頻率得到提高，改善系統(tǒng)的動態(tài)應(yīng)速度，提高夾緊油源的供油壓力也是受橫梁夾緊裝置的設(shè)計空間限制之故。因此，夾緊油源的供油壓力高于伺服油源的供油壓力，一般在35MPa以上。夾緊油源可以采用超高壓油泵供油、液-液增壓供油和氣-液增壓供油三種方式。超高壓油泵供油系統(tǒng)在設(shè)計簡單，不足之處是溢流損失和噪音較高。液-液增壓供油系統(tǒng)設(shè)計時由于增壓缸需自制，加工成本較高且性能質(zhì)量不易保證，除非特殊情況，一般很少采用。氣-液增壓供油系統(tǒng)的設(shè)計時，由于氣-液增壓缸是市購的標準件，有多重規(guī)格可供選擇。氣-液增壓缸內(nèi)置行程換向閥，活塞到終點后自動換向，當達到設(shè)定壓力時，活塞的往返運動停止，系統(tǒng)保壓。氣-液增壓油源的顯著特點是系統(tǒng)壓力敏感性好、噪音低，這種油源正逐步被推廣使用。
根據(jù)實驗空間調(diào)整之需要，橫梁可以沿立柱上下移動；而在進行套試驗時，橫梁應(yīng)和立柱處于剛性的夾持狀態(tài)，此功能由橫梁夾緊裝置來實現(xiàn)。橫梁夾緊裝置設(shè)計有兩種方式，一種是機械鎖緊-液壓松開，另一種是液壓鎖緊-機械松開。前者是采用預(yù)應(yīng)力彈性拉桿對橫梁實施鎖緊，在橫梁需要升降時由液壓缸將橫梁頂開以使其移動，這種夾持方法的主要缺點是彈性拉桿所受的應(yīng)力較大，需選用高強度彈性材料；再者，彈性拉桿存在應(yīng)力松弛問題，過一定的時間需要用力矩扳手再對其預(yù)緊，操作不便，其優(yōu)點是機械停止工作時橫梁的位置能被鎖定，而采用液壓鎖緊的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、夾緊力容易保證，其缺點是當機器停止工作時，如果控制閥存在零位泄漏，將出現(xiàn)橫梁緩慢下滑的問題，綜合比較，后者用途廣泛，夾持可靠性較高。
5、冷卻方式的選擇
為了維持理想的油溫，電液伺服動靜萬能試驗機的液壓系統(tǒng)必須采取強制冷卻方式，冷卻方式一般有三種：風冷式、水冷式和冷媒式。風冷式條文能力有限，不適合大功率的油源使用；水冷式冷卻能力強，但冷卻裝置占用面積大；冷媒型對油溫控制精度高、體積較小，初始費用雖較高，但運轉(zhuǎn)費用較低，且可以喝油源一起安裝在室內(nèi)，因此，其應(yīng)用面在逐漸擴大。
總結(jié)：一套合理適用的液壓系統(tǒng)是保證試驗機正常工作、順利完成各種動作的保證，對電液伺服動靜萬能試驗機而言，其液壓系統(tǒng)有相似之處，但針對不同規(guī)格的試驗機，液壓系統(tǒng)又有著各自的特點，因此在設(shè)計實驗的液壓系統(tǒng)時，一方面應(yīng)遵循共同的原則，另一方面還應(yīng)因地制宜、有的放矢。
