對材料試驗(yàn)機(jī)存在的各種問題探討和研究
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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，確保控制系統(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(shí)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(shí)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。
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(jià)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(jì)，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(jià)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(shí)，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(jì)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UPM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(jià)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)，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(jì)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(shí)，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(jià)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 ...
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