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拉力試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)的節(jié)能設(shè)計(jì)

返回列表來源:天氏庫力 發(fā)布日期 2018-08-05 瀏覽:

在設(shè)計(jì)拉力試驗(yàn)機(jī)時(shí),設(shè)計(jì)者往往把著眼點(diǎn)放在試驗(yàn)機(jī)的精度、功能、可靠性等指標(biāo)上,而對試驗(yàn)機(jī)的能耗方面考慮得較少,以致設(shè)計(jì)出的試驗(yàn)機(jī)效率較低,造成能量的浪費(fèi)。特別對利用液壓傳動(dòng)的試驗(yàn)機(jī),絕大多數(shù)液壓系統(tǒng)都是采用節(jié)流調(diào)速,由于存在不可避免的節(jié)流損失或溢流損失,從而造成系統(tǒng)的發(fā)熱。為了維持理想的油溫,又不得不采取降溫的措施,從而進(jìn)一步加劇了能量的無功消耗,這方面的問題在靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)上顯得不是特別明顯,但對動(dòng)態(tài)的疲勞試驗(yàn)機(jī)和電液伺服動(dòng)靜萬能試驗(yàn)機(jī)卻表現(xiàn)得尤為突出。因此,拉力試驗(yàn)機(jī)的效率問題和綠色設(shè)計(jì)的概念逐漸得到人們的認(rèn)識(shí)和重視。下面一些方案是在拉力試驗(yàn)機(jī)的開發(fā)和研制中所曾使用過的一些節(jié)能措施,實(shí)踐證明,它們都在不同程度上起到了較好的節(jié)能的效果。
 
液壓拉力試驗(yàn)機(jī)的節(jié)能設(shè)計(jì)
 
(1)采用壓力自適應(yīng)油源
 
盡管靜態(tài)試驗(yàn)機(jī)的液壓系統(tǒng)的功率不是很大,一般電機(jī)的功率不大于2.2KW。但在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到結(jié)構(gòu)的緊湊要求,一般是將油源嵌入到主機(jī)內(nèi),這樣油箱的體積不可能太大,因而其散熱效果有限,解決油液溫升問題的較好辦法是從液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方面考慮。是一臺(tái)最大試驗(yàn)力為500KN用于靜態(tài)試驗(yàn)的電液伺服試驗(yàn)機(jī)的液壓系統(tǒng)原理圖。可以看出,由于在伺服閥的供油口和工作油口之間并聯(lián)了一個(gè)壓差式溢流閥,因此油泵的供油壓力隨工作載荷而變化,閥門僅起安全閥的作用。例如在完成材料拉伸試驗(yàn)時(shí),泵的供油壓力隨負(fù)載力的增加而逐漸上升,多余的油液通過壓差式溢流閥流回油箱。不難看出,這種壓力自適應(yīng)油源比恒壓源可以提高效率約一倍左右。事實(shí)上,該試驗(yàn)機(jī)油源流量為2.5L/min,最高供油壓力為25Mpa,油箱體積僅為390*310*260(mm),且不需要冷卻器。
 
500KN萬能試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖
500KN萬能試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖
 
(2)配置蓄能器
 
對于天氏庫力生產(chǎn)的動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)機(jī)的液壓系統(tǒng),因需滿足在一定試驗(yàn)頻率下試驗(yàn)力和振幅的要求,油源的流量都比較大,從二三十L/min 到二百多L/min不等,目前高檔次的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)機(jī)一般都采用電液伺服控制。在設(shè)計(jì)中,通過在伺服閥的供油口前設(shè)置蓄能器,可以減小液壓源的額定流量,從而達(dá)到減少能量損失之目的。正弦波形的流量輸出在動(dòng)態(tài)試驗(yàn)中,伺服閥的輸入信號多為正弦波,負(fù)載流量可以表示為!這是半個(gè)周期的正弦波,但作為液壓系統(tǒng)的脈動(dòng)流量,它是一個(gè)脈動(dòng)周期。在一個(gè)周期內(nèi),負(fù)載流量的盈虧與補(bǔ)償,可依靠蓄能器來進(jìn)行,即通過在液壓系統(tǒng)中配置適當(dāng)?shù)男钅芷鳎捅玫墓┯土?就可不必達(dá)負(fù)載的最大流量,取一個(gè)脈動(dòng)周期的平均流量即可期間多余的流量儲(chǔ)存起來,時(shí)間段釋放以滿足負(fù)載所需的流量,從而使進(jìn)入負(fù)載的總流量大于泵的流量。可見,在液壓系統(tǒng)中設(shè)置了適當(dāng)?shù)男钅芷鳎涂墒褂驮吹念~定流量減少到最大流量的!降低能耗。
 
正弦波形的流量輸出
正弦波形的流量輸出
 
(3)采用交流液壓技術(shù)
 
當(dāng)對一些大型結(jié)構(gòu)物進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí),機(jī)械式試驗(yàn)機(jī)因受到結(jié)構(gòu)及慣性力的限制,對大型結(jié)構(gòu)物試驗(yàn)較難實(shí)現(xiàn);盡管電液伺服試驗(yàn)機(jī)具有精度高、控制靈活等優(yōu)勢,但由于其價(jià)格昂貴、維護(hù)復(fù)雜、能耗較大,一般用戶亦使用不起。采用交流液壓技術(shù)的脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)正好可以彌補(bǔ)兩者的不足,特別是這種試驗(yàn)機(jī)因具有可靠性高、能耗低等優(yōu)勢,受到許多用戶的青睞。
 
脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)工作原理圖。當(dāng)曲柄以角速度w旋轉(zhuǎn)時(shí),輸入活塞作正弦運(yùn)動(dòng),推動(dòng)液壓傳輸管道中的全部液體相對其平均位置作來回運(yùn)動(dòng),從而把功率傳遞到輸出活塞,輸出活塞帶動(dòng)負(fù)載振動(dòng)而作功。脈動(dòng)管道中由于泄漏或溫度變化,而使封閉腔流體的總體積發(fā)生變化,需在系統(tǒng)中加入補(bǔ)油單元自動(dòng)調(diào)節(jié)管道中油量,保證輸出活塞的運(yùn)動(dòng)中心處于正確的中間位置,補(bǔ)油壓力為1Mpa。在交流液壓系統(tǒng)中,沒有控制閥,因而不存在節(jié)流損失和溢流損失,輸入端的功可以不受損失的傳遞到輸出端。例如:PMS-500型脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī),工作頻率在8HZ時(shí),振幅±7.5mm,試驗(yàn)力可達(dá)500KN,所選用的電機(jī)的功率僅為11KW。如果采用電液伺服控制的方案,在滿足相同的試驗(yàn)力、試驗(yàn)振幅、試驗(yàn)頻率的條件下,電機(jī)的功率需為236KW。即使考慮到設(shè)置蓄能器所帶來的36.3%最大節(jié)能效果,電機(jī)的功率至少應(yīng)為150KW。可見,在采用交流液壓技術(shù)后,在節(jié)能效果上的顯著意義。當(dāng)然,脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)也有其不足之處,表現(xiàn)在這幾個(gè)方面:試驗(yàn)波形僅有一種正弦波,試驗(yàn)頻率不可能很高,一般不超過8-10HZ。再者,交流液壓系統(tǒng)效率與很多因素有關(guān),主要對輸出負(fù)荷的阻抗最敏感,其次是交流頻率,一般是隨頻率增加,效率略有降低。當(dāng)然還與其它一些因素如傳輸管道的直徑及長度等也有關(guān)系。即使將上述因素考慮進(jìn)來,其效率也將遠(yuǎn)高于直流液壓系統(tǒng)的效率。
PMS-500型脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖
PMS-500型脈動(dòng)疲勞試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖
 
(4)采用諧振原理設(shè)計(jì)
 
在強(qiáng)迫振動(dòng)的電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)中,由于伺服閥交替著使高壓油進(jìn)出于作動(dòng)器兩腔產(chǎn)生循環(huán)。對彈性試件而言,在回程中試件所吸收的彈性能無法回收。再者,就是工作頻率不可能很高,一般在50HZ以內(nèi)。而采用諧振原理設(shè)計(jì)的電液伺服試驗(yàn)機(jī),是在諧振曲線的波峰上工作。這樣,只需很低的功率便可以在高頻率下獲得高的試驗(yàn)負(fù)荷。根據(jù)試件的剛性、試件阻尼和所用砝碼的不同,工作頻率范圍可在10-250HZ之間。在節(jié)能效果方面,我們以電液伺服扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)為例,在扭矩為±10KN.m,最大振幅為±15mm的條件下,強(qiáng)迫振動(dòng)式試驗(yàn)機(jī)所需的功率為150KW,最高試驗(yàn)頻率為5HZ,而采用電液諧振的扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)機(jī)所需的功率僅為15KW,最高試驗(yàn)頻率可達(dá)25HZ。它的體積較小,用來激勵(lì)彈簧質(zhì)量組件;另一個(gè)是施加作用力到試件上的平均負(fù)載液壓缸,它的體積較大,它的兩腔分別與蓄能器相連,因此當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)時(shí),整個(gè)液壓缸相當(dāng)一個(gè)很軟的液壓彈簧,這種諧振形式是質(zhì)量和液壓彈簧系統(tǒng)的諧振。負(fù)荷傳感器檢測到的信號通過信號綜合處理裝置分解成兩路分量信號:一路是直流反饋信號,作為控制平均負(fù)載液壓缸的大流量伺服閥的反饋信號;另一路是交流反饋信號,作為控制激振液壓缸的小流量伺服閥的反饋信號。諧振狀態(tài)的試驗(yàn)工作,完全是自動(dòng)進(jìn)行。當(dāng)啟動(dòng)試驗(yàn)機(jī)時(shí),控制系統(tǒng)便自動(dòng)地尋找諧振頻率;當(dāng)試驗(yàn)期間諧振頻率發(fā)生變化時(shí),控制系統(tǒng)能自動(dòng)的跟隨諧振頻率。可見,在諧振式疲勞試驗(yàn)機(jī)中,平均負(fù)載液壓缸可認(rèn)為是處在靜態(tài)下工作,疲勞試驗(yàn)的平均負(fù)載力由其產(chǎn)生。 由于該缸的負(fù)載流量很小,因此所需的功率也很少;激振缸處于產(chǎn)生交變載荷的動(dòng)態(tài)下工作,其輸出的功 率用來平衡因系統(tǒng)的阻尼影響所導(dǎo)致的振幅衰減,消耗的功率也很小。因此,采用諧振原理設(shè)計(jì)的疲勞試驗(yàn)機(jī)具有顯著的節(jié)能效果。由于諧振式疲勞試驗(yàn)機(jī)不可能在一個(gè)頻率下工作,這就要求試驗(yàn)系統(tǒng)的諧振頻率可變。平均負(fù)載液壓缸的作用面積;— 連接蓄能器與平均負(fù)載液壓缸之間的管道截面積;
 
諧振式電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖
諧振式電液伺服疲勞試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)原理圖
 
— 蓄能器與平均負(fù)載液壓缸之間的管道中液壓油的總質(zhì)量;
 
— 活塞等可動(dòng)部分的質(zhì)量;
 
— 試件剛度。
 
可見,變換諧振頻率的途徑有三條:改變配重砝碼的質(zhì)量;改變蓄能器數(shù)目;改變液壓缸與蓄能器連接的管道截面積,通過這些途徑可以達(dá)到滿足不同試驗(yàn)頻率的要求。
 
(5)采用雙泵供油系統(tǒng)
 
對于電液伺服動(dòng)靜萬能試驗(yàn)機(jī)的液壓系統(tǒng),可采用大小兩種流量規(guī)格的雙泵獨(dú)立供油,兩種油泵共用一個(gè)油箱和調(diào)壓閥組單元,在靜態(tài)試驗(yàn)或低頻小振幅的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí)由小流量泵向伺服作動(dòng)器供油,在高頻率大振幅的動(dòng)態(tài)試驗(yàn)時(shí),由大流量泵向伺服作動(dòng)器供油。采用此方案比用一個(gè)大流量泵具有節(jié)能效果,因?yàn)榇罅髁勘盟潆姍C(jī)的功率相當(dāng)大,可達(dá)至一般異步電機(jī)運(yùn)行在接近額定功率狀態(tài)下功率因數(shù)較高,在空載或小功率輸出狀態(tài)下功率因數(shù)比較低。在小流量輸出時(shí),盡管溢流損失較少,但電機(jī)的運(yùn)行效率較低,消耗的電能卻比較大,實(shí)際上達(dá)不到真正的節(jié)能效果。對壓力試驗(yàn)機(jī)的液壓系統(tǒng),在返行程或接近試件的空行程時(shí)要求活塞的移動(dòng)速度較快,屬于低壓大流量工況,由大小泵一起向油缸供油;在壓縮試件時(shí)屬高壓小流量工況,大泵卸荷由小泵單獨(dú)供油,從而達(dá)到節(jié)能的目的。

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