电液高频疲劳试验机的控制系统

， 　， 　， (浙江工业大学 特种装备制造与先进加工技术教育部重点实验室， 浙江 杭州　310014)

引言

疲劳试验机是一种主要用于在室温状态下，测定金属及其构件的疲劳性能、疲劳寿命，完成预制裂纹及裂纹扩展等疲劳试验的机器。试件在激振器产生的交变载荷作用下进行断裂韧性试验，测试金属材料裂纹扩展速率及材料的门坎值[1,2]。当激振系统的振动频率等于系统自身的固有频率时，即系统发生共振，所产生的微小激振力经过放大后作用在试件上可进行材料疲劳试验[3]。电液高频疲劳试验机由于其动态响应快、输出功率大等优点，因而在疲劳试验机领域得到广泛应用。本研究以电液高频疲劳试验机为对象，设计了其控制系统。

1　结构

图1是电液高频疲劳试验机的实物图。电液高频疲劳试验机的激振器被安装在试验机的底座内，它是一种由2D激振阀控对称缸构成的新型电液激振器，在2D激振阀的驱动下可实现高达2500 Hz的激振频率。通过控制双边阀控单出杆的同步运动，调节上夹头高度以适应长短不一的各疲劳试验材料。当试验材料被上下夹头固定后，2D电液激振器开始工作。2D激振阀连续旋转驱动电液激振器实现往复振动，从而带动试件进行疲劳试验，激振频率与2D激振阀阀芯的转速成正比。通过控制2D激振阀的轴向运动实现激振幅值的变化。为了测量试件在拉应力、压应力以及拉压交变应力下的疲劳特性， 需要对激振器的激振中心平衡位置进行偏置控制从而改变电液激振器输出的载荷力性质，而由于2D激振阀的转阀特性，无法加入偏置信号，因此在对称液压缸上并联一个数字伺服阀，其结构与控制单出杆液压缸的2D数字阀相同。改变数字伺服阀的开口大小和方向就可以实现激振器振动中心位置的偏置，偏置量与数字伺服阀的阀口开度成正比。当需要对试件进行拉伸或压缩试验时，只需改变并联数字阀的阀口方向和开口大小即可实现拉应力和压应力的变化，也可实现拉压交变载荷的应力输出。单出杆液压缸所用油源与电液激振器的油源相互独立，以免油压波动造成横梁高度发生变化。电液高频疲劳试验机的控制系统通过调节电位计即可实现电液激振器激振频率、幅值以及振动中心偏置的控制。

图1　电液高频疲劳试验机

2　工作原理

2D激振器是电液高频疲劳试验机的控制系统核心。其控制部件是2D激振阀。

2.1　2D激振阀频率与幅值控制原理

2D激振阀具有圆周方向的转动和轴向的直线运动两个运动自由度，是一种具有特殊结构的转阀，分别由永磁同步伺服电机驱动阀芯的转动和直线步进电机驱动轴向的滑动，从而改变激振器输出的激振频率和幅值。

2D激振阀工作原理如图2所示。阀体上有4个开口，分别为A、B、P、T，其中A、B为负载口，分别与液压缸左右腔相通，P为进油口，T为回油口。当2D激振阀的Ⅱ、Ⅳ阀口打开时，Ⅰ、Ⅲ阀口关闭，A口和P口导通，B口和T口导通，油液通过激振阀P-A流入从液压缸左腔，而液压缸右腔的油液通过B-T的通道流出，活塞在液压油的推动下向右运动，如图2a所示；当2D激振阀阀芯旋转过某一角度后，Ⅰ、Ⅲ阀口打开，Ⅱ、Ⅳ阀口关闭，如图2b所示，此时B口和P口导通，A口和T口导通，油液从液压缸右腔流入，左腔流出，推动活塞向左运动。这样当2D激振阀阀芯在永磁同步伺服电机驱动下做连续旋转时，Ⅰ、Ⅲ和Ⅱ、Ⅳ阀口组合交替打开与关闭，使液压缸左右两腔的油液发生周期性变化，活塞在液压油的作用下实现往复振动，从而带动试件进行疲劳试验。

阀芯的左侧安装有一个弹簧，控制安装在堵头一侧的直线步进电机可以实现阀芯的轴向滑动。直线步进电机转动角度就会产生一定的线性位移，驱使阀芯轴向向左移动时，弹簧被压缩；当阀芯需要向右运动时只需缩小电机的线性位移，依靠弹簧的回复力推动阀芯运动，从而使液压缸的流量大小发生变化，改变液压缸输出的振动幅值。

图2　高频电液激振器工作原理图

2.2　2D激振器偏置控制原理

考虑到2D激振阀的转阀结构，激振器无法引入一个偏置信号实现激振中心位置的偏置控制。为了解决这个问题，提出了一个并联控制方案，即在液压缸上并联一个数字伺服阀，以这种并联机构和电-机械转换器为基础，构建了电液激振器的偏置控制系统，实现激振器振动中心偏置的控制。电液激振器的偏置控制原理如图3所示，与2D激振阀并联的数字伺服阀为一滑阀，其阀芯位移由步进电机转子通过齿轮啮合进行驱动，改变转子的角位移可以实现数字伺服阀阀芯的左右移动，使得通过数字伺服阀流入液压缸左右两腔的流量发生变化，从而实现激振器活塞振动平衡位置的偏置，改变激振器输出载荷力性质(拉伸应力或压缩应力)。由于数字伺服阀在该系统中起偏置作用，故而也将它称为偏置阀。当并联的数字伺服阀阀口关闭时，即偏置阀对激振器没有起偏置作用，振动中心位置为液压缸中心位置；当数字伺服阀阀芯左移时，P’与A’相通，B’与T’相通，油液通过数字伺服阀的A’口进入液压缸左腔，而右腔液压油从B’- T’口流出，活塞在左腔液压力的推动下向右移动；当数字伺服阀阀芯向右移动时，P’与B’相通，A’与T’相通，油液通过B’口进入液压缸右腔，而左腔液压油回油，活塞向左移动。激振器工作时若需要对激振中心位置进行偏置，则将数字伺服阀打开一个固定开口，此时偏置阀对活塞的作用力恒定，因此可将其视为一恒定负载作用于液压缸。激振器的振动频率和幅值不受偏置阀的影响，且偏置阀的偏置作用不因激振频率的改变而发生变化[4,5]。

图3　高频电液激振器偏置控制原理图

3　实验研究

3.1　频率控制实验研究

为了对电液激振器在不同工作频率下的实际振动特性进行研究分析，选取50 Hz、100 Hz、300 Hz、600 Hz、800 Hz、980 Hz、1000 Hz、2500 Hz为激振器的工作频率，对它的输出波形进行实验研究，如图4a～4h所示。2D激振阀轴向开口1.5 mm，数字伺服阀阀口关闭，系统工作压力为5 MPa。

由图4a～4f对比发现，激振器开始工作后，随着激振频率的提高， 激振器输出的振动幅值也在不断衰减。在频率达到800 Hz到1000 Hz之间时，激振器的激振幅值有一个跃升，在980 Hz附近达到最大，约为17 kN。这是因为激振器的工作频率在该频率段与液压系统的固有频率发生谐振。由图4f～图4h频率超过980 Hz后，激振器的振动幅值又逐渐减小。因此，疲劳试验机可以利用电液激振器的谐振机理，在谐振频率段进行高频率、大载荷的疲劳试验。

图4　不同频率下激振器输出的振动波形

3.2　幅值控制实验研究

在相同激振频率下改变激振幅值，研究电液激振器输出的载荷力变化情况。数字伺服阀阀口关闭，液压系统压力为5 MPa，选取100 Hz、300 Hz、600 Hz、800 Hz、1000 Hz、2500 Hz为激振频率，在2D激振阀轴向开口分别为0.5 mm、1 mm、1.5 mm情况下测得激振器输出的载荷波形如图5所示。从图中可以看出，在相同激振频率时，增大激振阀的轴向开口，从而使阀口面积增大，可以实现振动幅值变大。

3.3　偏置控制实验研究

分别对激振器工作在低频段、中频段和高频段时激振中心的偏置进行了实验研究。当并联数字伺服阀开口负偏50%、100%和正偏50%、100%时，得到30 Hz (低频段)、500 Hz(中频段)和980 Hz(高频段)下激振器的输出载荷波形。实验中液压系统工作压力为3 MPa，2D激振阀轴向开口为满开口。

图6是在激振频率为30 Hz情况下，并联数字伺服阀开口分别负偏50%、100%和正偏50%、100%时激振器输出的载荷波形。从图6a和6b中可以看出并联数字伺服阀阀口开度为零时，振动偏置量为零，此时活塞以液压缸中心位置为平衡位置进行往复振动；当并联数字伺服阀打开时，偏置量随并联数字伺服阀开口增大而增大，当数字伺服阀阀口开度最大(即满开口)时，偏置量达到最大值，此时活塞振动中心位置位于液压缸左腔(右腔)最大处。

图7是激振频率为500 Hz， 并联数字伺服阀开口

图5　各激振频率下不同激振阀轴向开口激振器的振动波形

图6　30 Hz时并联数字伺服阀不同开口下激振器输出载荷波形

图7　500 Hz时并联数字伺服阀不同开口下激振器输出载荷波形

分别在正偏50%、100%和负偏50%、100%的情况下激振器输出的载荷波形。与30 Hz时激振器的输出波形相比，它的幅值有所衰减，但是偏置作用明显。

图8是激振频率为980 Hz，并联数字伺服阀开口分别在正偏50%、100%和负偏50%、100%的情况下激振器输出的载荷波形。由于激振频率980 Hz接近于系统谐振频率，高频下液压缸输出的振动幅值与30 Hz下的激振波形有所减小，但明显高于500 Hz时激振器的振动幅值。偏置量与并联数字伺服阀的阀口开度成对应关系。

图8　980 Hz时并联数字伺服阀不同开口下激振器输出载荷波形

由以上不同频率下的偏置控制实验可知，并联的数字伺服阀能够实现高频电液激振器振动中心位置的偏置，只要改变数字伺服阀的阀口开度即可实现偏置量的控制。从而应用于高频疲劳试验机，实现拉伸、压缩以及拉压交变载荷的变化。

4　结论

在该控制系统的控制下，根据激振器工作在不同频率时实际输出的振动载荷波形，得出在谐振频率980 Hz附近可以进行高频率、大载荷疲劳试验的结论。其次测得2D激振阀轴向开口分别为0.5 mm、1 mm、1.5 mm时各激振频率下的振动波形，改变2D激振阀阀芯位移可以实现振动幅值的改变。最后改变并联的数字伺服阀开口大小，可以实现激振器振动中心的偏置，可以实现高频疲劳试验机拉伸、压缩以及拉压交变载荷的变化。

参考文献：

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