機械式動態(tài)加載控制技術(shù)研究

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摘要：文章闡述了機械式動態(tài)加載技術(shù)以及機械式作動器的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了機械式動態(tài)加載控制技術(shù)的基本方案和結(jié)構(gòu)方案，論述了無級調(diào)幅控制系統(tǒng)、作動器動態(tài)加載控制系統(tǒng)的功能，對機械式動態(tài)加載時有關(guān)節(jié)能及能量回饋裝置的應(yīng)用，如異步電動機節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用、飛輪節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用、能量回饋裝置的應(yīng)用進行了敘述。

關(guān)鍵詞：動態(tài)加載；節(jié)能；作動器

為了推動我國機械式動態(tài)加載控制技術(shù)的發(fā)展，就需要不斷地對機械式動態(tài)加載控制技術(shù)進行研究，使其更加的完善。疲勞試驗是檢測產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過進行大量的疲勞試驗，可以為產(chǎn)品提供保障、提高它的穩(wěn)定性。然而現(xiàn)階段最為常見、使用頻率最高的加載方法是電液伺服技術(shù)。該技術(shù)耗能嚴(yán)重，多以大功率輸出為主，提高了產(chǎn)品試驗的成本。因此，需要找到合適的節(jié)能技術(shù)，以降低產(chǎn)品試驗的成品。本文通過對機械式動態(tài)加載技術(shù)進行設(shè)計，以尋找機械式動態(tài)加載時有關(guān)節(jié)能的方法，使能量回饋裝置得到更為廣泛的應(yīng)用。

1機械式動態(tài)加載控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1動態(tài)加載測量裝置及控制技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。隨著航空工業(yè)和高速動力工業(yè)的飛速發(fā)展，各種各樣的動態(tài)疲勞試驗機開始發(fā)展起來。當(dāng)前階段，電液伺服式動態(tài)疲勞試驗機的使用較為廣泛，因為電液伺服式動態(tài)疲勞試驗機能夠滿足載荷輸出大、振幅范圍廣的要求。德國、日本等公司自主研發(fā)的動態(tài)疲勞試驗機都可以編寫程序，通過可視化界面完成操作，實現(xiàn)設(shè)置、輸出等控制功能。我國的動態(tài)加載測量裝置及控制技術(shù)發(fā)展至今已有六十年，雖然相比國外起步較晚，但是我國的試驗機行業(yè)已經(jīng)從早期的借鑒，轉(zhuǎn)變?yōu)樽灾餮邪l(fā)，實現(xiàn)了從靜態(tài)疲勞試驗機到動態(tài)疲勞試驗機的轉(zhuǎn)化。以電液伺服式動態(tài)疲勞試驗機為例，上世紀(jì)70年代，我國自主研發(fā)了多款電液伺服式動態(tài)疲勞試驗機，電液伺服式動態(tài)疲勞試驗機一經(jīng)推出，獲得了大量好評，并在全國范圍內(nèi)得到了推廣使用。在控制系統(tǒng)方面，全面數(shù)字化是研發(fā)控制系統(tǒng)的目標(biāo)，當(dāng)前階段，國外的一些公司已經(jīng)實現(xiàn)了全面數(shù)字化。不過近年來，我國在相關(guān)技術(shù)的研究上也取得了突破性的進展，數(shù)字化程度得到了提升，這使得微機控制電液伺服式動態(tài)疲勞機變得越來越容易。雖然我國在相關(guān)領(lǐng)域投入了大量的精力，行業(yè)水平也實現(xiàn)了躍升，但是與發(fā)達(dá)國家相比，仍然存在一定的差距。因此，我國的動態(tài)疲勞試驗機行業(yè)要想獲得更好地發(fā)展，就需要穩(wěn)中求變，大力創(chuàng)新，不斷地實現(xiàn)技術(shù)突破，使動態(tài)疲勞試驗機向智能化、自動化程度更高的方向發(fā)展，進一步推動我國疲勞試驗領(lǐng)域的發(fā)展。1.2機械式作動器應(yīng)用現(xiàn)狀。對于試驗機領(lǐng)域來說，作動器是非常重要的部件，因為所有的動靜態(tài)加載技術(shù)裝置，都需要用到作動器，它是疲勞試驗機的重要組成部分。作動器種類繁多，在疲勞試驗機領(lǐng)域，機械式作動器是使用頻率最高的作動器。機械式作動器，主要是通過機械傳動的方式來進行工作的，因為施加載荷方法的不同，傳統(tǒng)的機械式作動器無法滿足疲勞試驗機的使用要求，相比疲勞試驗機來說，傳統(tǒng)的機械式作動器更適合彈簧試驗機等低頻的小載荷動態(tài)加載設(shè)備。現(xiàn)階段，應(yīng)用較為廣泛的加載方法中，曲柄連桿（滑塊）機構(gòu)和曲柄搖桿機構(gòu)更適合用于疲勞試驗機，因為曲柄連桿（滑塊）機構(gòu)和曲柄搖桿機構(gòu)不僅維護成本低，性價比高，而且更適合設(shè)計加載振幅的作動器裝置，這些優(yōu)點使得曲柄連桿（滑塊）機構(gòu)和曲柄搖桿機構(gòu)獲得了廣泛的應(yīng)用。

2機械式動態(tài)加載控制技術(shù)方案及應(yīng)用

2.1機械式動態(tài)加載控制技術(shù)方案。作動器是動態(tài)加載力的載體，機械式作動器根據(jù)產(chǎn)生力的方式，可以分為以下三種：不平衡旋轉(zhuǎn)質(zhì)量旋轉(zhuǎn)慣性激振器、凸輪或連桿直接驅(qū)動激振器、偏心軸通過連桿壓縮激振器。雖然這三種機械式作動器產(chǎn)生加載力的方式有所不同，但這三種機械式作動器的動力源都是電力。通過柱塞對連桿施加壓力，就可以帶動曲軸運動，也就是對電氣設(shè)備的輸出進行控制，然后根據(jù)其反饋狀態(tài)，設(shè)計出最合適的飛輪，從而完成振幅、頻率的測控工作。在以往的機械式動態(tài)加載控制技術(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一般不會去調(diào)整曲柄的偏心距，這就帶來了一個問題，滑塊需要通過多次滑動才能完成行程。因此，為了解決滑塊直線往復(fù)的頻率問題，就需要改變曲柄的偏心距。這一工作主要由伺服電機來完成，通過伺服電機改變它的偏心距，同時通過異步電機的運行使曲柄轉(zhuǎn)動，這樣一來就解決了滑塊直線往復(fù)的頻率問題，使試件更好地滿足動態(tài)加載疲勞試驗的要求。2.2控制系統(tǒng)功能要求及結(jié)構(gòu)分析。在對控制系統(tǒng)進行設(shè)計時，首先需要遵循一定的設(shè)計原則。對于控制系統(tǒng)而言，系統(tǒng)硬件質(zhì)量是必須要保證的，因為控制系統(tǒng)對硬件的要求較高。除此之外，還需要提高控制系統(tǒng)的性價比，在不影響功能的前提下降低成本。最后，還需要對控制系統(tǒng)的功耗、調(diào)幅精度進行嚴(yán)格的控制。以疲勞試驗機為應(yīng)用對象的控制系統(tǒng)主要分為兩部分，第一部分是無極調(diào)幅控制系統(tǒng)，另一部分是作動器加載控制系統(tǒng)。無極調(diào)幅系統(tǒng)的工作原理是，當(dāng)輸送伺服電機指令后，對曲柄的偏心距進行調(diào)節(jié)，從而在不同的振幅下，使作動器對試件進行試驗。而作動器加載控制系統(tǒng)則是，在輸送主動力電機指令后，使作動器在不同的頻率下都能對試件進行試驗。除了需要對控制系統(tǒng)的功能要求及結(jié)構(gòu)進行分析外，還需要對硬件進行選擇，這一部分主要包括：中央測控器的結(jié)構(gòu)類型的選擇、運動控制卡的選型、伺服系統(tǒng)的選型、傳感器的選型、油泵的選型、作動器主動力源的的系統(tǒng)選型等。只有選擇了相適應(yīng)的硬件，才能更好地完成硬件系統(tǒng)的搭建，提高控制系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。

3機械式動態(tài)加載時有關(guān)節(jié)能及能量回饋裝置的應(yīng)用

3.1異步電動機節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。在進行交變加載試驗時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在半個周期中其數(shù)值為負(fù)數(shù)時，試件對作動器做正功，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的數(shù)值為正數(shù)時，作動器對試件做正功。因此，從理論上來講，總功應(yīng)為0，只存在機械摩擦的損耗和電機的工作效率，這樣就可以得出消耗能量的理論值。在此基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的工作效率進行預(yù)設(shè)，還可以得出系統(tǒng)周期消耗能量、驅(qū)動電機扭矩。當(dāng)無法對做功的能量進行回收利用時，就可以通過變頻調(diào)速技術(shù)，使轉(zhuǎn)矩隨負(fù)載進行相應(yīng)的變化，與此同時，電流也會發(fā)生一定的變化，從而實現(xiàn)節(jié)約能源的目標(biāo)，減少消耗。3.2飛輪節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用。飛輪儲存能量的大小與飛輪的轉(zhuǎn)動慣量以及角速度平方成正比，活塞的上下止點一般是通過飛輪的慣量來克服的，除此之外，在汽車的行駛過程中所產(chǎn)生的瞬間大阻力也可以通過飛輪的慣量來克服。因此，對于機械式動態(tài)加載來說，將交變載荷施加給試件，就可以通過使用飛輪，來進行能量的儲存，從而降低能耗，以彌補異步電動機轉(zhuǎn)矩不足等問題，克服轉(zhuǎn)矩、穩(wěn)定頻率。當(dāng)對飛輪的轉(zhuǎn)動慣量進行設(shè)計時，首先需要對其所做的功進行計算，設(shè)定平均角速度，從而得出飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，然后就可以根據(jù)電動機和飛輪慣量的克服負(fù)載，獲知電動機需要的功率以及消耗的功率，得到飛輪技術(shù)比電液伺服技術(shù)節(jié)能百分比，由此就看出節(jié)能效果的好壞取決于飛輪是否合適。對疲勞試驗機來講，可以選擇大小相同的飛輪，然后分別進行安裝，取飛輪轉(zhuǎn)動慣量的平均值，再根據(jù)實際情況，就可以設(shè)計出理想的飛輪。3.3能量回饋裝置的應(yīng)用。現(xiàn)階段，雖然有很多成功應(yīng)用的能量回饋裝置和技術(shù)，但是在這些能量回饋技術(shù)中，能夠改善電源容量不足的技術(shù)比較少。目前能夠解決電源容量不足的技術(shù)主要有電子飛輪儲能技術(shù)和超級電容。超級電容器作為一種大容量儲能元件，經(jīng)過長期的發(fā)展，現(xiàn)如今該技術(shù)非常成熟，具有可觀的性能指標(biāo)。超級電容不僅儲電能力強，而且不需要經(jīng)常進行維修保養(yǎng)。它的工作原理是通過整流電路輸送電流。與此同時，對電容進行充電，然后電流又對逆變回路進行輸送，以克服負(fù)載。在作動器動態(tài)加載的過程中，只要電容量處在一個合理的范圍內(nèi)，就可以完全回收再生能量，從而幫助作動器完成負(fù)載克服的工作。

4結(jié)論

總之，為了推動我國疲勞試驗領(lǐng)域的發(fā)展，就需要對疲勞試驗機的結(jié)構(gòu)、工作原理、加載方法等進行研究，在對疲勞試驗機的控制系統(tǒng)，即無極調(diào)幅控制系統(tǒng)和作動器加載控制系統(tǒng)有一個較為深入的理解之后，就可以通過建立數(shù)學(xué)模型，對其進行運算和分析，以找到最合適的節(jié)能技術(shù)，盡可能地降低疲勞試驗的成本，減少機械零件在試驗過程中的能量損耗，這對我國推行工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有非常重要的意義。只有這樣，才能真正推動我國工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，平衡好經(jīng)濟效益與生態(tài)效益之間的關(guān)系。

作者:韓亮亮 單位:徐州能源工業(yè)學(xué)校