设计电液伺服动静万能试验机液压系统应该注意的原则

电液伺服动静万能试验机主要用于材料和零部件的力学性能试验研究，它不但可以完成静态下的拉伸、
压缩、弯曲、剪切试验，而且还可以完成动态下的诸如高周疲劳、低周疲劳、断裂力学、疲劳裂纹的预制、
随机波谱试验等工作．静态试验和动态试验对试验机提出了不同的要求：静态试验所追求的主要是试
验精度；而动态试验所追求的是在必要的试验精度基础上，还应保证较强的稳定性和较高的频响速度．
以上要求通常用示值误差、幅值精度、波形失真度、幅值稳定度等指标来衡量，而一套优化合理的液压控

 

制系统无疑是保证这些性能指标的关键． 具体来讲，电液伺服动静万能试验机液压系统设计时应考虑
的问题主要有：(1)

 

协调动态大流量与静态小流量的矛盾，即负载动力的合理匹配． (2)伺服阀的正确选

 

用． (3)

 

作动器固有频率的提高． (4)夹紧油源和夹紧装置的设计．(5)冷却方式的选择．本文主要讨论

解决以上问题的一些方法．
1 负载动力的合理匹配
     在试验机的正常工况，作动器中活塞的运动速度可以从静态试验时的 0．01 mm／s 到动态试验时的
1．5 m／s 速度范围内变化，调速比为 150 000：1，如此宽的速度变化范围为油源的设计和伺服阀的选
择带来了难度，导致出现静态小流量和动态大流量之间的矛盾．解决此矛盾的关键是对作动器、伺服阀、
液压源之问进行合理的负载匹配．所应遵循的设计原则是：作动器、伺服阀、液压源所提供的液压动力
应满足试验机的速度、加速度和试验力的要求，同时还应考虑系统的效率．
负载与泵、阀的匹配关系如图 1 所示，即伺服阀的负载流量特性曲线必须包容试验机的负载特性曲线，
液压源的曲线应包容伺服阀的负载曲线，Q >1．1  

～ 1．3Qo；Q >1．O5～1．1Q   

． 这即为包容原则．

图 1 负载与泵、阀的匹配
     另外，系统的效率也应引起重视．液压泵输出的流量是根据动态试验时所需的最大流量选取的，静
态试验时所需的流量很少，此时，必须使液压源输出的流量降下来，为达此目的，有三个方案可供选
择．第一个方案是动静态试验由一台变量泵供油，油泵由三相异步电动机驱动．其优点是设计成本较
低，流量可调，液压系统效率较高．但在小流量输出时电动机的效率却很低，约为 0．3～0．4 左右，

“

”

出现 大马拉小车 的问题，电动机本身的功率损耗包括铜损、铁损、机械损耗等相当大，造成电能的浪
费，总效率并没有提高；第二个方案是动静态试验由一台定量泵供油，油泵由变频调速器控制的三相
异步电动机驱动．此方案的总效率比前者高，但由于油泵在低转速下流量脉动加剧，造成伺服阀供油
压力的较大波动，对静态试验不适用．第三个方案是动静态试验分别由独立的大小两个油泵供油，小

 

泵采用定量泵，大泵采用变量泵． 此方案在满足动态和静态试验要求的同时，还由于静态试验时大泵
是停止工作的，系统总效率大为提高，静态试验时油源噪音也很低．
2 伺服阀的正确选用
     由于电液伺服动静万能试验机既要控制力又要控制位移和应变，所以一般都采用位置反馈式的流量
型伺服阀，以力反馈式的喷嘴挡板阀使用最为普遍．压力型的伺服阀虽然控制作用力时性能较好，但
因无法控制位置而不适用．当动态试验要求的流量较大时，可以采用几个阀并联工作，也可以采用三
级伺服阀．并联使用时由于各阀之问存在相位差，将给电控系统带来一定的麻烦．
     供油压力的选择也很重要，较高的供油压力，可以减轻作动器活塞的质量、提高伺服阀的流量增益，
从而获得较快的响应速度．但过高的供油压力使得伺服阀的零位泄漏量加大、使用寿命减小、系统噪音

 

 

增大． 根据有关资料 ]，供油压力选择 21～28 MPa 的范围为佳，负载压力按系统效率最高原则确定，
为供油压力的 2／3 时可获得最高的系统效率．动静万能试验机对电液伺服阀的性能要求比较高，既有
静态和动态性能的要求，又有寿命的要求，因此在选用上必须严格掌握，必要时应从伺服阀的制造厂
家订做专用阀．据了解，国外的试验机制造公司如美国的 MTS 和日本的岛津公司所用的伺服阀分别是
从 MOOG 公司和东京精密测器株式会社订做的专用阀，其线性度、对称度、滞环、分辨率、零漂等指标比
普通阀严格 1／2～1／3．
3 作动器固有频率的提高
     当伺服油源压力确定后，试验机要求的作用力和振幅是给定参数，作动器固有频率的提高只有从减
小运动质量和提高油液弹性模量两方面考虑．在作动器可动部分的刚度和强度足够的前提下，应尽可