300kN恒加荷壓力試驗機控制系統(tǒng)的研究

O引言
    300kN恒加荷壓力試驗機用于水泥抗壓強度的檢測，是水泥等生產企業(yè)及質檢部門必備的一級計量檢測設備。在水泥的抗壓試驗中，試驗機加荷速率是影響水泥強度測定準確度的主要因素，新頒布的水泥抗壓強度試驗標準(GB177-2000)明確規(guī)定加荷速率必須滿足恒速(2.4±0.2 kN/s)的要求，因而采用人工控制送油閥加荷的傳統(tǒng)300kN壓力試驗機已無法達到標準要求。本文針對我國現(xiàn)有300kN壓力試驗機的特點，設計了一種基于數(shù)字式的微機計量恒加荷壓力試驗機控制系統(tǒng)，取得了非常好的效果。
1  液壓系統(tǒng)設計
    微機控制恒加荷壓力試驗機是一種典型的機電液一體化產品，其采用的電液控制系統(tǒng)作為壓力試驗機的核心對整機性能起著關鍵的作用。 圖1為該設備的液壓系統(tǒng)原理圖。液壓系統(tǒng)主要由③油泵、②溢流閥、④數(shù)字式微小流量閥、⑤壓力傳感器和①油缸等組成。在該系統(tǒng)中溢流閥作為系統(tǒng)的安全閥，在系統(tǒng)過載時起安全保護作用；數(shù)字微小流量閥作為系統(tǒng)的控制元件，通過控制其流量來調節(jié)系統(tǒng)的壓力輸出；壓力傳感器作為檢測元件，將液壓缸工作腔的壓力信號反饋給計算機以實現(xiàn)整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制。2微小流量閥工作原理
    圖2為節(jié)流閥閥芯閥套平面展開圖，考慮到徑向力平衡關系，設計中采用了對稱開口結構，在閥芯上開有一對與油泵相通的P口和一對與油箱相通的T口，在閥套上開有一對與油缸相通的三角形A口。步進電機順時針進給，P-A導通，系統(tǒng)通過改變節(jié)流閥開口面積調節(jié)其輸出流量，從而控制系統(tǒng)壓力；步進電機逆時針進給，A-T導通，系統(tǒng)卸載，泵出口流量通過等差減壓閥回油箱。
3  系統(tǒng)構成
    300kN恒加荷壓力試驗機控制系統(tǒng)由微機（或單片機）、控制軟件、控制器、步進電機驅動器、步進電機、微小流量閥、壓力傳感器和A/D等組成，如圖3所示。控制系統(tǒng)由上下位機和數(shù)字式微小流量閥組成，油缸液壓油的壓力（或水泥試抉承受的壓力）信號通過壓力傳感器（或力傳感器）轉化為電信號，通過信號放大器，經(jīng)A/D轉化為數(shù)
字信號進入計算機，計算機將經(jīng)過PID控制處理后得到的閥的開口增量送到下位機（控制器），下位機控制步進電機驅動器驅動步進電機并帶動微小流量閥閥芯走過給定的角位移，通過微小流量閥閥芯的開口變化，改變微小流量閥的輸出流量，控制壓力按給定的速率加荷。
3.1  控制軟件設計
    控制系統(tǒng)軟件設計如圖4所示，它包括系統(tǒng)精度的標定和檢測、水泥抗壓試驗、參數(shù)設置、試驗結果的數(shù)據(jù)庫管理及打印等功能，系統(tǒng)人機界面友好，操作簡潔、方便。
3.2  系統(tǒng)功能特點
    該系統(tǒng)為負載適應型液壓系統(tǒng)，油沿壓力隨著負載壓力的上升而上升，與伺服閥構成的定壓系統(tǒng)有本質的區(qū)別，該系統(tǒng)具有節(jié)能、抗污染能力強和成本低等特點。 系統(tǒng)采用了自行設計的微小流量閥，該閥具有非常小的穩(wěn)定流量，較好的流量一壓力特性，較高的動態(tài)壓力響應特性，且能夠從零工作壓力開始進行加載。該閥利用步進電機作為驅動元件，采用了步進電機的細分技術，完全實現(xiàn)了數(shù)字式控制，抗干擾能力強，無滯環(huán)，提高了控制精度。
    采用該系統(tǒng)進行傳統(tǒng)300kN水泥壓力試驗機的改造，可以實現(xiàn)手動／自動兩種功能，增加了系統(tǒng)的容錯性，提高了系統(tǒng)的可靠性。
4試驗結果
    以下為采用該系統(tǒng)對無錫建材儀器機械廠生產的NYL-300壓力試驗機進行改造，在新老兩種不同標準下的試驗結果。泵的額定壓力P=31.5MPa，額定流量Q=1.25L/min。
4.加荷速率
    在老標準速率要求v=5．OkN/s時滿負載的加荷曲線，圖5(b)為在新標準速率要求V=2.4kN/s時滿負載的加荷曲線，圖6(a)為V=5.OkN/s時的實時速率曲線，采樣間隔AT=2(s)，圖6(b)為V=2.4kN/s時的實時速率曲線，采樣間隔AT=2(s)。(http://www.51yaliji.com)