机械式动态加载控制技术研究

摘要：文章阐述了机械式动态加载技术以及机械式作动器的发展现状，提出了机械式动态加载控制技术的基本方案和结构方案，论述了无级调幅控制系统、作动器动态加载控制系统的功能，对机械式动态加载时有关节能及能量回馈装置的应用，如异步电动机节能技术的应用、飞轮节能技术的应用、能量回馈装置的应用进行了叙述。

关键词：动态加载；节能；作动器

为了推动我国机械式动态加载控制技术的发展，就需要不断地对机械式动态加载控制技术进行研究，使其更加的完善。疲劳试验是检测产品质量的关键环节，通过进行大量的疲劳试验，可以为产品提供保障、提高它的稳定性。然而现阶段最为常见、使用频率最高的加载方法是电液伺服技术。该技术耗能严重，多以大功率输出为主，提高了产品试验的成本。因此，需要找到合适的节能技术，以降低产品试验的成品。本文通过对机械式动态加载技术进行设计，以寻找机械式动态加载时有关节能的方法，使能量回馈装置得到更为广泛的应用。

1机械式动态加载控制技术的发展现状

1.1动态加载测量装置及控制技术的发展现状。随着航空工业和高速动力工业的飞速发展，各种各样的动态疲劳试验机开始发展起来。当前阶段，电液伺服式动态疲劳试验机的使用较为广泛，因为电液伺服式动态疲劳试验机能够满足载荷输出大、振幅范围广的要求。德国、日本等公司自主研发的动态疲劳试验机都可以编写程序，通过可视化界面完成操作，实现设置、输出等控制功能。我国的动态加载测量装置及控制技术发展至今已有六十年，虽然相比国外起步较晚，但是我国的试验机行业已经从早期的借鉴，转变为自主研发，实现了从静态疲劳试验机到动态疲劳试验机的转化。以电液伺服式动态疲劳试验机为例，上世纪70年代，我国自主研发了多款电液伺服式动态疲劳试验机，电液伺服式动态疲劳试验机一经推出，获得了大量好评，并在全国范围内得到了推广使用。在控制系统方面，全面数字化是研发控制系统的目标，当前阶段，国外的一些公司已经实现了全面数字化。不过近年来，我国在相关技术的研究上也取得了突破性的进展，数字化程度得到了提升，这使得微机控制电液伺服式动态疲劳机变得越来越容易。虽然我国在相关领域投入了大量的精力，行业水平也实现了跃升，但是与发达国家相比，仍然存在一定的差距。因此，我国的动态疲劳试验机行业要想获得更好地发展，就需要稳中求变，大力创新，不断地实现技术突破，使动态疲劳试验机向智能化、自动化程度更高的方向发展，进一步推动我国疲劳试验领域的发展。1.2机械式作动器应用现状。对于试验机领域来说，作动器是非常重要的部件，因为所有的动静态加载技术装置，都需要用到作动器，它是疲劳试验机的重要组成部分。作动器种类繁多，在疲劳试验机领域，机械式作动器是使用频率最高的作动器。机械式作动器，主要是通过机械传动的方式来进行工作的，因为施加载荷方法的不同，传统的机械式作动器无法满足疲劳试验机的使用要求，相比疲劳试验机来说，传统的机械式作动器更适合弹簧试验机等低频的小载荷动态加载设备。现阶段，应用较为广泛的加载方法中，曲柄连杆（滑块）机构和曲柄摇杆机构更适合用于疲劳试验机，因为曲柄连杆（滑块）机构和曲柄摇杆机构不仅维护成本低，性价比高，而且更适合设计加载振幅的作动器装置，这些优点使得曲柄连杆（滑块）机构和曲柄摇杆机构获得了广泛的应用。

2机械式动态加载控制技术方案及应用

2.1机械式动态加载控制技术方案。作动器是动态加载力的载体，机械式作动器根据产生力的方式，可以分为以下三种：不平衡旋转质量旋转惯性激振器、凸轮或连杆直接驱动激振器、偏心轴通过连杆压缩激振器。虽然这三种机械式作动器产生加载力的方式有所不同，但这三种机械式作动器的动力源都是电力。通过柱塞对连杆施加压力，就可以带动曲轴运动，也就是对电气设备的输出进行控制，然后根据其反馈状态，设计出最合适的飞轮，从而完成振幅、频率的测控工作。在以往的机械式动态加载控制技术结构设计中，一般不会去调整曲柄的偏心距，这就带来了一个问题，滑块需要通过多次滑动才能完成行程。因此，为了解决滑块直线往复的频率问题，就需要改变曲柄的偏心距。这一工作主要由伺服电机来完成，通过伺服电机改变它的偏心距，同时通过异步电机的运行使曲柄转动，这样一来就解决了滑块直线往复的频率问题，使试件更好地满足动态加载疲劳试验的要求。2.2控制系统功能要求及结构分析。在对控制系统进行设计时，首先需要遵循一定的设计原则。对于控制系统而言，系统硬件质量是必须要保证的，因为控制系统对硬件的要求较高。除此之外，还需要提高控制系统的性价比，在不影响功能的前提下降低成本。最后，还需要对控制系统的功耗、调幅精度进行严格的控制。以疲劳试验机为应用对象的控制系统主要分为两部分，第一部分是无极调幅控制系统，另一部分是作动器加载控制系统。无极调幅系统的工作原理是，当输送伺服电机指令后，对曲柄的偏心距进行调节，从而在不同的振幅下，使作动器对试件进行试验。而作动器加载控制系统则是，在输送主动力电机指令后，使作动器在不同的频率下都能对试件进行试验。除了需要对控制系统的功能要求及结构进行分析外，还需要对硬件进行选择，这一部分主要包括：中央测控器的结构类型的选择、运动控制卡的选型、伺服系统的选型、传感器的选型、油泵的选型、作动器主动力源的的系统选型等。只有选择了相适应的硬件，才能更好地完成硬件系统的搭建，提高控制系统的性能和稳定性。

3机械式动态加载时有关节能及能量回馈装置的应用

3.1异步电动机节能技术的应用。在进行交变加载试验时，负载转矩在半个周期中其数值为负数时，试件对作动器做正功，当负载转矩的数值为正数时，作动器对试件做正功。因此，从理论上来讲，总功应为0，只存在机械摩擦的损耗和电机的工作效率，这样就可以得出消耗能量的理论值。在此基础上，对系统的工作效率进行预设，还可以得出系统周期消耗能量、驱动电机扭矩。当无法对做功的能量进行回收利用时，就可以通过变频调速技术，使转矩随负载进行相应的变化，与此同时，电流也会发生一定的变化，从而实现节约能源的目标，减少消耗。3.2飞轮节能技术的应用。飞轮储存能量的大小与飞轮的转动惯量以及角速度平方成正比，活塞的上下止点一般是通过飞轮的惯量来克服的，除此之外，在汽车的行驶过程中所产生的瞬间大阻力也可以通过飞轮的惯量来克服。因此，对于机械式动态加载来说，将交变载荷施加给试件，就可以通过使用飞轮，来进行能量的储存，从而降低能耗，以弥补异步电动机转矩不足等问题，克服转矩、稳定频率。当对飞轮的转动惯量进行设计时，首先需要对其所做的功进行计算，设定平均角速度，从而得出飞轮的转动惯量，然后就可以根据电动机和飞轮惯量的克服负载，获知电动机需要的功率以及消耗的功率，得到飞轮技术比电液伺服技术节能百分比，由此就看出节能效果的好坏取决于飞轮是否合适。对疲劳试验机来讲，可以选择大小相同的飞轮，然后分别进行安装，取飞轮转动惯量的平均值，再根据实际情况，就可以设计出理想的飞轮。3.3能量回馈装置的应用。现阶段，虽然有很多成功应用的能量回馈装置和技术，但是在这些能量回馈技术中，能够改善电源容量不足的技术比较少。目前能够解决电源容量不足的技术主要有电子飞轮储能技术和超级电容。超级电容器作为一种大容量储能元件，经过长期的发展，现如今该技术非常成熟，具有可观的性能指标。超级电容不仅储电能力强，而且不需要经常进行维修保养。它的工作原理是通过整流电路输送电流。与此同时，对电容进行充电，然后电流又对逆变回路进行输送，以克服负载。在作动器动态加载的过程中，只要电容量处在一个合理的范围内，就可以完全回收再生能量，从而帮助作动器完成负载克服的工作。

4结论

总之，为了推动我国疲劳试验领域的发展，就需要对疲劳试验机的结构、工作原理、加载方法等进行研究，在对疲劳试验机的控制系统，即无极调幅控制系统和作动器加载控制系统有一个较为深入的理解之后，就可以通过建立数学模型，对其进行运算和分析，以找到最合适的节能技术，尽可能地降低疲劳试验的成本，减少机械零件在试验过程中的能量损耗，这对我国推行工业可持续发展具有非常重要的意义。只有这样，才能真正推动我国工业领域实现突破，平衡好经济效益与生态效益之间的关系。

作者:韩亮亮 单位:徐州能源工业学校