電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)原理及故障診斷

劉 博

(邯鄲鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司,河北邯鄲056015)

電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)原理及故障診斷

劉 博

(邯鄲鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司,河北邯鄲056015)

電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)是測(cè)定材料力學(xué)性能指標(biāo)的檢測(cè)設(shè)備,在各類材料生產(chǎn)過程質(zhì)量控制、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)和材料科學(xué)研究中都需要應(yīng)用微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)來進(jìn)行力學(xué)的性能測(cè)試。針對(duì)微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)工作的原理,并結(jié)合具體的實(shí)踐故障進(jìn)行維修,重點(diǎn)闡述電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)的診斷方法和故障分析。

電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī);故障;原理

1 引言

微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)在力學(xué)的檢測(cè)上,由于杰出的試驗(yàn)精度和操控功能,目前,國(guó)內(nèi)試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)基本上是采用開環(huán)控制,主要功能體現(xiàn)在數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理上。硬件平臺(tái)基本上是51系統(tǒng)及模擬IC,不具備數(shù)字閉環(huán)控制的物理基礎(chǔ)和算法要求。主要用于金屬材料中,包括彎曲、壓縮、拉伸等實(shí)驗(yàn),其方便友好的軟件操作界面,大幅減少人員操作所存在的不穩(wěn)定性,大大地提高了試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性、重復(fù)性與再現(xiàn)性,從而廣泛的運(yùn)用在很多領(lǐng)域中。先進(jìn)的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的在線辯識(shí),控制量在線優(yōu)化,控制環(huán)在線切換,實(shí)現(xiàn)了真正的三閉環(huán)全數(shù)字控制。試驗(yàn)機(jī)性能的高低主要取決于對(duì)試驗(yàn)過程的控制。本產(chǎn)品由于采用神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法,使得整機(jī)性能明顯優(yōu)于國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品,即實(shí)現(xiàn)三閉環(huán)全數(shù)字控制為本產(chǎn)品的創(chuàng)新。本產(chǎn)品的硬件平臺(tái)為高性能的工控專用CPU——DSP,從物理上保證了先進(jìn)控制算法的實(shí)施基礎(chǔ)。

在邯鄲鋼鐵集團(tuán)技術(shù)中心物檢化驗(yàn)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室里,電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)采用先進(jìn)的神經(jīng)元自適應(yīng)PID控制算法,可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)參數(shù)的在線辨識(shí),控制量在線優(yōu)化,控制環(huán)在線切換,實(shí)現(xiàn)了真正的三閉環(huán)全數(shù)字控制。從物理上保證了先進(jìn)控制算法的實(shí)施基礎(chǔ)。目前,電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)往往是多臺(tái)設(shè)備進(jìn)行高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn),常常出現(xiàn)這些或者那些問題。為了更好地降低儀器故障率,快速有效的排除故障,現(xiàn)總結(jié)儀器檢驗(yàn)及故障處理中常見的一些方法。

2 電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)的工作原理

微機(jī)電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)采用壓力傳感器、應(yīng)變規(guī)、位移傳感器、電液伺服閥,使控制系統(tǒng)構(gòu)成了一個(gè)閉環(huán)的回路,從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制的作用。采用進(jìn)口全數(shù)字伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),優(yōu)化的減速系統(tǒng)以及高等級(jí)的無間隙滾珠絲杠組成的傳動(dòng)系統(tǒng),有效地減小了設(shè)備間隙,使傳動(dòng)更準(zhǔn)確、平穩(wěn)。油箱中的油液經(jīng)過一個(gè)濾油器被吸入到油泵中,再經(jīng)過油泵的出油管送到油閥里,由于其油壓作用將送油閥門內(nèi)活塞流回到油箱里面,此時(shí)送油手輪打開,則油液經(jīng)送油管至工作油箱內(nèi),活塞向上移,對(duì)所固定的試件進(jìn)行加載。與此同時(shí),通過擺桿、推桿、壓板及拉桿而使指針沿著刻度盤轉(zhuǎn)動(dòng),從而可以指示出試驗(yàn)載荷的數(shù)值,如圖1所示。

試驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)采用伺服電機(jī)→蝸輪蝸桿減速機(jī)→同步齒形帶→高精度滾珠絲杠→移動(dòng)橫梁的傳動(dòng)方式,此種減速系統(tǒng)特點(diǎn): (1)第一級(jí)減速比大,從而整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)慣性比較小;(2)整個(gè)系統(tǒng)的噪音更低;(3)蝸輪蝸桿傳動(dòng)使傳動(dòng)更加平穩(wěn),避免了嚙合傳動(dòng)的速度多邊形效應(yīng),使低速的穩(wěn)定性更好。

圖1 萬能試驗(yàn)機(jī)液壓系統(tǒng)圖

2.1 設(shè)備主要功能

微機(jī)電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)主要用于金屬、非金屬、復(fù)合材料的拉伸、壓縮、彎曲等的力學(xué)性能測(cè)試分析研究,具有應(yīng)力、應(yīng)變、位移三種閉環(huán)控制方式,可求出最大力、抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、彈性模量、斷裂延伸率、屈服強(qiáng)度等參數(shù)。根據(jù)GB及ISO、JIS、ASTM、DIN等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)和提供檢測(cè)數(shù)據(jù)。

微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)為機(jī)電一體化產(chǎn)品,主要由主機(jī)(包括機(jī)架、底座、傳動(dòng)系統(tǒng))、夾具、變形測(cè)量系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)構(gòu)成。

2.2 設(shè)備主要構(gòu)成

微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)為機(jī)電一體化產(chǎn)品,主要由主機(jī)(包括機(jī)架、底座、傳動(dòng)系統(tǒng))、夾具、變形測(cè)量系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)構(gòu)成。

主機(jī)采用單空間結(jié)構(gòu)。主要由底座和機(jī)架構(gòu)成。底座采用鑄鐵HT200,機(jī)架為門式結(jié)構(gòu),主要由底板、上中下橫梁和連接光杠等組成。橫梁采用鋼件。采用高強(qiáng)度光杠固定上橫梁和工作臺(tái)面,使之構(gòu)成高剛性的結(jié)構(gòu)框架。采用進(jìn)口全數(shù)字伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng),優(yōu)化的減速系統(tǒng)以及高等級(jí)的無間隙滾珠絲杠組成的傳動(dòng)系統(tǒng),有效的減小了設(shè)備間隙,使傳動(dòng)更準(zhǔn)確、平穩(wěn)。

采用高穩(wěn)定性、高精度應(yīng)變式進(jìn)口力傳感器,能更好的滿足測(cè)力系統(tǒng)的精度要求?？筛鶕?jù)需要使用多個(gè)力傳感器,實(shí)現(xiàn)寬范圍的試驗(yàn)力測(cè)量。

軟件系統(tǒng)采用Powertest V3.0試驗(yàn)軟件,此軟件采用開放式編程,可以根據(jù)自己的需要設(shè)計(jì)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),大大提高了操作的簡(jiǎn)易化及工作效率。也可以根據(jù)需要編輯報(bào)告格式,生成各種個(gè)性化的試驗(yàn)報(bào)告,同時(shí)只需一個(gè)按鍵即能將報(bào)告導(dǎo)出到EXCEL文件當(dāng)中,方便用戶對(duì)報(bào)告進(jìn)行二次編輯。強(qiáng)大的權(quán)限管理功能,管理員可根據(jù)不同層次的試驗(yàn)人員分別開放對(duì)應(yīng)的軟件功能,大大降低了由于操作人員人為操作原因造成設(shè)備使用不正常。強(qiáng)大的可擴(kuò)充性,軟件具有數(shù)據(jù)串口通訊功能,能采集串口數(shù)據(jù)如千分表、百分表等測(cè)量數(shù)據(jù),同時(shí)預(yù)留6路擴(kuò)展設(shè)備通道,并能實(shí)現(xiàn)擴(kuò)展通道的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、顯示并處理等。完善的數(shù)據(jù)查詢功能,用戶可根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果的任意信息如編號(hào)、日期、試驗(yàn)方案名稱等進(jìn)行組合查詢,數(shù)據(jù)查找一鍵完成,減輕了由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)多而通過手動(dòng)選取文件名的操作不便。豐富的曲線分析功能,軟件可自動(dòng)在曲線上標(biāo)記特征點(diǎn),并可以對(duì)曲線進(jìn)行任意倍數(shù)放大縮小以及曲線遍歷等操作。試驗(yàn)過程中可實(shí)時(shí)顯示3種不同類型的曲線圖形,試驗(yàn)結(jié)束后可選擇手動(dòng)定義上、下屈服點(diǎn)等操作,極大地方便了用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。自定義參數(shù)單位功能,用戶可根據(jù)自己的需要設(shè)定相應(yīng)不同的單位,設(shè)定時(shí)只需給定與基本單位間的轉(zhuǎn)換系數(shù),軟件可自動(dòng)對(duì)所有采樣數(shù)據(jù)、結(jié)果計(jì)算、報(bào)告輸出等進(jìn)行單位之間的自動(dòng)轉(zhuǎn)換。

電氣系統(tǒng)采用DCS-300——基于DSP的試驗(yàn)機(jī)數(shù)字閉環(huán)控制與測(cè)量系統(tǒng)。具有全數(shù)字閉環(huán)控制、多通道采集等功能。該系統(tǒng)功能強(qiáng)大、數(shù)據(jù)處理準(zhǔn)確、操作簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便。可實(shí)現(xiàn)力、變形、位移三閉環(huán)全數(shù)字控制。最多可擴(kuò)展至8路高精準(zhǔn)數(shù)據(jù)采集通道,測(cè)量分辨力達(dá)1/300 000;采用USB通訊,可實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)高速傳輸;具有過載、過流、過壓、欠壓,過速、限位等多種安全保護(hù)方式。

3 電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)故障分析及排除

3.1 指針不能平穩(wěn)移動(dòng)

這里不是指由于試樣變形或者達(dá)到屈服點(diǎn)而引起的轉(zhuǎn)動(dòng)不平穩(wěn)或指針有停止,一般是由于以下原因造成的:

(1)微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)油缸及油路中有氣體的存在。如果油缸及油路中有氣體,則會(huì)導(dǎo)致測(cè)力油缸、工作油缸運(yùn)動(dòng)的不平穩(wěn)。

此時(shí)應(yīng)開動(dòng)微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)油泵,再關(guān)閉設(shè)備的回油閥,并打開送油閥門,使工作油缸上升到一段的距離,然后再打開回油閥門,從而使油從油泵經(jīng)過到工作油缸,再通過回油閥回到油箱。如此循環(huán),在短時(shí)間內(nèi),便能將設(shè)備內(nèi)各處空氣排除干凈。

(2)在送油閥內(nèi)有雜質(zhì),用油黏度太低(加載時(shí)送油閥回油管一直有油流出)。一般采用中等黏度的礦物油,不含水、酸及其他混合物,常溫下不分解,不變稠,必要時(shí)可用黏度計(jì)測(cè)量。如果用油不當(dāng),會(huì)使閥門和油路堵塞,并可能引起振動(dòng)或管路泄露,最好應(yīng)按說明書的要求用油。當(dāng)送油閥內(nèi)有不干凈的東西,如油渣、鐵末等雜質(zhì)隨油帶到送油閥的內(nèi)部時(shí),如圖2,容易使活塞受到損壞,同時(shí)對(duì)指針的平穩(wěn)上升也有影響,想要取出這些雜質(zhì),可擰下螺絲釘,并用小絲桿從后面擰在活塞上,把它拉出來后,用干凈的油清洗閥體活塞、內(nèi)孔等地方,然后重新裝上活塞及螺絲釘,裝螺絲釘時(shí)內(nèi)部必須灌上油再擰,這樣可以使內(nèi)部不進(jìn)入空氣,如果進(jìn)入空氣,還會(huì)影響油閥的正常使用。

圖2 送油閥

(3)油管的接頭處有滲油。油管接頭處有滲油,會(huì)造成操作系統(tǒng)工作壓力不穩(wěn)定,從而影響到指針的平穩(wěn)上升,此時(shí)應(yīng)緊固油管接頭。

3.2 硬件參數(shù)設(shè)置錯(cuò)誤

軟件脫機(jī)后進(jìn)入硬件參數(shù)設(shè)置界面里面的力傳感器界面,確定力的方向,位移的方向,橫梁的方向,以及試驗(yàn)空間是否選擇正確。

3.3 保險(xiǎn)熔斷處理

在更換新的功率放大器時(shí),出現(xiàn)功率放大器中主保險(xiǎn)熔斷的情況。選擇橫梁高速移動(dòng)時(shí),出現(xiàn)功率放大器中主保險(xiǎn)熔斷的情況。其原因是在選擇橫梁高速移動(dòng)時(shí),拉力試驗(yàn)機(jī)會(huì)自鎖,橫梁不能移動(dòng)。但這時(shí)并沒有切斷供給拉力試驗(yàn)機(jī)的電源,由于功率放大器沒有正常的輸出,但此時(shí)又一直向功率放大器的電源部分供電,使其電源部分中的濾波和穩(wěn)壓電容一直充電,且無法放電。

3.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)異常問題

先確定“試片”夾持是否牢實(shí),再檢查“力量感應(yīng)器”“譯碼器”設(shè)定是否正確,最后檢查在試驗(yàn)開始前是否按下“力量歸零鍵”“變形量歸零鍵”。

4 維護(hù)注意問題

(1)普通的電液萬能試驗(yàn)機(jī)只是裝備了做規(guī)范試樣的夾具,若是想要做非規(guī)范的試樣,比方彈簧鋼等,必須要用特別的試樣夾片,不然會(huì)損壞設(shè)備的夾具。

(2)風(fēng)冷的冷卻器積垢要定時(shí)進(jìn)行整理,選用水冷的冷卻器,要定時(shí)檢查冷卻銅管有沒有開裂、漏水等現(xiàn)象。

(3)在電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)傳動(dòng)的局部及絲杠定時(shí)涂上潤(rùn)滑油,避免發(fā)生干磨的現(xiàn)象,從而造成設(shè)備的損壞。

(4)泵調(diào)節(jié)器閥、壓力操控閥、流量操控以及熱繼電器、繼電器、壓力行程開關(guān)等信號(hào)設(shè)備,都要定時(shí)查看。

(5)每次實(shí)驗(yàn)完畢,應(yīng)將試驗(yàn)臺(tái)下降,活塞不要落底,這樣對(duì)下次試驗(yàn)有利、方便。

5 結(jié)論

微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域較廣,適用于各種高精度數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及過程控制系統(tǒng)。目前主要應(yīng)用于各類試驗(yàn)機(jī),如電子萬能試驗(yàn)機(jī)、液壓萬能試驗(yàn)機(jī)及各種專用試驗(yàn)機(jī)等多種機(jī)型,可滿足各種材料的不同的試驗(yàn)過程數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理及控制,集電液伺服自動(dòng)控制、自動(dòng)測(cè)量、數(shù)據(jù)采集、屏幕顯示、試驗(yàn)結(jié)果處理為一體,其設(shè)備具有升級(jí)簡(jiǎn)易、可靠性高、專業(yè)性好等優(yōu)點(diǎn)。所以,微機(jī)控制電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)的維修是一項(xiàng)要求技術(shù)非常強(qiáng)的工作,維修人員必須具有扎實(shí)的電路、電子等方面的專業(yè)知識(shí),歸納出設(shè)備的電液伺服萬能試驗(yàn)機(jī)的一些常見故障修理方法,以免意外損壞電路元器件,而平時(shí)養(yǎng)成良好的維護(hù)保養(yǎng)設(shè)備,也是降低故障率,延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命的重要保障手段。

[1] 代輝.液壓式材料試驗(yàn)機(jī)的應(yīng)用維護(hù)[J].理化檢驗(yàn),2005(4).

[2] 焦輝.關(guān)于WE型萬能材料試驗(yàn)機(jī)故障及排除方法[J].計(jì)量技術(shù),2002(3).

Electro-hydraulic Servo Universal Testing Machine Fault Diagnosis

LIU Bo
(HEBEI IRON&STEEL,Handan 056015,Hebei,China)

Electro-hydraulic servo universal testing machine is used for material mechanics performance index measurement equipment,In product quality inspection of all kinds of materials, production process quality control and material scientific research all need testing machine is used for mechanical property test,This article focuses on the working principle of the electro-hydraulic servo universal testing machine,Combined with the specific breakdown maintenance practice,expounds the fault analysis and diagnosis of electro-hydraulic servo universal testing machine.

hydraulic servo universal testing machine;fault;diagnosis

TP271

:B

1001-5108(2015)06-0070-05

劉博,工程師,主要從事檢化驗(yàn)設(shè)備的管理及相關(guān)技術(shù)工作。