关键词：电液比例阀 伺服阀 数字闭环控制 模拟控制
前 言
液压万能试验机是行业量大面广的产品之一，就产值说占试验机行业首位，目前大量生产的液压万能试验机及不带伺服控制的试验机，就其技术而言，已满足不了目前材料性能检测的要求，近10年来虽已成功开发了电液伺服阀的闭环控制系统，但工艺性复杂、价格高，使用维护要求也高，由于伺服阀抗污染能力极弱，尤其对静态电液伺服试验机间隙密封的柱塞油缸，更易引起油质污染，阻塞伺服阀使试验机无法长期正常运行，为满足用户质量可靠、性能优良、技术先进产品的需求，我公司开发生产出了一种新型的高科技产品，采用电液比例阀为控制元件的微机控制电液伺服万能试验机。该项目2002年获机械部科技进步二等奖。
由于采用抗污染能力极强的电液比例阀作控制元件，可使设备实现长期无故障运行，同时采用微机数字闭环控制使设备稳定性有更大提高，使该机可对各种材料进行拉、压、弯、剪、低频循环及各种组合波形的电液伺服控制，其主要技术指标达到现代国际-先进水平，是工矿、企业、质检单位、学校及科研单位的理想检测设备。
一. 当前国内外同类产品技术概况
随着试验机技术的发展，国内外电液伺服液压万能试验机，近年来发展了三种不同控制方式；一种是电液伺服阀控制，一种是采用具有速度控制器的压力阀控制，第三种是宽流量范围的比例阀控制，除了控制系统外，还采用高精度力与位移测量系统及计算机采集处理等技术，在功能上达到甚至超过电子万能试验机，尤其在大负荷上液压万能试验机及各种压力试验机具有更大的优势。
日本岛津UEH型及美国STEX公司的HVL型液压万能试验机均采用电液伺服阀控制双向油缸；负荷、变形、位移控制由电液伺服闭环控制，同时具有电子测量和计算机数据处理功能，电液伺服阀的优点是静动态性能良好，分辨率高、滞环小、线性度高、工作范围广更适合动态电液伺服试验机。其缺点是用于静态液压万能试验机上未能发挥其特点，使其造价提高、抗污染能力变差、工作噪声较大，油温升高快，有些还需水冷却。
目前多数厂家用的美国MOOG阀实际上就是通过改进的比例阀。也叫电液比例伺服阀。
西德申克公司的UPM电液伺服万能试验机其控制原理是由速度控制器控制力矩电机而带动压力控制阀施加负荷，并具有速度电流反馈，是一种传统的控制方式。
在国内济南试验机厂与其他厂家合作研究了500kN微机控制液压万能试验机与日本岛津产品相似，采用伺服阀控制，此外济南试验机厂已引进日本500kN的UDH型电液伺服阀式液压万能试验机，目前上述产品均在济南试验机厂生产。
二. 电液比例阀与伺服阀控制技术在静态万能试验机上应用比较（见下表）
“比例控制阀发展的初期阶段，仅仅是将比例电磁铁代替普通液压阀的开关型电磁铁或调节手柄，这种比例阀的结构原理和设计准则没有变化。这种比例阀工作频宽小，稳定滞环大，只能用于开环控制。七十年代中期至八十年代初，是比例阀发展的第二个阶段，比例阀开始采用各种内反馈原理，耐高压，比例电磁铁出口比例放大技术日趋成熟。阀工作频宽达到5～10Hz稳定滞环降低到3%左右，八十年代以后，比例阀技术发展进入第三阶段，比例阀原理进一步改善，采用了压力流量位移反馈和动压反馈及电校正等手段，使阀稳定精度动态相应和稳定性都有进一步提高。除中位仍有部分死区外其控制性能与伺服阀更为接近”。“此外比例放大技术也相应迅速发展，不仅集成了各种反馈信号传感接受和处理功能，而且尺寸大为减小，可安装在阀体上使整个控制系统组成一体，使用更为方便，比例电磁铁驱动力的提高，也为阀的动态特性的改善提供了条件”，将其应用于静态电液伺服万能试验机中，配合微机精密调速控制系统已完全满足其使用要求。
电液比例阀与伺服阀控制技术在静态万能试验机上应用比较
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电 液 比 例 阀 |
伺 服 阀 |
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电液比例阀：抗污染能力极强，对液压油的过滤要求为20μm，可实现无故障运行。 |
伺服阀：对液压油的过滤要求需达到3μm以内，抗污染能力极弱，尤其对静态液压式试验机间隙密封的柱塞油缸，更易引起油质污染，阻塞伺服阀。 |
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控制方式：电液比例阀是纯数字电器伺服控制、电路简单，稳定性非常高。 |
控制方式：伺服阀多数采用模拟电器控制、电路复杂，稳定性较弱。 |
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工作状态：电液比例阀是在低压起动，系统压力随试验力增加而比例增加，噪音低、油温不易上升，不需冷却装置。
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工作状态：伺服阀是在高压状态下起动，正常工作时始终处于最高压力下，工作噪音大、油温升高快，容易渗漏，需要进行水循环冷却。 |
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电器测量控制系统：我公司采用计算机总线插卡式设计，所有功能通过软件来完成，有利于功能扩展、软件升级及微机联网，并且具有故障自诊断功能，维修极为方便，只需更换微机内相应插卡即可。 |
电器测量控制系统：伺服阀电器测量控制系统大多数采用德国都利公司电箱，需自配计算机及软件去管理电箱，显示试验数据，打印报告等工作，一旦电箱出现故障，试验机厂家无能力维修。 |
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性能：电液比例阀反应速度较低，适合于静态液压试验机（频宽Hz/-3dB）～25 |
性能：而伺服阀反应速度较高，频宽（Hz/-3dB）20～200，适合于动态试验机。 |
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闭环控制 |
闭环控制 |
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性能价格比：高 |
性能价格比：低 |
三. 国内外液压力万能试验机技术性能对照，见下表
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序号 |
生产厂家
技术指标 |
金力公司
比例阀新产品 |
济 南
WAW—500 |
日本岛津
UDH |
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1 |
最大试验力 |
1000 kN |
500 kN |
1000 kN |
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2 |
试验力范围 |
0.4～100% FS |
分六档衰减50倍 |
分六档衰减50倍 |
|
试验力精度 |
±1% |
±1% |
±1% |
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3 |
变形精度 |
±0.5%FS |
±0.5%FS |
±0.5% FS |
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4 |
位移测量 |
光电编码器 |
差动变压器 |
光电编码器 |
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位移测量分辨率 |
0.002 mm |
0.05 mm |
0.05 mm |
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5 |
等速率位移控制范围 |
0.2～50mm/min |
0.5～50mm/min |
0.5～50mm/min |
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等速率位移控制精度 |
±2% |
±3% |
±5% |
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6 |
等速率负荷控制范围 |
0.001～2FS /min |
0.1～2FS /min |
0.1～2FS/min |
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等速率负荷控制精度 |
±1% |
±2% |
±5% |
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7 |
等速率应变控制范围 |
0.1～100%FS / min |
0.1～100%FS / min |
0.1～100%FS/ min |
|
等速率应变控制精度 |
±1% |
±2% |
±5% |
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8 |
恒速率控制 |
±1% |
±2% |
±5% |
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9 |
控制方式 |
比例阀组件
数字式控制 |
电液伺服阀
模拟式控制 |
电液伺服阀
模拟式控制 |
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10 |
油缸型式 |
柱塞油缸
或双向缸 |
双向缸 |
柱塞缸 |
四. 微机控制电液伺服万能试验机
我公司采用美国AD公司电子器件生产的微机控制电液伺服万能试验机，充分利用了小流量，宽调速范围的电液比例阀及模糊PID数字式脉冲调宽闭环控制系统，对电液比例阀的流量和方向进行调节。结合高精度高分辨率（1/200000）电子测量技术，实现液压万能试验机的高精度，宽范围多功能的电液伺服控制。
五. 主要技术指标
1. 最大试验力(kN): 100、200、500、1000、2000
2. 试验力测量范围: 0.4%～100% FS （连续全程测量）
3. 试验力测量误差: ≤±1%（精密型±0.5%）
4. 引伸计标矩: 25、50、100mm 量程: 0～5m或10～25mm
5. 变形测量范围: 2%～100% FS （连续全程测量）
6. 变形测量精度: ≤±0.5% FS
7. 位移等速率控制: 0.2～50mm/min
等速率控制精度: ±2% 设定值
8. 试验力等速率控制: 0.001～2 FS /min
等速率控制精度: ±1% 设定值
9. 变形等速率控制: 0.1%～100% FS /min
等速率控制精度: ±1% 设定值
10. 恒试验力、恒变形、恒位移控制精度: ±1% 设定值
六. 功能及特点
主要功能
1. 自动测量、控制、数据采集、处理、绘制曲线及打印曲线报告。打印主要内容：试验条件、原始参数、试验曲线（或局部放大曲线）、试验结果（E、σp、σs、Fp、Fb、σb 、d、ψ）等。
注：伸长率δ及断面收缩率ψ需测量断后伸长和直径输入计算机。
可绘制的曲线有：应力—应变曲线、力—伸长曲线、力—位移曲线
力—应变曲线、力—时间曲线、变形—时间曲线、位移—时间曲线
2. 测量系统具有自动调零、自动标定、连续全程测量不分档。
3. 可进行试验力、变形、位移等速率控制并保持。
4. 无级调速,各种控制方式可在试验过程中任意切换。
5. 曲线、数据存储及曲线放大，在试验过程中可切换显示七种试验曲线。
6. 可自行设置控制参数, 实现程序自动运行，可进行三角波、正弦波、方波等低周循环及各种组合波形试验。
7. 可进行试验室间微机联网。
8. 可通过联机帮助查看或打印软件说明、操作规程、注意事项等内容。
主要特点
1. 用一台计算机控制完成全部试验过程，操作均由键盘及鼠标来完成，并保留手阀加荷。
2. 测量、控制系统采用，计算机插卡式设计(即计算机总线设计)。
试验力、变形测量分辨率可达1/200000。位移测量分辨率可达0.002mm。
3. 试验软件采用VC++语言编程，可在Windows98、2000、NT操作系统下工作。
4. 采用先进的数字式电液比例阀作控制元件，抗污染能力强，可实现长期无故障运行。
5. 采用数字式脉冲调宽技术，实现了全数字式闭环伺服控制。
6. 完整的数据库软件接口供用户使用，软件升级只须通过邮寄光盘或E-mail传送即可。
7. 完善的软件自检功能，提示发生故障之处，无须厂家现场维修，只须更换计算机内相应的功能卡即可，维护简单方便。
8. 测量准确、功能齐全、可靠性高、操作简单、使用方便。是进行仲裁检验理想的先进检测设备。已达到现代国际先进技术水平。
9. 液压夹具夹持可靠，试样受力均匀，试验数据准确。
七. 结束语
电液伺服试验机分为动态电液伺服和静态电液伺服试验机两种，伺服阀更适合于动态试验机，而电液比例阀在静态试验机上有无可比拟的优越性。电液比例阀式电液伺服万能试验机及老产品技术改造自开始生产至今已有400多台，所有产品都正常工作，小至100kN大至15000kN微机控制电液伺服试验机压力试验机。20000kN、40000kN微机控制电液伺服卧式拉力试验机等。电液比例阀控制技术是目前国内外最新控制技术填补了试验机行业空白，将电液比例阀成功运用于静态电液伺服试验机，打破伺服阀在静态试验机上的垄断局面，使其具有更高可靠性、稳定性及技术先进性，为我国液压试验机发展开辟更为广阔的前景。将该项技术成功应用于普通液压式试验机技术改造，使老产品更新换代成为可能，使之达到与新的电液伺服试验机具有相同的技术水平，使用更为方便可靠。欢迎订购我公司产品，我们将以先进的高技术产品、优越的性能价格比回报广大用户。让用户买了放心，使用放心，使用上质量可靠、稳定性高、功能齐全、性能优良、操作简单、使用方便的一代高科技产品。
文献: 新编液压工程手册 北京理工大学出版社 一九九八年十二月出版 |
