機械式動態加載控制技術及應用

摘要：文章闡述了機械式動態加載技術以及機械式作動器的發展現狀，提出了機械式動態加載控制技術的基本方案和結構方案，論述了無級調幅控制系統、作動器動態加載控制系統的功能，對機械式動態加載時有關節能及能量回饋裝置的應用，如異步電動機節能技術的應用、飛輪節能技術的應用、能量回饋裝置的應用進行了敘述。

關鍵詞：動態加載;節能;作動器

0 ?引言

為了推動我國機械式動態加載控制技術的發展，就需要不斷地對機械式動態加載控制技術進行研究，使其更加的完善。疲勞試驗是檢測產品質量的關鍵環節，通過進行大量的疲勞試驗，可以為產品提供保障、提高它的穩定性。然而現階段最為常見、使用頻率最高的加載方法是電液伺服技術。該技術耗能嚴重，多以大功率輸出為主，提高了產品試驗的成本。因此，需要找到合適的節能技術，以降低產品試驗的成品。本文通過對機械式動態加載技術進行設計，以尋找機械式動態加載時有關節能的方法，使能量回饋裝置得到更為廣泛的應用。

1 ?機械式動態加載控制技術的發展現狀

1.1 動態加載測量裝置及控制技術的發展現狀

隨著航空工業和高速動力工業的飛速發展，各種各樣的動態疲勞試驗機開始發展起來。當前階段，電液伺服式動態疲勞試驗機的使用較為廣泛，因為電液伺服式動態疲勞試驗機能夠滿足載荷輸出大、振幅范圍廣的要求。德國、日本等公司自主研發的動態疲勞試驗機都可以編寫程序，通過可視化界面完成操作，實現設置、輸出等控制功能。我國的動態加載測量裝置及控制技術發展至今已有六十年，雖然相比國外起步較晚，但是我國的試驗機行業已經從早期的借鑒，轉變為自主研發，實現了從靜態疲勞試驗機到動態疲勞試驗機的轉化。以電液伺服式動態疲勞試驗機為例，上世紀70年代，我國自主研發了多款電液伺服式動態疲勞試驗機，電液伺服式動態疲勞試驗機一經推出，獲得了大量好評，并在全國范圍內得到了推廣使用。

在控制系統方面，全面數字化是研發控制系統的目標，當前階段，國外的一些公司已經實現了全面數字化。不過近年來，我國在相關技術的研究上也取得了突破性的進展，數字化程度得到了提升，這使得微機控制電液伺服式動態疲勞機變得越來越容易。雖然我國在相關領域投入了大量的精力，行業水平也實現了躍升，但是與發達國家相比，仍然存在一定的差距。因此，我國的動態疲勞試驗機行業要想獲得更好地發展，就需要穩中求變，大力創新，不斷地實現技術突破，使動態疲勞試驗機向智能化、自動化程度更高的方向發展，進一步推動我國疲勞試驗領域的發展。

1.2 機械式作動器應用現狀

對于試驗機領域來說，作動器是非常重要的部件，因為所有的動靜態加載技術裝置，都需要用到作動器，它是疲勞試驗機的重要組成部分。作動器種類繁多，在疲勞試驗機領域，機械式作動器是使用頻率最高的作動器。機械式作動器，主要是通過機械傳動的方式來進行工作的，因為施加載荷方法的不同，傳統的機械式作動器無法滿足疲勞試驗機的使用要求，相比疲勞試驗機來說，傳統的機械式作動器更適合彈簧試驗機等低頻的小載荷動態加載設備。現階段，應用較為廣泛的加載方法中，曲柄連桿（滑塊）機構和曲柄搖桿機構更適合用于疲勞試驗機，因為曲柄連桿（滑塊）機構和曲柄搖桿機構不僅維護成本低，性價比高，而且更適合設計加載振幅的作動器裝置，這些優點使得曲柄連桿（滑塊）機構和曲柄搖桿機構獲得了廣泛的應用。

2 ?機械式動態加載控制技術方案及應用

2.1 機械式動態加載控制技術方案

作動器是動態加載力的載體，機械式作動器根據產生力的方式，可以分為以下三種：不平衡旋轉質量旋轉慣性激振器、凸輪或連桿直接驅動激振器、偏心軸通過連桿壓縮激振器。雖然這三種機械式作動器產生加載力的方式有所不同，但這三種機械式作動器的動力源都是電力。通過柱塞對連桿施加壓力，就可以帶動曲軸運動，也就是對電氣設備的輸出進行控制，然后根據其反饋狀態，設計出最合適的飛輪，從而完成振幅、頻率的測控工作。

在以往的機械式動態加載控制技術結構設計中，一般不會去調整曲柄的偏心距，這就帶來了一個問題，滑塊需要通過多次滑動才能完成行程。因此，為了解決滑塊直線往復的頻率問題，就需要改變曲柄的偏心距。這一工作主要由伺服電機來完成，通過伺服電機改變它的偏心距，同時通過異步電機的運行使曲柄轉動，這樣一來就解決了滑塊直線往復的頻率問題，使試件更好地滿足動態加載疲勞試驗的要求。

2.2 控制系統功能要求及結構分析

在對控制系統進行設計時，首先需要遵循一定的設計原則。對于控制系統而言，系統硬件質量是必須要保證的，因為控制系統對硬件的要求較高。除此之外，還需要提高控制系統的性價比，在不影響功能的前提下降低成本。最后，還需要對控制系統的功耗、調幅精度進行嚴格的控制。

以疲勞試驗機為應用對象的控制系統主要分為兩部分，第一部分是無極調幅控制系統，另一部分是作動器加載控制系統。無極調幅系統的工作原理是，當輸送伺服電機指令后，對曲柄的偏心距進行調節，從而在不同的振幅下，使作動器對試件進行試驗。而作動器加載控制系統則是，在輸送主動力電機指令后，使作動器在不同的頻率下都能對試件進行試驗。

除了需要對控制系統的功能要求及結構進行分析外，還需要對硬件進行選擇，這一部分主要包括：中央測控器的結構類型的選擇、運動控制卡的選型、伺服系統的選型、傳感器的選型、油泵的選型、作動器主動力源的的系統選型等。只有選擇了相適應的硬件，才能更好地完成硬件系統的搭建，提高控制系統的性能和穩定性。

3 ?機械式動態加載時有關節能及能量回饋裝置的應用

3.1 異步電動機節能技術的應用

在進行交變加載試驗時，負載轉矩在半個周期中其數值為負數時，試件對作動器做正功，當負載轉矩的數值為正數時，作動器對試件做正功。因此，從理論上來講，總功應為0，只存在機械摩擦的損耗和電機的工作效率，這樣就可以得出消耗能量的理論值。在此基礎上，對系統的工作效率進行預設，還可以得出系統周期消耗能量、驅動電機扭矩。當無法對做功的能量進行回收利用時，就可以通過變頻調速技術，使轉矩隨負載進行相應的變化，與此同時，電流也會發生一定的變化，從而實現節約能源的目標，減少消耗。

3.2 飛輪節能技術的應用

飛輪儲存能量的大小與飛輪的轉動慣量以及角速度平方成正比，活塞的上下止點一般是通過飛輪的慣量來克服的，除此之外，在汽車的行駛過程中所產生的瞬間大阻力也可以通過飛輪的慣量來克服。因此，對于機械式動態加載來說，將交變載荷施加給試件，就可以通過使用飛輪，來進行能量的儲存，從而降低能耗，以彌補異步電動機轉矩不足等問題，克服轉矩、穩定頻率。

當對飛輪的轉動慣量進行設計時，首先需要對其所做的功進行計算，設定平均角速度，從而得出飛輪的轉動慣量，然后就可以根據電動機和飛輪慣量的克服負載，獲知電動機需要的功率以及消耗的功率，得到飛輪技術比電液伺服技術節能百分比，由此就看出節能效果的好壞取決于飛輪是否合適。對疲勞試驗機來講，可以選擇大小相同的飛輪，然后分別進行安裝，取飛輪轉動慣量的平均值，再根據實際情況，就可以設計出理想的飛輪。

3.3 能量回饋裝置的應用

現階段，雖然有很多成功應用的能量回饋裝置和技術，但是在這些能量回饋技術中，能夠改善電源容量不足的技術比較少。目前能夠解決電源容量不足的技術主要有電子飛輪儲能技術和超級電容。超級電容器作為一種大容量儲能元件，經過長期的發展，現如今該技術非常成熟，具有可觀的性能指標。超級電容不僅儲電能力強，而且不需要經常進行維修保養。它的工作原理是通過整流電路輸送電流。與此同時，對電容進行充電，然后電流又對逆變回路進行輸送，以克服負載。在作動器動態加載的過程中，只要電容量處在一個合理的范圍內，就可以完全回收再生能量，從而幫助作動器完成負載克服的工作。

4 ?結論

總之，為了推動我國疲勞試驗領域的發展，就需要對疲勞試驗機的結構、工作原理、加載方法等進行研究，在對疲勞試驗機的控制系統，即無極調幅控制系統和作動器加載控制系統有一個較為深入的理解之后，就可以通過建立數學模型，對其進行運算和分析，以找到最合適的節能技術，盡可能地降低疲勞試驗的成本，減少機械零件在試驗過程中的能量損耗，這對我國推行工業可持續發展具有非常重要的意義。只有這樣，才能真正推動我國工業領域實現突破，平衡好經濟效益與生態效益之間的關系。

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作者簡介：韓亮亮（1984-），女，江蘇連云港人，助理工程師，本科，研究方向為機械電子工程。