CN105156376B - 闭式液压伺服加载***、液压装置以及加载设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种闭式液压伺服加载***、液压装置以及加载设备。该加载***包括：作动器、液压模组、传感模组以及控制模组，液压模组用于驱动作动器，其包括电机、双向油泵、液控单向阀以及油箱，双向油泵的一个油口通过第一油路与作动器的无杆腔连通，另一油口通过第二油路与作动器的有杆腔连通，液控单向阀的进油口与油箱相通，出油口接入第二油路，控制油口接入第一油路。本发明闭式液压伺服加载***不需要伺服阀、体积庞大的伺服油源，更不需要大量的液压油、液压阀件，成本大为降低；***的加、卸载过程完全由电机的转速和转向来控制，液控单向阀能够有效地实现加载补油与卸载泄油，***不存在流量和压力过剩，不存在溢流，发热量少。

Description

闭式液压伺服加载***、液压装置以及加载设备

技术领域

本发明涉及液压加载设备技术领域，尤其涉及一种闭式液压伺服加载***、液压装置以及加载设备。

背景技术

在试验机行业，为了分析试件（包括金属、非金属、土壤、岩石等）在接受外来载荷情况下应力、应变的变化情况，通常对试件有按力（应力）伺服加载和按变形（应变）伺服加载两种方式。根据加载的原理，又可分为下述的两种加载方法。

一种是电气伺服加载，它是利用伺服电机、减速器、滚珠丝杠、直线导轨等机构，将电机的旋转运动转换为直线运动，对试件加载（包括拉、压）。

第二种形式是利用油泵电机组，提供具有一定压力和一定流量的液压油，通过调节伺服阀开口，将压力油供给加载作动器（油缸），并将连接在加载作动器上的传感器变化的数据反馈给控制***，闭环智能控制试验***再对试件加载过程进行控制，因而获取试验的必要数据。这种形式，通常称为电液伺服加载***。

电液伺服加载***属于节流调速的范畴。供油方式采用的是开式油源：它需要油泵机组，需要价格高昂的伺服阀、溢流阀等其他若干液压阀，需要结构复杂的阀块，需要众多的液压辅件，需要冷却***,结构相对复杂，体积相对庞大，工作过程中油源始终保持设定的压力和油泵额定的流量。在针对不同的试验条件下，免不了溢流，存在压力、流量过剩的问题，因此造成了能耗过高、***发热量大的缺点，同时也增加了使用成本。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于要提供一种不存在压力、流量过剩、能耗低且发热量少的闭式液压伺服***。

本发明所要解决的技术问题，还在于要提供一种基于上述闭式液压伺服***的液压装置以及加载设备。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供了一种闭式液压伺服加载***，其包括：作动器，具有无杆腔、与所述无杆腔相对的有杆腔以及活塞杆；液压模组，用于驱动所述作动器，其包括电机、由所述电机驱动的双向油泵、液控单向阀以及油箱，所述双向油泵的一个油口通过第一油路与所述无杆腔连通，另一油口通过第二油路与所述有杆腔连通，所述液控单向阀的进油口与所述油箱相通，出油口接入所述第二油路，控制油口接入所述第一油路；传感模组，用于对所述作动器运动信号的采集与传递；控制模组，用于对所述传感模组的信号进行处理，并反馈控制所述液压模组。

作为上述技术方案的进一步改进，所述液压模组还包括一比例溢流阀，所述比例溢流阀的溢油口与所述油箱相通，输油口接入所述第一油路，控制口与所述控制模组电连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一油路设有单向节流阀，液压油从所述双向油泵流向无杆腔时经过所述单向节流阀的节流通道，反之流经所述单向节流阀的单向通道。

作为上述技术方案的进一步改进，所述传感模组包括负荷传感器，用于检测所述活塞杆处的负载，并将采集的信号反馈给所述控制模组。

作为上述技术方案的进一步改进，所述传感模组包括位移传感器，用于检测所述活塞杆的位置变化，并将采集的信号反馈至所述控制模组。

作为上述技术方案的进一步改进，所述控制模组包括伺服控制器，所述伺服控制器对所述电机进行转速调节进而控制液压油流量，对所述比例溢流阀进行溢流压力设定进而控制所述作动器的最大载荷。

作为上述技术方案的进一步改进，所述电机采用变频电机。

本发明提供了一种液压装置，其包括支座、电机、联轴器、双向油泵、油箱、阀板以及液压阀组，所述电机的输出轴通过联轴器与所述双向油泵相连，所述双向油泵置于所述油箱内，所述油箱下端具有用于给所述油箱新注或更换液压油的进排油口，所述阀板覆盖于所述油箱上方，其具有延伸至所述油箱内部的***泄油口和油泵进出油口，所述液压阀组安装于所述阀板上。

作为上述技术方案的进一步改进，所述液压阀组包括比例溢流阀、单向节流阀以及液控单向阀。

本发明还提供了一种加载设备，其包括作动器、传感模组、控制模组以及如上所述的液压装置，所述作动器具有有杆腔和无杆腔，所述阀板还设有两个分别连接所述有杆腔和无杆腔的接口。

本发明的有益效果是：

本发明闭式液压伺服加载***不需要价格高昂的伺服阀，但同样可以伺服加载，而且不需要体积庞大的伺服油源，更不需要大流量的液压油、众多的液压阀件、液压辅件，成本大为降低；***的加、卸载过程完全由电机的转速和转向来控制，液控单向阀能够有效地实现加载补油与卸载泄油，***不存在流量和压力过剩，不存在溢流，发热量少。

本发明液压装置和加载设备采用的液压阀少且整体结构紧凑，油箱小而且利用率高，工作可靠、成本低廉。

附图说明

图1是本发明闭式液压伺服加载***的原理示意图；

图2是本发明液压装置的结构示意图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。另外，专利中涉及到的所有联接/连接关系，并非单指构件直接相接，而是指可根据具体实施情况，通过添加或减少联接辅件，来组成更优的联接结构。本发明中的各个技术特征，在不互相矛盾冲突的前提下可以交互组合。

图1示出了本发明闭式液压伺服加载***的原理示意图。如图1所示，本发明闭式液压伺服加载***包括作动器110、液压模组120、传感模组130以及控制模组140。

作动器110具有无杆腔111、与所述无杆腔111相对的有杆腔112以及活塞杆113。

液压模组120用于驱动所述作动器110，其包括电机121、由所述电机121驱动的双向油泵122、液控单向阀123、油箱124、比例溢流阀127以及单向节流阀128。

所述双向油泵122的第一油口122a通过第一油路125与所述无杆腔111连通，第二油口122b通过第二油路126与所述有杆腔112连通，双向油泵122采用齿轮油泵，因为齿轮油泵具有可逆性，正反转都可以实现输出液压油。

电机121采用变频电机，可轻易实现正、反转，可在大幅度范围内变速，控制简便、可靠，而且价格相对低廉，变频电机与双向油泵122采用鼓形齿轮联轴器连接，以补偿加工和装配带来的偏移或偏转。

液控单向阀123的进油口123a与所述油箱124相通，出油口123b接入所述第二油路126，控制油口123c接入所述第一油路125。作动器110加载时，***油路需要补油，液控单向阀123打开其从进油口123a至出油口123b的方向上的油路，液压油从油箱124补入***油路中；作动器110卸载时，***油路需要泄油，液控单向阀123打开其从出油口123b至进油口123a方向上的油路，液压油从***油路泄入油箱124中。

比例溢流阀127的溢油口127a与所述油箱124相通，输油口127b接入所述第一油路125，控制口127c与所述控制模组140电连接。具体地，比例溢流阀127接在双向油泵122的第一油口122a处，不管是对无杆腔111还是对有杆腔112加载，压力均由它来控制，***确定目标载荷之后，控制模组140就给予比例电磁溢流阀2相应的工作电流，且该工作电流能够灵活地设置和调节。

液压油从所述双向油泵122流向无杆腔111时经过所述单向节流阀128的节流通道128a，反之流经所述单向节流阀128的单向通道128b，使节流调速范围成几何级级数增加，大大扩展了调速范围，特别适应低速加载要求。单向节流阀128有两个功能实现的过程，一是无杆腔111加载时通过手动调节节流通道128a的开口，可以改变作动器110的加载速度，同时电机121改变转速也可以改变加载速度，两级调速扩大了加载调速范围，能够进行更大范围的试验；二是卸载时，节流通道128a不起作用，单向通道128b能够令液压油顺畅的回流。

传感模组130用于对所述作动器110运动信号的采集与传递，其包括负荷传感器131和位移传感器132。所述负荷传感器131用于检测所述活塞杆113处的负载，并将采集的信号反馈给所述控制模组140；所述位移传感器132用于检测所述活塞杆113的位置变化，并将采集的信号也反馈至所述控制模组140。

控制模组140用于对所述传感模组130的信号进行处理，并反馈控制所述液压模组120，其包括伺服控制器141，所述伺服控制器141通过第一控制线路142对所述电机121进行转速调节进而控制液压油流量，通过第二控制线路143对所述比例溢流阀127进行溢流压力设定进而控制所述作动器110的最大载荷。

本发明闭式液压伺服加载***的工作包括加载和卸载两个过程。

加载时，电机121正向旋转，将作动器110有杆腔112的油抽出，经双向油泵122加压后，输出的液压油再经单向节流阀128中的节流通道128a，流入作动器110的无杆腔111，实现对试件的加载（此处为压缩，拉伸相反）。如果作动器110是双杆双伸对称的油缸，那么作动器110上下腔面积相等，则不存在补油和泄油的问题，但在大多数情况下，作动器110上下两腔并不对称，存在面积比（或速度比），如本实施例的加载过程中，作动器110有杆腔112的液压油不足以填满无杆腔111的空间，在负压的作用下，液控单向阀123从进油口123a至出油口123b的方向上的油路被打开，实现双向油泵122从油箱124吸油对无杆腔111进行供油，作动器110加载的最高压力，由比例溢流阀127所限定。

卸载时，电机121反向旋转，将作动器110无杆腔111的液压油抽出，经单向节流阀128中的单向通道128b顺利流入双向油泵122，液压油流回作动器110的有杆腔112，由于无杆腔111和有杆腔112的面积不等，存在无杆腔111的液压油过剩，但随着有杆腔112的液压油不断增加，因而产生了一定压力，这个压力也传递给无杆腔111，当达到液控单向阀123的开启压力（一般开启压力在0.2～2.5bar之间）时，液控单向阀123从出油口123b至进油口123a方向上的油路被打开，实现***油路的泄油。

在上述的整个加载与卸载过程中，双向油泵122通过液控单向阀123吸入的油量与通过液控单向阀123泄出的油量完全相等，油量体积即为作动器110的有杆腔112和无杆腔111的容积之差。比起常规的开式液压油源所需的液压油少了许多，而且应用于油路的阀件、阀块、辅件也少，油箱的体积大为减小，同时没有价格高昂的伺服阀，节约了大量的成本。

本发明的伺服控制包括力控伺服和位控伺服，分别由负荷传感器131和位移传感器132配合完成。

如果是力控伺服，假定力加载速率为2KN/s（由设置确定），负荷传感器131实时检测负载的变化，反馈给伺服控制器141，并计算出实际加载速率与设定加载速率的偏差，通过伺服控制器141运算调节，发出一个新的控制量指令，将改变电机121的转速，改变供油速率，实现压力和流量的平衡，以满足力伺服加载速率的要求。当试验要求作动器110持续保持预定载荷时，目标值一旦到达，伺服控制器141运算调节，会发出一个新的指令，使电机121立马停止或正、反悠转，至此作动器110保持预定载荷。

如果是位控伺服，假定位移的速率为0.001mm/s（由设置确定），位移传感器132实时检测位置的变化，反馈给伺服控制器141，并计算出实际加载速率与设定加载速率的偏差，通过伺服控制器141运算调节，发出一个新的控制量指令，将改变电机121的转速，改变供油速率，实现流量和位移速度的平衡，以满足位置伺服加载速率的要求。同样地，当试验要求作动器110持续保持预定位置时，目标值一旦到达，伺服控制器141运算调节，会发出一个新的指令，使电机121立马停止或正、反悠转，直至作动器110保持预定位置。

无论以何种方式控制加载，均是一个不断采集、A/D转换、计算偏差、PID智能调节、D/A转换，连续循环的过程，目的就是使实际运动与设置目标误差最小。

从上面可以看出：这种传动形式，加、卸载过程完全由变频电机的转速和转向来控制，把节流调速变成了改变成容积调速；压力则由比例溢流阀自动设定，***不存在流量和压力过剩，不存在溢流，因此发热很少。该***适用于对试件（拉、压）全方位伺服加载，同时，由于它可以稳定持荷，稳定位置，因而提供了对试件进行蠕变和应力松弛试验的可能，扩展了试验使用的范围

图2示出了本发明液压装置的结构示意图。如图2所示，本发明液压装置包括支座210、电机220、联轴器230、双向油泵240、油箱250、阀板260以及液压阀组270，所述电机220的输出轴通过联轴器230与所述双向油泵240相连，所述双向油泵240置于所述油箱250内，所述油箱250下端具有用于给所述油箱250新注或更换液压油的进排油口251，所述阀板260覆盖于所述油箱250上方，其具有延伸至所述油箱250内部的***泄油口261和油泵进出油口262，所述液压阀组270安装于所述阀板260上。液压阀组270包括比例溢流阀、单向节流阀以及液控单向阀，所有的液压阀按照图1所示的液压原理图安装于阀板260上，整体的结构十分紧凑、精致。

本发明加载设备包括作动器、传感模组、控制模组以及如上所述的液压装置，所述作动器具有有杆腔和无杆腔，所述阀板还设有两个分别连接所述有杆腔和无杆腔的接口，也就是说，阀板共5个接口，其中两个接口连接双向油泵的进出油口；一个接口***油箱的液压油内，用于***的补油和泄油；还有两个接口分别连接加载作动器的无杆腔和有杆腔。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种闭式液压伺服加载***，其特征在于，包括：

作动器，具有无杆腔、与所述无杆腔相对的有杆腔以及活塞杆；

液压模组，用于驱动所述作动器，其包括电机、由所述电机驱动的双向油泵、液控单向阀以及油箱，所述双向油泵的一个油口通过第一油路与所述无杆腔连通，另一油口通过第二油路与所述有杆腔连通，所述双向油泵与所述无杆腔之间还连接有单向节流阀，所述液控单向阀的进油口与所述油箱相通，出油口接入所述第二油路，控制油口接入所述第一油路；

传感模组，用于对所述作动器运动信号的采集与传递；

控制模组，用于对所述传感模组的信号进行处理，并反馈控制所述液压模组。

2.如权利要求1所述的闭式液压伺服加载***，其特征在于：所述液压模组还包括一比例溢流阀，所述比例溢流阀的溢油口与所述油箱相通，输油口接入所述第一油路，控制口与所述控制模组电连接。

3.如权利要求1所述的闭式液压伺服加载***，其特征在于：所述第一油路设有单向节流阀，液压油从所述双向油泵流向无杆腔时经过所述单向节流阀的节流通道，反之流经所述单向节流阀的单向通道。

4.如权利要求1所述的闭式液压伺服加载***，其特征在于：所述传感模组包括负荷传感器，用于检测所述活塞杆处的负载，并将采集的信号反馈给所述控制模组。

5.如权利要求1所述的闭式液压伺服加载***，其特征在于：所述传感模组包括位移传感器，用于检测所述活塞杆的位置变化，并将采集的信号反馈至所述控制模组。

6.如权利要求2所述的闭式液压伺服加载***，其特征在于：所述控制模组包括伺服控制器，所述伺服控制器对所述电机进行转速调节进而控制液压油流量，对所述比例溢流阀进行溢流压力设定进而控制所述作动器的最大载荷。

7.如权利要求1所述的闭式液压伺服加载***，其特征在于：所述电机采用变频电机。

8.一种液压装置，其特征在于：包括支座、电机、联轴器、双向油泵、油箱、阀板以及液压阀组，所述电机的输出轴通过联轴器与所述双向油泵相连，所述双向油泵上连接有单向节流阀，所述双向油泵置于所述油箱内，所述油箱下端具有用于给所述油箱新注或更换液压油的进排油口，所述阀板覆盖于所述油箱上方，其具有延伸至所述油箱内部的***泄油口和油泵进出油口，所述液压阀组安装于所述阀板上，所述液压阀组包括比例溢流阀、单向节流阀以及液控单向阀，所述液控单向阀一端与所述双向油泵相通，所述双向油泵与所述单向节流阀连接，所述液控单向阀的另一端与所述油箱相通，所述油箱与所述比例溢流阀相通，所述比例溢流阀还与双向油泵的进油口连接。

9.一种加载设备，其特征在于：包括作动器、传感模组、控制模组以及如权利要求8所述的液压装置，所述作动器具有有杆腔和无杆腔，所述阀板还设有两个分别连接所述有杆腔和无杆腔的接口。