CN108035944B - 一种变频液压控制加载系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变频高精度超高液压控制加载系统及方法，包括三路结构相同的油路，每一油路在三轴加载装置中对应控制一个加载方向，每个油路均包括控制系统、检测系统和液压加载系统，检测系统包括油压压力传感器以及载荷压力传感器，油压压力传感器检测对应油路油压和油缸内油压，载荷压力传感器设置于油缸活塞与加载垫块之间，实时检测油缸作用在试件上的荷载；液压加载系统，包括通过油管连接的油池、柱塞泵、油泵以及步进溢流阀，形成闭合回路，完成油路压力超高压加载和卸载；控制系统获取液压系统的实时油压与荷载，利用步进溢流阀和变频机构来控制加卸载荷载和加卸载速率，实现精确控制。

Description

一种变频液压控制加载系统及方法

技术领域

本发明涉及一种变频液压控制加载系统及方法。

背景技术

通过地质力学模型试验或室内试验研究岩土体的力学性质是岩土工程专业中非常重要的研究手段，例如研究岩土体单轴抗压强度的单轴压缩试验以及在初始地应力场中开挖地下洞室研究其稳定性的大型地质力学模型试验等。在这些试验中，对岩土体模型施加一定的荷载模拟岩土体的受力状态是非常重要的环节，这一过程通常是利用液压控制系统推动油缸活塞加载板对模型表面施加作用力来实现的。因此，液压控制系统的性能对试验的实施与结果有着决定性的影响。

在实际应用中，许多试验要求液压控制系统能够提供高压高精度的控制，针对于高压高精度的液压控制系统的开发也刻不容缓。目前国内使用的液压控制系统通常是利用比例溢流阀和减压阀来起到调压和控压的作用，但比例溢流阀和减压阀只适用于在低压情况(≤31.5MPa)下，要实现超高压加载，只能通过增压器实现，这使得液压控制系统存在三个缺点：

1、增压器放大倍数一般在5-8倍，并且同一台增压器的放大倍数并不是一个精确的确定值，它是一个模糊的增压范围，这就造成了液压系统输出的最大压力不是确定值，液压控制系统在实现高压的情况下也带有了一定的不确定性；

2、目前增压器的减压只能通过两级或三级单向阀减压实现，由于增压器的此种特点，造成了增压器增压精度差和减压时阶梯形减压，无法做到平滑减压；

3、目前市场上的增压器价格居高不下，使得采用增压器实现高压输出的液压控制系统成本较高，性价比低。另外，现有比例溢流阀和增压器对运行环境要求苛刻，对液压油的干净度和温度要求都很高，这种对环境的敏感性也限制了液压控制系统的精度、使用场所以及使用寿命，因而需要在使用过程中精心保养维护。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种变频高精度超高液压控制加载系统及方法，本发明能够实现油路压力超高压加载、高精度控制。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种变频高精度超高液压控制加载系统，包括三路结构相同的油路，每一油路在三轴加载装置中对应控制一个加载方向，每个油路均包括控制系统、检测系统和液压加载系统，其中：

所述检测系统包括油压压力传感器以及载荷压力传感器，所述油压压力传感器检测对应油路油压和油缸内油压，载荷压力传感器设置于油缸活塞与加载垫块之间，实时检测油缸作用在试件上的荷载；

所述液压加载系统，包括通过油管连接的油池、柱塞泵、油泵以及步进溢流阀，形成闭合回路，完成油路压力超高压加载和卸载；

所述控制系统，获取液压系统的实时油压与荷载，接收输入的设定压力，将采集到的数据和输入的数据转化为输出信号分别发送到步进溢流阀和变频机构来控制加卸载荷载和加卸载速率。进一步的，所述液压加载系统包括步进溢流阀、变频机构、油池、过滤器、油管、三位四通电磁换向阀、电磁球阀和加载油缸，所述油池存储系统加载需要的液压油，所述过滤器设在柱塞泵与油池之间，用于柱塞泵吸油时过滤净化液压油中的杂质，所述油管连接油池、柱塞泵、油泵以及步进溢流阀，并且形成闭合回路，顺利完成油压的加载和卸载，所述三位四通电磁换向阀是液压系统控制加卸载方向的转换元件，利用两端电磁铁的吸力来实现阀芯的运动，从而改变油路的通断，进而实现执行元件的换向，电磁球阀实现油路通断的电磁换向阀，在液压系统中起到保压阀的作用，变频机构改变柱塞在缸体内做直线往复运动的频率，控制油路压力变化速率。

进一步的，所述变频机构包括变频器、变频电机、凸轮、柱塞泵和单向阀，变频器与变频电机联合使用，变频电机的转轴穿过凸轮带动凸轮旋转，柱塞泵的柱塞与凸轮相接，柱塞泵的进油口和出油口连接有两个单向阀，两个单向阀分别通过油管连接到油池和加载系统的油缸。

进一步的，凸轮旋转时，柱塞在凸轮和缸体内弹簧作用下会沿缸体做向上或向下的直线往复运动，当凸轮转过凸起点后，柱塞在弹簧作用下在缸体内向上运动，缸体内形成真空，此时与油池相通的单向阀打开，液压油由油池流入柱塞泵内，完成进油过程；当柱塞在缸体内向下运动时，柱塞挤压缸体内的液压油产生高压，此时与油缸相通的单向阀打开，液压油流向油缸，完成加载。

所述变频器和变频电机联合使用，变频器受到控制系统的控制，根据系统指令改变电机工作电源的电压和频率，起到对变频电机无极调速的功能，调节变频电机转动的速率和加速度，进而使所述柱塞泵供给液压站的流量在最小流量和最大量之间无极调节。

作为一种优选实施方式，单向阀为控制液体单向流动的阀体，在每个柱塞泵上有两个，分别连接在柱塞泵的进油口和出油口。在进油口的单向阀控制液压油只能在柱塞泵内油压低于油池油压时由油池流入到柱塞泵内，当柱塞泵内油压高于油池内油压时，液压油不会流入到油池内；在出油口处的单向阀控制液压油只能在柱塞泵内油压高于加载系统内油压时由柱塞泵流向加载系统，当柱塞泵内油压低于加载系统内油压时，液压油不会从加载系统流回到柱塞泵内。

作为一种优选实施方式，所述凸轮为具有曲线轮廓例如不规则椭圆曲线轮廓的构件，与所述柱塞泵的柱塞紧密相贴；凸轮跟随变频电机的转轴旋转，此旋转为偏心旋转或类似于偏心旋转，当凸轮由偏心旋转的最低点向最高点转动时，会推动柱塞在柱塞泵缸体内向下运动，泵内油压升高，此时与加载系统联通的单向阀打开，与油池联通的单向阀关闭，液压油由缸体内流向加载系统，完成供油；当凸轮由偏心旋转的最高点向最低点转动时，凸轮作用在柱塞上的力逐渐变小，柱塞泵缸体内的弹簧会推动柱塞在缸体内向上运动，柱塞泵内形成负压，与油池联通的单向阀打开，与加载系统联通的单向阀关闭，液压油由油池流向柱塞泵缸体内，完成吸油。

作为一种优选实施方式，所述柱塞泵为往复式柱塞泵，由缸体、柱塞、柱塞杆、弹簧、吸入阀以及排出阀构成，柱塞杆一端与凸轮紧密相贴，另一端为柱塞，柱塞与缸体贴合，在缸体底部与柱塞之间设有弹簧，当柱塞在缸体内做往复运动时，即完成供油和吸油过程；当凸轮由低点向高点转动时，凸轮会推动柱塞杆沿缸体向上运动，同时挤压缸体内的弹簧变形，使弹簧积蓄弹性变形能，当凸轮由高点向低点转动时，凸轮作用在柱塞杆上的力逐渐减小，弹簧就会推动柱塞沿缸体向下运动。

所述三位四通电磁换向阀是液压系统控制加卸载方向的转换元件，它利用两端电磁铁的吸力来实现阀芯的运动，从而改变油路的通断，进而实现执行元件的换向，三位四通电磁换向阀共有四个接口，在工作中，随着阀芯的移动换向阀有三个工作位。

三位四通电磁换向阀四个接口为P、T、A、B，P为进油口，与柱塞泵相连，T为出油口，与油池直接连接，A、B为工作口，与加载油缸相连。

三位四通电磁换向阀三个工作位分别为左位、中位和右位；三个不同工作位控制换向阀四个接口以不同组合方式两两联通：当换向阀处于左位时，工作口A与进油口P连接，工作口B与出油口T连接，此时当P口进油时，油压会推动油缸活塞进程；当换向阀处于中位时，进油口P与出油口T连接，此时油路油压直接返回到油箱内，油缸处于静止状态；当换向阀处于右位时，工作口B与进油口P连接，工作口A与出油口T连接，此时当P口进油时，油压会推动油缸活塞回程。

电磁球阀为一种以电磁铁的推力为驱动力推动钢球来实现油路通断的电磁换向阀，在液压系统中起到保压阀的作用。当油压传感器检测到油缸内油压达到设定值时，PLC控制系统会控制电磁球阀关闭油路，使油缸内油压保持在设定值不变。当油压传感器检测到油缸内油压与设定值不相同时，PLC控制系统将驱动变频电机进行供油，使得油路压力再次上升，直至油路油压与缸体内的实时油压平衡时，PLC控制系统将控制电磁球阀打开油路，液压油便进入油缸内使得油压继续上升到用户设定值，此时电磁球阀将再次关闭，如此循环下去，从而实现对系统油压的保压功能。

所述加载油缸为双作用液压缸，双作用是指在活塞的两侧均有接口可输入有压液压油，无杆腔一侧的接口与三位四通电磁换向阀的工作口A相连，有杆腔一侧的接口与三位四通电磁换向阀的工作口B连接。当有压油从有杆腔一侧注入时，油压会推动活塞杆回程，当有压油从无杆腔一侧注入时，油压会推动活塞杆进程。

进一步的，所述控制系统包括开关、PLC控制机构、人机交互界面和紧急制动装置，开关控制整个液压加载系统的启动和停止，当液压控制系统开关开启时，PLC控制系统自动扫描载荷传感器和油路压力传感器，获取液压系统的实时油压与荷载，将采集到的数据和输入的设定压力进行处理，转化为输出信号分别发送到步进溢流阀和变频机构来控制加卸载荷载和加卸载速率，紧急制动装置用于紧急控制。

更进一步的，所述PLC控制机构的核心为PLC控制器，PLC控制器包括中央处理单元(CPU)、存储器、电源、程序输入装置和输入输出回路，中央处理单元(CPU)是PLC控制器的控制中枢，它按照PLC控制器系统程序赋予的功能接收从编程器键入的程序和数据，检查电源、存储器，并能诊断程序中的语法错误。当PLC控制器投入运行时，首先它以扫描的方式接收检测系统检测到的各传感器实时状态和数据并存储，然后从程序存储器中逐条读取事先编好的程序，经过命令解释后按指令的规定对扫描得到的数据和用户输入的数据执行逻辑或算数运算，当所有的程序执行完毕之后，将得到的输出状态或输出数据存储并传送到步进溢流阀和变频机构，如此循环运行，直到停止。

所述存储器用于存储各种程序和PLC系统操作所需的各种数据，可分为存放系统软件的系统程序存储器和存放应用软件的用户程序存储器。所述电源直接与交流电相连，为PLC控制系统提供工作能源。

所述程序输入装置用于操作者向PLC控制系统输入、修改用户自编写程序和逻辑算法。

所述输入输出回路用于接收传递外部输入元件信号和负责接收外部输出元件信号。

所述人机交互界面是用户与液压系统之间进行各种加载、卸载操作的双向信息交换的平台，通过人机交互界面向PLC控制系统传达各种命令，PLC控制系统将各种命令以电子信号的形式传送到步进溢流阀和变频机构，从而实现了对液压系统的加卸载控制；同时，PLC控制系统通过扫描载荷传感器和油路压力传感器，获取液压系统的实时状态，并将这些信息反馈呈现在人机交互界面上，便于用户和系统实时控制试验进程。

人机交互界面的操作模式具体包括手动模式、压力自动模式以及载荷自动模式，在对应的模式下将实时荷载、油路油压、用户设定油压呈现在该界面上。

所述手动模式是指用户通过手动设置来独立或同时开启、关闭系统三个油路的调压、进程、回程和卸压等过程以及调节油泵频率。调压过程是通过手动输入油路设定压力来调节各油路的初始油压，使得加载时的初始荷载为初始目标荷载；进程过程为控制油缸内活塞进程使得加载面与试件表面贴合；回程过程为控制油缸内活塞回程使得加载面离开试件表面；卸压过程为快速卸载油路内油压。

所述压力自动模式是指在该模式下用户只需输入目标压力值，系统便会自动开启加载模式，直到油路内油压达到目标压力后停止加载。所述压力是指油路内油压。

所述荷载自动模式是指在该模式下用户只需输入目标荷载值，系统便会自动开启加载模式，直到施加在试件表面的荷载达到目标荷载后停止加载。所述荷载是指油缸加载面施加在试件表面的荷载。

同时，人机交互界面可记录并显示试验时各油路压力随时间变化的实时曲线。

所述人机交互界面包含试验开始前需要对系统输入的必要参数，包括各油缸面积以及调压参数，系统通过油缸面积可以将油路压力与目标荷载值对应起来(目标荷载＝油路压力*油缸面积)；在调压参数部分，输入手动调压速度、自动最小速度、自动最大速度以及调速拐点压力值以调节加载过程。

进一步的，所述检测系统包括油压压力传感器以及载荷压力传感器，所述油压压力传感器共有两个，分为第一油压压力传感器和第二油压压力传感器，第一油压压力传感器可实时检测油路油压，第二油压压力传感器可实时检测油缸内油压，检测到的油压会实时反馈到PLC控制系统，PLC控制系统在接到反馈信号后即会根据程序控制加载，所述载荷压力传感器每个油路共一个，安装在油缸活塞与加载垫块之间，在试验加载时可实时检测油缸作用在试件上的荷载，并将检测到的荷载传递给PLC控制系统。

本发明的工作过程为在加载前，向控制系统输入调速拐点压力值，自动最大速度，自动最小速度，开始试验后，控制系统会扫描当前油路压力，记做初始油路压力，并与用户输入的目标值进行比较，当初始油路压力与目标值之差的绝对值大于调速拐点压力值时，控制系统会以自动最大速度来启动变频电机，对系统进行快速供油，同时向步进驱动器发送高频率信号，快速提高系统的溢流压力，使油路压力按照设定的最大速率向目标值靠近，在这期间，控制系统始终保持对检测系统各油压、载荷传感器的实时扫描，实时更新当前油路压力及载荷；当控制系统检测到实时油压与目标值之间差的绝对值小于等于调速拐点压力值时，控制系统会立刻改变加载速率，以自动最小速度来驱动变频电机，减小系统供油量，同时向步进驱动器发送低频率信号，降低溢流压力的上升速率，使油路压力逐渐达到目标值；加载期间，控制系统实时监控油路油压和载荷，当油压传感器检测到系统压力与目标压力之差的绝对值小于等于设定值，如0.01MPa时，即认为当前油路压力对应的荷载值达到目标荷载。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明可实现油路压力超高压加载,油路压力最大可达60MPa。传统液压控制系统通常是利用比例溢流阀和减压阀来起到调压和控压的作用，但比例溢流阀和减压阀只适用于低压情况(≤31.5MPa)下；本发明采用了步进溢流阀对油路进行调压、控压，溢流阀内的阀芯通过丝杆、丝杠与步进电机转轴相连，步进电机转动带动丝杆同时旋转，丝杠将丝杆的螺旋运动转化为微直线运动，使得与丝杆一端相连的溢流阀阀芯在阀体内沿阀芯方向轴向移动，以此来调节溢流压力。由于步进电机转动时可提供较大的扭矩，因而可以使溢流阀产生超高溢流压力，实现系统的超高压加载。

2、本发明可实现加载过程无极调压。传统液压控制系统采用的增压器在增压或减压时只能通过两级或三级单向阀实现，因此造成了系统增压、减压时油压呈阶梯形，无法做到油路压力平滑增加或减小。本发明采用控制系统控制步进溢流阀对系统进行调压、控压。在运行时，PLC控制系统向步进驱动器发出一个信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个微小固定的角度，步进溢流阀将这一角度转化为阀芯的微直线运动，使得溢流压力产生微小的变化。在加载或卸载时，PLC控制系统会向步进驱动器持续发送一连串信号，驱动步进电机连续转动，带动阀芯前后移动，使溢流阀的溢流压力逐渐增大或减小，实现系统油压的平滑加卸载。

3、控制系统采用步进驱动器驱动变频电机对系统供油，本发明采用PLC控制系统对油路油压控制，在加载时，在控制系统中输入调速拐点压力值、自动最大速度、自动最小速度控制系统会根据检测系统对油路及载荷压力的实时反馈，同步调节步进溢流阀以及变频机构；

4、本发明可实现油路压力高精度控制，载荷控制精度可达到0.1KN。传统液压控制系统采用的增压器其放大倍数一般在5-8倍，并且同一台增压器的放大倍数并不是一个精确的确定值，它是一个模糊的增压范围，这就造成了液压系统输出的最大压力不是精确值；同时增压器在增压或减压时油压呈阶梯形变化会导致无法准确达到目标压力，往往在加载时会瞬时超过目标压力较大幅度，形成不同程度的过载。

5、本发明实现油路压力的高精度控制主要通过以下四点：第一，步进电机在非超载的情况下，电机的转速、转动的角度只取决于信号的频率和脉冲数，不受负载变化的影响，相同信号下，每步的精度在3％-5％，因而有较好的位置精度和运动的重复性，这就决定了步进溢流阀在调压、控压时具有超高的精度；第二，变频机构中，变频电机可以在变频器的驱动下做到无极调速，系统通过调整变频电机转动的速度可以控制油路内油压增长或减小的快慢；第三，检测系统的油压传感器和载荷传感器以每秒20次的频率实时监测油路内油压以及载荷，并传送到PLC控制系统；第四，在加载时，PLC控制系统根据检测系统检测到的系统实时油压、荷载，同时控制步进溢流阀、变频机构协同运作，保证了对系统油压高精度控制；

6、本发明可实现稳定保压。运行前向控制系统输入回差荷载，在油压传感器检测到系统内油压和油缸内油压同时达到目标值后，PLC控制系统会发送指令关闭电磁球阀，此时油缸无杆腔内的油路在电磁球阀处与外部油路断开，形成密闭腔体，油缸内油压保持在目标值；同时，PLC控制系统关闭变频电机，停止对油路供油，外部油路油压降为零；随着时间推移，油缸内油压会缓慢降低，当油压传感器检测到油缸内实时油压与目标值差值的绝对值超过回差荷载对应的压力值时，PLC控制系统会开启变频电机重新对系统供油，并调节步进溢流阀的溢流压力，使得外部油路压力升高到与油缸内实时油压相同，此时，电磁球阀开启，步进溢流阀与变频机构保持运转，直到将油路压力调整至目标压力，此时电磁球阀再次关闭，对油缸内进行保压。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1是变频机构的装置示意图；

图2是步进溢流阀的装置示意图；

其中，1.变频电机，2.凸轮，3.柱塞杆，4.活塞，5.弹簧，6.单向进油阀，7.变频器，8.柱塞泵缸体，9.单向出油阀，10.步进驱动器，11.步进电机，12.丝杆，

13.丝杠，14.调节弹簧，15.锥阀，16.锥阀座，17.溢流阀，18油路进口，19.油路出口。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在液压系统输出的最大压力不是确定值，液压控制系统在实现高压的情况下也带有了一定的不确定性，增压器的减压只能通过两级或三级单向阀减压实现，且采用增压器实现高压输出的液压控制系统成本较高，性价比低的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种可实现油路压力超高压加载、高精度控制的自动无极调压变频步进溢流阀液压控制系统。

本申请的一种典型的实施方式中，包括三路结构相同的油路，每一油路在三轴加载装置中对应控制一个加载方向，每个油路均包括控制系统、检测系统和液压加载系统，如图1所示，通过以竖直方向的Z轴为加载轴进行单轴加载试验，详细介绍本液压控制系统具体操作步骤以及相关功能原理。首先打开系统开关，启动液压控制系统，此时PLC控制系统会自动扫描载荷传感器和油路压力传感器，并将这些实时荷载呈现在人机交互界面上。点击系统界面按钮，在该界面下输入Z轴油缸面积，在调压参数区域输入手动调压速度、自动最小速度、自动最大速度和调速拐点压力值。

切换到手动模式，在该模式下开启Z轴油泵，并设定变频机构中变频电机的频率值，点击该油路的回程按钮，三位四通换向阀便会换到右位，此时变频电机开始按照设定的频率值带动柱塞泵工作，对该油路供油。在回程期间，液压油从工作口B进入到油缸有杆腔内，推动油缸内活塞回程。当活塞回程到油缸底部时，由于柱塞泵持续对油路进行供油，系统会检测到油路压力逐渐上升，最终稳定在某一数值，此数值即为此时步进溢流阀的溢流压力。由于溢流压力与油路压力以及输出荷载相对应，在加载试验时，为了使作用在试件表面的荷载从0KN开始，则当步进溢流阀初始溢流压力较高时，需要对溢流压力调压，使其接近0MPa。在油路设定压力Z轴处输入0MPa，保持Z轴回程状态开启的同时，点击调压按钮，启动调压模式，此时系统保持对Z轴油路的供油状态，同时控制系统驱动步进溢流阀调节溢流压力。当油路传感器检测到油路的实时油压达到目标压力后，系统自动停止调压。点击回程按钮，停止Z轴油缸回程。点击该油路的进程按钮，启动变频电机开始对油路进行供油，此时三位四通换向阀换到左位，液压油由工作口A进入到油缸无杆腔内，液压油匀速推动油缸活塞开始进程，使加载面逐渐向试件表面贴近；当加载面贴紧到试件表面时，油缸活塞停止移动，油路油压开始逐渐上升，当油路油压达到此前调压时的油路设定压力值时，步进溢流阀开始溢流，油路油压不再上升并稳定在油路设定压力不变，此时虽然变频电机保持对油路进行供油，由于油路压力保持不变，施加在试件表面的荷载将保持与油路设定压力值所对应的荷载值不变。再次点击进程按钮，停止Z轴油缸进程

切换到荷载自动模式，开始加载试验。在荷载自动模式下输入回差荷载，点击自动启动按钮并在设定荷载处输入目标荷载值，此时系统将根据已经输入的Z轴油缸面积自动将目标荷载值转换成目标压力值，并实时呈现在理论目标值一栏处，点击3#自动按钮，启动Z轴方向加载。当加载开始时，系统会扫描当前油路压力，记做初始油路压力，并与目标压力值进行比较，当初始油路压力与目标值压力值之间差值的绝对值大于调速拐点压力值时，系统会以自动最大速度来启动变频电机，对系统进行快速供油，同时向步进驱动器发送高频率信号，快速提高油路的溢流压力，使油路压力以较大的速率向目标值靠近，当系统检测到实时油压与目标压力值之差的绝对值小于或等于调速拐点压力值时，系统会立刻改变加载速率，以自动最小速度来驱动变频电机，减小系统供油量，同时向步进驱动器发送低频率信号，降低溢流压力的上升速率，使油路压力逐渐达到目标值；在这期间，系统始终保持对各油路油压、载荷的实时扫描，并实时更新当前油路压力值及载荷值，当油压传感器检测到系统压力与目标压力之差的绝对值为0.01MPa时，即认为当前油路压力对应的荷载值达到目标荷载。在整个加载的过程中，当油路油压与目标压力值相差较大时，油路压力上升的较快，当油路压力接近目标压力值时，油路压力上升的较慢，从而达到精确加载。

当系统通过扫描载荷传感器得到的荷载值达到用户设定的值时，控制系统会发送指令关闭电磁球阀，此时油缸无杆腔内的油路在电磁球阀处与外部油路断开，形成密闭腔体，油缸内油压保持在目标值；同时，控制系统关闭变频电机，停止对油路供油，外部油路油压降为零；随着时间推移，油缸内油压会缓慢降低，当油压传感器检测到油缸内实时油压与目标值差值的绝对值超过回差荷载对应的压力值时，控制系统会开启变频电机重新对系统供油，并调节步进溢流阀的溢流压力，使得外部油路压力逐渐升高到与油缸内实时油压相同，此时，电磁球阀开启，步进溢流阀与变频机构保持运转，直到将油路压力调整至目标压力，此时电磁球阀再次关闭，对油缸内进行保压。

如果试验需要继续增大荷载，则在设定荷载处再次输入新的目标荷载值，系统重复加载过程，直到试件破坏。若需要对试件进行卸载，同样在设定荷载处输入低于目前荷载的目标荷载值，系统开始卸载。油压卸载的基本原理同加载过程相似，只是此时系统调节步进溢流阀的溢流压力由高到低，逐渐降低至目标值。在加载或卸载时，可以在系统界面更改自动最大速度、自动最小速度以及拐点压力以调节加载或卸载时荷载变化的速度。

当试件达到破坏后，此时点击3#自动按钮，关闭此油路的自动加载模式，并切换至手动模式，在手动模式下，开启Z轴油泵后，点击回程按钮，将油缸回程至底部，试验结束。

在进行双轴加载或三轴加载试验时，将需要的油路同时开启上述过程即可实现。

回程是指在变频机构对油路进行持续供油的情况下，液压油推动油缸活塞朝无杆腔一侧移动至油缸底部的整个过程。点击油路的回程按钮，此时三位四通电磁换向阀处于右位，工作口B与进油口P连接，工作口A与出油口T连接，变频电机按照设定的频率值带动柱塞泵工作，对该油路供油。在回程期间，液压油从P口进油，经工作口B进入到油缸有杆腔内，推动油缸内活塞朝无杆腔一侧移动。当活塞回程到油缸底部时，由于柱塞泵持续对油路进行供油，系统会检测到油路压力逐渐上升，直至达到步进溢流阀的溢流压力，此时由于溢流阀的溢流作用，油路压力不在上升，最终稳定在某一数值，此数值即为此时步进溢流阀的溢流压力，再次点击该油路的回程按钮，该油路回程结束。所述变频机构包括变频器7、变频电机1、凸轮2、柱塞泵3、单向进油阀6和单向出油阀9等。变频器7附着在变频电机1上，并且精确控制着变频电机1的速度和加速度，柱塞泵的柱塞杆3的一端凸轮2相连，另一端与活塞4相连，活塞4的底部与弹簧5的上端连接，单向进油阀6通过油管连接到油池，单向出油阀9通过油管连接到加载系统的油缸。当液压系统开始工作时，柱塞在弹簧作用下在泵体内向上运动，缸体内形成真空，此时与油池相通的单向阀6打开，液压油从油池流入柱塞泵内，完成进油过程；当柱塞在缸体内向下运动时，柱塞挤压缸体内的液压油产生高压，此时与油缸相通的单向阀9打开，液压油从P口进油，油压会推动油缸活塞移动，直至加载到用户的设定值。

调压是将步进溢流阀的初始溢流压力调整为0MPa。调压的目的是使作用在试件表面的荷载从0KN开始，故只有当步进溢流阀初始溢流压力较高时，才需要对溢流压力进行调压，最终使其降为0MPa。在用户将油路设定压力设定为0MPa后，继续保持回程状态开启，点击调压按钮，启动调压模式，当调压开始时，系统会扫描当前油路压力，记做初始油路压力，并与目标压力值进行比较，当初始油路压力与目标值压力值之间差值的绝对值大于调速拐点压力值时，系统会以自动最大速度来启动变频电机，对系统进行快速供油，同时向步进驱动器发送高频率信号，快速降低油路的溢流压力，使油路压力以较大的速率向目标值靠近，当系统检测到实时油压与目标压力值之差的绝对值小于或等于调速拐点压力值时，系统会立刻改变加载速率，以自动最小速度来驱动变频电机，减小系统供油量，同时向步进驱动器发送低频率信号，降低溢流压力的下降速率，使油路压力逐渐达到目标值；在这期间，系统始终保持对各油路油压、载荷的实时扫描，并实时更新当前油路压力值及载荷值，当油压传感器检测到系统压力与目标压力之差的绝对值为0.01MPa时，即认为当前油路压力对应的荷载值达到目标荷载。当油路传感器检测到油路的实时油压达到目标压力后，系统自动停止调压。进程是指用户在完成调压过程后，接着将四通三位的换向阀处于左位，工作口A与进油口P连接，工作口B与出油口T连接，液压油从P口进油，油压会推动油缸活塞进程，使得加载面向贴近试件表面的方向移动，直至加载面恰好接触到试件表面，荷载压力传感器也恰好检测到荷载时，油路进程完成，在这个过程当中，步进溢流阀始终处于溢流的状态，虽然变频电机在工作，但由于步进溢流阀溢流作用，试件表面的荷载保持不变。

步进溢流阀包括步进驱动器10、步进电机11、丝杆12、丝杠13、调节弹簧14、锥阀15、锥阀座16以及进油口18和出油口19，步进驱动器10与步进电机11相连，步进电机10通过丝杆12、丝杠13与溢流阀的调节弹簧14相连，调节弹簧14的另一端与锥阀15相连，锥阀15可水平移动至锥阀座16，此时溢流阀的通路是关闭的，系统油路形成封合回路。驱动器10接收到控制系统发送的一个信号，它就驱动步进电机11按设定的方向转动一个固定的角度，步进电机11转动的同时带动丝杆12同时旋转，丝杠13将丝杆12的螺旋运动转化为微直线运动，压缩与丝杠13一端相连的调节弹簧14，进而推着锥阀15朝锥阀座16轴向移动，随着驱动器10不断接受到信号，锥阀15最终将紧紧嵌入在锥阀座16内；油路内的液压油经进油口18进入到溢流阀内，通过阻尼孔到达锥阀座16，使得油压作用在阀芯的锥阀15上，当油路压力小于调节弹簧14的挤压力时，锥阀15在锥阀座16内保持不动；当油路压力大于调节弹簧14的挤压力时，油压就会推动锥阀15脱离锥阀座16，形成溢流，液压油经出油口19流回油池，此时，缸体内的油压会降低少许并保持在与调节弹簧挤压力14相平衡的数值，实现定压溢流及安全保护的作用。

加载是指将作用在试件表面的荷载从0KN逐渐增加至目标荷载值的过程。在液压系统进程完成后，开始加载试验，在荷载自动模式下输入回差荷载，点击自动启动按钮并在设定荷载处输入目标荷载值，此时系统将根据已经输入的油缸面积自动将目标荷载值转换成目标压力值，并实时呈现在理论目标值一栏处。当加载开始时，系统会扫描当前油路压力，记做初始油路压力，并与目标压力值进行比较，当初始油路压力与目标值压力值之间差值的绝对值大于调速拐点压力值时，控制系统将收集到的实时数据和输入的数据按照编制好的程序进行处理，转化为输出信号分别发送到步进溢流阀和变频机构。系统会以自动最大速度来启动变频电机，此时步进电机和变频电机会根据控制器接收到的信号，以较大的速度和加速度进行转动，对系统进行快速供油，同时向步进驱动器发送高频率信号，快速提高油路的溢流压力，使油路压力以较大的速率向目标值靠近，当系统检测到实时油压与目标压力值之差的绝对值小于或等于调速拐点压力值时，系统会立刻降低步进电机和变频电机的转动的频率来达到降低加载速率的目的：通过以自动最小速度来驱动变频电机，减小对油缸的供油量，同时向步进驱动器发送低频率信号，降低溢流压力的上升速率，使油路压力逐渐达到目标值；在这期间，系统始终保持对各油路油压、载荷的实时扫描，并实时更新当前油路压力值及载荷值，当油压传感器检测到系统压力与目标压力之差的绝对值为0.01MPa时，即认为当前油路压力对应的荷载值达到目标荷载。在整个加载的过程中，当油路油压与目标压力值相差较大时，油路压力上升的较快，当油路压力接近目标压力值时，油路压力上升的较慢，从而达到精确加载。

回差荷载是指目标压力值与油缸压力值之差的绝对值对应荷载界限值，其功能是实现对油缸内油压进行保压。当系统通过扫描载荷传感器得到的荷载值达到用户设定的值时，控制系统会发送指令关闭电磁球阀，此时油缸无杆腔内的油路在电磁球阀处与外部油路断开，形成密闭腔体，油缸内油压保持在目标压力值；同时，控制系统关闭变频电机，停止对油路供油，外部油路油压降为零；由于电磁球阀两侧的油压相差较大，在压力差的作用下，随着时间推移，油缸内液压油会回渗一小部分到油路中，油缸内油压会缓慢降低，当油压传感器检测到油缸内实时油压与目标值差值的绝对值超过回差荷载对应的压力值时，控制系统会重新开启变频电机对系统供油，同时启动步进电机来调节步进溢流阀的溢流压力，使得外部油路压力逐渐从零升高到与油缸内实时油压相同，此时，电磁球阀再次开启，步进溢流阀与变频机构保持运转，直到将油路压力调整至目标压力，此时电磁球阀再次关闭，如此循环下去，实现对油缸内油压进

行保压功能。

调速拐点压力值是指油路油压值与目标压力值之差的绝对值的界限压力值。当油路压力与目标值压力值之间差值的绝对值大于调速拐点压力值时，系统会以自动最大速度来启动变频电机，对系统进行快速供油，同时向步进驱动器发送高频率信号，快速改变油路的溢流压力，使油路压力以较大的速率向目标值靠近，当系统检测到实时油压与目标压力值之差的绝对值小于或等于调速拐点压力值时，系统会立刻改变加卸载速率，以自动最小速度来驱动变频电机，减小系统供油量，同时向步进驱动器发送低频率信号，降低溢流压力的变化速率，使油路压力逐渐达到目标值。在试验过程中，当油路油压与目标压力值相差较大时，油路压力变化的较快，当油路压力接近目标压力值时，油路压力变化的较慢，从而达到精确加卸载。

卸载是指将当前作用在试件表面的荷载逐渐减少至目标荷载值的过程。当卸载开始时，系统会扫描当前油路压力，记做初始油路压力，并与目标压力值进行比较，当初始油路压力与目标值压力值之间差值的绝对值大于调速拐点压力值时，系统会以自动最大速度来启动变频电机，对系统进行快速供油，同时向步进驱动器发送高频率信号，快速降低油路的溢流压力，使油路压力以较大的速率向目标值靠近，当系统检测到实时油压与目标压力值之差的绝对值小于或等于调速拐点压力值时，系统会立刻改变加载速率，以自动最小速度来驱动变频电机，减小系统供油量，同时向步进驱动器发送低频率信号，降低溢流压力的下降速率，使油路压力逐渐达到目标值；在这期间，系统始终保持对各油路油压、载荷的实时扫描，并实时更新当前油路压力值及载荷值，当油压传感器检测到系统压力与目标压力之差的绝对值为0.01MPa时，即认为当前油路压力对应的荷载值达到目标荷载。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种变频液压控制加载系统，其特征是：包括三路结构相同的油路，每一油路在三轴加载装置中对应控制一个加载方向，每个油路均包括控制系统、检测系统和液压加载系统，其中：

所述检测系统包括油压压力传感器以及载荷压力传感器，所述油压压力传感器检测对应油路油压和油缸内油压，载荷压力传感器设置于油缸活塞与加载垫块之间，实时检测油缸作用在试件上的荷载；

所述液压加载系统，包括通过油管连接的油池、柱塞泵、油泵以及步进溢流阀，形成闭合回路，完成油路压力加载和卸载；

所述控制系统，获取液压系统的实时油压与荷载，接收输入的设定压力，将采集到的数据和输入的数据转化为输出信号分别发送到步进溢流阀和变频机构来控制加卸载荷载和加卸载速率。

2.如权利要求1所述的一种变频液压控制加载系统，其特征是：

所述液压加载系统包括步进溢流阀、变频机构、油池、过滤器、油管、三位四通电磁换向阀、电磁球阀和加载油缸，所述油池存储系统加载需要的液压油，所述过滤器设在柱塞泵与油池之间，用于柱塞泵吸油时过滤净化液压油中的杂质，所述油管连接油池、柱塞泵、油泵以及步进溢流阀，并且形成闭合回路，顺利完成油压的加载和卸载，所述三位四通电磁换向阀是液压系统控制加卸载方向的转换元件，利用两端电磁铁的吸力来实现阀芯的运动，从而改变油路的通断，进而实现执行元件的换向，电磁球阀实现油路通断的电磁换向阀，在液压系统中起到保压阀的作用，变频机构改变柱塞在缸体内做直线往复运动的频率，控制油路压力变化速率。

3.如权利要求2所述的一种变频液压控制加载系统，其特征是：

所述变频机构包括变频器、变频电机、凸轮、柱塞泵和单向阀，变频器与变频电机联合使用，变频电机的转轴穿过凸轮带动凸轮旋转，柱塞泵的柱塞与凸轮相接，柱塞泵的进油口和出油口连接有两个单向阀，两个单向阀分别通过油管连接到油池和加载系统的油缸。

4.如权利要求2所述的一种变频液压控制加载系统，其特征是：

凸轮旋转时，柱塞在凸轮和缸体内弹簧作用下会沿缸体做向上或向下的直线往复运动，当凸轮转过凸起点后，柱塞在弹簧作用下在缸体内向上运动，缸体内形成真空，此时与油池相通的单向阀打开，液压油由油池流入柱塞泵内，完成进油过程；当柱塞在缸体内向下运动时，柱塞挤压缸体内的液压油产生高压，此时与油缸相通的单向阀打开，液压油流向油缸，完成加载。

5.如权利要求3所述的一种变频液压控制加载系统，其特征是：

所述变频器和变频电机联合使用，变频器受到控制系统的控制，根据系统指令改变电机工作电源的电压和频率，起到对变频电机无极调速的功能，调节变频电机转动的速率和加速度，进而使所述柱塞泵供给液压站的流量在最小流量和最大量之间无极调节。

6.如权利要求3所述的一种变频液压控制加载系统，其特征是：

所述凸轮为具有曲线轮廓例的构件，与所述柱塞泵的柱塞紧密相贴；凸轮跟随变频电机的转轴旋转，此旋转为偏心旋转，当凸轮由偏心旋转的最低点向最高点转动时，会推动柱塞在柱塞泵缸体内向下运动，泵内油压升高，此时与加载系统联通的单向阀打开，与油池联通的单向阀关闭，液压油由缸体内流向加载系统，完成供油。

7.如权利要求6所述的一种变频液压控制加载系统，其特征是：当凸轮由偏心旋转的最高点向最低点转动时，凸轮作用在柱塞上的力逐渐变小，柱塞泵缸体内的弹簧会推动柱塞在缸体内向上运动，柱塞泵内形成负压，与油池联通的单向阀打开，与加载系统联通的单向阀关闭，液压油由油池流向柱塞泵缸体内，完成吸油。

8.如权利要求1所述的一种变频液压控制加载系统，其特征是：

所述柱塞泵为往复式柱塞泵，由缸体、柱塞、柱塞杆、弹簧、吸入阀以及排出阀构成，柱塞杆一端与凸轮紧密相贴，另一端为柱塞，柱塞与缸体贴合，在缸体底部与柱塞之间设有弹簧，当柱塞在缸体内做往复运动时，完成供油和吸油过程；当凸轮由低点向高点转动时，凸轮推动柱塞杆沿缸体向上运动，同时挤压缸体内的弹簧变形，使弹簧积蓄弹性变形能，当凸轮由高点向低点转动时，凸轮作用在柱塞杆上的力逐渐减小，弹簧推动柱塞沿缸体向下运动。

9.如权利要求1所述的一种变频液压控制加载系统，其特征是：

所述检测系统包括油压压力传感器以及载荷压力传感器，所述油压压力传感器共有两个，分为第一油压压力传感器和第二油压压力传感器，第一油压压力传感器可实时检测油路油压，第二油压压力传感器可实时检测油缸内油压，检测到的油压会实时反馈到PLC控制系统，PLC控制系统在接到反馈信号后即会根据程序控制加载，所述载荷压力传感器每个油路共一个，安装在油缸活塞与加载垫块之间，在试验加载时可实时检测油缸作用在试件上的荷载，并将检测到的荷载传递给PLC控制系统。

10.如权利要求1-9中任一项所述的系统的工作方法，其特征是：在加载前，向控制系统输入调速拐点压力值，自动最大速度，自动最小速度，开始试验后，控制系统会扫描当前油路压力，记做初始油路压力，并与用户输入的目标值进行比较，当初始油路压力与目标值之差的绝对值大于调速拐点压力值时，控制系统以自动最大速度来启动变频电机，对系统进行快速供油，同时向步进驱动器发送高频率信号，快速提高系统的溢流压力，使油路压力按照设定的最大速率向目标值靠近，在这期间，控制系统始终保持对检测系统各油压、载荷传感器的实时扫描，实时更新当前油路压力及载荷；当控制系统检测到实时油压与目标值之间差的绝对值小于等于调速拐点压力值时，控制系统改变加载速率，以自动最小速度来驱动变频电机，减小系统供油量，同时向步进驱动器发送低频率信号，降低溢流压力的上升速率，使油路压力逐渐达到目标值；在这期间，控制系统始终保持对检测系统各油压、载荷传感器的实时扫描，实时更新当前油路压力及载荷，当油压传感器检测到系统压力与目标压力之差的绝对值小于设定值时，即认为当前油路压力对应的荷载值达到目标荷载。

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