分离式霍普金森压杆试验台液压加载系统的研究.pdf

2 0 1 1年 1 月 第 3 9卷 第 1期 机床与液压 MACHI NE T 0OL HYDRAUL I CS J a n ．2 0 1 1 V0 1 ． 3 9 No ．1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 1 ． 0 1 5 分离式霍普金森压杆试验台液压加载系统的研究 赵四海，张云枝 ，王法磊 ，黄春梅 ，刘志强 中国矿业大学 北京机电学院，北京 1 0 0 0 8 3 摘要 为了研究有压情况下材 料在 冲击 载荷下 的力学行 为 ，研 制一种 在一般分 离式霍普 金森压杆 S H P B装置基 础 上施加两 自由度负载的新型 S H P B试验 台液压加载系统。研 究试件机械加 载方式 ，提 出密封粉 末加载方 法 ，并根据要求设 计液压比例控制系统作为加载系统；由压力传感器 、位移传感器和数据采集卡等与上位机构成液压加载控制系统，对液压 缸压力进行实时监控；用 S i m u l i n k软件对控制系统进行仿真。仿真结果表明，该系统可以实现对试件的恒定压力加载。 关键词分离式霍普金森压杆 S H P B ；液压加载；实时控制；仿真 中图分类号T P 2 7 1 ． 3 1 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 1 0 5 23 Re s e a r c h o n Hy dr a u l i c Lo a di ng S y s t e m o f S p l i t Ho pk i ns o n Pr e s s u r e Ba r Te s t - be d ZHAO S i ha i ，ZHANG Yun z h i ，W ANG Fa l e i ，HUANG Ch u n me i ，U U Z hi q i a n g C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g a n d T e c h n o l o g y B e i j i n g ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o r e s e a r c h t h e me c h a n i c a l b e h a v i o r o f ma t e r i a l s u n d e r i mp a c t l o a d i n g ，b a s e d o n n o r ma l S HP B d e v i c e， a h y d r a ul i c l o a di n g s y s t e m t ha t c o ul d e x e r t l o a d i ng f r o m t wo d e g r e e s o f f r e e wa s de v e l o p ed ．Th e o u t pu t p r e s s u r e a n d di s pl a c e me n t o f h y d r a u l i c c y l i n d e r c o u l d b e c o n t r o l l e d r e al t i me u s i n g t h i s s y s t e m．T h e me c h an i c al l o a d i n g wa y s w e r e r e s e a r c h e d an d t h e s e a l i n g p o w d e r l o a d - i n g w a y wa s p r e s e n t e d ．A h y d r a u l i c p rop o r t i o n a l c o n t r o l s y s t e m w a s d e s i g n e d a s l o a d i n g s y s t e m．P r e s s u r e s e n s o r ，d i s p l a e e me n t s e n s o r an d d a t a a c q u i s i t i o n c a r d wi t h P C w e r e u s e d t o c o n s t i t u t e t h e h y d r a u l i c l o a d i n g c o n t r o l s y s t e m t o mo n i t o r t h e p r e s s u r e o f h y d r a u l i c c y l i n d e r r e al t i me．T h e c o n t rol s y s t e m w a s s i mu l a t e d w i t h S i mu l i n k ．T h e s i mu l a t i o n r e s u l t d i s p l a y s t h a t t h i s s y s t e m e a r l o a d t h e s pec i me n wi t h c o n s t a n t p r e s s u r e ． Ke y wo r d s S p l i t Ho p k i n s o n p r e s s u r e b ar ； Hy d r a u l i c l o a d i n g ； Re al t i me c o n t r o l ； S i mu l a t i o n 材料在 冲击载荷下 的力学响应往往与静 载荷下 的 力学响应有显著不 同，因此研究材料在各种 冲击载荷 下的力学行 为 已经成 为 相关设 计 部 门 E t 益关 注 的 问 题。分离式霍普金森压杆 S p l i t H o p k i n s o n P r e s s u r e B a r ， S H P B 实验技术 自 1 9 4 9年 由 K o l s k y 发明至今 已有 5 0多年 的历史 ，已成为测量 材料 动态力学 性能 的主要手段之一 。宁波大学工学 院宋力等人曾提出 了一种恒应变率加载波形设计方法 ，可以使试验中试 件 内的应力及应变具有 良好 的均匀性 ；中国工程物 理研究所结构力学研究所 陶俊林 等也 曾提 出用双试件 S H P B方 法 和 将 圆 柱 形 子 弹 改 变 成 柱 锥 形 子 弹 的 S H P B方法 ，实现对 试件 的恒 应变率 加载 j 。通常 的 S H P B装置实验过程 中，试件 只承受输入杆 轴 向的冲 击载荷 ，而在其他两个方 向不承受负载 。然而在实际 工作 中 ，材料往往在一个 方 向承受 冲击 载荷 的同时 ， 其他两个方向也承受着静载荷，因此传统 S H P B实验 台加载方式已经不能满足 S H P B压杆试验中检测其他 方向承受载荷材料的力学性能的需求。 作者研 制了一种在一般分离式霍普 金森压杆 S H P B 装置基础上施加 两 自由度 负载 的新 型 S H P B 试验 台液压加载系统 ，提出密封 固体粉末的新型加载 方式 ，实现 了对试件其 他两个方 向的恒定压力加载。 1 液压加载系统设计 1 ． 1 机械 加 载方 式设计 传统 的对试件的加载方法有刚性加载 、橡胶衬垫 加载和密封液体加载。刚性加载是加载装置直接通过 刚性 材料 与试件接触 ，将加载装置的加载力施加到试 件上，但冲击过程中试件的变形将受到限制。橡胶衬 垫加载是 在加载装置与试件间放一个橡胶衬垫 ，这样 加载缸的硬度对试件变形影响较小 ，但橡胶衬垫在加 载压力较大时常常被挤碎。密封液体加载是将试件的 四个面用密封的液压油包裹起来 ，通过改变液压油 的 压力实现加载 ，但液体 的完全密封是很难 实现的。 作者采用密封粉体加载 ，即在液压缸与试件 间放 入密封的固体粉末，选用延展性较好的铝粉或铜粉， 这样既保证将加载力完全传递给试件，又不至于影响 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 0 8 作者简介 赵四海 1 9 6 8 一 ，工学博士，副教授，现主要从事煤矿机械、煤矿机电一体化设备和煤矿信息化方向的教学与 科研工作。电话 1 3 5 0 1 0 5 7 1 6 9 ，E m a i l z s h c u m t b ． e d u ． c n 。 第 1 期 赵四海 等分离式霍普金森压杆试验台液压加载系统的研究 5 3 试件 的变形 。如 图 1 所示 。 图 1 液压缸通过密封固体粉末加载 1 ． 2 液压 加载 系统 的设 计 该系统 由4个液压 回路组成 ，由 1 个液压泵提供 油液的压力能 ，当系统 开始工作 时 ，上下左右 4个相 互对称的液压缸活塞 杆实现 同步往 复运动 ，对试件进 行两 自由度 的加载 ，分析如 下 卜一 油箱2 一 液 压泵3 一 溢 流 阀4、5 、6 、7 一 电液 比例 方 向 流量 阀8 、 平衡 阀1 o 、1 1 、I 2 、l 3 一 电液 比例 溢 流 阀 1 4、1 5、1 6、I 7 一 液压 缸 图 2 S H P B液压加载 系统 回路 1 每一个 子 系统 由压力控 制 主 回路 和 位移 控 制同步 回路两部分组成 。由电液 比例溢流 阀控制液压 缸压力 ，由电液 比例方 向流量阀控制液压缸位移。 2 上下两子系统 中均采用单项顺序阀的平衡 回 路 ，其作用是 防止垂直放置的液压缸 因自重而下落。 以右侧液压回路为例说明加载系统工作过程，另 外 3个液压 回路均 与此类 似。当液压泵 2由电动机带 动旋转后，从油箱 1中吸取油液，液压油经过电液比 例方向流量 阀 4进 入液 压缸右 腔 ，推动 液压缸 1 4活 塞 向左移动 ，直 到夹紧试 件 ，液压 缸活塞停 止运 动 ； 随着液压缸 右腔压力不断增大 ，液压缸活塞也不断给 试件施加 载荷 ；当液 压缸 压强 大 于 电液 比例溢 流 阀 1 0的调定 压力 时 ，其 阀 口溢 流 ，使被 控制 系统 或 回 路 的压力维持稳定 。 2 计算机控制系统设计 计算机控制系统 由控制计算 机 、数据采集 系统和 传感器组成。机电一体化系统中用于检测机械参数传 感器、运算放大电路等传感检测子系统的作用是采集 控制执行机构所必需的参数信息 ，这是控制执行机构 子系统必不可少 的环节 J 。作者选用航天空气动力技 术研 究院 J P溅射 薄膜压力传 感器 、广 州市安 凯 电子 仪表有限公司 A T M L系列磁致伸缩位移传感器、北 京阿尔泰科技有限公司 U S B 2 0 8 9 A型数据采集卡 。 S H P B液压加载系统和计算 机控制 系统共 同组成 S H P B液压加载控制 系统 ，如 图 3所 示。该 系统 是一 个 闭环控 制系统。系统 开始运 行后 ，液压加载 系统实 施加载 ，加载完成后 ，由液压缸底部 的传感器检测液 压缸输出压力 ，经过比例放大器 、数据采集卡输入信 号 给计算机 ，再 由计算机进行 P I D控制 ，发 出命令给 比例方 向阀，调节液压缸压力 ，从而保持液压缸输出 压 力恒定 。 1 、2 、3 、4 _ 比例 放 大器卜 油 箱6 _ _ 液压 泵7 、8 ～ 电液 比例 方 向阀 9 、l o _ - 传 感 器1 1 、l 2 一 电液 比例 溢 流 阀 1 3 、1 4 、1 5 、l 液 压缸 图 3 S H P B液压加载控制系统 3 电液 比例 闭环控制系统的建模与仿真分析 S i m u l i n k借助于 M a t l a b强大的数值计算能力 ，能 够在 M a t l a b下建 立 系统框 图 和仿真 环境 ，在 各 个工 程领域发挥着 巨大 的作 用，是 当今主流 的仿 真软 件 。 。作者用 S i m u l i n k建立电液比例闭环控制系统方 框 图并进行仿真分析 。 由拟定 的 S H P B液压加载控 制系统 图可 以确定组 成该系统的各个环节分别为 信号给定装置、比例放 大器 、比例控制元件 、执 行元 件 、检测 和反 馈元 件 ， 按信号在系统 中的流向将上述各个环节依次连接起 来 ，构成 系统基本 组成框 图如图 4所示 。 图 4 压力控制 系统基本组 成框图 确定系统各个环节的数学模型 。 比例放大器 ，由于其转折频率 比系统的频宽高得 多 ，故可视 为 比例环节 ，增益为 K ； 比例方 向阀 ，其传 函为 杰 y O o 执行元件 ，工程上将忽略弹性负载 的执行元件视 为一个积分环节，传递函数为 G s 1 5 4 机床与液压 第 3 9卷 压力 检 测 传 感 器 ，其 频 宽 比系 统频 宽 高 的多 ， 亦可近似为比例环节，增益为 K 。 根据 系统 的工 作原 理方 框 图和所 确定 的数学 模 型，可以建立系统的动态方框图，如图5所示。 ‘ 0⋯‘ ⋯ t⋯ 一 ⋯ ⋯ ⋯1 一 0 ．6 ⋯ ≯寸 ⋯ _ ⋯ 0 ⋯ 。 0 ⋯ __ 0 ．4 ⋯。 卜⋯。 ⋯寸⋯⋯ ⋯’ ⋯‘ ’ ⋯f ⋯⋯ ⋯叶 ⋯～ 1 寸 ⋯p■ ⋯一 Ⅲ t ⋯。 寸⋯。 0 ⋯_1 o _ { } _ } 1 l_ 厂 _ 1 { -s 。 o卜 ．．．．．．曩i- ．- i--ii -------．- i---i营-i-i- ii __ 辫 薯 鞫 馨 ‘ l s o I- ⋯。 。 - ． ． ” ’ 一 - - 。 ⋯一 ㈡‘ ⋯‘ ≮ -2 0 0 卜 ⋯l 寸‘ 计 廿⋯‘ ． _ | 。 。Ⅲ ⋯。 1 一 i- - *m⋯0一 划 O 广●1 _ 罩 ■T■■． 1 ■- 『 ■■_ 1 ■『 『 ’_ 一一 9O ⋯ 。 ～ 一 * ⋯ 一 寸 川 {_．⋯ |-． 一 * ⋯ 一 ～q．--” ；．4．-甘t }警 誊 誊 鬟 ≥ 美 刭 一3 6 叶⋯一 “ i i⋯一 。 ‘ 。 、 卅⋯～ - _ _ 一 _ 2 立 越 ， 由图 6可见 ，输入单位 阶跃信号时 ，系统的压力 响应 曲线随着时间增大 ，逐渐衰减并趋 向于 1 即 回 到平衡位置 ，由此判断系统为稳定 的。由 B o d e图可 见 ，当 由 0变到 ∞时 ，在对数 幅频特性为正值的 频率范围内，对数相频特性对 一1 8 0 。 线正穿越与负穿 越次数之差为 1 ，而该系统开环传递函数在 [ s ]平 面 的右半平面 的极 点数 P 2 ，即正 负穿越 次数之差 等于 P ／ 2 ，符合 B o d e判据中闭环系统稳定的充要条 件 ，由此也判定该系统是 稳定 的。 4结 论 作者研 制了一种在一般分离 式霍普金森压 杆 S H P B 装置基础上施 加两 自由度 负载 的新 型 S H P B 试验台液压加载系统 ，提出了密封粉末加载方法 ，并 设计了液压比例控制系统作为加载系统；由压力传感 器、位移传感器和数据采集卡等与上位机构成电液比 例闭环控制系统 ，对液压 缸压力进行实时监控 ，最后 用 S i m u l i n k软件对控制系统进行 了仿真 ；仿真结果显 示该系统可 以实现对试件的恒定压力加载 。该系统为 S H P B压杆试 验装置的研究发 展提供 了新 的思路 ，使 其能够更准确地检测材料的力学性能，具有一定的理 论价值和实际意义。 参 考文 献 【 1 】K o l s k y H ． A n i n v e s t i g a t i o n o f me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f m a - t e r i a l s a t v e r y h i 曲 r a t e s o f l o a d i n g [ C ] ／ ／ P r o c P h y s S o c ， 1 94 9， B 62 6 7 6 7 0 0． 【 2 】常列珍． S H P B实验技术应注意的几类问题[ J ] ． 科技情 报开发与经济， 2 0 0 7 ， 1 7 4 1 6 91 7 1 ． 【 3 】 宋力， 胡时胜． 霍普金森压杆试验的恒应变率加载设计 [ C] ／ ／ 第四届全国爆炸力学试验技术学术会议 ， 2 0 0 6 ． 【 4 】陶俊林， 田常津， 陈裕泽， 等． S H P B系统试件恒应变率加 载试验方法研究 [ J ] ． 爆炸与冲击， 2 O O 4 ， 2 4 5 4 1 3 41 8． 【 5 】 李瑞琴， 邹慧君， 胡松， 等． 机电一体化系统的内涵及其 结构组成[ J ] ． 机械设计与研究 ， 2 0 0 2 增刊 1 3 03 1 ． 【 6 】 孙衍石， 靳宝全， 熊晓燕． 电液伺服比例阀控缸位置控制 系统仿真研究[ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 0 9 4 3 23 5 ．