大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备制造技术

本发明专利技术公开了一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备，在设备组成上包括加载机承载装置、载荷输出装置、加载力控制装置，所述载荷输出装置用于输出加载到材料上的载荷力，所述加载机承载装置用于将载荷输出装置的载荷力传递到材料上，加载力控制装置用于载荷力加载过程的载荷精密控制。本发明专利技术的技术方案提供了适用于炸药材料静力学性能测试中的一种安全型、静力精确可控加载的模拟静力载荷加载的装置。

【技术实现步骤摘要】
大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备
本专利技术涉及材料静力学性能测试
，特别涉及一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备。
技术介绍
材料的强度性能是材料作为机械部件最重要的指标之一，大型装备、军工复合材料、含能材料的强度性能关系到大型装备的安全、武器装备的可靠性与安全性。各项异性复合材料在长寿命使用中，由于静力载荷、高低温温度载荷、疲劳载荷、蠕变载荷等各种载荷的作用下，强度性能发生变化。强度性能蜕化已经成为材料在长寿命使用中最容易出现的问题之一。炸药材料作为一种各项异性复合材料，受到静力载荷下其强度降低，严重影响炸药材料的力学强度性能。为开展炸药材料的寿命评估，建立炸药材料的寿命模型，需研究炸药材料的静力载荷与强度寿命的关系，急需建立一套适用于炸药材料的大吨位、静力载荷精密可控型、安全型的静力精确加载装置。现有的静力加载机只满足低吨位(10T以下)的精密可控加载功能、且在低载荷区域存在压力精密控制死区、无法满足全载荷域的载荷精密控制功能，无法满足大吨位、静力载荷精密控制加载需求。另外，现有的静力加载机的安全控制性能较低，无法满足炸药材料的静力加载模拟所需的安全控制性能。为满足炸药材料的静力强度测试与评价需求，急需专利技术一台大吨位、静力载荷精密控制型、安全控制型的静力载荷加载装置。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述
技术介绍
中不足，提供一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备，具体是一种适用于炸药材料静力学性能测试中的一种安全型、静力精确可控加载的模拟静力载荷加载的装置，包括加载机的承载装置设计方法，大吨位加载力的提供方法，加载力的精确可控加载控制方法，加载力的精确测试方法，以及被加载炸药材料损伤或者破坏后的安全控制方法，可满足炸药材料的静力强度测试与评价需求。为了达到上述的技术效果，本专利技术采取以下技术方案：首先，本专利技术公开了一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备的具体设计，包括：加载机承载装置、载荷输出装置、加载力控制装置；其中：加载机承载装置主要用于将载荷输出装置的载荷力传递到材料上，因此，加载机承载装置的机械材料需满足大吨位载荷加载所需的强度要求，一般至少按照薄弱部位所承受载荷的四倍进行冗余设计；加载机承载装置底部安装负荷传感器，负荷传感器应确保所有的加载力均作用到负荷传感器上实现负荷量可靠测量，同时，加载机承载装置与载荷输出装置应连接可靠，从而确保载荷加载过程中平稳、无振动；载荷输出装置是实现大吨位、全载荷域静力精密加载的本质核心部件，是保证材料静力精确加载模拟设备性能的基础部件，本专利技术中的载荷输出装置采用液压精密伺服阀驱动技术实现，载荷输出装置在组成上包括液压站、液压控制模组、液压控制阀、液压油缸、液压测试仪表等；载荷输出装置组件的液压回路至少满足空载下快速位移控制要求，主要实现加载冲头的上行与下行功能；液压回路还需满足有载荷下的加载与卸载精密载荷控制要求，主要实现加载与卸载过程的加载速度可按照设定曲线精密控制功能；液压加载回路还需满足材料断裂时候突然失载下的安全保护功能，实现加载装置失载下冲头不过冲；液压油缸的线性载荷输出功能主要实现将一定的液压压强力线性加载到材料与负荷传感器上；加载力控制装置主要实现液压站的驱动电机、液压控制开关阀与比例阀的控制，结合负荷传感器、液压油缸位移传感器、液压压强传感器，实现大吨位加载力加载过程的载荷精密控制，是静力精密加载装置的中枢系统；加载力控制装置组成上包括了：电气控制中枢系统、远程操作计算机、近地操作控制箱等；加载力控制装置至少需满足加载装置的冲头的上行与下行控制，载荷的加载与卸载控制，加载机的近地控制、液压站的触摸屏控制与远程计算机控制等功能；还需满足材料加载过程的安全控制功能；另外还需承担负荷、压强、位移的检测测量功能。针对上述加载机承载装置的设计要求，本专利技术的技术方案具体公开了一种满足上述设计要求的加载机承载装置，具体包括：1)加载机承载装置采用框架式或者四柱式液压机的机械结构，组成上包括：下横梁、底座、承载柱、上横梁；2)上横梁、下横梁与承载柱组成了加载装置承载力主体，应采用机械强度有限元分析法计算其强度薄弱环节，承载装置的载荷冗余应不低于4倍；3)承载柱的高度决定了加载装置的可使用作业的高度，承载柱的高度Htotal根据上横梁与下横梁的距离Heff、负荷传感器螺纹接口高度Hdown、油缸冲头螺纹高度Hup计算，数值关系为：Htotal＝Heff+Hdown+Hup，其中：上横梁面与下横梁面的距离确定了静力加载设备的有效作业高度；4)底座用于承载整个承载装置主体与加载力，底座需具备足够的强度；底座还需满足承载装置主体的平衡度要求，且满足便于安装、移动，且保证整个承载装置的平稳、无振动；5)下横梁安装在底座上，下横梁上安装有负荷传感器，下横梁需具备足够的强度；6)负荷传感器上需采用标准螺纹连接接口，方便设计适用于炸药材料结构形状的加载工装；7)上横梁上安装有液压油缸，油缸冲头采用标准螺纹连接接口，方便设计适用于炸药材料结构形状的加载工装。同时，本专利技术还公开了上述大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备的载荷输出液压驱动系统的设计方法，具体包括：1)液压驱动系统采用电控伺服阀驱动控制型液压系统，电机驱动液压泵提供液压油源，液压方向控制阀、液压比例流量阀与液压比例溢流阀分别控制液压油的方向、流量与压强，液压力输出采用精密型液压油缸实现；液压驱动系统组成上包括：液压油箱、液压阀控制块、电机、液压泵、液压方向控制阀、液压油路流量控制阀、液压油路比例溢流阀、液压油缸、液压油管、液压油表与液压等；2)液压油箱体积Vbox按照液压油缸的体积Vcyl、液压油管管径dpipe与长度Lpipe计算，即加载到达液压最高工作压力后液压系统介质油输出量最大，此时液压站剩余液压油的液位高度不低于液压油箱液位满高度的三分之二，以确保液压系统长期工作随着液压油挥发或泄露后液压系统仍可靠；3)液压油缸的机械强度、缸内直径、有效工作行程、缸内密封性能、油缸运动机构柔顺性能设计需综合考虑高压泵的出口压力、载荷高精度线性控制要求进行计算，具体为：为充分发挥液压泵性能并考虑密封性能，液压泵最高工作压强一般以20MPa计算静力加载装置的最大载荷力；最大载荷力决定了油缸缸径；油缸机械强度需按照最高工作压强进行冗余设计；液压油缸最低工作行程根据静力加载装置的有效作业高度H1与加载时炸药材料的高度H0共同确定，最低工作行程不低于H1-H0；液压油缸进口安装压强传感器，用于监测液压缸的缸内压强；4)液压泵阀块的功能至少应包括：液压冲头下行、上行、加载与卸载；液压泵阀块根据液压图纸与动作表设计，与液压驱动电机、液压泵、油泵出口压力表、各种液压阀共同实现液压的介质油方向、介质油压强、介质油流量的控制；5)液压驱动系统共包含两路液压驱动电机回路，一路负责快速位移控制功能，一路负责载荷控制功能；两路液压驱动电机回路均包括液压驱动电机、液压泵、液压介质油油表；其中，为避免低压泵驱动下油缸冲头接触承载材料导致低负荷段加载过程不柔顺，一般要求低压泵的液压出口压力不高于低压泵安全运行压力，可设置为1MPa，低压泵的出口流量Fllp按照油缸冲头的空程位移速度Vlp要求设计，数值上等于空程位移速本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备，其特征在于，在设备组成上包括加载机承载装置、载荷输出装置、加载力控制装置，所述载荷输出装置用于输出加载到材料上的载荷力，所述加载机承载装置用于将载荷输出装置的载荷力传递到材料上，加载力控制装置用于载荷力加载过程的载荷精密控制。

【技术特征摘要】
1.一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备，其特征在于，在设备组成上包括加载机承载装置、载荷输出装置、加载力控制装置，所述载荷输出装置用于输出加载到材料上的载荷力，所述加载机承载装置用于将载荷输出装置的载荷力传递到材料上，加载力控制装置用于载荷力加载过程的载荷精密控制。2.根据权利要求1所述的一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备，其特征在于：加载机承载装置被设计为：加载机承载装置的机械材料至少满足大吨位载荷加载所需的强度要求，具体至少按照薄弱部位所承受载荷的四倍进行冗余设计，加载机承载装置底部安装负荷传感器，负荷传感器应确保所有的加载力均作用到负荷传感器上实现负荷量可靠测量；承载装置与载荷输出装置连接可靠，确保载荷加载过程中平稳、无振动；载荷输出装置被设计为：载荷输出装置采用液压精密伺服阀驱动技术实现，载荷输出装置的组成上至少包括液压站、液压控制模组、液压控制阀、液压油缸、液压测试仪表，载荷输出装置的液压回路至少满足以下要求：空载下快速位移控制要求、有载荷下的加载与卸载精密载荷控制要求、突然失载下的安全保护要求，同时，液压油缸具备线性载荷输出功能，以实现将一定的液压压强力线性加载到材料与负荷传感器上；加载力控制装置被设计为：加载力控制装置用于实现液压站的驱动电机、液压控制开关阀与比例阀的控制，结合负荷传感器、液压油缸位移传感器、液压压强传感器，实现大吨位加载力加载过程的载荷精密控制，加载力控制装置的组成上至少包括电气控制中枢系统、远程操作计算机、近地操作控制箱，加载力控制装置至少需满足以下要求：具备加载装置的冲头的上行与下行控制、载荷的加载与卸载控制、加载机的近地控制、液压站的触摸屏控制与远程计算机控制功能；具备材料加载过程的安全控制功能以及承担负荷、压强、位移的检测测量功能。3.根据权利要求2所述的一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备，其特征在于，所述加载机承载装置采用框架式或者四柱式液压机的机械结构，具体组成上包括：下横梁、底座、承载柱、上横梁；所述上横梁、下横梁与承载柱组成加载机承载装置的承载力主体，应采用机械强度有限元分析法计算承载力主体强度薄弱环节，且载机承载装置的载荷冗余应不低于4倍；所述承载柱的高度Htotal根据上横梁与下横梁的距离Heff、负荷传感器螺纹接口高度Hdown、油缸冲头螺纹高度Hup计算；数值关系为：Htotal＝Heff+Hdown+Hup；所述底座用于承载整个加载机承载装置主体与加载力，底座需满足承载装置主体的平衡度要求，所述下横梁安装在底座上，下横梁上安装有负荷传感器；上横梁上安装有液压油缸。4.根据权利要求3所述的一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备，其特征在于，所述大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备还包括载荷输出液压驱动系统，所述载荷输出液压驱动系统采用电控伺服阀驱动控制型液压系统，电机驱动液压泵提供液压油源，液压方向控制阀、液压比例流量阀与液压比例溢流阀分别控制液压油的方向、流量与压强，液压力输出采用精密型液压油缸实现；载荷输出液压驱动系统组成上至少包括：液压油箱、液压阀控制块、电机、液压泵、液压方向控制阀、液压油路流量控制阀、液压比例溢流阀、液压油缸、液压油管、液压油表、液压泵阀块；其中，液压油箱体积Vbox按照液压油缸的体积Vcyl、液压油管管径dpipe与长度Lpipe计算，即加载到达液压最高工作压强后，液压系统介质油输出量最大，此时，液压站剩余液压油的液位高度不低于液压油箱液位满高度的三分之二，以确保液压系统长期工作随着液压油挥发或泄露后液压系统仍可靠；液压油缸的机械强度、缸内直径、有效工作行程、缸内密封性能、油缸运动机构柔顺性能设计需综合考虑高压泵的出口压力、载荷高精度线性控制要求进行计算，具体为：为充分发挥液压泵性能并考虑密封性能，液压泵最高工作压力以液压最高工作压强计算静力加载装置的最大载荷力；最大载荷力决定了油缸缸径；油缸机械强度需按照液压最高工作压强进行冗余设计；液压油缸最低工作行程根据静力加载装置的有效作业高度H1与加载时材料的高度H0共同确定，液压油缸最低工作行程不低于H1-H0；液压油缸进口安装压强传感器，用于监测液压缸的缸内压强；液压泵阀块根据液压图纸与动作表设计，液压泵阀块用于实现液压冲头下行、上行、加载与卸载；载荷输出液压驱动系统还包含两路液压驱动电机回路，一路负责快速位移控制功能，一路负责载荷控制功能；两路液压驱动电机回路均包括液压驱动电机、液压泵、液压介质油油表；要求：为避免低压泵驱动下油缸冲头接触承载材料导致低负荷段加载过程不柔顺，要求低压泵的液压出口压力不高于低压泵安全运行压力，低压泵的出口流量Fllp按照油缸冲头的空程位移速度Vlp要求设计，低压泵的出口流量Fllp数值上等于空程位移速度Vlp与缸径面积Scyl之积；高压泵的最高液压出口压力不低于液压最高工作压强，高压泵的出口流量Flhp按照油缸冲头的载荷控制速度Ldhp要求、并结合比例流量阀的流量特性设计，两个液压介质油油表用于监视液压泵的出口压力，高压泵的出口流量Flhp数值上计算方法如下：其中：C为液压介质油压缩系数；Scyl为油缸缸径面积；Sval为比例流量阀通径；Vcyl为油缸充满介质油后的体积；液压方向控制阀被设计为：至少具备高低压油路选择切换阀、高压油路通断控制阀、油缸管路通断控制阀、上行与下行油路切换阀的功能；液压比例流量阀用于实现加载过程中位移高精度控制；液压比例流量阀被设计成如下：进出口承载油压不低于液压最高工作压强，通径特性需线性、且低流量死区，最大通径根据加载过程中位移控制最大值设计；液压比例溢流阀用于加载过程中载荷高精度控制；液压比例溢流阀被设计成如下：进出口承载油压不低于液压最高工作压强，溢流特性需单调、且低压死区；最大溢流压力按照不低于液压最高工作压强设计。5.根据权利要求4所述的一种大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备，其特征在于，所述大吨位安全型的材料静力精确加载模拟设备还包括加载力控制系统，具体为：加载力控制系统结合可编程逻辑控制器、触摸屏、计算机组态软件控制、工业以太网通信技术进行设计，加载力控制系统包括结构附件及功能附件，所述结构附件至少包括：电气控制柜、远程控制计算机、近地控制操作箱、液压站控制触摸屏系统、可编程逻辑控制器与控制软件、计算机组态控制软件；所述功...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁晓辉，温茂萍，周红萍，唐明峰，韦兴文，付涛，肖俊，赵维，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院化工材料研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51