对材料试验机存在的各种问题探讨和研究
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第一章 绪论
1.1研究的目的和意义
材料试验机在开发新材料和材料质量控制领域的应用越来越广泛，作为大型精密仪器，对它的控制精确性、智能性及人机交互便利性都提出了很高的要求。然而，目前的材料试验机发展不完善，还存在各种问题。第一，针对试验过程中，负载刚度变化，怎样找到科学合理的解决办法，在能得到负载力学性能参数的基础上，确保控制系统的精确性；第二，针对不同的试验对象以及试验标准，研制能够自动控制完成试验过程，并具有良好人机界面的试验机；第三，控制系统中的问题，比如电液比例控制系统的不确定性，它的系统参数具有高维、时变、模糊、非线性等特点，试验机本身要满足控制多项性能指标的苛刻要求。常规的控制方法不能满足这些苛刻的要求，需要研制常规方法和智能控制方法相结合的控制系统。第四，建立物理和数学模型时的误差问题。
论文针对目前试验机存在的各种问题，以电液比例控制液压万能材料试验机系统为对象，进行了深入探讨和研究。
1.2国内外研究现状和发展
材料试验机是一种施力装置或者力控制系统。主要是用来测试各种材料在不同条件下的物理机械性能、工艺性能、抗震强度及内外结构缺陷的重要科学测试仪器。当今国内外市场上存在的试验机主要可分为三大类：电液伺服控制材料试验机、电液比例控制材料试验机、电子式万能试验机。
最初的自动控制液压材料试验机采用电液伺服阀构成控制系统，这类试验机采用大流量的伺服阀系统，其功率消耗大、装备复杂、费用昂贵，此外，抗污染能力差，传动液压油受到污染后系统将不能正常工作。
针对电液伺服控制中存在的各种问题，电液比例控制技术被应用于材料试验机。比例阀以传统的工业液压阀为基础，采用可靠、价廉的模拟电-机械转换器和与之相应的阀内设计，对油质要求与一般工业阀相同，其阀内压力损失低，性能又能满足大部分工程测试业要求的比例控制元件。近年来出现了一种性能和价格介于伺服阀和普通比例阀之间的控制阀—高性能电液比例方向阀，它具有传统比例阀的特征，采用比例电磁铁作为电-机械转换器，同时，它又采用伺服阀的加工工艺、零遮盖阀口，对油液清洁度要求低于电液伺服阀，而它的控制性能已经与普通电液伺服阀相当，能大幅提高控制性能。
随着电液伺服技术、电液比例技术、微电子技术、计算机技术及现代控制技术的飞速发展，国内外试验机生产厂商都积极研发具有恒加载速率、恒应变速率、恒位移速率控制特点的试验机。20世纪80年代末，济南试验机厂和日本岛津公司合资生产了WAW-500型试验机。其采用电液伺服阀，试验范围大，具有恒加载速率、恒应变速率、恒位移速率控制等特点，可高效率高精度地自动完成试验过程，描绘出试验曲线，并对结果进行处理和打印、记录，还有故障自我诊断功能和人机对话功能，是比较先进的液压万能试验机。
1.2.1国内外研究现状
国内液压试验机从五十年末开始，仿制并大批生产了德国申克公司的手动控制的UPM系列液压万能试验机。如国内各试验机厂生产的WE系列万能机、YA系列压力机。它采用手动控制系统，主要特点是手动加载、卸载，摆锤测力、度盘显示，如图1.1所示。这种设备测量范围小，精度低，对变形及位移不能等速率控制，加上摆锤的惯性误差等的影响，国家己经开始逐步限制这类试验机进入市场。但由于这种试验机价格低廉、维护方便，目前，这两种试验机仍占相当大的市场。
图1.1 手动式液压万能试验机 图1.2 数显式液压万能试验机
为了提高测量精度，消除摆锤对测量精度的影响，一些试验机厂家以电子测力代替杠杆摆锤测力，如图1.2所示。这类试验机只在测力系统和数据显示方面作了改进，大多以单片机作为数据采集和处理系统，在长期可靠性方面存在不少问题，在控制系统方面存在不少缺陷，无法实现等速控制。
长春试验机研究所生产的WAW系列微机控制液压万能试验机，其测量范围可达6档，具有等速控制试验方式及专门为金属拉伸试验设计的试验方式，但采用模拟放大器，继电器自动换档，不能实现各档之间的平滑切换，可靠性比较差。同时，国内试验机厂也积极与国外著名试验机公司合作联合开发自动控制液压万能试验机，济南试验机厂引进日本岛津技术开发WAW-Y系列微机控制电液伺服万能试验机，上海华龙测试仪器厂引进德国DOLI公司技术生产的WAW系列微机控制电液伺服万能试验机，这些试验机虽然能实现闭环控制，但存在各种控制方式不能灵活组合，控制性能难以适应材料刚度的变化，调试和使用复杂，适用范围不广，而且因价格昂贵难以被国内大部分企业所接受。
国外著名的试验机生产厂商主要有四个：美国的MTS公司，英国的 ...
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