Гидросистема для нагружения конструкций при прочностных испытаниях
HYDRAULIC SYSTEM FOR LOADING OF STRUCTURES DURING STRENGTH TESTS

Изобретение относится к области испытательной техники, в частности к стендам для нагружения конструкций при прочностных испытаниях.
Известна гидросистема для нагружения конструкций при прочностных испытаниях [1]. Гидросистема представляет собой гидропривод с дроссельным регулированием, причем в качестве основного регулируемого гидроаппарата используется переливной гидроклапан с пропорциональным управлением, который подключен параллельно к гидроцилиндру нагружения. Такой гидропривод называется "гидропривод с параллельно подключенным гидродросселем" [3].
Гидросистема содержит источник питания, основной переливной клапан, электрогидравлические усилители, установленные перед гидроцилиндрами нагружения и управляющие перемещением поршней гидроцилиндров по заданной программе, система автоматического управления, датчик давления, установленный в напорной линии.
Сигнал от датчика давления через систему автоматического управления подается на дополнительный переливной клапан с пропорциональным управлением, позволяющий осуществлять изменение проходного сечения по заданной программе.
Такая гидросистема позволяет проводить испытания без возникновения гидравлических ударов и пульсаций давления (утверждение авторов изобретения [1]).
Данная гидросхема может быть применена для испытательных стендов нагружения конструкции при прочностных испытаниях практически для любого закона нагружения.
При прочностных испытаниях очень часто применяют плавное ступенчатое нагружение с выдержкой постоянного давления на ступенях и плавным ступенчатым разгружением и также с выдержкой давления на ступенях.
В этом случае необходимо выдержать ряд требований, в частности:
- применение гидропневмоаккумулятора с блоком безопасности является обязательным, причем гидропневмоаккумулятор должен обеспечивать гашение пульсаций и гидравлических ударов;
- при работе разделительный элемент гидропневмоаккумулятора (поршень, баллон, мембрана) не должен контактировать с клапаном со стороны гидравлического соединения, то есть давление зарядки гидропневмоаккумулятора должно учитываться при обеспечении диапазона работы по давлению;
- при работе гидросистемы в процессе нагружения - разгружения должны быть исключены импульсные включения или выключения электромагнитов гидравлических гидроаппаратов, а также резкое закрытие - открытие вентилей системы с целью исключения возникновения импульсов давления, что может привести к возникновению автоколебаний.
Недостатком вышеприведенной гидросистемы является то, что в ней отсутствует гидропневмоаккумулятор с блоком безопасности, что не всегда устраивает потребителей (заказчиков), особенно при проведении испытаний с плавным ступенчатым нагружением - разгружением, так как имеется большой риск возникновения пульсаций давления, в том числе и незатухающих автоколебаний, особенно при проведении испытаний специальных конструкций, когда повторные испытания недопустимы.
Известна гидросистема (наиболее близкое решение) для нагружения конструкций при прочностных испытаниях [2].
Гидросистема представляет собой гидропривод с дроссельным регулированием для нагружения конструкций при прочностных испытаниях, причем дросселирующий электрогидравлический преобразователь подключен последовательно к гидроцилиндру нагружения.
Гидросистема содержит источник гидропитания с насосом высокого давления и насосом низкого давления, напорную магистраль, сливную магистраль, теплообменник для охлаждения рабочей жидкости водой, подпорный клапан, фильтр, программный задатчик. Выходы программного задатчика соединены с входами каналов нагружения, каждый из которых представляет собой электрогидравлическую систему с обратной связью по нагрузке и содержит сравнивающее устройство, электрогидравлический преобразователь, одноштоковый гидроцилиндр, указатель нагрузки. На напорной магистрали установлен гидропневмоаккумулятор. Двухпозиционный гидравлический кран предназначен для подключения поршневой полости гидроцилиндра насоса низкого давления. Данная гридросистема позволяет проводить испытания без возникновения гидравлических ударов и пульсаций давления для практически всех законов нагружения.
Основным недостатком вышеприведенной гидросистемы является то, что при ее работе при плавном снижении давления при разгружении в зоне давления зарядки гидропневмоаккумулятора могут возникнуть импульсы давления (см. фиг. 2 и 3) и, как следствие, могут возникнуть автоколебания в системе. Необходимо прекращать работу до достижения давления зарядки гидропневмоаккумулятора, что ограничивает диапазон работы по давлению.
Еще один недостаток вышеприведенной системы - это большие тепловые потери из-за последовательно установленного пропорционального электрогидравлического гидропреобразователя на гидроцилиндре нагружения. Как отмечается в работе [3], гидроприводы с последовательно подключенным гидродросселем (электрогидравлическим преобразователем) по экономичности уступают гидроприводам с параллельно подключенным гидродросселем.
При создании изобретения была поставлена задача устранения возникновения импульсов давления в зоне давления зарядки гидропневмоаккумулятора и, таким образом, расширения диапазона работы гидросистемы по давлению, а также сведения до минимума тепловых потерь.
Решение поставленной задачи достигается тем, что гидросистема содержит двухпозиционный гидроаппарат с пропорциональным управлением, установленный перед гидропневмоаккумулятором, и по команде программного блока плавно отключает гидропневмоаккумулятор при приближении давления в гидросистеме к давлению зарядки гидропневмоаккумулятора при плавном разгружении гидроцилиндра.
Снижение тепловых потерь в гидросистеме достигается установкой переливного клапана с датчиком давления и с пропорциональным управлением параллельно гидроцилиндру нагружения. Переливной клапан позволяет осуществлять изменение проходного сечения, а применение частотного регулирования электродвигателя позволяет обеспечить минимально требуемую производительность насоса для создания давления по заданной программе.
На чертеже представлена гидросистема для нагружения конструкции при прочностных испытаниях.
Гидравлическая система содержит: гидробак 1; приемный фильтр насоса 2; нерегулируемый радиально-поршневой насос 3; электродвигатель 4 с частотным преобразователем 5; программный задатчик 6; сравнивающее устройство 7; трехпозиционный четырехходовой гидрораспределитель с электромагнитным управлением 8; вентиль аварийного сброса давления 9; переливной клапан с пропорциональным управлением и предохранительным клапаном 10; двухпозиционный гидроклапан с пропорциональным управлением 11; гидропневмоаккумулятор с защитным блоком 12; испытуемая конструкция 13; указатель уровня нагрузки (датчик усилия) 14; гидроцилиндр двустороннего действия с одним штоком 15; основной предохранительный клапан 16; фильтры тонкой очистки 17; вентиль отключения гидросистемы гидропневмоаккумулятора 18; вентиль отключения пропорционального переливного клапана 19.
Гидравлическая система работает следующим образом. После включения в работу электродвигателя с частотным регулированием рабочая жидкость из маслобака 1 через приемный фильтр 2 поступает в насос 3. При нейтральной позиции золотника гидрораспределителя 8 рабочая жидкость поступает на слив через фильтры тонкой очистки 17.
При включении электромагнита ЭМ1 одновременно запускается программа по отработке заданной диаграммы усилия. Рабочая жидкость от распределителя поступает в гидроцилиндр нагружения и создает необходимое усилие нагружения конструкции. Сигнал от указателя нагрузки 14 поступает в сравнивающее устройство 7 и программный задатчик 6. Одновременно рабочая жидкость поступает через переливной клапан с пропорциональным управлением и датчиком давления 10 на слив. Рабочее давление в гидроцилиндре, создающее заданную нагрузку на испытываемую конструкцию, формируется пропорциональным переливным клапаном путем регулирования проходного сечения, уменьшая его при нагружении и увеличивая при снижении нагрузки. Таким образом выполняется отработка заданной диаграммы нагружения.
Кроме того, рабочая жидкость поступает и в гидропневмоаккумулятор при открытом кране блока безопасности. Гидропневмоаккумулятор сглаживает пульсации в системе и защищает ее от гидравлического удара.
На фиг. 2-5 приведены результаты испытаний автоматизированной станции гидравлического нагружения с предлагаемой гидросистемой для нагружения конструкций при прочностных испытаниях в производственных условиях. Гидропневмоаккумулятор был заряжен на 9 МПа.
На фиг. 2 и 3 хорошо видны изменения давления при закрытии обратного клапана в гидропневмоаккумуляторе. На фиг. 2 показан характер изменения пульсаций давления при скорости его снижения 0,4 МПа/с, а на фиг. 3 - 0,6 МПа/с. На приведенных графиках хорошо видно, что при скорости снижения давления 0,4 МПа/с начало проявления всплеска давления происходит при 7 МПа, а при скорости снижения давления 0,6 МПа/с начало проявления всплеска происходит при 8 МПа, причем характер колебаний изменяется в худшую сторону.
На фиг. 4 и 5 показаны характеристики испытания при тех же скоростях снижения давления, но при плавном медленном закрытии клапана давления от 9 МПа до 8 МПа. Как видно из приведенных фиг. 4 и 5, колебаний давления не обнаруживается, что подтверждает правильность принятого решения.
Источники информации
1. Патент RU №2449253 С2, кл. G01M 5/00, 2012.
2. Патент SU №805752, кл. G01M 5/00, 1996.
3. Лепешкин А.В., Михайлин А.А., Шейпак А.А. Гидравлика и гидропривод: Учебник, ч. 2. Гидравлические машины и гидропневмопривод. / Под ред. А.А. Шейпака. - М.: МГИУ, 2003. - 352 с.