滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)的液壓控制系統(tǒng)分析

張宏友

(大連海洋大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，遼寧大連116300)

滾動(dòng)軸承疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)是檢測(cè)軸承疲勞壽命的主要設(shè)備。而對(duì)其進(jìn)行強(qiáng)化加載的方式也多種多樣，針對(duì)目前的杠桿砝碼加載、彈簧加載、靜壓力加載方式中存在的載荷不穩(wěn)定、加載范圍小、精度低等問(wèn)題，一般可采用液壓比例自動(dòng)加載。而液壓比例加載目前在滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)中已有應(yīng)用，不過(guò)對(duì)于其控制系統(tǒng)理論的分析較少。為此，在液壓比例及伺服系統(tǒng)在滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)工程應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對(duì)液壓比例加載系統(tǒng)的控制理論進(jìn)行初步的探討。

1 液壓加載控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軸承強(qiáng)化壽命試驗(yàn)的液壓加載控制方式主要有機(jī)液伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)、氣液伺服系統(tǒng)3 種方式，而其中電液伺服控制相對(duì)于機(jī)液、氣液具有控制精度高、液壓元件響應(yīng)速度快、抗負(fù)載剛度大等優(yōu)點(diǎn)，并且電傳感器多樣化，針對(duì)模擬軸承轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中工況的復(fù)雜性及設(shè)備空間結(jié)構(gòu)所限造成的信號(hào)提取困難，易于采集更多的物理量。在確定電控控制方式后，對(duì)于壓力調(diào)節(jié)需要保證加載力連續(xù)可調(diào)、加載平穩(wěn)準(zhǔn)確、控制方便等特性，所以可采用按輸入的電信號(hào)連續(xù)地、按比例地控制液壓系統(tǒng)的液流方向，流量和壓力由比例閥進(jìn)行調(diào)節(jié)。而比例閥又包含比例換向、比例減壓、比例溢流3 種結(jié)構(gòu)，3 種閥的特點(diǎn)比較如表1所示，考慮到比例溢流閥可在恒力加載中長(zhǎng)時(shí)間處于中位不工作狀態(tài)，因此調(diào)節(jié)平穩(wěn)、精度及可靠性高，并且當(dāng)比例換向閥發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)無(wú)法進(jìn)行加載動(dòng)作，比例減壓閥不減壓，這些結(jié)果都可能造成加載油缸一直處于最大加載狀態(tài)，嚴(yán)重時(shí)甚至損害被試軸承，而比例溢流閥發(fā)生故障時(shí)無(wú)法建立工作壓力，即油缸無(wú)加載力輸出，因此發(fā)生故障時(shí)安全性?xún)?yōu)于前兩者。

表1 3 種調(diào)節(jié)方式的比較

對(duì)ABLT-5A 滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)的滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)液壓加載系統(tǒng)如圖1所示。所設(shè)計(jì)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)的加載系統(tǒng)應(yīng)同時(shí)保證多套軸承的軸向及徑向加載工況，可根據(jù)具體試驗(yàn)要求來(lái)設(shè)計(jì)多個(gè)軸向及徑向加載液壓缸及相應(yīng)控制支路。在圖1 中，僅設(shè)計(jì)單套軸向及徑向加載油缸，如試驗(yàn)軸承較多，可參照?qǐng)D1 并聯(lián)多套加載油缸及比例溢流閥控制系統(tǒng)。

圖1 滾動(dòng)軸承液壓電液比例加載控制系統(tǒng)

現(xiàn)分析單個(gè)液壓加載控制系統(tǒng)支路的供油過(guò)程如下:首先系統(tǒng)泵油，液壓油從油箱經(jīng)過(guò)濾器1、三位四通換向閥5、單向節(jié)流閥6、夾緊液壓鎖7 到軸向加載液壓缸8 的無(wú)桿腔中;其次在系統(tǒng)回油過(guò)程中，油液可由軸向加載油缸有桿腔通過(guò)比例溢流閥10、單向節(jié)流閥、三位四通換向閥，最終流回油箱。其中在回油路中通過(guò)比例溢流閥調(diào)整加載油缸壓力值，并經(jīng)過(guò)壓力傳感器9 實(shí)時(shí)反饋控制所加負(fù)載大小，從而實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的比例控制。在此系統(tǒng)中，由于溫度變化對(duì)比例閥反饋控制比較敏感，一般在出油口處接冷卻器11，或配置空調(diào)進(jìn)行散熱。另外對(duì)于系統(tǒng)主油路的壓力，應(yīng)在主油路并聯(lián)溢流閥來(lái)調(diào)整系統(tǒng)壓力，以保護(hù)比例溢流閥內(nèi)壓力平穩(wěn)。

2 液壓加載控制系統(tǒng)分析

針對(duì)企業(yè)中采用的軸承壽命試驗(yàn)機(jī)在加載過(guò)程中所要求的控制精度及控制性能越來(lái)越高，可通過(guò)建立液壓加載控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對(duì)液壓加載控制部分進(jìn)行進(jìn)一步分析。

2.1 加載控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

由以上液壓油路可以看出，液壓缸的工況過(guò)程實(shí)質(zhì)上主要是一個(gè)電液比例控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)框圖可以如圖2所示。

圖2 電液比例控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中控制的指令信號(hào)為給定壓力，壓力傳感器的反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)計(jì)算得到當(dāng)前所加載的壓力大小，與給定的壓力進(jìn)行比較得到偏差信號(hào)，經(jīng)過(guò)控制器后調(diào)節(jié)進(jìn)入液壓缸的流量，進(jìn)而精確得到所需要加載值。以下來(lái)分別建立電液比例控制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型。

2.1.1 主控器環(huán)節(jié)

在控制器中，采用不同的控制策略可以形成不同的控制器，所以控制器的輸入輸出方式不盡相同，但是總能表示成以下的形式［1］:

式中:UC= U－ Uf;U 為指令信號(hào);Uf表示反饋信號(hào);UC為控制信號(hào)。

2.1.2 比例放大環(huán)節(jié)

系統(tǒng)中通過(guò)比例溢流閥中的放大器將輸入的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏餍盘?hào)，以驅(qū)動(dòng)比例溢流閥。其表達(dá)式如下［2］:

式中:KUI表示放大器增益;IC為控制電流。

2.1.3 比例溢流閥控制液壓缸環(huán)節(jié)

比例溢流閥的閥芯位移由控制電流產(chǎn)生的電磁力驅(qū)動(dòng)，所以為簡(jiǎn)化處理，假設(shè)電磁力F 與控制電流I成正比，則可表示如下:

式中:KiF為比例電磁鐵的電流即力增益量值。

作用在閥芯上的作用力主要有:電磁鐵的驅(qū)動(dòng)力F，復(fù)位和調(diào)零彈簧的彈簧力，液動(dòng)力和摩擦力。設(shè)閥芯的質(zhì)量為m，調(diào)零彈簧的彈簧剛度為KSF，阻尼系數(shù)為Bp，忽略液動(dòng)力和摩擦力，則閥芯的位移運(yùn)動(dòng)方程為［3］:

對(duì)上式進(jìn)行拉氏變換，得閥芯位移輸出模塊的傳遞函數(shù)為:

綜上，可得比例溢流閥環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型為:

進(jìn)一步通過(guò)比例傳輸信號(hào)，可得在初始條件為零，并進(jìn)行拉普拉斯變換后，負(fù)載力為常數(shù)時(shí)，閥芯位移x 為輸入，缸位移y 為輸出的傳遞函數(shù)為［5］:

式中:ωn和ξ 分別為閥控缸系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比，其值分別為:

式中:A1為油缸進(jìn)油腔面積;B 為油缸阻尼系數(shù);Kc為比例閥口壓力流量系數(shù);K 為油液體積的彈性模量;V1為液壓缸進(jìn)油腔及進(jìn)油管路油液體積;mg為油缸活動(dòng)部分質(zhì)量;λc為油缸總泄漏系數(shù)。

3 液壓加載控制系統(tǒng)特性仿真

所設(shè)計(jì)液壓比例系統(tǒng)的元件特性參數(shù)如表2所示。

表2 液壓缸系統(tǒng)元件參數(shù)表

針對(duì)企業(yè)中軸承設(shè)備試驗(yàn)機(jī)的尺寸及載荷范圍，液壓電液比例控制系統(tǒng)所選的參數(shù)如表2所示。由以上所做分析，將表2 中參數(shù)代入上述公式并作相應(yīng)的簡(jiǎn)化處理，可得系統(tǒng)的基本參數(shù)如下:

根據(jù)以上所建立的數(shù)學(xué)模型，依據(jù)MATLAB 仿真工具中的Simulink 建立仿真模型，可得到電液比例控制系統(tǒng)的時(shí)域及頻域特性曲線(xiàn)如圖3、圖4所示。

圖3 電液比例系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性

圖4 電液比例控制系統(tǒng)頻域響應(yīng)特性

由系統(tǒng)階躍響應(yīng)及頻域響應(yīng)特性曲線(xiàn)可以看出:電液比例控制系統(tǒng)超調(diào)較高，調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng);系統(tǒng)固有頻率較低，具有良好的震蕩性能。針對(duì)此系統(tǒng)特性，可通過(guò)相應(yīng)的控制策略進(jìn)行調(diào)整，如PID 策略等，以提高系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性。

4 結(jié)論與展望

對(duì)滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)液壓加載系統(tǒng)進(jìn)行分析，采用比例溢流閥控制系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)的ABLT-5A 滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了改造，并設(shè)計(jì)了新的液壓控制回路;在此基礎(chǔ)上，對(duì)液壓控制系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模及控制系統(tǒng)分析，以及應(yīng)用MATLAB 軟件在數(shù)學(xué)建模的基礎(chǔ)上對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了模擬仿真，得出了系統(tǒng)相應(yīng)的階躍及頻域特性。通過(guò)以上設(shè)計(jì)及分析，在未來(lái)的滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)液壓加載控制中，可對(duì)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及控制精度進(jìn)行深入的討論，逐步提高滾動(dòng)軸承壽命試驗(yàn)機(jī)的控制性能。

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