基于帕斯卡原理的10MN液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的研制

譚洪輝　徐立　陶澤成

摘要：針對液壓式大力值標(biāo)準(zhǔn)裝置中油缸與活塞間的潤滑問題，應(yīng)用靜壓潤滑技術(shù)研制一臺最大輸出力值為10MN、準(zhǔn)確度等級為0.05級的液壓放大式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。通過在力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主油缸及測力油缸中均采用基于靜壓潤滑技術(shù)的靜壓缸塞裝置，利用油液的濕摩擦大幅減小油缸與活塞間的摩擦阻力;同時通過防過沖裝置的設(shè)計(jì)，解決靜壓缸塞系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)一端加載時另一端缸塞發(fā)生過沖的現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于靜壓潤滑技術(shù)的液壓放大式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)具有良好的力值重復(fù)性及輸出穩(wěn)定性，同時其方位誤差和示值誤差均達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對靜壓潤滑技術(shù)及防過沖裝置在大力值標(biāo)準(zhǔn)裝置中的應(yīng)用具有參考價值。

關(guān)鍵詞：大力值;帕斯卡原理;靜壓潤滑;液壓放大;力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)

中圖分類號：TH71

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674–5124（2019）03–0089–06

10 MN hydraulic amplifier force standard machine based on Pascal principle

TAN Honghui1，2， XU Li1，2， TAO Zecheng3

（1. Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Geometric and Mechanical Metrology Technology， Guangzhou 510405， China; 2. Guangdong Provincial Institute of Metrology， Guangzhou 510405， China; 3. Kunshan Innovation Testing Instruments Co.，Ltd.， Kunshan 215300， China）

Abstract： Based on the hydrostatic lubrication technology， the Hydraulic amplifier force standard machine with output force 10 MN and the accuracy 0.05 level was made to solve the lubrication between the cylinder and the piston device. The hydrostatic lubrication technology would be used in the main cylinder and force cylinder to decrease sharply the friction. The anti-overshoot device would be designed to solve the overshoot when the force was loading. Results show that the force value repeatability and output stability of hydraulic amplifier force standard machine based on the no-damping static pressure lubrication technology were very well. Meanwhile， its azimuth error and indication error have reached the design requirements. It has reference value for the application of the hydrostatic lubrication technology and anti-overshoot device in the force standard machine.

Keywords： large force value; Pascal principle; hydrostatic lubrication; hydraulic amplifier; force standard machine

0 引言

隨著現(xiàn)代科技和工業(yè)的發(fā)展，大力值的應(yīng)用越來越廣泛，如冶金工業(yè)領(lǐng)域的大型軋鋼機(jī)、萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)、新型材料機(jī)械特性研究、現(xiàn)代宇航技術(shù)研究、現(xiàn)代武器裝備的準(zhǔn)確性和安全可靠性研究、艦船、飛機(jī)及運(yùn)載火箭的動力性能研究等，都離不開準(zhǔn)確的大力值測量[1-5]。

為保障工業(yè)或科研領(lǐng)域大力值的準(zhǔn)確可靠，作為能獲得高輸出力值的同時能保持較小的不確定度的液壓式大力值標(biāo)準(zhǔn)機(jī)成為計(jì)量研究領(lǐng)域的重點(diǎn)領(lǐng)域。世界各國家自20世紀(jì)七八十年代開始投入大量人力物力研制液壓式大力值標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。表1列出了目前世界各國大力值標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的發(fā)展情況。目前我國大力值基準(zhǔn)正是采用的一臺20MN液壓放大式大力值標(biāo)準(zhǔn)機(jī)[6]。

影響液壓放大式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)輸出力值穩(wěn)定性與波動幅度最主要的因素為液壓油缸與活塞裝置間的潤滑情況，潤滑狀況的好壞直接影響到裝置輸出力值的穩(wěn)定性與波動幅度。根據(jù)液壓缸塞系統(tǒng)的潤滑方式，可分為動壓潤滑和靜壓潤滑兩種。其中，日本國家計(jì)量院20MN力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)與德國PTB的16.5MN力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)采用的為動壓潤滑技術(shù);而中國計(jì)量科學(xué)研究院的20MN國家基準(zhǔn)以及上海院的5MN力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)采用的是靜壓潤滑技術(shù)。靜壓潤滑因油缸無需旋轉(zhuǎn)，因此力值波動性小，但技術(shù)難度也較大[9]。

針對液壓放大式標(biāo)準(zhǔn)機(jī)中液壓缸塞系統(tǒng)的潤滑問題，設(shè)計(jì)了一種基于靜壓潤滑技術(shù)的靜壓缸塞裝置，消除了活塞上下運(yùn)動時與缸壁間的摩擦;同時采用雙缸靜壓潤滑技術(shù)，有效改善了液壓式大力值標(biāo)機(jī)輸出大力值的波動性與穩(wěn)定性。在此基礎(chǔ)上研制了一臺最大輸出力值為10MN、準(zhǔn)確度等級為0.05級的液壓放大式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)。

1 液壓放大式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)原理及組成

1.1 液壓放大式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)工作原理

液壓放大式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)是以帕斯卡原理為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)制造的。帕斯卡原理指出，密閉容器內(nèi)的液體向各個方向施加相等的壓力，根據(jù)這一原理，作用于封閉液體的外力以相等的壓力向限制液體的容器或管道的表面?zhèn)鬟f。因而，在液壓系統(tǒng)中作用于小面積上的力，會在大面積的工作活塞上產(chǎn)生一個大的標(biāo)準(zhǔn)力值。如圖1所示。

根據(jù)等靜壓原理可得：

其中，P為壓強(qiáng)，m為小靜壓缸加載砝碼質(zhì)量，F(xiàn)為1大靜壓缸塞產(chǎn)生的壓力，g為重力加速度，ρa(bǔ)為空氣密度，ρw為砝碼材料密度，d1小靜壓缸塞直徑，d2大靜壓缸塞直徑。由式（1）可得到大靜壓缸塞產(chǎn)生的輸出大力值為：

由此可見可以通過控制大小靜壓缸的活塞直徑來控制力值放大比[12]。

1.2 液壓放大式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組成

液壓放大式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)主要由主機(jī)、測力系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)4部分組成。

主機(jī)部分的作用是將測力部分產(chǎn)生并經(jīng)液壓系統(tǒng)放大后的力值有效地作用在被檢測儀器上，該部分主要由機(jī)架、移動橫梁、反力架及相關(guān)傳動機(jī)構(gòu)組成，如圖2所示。主機(jī)主要采用四立柱、主油缸上置的結(jié)構(gòu)，以確保整機(jī)的穩(wěn)定性。移動橫梁將機(jī)架中的試驗(yàn)空間劃分為上、下兩部分，分別用于壓向和拉向試驗(yàn)，主油缸輸出的標(biāo)準(zhǔn)力值通過反力架和移動橫梁傳遞到被檢儀器上。

圖3為測力部分結(jié)構(gòu)圖，測力部分由標(biāo)準(zhǔn)砝碼及其加載機(jī)構(gòu)構(gòu)成。利用不同砝碼組合的重力產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)載荷，并加載到測力油缸上。砝碼依據(jù)安裝地的重力加速度進(jìn)行修正。加載機(jī)構(gòu)完成砝碼的自動加載、卸載與交換，同時確保整個試驗(yàn)過程的平穩(wěn)、無擦靠和無逆程。

液壓系統(tǒng)主要包括液壓放大油路與靜壓潤滑油路兩大部分，以及其他必須液壓元件。液壓放大油路利用連通油路中的高壓油將測力部分產(chǎn)生的壓力從測力油缸傳遞至主油缸，并通過兩油缸之間的面積比實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)力值放大。本裝置采用的靜壓潤滑油路是從油缸側(cè)面上的多組微孔中向缸內(nèi)注入高壓油，在活塞與缸體之間形成靜壓油膜，起到導(dǎo)向和消除摩擦的作用，使活塞能懸浮于油缸中，從而提高液壓放大油路的靈敏度與整機(jī)的準(zhǔn)確度。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對整個試驗(yàn)過程的自動控制與數(shù)據(jù)采集處理，根據(jù)相關(guān)要求設(shè)置試驗(yàn)流程，能提供自動控制與手動控制兩種試驗(yàn)方式。

2 液壓放大式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)關(guān)鍵部件

2.1 靜壓缸塞裝置

在液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)中，影響力值準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性的最關(guān)鍵因素是油缸與活塞之間的潤滑問題。由于液壓加載過程屬于低速運(yùn)動，在無輔助措施的情況下，活塞與油缸間難以形成充分的油膜潤滑，極易出現(xiàn)爬行、摩擦、碰撞等現(xiàn)象，造成加載速度不均勻、系統(tǒng)元件磨損加劇，并造成振動、噪聲等影響力值穩(wěn)定性與準(zhǔn)確度的不良因素。目前的解決方案主要有兩種：一種是動壓潤滑，使油缸圍繞活塞轉(zhuǎn)動，并且采用較大的配合間隙，在滑動面上建立良好的油膜;另一種是靜壓潤滑，通過一套獨(dú)立的供油系統(tǒng)，將具有一定壓力的油液（通常低于缸內(nèi)的加載工作油壓）直接輸入油缸與活塞間的間隙中，強(qiáng)制形成油膜進(jìn)行潤滑。前者的優(yōu)點(diǎn)是液壓系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對簡單，但對于加工精度要求較高，且油缸持續(xù)旋轉(zhuǎn)也易造成試驗(yàn)力周期性波動、油溫升高等附加影響因素。而靜壓潤滑可有效減少摩擦、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性、降低零部件加工要求、延長工作壽命，但其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，需解決靜壓腔及節(jié)流孔的設(shè)計(jì)、缸塞配合間隙的確定、靜壓供油壓力的選擇、潤滑用油與工作用油之間的密封隔離等問題。

本文所研制的10MN液壓放大式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)采用靜壓潤滑技術(shù)，如圖4所示。新型靜壓缸塞裝置由活塞1、缸體2、外缸體3組成。缸體2密至于外缸體3中，缸體2與外缸體3內(nèi)壁之間形成空隙4，外缸體3設(shè)有流體流入口6，該流體流入口與空隙4相通?；钊?置于缸體2中，缸體2的壁面（包括側(cè)面和底部）上設(shè)有若干個穿透微孔7，微孔的孔徑小于2mm，通過油缸側(cè)面上的多組微孔7向缸內(nèi)注入高壓油，在活塞1與缸體2之間形成環(huán)狀的靜壓油膜，利用微孔產(chǎn)生的高壓等壓流體介質(zhì)膜使活塞1與缸體2完全被流體介質(zhì)膜阻隔;在一套缸塞系統(tǒng)的兩端各設(shè)置一套靜壓供油油路，相當(dāng)于在活塞兩端形成兩個軸承，起到支承導(dǎo)向和減小摩擦的作用，使活塞能懸浮在油缸中運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)缸體與活塞間的運(yùn)動。

同時本裝置在大小兩套缸塞系統(tǒng)中采用同樣的靜壓潤滑技術(shù)，可有效減小液壓波動，極大降低了設(shè)備的力值波動性，提高了設(shè)備力值輸出的穩(wěn)定性[13]。2.2 防過沖裝置

由于力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)需提供穩(wěn)定準(zhǔn)確的標(biāo)準(zhǔn)力值，但在砝碼在加載過程中，由于砝碼自重等原因加載裝置無法做到完全平穩(wěn)加載，造成液壓放大系統(tǒng)液體壓強(qiáng)的波動，導(dǎo)致輸出力值的波動，出現(xiàn)過沖現(xiàn)象。為消除加載過程中所引起的力值波動，本裝置設(shè)計(jì)了一種結(jié)構(gòu)簡單的防過沖裝置，該裝置處于砝碼加載裝置與執(zhí)行元件之間，阻斷砝碼加載過程中加載裝置的過沖向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞，從而有效消除力值加載過程中的過沖現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)加載及力值變換時的輸出力值穩(wěn)定。

圖5是防過沖裝置結(jié)構(gòu)圖。為阻斷砝碼加載過程中加載裝置的沖擊力向執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳遞，防過沖裝置安裝在加載裝置與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間，其上連接座1與砝碼加載裝置相連接，下連接座7與執(zhí)行機(jī)構(gòu)連接。當(dāng)裝置未加載時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)保持靜止，下連接座7與執(zhí)行機(jī)構(gòu)相連也保持靜止。

當(dāng)測力部分的砝碼加載時，加載裝置帶動上連接座1向下運(yùn)動，上連接座1、本體3一起帶動滑塊5向下運(yùn)動，此時由于下連接座7保持靜止，因此滑動塊5只能朝兩邊移動，直到滑動塊5與橡膠塊2相接觸且橡膠塊2不能再壓縮時，滑塊5停止移動，此時滑動塊5與下連接座7之間不再有相對滑動;此時若上連接座1繼續(xù)向下運(yùn)動，就會通過滑塊5帶動下連接座7向下運(yùn)動，從而帶動執(zhí)行元件向下運(yùn)動。由此可見，該裝置將作為標(biāo)準(zhǔn)力源的砝碼加載過程中出現(xiàn)的過沖動能轉(zhuǎn)變?yōu)榱讼鹉z塊的彈性勢能，從而防止了加載過程不穩(wěn)所造成的執(zhí)行機(jī)構(gòu)輸出力值波動。

在卸載過程中，砝碼卸載裝置向上運(yùn)動，將帶動上連接座1向上運(yùn)動，此時上連接座1和本體3一起帶動滑動塊5向上運(yùn)動，由于連接銷6可以在下連接座7中滑動一定距離，因此此時下連接座7不會動，也就不會帶動執(zhí)行元件向上運(yùn)動，此時執(zhí)行元件仍然靜止。若上連接座1繼續(xù)向上運(yùn)動，彈簧4帶動滑動塊5向上運(yùn)動，與下連接座7接觸，實(shí)現(xiàn)復(fù)位功能。在此過程中即使加載機(jī)構(gòu)出現(xiàn)過沖現(xiàn)象，由于防過沖裝置的存在，執(zhí)行機(jī)構(gòu)仍能夠?qū)崿F(xiàn)平穩(wěn)加載和卸載過程，消除加載及卸載過程中的力值波動。

該裝置的應(yīng)用解決了靜壓缸塞系統(tǒng)內(nèi)，當(dāng)一端加載時另一端缸塞發(fā)生上沖現(xiàn)象。通過位移控制和微流量控制，使整體設(shè)備的精度不受影響并且保證了裝置的長久精準(zhǔn)使用狀態(tài)。

3 10MN力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)性能測試

基于靜壓潤滑技術(shù)的10MN液壓放大式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)實(shí)物如圖6所示。為確定10MN里標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的輸出力值特性，對裝置的進(jìn)行了一系列的性能測試。由于該標(biāo)準(zhǔn)裝置是作為華南大區(qū)最高大力值計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，因此按照J(rèn)JG1117-2015《液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)檢定規(guī)程》對裝置的計(jì)量性能進(jìn)行了測試，對力值重復(fù)性、力值方位誤差、力值示值誤差3個關(guān)鍵重要參數(shù)進(jìn)行了測試[14]。

測試中采用了3臺準(zhǔn)確度等級為0.03級的標(biāo)準(zhǔn)測力儀，其量程分別為0.2～2MN、0.3～5MN、0.5～10MN。10MN力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)各力值量程段測試結(jié)果如表2～表4所示。

由表2～表4可見，10MN液壓放大式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)力值重復(fù)性控制在0.03%以內(nèi)，力值方位誤差控制在0.07%以內(nèi)，力值示值誤差控制在0.03%以內(nèi)，力值相對擴(kuò)展不確定度（k=2）控制在0.05%以內(nèi)，同時，由表2還可知，即使是在0.2～2MN的力值區(qū)間內(nèi)，仍能夠使輸出力值保持較小的不確定度。由此可見，本文研制的力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)具有良好的輸出特性，能夠滿足華南大區(qū)大力值的量值溯源需求。

4 結(jié)束語

在液壓放大式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)中采用靜壓潤滑技術(shù)，利用流體間隙密封的原理，既保證了靜壓缸與柱塞之間的油膜隔離又能確保它們之間的充分潤滑，實(shí)現(xiàn)了活塞和缸體間的相對運(yùn)動。同時通過在液壓放大式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)大小油缸中采用同樣的靜壓缸塞裝置以及加載機(jī)構(gòu)中安裝新型防過沖裝置，實(shí)現(xiàn)了液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)輸出力值的穩(wěn)定可靠。測試結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)改進(jìn)后，該力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)具有良好的力值重復(fù)性及輸出穩(wěn)定性，同時其方位誤差和示值誤差均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，本文對于液壓式力標(biāo)準(zhǔn)機(jī)的設(shè)計(jì)和制造具有參考推廣作用。

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（編輯：劉楊）