雙閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用于液壓拉力軸承測試

劉乃鎖，張新港，馬磊，陳秀琴，姚海龍，馬嵩源

（天津電氣科學(xué)研究院有限公司，天津 300180）

軸承在機(jī)械設(shè)備領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。它主要用于支持機(jī)械設(shè)備旋轉(zhuǎn)，降低其旋轉(zhuǎn)過程中的摩擦，且能夠保證其回轉(zhuǎn)精度[1]。在一些運(yùn)轉(zhuǎn)速度比較高的設(shè)備上（如汽車、高鐵），對軸承的性能要求非常高，在軸承投入使用前需要進(jìn)行測試，檢測其在不同工況下的疲勞以及損傷情況[2]。

拉力軸承在航空領(lǐng)域的傳動系統(tǒng)中應(yīng)用較為廣泛，是傳動系統(tǒng)的重要組成部分，對傳動系統(tǒng)的性能、壽命以及極端條件下的可靠性等都有較大影響[3-5]。拉力軸承測試模擬試驗(yàn)件軸承的載荷工況，進(jìn)行試驗(yàn)件的旋轉(zhuǎn)、加載等各種工況試驗(yàn)，測試被試件的各項(xiàng)性能指標(biāo)。

目前的實(shí)際生產(chǎn)試驗(yàn)中，機(jī)械加載、電加載以及液壓加載是對拉力軸承測試系統(tǒng)進(jìn)行力值加載的三種主要方式。機(jī)械加載需要單獨(dú)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)且占用空間較大，在加載力控制的快速性和準(zhǔn)確性方面仍有不足；電加載通常使用電機(jī)加載，在需要的加載力較大時(shí)會有較大的噪聲和振動等問題；液壓加載是通過液壓缸的運(yùn)行以及控制閥來給軸承加載，占用空間小，加載力值范圍大且運(yùn)行噪音小，因此液壓加載應(yīng)用較為廣泛[6-8]。本試車臺項(xiàng)目采取液壓加載方式完成測試。

1 拉力軸承測試

拉力軸承加載系統(tǒng)采用液壓加載方式進(jìn)行加壓，通過安裝在加載油缸上的伺服閥控制油缸兩個(gè)油腔的壓力差，進(jìn)而控制加載的力值。

在試驗(yàn)調(diào)試過程中，單閉環(huán)PID控制器的抗干擾能力較差，試驗(yàn)過程中的擾動會導(dǎo)致被控量產(chǎn)生振蕩，導(dǎo)致被控對象失控。而雙閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性相對于單閉環(huán)系統(tǒng)強(qiáng)，而且能夠更好地滿足系統(tǒng)的控制要求。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)器具備施加載荷和轉(zhuǎn)速的功能。試驗(yàn)載荷要求：轉(zhuǎn)速350 r/min，側(cè)向力10 kN，軸向力101 kN，彎矩20 kN·m，試驗(yàn)載荷留有一定裕量，保證試驗(yàn)安全。

旋翼軸加載機(jī)構(gòu)布置在被試件的正上方，可以傳遞拉力、彎矩、側(cè)向力等。旋翼軸加載機(jī)構(gòu)有3個(gè)油缸，其中，2個(gè)豎直150 kN油缸力值的和為系統(tǒng)拉力，力值的差乘以力臂為系統(tǒng)彎矩，橫向20 kN油缸為系統(tǒng)提供側(cè)向力。加載機(jī)構(gòu)如圖1和圖2所示。

圖1 旋翼軸加載機(jī)構(gòu)布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotor shaft loading mechanism

圖2 旋翼軸加載機(jī)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖視圖Fig.2 Section view of rotor shaft loading mechanism internal structure

2.2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

加載機(jī)構(gòu)的動力由液壓系統(tǒng)提供，驅(qū)動部分由三相異步電機(jī)和定量柱塞泵組成；控制部分為MOOG比例伺服閥，同時(shí)也作為執(zhí)行器件；執(zhí)行部分為雙作用單伸出桿伺服油缸，內(nèi)含位移監(jiān)測傳感器，外接力傳感器；輔助部分由液壓油箱、液位傳感器、液溫傳感器、加熱器、空濾器、過濾器、蓄能器及散熱器等元器件組成；管路部分由膠管、軟管及管接頭組成。液壓加載系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 液壓加載系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of hydraulic loading system

試驗(yàn)要求最大軸向加載能力為150 kN，最大彎矩加載能力為30 kN·m，最大側(cè)向力加載要求為15 kN，軸向力加載安裝2個(gè)油缸，側(cè)向力加載安裝1個(gè)油缸。本液壓系統(tǒng)軸向油缸最大加載能力105 kN，側(cè)向油缸最大加載能力20 kN，可以滿足試驗(yàn)要求。加載液壓壓力穩(wěn)定在15 MPa，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，溫度以及電機(jī)旋轉(zhuǎn)對其壓力值無明顯影響。

2.3 自動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電氣控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)對驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速、側(cè)向力、軸向力及彎矩加載，以及對液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)進(jìn)行開關(guān)控制。

驅(qū)動電機(jī)采用西門子高效低壓三相異步電動機(jī)，配有測速和測溫傳感器，自帶風(fēng)機(jī)冷卻，其防護(hù)等級為IP55，該系列電動機(jī)設(shè)計(jì)生產(chǎn)符合ISO，IEC，GB等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。由于本系統(tǒng)為電機(jī)直驅(qū)，所需轉(zhuǎn)速較低，在標(biāo)準(zhǔn)電機(jī)中選擇極數(shù)最多的8極電機(jī)，理論額定轉(zhuǎn)速738 r/min，根據(jù)試驗(yàn)工況選型后，電機(jī)參數(shù)如下：額定功率45 kW，額定電壓380 V，額定電流94 A，額定轉(zhuǎn)速738 r/min，額定轉(zhuǎn)矩582 N·m。

自動控制系統(tǒng)由西門子S7-1500和上位機(jī)監(jiān)控軟件組成，完成整個(gè)試驗(yàn)臺控制系統(tǒng)的操作、控制、聯(lián)鎖、轉(zhuǎn)速設(shè)定和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控。

監(jiān)控系統(tǒng)采用上位機(jī)軟件編程，操作界面簡易直觀。軟件與PLC系統(tǒng)進(jìn)行通訊，可以在軟件控制界面完成試驗(yàn)流程圖及設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控和操作，并且能夠存儲和查詢實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)?？刂平缑婢哂谐迗?bào)警、自動停機(jī)以及緊急停機(jī)（快速制動）功能。

S7-1500配備模擬量輸入模塊完成試驗(yàn)臺的數(shù)據(jù)采集與自動控制，采用以太網(wǎng)搭建開放式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，完成對試驗(yàn)信息的采集和控制，采集精度滿足試驗(yàn)需求。試驗(yàn)臺網(wǎng)絡(luò)示意圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)示意圖Fig.4 Network diagram

3 系統(tǒng)調(diào)試

試驗(yàn)臺主要完成在電機(jī)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下對試驗(yàn)件的拉力、彎矩、側(cè)向力的控制。電機(jī)轉(zhuǎn)速在350 r/min穩(wěn)定運(yùn)行，通過控制液壓系統(tǒng)的比例伺服閥的開度來調(diào)節(jié)液壓缸兩個(gè)腔體的壓力，兩個(gè)腔體間的壓力差即為作用到試驗(yàn)件上的壓力。試驗(yàn)件的拉力為兩個(gè)軸向力的作用力之和；彎矩為兩個(gè)軸向力油缸的作用力之差乘以兩個(gè)油缸作用點(diǎn)的力臂；軸向力為單個(gè)側(cè)向油缸的作用力。通過PID控制伺服閥的開度來調(diào)節(jié)液壓缸兩個(gè)腔體的壓力差，再通過程序計(jì)算將壓力轉(zhuǎn)換為實(shí)際作用到試驗(yàn)件的力。在調(diào)試過程中，試驗(yàn)了單閉環(huán)控制、雙閉環(huán)控制等幾種方法。

3.1 單閉環(huán)控制

對于拉力、彎矩、側(cè)向力的控制采用PID單閉環(huán)控制，輸入為力設(shè)定值（實(shí)驗(yàn)需要的設(shè)定值），反饋為力實(shí)際值，輸出為油缸伺服閥的開度。單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Single closed-loop control structure diagram

依據(jù)單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖計(jì)算系統(tǒng)傳遞函數(shù)如下式：

式中：X(s)為給定量；Y(s)為被控量；G1(s)為控制器；G2(s)為被控對象；H(s)為用來測量輸出量的檢測儀表或元件。

根據(jù)控制原理編寫單閉環(huán)控制梯形圖程序如圖6所示。

圖6 單閉環(huán)控制程序Fig.6 Single closed-loop control program

對PID控制器的控制參數(shù)進(jìn)行整定，比例增益2.95，積分作用時(shí)間18.7 s。

試驗(yàn)過程中，驅(qū)動電機(jī)處于靜態(tài)時(shí)，單閉環(huán)控制的效果可以達(dá)到目標(biāo)值，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動起來時(shí)，通過油缸和比例伺服閥給被試件施加力時(shí)，拉力、彎矩和側(cè)向力實(shí)際值波動很大，無法穩(wěn)定。施加拉力、彎矩、側(cè)向力時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速平穩(wěn)，機(jī)械連接良好。但是機(jī)械結(jié)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，對拉力、彎矩和側(cè)向力有影響，而控制系統(tǒng)無法快速響應(yīng)變化，所以導(dǎo)致系統(tǒng)的拉力、彎矩、側(cè)向力都在波動。試驗(yàn)圖如圖7所示。單閉環(huán)控制效果分析如表1所示。

圖7 單閉環(huán)控制試驗(yàn)圖Fig.7 Single closed-loop control test diagram

表1 單閉環(huán)控制效果分析Tab.1 Analysis of single closed-loop control effect

3.2 雙閉環(huán)控制

對于拉力、彎矩和側(cè)向力控制采用雙閉環(huán)控制的方法，兩個(gè)PID控制器串級工作，力的給定值作為外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸入，力傳感器的讀數(shù)作為外環(huán)調(diào)節(jié)器的反饋。外環(huán)控制器的輸出與力的給定值之和作為內(nèi)環(huán)控制器的輸入，油缸壓力差計(jì)算出的力值作為內(nèi)環(huán)控制器的反饋，比例伺服閥的開度作為內(nèi)環(huán)控制器的輸出。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖8所示。

雙閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

式中：Ks和Ka組成主控制器；Cm為被控對象；1/Ra為副控制器；1/(Js2+fs)為調(diào)節(jié)閥；1/i為副對象；Ke為副變送器。

根據(jù)雙閉環(huán)控制原理編寫梯形圖程序如圖9所示。

圖9 雙閉環(huán)控制程序Fig.9 Double closed-loop control program

對兩組PID控制器的控制參數(shù)進(jìn)行整定，內(nèi)環(huán)比例增益為1.08，積分作用時(shí)間為15.3 s，外環(huán)比例增益為7.8，積分作用時(shí)間為16.7 s。

試驗(yàn)中拉力、彎矩采用雙閉環(huán)控制效果較好，如圖10所示。

圖10 拉力彎矩雙閉環(huán)控制Fig.10 Double closed-loop control of tension and bending moment

拉力、彎矩采用雙閉環(huán)后，測試對側(cè)向力的雙閉環(huán)控制，試驗(yàn)時(shí)驅(qū)動電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，控制效果不理想。驅(qū)動電機(jī)運(yùn)行會導(dǎo)致側(cè)向力變化，結(jié)果如圖11所示。

圖11 側(cè)向力雙閉環(huán)控制Fig.11 Double closed-loop control for lateral force

單閉環(huán)控制側(cè)向力后，側(cè)向力的值能夠達(dá)到相對穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)果如圖12所示。

圖12 側(cè)向力單閉環(huán)控制Fig.12 Single closed-loop control for lateral force

最終拉力和彎矩采取雙閉環(huán)控制，側(cè)向力采取單閉環(huán)控制的方式，系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖13所示。雙閉環(huán)控制拉力、彎矩，單閉環(huán)控制側(cè)向力效果分析如表2所示。

圖13 系統(tǒng)運(yùn)行圖Fig.13 Operation diagram of system

表2 控制效果分析Tab.2 Analysis of control effect

3.3 改進(jìn)的雙閉環(huán)控制

系統(tǒng)對于響應(yīng)時(shí)間有要求，控制仍需進(jìn)一步改進(jìn)。試驗(yàn)測試了不同機(jī)械力值的條件下，記錄比例伺服閥的開度，在設(shè)定機(jī)械力值后，計(jì)算開度與力值的線性關(guān)系。輸入給定力值后，按照線性關(guān)系，先將計(jì)算的比例伺服閥的開度賦值給比例伺服閥輸出，再進(jìn)行雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。改進(jìn)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖14所示。改進(jìn)后的部分梯形圖程序如圖15所示。

圖14 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)改進(jìn)結(jié)構(gòu)圖Fig.14 Improved structure diagram of double closed-loop control system

圖15 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)改進(jìn)程序Fig.15 Improvement procedures of double closed-loop control system

多次測試機(jī)械力與比例伺服閥開度的線性關(guān)系，通過線性關(guān)系計(jì)算比例伺服閥開度給定，將開度給定值賦給輸出值，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行雙閉環(huán)控制的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果如圖16所示。雙閉環(huán)控制拉力、彎矩改進(jìn)，單閉環(huán)控制側(cè)向力效果分析如表3所示。

圖16 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)改進(jìn)運(yùn)行圖Fig.16 Improved operation diagram of double closed-loop control system

表3 控制效果分析Tab.3 Analysis of control effect

4 結(jié)論

綜上所述，為提高試驗(yàn)力值控制的動態(tài)特性，在試驗(yàn)基礎(chǔ)上提出了采用雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，由試驗(yàn)可得如下結(jié)論：

1）使用雙閉環(huán)控制方式能夠大幅度提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，縮短穩(wěn)定時(shí)間，提高穩(wěn)態(tài)精度；

2）試驗(yàn)過程中存在干擾的情況下，對拉力、彎矩控制的雙閉環(huán)系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)，可以有效減少外在干擾因素對系統(tǒng)性能的影響，避免出現(xiàn)單閉環(huán)調(diào)整時(shí)的震蕩現(xiàn)象出現(xiàn)。對側(cè)向力控制來說，單閉環(huán)系統(tǒng)相對穩(wěn)定，抗干擾能力較強(qiáng)。