轴承变载荷压力试验机液压加载系统设计.pdf

2 0 1 0年 6月 第 3 8卷 第 1 2期 机床 与液压 MACHI NE TO0L HYDRAULI CS J u n ． 2 0 1 0 V0 1 ． 3 8 No ． 1 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 1 2 ． 0 2 9 轴承变载荷压力试验机液压加载系统设计 褚连娣 嘉兴学院机 电学院，浙江嘉兴 3 1 4 0 0 1 摘要针对现有轴承寿命强化试验加载系统存在的缺陷 ，设计可实现动态变载荷循环加载的液压加载系统。该系统采 用一数字式微小流量阀实现匀速加载，详细介绍该微小流量阀的工作原理。分析相应加载方法并给出加载实例。试验结果 表明在保持接触疲劳失效机理一致的前提下 ，该轴承变载荷液压加载系统使试验时间有效缩短，试验成本降低 ，产品的 开发周期缩短。 关 键词 轴承 ；变载荷 ；液压 系统 ；加载试验机 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 1 2 0 8 1 3 De s i g n o f Hy d r a ul i c Lo a di ng S y s t e m i n Be a r i n g Va r i a bl e Lo a d Pr e s s u r e M a c hi ne CHU Li a nd i C o l l e g e o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t r i c al E n g i n e e r i n g ，J i a x i n g C o l l e g e ，J i a x i n g Z h e j i a n g 3 1 4 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T o o v e r c o me t h e d e f e c t i o n o f t h e p r e s e n t b e a r i n g l i f e t i me i n t e n s i f y i n g t e s t l o a d i n g s y s t e m ， a h y d r a u l i c l o a d i n g s y s t e m w a s d e s i g n e d t o p r o v i d e d y n a mi c v a r i a b l e l o a d wh i c h w a s l o a d e d c i r c u l a r l y ． T h e w o r k i n g p rin c i p l e o f a d i g i t a l mi c r o fl o w c o n t r o l v a l v e w a s i n t r o d u c e d， w h i c h w a s a p p l i e d f o r l o a d i n g g r a d u a l l y ． T h e l o a d i n g me t h o d s w e r e a n a l y z e d， a n d t h e e x a mp l e wa s g i v e n ． Th e e x p e r i me n t a l r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e t e s t i n g t i me i s s h o r t e n e d a n d t h e c o s t i s r e d u c e d，t h e p r o d u c t d e v e l o p me n t p e ri o d i s s h o r t e n e d u n d e r t he c on d i t i o n o f t h e s a me c o nt a c t f a t i g u e i n v a l i da t i o n． Ke y wor dsBe a r i n g；Va r i a bl e l o a d； Hy d r a u l i c s y s t e m； Lo a d i n g t e s t i ng ma c h i n e 轴承 的疲 劳 寿命 是 轴 承一 个 非常 重 要 的质量 指 标 ，目前最常用 的测试方法是 通过强化加载试验来测 试轴承的寿命 。我 国现有 的疲 劳轴承试验机 自动化程 度低 ，采 用 手 动 螺 杆 移 动 加 载 活 塞 来 调 节 加 载 油 压 ⋯ ，虽 然轴承加载端是通过橡胶膜 片来加载 ，不存 在 泄漏 ，但 加载活塞却存在少量渗漏 ，以至加载油压 会逐渐降低，要求人工移动活塞来保压，不能 自动设 定 载荷谱 ，试验 加载系统 的稳定性差 。作 者通过液压 加 载系统 设 计 ，实 现 轴承 检 测 的动 态变 载 荷循 环 加 载 。 1 轴承变载荷数字式加载试验机 轴 承 变 载 荷 数 字 式加 载 试 验 机 由机 械 工作部分 轴 承试验 台、变 载 荷 加 载 机 构 、试验数据 测量部 分 传 感 器 和 数 据 采 集模块 、控制 系统及 电气 驱 动 P L C控 制 茎 竺 H 竺 苎 苎 竺 皇 _ 1 蓊 譬 募 机械7 - 作部分 I L _ 厂 皇 竺 H苎 l 计算 图 1 变载荷 寿命 试验 系统结构框图 器及驱动模块和基 于 L a b V I E W 的组 态 3部 分组成 。 强化寿命试验系统结构如图 1 所示。 机械工作部分主要包括轴承试验 台 、强化加 载系 统。轴承试验台提供强化寿命试验机的支座和安装试 验轴承；强化寿命系统使用液压缸为轴承提供可变压 力载荷 ，液压缸 的压力通过数字阀改变液压缸 的流量 实现 。 试验数 据测 量部 分 采集 的轴 承 检测 参 数 主要 包 括振动频率、轴承温度、轴向／ 径向压力、轴承转 动速度及转 动频 率等 。轴 承工 作 的时候其 内圈转动 ， 外圈不动 固定在座 体上 ，4个 温度计分别 测量外 圈上 的温度 ，确定轴 承疲劳破坏发生的温度变化 ；整个动 态测试系统放在夹具上，由轴向和径向的压力传感器 来测得所加 载荷 的实际压力值 ，记录轴承试验 的压力 变化 ；由转速传感器测量 轴的转 速和转数 ；由振动传 感器记录轴承在测试过程中的振动量。所得数据送人 控制系统，通过闭环控制方式控制轴承的转速和变载 荷加载值 ；同时被送入计算 机组 态系统 ，用于分析轴 承测试结论 。 电气驱动及控制部分 包括数字 阀、变频 电机等执 行电器的驱动电路，实现现场控制的 P L C控制器及 其扩展模块，实现人机交互和数据管理的计算机组态 系统 ，P L C控制器软件系统和基于 L a b V I E W 的计算 收稿 日期 2 0 0 9 0 6 0 9 作者简介褚连娣 1 9 6 8 一 ，女，硕士，讲师，主要从事图形 学、机械设计工程学方面教学和理论研究工作。电话 1 53 25 35 8 57 7， E ma i l me c l d 1 63 ．c o rn。 8 2 机床与液压 第 3 8卷 机组态程序 。 2液压加载系统设计 变载荷加载 压力 试验 机要 求 以规定 速度 匀 速加 载，均匀控制压力。由于材料的力学性能各不相 同， 设计一种数字式微小流量阀实现匀速加载，加载速率 范围 0 ． 0 5～ 2 5 k N ／ s ，负载范 围 1 0～ 3 0 0 k N。系统结 构如图 2所示 。 图2 液压系统结构框图 试验机上轴向和径向各用一只专用的数字控制流 量阀 ，该阀 由一个节流 阀和一个减压阀组成 ，减压 阀为三通转阀式结构 ，通过调节小流量阀的输出流量 来控制液压缸 的输 出压力。该 阀以二相混合式步进 电 机为电 ～ 机械转换元件 ，直接通过数字方式控制 ，消 除了阀的滞环 ，提 高了控制精度和抗干扰能力 ，具有 良好的流量 一 压力特性和较高的频响特性 。该液压系 统原理如图 3所示 。 l 一 油泵 2 一数 字 阀a 3 一换 向 阀a 4 一轴 向加载 缸 s 一径 向加载 缸 6 _ - 换 向 阔b 7 一数 字 阀b 8 一安全 阀 图3 液压系统原理图 图4为节流阀阀芯阀套平面展开图 ， 考虑到径 向力平衡关系设计中采用了对称开口结构 ，在阀芯上 开有一对与油泵相通的 P口和一对与油箱相通的 T 口，在 阀套 上 开有 一 对 与油 缸 相 通 的三 角 形 A 口。步 进 电机 顺 时针进 给 ，P - A导 通 ， 系统 通 过改 变节 流 阀 开 口面积 调 节 其 输 出 流量 ，从 而 控 制 系 统 压力；步进 电机逆 时 针 进 给 ，A - T 导 通 ， f T T ／ , ≮P ～P 图 4 微小流量阀工作原理 系统卸载。泵 出 口流量通过等差减压阀 回油箱 。 视压力实验机架为刚性 ，简化压力架、负载和液 压缸 ，液压系统模型为 节 流阀阀 口流量方程 Q c dlA ／ 等差减压阀阀口流量方程 Q C a 2 A ／ 式中Q 。 为节流阀阀E l 流量；Q 为等差减压阀阀1 3 流量；A 为节流阀阀口过流面积；A 为等差减压阀 阀口过流面积；P 为泵出口腔工作压力；P 为液压 缸负载腔工作压力 ；C 。 为 节流 阀阀 口流量 系数 ； 为等差减压阀阀口流量系数； p为油液密度。 泵 出口容腔流量连续性方程 Q L - 誓 A 2 液压缸负载腔流量连续性方程 Q 。 A 2 善 p L A 。 式 中Q 为泵 流量 ； 为 泵 出 口容腔 体积 ； 为液 压缸 负载腔体积 ；A 为等差减压 阀阀芯有效截 面积 ； A 。 为液压缸滑塞有效截面积； 为等差减压阀阀芯 开度；E为液体体积弹性模量；C 为液压缸泄漏系 数；Y为液压缸活塞位移。 等差减压阀阀芯力平衡方程 d d p 一P z 柚z v 液压缸负载力平衡方程 PL A 柏。a y I C yF Fg pL Al 式中m 为等差减压阀阀芯质量；m。 为液压缸活塞 组件及负载的总质量；B 为等差减压阀阀芯运动的 黏性阻尼系数；B 。 为活塞和负载的黏性阻尼系数； K为等差减压阀阀芯平衡弹簧刚度；K为负载的弹簧 刚度 ；F为作用 在 活塞 上 的任意 外 负载 ；， 为液压 缸产生的驱 动力 。 第 l 2期 褚连娣 轴承变载荷压力试验机液压加载系统设计 8 3 步进式数字阀通过阀芯的步进运动将输入的信 号量 化为 相 应 的步 数 脉 冲数 ，因 而存 在 着 量 化 误差 。通过增加 阀的工作步数可 以减小 量化误 差 ，但却使阀的响应速度大大降低。针对步进数字 阀的量 化误 差与 响应速 度 之 间的 矛盾 ，通 过 步进 电 机 的连续跟 踪 的控制方 法 得 到解 决 ，即在 步进 控 制 中引入脉宽调制控制技术使步进 电机输 出的角位移 开环连续 可控 。这样 不 仅消 除 了步进 式 数 字 阀所 固 有的量 化误差 ，而且 使该 数 字 阀 的响应 速 度得 到 很 大提高 。 3 加载方法 轴承寿命测试的加载形式有 循环加载、递进式 加载 、脉动加载等 。 根据对轴承强化寿命试验机 的理论 研究和实验测 试 ，动 态变 载 荷 循 环 加载 、递进 式 加 载 、脉 动 加 载等 加载 方式 更有 利 于激 出缺 陷破 坏 来 获得 轴 承 的寿命 。 为 实现 动态变 载荷 加 载 ，作 者设 计 有 规 律 的载 荷 如正弦波，脉动波，三角波等 ，可通过设定 相关参数给出载荷变化时间函数 J 。正弦波加载可 设定 周期 、最大 加载 压力 和试 验 时 间 ，通 过 数值 化 离散 计算 ，得 到 离 散 的压 力 与 时 间 即 p - t 的数 值表 。对列表式加载形式，可直接将 p - t 数值表通 过上位 P C机传人 P L C中。控制时，按 时间驱动原 则 ，将从数值表中读出对应的给定压力值与从 A D O 口采集的试验机实时压力数值进行比较 ，并加人离 散化的 P I D控制算法 ，通过工程整定法确定其 中的 比例 、微 分 K ， 和积 分 K 3个 常数 ，求 出步进 电机位 移值 ，经环 形 分 配后 输 出到 步进 电机 驱动模 块 。控 制采用 负 反馈 改 变数 字式 电磁 阀 的开 口，修正试验机的压力 ，将压力偏差控制在允许误 差 内。 电 机 转 动 的 角 度 在 一 8 0～8 O 。 之 间，根 据步一 进 电机 输 出扭 矩 和 安 装 位 置， 确 定扇形齿轮传动比萎 为 6 ． 2 。转 阀转角 X和步进辩 ． 电机转 角 y之 间成 线 性 关 一 系 ，如 图 5所示 。 步 进电 机转 角 ， 如 采 用 正 弦 波 形 加图5 转阀转角和步进电 载 J ，把一 个加 载周期 机转角相互关系 分 为 5 0等 分 ，每 一步 扇 形齿轮转过 一角 度 对应 的压力值为 一一 sin 设压力最大值为 1 0 0 k N，则 5 0等分的每个时刻 对应压力值如 图 6所示 。 图6 正弦波加载时刻图 系统 通 过 液 压 缸 加 载 ，液 压 缸 负 载 腔 的 压 力 或试块承受的压力信号通过压力传感器 或力传 感器转化为电信号，经过信号放大器放大，由 A ／ D转化为数字信号送人计算机 ，计算机将经过 P I D控 制器处 理后得到 的阀的开 口增量送 到控制器 ；控制器 控制步 进电机驱动器驱动步进 电机 ，并通过扇形齿轮 带动微小流量阀阀芯转过给定的角位移 ，通过控制微 小流量 阀阀芯开 口过流面积 的变化 ，调节微小流量 阀 的输出流量，从而控制试验机按给定的速率加荷，实 现整个 系统的闭环控制 。 4结论 轴 承变载荷液压 加载系统采用数字控制 阀进行构 建 ，和常规加载相 比，减少了轴承寿命试验时间，测 试效果与实际寿命相符，达到了变载荷加载下缩短试 验 时间的设计 目的。 参考文献 【 1 】 鄢建辉 ， 李兴林， 蒋万里 ， 等． 轴承疲劳寿命理论的新发 展[ J ] ． 轴承， 2 0 0 5 1 1 3 8 4 4 ． 【 2 】 管成 ， 朱善安． 电液伺服系统 的积分滑模 自适应控制 [ J ] ． 电工技术学报 ， 2 0 0 5 ， 2 0 4 5 2 5 7 ． 【 3 】 项祖丰， 姜伟， 殷建军． 基于微小流量阀的匀速加载压力 控制系统研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 4 1 4 21 4 4 ． 【 4 】 阮建 ， 裴翔， 姜伟． 2 D电液数字换向阀的实验研究[ J ] ． 机床与液压 ， 1 9 9 9 5 1 21 5 ． 【 5 】云舟工作室． M A T L A B数学建模基础教程[ M] ． 北京 人 民邮 电出版社 ， 2 0 0 1 ． 【 6 】程卫国， 冯峰， 王雪梅， 等． M A T L A B精要编程及高级应 用[ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 0 ． 一一 一 一 ～ 一 一一 一 一 ～ 一