滚动轴承疲劳寿命试验机的液压控制系统分析.pdf

2 0 1 4年 l 1 月 第 4 2卷 第 2 2期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS NO V ． 2 0 1 4 Vo 1 ． 4 2 No ． 2 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 2 2 ． 0 3 2 滚动轴承疲劳寿命试验机的液压控制系统分析 张宏友 大连海洋大学应用技术学院，辽宁大连 l 1 6 3 0 0 摘要对 A B L T - 5 A型滚动轴承寿命试验机的液压加载控制系统进行了改进 ，并针对控制系统进行数学建模及 MA T L A B 仿真分析，以提高滚动轴承寿命试验机的控制性能。 关键词滚动轴承寿命试验机；液压比例控制； M A T L A B仿真 中图分类号 T H 8 7 1 ． 3 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 2 21 0 1 3 An a l y s i s o f t h e Hy d r a u l i c Co n t r o l S y s t e m o f t h e Ro l l i n g Be a r i n g Fa t i g u e L i r e T e s t i n g M a c h i n e ZHANG Ho n g y o u V o c a t i o n a l a n d T e c h n o l o g y C o l l e g e o f D a l i a n O c e a n U n i v e r s i t y ，D a l i a n L i a o n i n g 1 1 6 3 0 0，C h i n a Ab s t r a c t T h e h y d r a u l i c l o a d i n g c o n t r o l s y s t e m o f t h e A BL T- 5 A r o l l i n g b e a r i n g l i f e t e s t i n g ma c h i n e w a s i mp r o v e d ． T h e ma t h e ma t i e al mo d e l o f t h e c o n t r o l s y s t e m wa s c r e a t e d ． F u r t h e r mo r e ， s i mu l a t i o n a n a l y s i s wa s a p p l i e d b y MA T L AB s o f t w a r e ， i n o r d e r t o p r o mo t e t h e c o n t rol s y s t e m q u ali t y o f t h e r o l l i n g b e a r i n g l i f e t e s t i n g ma c h i n e ． Ke y wo r d s Ro l l i n g b e a r i n g l i f e t e s t i n g ma c h i n e；Hy d r a u l i c p rop o r t i o n a l c o n t r o l ；MAT L AB s i mu l a t i o n 滚动轴承疲劳寿命试验机是检测轴承疲劳寿命 的主要设备。而对其进行强化加载的方式也多种多 样 ，针对 目前 的杠 杆 砝码 加 载 、弹 簧加 载 、静 压 力 加载方式中存在的载荷不稳定、加载范 围小、精度 低等问题 ，一般可采用液压比例 自动加载。而液压 比例加载 目前在滚动轴承寿命试验机 中已有应用 ， 不过对于其控制系统理论 的分析较少。为此 ，在液 压 比例及伺服系统在滚动轴承寿命试验机工程应用 的基础上 ，对液压 比例加载系统 的控制理论进行初 步 的探讨 。 1 液压加载控制系统设计 轴承强化寿命试验的液压加载控制方式主要有机 液伺服系统 、电液伺服系统、气液伺服系统 3种方 式 ，而其中电液伺服控制相对于机液、气液具有控制 精度高、液压元件 响应速度快、抗负载刚度大等优 点，并且电传感器多样化，针对模拟轴承转动过程中 工况的复杂性及设备空间结构所限造成的信号提取困 难 ，易于采集更多的物理量。在确定 电控控制方式 后 ，对于压力调节需要保证加载力连续可调 、加载平 稳准确、控制方便等特性，所以可采用按输入的电信 号连续地、按比例地控制液压系统的液流方向，流量 和压力由比例阀进行调节。而比例阀又包含 比例换 向、比例减压、比例溢流 3种结构，3种阀的特点比 较如表 1 所示，考虑到比例溢流阀可在恒力加载中长 时间处于中位不工作状态，因此调节平稳、精度及可 靠性高，并且当比例换向阀发生故障时，系统无法进 行加载动作，比例减压阀不减压，这些结果都可能造 成加载油缸一直处于最大加载状态，严重时甚至损害 被试轴承，而比例溢流阀发生故障时无法建立工作压 力，即油缸无加载力输出，因此发生故障时安全性优 于前两者 。 表 1 3种调 节方 式的比较 对 A B L T - 5 A滚动轴承寿命试验机进行改造 ，设 计的滚动轴承寿命试验机液压加载系统如图 1 所示。 所设计轴承寿命试验机的加载系统应同时保证多套轴 承的轴向及径向加载工况 ，可根据具体试验要求来设 计多个轴向及径向加载液压缸及相应控制支路。在图 1中，仅设计单套轴 向及径 向加载油缸，如试验轴承 较多，可参照图 1 并联多套加载油缸及比例溢流阀控 制 系统。 收稿 日期 2 0 1 3 0 9 3 0 基金项目辽宁省教育厅科学研究一般项目 1 2 0 1 3 2 8 2 作者简介张宏友 1 9 6 1 一 ，硕士研究生，教授，研究方向为液压与气动控制。E m a i l s c x y z y 1 2 6 ． e o m。 1 0 2 机床与液压 第 4 2卷 图 1 滚动轴承液压电液比例加载控制系统 现分析单个液压加载控制系统支路的供油过程如 下首先系统泵油，液压油从油箱经过滤器 1 、三位 四通换向阀 5 、单向节流阀6 、夹紧液压锁 7到轴向 加载液压缸 8的无杆腔 中；其次在系统回油过程 中， 油液可由轴 向加载油缸有杆腔通过 比例溢流阀 1 0 、 单向节流阀、三位四通换向阀，最终流回油箱。其中 在回油路中通过比例溢流阀调整加载油缸压力值，并 经过压力传感器9实时反馈控制所加负载大小 ，从而 实现液压系统的比例控制。在此系统中，由于温度变 化对比例阀反馈控制比较敏感 ，一般在出油口处接冷 却器 1 1 ，或配置 空调 进行散 热 。另外 对 于系 统主 油 路的压力 ，应 在主油 路并联溢 流 阀来 调整 系统压 力 ， 以保护比例溢流阀内压力平稳。 2 液压加载控制系统分析 针对企业中采用的轴承寿命试验机在加载过程中 所要求的控制精度及控制性能越来越高，可通过建立 液压加载控制系统数学模型，对液压加载控制部分进 行进一 步分析 。 2 ． 1 加载控制 系统数 学模型 由以上液 压油路可 以看 出 ，液压缸的工况过 程实 质上主要是一个电液比例控制系统，其结构框图可以 如图 2 所示 。 图2 电液比例控制系统结构图 其中控制的指令信号为给定压力，压力传感器的 反馈信号经过计算得到当前所加载的压力大小，与给 定的压力进行比较得到偏差信号，经过控制器后调节 进入液压缸的流量，进而精确得到所需要加载值。以 下来分别建立电液比例控制系统中各个环节的数学模 型 。 2 ． 1 ． 1 主控器环节 在控制器中，采用不同的控制策略可以形成不同 的控制器 ，所以控制器的输入输出方式不尽相同，但 是总能表示成以下的形式 U c 5 o c s 1 式中U UU f ；U为指令信号 ；U 表示反馈信 号；U c 为控制信号。 2 ． 1 ． 2 比例放大环节 系统中通过比例溢流阀中的放大器将输入的电压 信号转变为电流信号，以驱动比例溢流阀。其表达式 如下 ， c 8 K U s 2 式中K 表示放大器增益 ；j 为控制电流。 2 ． 1 ． 3 比例溢流阀控制液压缸环节 比例溢流阀的阀芯位移 由控制电流产生的电磁力 驱动，所以为简化处理，假设电磁力 F与控制电流 ， 成正比，则可表示如下 G 3 式中K i 为比例电磁铁的电流即力增益量值。 作用在阀芯上 的作用力 主要有 电磁铁的驱动力 F ，复位和调零弹簧的弹簧力，液动力和摩擦力。设 阀芯的质量为 m，调零弹簧的弹簧刚度为 K 阻尼 系数为 B ，忽略液 动力 和摩擦 力 ，则 阀芯 的位移运 动方程为 m B p K s v x ㈤ F t 4 对上式进行拉氏变换 ，得阀芯位移输出模块的传 递函数为 G 丽 1 ／ m 5 式中∞ ／ K ／ m，为比例阀固有频率； B ／ 2 ，为比例阀阻尼系数。 综上，可得比例溢流阀环节的数学模型为 G 哿 丽K ir／ m 6 进一步通过 比例传输信号，可得在初始条件为 零，并进行拉普拉斯变换后，负载力为常数时，阀芯 位移 为输入，缸位移Y为输出的传递函数为 ] G _ 7 s 坐1 式中∞ 和 分别为阀控缸系统 的固有频率和阻尼 第 2 2期 张宏友滚动轴承疲劳寿命试验机的液压控制系统分析 1 0 3 比，其值分别为 一 竺 皇 2 A B K c B K ／ 4 A A 。 B K o B K ／ ～ 式 中 A 为油缸进油腔面积 ；B为油缸 阻尼 系数 ； K 为比例阀口压力流量 系数；K为油液体积的弹性模 量；V 1 为液压缸进油腔及进油管路油液体积 ； m 为 油缸活动部分质量 ； A 为油缸总泄漏系数。 3 液压加载控制系统特性仿真 所设计液压 比例系统的元件特性参数如表 2所 示 。 表2 液压缸系统元件参数表 油缸最 大行程 一／ m 阀的位移流量增益 K ／ m。 s 质量 m ／ k g 压力流量系数 K／ I n N～ s 供油压力／ MP a 比例阀最大位移／ m 油液体积弹性模量／ P a 负载最大速度／ m s 放大器 电压 电流增益 K u ； ／ A V 液压缸活塞面积 A ． ／ m 最大输入信号电压／ V 阀的位移电流增益 m A 针对企业中轴承设备试验机的尺寸及载荷范围， 液压电液比例控制系统所选的参数如表2所示。由以 上所做分析 ，将表 2中参数代入上述公式并作相应的 简化处理 ，可得系统的基本参数如下 [ V l m √ √ 丽 圳 s 一 √ √ ／4 x 10 9 x O ．0 3 9 0 tad／-D o s j 。 ／ l 4 1 0 I 1 。 ／ 1 1 0 1 0 0 r 、 ， ， √ 广，＼ ／ - U 根据以上所建立 的数学模型，依据 M A T L A B仿 真工具中的 S i m u l i n k建立仿真模型，可得到电液比例 控制系统的时域及频域特性曲线如图 3 、图 4 所示。 图3 电液比例系统阶跃响应特性 ．1 5O ．2 00 兽． 2 5 0 坚 3 0 0 ．3 50 、 、 l ’ 海 - _ ． __ ● ‘ ● ● _ _ _●_● ． _- 频 ／ r a d s 图4 电液比例控制系统频域响应特性 由系统阶跃响应及频 域响应 特性 曲线 可 以看 出 电液 比例控制系统超调较高 ，调整 时间较长 ；系统 固 有频率较低 ，具有 良好的震荡性能。针对此系统特 性，可通过相应的控制策略进行调整，如 P I D策略 等，以提高系统的精度及稳定性。 4 结论与展望 对滚动轴承寿命试验 机液压 加载 系统进行 分析 ， 采用比例溢流阀控制系统对传统的 A B L T - 5 A滚动轴 承寿命试验机进行了改造，并设计了新的液压控制回 路 ；在此基础上 ，对液压控制 系统进行 了数学建模及 控制系统分析，以及应用 M A T L A B软件在数学建模 的基础上对该系统进行了模拟仿真，得出了系统相应 的阶跃及频域特性。通过以上设计及分析，在未来的 滚动轴承寿命试验机液压加载控制中，可对控制系统 的稳定性及控制精度进行深入的讨论 ，逐步提高滚动 轴承寿命试验机的控制性能。 参考文献 [ 1 ]杨征瑞． 电液 比例与伺服控制[ M] ． 北京 冶金工业出版 社 ， 2 0 0 9 ． [ 2 ]安磊， 于海燕 ， 陈冰冰， 等． 比例阀控气动伺服系统的建 模与仿真研究 [ J ] ． 机械设计与制造 ， 2 0 0 9 5 1 1 8 一 l 1 9 ． [ 3 ]肖林兵． 三位四通电液比例阀控缸动力机构的数学建模 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 8 ， 3 6 8 2 3 2 5 ． [ 4 ]许益民． 电液比例控制系统分析[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 2 0 0 5 ． [ 5 ]李瑶， 高元楼． 液压机电液 比例控制系统分析 [ J ] ． 软 件， 2 0 1 1 ， 3 2 8 3 8 4 2 ． 一 一 一 一 一 一 I