伺服液压缸静动态性能测试系统研究-.pdf

第 8卷第 1期 2 0 1 0年 3月 中国工程机械学报 C HI N E S E J O U R N A L O F C O N S T R U C T I O N MA C HI N E R Y V0 1 ． 8 No ． 1 M a r ．2 0 1 0 伺服液压缸静动态性 能测试 系统研 究 付 曙光 ， 陈奎 生 ， 湛从 昌， 梁媛媛 武汉科技 大学 机械 自动化学院 ，湖北 武汉4 3 0 0 8 1 摘要 针对大型伺服液压缸行程短、 频率响应高、 测试难度大等特点， 开发了一套计算机辅助测试系统． 该系统 采用闭式机架模拟加载法 ， 利用机架的弹性变形对被测试液压缸进行模拟加载 ， 能够完成伺服液压缸静、 动态性 能测试． 简单介绍了该系统的组成和测试原理， 并对机架进行了模拟分析． 测试结果表明该系统测试精确， 自动 化程度高． 关键词 伺服缸测试；闭式机架 ； 摩擦力 中图分类号 T H 1 3 7 ；T H 1 4 0 ． 1 文献标 识码 A 文章编号 1 6 7 25 5 8 1 2 0 1 0 0 1 0 0 9 1 0 5 ～ - 一 一 - J - __ - -- St at i c and dynam i c pr ope rt y t es t i ng s ys t em t or s e rvo- hydr aul i c cyl i nde rs ● - - ● ● ● ● FU S h u- g ua n g，C H EN Ku i - s h e n g，Z HAN C o n g - c h a n g，L I ANG Y ua n - y ua n C o l l e g e o f Ma c h i n e r y Au t o ma t i o n，Wu h a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a nd Te c h n olo g y，Wu ha n 4 3 0 0 8 1，C h i n a Abs t r ac tPe r t ai ni n g t o s u c h c h a r a c t e r i s t i c s o f s e r vo hy d r a ul i c c y l i n d er s a s s h o r t s t r ok e， h i gh f r e q u e nc y r e s p o n s e a n d t e s t i n g d i f f i c u l t y， a c o mp u t e r a i d e d t e s t i n g s y s t e m i s f i r s t d e v e l o p e d． I n t h i s s y s t e m ， a s i mu l a t e d l o a di ng on a s i mul at e d f r a me i s a p pl i e d b y t r a n s m i t t i ng t he f r a me’ S el a s t i c d e f o r mat i o n t o t h e t es t e d h y d r a u l i c c y l i n d e r ． Ac c o r d i n g l y， t h e s tat i c a n d d y n a mi c p r o p e r t i e s a r e t h e n t e s t e d o n s e r v o h y d r a u l i c c y l i n - de r s ． I n t h i s s t u d y， t h e s y s t e m a r c h i t e c t u r e a n d t e s t i ng t h e o r y a r e s u mma r i z e d on f r a me s i mul at i o n a n a l y s i s ． Fi n a l l y， i t i s i n d i c a t e d f r o m t h e t e s t i n g r e s u l t s t h a t t h i s s y s t e m po s s e s s e s h i g h t e s t i n g p r e c i s i o n a n d a u - t o ma t i o n l e v e1 ． Ke y wo r d s s e r v o c y l i n d e r t e s t i n g；c l o sed f r a me；f r i c t i o n 液压缸是液压系统的执行机构 ， 它的空载起动摩擦力大小、 带载运动过程 中的摩擦力大小和响应速度 直接影响整个系统性能 ， 尤其是低摩擦伺服液压缸 、 轧机伺服液压缸 A G C 等要求苛刻 的伺服缸 ， 因此必 须定期对其摩擦力和带载频率响应特性进行精确测试L 1 ] ． 目前伺服缸 的摩 擦力 测试 还 没有 相应 的国家 标 准 ， 如按 普通 液 压 缸 液 压缸 试 验方 法 G B ／ T 1 5 6 2 2 --2 0 0 1 的测试方法进行测试 ， 测试精度会受影响甚至无法准确测试 ． 而液压缸的带载频率响应测试 方法须借助加载缸 ， 这种方法存在的问题是被测试伺服液压缸的频率 响应指标 中包含有闭式机架内加载 液压缸的频率响应指标， 从而影响测试结果 ． 为此开发了一套新的测试系统 ， 本文将对其进行简单介绍 ． 液压 系统 与测试原理 液压系统简图如图 1 所示． 测试系统由伺服阀、 位移传感器、 闭式机架、 计算机辅助测试系统等构成． 位移传感器用来测量被试缸是否动作， 并构成位置闭环控制系统． 测试前 ， 预先将被试缸 的有杆腔和无杆 基金项 目科技部科技人员服务企业行动资助项 目 S Q 2 0 0 9 G J E o 0 0 2 2 作者简介 付曙光 1 9 8 0一 ， 男 ， 工学博士 ． E - ma i l wu s t y y 6 1 2 6 ． c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 9 2 中国工程机械学报 第 8卷 腔接回油箱 ， 确认没有背压． 测试时， 由计算机给出控制信号， 由电液伺服阀控制并驱动被试缸 ． 被试缸活 塞的位移 由位移传感器测得 ． 2 机架分析 本测试 系统中， 机架是一个关键元件 ， 在测试过程中， 既需要它有一定 的变形 ， 来对伺 服缸进行加载 ， 又不能使其产生永久变形 ， 从而影响测试结果 ， 因此机架的刚度既不能过高也不能太低． 图2为机架静载荷下等效应力云图． 机架最大加载力约为 4 5 MN， 由于机架的几何形状以及所加载荷 的对称性 ， 可以在静力分析的时候取机架的一半作为研究对象． 由图 2可知 ， 其最大应力点在机架上横梁 中间， 其值为 2 4 7 ． 5 6 7 MP a ， 约为 2 4 8 MP a ， 低于材料的许用应力 [ ] 2 7 0 MP a ． 下横梁 中间、 上下横梁与 立柱的转角处、 机架的顶部及挖去部分的边缘也有较大应力 ， 但均在材料 的许用应力范围内， 所以机架的 强度足够． 1 ． 加载机架； 2 ． 被测试液压缸； 3 ． 位移传感器； 4 ． 压力 传感器； 5 ． 电液伺服阀； 6 ． 节流阀； 7 ． 溢流阀； 8 ． 油泵 图 l 伺 服缸特性 测试 系统 示意图 Fi g． 1 S c h e ma t i c d i a g r a m o f s e r v o - c y l i n d e r c h a r a c t e r i s t i c t e s t i n g s y s t e m 1 ． 7 57 5 6．3 81 1 1 1 ． 0 0 6 1 6 5 ． 6 3 0 2 2 0 ． 2 5 5 2 9 ． 0 6 9 8 3 ． 6 9 3 l 3 8 ． 31 8 1 2 9 ． 9 4 2 2 4 7 ． 5 6 7 应 力 ／ MP a 图 2 机架静载荷 下等效应 力云 图 Fi g． 2 Eq ui v a l e n t s t r e s s g r a p h o f t h e r a c k u n d e r s t a t i c l o a d 图 3为机架静载荷下等效变形云 图． 机架总体变形较小 ， 变形主要发生在伺服液压缸 的加载方 向 方向和 方向． 方向的位移主要是 因为测试过程 中， 在伺服缸加载力 的作用下机架窗 口高度方 向即 Y 方向的尺寸增大， 而 同时立柱 向内侧凸出使机架窗 口宽度 即 方向的尺寸减小． 相I L L 机机架 ， 闭式加载 机架纵向整体刚度相对不大 ， 在伺服液压缸加载时有一定的变形 ， 有利于位移传感器的测量． 轧机伺服缸 A G C 摩擦力相对于轧制力很小 ， 在本测试系统 中， 期望伺服液压缸 的双方向、 全行程摩 擦力均小于轧制力的0 ． 3 ％， 在本文 中取为 1 3 5 k N． 由于摩擦力相对于轧制力很小， 为了了解机架 的阻尼 对动摩擦力测试 的影响， 有必要对机架进行动态分析． 分析时， 需要模拟伺服液压缸 的加载方式， 对机架进 行瞬态响应分析． 一 般认为， 加载机架在同一弹性变形量时， 对被测伺服液压缸活塞 的作用力是相等 的． 这是在忽略了 机架的阻尼后的一个假设 ， 实际测试 中， 机架的阻尼所产生的阻尼力为 ． 厂 c ， ．厂 c 的计算方法与伺服缸的摩擦 力的计算方法一样 ， 对机架做往复变形加载 ， 所得到的滞环的纵向最大宽度就是 2 ． 图 4为机架有阻尼往复变形力一 位移曲线． 结果显示 ， 机架在 0 ． 0 5 8 0 ． 0 6 2 mm变形的范围内有滞环 产生 ． 其中 O ． 0 6 mm变形处的滞环纵向宽度为最大宽度 ， 大小为 _厂 c 4 0 6 2 ． 7 6 N Li 为滞环宽度 ． 则其 单方向阻尼力为最大滞环宽度的一半， 即 _厂 c 1 ／ 2 2 ． 0 3 k N， 远小于1 3 5 k N． 此时分析得到的 是机架 在周期为 51 0 - 。S 时的往复变形时的阻尼力． 而在实际测试 中， 考虑到伺 服液压缸的响应速度 ， 同时为 了保证测试 的平稳和精确 ， 以及消除机架阻尼力的影响， 往往采用较长的测试周期． 一个往复运动的时间 往往大于 2 0 S ， 取测试周期为 5 S ， 则机架的阻尼力 1 0 - 3 厂 c ， 远远小于 1 3 5 k N ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 付曙光 ， 等 伺服液压缸静动态性能测试 系统研究 9 3 0 0 ． 7 6 9 1 ． 5 3 9 2 ． 3 0 8 3 ． 0 7 8 0 ． 3 8 5 1 ． 1 5 4 1 ． 9 2 4 2 ． 6 9 3 3 ． 4 6 3 变形量 ／ mm 图 3 机架静载荷 下 方 向等效 变形云图 Fi g ． 3 d i r e c t i o n e q ui v a l e n t s t r a i n g r a p h of t he r ac k und er s t at i c l oa d 图 4 机架 有阻尼往 复变形力一 位移 曲线 Fi g． 4 Re c i p r o c a t i n g d e f o r ma t i o n f o r c e - d i s p l a c e - me nt c u r v e s o f t h e r a c k un d e r d a mp i n g 图 5和图 6为机架在谐响应下的幅频特性和相频特性 ． 图 5纵坐标为机架上横梁加载区域 内某节点 方向 即竖直方 向 的位移 减去初始位移 1 ram ． 其结果显示 ， 机架在 0 ～1 0 H z范围内的位移有上升趋 势， 但增加很少 ． 整个 曲线成单调递增函数 ， 在0 ． 2 5 H z 处 的位移最小 ， 为 0 ． 0 4 9 6 9 mm； 在 1 0 H z 处的位移 最大 ， 为 0 ． 0 4 9 8 7 mm． 而输入的谐响应位移为0 ． 0 5 mE． 按照 B o d e图的表示方法 ， 机架在 O ． 5 H z处 ， 系 统稳态输出信号与输入信号之 比 A 一0 ． 0 5 4 d B 为频率 ， 在 1 0 H z 处 A 一0 ． 0 5 4 d B， 不会 对系统的测试造成影响． 机架的相位值是随频率变化的单调递减函数 ， 但也在一个微小范围内变化 ． 在 1 O Hz 处有最大相位差 ， 为 一0 ． 1 4 5 。 ， 远小于 一9 0 。 ． 4 ． 9 8 8 4 ． 9 8 6 4 ． 9 8 4 4 ． 9 8 2 吕 4 ． 9 8 0 4 ． 9 7 8 、4 ． 9 7 6 4． 9 7 4 4．97 2 4．97 0 4．9 6 8 图 5 机 架在 谐响应下的幅频特性 Fi g． 5 Am p l i t u d e - f r eq u e n c y c ha r a c t e r i s t i c o f t h e r a c k i n h a r m o n i c r e s p o ns e ＼ 图 6 机 架在谐 响应下的相频特性 Fi g． 6 Ph a s e - f r eq u e nc y c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e r a c k i n h a rm o ni c r e s po n s e 综上所述 ， 可以认为机架对伺服液压缸测试系统的动摩擦力测试没有影响 ． 3 伺服缸特性测试及测试结果 3 ． 1 起动摩擦力测试 计算机辅助测试系统通过数据采集卡采集位移传感器和压力传感器的信号， 并转化外斜坡信号输出 至电液伺服阀， 从而精确控制 电液伺服阀的流量． 由于节流阀的作用， 在电液伺服阀的A口和节流阀的 A口之问的管路上， 可建立起与控制信号对应 的从 0 MP a 开始的可调液压压力 ， 随着控制信号的增 大， 电液伺服阀控制液压缸 的活塞从静止到开始运 0 ∞鸺 m 挖 H 0 o 加 m m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 中国工程机械学报 第 8卷 动 ， 当液压缸活塞杆上的位移传感器检测到位移量开始发生变化后 ， 计算机辅助测试系统输出的控制信号 保持不变 ， 直到设定测试时间结束[ 3 ] ． 在整个测试过程中， 计算机辅助测试系统记录压力传感器所检测到 的压力信号和位移传感器所检测 到的位移信号． 并以测试时间为横坐标 ， 以压力信号和位移信号分别作为纵坐标 ， 绘制被测试液压缸的起 动压力测试 曲线 ． 通过曲线可读 出当位移开始发生变化时所对应的被试液压缸的空载起动压力值 ， 空载起 动压力与被测试液压缸活塞面积的乘积即为被试液压缸的空载起动摩擦力． 测试结果如图 7所示 ． 3 ． 2 动摩擦力测试 测试原理 被测试伺服液压缸 的活塞杆外伸挤 压机架时 ， 如图 8 a所示 ， 机架弹性拉伸变形 ， 同时给 活塞杆一个 向下的逐渐增大的负载 F ， 此时液压缸 的动摩擦力 -厂也 向下 与活塞运动方 向相反 ， 由于 活塞移动非常缓慢 ， 可看作匀速运动 ． 这样被测试伺 服液压缸无杆腔所受的推力 F 与负载 Fz 、 动摩擦 力 ，及活塞 自重 G可建立如下力平衡方程 F1 F 2_厂G 1 式 中 F P 。 S ， S 为被测试伺服液压缸无杆腔 的面积 ； P 为被测试伺服液压缸无杆腔的压力[ ． 被测试伺服液压缸的活塞杆收回时， 如图 8 b所 示 ， 机架弹性变形拉伸量减小 ， 同时给活塞杆一个 向 下的逐渐减小的负载 F ， 此时伺服液压缸 的动摩擦 力 厂向上 ， 这样被测试伺服液压缸无杆腔所受的推 力 F 与负载 F z 、 动摩擦力 ‘厂及活塞 自重 G之问可 以建立如下力平衡方程 F f F 2G 2 式中 F P S ， P 为被测试伺 服液 压缸无 杆腔 的压 力． 1 ＼ 时间 ／ l I t S 图 7 伺服缸起动摩擦 力测试 曲线 Fi g． 7 S t a r t f r i c t i o n t e s t i n g c u r v e o f s e r v o - c yl i n d e r G F G a b 图 8 被测试伺服液压缸受力分析图 Fi g． 8 F o r c e d i a g r a m o f t h e t e s t e d s e r v o - c y l i n d e r 闭式机架在 同一弹性变形量时 ， 对被测试伺服 液压缸活塞的作用力是相等的 经计算分析 ， 机架 的材料阻尼远小于轧制力 ， 对动摩擦力 的测试没有影 响 ． 有杆腔背压为 0 ， 而且对于加工精度符合要求 的液压缸来说 向上和 向下 的摩擦力是基本 相等． 由式 1 和式 2 可得 f F1一F ／ 2 P 1一P S 1 ／ 2 3 对应地可绘出被测试伺服液压缸一个往复运动过程中的动摩擦力特性曲线 ， 取 ，的最大值作为最大 带载动摩擦力 ． 测试结果如图 9所示． 3 ． 3 频 率 响应测 试 在完成所有初始化设置后 ， 先使活塞外伸量达到预设值 8 o ， 作为初始位移． 再由测试 系统输 出正弦信 号控制电压 Us i n t 式 中 【 ， 为正弦控制电压 ， 为频率 ， t 为计数点 n时的时间 ， 同时记录活塞 r r o 、 位移反馈值 U 8 ， 由 A 叫 2 0 1 g ， 8 为计算点为 n的活塞外伸量， ∞ a r c t a n△ ， 计算位 ∞ 移反馈值与给定值的幅值 比和相位移． 本测试共需完成 0 ． 1 ， 0 ． 2 ， 0 ． 5 ， 1 ， 5 ， 1 0 H z 六个频率的测试， 每一种 频率各测试 5 个周期， 每个周期 5 0 0 个采样点． 以频率 为横坐标， A 和相位移 为纵坐标， 绘制 液压缸 幅频特性 曲线和相频特性曲线I 4 ] ． 测试结果如 图 1 0所示 ． O ； 宝惦 m 挖M m o o 加 星 ＼ 出 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 付曙光， 等 伺服液压缸静动态性能测试系统研究 1 6．O Z 1 4 ． 4 1 2 ． 8 1 1 ． 2 9 ． 6 靴 越4 ． 8 3 ． 2 0 位移 ／ mm 图 9 伺服缸加载动摩擦力测试曲线 Fi g． 9 Dy n a mi c f r i c t i o n t e s t i n g c u r v e o f s e r v o - c yl i n d e r 4 结论 A ∞、 ＼ - 一‘ 、_ ／ 。 。 一 竺＼一／ 一 m ／ l 8 0 - 1 3 5 9 O - 4 5 0 O O V ＼ ，． 、 8 、 “ 0- 图 1 0 伺 服缸频率响应特性测试 曲线 Fi g ． 1 0 Fr e q u e n c y r e s p o n s e c h a r a c t e r i s t i c s t e s t i n g c ur v e o f s e rv o - c y l i nd e r 本系统通过 电液伺服阀进行位置调节 ， 位移传感器进行位移检测 ， 计算机辅助测试系统处理测试结果 并绘制出被测试液压缸的特性 曲线 ， 系统结构简单 ， 自动化程度高 ， 测试结果准确． 该伺服缸测试系统已在某公司投入使用 ． 实践证 明， 该系统工作可靠 ， 使用方便 ， 测试效率高， 该系统 的研制成功为大型伺服油缸的静动态性能提供了一种切实可行 的测试手段 ， 具有推广应用价值 ． 参考文献 [ 1 1 曾 良才， 王晓东 ， 黄 富碹 ， 等 ． 轧制伺服油缸试验 台研究 [ J ] ． 机床 与液压 ， 2 0 0 3 3 2 8 92 9 0 ． Z E N G L i a n g c a i ， W A N G X i a o d o n g ， H U AN G F u x u a n ， e t a 1 ． T h e r e s e a r c h o n t h e h y d r a u l i c t e s t in g r i g o f r o l l i n g s e r v o c y l i n d e r [ J ] ． M a c h i n e To o l Hy d r a u l i c s ， 2 0 0 3 3 2 8 92 9 0． [ 2 1 陈新元， 蔡钦， 湛从昌， 等． 液压伺服液压缸静动态性能测试系统开发[ J 1． 液压与气动， 2 0 0 8 1 2 7 7 7 9 ． C H E N X i n y u a n ， C A I Qi n ， Z H A N C o n g c h a n g ， e t a 1 ． T h e d e s i g n o f t h e s t a t i c a n d d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c t e s t i n g s y s t e m f o r h y d r a u l i c s e r v o c y l i n d e r [ J ] ． C h i n e s e H y d r a u l i c s ＆P n e u ma t i c s ， 2 0 0 8 1 2 7 77 9 ． [ 3 ] 曾良才． 大型轧机 自动辊缝控制伺服缸的摩擦 力 自动测试 [ J 1． 液压 与气 动， 2 0 0 2 1 2 6～2 8 ． Z E N G L i a n g c a i ． A u t o - t e s t of the f r i c t i o n f o r l a r g e r o l l in g mi l l h y dra u l i c A G C S a l V o c y l i n d e r [ J ] ． C h i n e s e H y d r a u l i c s ＆ P n e u ma t i c s ， 2 0 0 2 1 2 628 ． [ 4 ] 陈新元， 曾良才， 陈奎生， 等． 液压压下伺服缸动态特性测试系统研究[ J 1 ． 液压气动与密封， 2 0 0 4 3 3 0 3 1 ． C HE N Xi n y u a n， ZE NG Li a n g c a i ， C HEN Ku i s h e n g， e t a 1 ． Re s e a r c h O i l a t e s t s y s t e m f o r d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f h y dr a u l i c AGC s e r v o c y l i n d e r s [ J ] ． H y dra u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， 2 0 0 4 3 3 03 1 ． 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m