机械润滑在液压伺服比例系统中的应用.pdf

上 海 理 工 大 学 学报 第 3 6卷第 6期 J ． U n i v e r s i t y o f S h a n g h a i f o r S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V o 1 ． 3 6 N o ． 6 2 0 1 4 文章编号 1 0 0 7 6 7 3 5 2 0 1 4 0 6 0 5 6 6 0 5 机械润滑在 液压伺服 比例 系统 中的应用 唐 少楠 ， 朱小明 ， 杨丽红 1 ． 上海理工大学 机械工程学院 ， 上海2 0 0 0 9 3 2 ． 上海豪 商机 电科技有限公司 。 上海2 0 1 1 0 2 摘要 摩擦可以使伺服比例系统的稳态和动态特性具有死区和滞环， 机械润滑可降低伺服阀阀芯 与阀芯腔之间的最大静摩擦力， 从而提 高伺服比例 系统的响应性能及控制精度 ． 通过对机械润滑机 理进行分析 ， 对产生机械润滑的颤动电路 的设计及其调节进行 了介绍 ， 在此基础上还对其在伺服 匕 例 系统的应用效果进行 了理论分析和试验验证 ． 关键词 机械润滑；颤振 ； 伺服比列系统； 摩擦 中图分类号 T H 1 3 7 文献标志码 A Appl i c at i o n of M a c hi ne r y Lubr i c a t i on i n Hydr a ul i c Se r v o Pr 0 p 0 r t i o n a l Sy s t e m T A N G S h a o - n a n ， Z H U X i a o - m呐 ～， Y A N G L i h o n 9 1 ． S c h o o l o fMe c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， U n i v e r s i t y of S h a n g h a i f o S c i e n c e a n d T e c h n o l ogy， S h a n g h a i 2 0 0 0 9 3 ， i n a ； 2 ． Ha oga oMe c h at r o n i c s T e c h no l o g y S h a n g h a i C o ． ， Lt d． ， S h a n g h ai 2 0 1 1 0 2， C h i na Ab s t r a c t F r i c t i o n c a n l e a d t o d ead z o n e a n d h y s t e r e s i s i n s t e a d y s t a t e a n d d y n a mi c c h a r a c ter i s t i c s o f a s e r v o p r o p o r t i o n a l s y s tem． Ma c h i n e r y l u b ri cat i o n c a n r e d u c e t h e ma x i mu m s tat i c f ri c ti o n f o r ce b e t we e n s e E v o s po o l b o d y a n d c h a mb e r ， the r e b y e n h a n ce t h e s y s tem r e s p o n s e c h a r a c teris ti c s a n d i mp r o v e the c o n t r o l a c c u r a c y ． Th e con cep t o f ma c h i n e r y l u b r i cat i o n wa s in t r o d u c e d a n d i t s me c h a n i s m wa s a n a l y z e d i n d e tai l ． A d i t h e r c i r c u i t o f ma c h i n e ry l u b ri c a t i o nandt h em e thod o f i tsa d j u s l n e n t w e r ei n t r odu c e dto c o n d u c t acou p l e o f e x p e r i me n ts， wh o s e r e s u l ts v e ri f y i ts a p p l i c a ti o n e f f e c t i n ser v o p r o p o r ti o n a l s y s tem． Ke y wo r d s ma c h i n e r y l u b r i c a t i o n；d i t h e r ；s e r v o p r o p o r t i o n a l s y s t e m ； f r i c t i o n 摩擦与振动密切相关 ， 摩擦能够引起振动， 振动 又会影响摩擦 ． 库仑摩擦力是 电液伺服 阀和 电液 比 例阀静态特性的主要干扰量， 其作用表现为控制元 件 的稳态和动态特性具有死区和滞环 ， 或表现为动 态特性的不稳定因素， 这些影 响为位置 和速度系统 的精确控制带来很大的困难l_ 1 - 2 ] ． 且伺服 阀阀芯与 阀芯腔间的摩擦受泄漏油膜黏度影 响， 也会增加摩 擦阻力， 影响控制精度和响应性能【 ． 通过在控制信 号中叠加高频小幅谐波信号 的方法 ， 使阀芯产生微 小颤动 ， 来减小 阀芯和阀腔接触面的最大摩擦力 ， 以 便获得增加伺服阀和 比例 阀的响应速度 ， 减小伺服 比例阀死区， 增强系统稳定性的效果 ， 这就是所谓的 收 稿 日期 2 0 1 3 1 1 1 2 第一作者 唐少楠 1 9 8 8 一 ， 男， 硕士研究生． 研究方向 流体传动与控制． E ma i l t a n g s h a o n a n 1 6 3 ． c o m 通讯作者 杨丽红 1 9 7 9 一 ， 女 ， 副教 授． 研究方 向 先进制造技术 ． E ma i l l h y a n g u s s t ． e d u ． c n 第 6期 唐少楠 ， 等 机械润滑在液压伺 服 比例系统 中的应用 机械润滑． 1 机械润 滑的概 念与机理 摩擦有干摩擦 、 边界摩擦 和流体摩擦这 3种基 本形式 ， 而液压元件主要是边界摩擦和流体摩擦 ． 机 械润滑是一种不用通过在摩擦表面添加润滑剂的方 法 ， 而是通过对两个相对运动物体之一施加一个高 频低 幅的颤动 ， 从而使两个物体直接接触表 面摩擦 力由流体摩擦 向边界摩擦 转化 ， 以减少 接触表面 的 摩擦力 ， 消除工程 中由于库仑摩擦引起 的爬行或粘 滑现象 ． 这种颤动可以通过在控制信号中叠加一种小振 幅的高频颤振信号实现． 根据摩擦颤振补偿 的机理 和摩擦学理论可知[ 4 ] ， 摩擦副在滑动的过程 中， 两个 粗糙金属表面上的微 凸体之间会 发生碰撞 ， 各 自会 受到对方的微脉冲力． 尽管各个微脉冲力的大小 和 方 向都是随机的， 但是 ， 它们的法向冲力之和能够激 发滑块产生不衰减 的准周期法 向接触振动 ． 这种振 动的振幅与滑动速度成正 比， 频率接近系统的固有 频率． 上述的振动为非线性 ， 振幅越 大， 两表面问的 距离也会越大 ， 两物体之 间的真实接触面积会越小 ， 从而摩擦力也变得越小． 基于这种现象 ， 可 以利用电 子激振器产生颤振信号叠加到线圈的控制 电流 中， 使阀芯作受迫振动 ． 通常状况下， 颤振信号可 以叠加在运动法线方 向上 ， 但是 ， 大多数是叠加 在系统运 动的切线方 向 上 ． 这两者之间的区别是 切线方 向的颤振信号主要 用于改变摩擦力的大小 ， 而叠加于法线方 向的颤振 信号主要改变摩擦 因数的大小_ 5 ] ． 假设滑块 以速度 V作垂直于接触面的激振 ， 切向作受迫振动 ， 其运动 方程为 g B As i n 1 式 中， Y e为切 向受迫振动位移 ； A 为受迫振动的振 幅； 为受迫振动角频率； t为时问 ； 为受迫振 动 的初相位 ． 即时速度 Y C O S 2 合速度 H V 。 [ C O S co t ] 3 摩擦力与合速度相反 ， 所 以， 摩擦力沿着滑动方 向的有效分量 F 4 、 s m 化简得到 F ． 兰 l_一≤ 、 ／ ／ [ C O S c o t ] ／ 、 ,U R n I ■ J 式 中， 为动摩擦系数 ； F 为正压力． 根据式 3 和式 4 可知， 摩擦力 厂的有效分量 会随着 积 的增大而单调地减小 ， 并且 由于法 向 微脉冲力与滑动速度成正比， 所以， 在切 向受迫振动 的每个周期 内对 应 的合速度 V 出现 2次最 大值 时， 法 向脉冲力也会 出现 2次最大脉冲值 ． 若切向激 振频率等于法向固有频率一半时， 将发生法向接触 共振 ， 导致法向振幅最大 ， 摩擦力减少最多Ⅲ 4 ] ． 2 机械润滑在液压伺服 比例 系统 中的 应用效果理论分析 由 于 固 体 摩 擦 力l厂 作 用 在 滑 阀 上 ， 则 对 喷 、U b 嘴挡板式 电液伺服阀来说 ， 挡板位移 与滑阀阀芯 位移 Y之问的静态特性会出现如 图 1所示的死区． J ／ ／ ／ 0 ／x- ／ ／ ． ． ． ． ． ． ． ． 圈 1死 区 Fi g ． 1 De a d z o n e 通过对喷嘴挡板式伺服阀分析来验证机械润滑 对伺服阀的影响 ． 伺服阀中的挡板位移 与滑阀位 移 Y的关系为[ 6 M 十 。 ， 十 等 c5 r 嚣 一 p 式中， Ao为负载液压缸活塞 的断面积 ； q 为流经可 变阻尼孔 的流量 ； q 2为流经 固定 阻尼孔 的流量 ； P 为阻尼孔与可变阻尼之间的压力 ； P 。 为阻尼孔与可 变阻尼之间的初始压力 ； X 为喷嘴与挡板之间的距 离； X0 为喷嘴到挡板的初始距离 ； K 为伺服阀负载的 弹性系数； D为伺服阀负载的阻尼系数； M 为伺服阀 负载的质量； 厂为阀芯与阀芯腔之间的固体摩擦力． 5 6 8 上 海 理 工 大 学 学 报 2 0 1 4年 第 3 6卷 假定添加任意一定值的颤振信号， 使挡板产生 微小振动 ， 此时 ， 挡板位移为 。 ， 颤振产生挡板的位 移为 s i n ， 两者合成挡板的合位移为 X d s i n 6 式中， 。 为给定信号作用下伺服阀挡板的位移； ‰ 为 颤振的振幅； 为颤振的角频率 为颤振的初相位． 由 于 _厂 是 关 于 的 奇 函 数 ， 是 一 固 定 位 移， 所以， 由式 5 和式 6 可以求出 的稳定解 ． 0 d Y m X d s i n 。 7 c 学。 从上述结果可 以看 出， 是一个与 。 成 比例 的固定值． 如果有足够大的振幅 ∞ 使挡板震动， 那 么， ， 就总不为零 ， 从而就可以消除滞环． 另外 ， 通过叠加一定 幅值及频率的颤振信号 ， 可 以使系统克服粘滑摩擦 ， 使 系统在基本恒定 的库仑 摩擦力 的作用下运动 ， 减少系统的滞后时间． 3 机械 润滑的颤动 电路的设计与调节 由于测量信号不直接驱动 比例 阀和伺服阀， 需 要经过放大器放大． 同时， 为了得到更好 的电液伺服 阀和 比例阀的动静态性能 ， 因此 ， 需要在放大器的控 制信号里叠加一个颤振信号来达到机械 润滑的 目 的． 颤振信号的波形可以是三角波或正弦波 ． 图 2为三角波颤振 电路 ． 图 2中， A 为方波发 生器 ， A 为反 向积分器 ， ， 【 ， 分 别为输入电压 和输出电压 ， R， R ， Rz为调节 电阻， Ro ， R 为保 1 护电阻， C为电容， 其频率 f x 4 R R 1 C， 最大振幅 ， 为 一 m m 2 ， 为方波电压 ， ～ ， m j ／ 1 ； 1 分别 为最 大、 最 小 电压 ． 通 过 调 节 R 可 以 改 变 颤振信号 的频率 ， 调节R 与R 的 比值 可以改变颤 图 2 三角波颤振 电路 Fi g ． 2 T r i a n g l e wa v e di t h e r c i r c u i t 振信号的幅值 ． 图 3为正弦波颤振电路 ． 图 3中， A 为放大器 ， R， R ， R。为 电阻， C ， C z为电容． R 和 C 。并联及 R 和 C 串联共 同构成选频 网络的正反馈 ， R 及 R 1 构成选频 网络的负反馈 ， 其频率 ．， ， 可以通 过调节 R 来改变频率 ， 可 以通过调节 电阻 R r 来调 节幅值[ ． Rr 图 3 正弦波颤振 电路 Fi g ． 3 Si n e wa v e d i t he r c i r c u i t 在系统共振频率附近 ， 摩擦力和系统 的稳定 ．f牛 会对颤振频率的变化变得非常敏感 ， 为了能平稳 凋 节摩擦力的大小 ， 提高系统运行 的稳定性 ， 必须使添 加的颤振信号频率避开系统 的固有频率 ， 时还 要充分考虑避开伺服 阀液压缸 的固有频率． 考虑到 消除极 限环 和磁滞 的作用 ， 一般 颤振 频率选 定 在 1 0 0 2 0 0 H z为宜， 大概 是 3 ～5倍控 制信号 的频 率． 颤振信号幅值以能消除滞环影响、 系统 出现高 频抖动为限 ， 颤振信号 的幅值一般选 为控制信号的 1 0％ ～ 2 0％ ． 此外 ， 放大器电路中还需要有测量放人L 路 、 阶 跃电路和斜坡信号 电路、 电源 电路、 报警电路等． 其 中， 测量放大电路用来测量放大处理信号 ； 斜坡信号 电路用来将输入的阶跃信号变为一个缓慢上升或下 降的连续信号 ， 以便获得平稳而快速的启动 、 转换或 停止； 阶跃信号电路用来消除伺 服比例 阀正反 2个 方向的死 区； 电源 电路为放大器的正常工作提供能 源 ； 报警 电路用于指示放 大器在工作 中的各种 叮能 的错误 ． 4 机械润滑在伺服 比例 系统应用的试 验探 究 为验证机械润滑的应用对伺服比例 的 能的 5 7 0 上 海 理 工 大 学 学 报 2 0 1 4年 第 3 6卷 l ＼ 图 7 阀芯在不 同颤振下的位移 曲线 Fi g． 7 Di s p l a c e m e n t o f v a l v e s p o o l a t d i f f e r e n t d i t h e r f r e q u e n c y 阀 图 8 比例 闭环 系统颤振测试 的原理 图 Fi g ． 8 Te s t i n g s c h e ma t i c o f di t h e r i n p r o p o r t i o n a l c l o s e d - l o o p s y s t e m 图 9比例 闭环 系统颤振试验装置 Fi g． 9 T e s t d e v i c e o f d i t h e r i n p r o p o r t i o n a l c l o s ed - l o o p s y s t e m 是由于叠加 的颤振频率和系统的固有频率相近造成 的系统共振， 后者是由于过大的颤振频率造成阀芯 颤振幅度过大 ， 从而使系统产生极限不稳定状态 ． 由 于比例阀和伺服阀结构和控制的相似性 ， 因此 ， 通过 机械润滑的方法也可 以减小伺服系统的电磁磁滞和 响应时间 ， 增强系统的稳定性 ， 但是 ， 其叠加的颤振 图 1 0 不 同频率颤振下 的系统时域 曲线 Fi g ． 1 0 Ti me d o ma i n c u r v e a t d i f f e r e n t d i t h e r f r e q ue n c y 频率必须避开系统的固有频率． 5 结束 语 通过机械润滑原理的理 论分析以及在 比例阀控 制信号中叠加颤振信号前后效果的对 比， 很好地证 明了机械润滑可 以将伺服 比例阀阀芯的静摩擦力转 变为动摩擦力， 使得最大静摩擦力减小， 从而可以使 系统的粘滑运动转化为平稳运动 ， 消除摩擦滞环和 磁滞现象 ， 因此 ， 机械润滑能够很好地改善系统的稳 定性和响应时间， 增强伺服 比例控制系统的速度和 位置控制品质． 参考文献 路 甬祥 ， 胡大纺 ． 电液比例控 制技术 L M ． 北 京 饥械 J 业出版社 ， 1 9 8 8 ． E n d e r D B． I mp le me n t a t i o n o f d e a d b a n d r e s e t s c h e d u l i n g f o r t h e e l i mi n a t i o n o f s t i c k s l i p c y c l i n g i n c o n t r o l v a l v e s E J 3 ． J o u r n a l A， 1 9 9 7 ， 3 8 1 1 1 1 5 ． 张春平， 唐大伟， 曲伟， 等， 粗糙度对微细通道内流动特 性影响的实验研究 E J ] ． 海理二 【 大学学报， 2 0 0 8 ， 3 0 1 5 55 8 ． 陆大雄． 摩擦学导论[ M] ． 北京 北京出版社， 1 9 9 0 ． 孔祥臻 ， 王勇， 蒋守勇． 基于 S t r i b e c k模 的摩擦颤振 补偿 _ J ] ． 机械工程 学报 ， 2 0 1 0 ， 4 6 5 6 8 7 3 ． 池边洋， 池j 卫润． 电液伺服机构及元件[ M 1 ． 北 离等 教育出版社 ， 1 9 8 2 ． 童诗 白 ， 朱成英 ， 模拟 电子技术基础 [ M] ． 3版 ． 北京 离 等教育出版社 ， 2 0 0 3 ． H a g g l u n d T． A f r i c t io n c o mp e n s a t o r f o r p n e u ma t i c c o n t r o l v a l v e [ J ] ． J o u r n a l o f P r o c e s s C o n t r o l ， 2 0 0 2 ， 8 1 2 9 7 9 9 ． 杨征瑞， 花克勤， 徐轶 ， 等． 电液比例与伺服控制[ M] ． 北京 冶金工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． 编辑 瑛 ] ] ] ]] ] ] ] ] l卜l