軸承試驗(yàn)機(jī)液壓缸薄膜材料對加載誤差的影響

汪衛(wèi)兵，呂賽賽，高奮武，李智剛，趙 寬

(1.西安科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471000)

0 引 言

在軸承試驗(yàn)機(jī)中，為了模擬軸承的實(shí)際受載情況，要對被試軸承施加一定的軸向載荷和徑向載荷[1]。軸承試驗(yàn)機(jī)常用加載方式有杠桿砝碼加載、彈簧加載、靜液壓加載、液壓比例自動(dòng)加載、液壓伺服加載等[2]。液壓比例加載系統(tǒng)憑借其成本適中，控制精度高，載荷可控等優(yōu)點(diǎn)，在軸承試驗(yàn)機(jī)中被大量使用[3]。目前常用的軸承試驗(yàn)機(jī)加載液壓缸的壓力可達(dá)0.5～6 MPa，一般不超過10 MPa[4]，傳統(tǒng)液壓缸結(jié)構(gòu)無法達(dá)到很好的密封和加壓效果，而液壓缸作為液壓加載系統(tǒng)的關(guān)鍵作用部件，其性能對整個(gè)液壓加載系統(tǒng)的加載效果顯得尤為重要。

在軸承試驗(yàn)機(jī)的實(shí)際使用中，發(fā)現(xiàn)液壓缸活塞實(shí)際輸出載荷F實(shí)與控制器中的設(shè)定載荷F試相比存在一定的誤差[5]。針對這個(gè)問題，國內(nèi)外學(xué)者對提高軸承試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)精度、可信度以及液壓加載系統(tǒng)的加載精度進(jìn)行了大量研究。李蘭杰等人采用伺服電動(dòng)缸來取代傳統(tǒng)的純液壓伺服加載方式，開發(fā)了基于PID控制算法為核心的全閉環(huán)控制算法，提高了系統(tǒng)加載精度[6]。付曙光等研究了摩擦力對伺服液壓缸加載精度影響的機(jī)理，并開發(fā)了相關(guān)的測試試驗(yàn)軟件[7]。郜立煥等研究了閉環(huán)控制電路對步進(jìn)液壓缸精度的影響，通過線性系統(tǒng)分析方法得出了其加載的精度指標(biāo)[8]。賈善斌等主要研究了PID控制、模糊控制的控制方式對多級(jí)液壓缸同步精度的影響，其研究表明模糊-PID控制算法能夠較好地滿足此液壓系統(tǒng)的同步精度和穩(wěn)定性要求[9]。黃杰等人研究了伺服電動(dòng)缸加載系統(tǒng)中機(jī)械結(jié)構(gòu)的摩擦、間隙等非線性因素對加載精度造成的影響，并基于三階電動(dòng)缸壓力系統(tǒng)的力閉環(huán)自抗擾控制器實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)抗干擾能力強(qiáng)加載精度高的效果[10]。Xie Ning等利用遺傳算法，優(yōu)化可影響液壓缸位置精度的PID參數(shù)，優(yōu)化后的參數(shù)可以明顯提高系統(tǒng)的加載精度[11]。Su Dong Hai等人在詳細(xì)分析PID控制響應(yīng)狀態(tài)的基礎(chǔ)上，采用模糊控制技術(shù)和表格模糊PID控制算法來滿足液壓加載系統(tǒng)的控制精度[12]。MaoHsiung Chiang等人開發(fā)了一種H-控制用于解決雙輸入單輸出控制系統(tǒng)，此系統(tǒng)中伺服液壓缸用于粗略定位，壓電致動(dòng)器用于精細(xì)控制。液壓壓電混合定位伺服系統(tǒng)可以在180 mm行程和約15 kg負(fù)載質(zhì)量下達(dá)到約0.1 mm的精度[13]。Junbo Lei研究了額定流量對活塞位置精度的影響，并提出了新的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其控制方法，能夠滿足預(yù)期的活塞位置精度控制要求[14]。Jun Xiao等人研究了一種用于驅(qū)動(dòng)具有多種速度選項(xiàng)的液壓差速器氣缸的液壓控制模式，通過調(diào)節(jié)泵的速度和方向，使用2個(gè)不同的泵來控制油室兩側(cè)的氣缸來達(dá)到精確控制的目標(biāo)[15]。XiuXu Zhao等人基于液壓缸泄漏故障機(jī)理，提出了一種基于位移信號(hào)和壓力信號(hào)融合的液壓缸故障診斷方法[16]。Hongjie Li等人提出了一種模糊PID控制器，解決了雙向液壓缸協(xié)同運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的交叉耦合誤差，可以在復(fù)雜惡劣的條件下實(shí)現(xiàn)較高的位置精度控制[17]。

通過分析液壓缸的具體結(jié)構(gòu)和工作原理，初步認(rèn)為加載誤差的來源可能有以下幾個(gè)方面：①薄膜變形產(chǎn)生的彈性阻力；②薄膜存在一定的邊緣效應(yīng)導(dǎo)致薄膜不能很好的貼合活塞端面；③液壓缸活塞端面面積小于理論面積；④活塞與液壓缸壁存在摩擦力等[18]。文中根據(jù)薄膜液壓缸薄膜的受力情況，通過實(shí)驗(yàn)比較了不同的薄膜材料對液壓缸加載誤差的影響，從而提出了一種改進(jìn)液壓缸裝配參數(shù)的誤差修正方法，有效提高了液壓缸的加載精度。

1 液壓缸加載誤差的產(chǎn)生原因

1.1 液壓缸工作原理

液壓加載是軸承試驗(yàn)機(jī)主要采用的加載方式之一[19]。由液壓泵輸出的壓力油經(jīng)單向閥、濾油器，通過溢流閥，按工作需要調(diào)整壓力后，進(jìn)入比例減壓閥，比例減壓閥在控制器的作用下連續(xù)輸出預(yù)先設(shè)定壓力的液壓油，推動(dòng)隔膜通過活塞向試驗(yàn)軸承施加載荷[20]?；钊敵龅妮d荷大小F試等于液壓缸內(nèi)液壓油的壓強(qiáng)P乘以活塞端面的作用面積S，該載荷是一種等效載荷，其計(jì)算公式為

F試=P·S

(1)

液壓缸具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 液壓缸結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of film cylinder1 缸蓋 2 薄膜 3 液壓缸 4 套筒 5 活塞

軸承試驗(yàn)機(jī)加載時(shí)通過計(jì)算機(jī)向控制器發(fā)送指令，控制比例減壓閥輸出一定壓強(qiáng)的液壓油，液壓缸中的實(shí)際油壓P實(shí)由液壓缸內(nèi)的壓力傳感器測得，并向控制器傳送電信號(hào)，控制器接收此反饋電信號(hào)與設(shè)定的壓強(qiáng)值進(jìn)行比較，再由控制器對比例減壓閥的實(shí)際輸出油壓P實(shí)進(jìn)行調(diào)節(jié)，形成加載系統(tǒng)的閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)加載系統(tǒng)的精確、自動(dòng)加載[21]。

圖2 放大的液壓缸加載邊界變形Fig.2 Enlarged loading boundary deformation of film cylinder 1 液壓油 2 薄膜 3 活塞

1.2 液壓缸誤差產(chǎn)生原因

在上述試驗(yàn)機(jī)加載過程中，在設(shè)定載荷情況下液壓缸中的液壓油以壓強(qiáng)P試作用于薄膜，使薄膜通過活塞桿向被試軸承施加載荷。但是在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，為了防止活塞頭邊緣對薄膜的剪切作用過快損壞薄膜，以及便于裝配的工藝要求，通常將活塞端面的邊緣設(shè)計(jì)為R0.5-R1的圓角。同時(shí)由于薄膜變形時(shí)存在邊緣效應(yīng)導(dǎo)致薄膜發(fā)生硬化現(xiàn)象[22]，導(dǎo)致薄膜與活塞端面邊緣不能良好的貼合，如圖2所示，這就造成了薄膜作用的活塞端面面積小于活塞端面的實(shí)際面積，導(dǎo)致F實(shí)與F試不一致。與此同時(shí)，由于壓力油作用在薄膜上，導(dǎo)致薄膜發(fā)生彈性變形，給加載系統(tǒng)增加了額外的彈性阻力F彈。因此，在上述幾種因素的作用下會(huì)導(dǎo)致軸承試驗(yàn)機(jī)實(shí)際加載值與額定值出現(xiàn)偏差。加載誤差的存在直接影響了軸承試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，使得試驗(yàn)數(shù)據(jù)難以真正的反映出被測試軸承的真實(shí)性能指標(biāo)。因此，找到誤差產(chǎn)生的原因并將誤差縮小到允許的范圍內(nèi)就顯得至關(guān)重要。

2 液壓缸等效載荷誤差實(shí)驗(yàn)

2.1 不同材料液壓缸加載的有限元分析

為了研究上述薄膜零件對軸承試驗(yàn)機(jī)加載誤差的影響規(guī)律，采用有限元數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)分析薄膜材料對液壓缸加載精度的影響。試驗(yàn)選取目前液壓缸中常用的3種薄膜材料：氟橡膠、聚四氟乙烯和丁晴橡膠，厚度均為1 mm，3種材料的部分性能參數(shù)見表1.

表1 3種薄膜材料性能參數(shù)

3種薄膜材料都屬于超彈性材料，根據(jù)其在液壓缸中的實(shí)際工況，其本構(gòu)模型選用Mooney-Rivilin模型[23]，其本構(gòu)方程如式(2)所示。液壓缸缸體和活塞采用45鋼，其彈性模量為210 GPa，泊松比分別為0.3.

(2)

對于完全多項(xiàng)式如果N=1，只有線性部分的應(yīng)變能保留下來，就是Mooney-Rivilin模型，如式(3)所示。通過計(jì)算可以得到3種材料的材料系數(shù)C01，C10見表2[24].

(3)

利用有限元分析軟件Abaqus建立薄膜受載的二維簡化模型，如圖3所示。通過向薄膜施加壓強(qiáng)載荷P后測試受載件受到的活塞桿的接觸壓力F，計(jì)算加載誤差比W，得出不同加載情況下的誤差比變化趨勢圖，如圖4所示。

圖3 液壓缸加載有限元簡化模型Fig.3 Simplified model of thin-film cylinder loading finite element 1 薄膜 2 缸體 3 活塞 4 受載件

圖4 不同薄膜材料的數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)加載誤差比Fig.4 Numerical simulation experiment loading error ratio of different film materials

從圖4可以看出，開始加載時(shí)由于載荷較小，受到的阻力，如薄膜的彈性阻力、接觸面間的摩擦力等因素的影響相對較大，所以3種材料的誤差比都很大。隨著載荷不斷增大，3種材料的誤差比都明顯減小。并最終逐漸穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。3種薄膜材料中，氟橡膠由于其良好的變形性能，產(chǎn)生的彈性阻力最小，因此誤差比最小，最終誤差比穩(wěn)定在6.4%左右；丁晴橡膠性能次之，誤差比穩(wěn)定在8.2%左右；聚四氟乙烯材料性能最差，所以誤差比最大，穩(wěn)定狀態(tài)下達(dá)到了9.1%左右。

2.2 不同材料液壓缸的物理加載實(shí)驗(yàn)

為了對數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，本研究設(shè)計(jì)并進(jìn)行了一種加載測試試驗(yàn)。試驗(yàn)采用一種軸承試驗(yàn)機(jī)加載測試裝置，其核心工作部件簡化結(jié)構(gòu)如圖5所示。試驗(yàn)時(shí)將本裝置固定在軸承試驗(yàn)機(jī)底座上，在液壓缸活塞與測試定位塊中間設(shè)置一個(gè)經(jīng)過校核、誤差在允許范圍內(nèi)(滿量程穩(wěn)態(tài)誤差0.2%FS)的測試力傳感器，試驗(yàn)所用薄膜材料與有限元數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)所選材料相同，為氟橡膠、聚四氟乙烯和丁晴橡膠3種，厚度選用目前液壓缸薄膜零件常用尺寸1 mm.

試驗(yàn)中通過加載系統(tǒng)向液壓缸中逐漸加壓，通過液壓缸內(nèi)壓力傳感器記錄油壓P實(shí)的變化，并通過加載測試裝置的測試力傳感器采集被測物體的受力情況F實(shí)，然后根據(jù)計(jì)算出來的額定載荷F試與測試定位塊上的力傳感器采集到的實(shí)際載荷F實(shí)數(shù)據(jù)計(jì)算出不同材料、不同載荷情況下的誤差比W，得出加載誤差比的變化關(guān)系。具體計(jì)算公式為

(4)

式中W為誤差比；P實(shí)為液壓缸內(nèi)壓力傳感器測得的油壓，MPa；S為活塞端面面積,mm2；F實(shí)是測試力傳感器測得的被測物體的受力,N.

圖5 軸承試驗(yàn)機(jī)加載輔助測試裝置示意圖Fig.5 Bearing test machine loading auxiliary test device1 缸蓋 2 薄膜 3 液壓缸 4 套筒 5 活塞 6 力傳感器 7 測試定位塊

圖6 不同薄膜材料的加載誤差比Fig.6 Load error ratio of different film materials

圖6為加載試驗(yàn)所得結(jié)果，從圖中可以看出，與數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)的理想加載情況不同，實(shí)際加載中，由于載荷波動(dòng)，在最開始加載時(shí)系統(tǒng)誤差比很不穩(wěn)定，處于較大的波動(dòng)狀態(tài)，這種波動(dòng)受活塞與缸壁摩擦力，薄膜邊緣效應(yīng)、彈性阻力等因素的綜合作用，由于此時(shí)施加載荷較小，上述干擾因素影響較大，所以誤差比波動(dòng)很大。隨著載荷不斷增加，3種薄膜材料最終穩(wěn)態(tài)誤差的誤差比穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。3種薄膜材料中，氟橡膠由于其良好的變形性能，產(chǎn)生的彈性阻力最小，因此誤差比最小，在4.6%左右；丁晴橡膠次之，誤差比在6.9%左右；聚四氟乙烯材料性能最差，所以誤差比最大，達(dá)到了8.5%左右。

對比2種實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)果可以看出，加載過程中，由于數(shù)字模擬試驗(yàn)的材料性能、加載效果等條件較為理想穩(wěn)定，因此載荷誤差比波動(dòng)較小，隨著載荷的增大，誤差比逐漸減小，并最終穩(wěn)定在一定范圍。實(shí)際加載誤差由于載荷處在一定的波動(dòng)下，并受多種干擾因素的影響，加載最初的誤差比很不穩(wěn)定，但是經(jīng)過一段時(shí)間加載后，誤差比最終穩(wěn)定在一個(gè)范圍內(nèi)。2種實(shí)驗(yàn)的結(jié)果的變化趨勢較為吻合。

2.3 加載誤差改進(jìn)方法

考慮到薄膜邊緣效應(yīng)對液壓缸加載造成的影響，提出了一種改進(jìn)思路，即裝配時(shí)預(yù)先將活塞桿端面安裝位置高出液壓缸缸體端面一段距離，克服活塞端面倒角造成的薄膜不能完全貼合的情況，從而減小誤差，其效果如圖7所示。

為了驗(yàn)證上述思路，在有限元模擬實(shí)驗(yàn)中，將活塞桿裝配位置依次調(diào)整為高出液壓缸端面x=0.1,0.2,0.3,0.5 mm，選用氟橡膠薄膜材料進(jìn)行對比試驗(yàn)，對比了調(diào)整前后的誤差比變化，具體結(jié)果如圖8所示。

圖7 調(diào)整后的液壓缸加載邊界變形效果Fig.7 Adjusted deformation of the film cylinder loading boundary

圖8 調(diào)整后的氟橡膠薄膜的加載誤差比變化Fig.8 Change of loading error ratio of adjusted fluororubber film

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，調(diào)整前氟橡膠最終穩(wěn)態(tài)誤差比為6.4%左右，調(diào)整為高出液壓缸端面0.1，0.2，0.3，0.5 mm時(shí)，最終穩(wěn)態(tài)誤差比依次為4.4%，3.2%，2.5%，1.9%左右?？梢?，經(jīng)過上述方式調(diào)整后，誤差比明顯要比調(diào)整前降低。且相對于未調(diào)整狀態(tài)，調(diào)整后普遍能更快達(dá)到誤差比較穩(wěn)定的狀態(tài)。且在調(diào)整為高出液壓缸端面0.5 mm時(shí)，最終穩(wěn)態(tài)誤差比已經(jīng)低于2%，滿足軸承試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)精度的需要。因此該方法對于降低由于邊緣效應(yīng)帶來的誤差有效，且此方法操作簡便，節(jié)約時(shí)間與成本。在實(shí)際使用中，應(yīng)根據(jù)不同的液壓缸型號(hào)，加載壓力范圍以及薄膜材料等因素，經(jīng)試驗(yàn)得出需要調(diào)整的值。

3 結(jié) 論

1)薄膜材料性能對液壓缸加載誤差影響明顯。氟橡膠性能表現(xiàn)最好，對加載精度影響最小，丁晴橡膠表現(xiàn)次之，聚四氟乙烯性能對加載精度影響最大。

2)薄膜材料存在邊緣效應(yīng)，使得液壓缸加載時(shí)薄膜不能很好地貼合活塞端面，從而造成加載誤差。通過調(diào)整液壓缸裝配時(shí)活塞端面預(yù)置位置可以減弱橡膠薄膜邊緣效應(yīng)對加載精度的影響。具體調(diào)整值應(yīng)根據(jù)液壓缸型號(hào)、薄膜材料、加載壓力范圍等進(jìn)行確定。

3)試驗(yàn)加載力越大薄膜的彈性阻力、活塞與液壓缸壁的摩擦力等因素對加載精度的影響會(huì)相對減小，從而加載精度會(huì)相應(yīng)提高。