張宏友

(大連海洋大學應用技術學院，遼寧大連116300)

滾動軸承疲勞壽命試驗機是檢測軸承疲勞壽命的主要設備。而對其進行強化加載的方式也多種多樣，針對目前的杠桿砝碼加載、彈簧加載、靜壓力加載方式中存在的載荷不穩(wěn)定、加載范圍小、精度低等問題，一般可采用液壓比例自動加載。而液壓比例加載目前在滾動軸承壽命試驗機中已有應用，不過對于其控制系統(tǒng)理論的分析較少。為此，在液壓比例及伺服系統(tǒng)在滾動軸承壽命試驗機工程應用的基礎上，對液壓比例加載系統(tǒng)的控制理論進行初步的探討。

1 液壓加載控制系統(tǒng)設計

軸承強化壽命試驗的液壓加載控制方式主要有機液伺服系統(tǒng)、電液伺服系統(tǒng)、氣液伺服系統(tǒng)3 種方式，而其中電液伺服控制相對于機液、氣液具有控制精度高、液壓元件響應速度快、抗負載剛度大等優(yōu)點，并且電傳感器多樣化，針對模擬軸承轉動過程中工況的復雜性及設備空間結構所限造成的信號提取困難，易于采集更多的物理量。在確定電控控制方式后，對于壓力調節(jié)需要保證加載力連續(xù)可調、加載平穩(wěn)準確、控制方便等特性，所以可采用按輸入的電信號連續(xù)地、按比例地控制液壓系統(tǒng)的液流方向，流量和壓力由比例閥進行調節(jié)。而比例閥又包含比例換向、比例減壓、比例溢流3 種結構，3 種閥的特點比較如表1所示，考慮到比例溢流閥可在恒力加載中長時間處于中位不工作狀態(tài)，因此調節(jié)平穩(wěn)、精度及可靠性高，并且當比例換向閥發(fā)生故障時，系統(tǒng)無法進行加載動作，比例減壓閥不減壓，這些結果都可能造成加載油缸一直處于最大加載狀態(tài)，嚴重時甚至損害被試軸承，而比例溢流閥發(fā)生故障時無法建立工作壓力，即油缸無加載力輸出，因此發(fā)生故障時安全性優(yōu)于前兩者。

表1 3 種調節(jié)方式的比較

對ABLT-5A 滾動軸承壽命試驗機進行改造，設計的滾動軸承壽命試驗機液壓加載系統(tǒng)如圖1所示。所設計軸承壽命試驗機的加載系統(tǒng)應同時保證多套軸承的軸向及徑向加載工況，可根據具體試驗要求來設計多個軸向及徑向加載液壓缸及相應控制支路。在圖1 中，僅設計單套軸向及徑向加載油缸，如試驗軸承較多，可參照圖1 并聯多套加載油缸及比例溢流閥控制系統(tǒng)。

圖1 滾動軸承液壓電液比例加載控制系統(tǒng)

現分析單個液壓加載控制系統(tǒng)支路的供油過程如下:首先系統(tǒng)泵油，液壓油從油箱經過濾器1、三位四通換向閥5、單向節(jié)流閥6、夾緊液壓鎖7 到軸向加載液壓缸8 的無桿腔中;其次在系統(tǒng)回油過程中，油液可由軸向加載油缸有桿腔通過比例溢流閥10、單向節(jié)流閥、三位四通換向閥，最終流回油箱。其中在回油路中通過比例溢流閥調整加載油缸壓力值，并經過壓力傳感器9 實時反饋控制所加負載大小，從而實現液壓系統(tǒng)的比例控制。在此系統(tǒng)中，由于溫度變化對比例閥反饋控制比較敏感，一般在出油口處接冷卻器11，或配置空調進行散熱。另外對于系統(tǒng)主油路的壓力，應在主油路并聯溢流閥來調整系統(tǒng)壓力，以保護比例溢流閥內壓力平穩(wěn)。

2 液壓加載控制系統(tǒng)分析

針對企業(yè)中采用的軸承壽命試驗機在加載過程中所要求的控制精度及控制性能越來越高，可通過建立液壓加載控制系統(tǒng)數學模型，對液壓加載控制部分進行進一步分析。

2.1 加載控制系統(tǒng)數學模型

由以上液壓油路可以看出，液壓缸的工況過程實質上主要是一個電液比例控制系統(tǒng)，其結構框圖可以如圖2所示。

圖2 電液比例控制系統(tǒng)結構圖

其中控制的指令信號為給定壓力，壓力傳感器的反饋信號經過計算得到當前所加載的壓力大小，與給定的壓力進行比較得到偏差信號，經過控制器后調節(jié)進入液壓缸的流量，進而精確得到所需要加載值。以下來分別建立電液比例控制系統(tǒng)中各個環(huán)節(jié)的數學模型。

2.1.1 主控器環(huán)節(jié)

在控制器中，采用不同的控制策略可以形成不同的控制器，所以控制器的輸入輸出方式不盡相同，但是總能表示成以下的形式［1］:

式中:UC= U－ Uf;U 為指令信號;Uf表示反饋信號;UC為控制信號。

2.1.2 比例放大環(huán)節(jié)

系統(tǒng)中通過比例溢流閥中的放大器將輸入的電壓信號轉變?yōu)殡娏餍盘?，以驅動比例溢流閥。其表達式如下［2］:

式中:KUI表示放大器增益;IC為控制電流。

2.1.3 比例溢流閥控制液壓缸環(huán)節(jié)

比例溢流閥的閥芯位移由控制電流產生的電磁力驅動，所以為簡化處理，假設電磁力F 與控制電流I成正比，則可表示如下:

式中:KiF為比例電磁鐵的電流即力增益量值。

作用在閥芯上的作用力主要有:電磁鐵的驅動力F，復位和調零彈簧的彈簧力，液動力和摩擦力。設閥芯的質量為m，調零彈簧的彈簧剛度為KSF，阻尼系數為Bp，忽略液動力和摩擦力，則閥芯的位移運動方程為［3］:

對上式進行拉氏變換，得閥芯位移輸出模塊的傳遞函數為:

綜上，可得比例溢流閥環(huán)節(jié)的數學模型為:

進一步通過比例傳輸信號，可得在初始條件為零，并進行拉普拉斯變換后，負載力為常數時，閥芯位移x 為輸入，缸位移y 為輸出的傳遞函數為［5］:

式中:ωn和ξ 分別為閥控缸系統(tǒng)的固有頻率和阻尼比，其值分別為:

式中:A1為油缸進油腔面積;B 為油缸阻尼系數;Kc為比例閥口壓力流量系數;K 為油液體積的彈性模量;V1為液壓缸進油腔及進油管路油液體積;mg為油缸活動部分質量;λc為油缸總泄漏系數。

3 液壓加載控制系統(tǒng)特性仿真

所設計液壓比例系統(tǒng)的元件特性參數如表2所示。

表2 液壓缸系統(tǒng)元件參數表

針對企業(yè)中軸承設備試驗機的尺寸及載荷范圍，液壓電液比例控制系統(tǒng)所選的參數如表2所示。由以上所做分析，將表2 中參數代入上述公式并作相應的簡化處理，可得系統(tǒng)的基本參數如下:

根據以上所建立的數學模型，依據MATLAB 仿真工具中的Simulink 建立仿真模型，可得到電液比例控制系統(tǒng)的時域及頻域特性曲線如圖3、圖4所示。

圖3 電液比例系統(tǒng)階躍響應特性

圖4 電液比例控制系統(tǒng)頻域響應特性

由系統(tǒng)階躍響應及頻域響應特性曲線可以看出:電液比例控制系統(tǒng)超調較高，調整時間較長;系統(tǒng)固有頻率較低，具有良好的震蕩性能。針對此系統(tǒng)特性，可通過相應的控制策略進行調整，如PID 策略等，以提高系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性。

4 結論與展望

對滾動軸承壽命試驗機液壓加載系統(tǒng)進行分析，采用比例溢流閥控制系統(tǒng)對傳統(tǒng)的ABLT-5A 滾動軸承壽命試驗機進行了改造，并設計了新的液壓控制回路;在此基礎上，對液壓控制系統(tǒng)進行了數學建模及控制系統(tǒng)分析，以及應用MATLAB 軟件在數學建模的基礎上對該系統(tǒng)進行了模擬仿真，得出了系統(tǒng)相應的階躍及頻域特性。通過以上設計及分析，在未來的滾動軸承壽命試驗機液壓加載控制中，可對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性及控制精度進行深入的討論，逐步提高滾動軸承壽命試驗機的控制性能。

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