劉乃鎖，張新港，馬磊，陳秀琴，姚海龍，馬嵩源

（天津電氣科學研究院有限公司，天津 300180）

軸承在機械設備領域中應用廣泛。它主要用于支持機械設備旋轉，降低其旋轉過程中的摩擦，且能夠保證其回轉精度[1]。在一些運轉速度比較高的設備上（如汽車、高鐵），對軸承的性能要求非常高，在軸承投入使用前需要進行測試，檢測其在不同工況下的疲勞以及損傷情況[2]。

拉力軸承在航空領域的傳動系統(tǒng)中應用較為廣泛，是傳動系統(tǒng)的重要組成部分，對傳動系統(tǒng)的性能、壽命以及極端條件下的可靠性等都有較大影響[3-5]。拉力軸承測試模擬試驗件軸承的載荷工況，進行試驗件的旋轉、加載等各種工況試驗，測試被試件的各項性能指標。

目前的實際生產(chǎn)試驗中，機械加載、電加載以及液壓加載是對拉力軸承測試系統(tǒng)進行力值加載的三種主要方式。機械加載需要單獨設計結構且占用空間較大，在加載力控制的快速性和準確性方面仍有不足；電加載通常使用電機加載，在需要的加載力較大時會有較大的噪聲和振動等問題；液壓加載是通過液壓缸的運行以及控制閥來給軸承加載，占用空間小，加載力值范圍大且運行噪音小，因此液壓加載應用較為廣泛[6-8]。本試車臺項目采取液壓加載方式完成測試。

1 拉力軸承測試

拉力軸承加載系統(tǒng)采用液壓加載方式進行加壓，通過安裝在加載油缸上的伺服閥控制油缸兩個油腔的壓力差，進而控制加載的力值。

在試驗調(diào)試過程中，單閉環(huán)PID控制器的抗干擾能力較差，試驗過程中的擾動會導致被控量產(chǎn)生振蕩，導致被控對象失控。而雙閉環(huán)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性相對于單閉環(huán)系統(tǒng)強，而且能夠更好地滿足系統(tǒng)的控制要求。

2 系統(tǒng)結構設計

2.1 機械系統(tǒng)設計

試驗器具備施加載荷和轉速的功能。試驗載荷要求：轉速350 r/min，側向力10 kN，軸向力101 kN，彎矩20 kN·m，試驗載荷留有一定裕量，保證試驗安全。

旋翼軸加載機構布置在被試件的正上方，可以傳遞拉力、彎矩、側向力等。旋翼軸加載機構有3個油缸，其中，2個豎直150 kN油缸力值的和為系統(tǒng)拉力，力值的差乘以力臂為系統(tǒng)彎矩，橫向20 kN油缸為系統(tǒng)提供側向力。加載機構如圖1和圖2所示。

圖1 旋翼軸加載機構布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of rotor shaft loading mechanism

圖2 旋翼軸加載機構內(nèi)部結構剖視圖Fig.2 Section view of rotor shaft loading mechanism internal structure

2.2 液壓系統(tǒng)設計

加載機構的動力由液壓系統(tǒng)提供，驅動部分由三相異步電機和定量柱塞泵組成；控制部分為MOOG比例伺服閥，同時也作為執(zhí)行器件；執(zhí)行部分為雙作用單伸出桿伺服油缸，內(nèi)含位移監(jiān)測傳感器，外接力傳感器；輔助部分由液壓油箱、液位傳感器、液溫傳感器、加熱器、空濾器、過濾器、蓄能器及散熱器等元器件組成；管路部分由膠管、軟管及管接頭組成。液壓加載系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 液壓加載系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of hydraulic loading system

試驗要求最大軸向加載能力為150 kN，最大彎矩加載能力為30 kN·m，最大側向力加載要求為15 kN，軸向力加載安裝2個油缸，側向力加載安裝1個油缸。本液壓系統(tǒng)軸向油缸最大加載能力105 kN，側向油缸最大加載能力20 kN，可以滿足試驗要求。加載液壓壓力穩(wěn)定在15 MPa，可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行，溫度以及電機旋轉對其壓力值無明顯影響。

2.3 自動控制系統(tǒng)設計

電氣控制系統(tǒng)負責對驅動電機轉速、側向力、軸向力及彎矩加載，以及對液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)等輔助系統(tǒng)進行開關控制。

驅動電機采用西門子高效低壓三相異步電動機，配有測速和測溫傳感器，自帶風機冷卻，其防護等級為IP55，該系列電動機設計生產(chǎn)符合ISO，IEC，GB等相關標準的要求。由于本系統(tǒng)為電機直驅，所需轉速較低，在標準電機中選擇極數(shù)最多的8極電機，理論額定轉速738 r/min，根據(jù)試驗工況選型后，電機參數(shù)如下：額定功率45 kW，額定電壓380 V，額定電流94 A，額定轉速738 r/min，額定轉矩582 N·m。

自動控制系統(tǒng)由西門子S7-1500和上位機監(jiān)控軟件組成，完成整個試驗臺控制系統(tǒng)的操作、控制、聯(lián)鎖、轉速設定和運行狀態(tài)監(jiān)控。

監(jiān)控系統(tǒng)采用上位機軟件編程，操作界面簡易直觀。軟件與PLC系統(tǒng)進行通訊，可以在軟件控制界面完成試驗流程圖及設備運行監(jiān)控和操作，并且能夠存儲和查詢實驗數(shù)據(jù)。控制界面具有超限報警、自動停機以及緊急停機（快速制動）功能。

S7-1500配備模擬量輸入模塊完成試驗臺的數(shù)據(jù)采集與自動控制，采用以太網(wǎng)搭建開放式的網(wǎng)絡結構，完成對試驗信息的采集和控制，采集精度滿足試驗需求。試驗臺網(wǎng)絡示意圖如圖4所示。

圖4 網(wǎng)絡示意圖Fig.4 Network diagram

3 系統(tǒng)調(diào)試

試驗臺主要完成在電機旋轉狀態(tài)下對試驗件的拉力、彎矩、側向力的控制。電機轉速在350 r/min穩(wěn)定運行，通過控制液壓系統(tǒng)的比例伺服閥的開度來調(diào)節(jié)液壓缸兩個腔體的壓力，兩個腔體間的壓力差即為作用到試驗件上的壓力。試驗件的拉力為兩個軸向力的作用力之和；彎矩為兩個軸向力油缸的作用力之差乘以兩個油缸作用點的力臂；軸向力為單個側向油缸的作用力。通過PID控制伺服閥的開度來調(diào)節(jié)液壓缸兩個腔體的壓力差，再通過程序計算將壓力轉換為實際作用到試驗件的力。在調(diào)試過程中，試驗了單閉環(huán)控制、雙閉環(huán)控制等幾種方法。

3.1 單閉環(huán)控制

對于拉力、彎矩、側向力的控制采用PID單閉環(huán)控制，輸入為力設定值（實驗需要的設定值），反饋為力實際值，輸出為油缸伺服閥的開度。單閉環(huán)控制結構圖如圖5所示。

圖5 單閉環(huán)控制結構圖Fig.5 Single closed-loop control structure diagram

依據(jù)單閉環(huán)控制結構圖計算系統(tǒng)傳遞函數(shù)如下式：

式中：X(s)為給定量；Y(s)為被控量；G1(s)為控制器；G2(s)為被控對象；H(s)為用來測量輸出量的檢測儀表或元件。

根據(jù)控制原理編寫單閉環(huán)控制梯形圖程序如圖6所示。

圖6 單閉環(huán)控制程序Fig.6 Single closed-loop control program

對PID控制器的控制參數(shù)進行整定，比例增益2.95，積分作用時間18.7 s。

試驗過程中，驅動電機處于靜態(tài)時，單閉環(huán)控制的效果可以達到目標值，當電機轉動起來時，通過油缸和比例伺服閥給被試件施加力時，拉力、彎矩和側向力實際值波動很大，無法穩(wěn)定。施加拉力、彎矩、側向力時，電機轉速平穩(wěn)，機械連接良好。但是機械結構運轉過程中，對拉力、彎矩和側向力有影響，而控制系統(tǒng)無法快速響應變化，所以導致系統(tǒng)的拉力、彎矩、側向力都在波動。試驗圖如圖7所示。單閉環(huán)控制效果分析如表1所示。

圖7 單閉環(huán)控制試驗圖Fig.7 Single closed-loop control test diagram

表1 單閉環(huán)控制效果分析Tab.1 Analysis of single closed-loop control effect

3.2 雙閉環(huán)控制

對于拉力、彎矩和側向力控制采用雙閉環(huán)控制的方法，兩個PID控制器串級工作，力的給定值作為外環(huán)調(diào)節(jié)器的輸入，力傳感器的讀數(shù)作為外環(huán)調(diào)節(jié)器的反饋。外環(huán)控制器的輸出與力的給定值之和作為內(nèi)環(huán)控制器的輸入，油缸壓力差計算出的力值作為內(nèi)環(huán)控制器的反饋，比例伺服閥的開度作為內(nèi)環(huán)控制器的輸出。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)如圖8所示。

雙閉環(huán)系統(tǒng)傳遞函數(shù)：

式中：Ks和Ka組成主控制器；Cm為被控對象；1/Ra為副控制器；1/(Js2+fs)為調(diào)節(jié)閥；1/i為副對象；Ke為副變送器。

根據(jù)雙閉環(huán)控制原理編寫梯形圖程序如圖9所示。

圖9 雙閉環(huán)控制程序Fig.9 Double closed-loop control program

對兩組PID控制器的控制參數(shù)進行整定，內(nèi)環(huán)比例增益為1.08，積分作用時間為15.3 s，外環(huán)比例增益為7.8，積分作用時間為16.7 s。

試驗中拉力、彎矩采用雙閉環(huán)控制效果較好，如圖10所示。

圖10 拉力彎矩雙閉環(huán)控制Fig.10 Double closed-loop control of tension and bending moment

拉力、彎矩采用雙閉環(huán)后，測試對側向力的雙閉環(huán)控制，試驗時驅動電機穩(wěn)定運行，控制效果不理想。驅動電機運行會導致側向力變化，結果如圖11所示。

圖11 側向力雙閉環(huán)控制Fig.11 Double closed-loop control for lateral force

單閉環(huán)控制側向力后，側向力的值能夠達到相對穩(wěn)定狀態(tài)。結果如圖12所示。

圖12 側向力單閉環(huán)控制Fig.12 Single closed-loop control for lateral force

最終拉力和彎矩采取雙閉環(huán)控制，側向力采取單閉環(huán)控制的方式，系統(tǒng)運行結果如圖13所示。雙閉環(huán)控制拉力、彎矩，單閉環(huán)控制側向力效果分析如表2所示。

圖13 系統(tǒng)運行圖Fig.13 Operation diagram of system

表2 控制效果分析Tab.2 Analysis of control effect

3.3 改進的雙閉環(huán)控制

系統(tǒng)對于響應時間有要求，控制仍需進一步改進。試驗測試了不同機械力值的條件下，記錄比例伺服閥的開度，在設定機械力值后，計算開度與力值的線性關系。輸入給定力值后，按照線性關系，先將計算的比例伺服閥的開度賦值給比例伺服閥輸出，再進行雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。改進后的系統(tǒng)結構如圖14所示。改進后的部分梯形圖程序如圖15所示。

圖14 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)改進結構圖Fig.14 Improved structure diagram of double closed-loop control system

圖15 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)改進程序Fig.15 Improvement procedures of double closed-loop control system

多次測試機械力與比例伺服閥開度的線性關系，通過線性關系計算比例伺服閥開度給定，將開度給定值賦給輸出值，并在此基礎上進行雙閉環(huán)控制的調(diào)節(jié)。系統(tǒng)運行結果如圖16所示。雙閉環(huán)控制拉力、彎矩改進，單閉環(huán)控制側向力效果分析如表3所示。

圖16 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)改進運行圖Fig.16 Improved operation diagram of double closed-loop control system

表3 控制效果分析Tab.3 Analysis of control effect

4 結論

綜上所述，為提高試驗力值控制的動態(tài)特性，在試驗基礎上提出了采用雙閉環(huán)控制結構，由試驗可得如下結論：

1）使用雙閉環(huán)控制方式能夠大幅度提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性，縮短穩(wěn)定時間，提高穩(wěn)態(tài)精度；

2）試驗過程中存在干擾的情況下，對拉力、彎矩控制的雙閉環(huán)系統(tǒng)抗干擾能力強，可以有效減少外在干擾因素對系統(tǒng)性能的影響，避免出現(xiàn)單閉環(huán)調(diào)整時的震蕩現(xiàn)象出現(xiàn)。對側向力控制來說，單閉環(huán)系統(tǒng)相對穩(wěn)定，抗干擾能力較強。