轮式疲劳加载机液压伺服加载系统精度问题的研究

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!#$年%月第&&卷第’期机床与液压()*+,-./0012+345)61,*7(89!#$:;=&&-;=’!#!#?’$’@A=BCCD=##E?FF#=!#$=’=&?收稿日期!!#$E?E!!作者简介!刘冬一#’G&%#&男&大专学历&工程师&研究方向为液压技术应用’.EL8B!BM];DZ9BN‘[LO=O;L’轮式疲劳加载机液压伺服加载系统精度问题的研究刘冬一!毛兵!胡中望上海振华重工集团有限公司陆上重工研究院液压设计所!上海!#!%#摘要!介绍了IU(*轮式疲劳加载机的结构及原理&并对该机调试过程中存在的一些问题进行了探讨&分析了影响加载功能及精度的因素’结果表明!该加载机配备了水平移动和垂直移动系统&能够精确快速地定位加载轮的位置&满足各种加载工况的实施&为钢桥疲劳实验及第二代疲劳加载机的研究提供参考’关键词!疲劳加载机$伺服油缸$+-*控制器$精度中图分类号!/+#?GVV文献标志码!)VV文章编号!##E?FF#!#$#’E#F?E%=’5’,$34-.33;$,39-/O’$&-849:$,;1%3R-,:%.JO95)’*/-$K4’’1,)%J;’R-,:%.JM’5)2,34%.’1,64;DZ9B&()0XBDZ&+6I\;DZR8DZ+9]S8MBO4QCBZDXS8DO\&0DT8D]+Q8_9,D]MCPSBQC5QCQ8SO\,DCPBPMPQ&7\8DZ\8BI\QD\M8+Q8_9,D]MCPSBQC*;&1P]&7\8DZ\8B!#!%&*\BD8#?5)$,3)!/\QR\QQY8PBZMQ;8]BDZPQCPL8O\BDQ^9IU(*;Y[SBDOB[Q8D]CPSMOPMSQRQSQBDPS;]MOQ]/\Q[S;^QLCQdBCPQ]]MSTBDZP\Q]Q^MZZBDZ8D]O;LLBCCB;DBDZ;YP\QL8O\BDQRQSQ]BCOMCCQ]&8D]P\QY8OP;SCR\BO\BDYMQDOQ]P\Q;8]BDZYMDOPB;D8D]8OOMS8TO9;YP\QL8O\BDQRQSQ8D89‘Q]/\QSQCMPC\;RCP\8PP\Q;8]BDZL8O\BDQQcMB[Q]RBP\C9CPQL;Y\;SB‘;DP88D]_QSPBO8L;_QLQDPO8D8OOMS8PQ9;O8PQP\Q[;CBPB;D;Y;8]BDZR\QQcMBOa9&8D]O8DC8PBCY9]BYYQSQDPSQcMQCPBD;8]BDZO;D]BPB;DC&R\BO\\8C8ZMB]BDZCBZDBYBO8DOQY;SSQCQ8SO\;Y;8]BDZY8PBZMQPQCPL8O\BDQ;YCQO;D]ZQDQS8PB;D8D]Y;SY8PBZMQQd[QSBLQDPC;YCPQQ^SB]ZQC@’96-$:5!K8PBZMQ;8]BDZL8O\BDQ$7QS_;O9BD]QS$+-*O;DPS;QS$)OOMS8O9!前言介绍了IU(*轮式滚动疲劳加载实验机后续简称加载机#的结构及原理&并对液压系统构成及闭环控制做进一步剖析’重点研究了安装调试过程中存在的问题!如加载过程中因机械安装间隙导致垂直加载时冲击较大&加载试件由于桥面刚度不同导致精度偏差过大&+-*控制器参数调整问题导致的加载超调震荡等$根据系统的软硬件匹配&参照用户标书的加载要求&分析各种误差存在的原因&进一步研究得出改进方法’伺服油缸是整机的关键部件&其加载曲线的实现程度及加载精度的高低对后续实验过程至关重要&同时加载过程中的噪声及冲击对实验室的安全环境有很大影响’#加载机主要技术参数及系统构成#=#V技术参数外形尺寸!#G=#Lg’=%Lg#=%L$适用试件最大尺寸!宽%L&长#!L&高不小于#=%L$往复频率!%?%次@LBD$转速波动!#%t$垂直加载!n%a-&任意载荷谱$加载频率!#?+‘$加载精度!r!t’#=!V系统构成该系统由框架金属结构(曲柄连杆@加载小车机构(垂直升降@水平位移机构(伺服液压加载系统液压站f伺服油缸#(电控系统电控柜f远程操作台#组成’整体结构如图#所示’图#V加载机外形图#=?V伺服液压系统基本构成根据标书要求及实际加载需要&n%a-的加载力采用两种机构执行&分别为满载!a-的橡胶轮和满载%a-的钢轮’承载试件&加载机构及加载轮钢轮@橡胶轮#最大形变量可达%f##LL&按照?+‘的垂直加载速度&系统最大流量约$?$=FL1&加载工作时最大功率约!&Gak$根据上述要求及相应计算&液压系统配置如下!##动力源!力士乐两组双联泵734K..#&f734K..##由!个#?!ak电机驱动$!个!1的蓄能器波形加载时根据伺服缸实际的位置变化不断的蓄能及供油#&工作时蓄能器容积变化情况如图!所示’图!V油泵(蓄能器流量输出情况示意图!#控制元件!力士乐&k5/.?!:T$或&k5/.#$:T#!%高频响应阀&+-*#单轴控制器$?#执行机构!伺服油缸及缸体上阀块&非接触式设计&低摩擦力&结构总图如图?所示’图?V伺服缸外形图&#辅助元件!力传感器&位移传感器&限位等’#=&V基本原理该液压系统由力士乐+-*单轴控制器来实现垂直方向的加载功能’+-*#数字式轴控制器是一个对轴进行闭环控制的可编程-*控制&需满足对液压轴闭环控制的特殊指令形式&另外&还提供控制电气驱动的选项’该产品适用于苛刻的工业环境&如抗干扰(抗机械振动和冲击以及耐气候环境&广泛应用于机床(压力机(传动系统(导轨车辆等’加载机上+-*安装在电器控制柜中&可接收-,传输过来的加载波形正弦波(三角波(方波(杂波等#&动力站提供油源&通过控制高频阀以及力传感器反馈值不断修正&控制伺服缸执行相应动作’液压系统原理图如图&所示’图&V动力源(伺服缸液压原理图#=%V仿真分析基于仿真软件5QdS;P\CBLCPQS?对液压系统进行加载仿真&依次作出正弦波(三角波(方波的仿真曲线’进行该仿真的目标是##所选择的组成部分是否能满足动态测试$!#系统在不同负载时的压力设定$?#蓄能器的预充压力$&#系统的功率需求’结合软件CBLCPQS?的优势及该伺服系统的物理特性及软硬件配置&该仿真配置分成%个部分&依次是+U6简化为恒压控制泵#(高响应阀&k5/.?!:$1#(运动控制器一个闭环压力控制系统&对应向上和向下运动会使用不同增益#(伺.CHN.机床与液压第&&卷服缸*H7%=!!%@#$T#加上%aZ的加载框架#和加载系统一个理想弹簧&弹簧常数则用以匹配负载和行程#’%a-加载仿真结果如图%($所示&测试体的变形量少于’LL&则系统能满足?+‘(!%a-的测试需求’图%V油缸负载和位移曲线图$V动力源功率曲线$加载精度及可靠性影响因素的分析!=#V伺服缸水平往复运动对加载精度的影响伺服缸为曲柄连杆带动下做水平往复运动的同时做垂直高精度力反馈加载的特殊工况&水平方向的加速度最高可以达到&D&因此水平运动力会对加载精度造成一定的影响&伺服缸的性能优劣直接影响加载精度及加载效果’降低活塞杆和缸体之间的摩擦力&是提高加载精度的一个必要手段&因此油缸采用非接触式设计&单独设置一路稳定的高压控制油路&建立缸筒与活塞之间的高压油膜’相关原理如图G所示’非接触式设计有如下优点!##无启动摩擦力及较低且不受侧向力干扰的运行阻力$!#较高的静态高度及阻尼$?#较高的承载能力’该伺服缸匹配位移传感器&活塞杆端连接力传感器&高频阀快固定在缸体上&与+-*(泵站完成加载功能’图GV非接触式油缸受力示意图!=!V预加载力对加载精度及冲击的影响加载部分伺服油缸及阀块(支撑座(上下滚轮及过渡架#由于自重会导致下滚轮与滑道有一定间隙&当加载开始时&油缸快速回缩&在间隙的行程范围内快速运动&碰到滑道后遇阻开始加载$按照?+‘的垂直加载速度&油缸在往复运动过程中&上下滚轮频繁撞击滑道&导致运行时发出哐哐的声音&同时由于加载阻力及油缸速度变化较大&导致伺服系统补偿过慢引起加载超调及跟随性过差’调试过程中&根据上述现象及原因分析&决定波形加载之前先给伺服油缸一个Fa-的预加载力&以克服加载部分自重导致的间隙’这样在后续的加载中&起始力设定为Fa-&然后按照不同的峰值来输入加载波形’据图F可以看出&正弦波为Fn!a-&这样测试下来&油缸动作平稳&未出现滚轮与滑轨频繁撞击的噪声’图F为橡胶轮初始调试时Fn!a-加载曲线&因橡胶轮本身属性及+-*参数设置&有一定的滞后及偏差&可通过细调解决’.DHN.第’期刘冬一等!轮式疲劳加载机液压伺服加载系统精度问题的研究VVV图FV!a-伺服正弦波加载曲线图!=?V高频阀的选择对加载精度的影响如前面所述&加载机实验时分!种模式!##橡胶轮模式&n!a-&弹性变形量约$LL&!#钢轮模式&n%a-&加载轮及结构变形量约为#LL$此前设计计算中&按照最大变形量及额定?+‘的速度计算液压系统平均流量&由此选用?!通径的高频阀’由于钢轮模式变形量较小&系统所需最大流量不及高频阀额定流量的?t&显然该高频阀并不适合钢轮模式’利用大通径的阀控制伺服缸微小快速往复运动时&其精度低&反应慢&有较大的滞后和误差’综合考虑&在原先的设计基础上&不同的加载模式匹配不同的高频阀’钢轮模式时&替换为#$通径的高频阀&这样能满足两种状态下系统流量尽可能的靠近阀的额定流量&充分发挥高频阀的性能&以提高系统精度和灵敏度’图’为钢轮模式时Fn&a-加载曲线&可以看出#$通径的高频阀完全满足系统流量&误差可控&相位差及幅值差较小’图’V#$通径高频阀正弦波加载曲线图!=&V试件结构对加载精度的影响加载机是实验钢桥的疲劳强度&因此钢桥试件的结构及刚度对加载精度本身也会产生较大的影响’根据一般钢桥试件图纸图##可知&试件中间有一道筋板&此处的刚度和两侧会有显著差别’当加载轮在曲柄连杆机构的带动下高速来回运行时&因钢桥面的刚度差异导致在加载力作用下会产生不同的变形量$尽管液压系统有相应的补偿功能&但是根据系统设计要求&&L的行程往返速度最大?%次@LBD&加载轮水平运行速度过快&甚至超过液压自身反馈时间导致加载曲线规律性的在目标值上下浮动’图#V试块结构图图##为动载波形图及曲柄连杆机构在往复运动时伺服缸加载曲线’经过对比可以看出&液压伺服系统做闭环控制&在+-*控制器(高频阀和力传感器的作用下不断调整纠偏&由于钢桥试件结构本身的影响&加载轮在水平运动时加载&加载曲线的规律在给定值上下跳跃&这是由于中间刚度较大&伺服油缸调整不及时造成的加载误差’经过讨论&决定移动加载试件向左或向右&让加载轮作用在中间和一边的加强筋中间&这样能保证试件的刚度尽可能一致&避免额外的加载误差’图##V横波加载曲线图!=%V+-*控制器对加载精度的影响力士乐的+-*单轴控制器作为液压闭环控制系统的核心&其自身对精度的影响也不容忽视’该软件.EHN.机床与液压第&&卷电液系统参数包含硬件和轴控两个层面&分开两个层面的优点在于有冗余的可能&若某一传感器输入端损坏&更改输入端可使机器继续工作’硬件层主要指选用传感器种类(传感器模拟量(输出类型选择等等$轴控层包括反馈传感器选择(闭环控制U,4参数(输出通道等’在加载实验中&上述参数选择除了按照经验设定外&还要根据实验反馈结果&输出波形图误差等细微调节&直至到接近理想曲线’根据之前实验结果来看&如果增益值过大或者不用积分环节&会导致曲线震荡和达不到理论上限值’图#!为该控制器软件kU*操作界面&利用该软件可以设定电液系统参数&完成控制程序的编程和纠错(故障诊断(数据监测及记录(描点曲线等功能’图#!V+-*调试界面!=$V拖链软管寿命对加载可靠性的影响因伺服加载部分要做高速往复运动&液压站高低压油管经过立柱和承载梁&穿过拖链最终连接到伺服油缸’按照实验要求&加载缸体需要做?%次@LBD的往复运动&拖链内的软管也相应的做往复运动&尤其高压管路工作压力约!F(U8&工况恶劣可见一斑’为避免长

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