滚动轴承疲劳寿命试验机的液压控制系统分析

张宏友

(大连海洋大学应用技术学院，辽宁大连116300)

滚动轴承疲劳寿命试验机是检测轴承疲劳寿命的主要设备。而对其进行强化加载的方式也多种多样，针对目前的杠杆砝码加载、弹簧加载、静压力加载方式中存在的载荷不稳定、加载范围小、精度低等问题，一般可采用液压比例自动加载。而液压比例加载目前在滚动轴承寿命试验机中已有应用，不过对于其控制系统理论的分析较少。为此，在液压比例及伺服系统在滚动轴承寿命试验机工程应用的基础上，对液压比例加载系统的控制理论进行初步的探讨。

1 液压加载控制系统设计

轴承强化寿命试验的液压加载控制方式主要有机液伺服系统、电液伺服系统、气液伺服系统3 种方式，而其中电液伺服控制相对于机液、气液具有控制精度高、液压元件响应速度快、抗负载刚度大等优点，并且电传感器多样化，针对模拟轴承转动过程中工况的复杂性及设备空间结构所限造成的信号提取困难，易于采集更多的物理量。在确定电控控制方式后，对于压力调节需要保证加载力连续可调、加载平稳准确、控制方便等特性，所以可采用按输入的电信号连续地、按比例地控制液压系统的液流方向，流量和压力由比例阀进行调节。而比例阀又包含比例换向、比例减压、比例溢流3 种结构，3 种阀的特点比较如表1所示，考虑到比例溢流阀可在恒力加载中长时间处于中位不工作状态，因此调节平稳、精度及可靠性高，并且当比例换向阀发生故障时，系统无法进行加载动作，比例减压阀不减压，这些结果都可能造成加载油缸一直处于最大加载状态，严重时甚至损害被试轴承，而比例溢流阀发生故障时无法建立工作压力，即油缸无加载力输出，因此发生故障时安全性优于前两者。

表1 3 种调节方式的比较

对ABLT-5A 滚动轴承寿命试验机进行改造，设计的滚动轴承寿命试验机液压加载系统如图1所示。所设计轴承寿命试验机的加载系统应同时保证多套轴承的轴向及径向加载工况，可根据具体试验要求来设计多个轴向及径向加载液压缸及相应控制支路。在图1 中，仅设计单套轴向及径向加载油缸，如试验轴承较多，可参照图1 并联多套加载油缸及比例溢流阀控制系统。

图1 滚动轴承液压电液比例加载控制系统

现分析单个液压加载控制系统支路的供油过程如下:首先系统泵油，液压油从油箱经过滤器1、三位四通换向阀5、单向节流阀6、夹紧液压锁7 到轴向加载液压缸8 的无杆腔中;其次在系统回油过程中，油液可由轴向加载油缸有杆腔通过比例溢流阀10、单向节流阀、三位四通换向阀，最终流回油箱。其中在回油路中通过比例溢流阀调整加载油缸压力值，并经过压力传感器9 实时反馈控制所加负载大小，从而实现液压系统的比例控制。在此系统中，由于温度变化对比例阀反馈控制比较敏感，一般在出油口处接冷却器11，或配置空调进行散热。另外对于系统主油路的压力，应在主油路并联溢流阀来调整系统压力，以保护比例溢流阀内压力平稳。

2 液压加载控制系统分析

针对企业中采用的轴承寿命试验机在加载过程中所要求的控制精度及控制性能越来越高，可通过建立液压加载控制系统数学模型，对液压加载控制部分进行进一步分析。

2.1 加载控制系统数学模型

由以上液压油路可以看出，液压缸的工况过程实质上主要是一个电液比例控制系统，其结构框图可以如图2所示。

图2 电液比例控制系统结构图

其中控制的指令信号为给定压力，压力传感器的反馈信号经过计算得到当前所加载的压力大小，与给定的压力进行比较得到偏差信号，经过控制器后调节进入液压缸的流量，进而精确得到所需要加载值。以下来分别建立电液比例控制系统中各个环节的数学模型。

2.1.1 主控器环节

在控制器中，采用不同的控制策略可以形成不同的控制器，所以控制器的输入输出方式不尽相同，但是总能表示成以下的形式［1］:

式中:UC= U－ Uf;U 为指令信号;Uf表示反馈信号;UC为控制信号。

2.1.2 比例放大环节

系统中通过比例溢流阀中的放大器将输入的电压信号转变为电流信号，以驱动比例溢流阀。其表达式如下［2］:

式中:KUI表示放大器增益;IC为控制电流。

2.1.3 比例溢流阀控制液压缸环节

比例溢流阀的阀芯位移由控制电流产生的电磁力驱动，所以为简化处理，假设电磁力F 与控制电流I成正比，则可表示如下:

式中:KiF为比例电磁铁的电流即力增益量值。

作用在阀芯上的作用力主要有:电磁铁的驱动力F，复位和调零弹簧的弹簧力，液动力和摩擦力。设阀芯的质量为m，调零弹簧的弹簧刚度为KSF，阻尼系数为Bp，忽略液动力和摩擦力，则阀芯的位移运动方程为［3］:

对上式进行拉氏变换，得阀芯位移输出模块的传递函数为:

综上，可得比例溢流阀环节的数学模型为:

进一步通过比例传输信号，可得在初始条件为零，并进行拉普拉斯变换后，负载力为常数时，阀芯位移x 为输入，缸位移y 为输出的传递函数为［5］:

式中:ωn和ξ 分别为阀控缸系统的固有频率和阻尼比，其值分别为:

式中:A1为油缸进油腔面积;B 为油缸阻尼系数;Kc为比例阀口压力流量系数;K 为油液体积的弹性模量;V1为液压缸进油腔及进油管路油液体积;mg为油缸活动部分质量;λc为油缸总泄漏系数。

3 液压加载控制系统特性仿真

所设计液压比例系统的元件特性参数如表2所示。

表2 液压缸系统元件参数表

针对企业中轴承设备试验机的尺寸及载荷范围，液压电液比例控制系统所选的参数如表2所示。由以上所做分析，将表2 中参数代入上述公式并作相应的简化处理，可得系统的基本参数如下:

根据以上所建立的数学模型，依据MATLAB 仿真工具中的Simulink 建立仿真模型，可得到电液比例控制系统的时域及频域特性曲线如图3、图4所示。

图3 电液比例系统阶跃响应特性

图4 电液比例控制系统频域响应特性

由系统阶跃响应及频域响应特性曲线可以看出:电液比例控制系统超调较高，调整时间较长;系统固有频率较低，具有良好的震荡性能。针对此系统特性，可通过相应的控制策略进行调整，如PID 策略等，以提高系统的精度及稳定性。

4 结论与展望

对滚动轴承寿命试验机液压加载系统进行分析，采用比例溢流阀控制系统对传统的ABLT-5A 滚动轴承寿命试验机进行了改造，并设计了新的液压控制回路;在此基础上，对液压控制系统进行了数学建模及控制系统分析，以及应用MATLAB 软件在数学建模的基础上对该系统进行了模拟仿真，得出了系统相应的阶跃及频域特性。通过以上设计及分析，在未来的滚动轴承寿命试验机液压加载控制中，可对控制系统的稳定性及控制精度进行深入的讨论，逐步提高滚动轴承寿命试验机的控制性能。

［1］杨征瑞.电液比例与伺服控制［M］.北京:冶金工业出版社，2009.

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