（机械设计及理论专业论文）汽车等速万向节摆角和滑移量检测的分析和研究.pdf

武汉理工大学硕十学位论文 摘要 在汽车的传动系统中，经常采用万向节传动装置来实现一对轴线相交且相对 位置经常变化的转轴之间的动力传递。万向传动装置一般主要由万向节和传动轴 组成，有时还有中间支承。汽车传动系统中，万向节是一个比较重要的组成部分， 它直接影响汽车传动系统的工作状况，从而影响到汽车驾驶的安全，因此对汽车 万向节的检测是非常重要的。汽车万向节需要检测的主要参数包括扭转疲劳强 度、磨损、寿命、摆角和轴向滑移量等。 实验室项目汽车等速万向节周期寿命试验台的研制，可以对汽车等速万 向节总成、等速万向节、汽车半轴等零部件作相关性能试验。其中外球笼的摆角 检测是用液压传动系统来实现的，而内球笼滑移量的检测则是通过检测其摆角来 间接计算的。此两个参数的检测方式和系统构成都有可以完善的方面。所以本论 文的主要内容就是如何在原试验台的基础上检测万向节的这两个性能参数。 本文改进设计了一套基于电液比例控制技术的外球笼摆角检测回转工作台 的液压系统。推导了电液比例方向节流阀的数学模型，然后建立了改进的采用电 液比例换向阀的回转工作台的液压系统的数学模型，得出了系统的传递函数。然 后对系统进行了仿真研究。 这套基于电液比例控制技术的液压系统主要是采用了电液比例换向阀作为 换向控制元件，这充分利用了电液比例控制技术的优点。本论文在建立的液压系 统数学模型的基础上，分析了该系统换向制动过程。本论文要解决的主要问题就 是如何实现快速换向制动，即系统的响应快速性问题。快速换向必定涉及到换向 平稳，影响系统换向平稳性问题的关键是换向制动过程，本论文对该过程作了论 述。其次通过对换向冲击机理的分析建立了换向制动过程的评价标准，提出了主 要的两个评价指标换向时间和换向冲击度。接着分析比较了几种常用的制动 过程控制曲线，选择了一条最优控制曲线，该曲线能够使回转工作台实现平稳无 冲击的换向制动过程。 本文最后对滑移量的检测提出改进方案，采用立式液压滑台做垂直运动和机 械滑台做水平直线运动相结合的方式来检测内球笼的滑移量。 关键字：等速万向节，摆角，滑移量，试验台，电液比例换向阀 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t u n i v e r s a lj o i n t si sf r e q u e n t l yu s e di na u t o m o b i l et r a n s m i s s i o ns y s t e mt oa c h i e v e t h ep o w e rt r a n s m i s s i o nb e t w e e nt h es h a f t s ，w h i c hh a v ei n t e r s e c t i n ga x e sa n do f t e n c h a n g et h er e l a t i v ep o s i t i o n u n i v e r s a lj o i n ta s s e m b l yi sc o m p r i s e do fu n i v e r s a lj o i n t a n dt r a n s m i s s i o ns h a f t ，a n dt h em i d d l es u p p o r t ，i ns o m ec a s e s h la u t o m o t i v e t r a n s m i s s i o ns y s t e m ，t h eu n i v e r s a lj o i n t si sa ni m p o r t a n tp a r t ，w h i c hd i r e c t l ya f f e c tt h e w o r ko fa u t o m o t i v et r a n s m i s s i o ns y s t e m ，a n da f f e c tt h es a f e t yo fm o t o r i s t s s o ，i ti s v e r yi m p o r t a n tt od e t e c tu n i v e r s a lj o i n t s t h em a i np a r a m e t e r so fu n i v e r s a lj o i n t sn e e d t 0b ed e t e c t e di s f a t i g u es t r e n g t h ，w e a r , l i f e t i m e ，s w i n g i n ga n g l e a n ds l i d i n g d i s p l a c e m e n t o u rl a b o r a t o r yp r o j e c t ，t h et e s t i n ga p p a r a t u so fc y c l el i f eo fc o n s t a n tv e l o c i t y u n i v e r s a lj o i n tf o ra u t o m o b i l e ，c a nt e s tt h er e l e v a n tp e r f o r m a n c eo fc o n s t a n tv e l o c i t y j o i n t sf o ra u t o m o t i v ea s s e m b l y , c o n s t a n tv e l o c i t yj o i n t sa n ds e m ia x i s t h es w i n g i n g a n g l ed e t e c t i o no fo u t s i d eb a l lb a s k e tb yu s i n gh y d r a u l i cd r i v es y s t e ma n ds l i d i n g d i s p l a c e m e n td e t e c t i o no fi n s i d e b a l lb a s k e ti s i n d i r e c t l ya c h i e v e db yd e t e c t i n g s w i n g i n ga n g l ea n dc o m p u t u s d e t e c t i o nm o d ea n d d e t e c t i o nm o d eh a ss o m ea r e a sf o r i m p r o v e m e n t t h e r e f o r e ，t h em a i nc o n t e n to ft h i sp a p e ri sh o w t od e t e c tt h e s et w o p e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fu n i v e r s a lj o i n t sb a s e do nt h eo r i g i n a lt e s t - b e d i nt h i sp a p e r , t oi m p r o v et h eo r i g i n a lt e s t - b e da n dd e s i g nan e ws e to fh y d r a u l i c r o t a r yt a b l es y s t e mb a s e d o ne l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g y m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lr e v e r s a lv a l v ei sd e d u c e d t h es y s t e mm a t h e m a t i c a lm o d e li sb u i l d a n dt h e nt h es i m u l a t i o na n a l y s i so ft h e s y s t e mi sm a d e t h i sh y d r a u l i cs y s t e mb a s e do ne l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi s m a i n l yu s e de l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lr e v e r s a lv a l v ea st h ec o n t r o lc o m p o n e n t s ， w h i c hm a k e sf u l lu s eo ft h ee l e c t r o - h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lc o n t r o lt e c h n o l o g y t h i s p a p e ra n a l y z e st h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n di n v e r t i n g - b r a k i n gp r o c e s sb a s e do nt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es y s t e m i nt h i sp a p e r , t h em a i np r o b l e mi nt h i sp a p e ri s h o wt oi n v e r ta n db r a k eq u i c k l yf o rt h a ts y s t e m r a p i di n v e r t i n gm u s tb ei n v o l v e dt o t h es t a t i o n a r i t y , a n dt h ek e yo fs y s t e ms t a t i o n a r i t yi sa b o u tt h ei n v e r t i n g - b r a k i n g p r o c e s s t h i sp a p e rd i s c u s s e st h a tp r o g r e s s s e c o n d l y , m e a s u r e m e n ts y s t e m i s e s t a b l i s h e dt h r o u g ha n a l y z i n gt h em e c h a n i s mo ft h ei n v e r t i n gi m p u l s e ，w h i c ha r e i i i n v e r t i n gr e v e r s a lt i m ea n di n v e r t i n gi m p u l s i o n t h i r d l y , t h i sp a p e ra n a l y z e sa n d c o m p a r e ss e v e r a lb r a k i n gc o n t r o lc u r v e ，a n ds e l e c ta l lo p t i m u mc o n t r o lc u r v e 1 h s c u r v ec a nm a k et h er o t a r yt a b l ei n v e r ts m o o t h l yw i t h o u ti m p u l s e f i n a l l y , t h en e wp r o p o s a lo nt e s t i n go ft h es l i d i n gd i s p l a c e m e n ti sp r o p o s e d ，w h i c h i s a d o p t i n gt h ev e r t i c a ls l i p w a yv e r t i c a lm o t i o na n dm e c h a n i c a ls l i p w a yh o r i z o n t a l m o t i o nt od e t e c tt h es l i d i n gd i s p l a c e m e n t k e yw o r d ：c o n s t a n tv e l o c i t yu n i v e r s a lj o i n t ，s w i n g i n ga n g l e ，s l i d i n gd i s p l a c e m e n t ， t e s t i n ga p p a r a t u s ，e l e c t r o h y d r a u l i cp r o p o r t i o n a lr e v e r s a lv a l v e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：每pp 9日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( ：邹阳导师( 签秘枷期洲，厂r 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题来源和意义 第1 章绪论 随着现代交通的r 益发达和汽车工业的不断发展，近年来高速公路建设在我 国发展很快，随之而来的是交通事故的频繁发生。完善“汽车等速万向节综合性 能试验台 研制项目中的“周期循环寿命试验台 ，即：检测万向节外球笼摆角 和内球笼滑移量以及相关问题的分析。 一个国家汽车工业和一个汽车企业的国际竞争力取决于装备的先进性和制 造成本。反之，汽车产品的发展，必然伴随着制造装备的发展。近年大量先进数 控设备的采用，使我国轿车装备整体上进入柔性化时代，支撑着我国汽车工业的 不断发展。按照发展总战略，2 0 2 0 年，我国汽车产量将达到1 4 0 0 - 1 8 0 0 万辆， 居世界第一，并迈向世界汽车产业强国，其标志之一是，拥有先进制造技术和先 进制造装备。 现在汽车的发展方向是向更舒适、安全、适用方向；发展环保、节能型汽车 的发展方向。但是最基本最重要的还是安全性能。而汽车零部件的性能直接影响 和决定了汽车整车的性能( 包括安全性能) 。而万向节装置就是汽车中非常重要 的一个部件。 在汽车的传动系统或其他系统中，经常采用万向节传动装置来实现一对轴线 相交且相对位置经常变化的转轴之间的动力传递。万向传动装置一般主要由万向 节和传动轴组成，有时还有中间支承。汽车传动系统中，万向节是一个比较重要 的组成部分，它直接影响汽车传动系统的工作状况，从而影响到汽车驾驶的安全， 因此对汽车万向节的检测是非常重要的。汽车万向节需要检测的主要参数包括扭 转疲劳强度、磨损、寿命、摆角和轴向滑移量等。 1 2 汽车万向节检测的研究现状和发展趋势 汽车转向系统中，万向节是一个比较重要的组成部分，它直接影响汽车转向 系统的工作状况，从而影响到汽车驾驶的安全。传动轴一端是固定式球笼万向节 ( 简称r f 节) ，另端式伸缩式球笼万向节( 简称d o j 节) ，中间是轴身。汽车 万向节需要检测的主要参数有轴向间隙、扭转间隙、摆角、摆动力矩、转动力矩、 轴向滑移量、滑移特性等，目前国内的汽车传动轴，测试效率和测试自动化程度 都比较底。尚无一次安装可完成多项性能检测的试验台。在6 0 年代，德国的g k n 武汉理工人学硕士学位论文 设计制造了测验上述八项参数的等速万向节传动轴八功能试验机，一次安装可以 连续测试【35 。这种设备由于设计精巧，至今还在使用。该试验台的显著特点是 一次装夹可以进行八项功能的测试，但是八项功能的测试必须经过八次手工操作 分别完成，而且数据需人工记录，限制了测试效率的进一步提高。随着电子计算 机的出现，测试技术得到了飞速的发展。国内出现了一些应用机械、力学原理、 传感器技术及计算机辅助测试技术而研制出的智能化程度较高的万向节传动轴 综合测试设备。 刘温增在气液转换器在汽车万向节检测仪上的应用一文中论述到：利用 气液转换器来检测汽车万向节【3 2 1 。气液转换器是将空气压力转换成相同大小的 液压力的元件。作为推动执行器的有压力流体，使用气压力比液压力简便，但空 气有压缩性，不能达到定速运动和低速( 5 0i 1 i 1 $ 以下) 平稳运动，中停时的准确 度也不高。气液转换器是一个油面处于静压状态的垂直放置的油筒，上部接气源， 下部与摆动缸相连。试验机主要由主机、电控柜和夹具三部分组成。主机由主机 箱加载系统、测量系统、夹紧系统及变频调速系统组成。试验时将万向节外圈通 过气动夹紧系统固定，加载杆一端置于其内圈，气液转换器与摆动缸组成的加载 系统驱动摆臂摆动，摆臂与加载杆刚性连接，给万向节内圈施加垂直于轴线的负 载，同时电机带动万向节外圈旋转，此时通过转矩传感器测量试件在旋转状态下 的最大摆矩，同时通过光电编码器测量其最大摆角，并分别在电控柜面板上显示 出来。 目前虽然存在一些对万向节检测的试验台，但是其检测能力的自动化程度很 低。有些甚至要手工操作来测量。 而本实验室的项目成果汽车等速万向节综合性能试验台，可以对汽车等 速万向节总成、等速万向节、汽车半轴等零部件作相关性能试验。其中主要包括 扭转疲劳强度试验台、周期循环寿命试验台和密封罩防尘低温测试试验台。而其 中的周期循环寿命试验台可以进行如下四项试验：( 1 ) 周期寿命性能试验，( 2 ) 外球笼摆角检测，( 3 ) 内球笼许用摆角、许用滑移量检测，( 4 ) 密封罩离心试验。 而该试验台的外球笼摆角和内球笼许用滑移量的测试功能需要进一步的改进和 完善。原方案是，通过检测液压回路中压力的变化来确定水平回转工作台是否运 行到极限位置，即外球笼最大摆角。内球笼也是用相似的原理来检测。 主要存在两个方面的问题：( 1 ) 液压回路中的压力值变化可能会很小，不足 以检测出来，从而难以判断是否达到了最大摆角位置，所以存在灵敏度偏低的问 题；( 2 ) 内球笼的滑移量是通过测量内球笼的许用摆角，然后通过计算而得出的。 存在的问题是，当内球笼的摆角达到极限位置的时候，滑移量可能并未达到最大 值。通过该方法计算出来的滑移量可能比直接轴向移动中间传动轴( 内球笼固定) 2 武汉理工人学硕士学位论文 得到的滑移量小，所以可能存在准确性不高的问题。 1 3 本文主要研究内容 针对周期循环寿命试验台存在的问题，通过检测液压回路油液压力的变化， 或者万向节装置的球笼、传动轴的受力分析，应力变化，等方法来完善该试验台 的功能。达到该试验台能够自动准确的检测外球笼摆角以及内球笼滑移量的目 的。 研究内容： ( 1 ) 如何判断外球笼摆角、内球笼滑移量在自动检测过程中已达到极限值。 ( 2 ) 找到合适的方法判断其达到最大值后，如何有效快速的制动，从而不 损坏万向节试件。 ( 3 ) 对于内球笼，计算论证内球笼的许用摆角和最大滑移量之间的关系， 从理论上得出结论：是否可以通过测量内球笼的摆角，然后间接得出其最大滑移 量。 拟解决的关键问题： ( 1 ) 如何控制推动回转工作台转动的液压缸，使回转工作台在达到外球笼 最大摆角位置使迅速停止或者快速减速然后反向运动，同时记录( 测量) 此时的 最大摆角。 ( 2 ) 传动轴相对于内球笼的滑移量是否可以通过测量内球笼的摆角来间接 测量，即通过内球笼摆角来计算滑移量。 拟采取的解决方案： ( 1 ) 回转工作台是由液压系统使其转动，可以考虑经过适当的变化或者其 他手段来检测液压回来中油液的压力的变化，通过这个变化来控制液压缸的运 动，也即控制了回转工作台。 存在两点问题：如何检测液压系统中油液压力的变化，如何由此压力变化产 生的信号来快速有效的控制系统，即控制液压缸和回转工作台。换言之，除了电 控方面的问题，还有液压、机械执行方面的问题。本文重点讨论的是液压和机械 方面的快速制动等，也即重点考虑执行端。 ( 2 ) 回转工作台的转动是由液压缸推动而转动。那么在正常运行时( 即外 球笼与传动轴之间没有达到极限位置) ，液压缸的速度( 也即回转工作台的速度) 是均匀的，但是在达到极限位置的时刻，即外球笼的最大摆角位置，由于极限位 置的反作用力，会使液压缸突然产生一个加速度，即速度变化。那么以此速度的 变化或加速度突变作为输入信号来控制液压回路，从而控制回转工作台的停止或 者反向运动。 武汉理工大学硕士学位论文 预计难点是：球笼与传动轴未达到极限位置时，液压缸的速度“均匀性”以 及刚达到极限位置时的“突变加速度”，如何能够准确，快速的检测出来。其中 快速检测出来也就是灵敏度要足够高，保证万向节装置不被损坏。同时也要考虑 实际中采用速度或加速度传感器的安装可行性。 这几个方案都是相对于外球笼的水平摆角测试而言的。对于内球笼，需要求 证内球笼摆角与滑移量之间的关系。能否用摆角来间接得出最大滑移量，若可以 则具体的解决方法和外球笼摆角测试就类似；若该两个量之间无法得出确定的关 系，则需要用其他方法来直接测量内球笼滑移量。 预期的研究结果希望能够完善周期循环寿命试验台，使该试验台在能够检测 万向节周期寿命的同时，在此基础上，也能够完成对万向节装置的外球笼摆角和 内球笼滑移量的检测。 创新之处在于，通过准确检测球笼极限位置信号、及时消除回转工作台机械 惯量以及对测试装置的分析研究，从而达到该周期循环寿命试验台能够自动、准 确的检n # t - 球笼摆角和内球笼滑移量的同时而不损坏万向节装置的结果。 4 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章万向节周期寿命试验台概述及相关计算 2 1 万向节周期寿命试验台总体概述 根据合同的技术要求，汽车等速万向节综合性能试验台采用了分布式的布置 方案，等速万向节总成性能试验的内容有：扭转疲劳强度试验、周期循环寿命试 验、内外球笼的许用摆角及许用滑移量检测、密封罩离心试验、密封罩低温试验。 其分别在“扭转疲劳强度试验台”、“周期循环寿命试验台”、“密封罩低温试验台” 三台试验台上完成。其中，在“周期循环寿命试验台”中可以完成汽车等速万向节 内、外球笼的许用角及许用滑移量的测试以及密封罩离心试验。三台试验台分别 由三台工业控制计算机控制。 本论文是基于“周期循环寿命试验台”而做的相关改进以及试验台的分析、 研究。 2 2 周期循环寿命试验台结构 等速万向节周期循环寿命试验台的设计依据：符合中华人民共和国机械行 业标准饵t 1 0 1 8 9 2 0 0 0 汽车用等速万向节及其总成 1 1 1 中附录e “周期循 环寿命试验”、附录f “等速万向节总成密封罩性能试验 、附录b “等速万 向节总成密封罩性能试验”规定的相关试验要求。 2 2 1 功能 本试验台可以进行如下四项试验： ( 1 ) 周期寿命性能试验； ( 2 ) 外球笼摆角检测； ( 3 ) 内球笼许用摆角、许用滑移量； ( 4 ) 密封罩离心试验。 2 2 2 周期循环寿命试验台设计说明 周期循环寿命试验台( 见图2 1 ) 采用功率流机械封闭式试验方式，通过电 液比例技术实现液压连续加载，变频调速驱动，极大地节省了试验能耗。试验台 采用计算机控制，通过多位开关，可选择不同的试验项目。可以自动采集数据， 武汉理工大学硕士学位论文 记录转速、加载扭矩、运转时间、循环次数、许用滑穆量、许用角，密封罩的外 径差等相关数据，并能打印图表报告等。有关设计说明如下： 周期循环寿命试验台的结构如图2 - 1 所示。 髂l 2 ) 机罐培悔田 图2 - 1 周期循环寿命试验台 - o 柱 磊一 武汉理j 大学硕士学位论文 左、右传动箱、扭矩传感器、液压加载器和两件供试件组成了一个总传动比 为1 的封闭式传动链，液压加载器实质上是一个双叶片摆动缸，缸体通过支架、 轴与右边的供试件相连、叶片转子与左边的传动箱连接，向液压加载器输入压力 油，则叶片转子相对摆动缸体产生扭矩 调速电机用于驱动整个封闭传动链运转 损失。 改变油液压力则可改变加载扭矩；变频 同时补偿封闭传动链运转中产生的功率 回转工作台山推拉液压缸驱动，可偏转4 5 。，见图2 - 2 ；回转工作台转动的 两终端安装有死挡铁，可以调整最大回转角度；回转角度由与回转轴连接的转角 传感器检测。回转工作台用于周期疲劳试验和固定式球笼许用摆角检测。进行周 期疲劳试验时，工作台回转相应角度后，由锁紧液压缸锁紧。右传动箱安装在立 式液压滑台上，见图2 - 3 右侧，立式滑台向上运动时，用于检测球笼的摆角和滑 移量。立式滑台向上移动的位移用位移传感器检测，根据几何关系可以间接获得 滑动球笼的摆角和滑移量。为保证立式液压滑台运动平稳，设置了平衡重。立柱 安装在机械滑台上。在安装不同型号的等速万向传动轴试件时，用机械滑台来调 整距离。 图2 2 周期循环寿命试验台中的回转工作台 武汉理t 大学硕十学位论文 图2 - 3 位移传感器与右传动箱 ( i ) 功率补偿电机及变频调速系统 功率补偿电机用于使试验台运转起来，并补偿封闭传动系统中传动箱、传动 轴等因摩擦损失的功率。试验功率规定为6 0 k w ，为中等功率，补偿功率理论上 为l ，5 1 6 试验功率，为具有一定的余量采用2 2 k w 的变频电动机。为改变试件 的转速，采用交流变频调速方式，由计算机控制可实现自动调速。 ( 2 ) 加载装置与加载液压系统 加载装置为外置式双叶片摆动液压缸，见图2 - 4 ，缸体与右传动轴连接，叶 片转子与左传动轴连接向摆动液压缸输入具有一定压力的油液，就对左、右传 动轴加上了大小相同、方向相反的力矩。由于封闭式试验台的传动链其总传动比 为1 ，左、右传动轴必然同向转动，于是在整个闭式传动链中加上了扭矩。改变 输入摆动液压缸的油液压力，即可改变试验扭矩。 为了实现自动连续加载、卸载，加载液压系统的压力必须连续可调，为此采 用电液比例溢流阀来调整系统压力，这样就可以用计算机实现试验扭矩的调节与 控制。 由于加载液压系统在试验台工作过程中一直处于运行状态，油温高，因此装 备了冷却装置。同时配有油温继电器以监控油温，该信号接入计算机。 武汉理丁人学硕士学位论文 圈2 - 4 液压加载器 ( 3 ) 试验项甘选择 周期循环试验试验台设计了项目选择开关。通过项目选择开关可选择不同的 试验项目。在某项日进行试验的过程中，如果有人此时将此开关进行转换，则计 算机会切断电源停机。 ( 4 ) 计算机测控系统 为防止干扰，将强电和弱电板 与元器件分别安装在两台电气柜中。周期循 环试验试验台设计了以工业控制计算机为控制器的测控系统。计算机测控系统共 有2 9 个开关量输入点，9 个模拟量输入点，2 8 个输出点，2 路反馈信号。 ( 5 ) 周期循环寿命性能试验台部分操作界面 图2 - 5 ，图2 - 6 ，是周期寿命性能试验台中与本论文关系较紧密的操作界面， 分别是内球笼许用摆角及滑移量检测界面和外球笼许用摆角检删界面。 武汉理工人学硕士学位论文 内球笼许用角及滑移量测量 试骚设定 许用摆角l 度) a r 一 万向节长度( m m 许用靖移 衄) 40 试验证速( 转分 j 刚 试验状老 辈造运行状态 滑穆墅高( m m ) r上行油压棚d a ) 试验结果 宴聘撂角【度l 宴测前穆【卧l 结论晤孺_ 图2 5 “内球笼许用摆角及滑移量测量”项目界面 外球笼许用角测量 试验冉喜 许用撂角度) 国一 弼试低建( 转，分) 6o j 划j 劐 试验状态 霉建运行测试 当前撂角( 度) 目转压力m p a ) 广一 试验结果 宴测捶角【度) 厂结论压丁 图2 - 6 “外球笼许用摆角测量”项目界面 根据试验标准，许用摆角、许用滑移量应在o r m i n 和6 0 r m i n 两种状态下进 行检测。外球笼为中一t l , 固定式，只检测许用摆角；内球笼为伸缩式，需检测许用 摆角和许用滑移量。 一互 武汉理工大学硕十学位论文 2 2 3 试验台技术指标 按厂方要求和国家标准，试验台的技术指标如下： ( 1 ) 试件长度范围：5 0 0 - - - , 1 2 0 0 m m 。 ( 2 ) 工件安装角度：外球笼偏摆角度0 - 4 5 0 ( 水平方向) ； 内球笼偏摆角度0 , - - - 2 2 0 ( 垂直方向) ； 试验时摆角可在此角度范围内调整。 ( 3 ) 内球笼升程：_ 4 0 0m i l l 。 ( 4 ) 最高转速1 2 0 0 转m i n ( 扭矩值 5 0 0 n m ) ；最低2 0 0 转r n i n ( 扭矩值 5 1 2 0 0 n m ) ，最大试验功率_ 0 时，力矩马达会产生一个偏转力矩，带动针形挡板偏 转一个角度，此时，由于针形挡板的偏转动作，使原来喷嘴与针形挡板的间隙变 为一边隙缝大，一边隙缝小，因此，喷嘴隙缝大的滑阀油腔压力降低，喷嘴隙缝 小的滑阀油腔压力增大，在滑阀两端油腔的压力差的作用和针形挡板的拨动下， 滑阀被推向隙缝大的一边，当滑阀滑动时，针形挡板也同时起反馈作用，它用本 身具有的弹簧力与作用在滑阀上的油液相互作用，直到大小相等、相互平衡为止。 此时，滑阀有一定的开口量，进油口p 从的压力油通过滑阀的开启，通向主液 压泵斜盘的控制油缸，使主油泵动作。输入的控制油压越大，滑阀的偏移量也越 大。当输入的控制电流i 0 时相反的 偏转力矩，使伺服滑阀向相反的方向移动使执行机构也反向运动。 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 线圈 针形挡板弹簧套 阀体 喷嘴 滑阀阀芯 节 i ；i 孔 溏阿 图3 1 电液伺服阀原理图 。缓冲弹簧 ，反馈拉杆 电液比例换向阀的工作原理 电液比例换向阀的工作原理如图3 2 所示。当电信号输入给比例电磁铁时， 比例电磁铁将电信号转换成机械位移，使双向减压阀芯移动，这时从p 点进入的 压力油经减压阀芯流到液动换向阀芯的油腔，推动阀芯移动，使压力油p 与p 1 相通、p 2 与t 相通；当电信号输入另一电磁铁时，压力油p 就会与p 2 相通，p 1 与t 相通，阀上没有反馈油孔，反馈油压经反馈油孔分别引向减压阀芯的两端， 当作用在减压阀芯的液压力与电磁铁的电磁力相等时，减压阀芯即处于平衡状 态。阀的输出流量大小和液流方向可以由输入电信号的大小及方向来控制。 通过上述工作原理分析可以知道，电液比例换向阀和电液伺服阀都是将电信 号转换成阀芯位移信号，再转换成压力信号来控制液压系统的工作。所以在一些 控制精度要求不是特别高的场合可以用电液比例换向阀替代电液伺服阀来实现 其控制性能。另外，电液比例阀在价格上与电液伺服阀相比还是有很大的优越性 的。在现代化工业生产中已经有先例证明了电液比例阀取代电液伺服阀的可行 性。比如：奥钢联生产的9 0 t 超高功率电炉液压站中电动机升降控制阀就是采用 了电液比例换向阀，其使用效果优于我国北钢设计院设计的精炼炉液压系统的电 液伺服阀。广州火电总公司液压系统采用电液比例换向阀替代电液伺服阀成功改 造三台设备，动作安全可靠，操作灵活，未出现故障。因此，电液比例换向阀替 代电液伺服阀是可行的。 武汉理工大学硕士学位论文 节流阔芯 比例电磁铁 碱压f 囝芯油道 反馈油孔液动换向阀芯 ， ；li l p l p 吒 f 图3 - 2 电液比例换向阀原理图 3 1 2 电液比例控制阀的分类 电液比例控制阀可参照普通液压阀的分类方法，并结合比例阀的特点进行分 类【1 3 】。 按电液比例控制阀内是否带有位移闭环控制，可分为带电反馈的电液比例控 制阀与不带电反馈的电液比例阀。两种阀的性能有较大的差异，前者稳态误差在 l 左右，后者稳态误差为3 0 0 , , 5 。 按电液比例控制阀所控制的参数分类，有电液比例压力控制阀、电液比例流 量控制阀、电液比例方向流量复合控制阀。 按电液比例控制阀的阀芯结构形式分类，有滑阀结构、锥阀结构、插装阀结 构的比例控制阀。阀芯结构形式不同，比例流量控制的流量大小也不一样。通常 插装式比例阀适用于大流量的控制。 按阀内液压放大的级数分类，有单级控制阀( 又称直动式控制阀) 、双级控 制阀( 又称先导式控制阀) 、三级控制阀。 按电液比例控制阀上是否带有集成放大器分类，有带集成放大器和不带集成 放大器的比例阀。二者的性能差别不大。但是对于后者，放大器可以独立安装在 控制柜内。而对于前者，放大器集成在比例阀本体上。这种形式的阀结构紧凑， 使用方便，其颤振信号等参数一般已在工厂调整好，使用时不能再更改。另外， 在高温环境下，其适应性也不如不带集成放大器的比例阀。 3 2 原回转台液压系统分析 原试验台外球笼摆角检测分为两种情况：一是产品为合格品，且试验检测时 安装无误；二是在检测中出现故障。情况二又分为两种可能，一是产品为不合格 2 1 武汉理工人学硕士学位论文 品，二是检测时万向节总成安装操作有误，此两种情况都会导致检测过程中外球 笼卡死。此即为本论文要解决的主要问题之一。 液压驱动回路的换向工作原理是：回转工作台转动的两终端安装有死挡铁， 可以调整最大回转角度；控制回转工作台顺时针低速回转，计算机读取旋转编码 器脉冲，当回转工作台摆角达到设定的许用摆角时，记录摆角大小，并驱动液压 缸换向返回原位，压下原位行程开关，检测结束。 当供试件的摆角小于许用摆角，回转工作台不能继续顺时针回转时，拉伸液 压缸有杆腔压力会发生突变，压力传感器检测到此压力突变信号后，立即由计算 机控制拉伸液压缸换向，同时旋转编码器检测到的摆角即为该供试件的实际摆 角。它小于许用摆角，可判定为不合格品。 该方案在原理上可行，但是在实际中存在一定的问题，可能导致无法及时使 回转工作台停止，即推拉液压缸不能及时换向或制动。参考图2 7 ，主要问题在 于电磁换向阀5 ，当摆角检测中出现故障时，需要及时换向，存在两点不足：换 向慢，换向冲击较大，导致推拉液压缸换向不及时或换向失败，最终导致的后果 是，万向节总成被损坏。 而工作台的换向由控制电液换向阀实现，与控制回路相配合，通过压力传感 器对工作台进行的同步检测，设定适当的换向提前量，可以实现比较理想的换向 效果。 在这个系统中，通过叠加式双向节流阀和普通电磁换向阀组合，控制回转工 作台的换向和运动速度，其加速和减速、制动过程、运动速度都由微机控制。 然而该系统在换向时具备了电液换向阀的缺点。与采用电液换向阀的液压系 统有同样的缺憾，即由于电磁换向阀主阀的控制油口大小只能按照事先调定的参 数来改变，所以在控制换向制动时间时有一定的局限性，只能有条件地减小换向 制动过程中的冲击，而不能适用于所有工况，一旦出现上述分析中的第二种情况 ( 外球笼卡死) ，该系统则无法有效地应对。 为了对回转工作台的换向制动过程作进一步的改善，本论文将设计一套采用 电液比例换向阀的液压系统。 3 3 外球笼回转台电液比例液压系统设计 3 3 1 电液比例阀及各子回路的选择 3 3 1 1 比例阀的选择及换向回路的设计 据3 1 2 小节的介绍，电液比例控制阀按所控制的参数分类，有电液比例压 力控制阀、电液比例流量控制阀、电液比例方向控制阀。 武汉理t 大学硕士学位论文 换向回路的设计主要是选取合适的换向阀。由于电磁换向阀在换向制动过程 中会引起一定的换向冲击，所以用电液比例换向阀取代图2 7 中的电磁换向阀5 和双向节流阀1 5 。这样不仅简化了液压系统，而且还充分利用了电液l t , r 控制 技术的优越性，使得换向制动过程更加令人满意。 电液比例方向阀是一种具体有液流方向控制功能和流量控制功能的复合阀【l7 1 。 在压差恒定的条件下，通过它的流量与输入电信号成比例，而流动的方向取决于 比例电磁铁是否受到激励。常见的有二位四通和三位四通滑阀式。 按照控制方式来分，比例方向阀可以分为直接控制式( 单级阀) 和先导控制 式。对高压大流量液流实现比例控制，必须采用先导式二级或多级比例方向节流 阀。由于阀内含有一级或二级液压功率放大，足以克服主阀芯上的液动力干扰， 在负载变化时具有较高的稳定裕度。在这类阀中，先导级与主级之间的耦合形式 有：减压型( 溢流型) 先导式+ 主阀弹簧定位型；级间机械位置反馈型；级间位 移一力反馈型和级间位移一电反馈型【9 1 。 本文液压系统属于中压系统，故选用先导式位移一电反馈比例方向节流阀， 它的受控参数是功率级阀芯的轴向位移或阀口开度，输出流量受负载压力和供油 压力变化的影响。 3 3 1 2 液压源回路的设计 液压源回路也可称为动力源回路，是液压系统中最基本且不可缺少的部分， 液压源回路的功能是向液压系统提供满足执行机构需要的压力和流量。液压源回 路是由油箱、油箱附件、液压泵、电动机、压力阀、过滤器、单向阀等组成。在 设计液压源时要考虑系统所需流量和压力，使用的工况、作业的环境以及液压介 质的污染控制和温度控制等。 ( 1 ) 液压泵的选用 原系统中应用的是定量泵，由于回转工作台速度变化不大，所以其液压系统 在整个工作循环中需油量变化也不大，综合各方面考虑，选用工作可靠性较高的 定量泵更合适，考虑简便的原则，选择原系统的定量叶片泵。 ( 2 ) 压力阀的选用 在采用定量泵的液压源回路里，必须配有压力阀，即溢流阀，因为液压泵输 出的压力油通常只有一部分进入液压缸，而多余部分就要依靠溢流阀来释放。这 种阀是常开的，这样就保持了泵的工作压力基本不变。 电磁溢流阀的结构紧凑，空间位置小，减少了管路连接，装配容易，而且工 作压力高、流量大、反应速度快，并能很好地改善系统和回路的性能，抗振和抗 冲击性能强，减少了管路的振动现象。 ( 3 ) 过滤器的选用 武汉理工大学硕七学位论文 过滤器的功能是清除液压系统工作介质中的固体污染物，使工作介质保持清 洁，延长元器件使用寿命、保证液压元件工作性能可靠。液压系统故障的7 5 左右是由介质所造成的。因此过滤器对液压系统来说是不可缺少的重要辅件。 在本设计中：i 、为了保持油箱里油液的清洁度，在回油管路上安装了回油 过滤器。这样就可以使得进入油箱的油液完全被过滤，即保证了流向液压系统的 油液是无杂质的；i i 、为了保护液压泵，在液压泵吸油管路端部也安装了吸油过 滤器，用以再度清洁进入泵的油液。 ( 4 ) 单向阀的选用 单向阀能控制液流向一个方向流动而不能反向流动，又称为止回阀，它是为 了防止负载变化引起的倒流而设置的。由图2 7 可知，由于该系统与锁紧液压缸 和立式液压缸两个执行器的液压系统是同一个液压源回路，所以，该系统需要使 用一个液控单向阀，从而能够保证和锁紧液压回路有机的控制整个试验台。 综上所述，改进设计的液压源回路与原液压系统基本相同，没有过多的改变。 因为比例换向阀的介质过滤精度与普通开关阀等级基本相同，其抗污染能力比伺 服阀强，比开关阀略低，为了保证比例阀工作更稳定可靠，多加入了一个回油过 滤器。 3 3 1 3 安全回路的设计 对于本论文设计的液压系统，在换向制动过程中，由于工作台的快速制动， 很容易出现过载现象，所以就需要安全回路来控制该液压系统局部支路油液压 力，使之限制其最高值。液压系统中的压力调定必须与载荷相适应，才能既满足 机床要求又减少动力损耗。 溢流阀是应用最广的压力控制元件，安全回路同样要利用溢流阀来实现其功 用。此处的溢流阀是作为安全阀起过载保护作用的，这种阀是常闭的。只有当系 统过载，系统的压力超过其调定值时，直动式溢流阀立即打开，让油液流回油箱， 防止系统过载，保障了系统的工作安全。该溢流阀的调定值一般取为系统工作压 力的1 5 倍。 3 3 1 4 反馈检测装置的选择 在检测过程中，发生卡死情况，需要立即换向制动，需要信号输入来控制液 压系统。可选方案主要有两种：速度传感器和压力传感器。 考虑到在检测过程中，若出现球笼卡死的情况，活塞杆的运动速度会发生突 变，故可以考虑用线速度传感器。但是在检测过程中，活塞杆运动的速度很慢， 且活塞杆的运动不是完全的直线运动，由图2 1 和图2 2 ，可以清楚的了解到活 塞杆( 和液压缸) 的运动是直线运动和绕液压缸端部的旋转运动的复合运动。综 武汉理工人学硕士学位论文 合以上两点，线速度传感器在原理上不能完全满足要求，在实际试验台的安装上 也有一定的困难。 压力传感器可直接检测液压回路中油液的压力，当出现球笼卡死的情况时， 即活塞杆( 和液压缸) 的运动受到限制，液压回路中的油液压力值会发生突变， 以此压力突变值作为发生信号来控制控制比例换向阀，从而控制液压系统换向和 回转工作台的制动。 3 3 2 采用电液比例换向阀的液压系统设计 根据以上设计和选择，液压回路基本确定。最后还有反馈检测系统的确定。 改进后的液压系统原理图如图3 3 所示。 系统的油源是定量叶片泵1 2 ；系统工作压力由电磁溢流阀1 保证，负载的 最高工作压力也由溢流阀1 作为安全阀来限制，以防过载；液控单向阀4 用于防 止系统油液倒流，同时它由一个锁紧系统远程控制；系统的执行器为作直线往复 运动的液压缸7 ，缸的运动由电液比例换向阀5 直接控制；双向液压锁6 用来保 证油路没有压力时，没有油液进入到系统中，确保缸的位置；吸油过滤器1 3 和 回油过滤器1 0 是用来保证进入系统和回到油箱的油液的清洁度；压力传感器9 用来检测系统的压力值，反馈到工业控制计算机。 液压驱动回路工作