CN107036963B - 工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置，包括被测液压缸、加载液压缸、对接机构、拉压力传感器、轮辐式力传感器、滑块、导轨及位移传感器，加载液压缸的活塞末端连接轮辐式力传感器，轮辐式力传感器另一端连接于对接机构上，对接机构另一端连接被测液压缸的活塞，对接机构上在轮辐式力传感器外侧可拆卸连接拉压力传感器，拉压力传感器另一端连接滑块。本发明工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置，方便易行且能够同时对液压缸和导轨副的摩擦力参数进行测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于工程机械液压缸及导轨动态摩擦参数测试实验装置及其测试方法，特别是一种能够同时进行工程机械液压缸和滑动导轨结合面的动态摩擦参数进行测试的实验装置和测试方法。
背景技术
液压缸和导轨是工程机械系统中广泛应用的组件或部件。液压缸或导轨组件结合面摩擦直接影响其所在机械系统的定位与运动精度。由于一直以来对摩擦的测定及建模工作不足，往往出现液压系统执行机构定位不准的问题。因此需要发明一种简单易行并且准确的测定典型机械部件摩擦参数的实验装置及其测试方法。工程机械作业时，时常受到冲击载荷的影响，因此所建立的摩擦特性测试装置中，应当可以实现在不同类型冲击载荷作用下系统的快速响应速度跟踪功能。
摩擦是一种复杂的物理现象，不仅具有速度、加速度依赖性，而且具有滞回和记忆特性。通常情况下，无论是在系统设计，还是在仿真及其实验参数的确定过程中，摩擦环节往往被简单地处理成库伦摩擦力、粘性摩擦力抑或静摩擦力(Stribek效应)的形式。国内外学术界一直以来从未停止对摩擦建模的研究。在学术界内，面向控制过程的模型中有两个摩擦模型应用较广泛：一是Canudas de Wit C等人于1995年发表在《IEEE TRANSACTIONSON AUTOMATIC CONTROL》40卷3期的论文“A new model for control of systems withfriction”提出的LuGre模型；二是Lampaert V和Al-Bender F等人于2003年在俄罗斯圣彼得堡召开的IEEE International Conference on Physics and Control会议上发表的论文“A generalized maxwell-slip friction model appropriate for controlpurposes”提出的GMS模型。两种摩擦模型的参数均需先进行动态摩擦特性测试，然后通过参数辨识来确定。在现有技术中，还没有能同时对工程机械液压缸及导轨的摩擦特性进行测试的试验装置。
发明内容
本发明的目的是提供一种工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置及测试方法，以解决上述现有技术存在的问题，其方便易行且能够同时对液压缸和导轨副的摩擦力参数进行测试。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：一种工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置，包括被测液压缸、加载液压缸、对接机构、拉压力传感器、轮辐式力传感器、滑块、导轨及位移传感器，所述被测液压缸的轴线、加载液压缸的轴线与所述导轨在同一水平面内，所述加载液压缸的活塞末端连接所述轮辐式力传感器，所述轮辐式力传感器另一端连接于所述对接机构上，所述对接机构另一端连接所述被测液压缸的活塞，所述对接机构上在所述轮辐式力传感器外侧可拆卸连接所述拉压力传感器，所述拉压力传感器另一端连接所述滑块，所述滑块位于所述导轨上，所述位移传感器设置于靠近所述加载液压缸的活塞处。
本发明工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置，其中，还包括四个固定支座，所述四个固定支座上均开有一安装孔，四个所述安装孔的中心在同一直线上，所述被测液压缸沿长度方向的两端分别安装于两固定支座的安装孔内，所述加载液压缸沿长度方向的两端分别安装于另外两固定支座的安装孔内。
本发明工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置，其中，所述四个固定支座均固定于工作平台上，所述位移传感器设置于所述工作平台上。
本发明工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置，其中，所述导轨为一组，所述一组导轨分别位于所述被测液压缸的两侧，所述滑块为两块，所述滑块与导轨一一对应。
本发明工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置，其中，所述工作平台上固定有导轨支架，所述导轨固定于所述导轨支架上。
本发明工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置，其中，所述对接机构与所述拉压力传感器之间设置有万向节，所述万向节与所述对接机构之间可拆卸连接。
本发明采用上述工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置进行工程机械液压缸的摩擦特性测试方法，包括以下步骤：
(一)将所述拉压力传感器及万向节拆除；
(二)测试静态摩擦力：
设置常值跟踪速度v和加载力Fl，使被测液压缸通过对接机构在加载液压缸的带动下以理论速度匀速运动；
保持加载力Fl不变，从低速至高速改变跟踪速度v，提取每个速度段内的被测液压缸压力、柱塞位移、加载力等信号经数据采集卡送入工控机进行后台处理进而得到摩擦力Fr数据，从小到大连续变换加载力Fl数值，再次从低速至高速改变跟踪速度v，提取每个速度段内的被测液压缸压力、柱塞位移、加载力等信号经数据采集卡送入工控机进行后台处理进而得到摩擦力Fr数据；
利用上述步骤得到的摩擦力Fr数据，通过Stribeck模型对每组加载力对应的静态特性摩擦参数进行辨识：
Find FC，FS，vs，σ2；
式中，FC是库伦摩擦力，FS是最大静摩擦力，vs是Sribeck临界速度，σ2是粘性摩擦系数；
测试动态摩擦力：
保持加载力Fl不变，设置跟踪速度v为三角波/正弦波形式，改变跟踪速度信号频率ω，分组提取每个频率段内的被测液压缸压力、柱塞位移、加载力等信号经数据采集卡送入工控机进行后台处理进而得到摩擦力Fr数据；
设置跟踪速度v为三角波/正弦波形式，保持跟踪速度信号频率ω和幅值不变，从小至大连续调节加载力Fl数值，分组提取不同加载力时的被测液压缸压力、柱塞位移、加载力等信号经数据采集卡送入工控机进行后台处理进而得到摩擦力Fr数据。
本发明采用上述工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置进行导轨摩擦特性的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
测试静态摩擦力：
首先，在所述滑块上加配重，保持加载力Fl数值及配重不变，从小至大改变跟踪速度v大小，分组提取不同跟踪速度下导轨摩擦力fr数据，保持加载力Fl数值及跟踪速度v不变，从小至大改变配重大小，分组提取导轨摩擦力fr数据，所述滑块及配重所受到的牵引力f由拉压力传感器测得，此时测试工况为匀速，根据牛顿第二定律，f-fr＝0，fr＝f；
然后，利用上述步骤中得到的导轨摩擦力fr数据，通过Stribeck模型对每组加载力对应的静态特性摩擦参数进行辨识：
Find FC，FS，vs，σ2；
式中，FC是库伦摩擦力，FS是最大静摩擦力，vs是Sribeck临界速度，σ2是粘性摩擦系数；
测试动态摩擦力：
保持加载力Fl数值及配重不变，设置跟踪速度v为正弦波/三角波信号改变跟踪速度信号频率ω，分组提取不同跟踪速度下导轨摩擦力fr数据，保持加载力Fl数值、正弦波/三角波信号的跟踪速度v和频率ω不变，改变配重大小，分组提取不同配重下导轨摩擦力fr，f为滑块所受牵引力，由所述拉压力传感器测得，m为滑块及其配重的质量，为加速度，根据牛顿第二定律
求得fr。
本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：由于本发明工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置的加载液压缸的活塞末端连接轮辐式力传感器，轮辐式力传感器另一端连接于对接机构上，对接机构另一端连接被测液压缸的活塞，对接机构上在轮辐式力传感器外侧可拆卸连接拉压力传感器，拉压力传感器另一端连接滑块，因此可通过本装置进行滑动导轨结合面的摩擦力参数测试，也可拆除拉压力传感器对被测液压缸进行摩擦力参数测试，消除滑动导轨结合面摩擦对测试误差的影响，测试结果更准确，并且结构简单、成本低，可用于不同压力和运动速度下滑动副及工程机械液压缸的摩擦力测试。本发明公开的摩擦力测试方法可以满足变速度(及其频率)、变压力(负载)、变正压力下动态摩擦力的测试需求，能够适用于不同摩擦模型的辨识实验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置的立体结构示意图；
图2为本发明工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置的主视结构示意图；
图3为本发明工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置的俯视结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1、2、3所示，本发明一种工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置，包括被测液压缸11、加载液压缸12、对接机构13、拉压力传感器14、轮辐式力传感器15、滑块17、导轨18及位移传感器，被测液压缸11的轴线、加载液压缸12的轴线与导轨18在同一水平面内，导轨18为一组，一组导轨18分别位于被测液压缸11的两侧，滑块17为两块，两滑块17上均开有螺栓连接孔，用于固定配重，位移传感器为磁致伸缩式高精度位移传感，加载液压缸12的活塞末端连接轮辐式力传感器15，轮辐式力传感器15另一端连接于对接机构13上，对接机构13另一端连接被测液压缸11的活塞末端，对接机构13上在轮辐式力传感器15前后两侧分别通过螺栓可拆卸连接有一拉压力传感器14，两拉压力传感器14另一端分别通过螺栓连接于一滑块17上，两滑块17分别位于一导轨18上并可在相应的导轨18上滑动，位移传感器设置于靠近加载液压缸12的活塞处，加载液压缸12通过对接机构13向被测液压缸11施加加载力，拉压力传感器14用于测量滑块17的牵引力。
如图1所示，本发明一种工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置包括四个固定支座21、22、23、24，四个固定支座21、22、23、24均通过螺栓固定于工作平台25上，四个固定支座上均开有一安装孔，四个安装孔的中心在同一直线上，被测液压缸11沿长度方向的两端分别安装于两固定支座21、22的安装孔内，加载液压缸12沿长度方向的两端分别安装于另外两固定支座23、24的安装孔内，保证被测液压缸11与加载液压缸12同轴，位移传感器设置于工作平台25上，位移传感器与加载油缸12的活塞连接，避免位移传感器导向部件摩擦对测量结果的影响。
如图1所示，工作平台25上固定有导轨支架26，导轨18焊接固定于导轨支架26上。
另外，在对接机构13与两拉压力传感器14之间分别设置有万向节20，万向节20与对接机构13之间通过螺栓可拆卸连接，万向节20补偿拉压力传感器14牵引轴线与对接机构13轴线的空间偏差。
测试实验时，液压阀组驱动被测液压缸11带动滑块沿直线导轨运动，调节比例调速阀或者伺服阀的电压可以改变其输出流量，即改变被测液压缸11活塞的运动速度，调节位于加载液压阀组中的比例溢流阀电压从而改变加载力的大小。系统加入速度闭环控制可以实现正弦、三角波或者常值跟踪速度下的摩擦力测试，被测液压缸压力、柱塞位移、加载力等信号经数据采集卡送入工控机进行后台处理进而得到摩擦力数据。
本发明采用上述工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置进行工程机械液压缸摩擦特性测试的方法，包括以下步骤：
(一)将两拉压力传感器14、两万向节20及两螺栓拆除，以削弱导轨副摩擦力随机性对加载力波动的影响；
(二)测试静态摩擦力：
设置常值跟踪速度v和加载力Fl，使被测液压缸11通过对接机构13在加载液压缸12的带动下以理论速度匀速运动；
保持加载力Fl不变，从低速至高速改变跟踪速度v，提取每个速度段内的被测液压缸压力、柱塞位移、加载力等信号经数据采集卡送入工控机进行后台处理进而得到摩擦力Fr数据，被测液压缸压力由油路上的压力传感器获得，柱塞位移由位移传感器获得，从小到大连续变换加载力Fl数值，再次从低速至高速改变跟踪速度v，提取每个速度段内的被测液压缸压力、柱塞位移、加载力等信号经数据采集卡送入工控机进行后台处理进而得到摩擦力Fr数据；
利用上述步骤得到的摩擦力Fr数据，通过Stribeck模型对每组加载力对应的静态特性摩擦参数进行辨识：
Find FC，FS，vs，σ2；
式中，FC是库伦摩擦力，FS是最大静摩擦力，vs是Sribeck临界速度，σ2是粘性摩擦系数，此模型是著名的Stribeck模型，用于描述机械系统静态摩擦力，应用广泛。
测试动态摩擦力：
保持加载力Fl不变，设置跟踪速度v为三角波/正弦波形式，改变跟踪速度信号频率ω，分组提取每个频率段内的被测液压缸压力、柱塞位移、加载力等信号经数据采集卡送入工控机进行后台处理进而得到摩擦力Fr数据；
设置跟踪速度v为三角波/正弦波形式，保持跟踪速度信号频率ω和幅值不变，从小至大连续调节加载力Fl数值，分组提取不同加载力时的被测液压缸压力、柱塞位移、加载力等信号经数据采集卡送入工控机进行后台处理进而得到摩擦力Fr数据。
采用上述工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置进行导轨摩擦特性的测试方法，包括以下步骤：
测试静态摩擦力：
首先，在滑块17上加配重，保持加载力Fl数值及配重不变，从小至大改变跟踪速度v大小，分组提取不同跟踪速度下导轨摩擦力fr数据，保持加载力Fl数值及跟踪速度v不变，从小至大改变配重大小，分组提取导轨摩擦力fr数据，滑块17及配重所受到的牵引力f由拉压力传感器14测得，此时测试工况为匀速，根据牛顿第二定律，f-fr＝0，fr＝f；
然后，利用上述步骤中得到的导轨摩擦力fr数据，通过Stribeck模型对每组加载力对应的静态特性摩擦参数进行辨识：
Find FC，FS，vs，σ2；
式中，FC是库伦摩擦力，FS是最大静摩擦力，vs是Sribeck临界速度，σ2是粘性摩擦系数，此模型是著名的Stribeck模型，用于描述机械系统静态摩擦力，应用广泛；
测试动态摩擦力：
保持加载力Fl数值及配重不变，设置跟踪速度v为正弦波/三角波信号改变跟踪速度信号频率ω，分组提取不同跟踪速度下导轨摩擦力fr数据，保持加载力Fl数值、正弦波/三角波信号的跟踪速度v和频率ω不变，改变配重大小，分组提取不同配重下导轨摩擦力fr，f为滑块所受牵引力，由所述拉压力传感器14测得，m为滑块及其配重的质量，为加速度，根据牛顿第二定律求得fr。
本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置，其特征在于：包括被测液压缸(11)、加载液压缸(12)、对接机构(13)、拉压力传感器(14)、轮辐式力传感器(15)、滑块(17)、导轨(18)及位移传感器(19)，所述被测液压缸(11)的轴线、加载液压缸(12)的轴线与所述导轨(18)在同一水平面内，所述加载液压缸(12)的活塞末端连接所述轮辐式力传感器(15)，所述轮辐式力传感器(15)另一端连接于所述对接机构(13)上，所述对接机构(13)另一端连接所述被测液压缸(11)的活塞，所述对接机构(13)上在所述轮辐式力传感器(15)外侧可拆卸连接所述拉压力传感器(14)，所述拉压力传感器(14)另一端连接所述滑块(17)，所述滑块(17)位于所述导轨(18)上，所述位移传感器(19)设置于靠近所述加载液压缸(12)的活塞处。
2.根据权利要求1所述的工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置，其特征在于：还包括四个固定支座(21、22、23、24)，所述四个固定支座上均开有一安装孔，四个所述安装孔的中心在同一直线上，所述被测液压缸(11)沿长度方向的两端分别安装于两固定支座的安装孔内，所述加载液压缸(12)沿长度方向的两端分别安装于另外两固定支座的安装孔内。
3.根据权利要求2所述的工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置，其特征在于：所述四个固定支座(21、22、23、24)均固定于工作平台(25)上，所述位移传感器(19)设置于所述工作平台(25)上。
4.根据权利要求1所述的工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置，其特征在于：所述导轨(18)为一组，所述一组导轨(18)分别位于所述被测液压缸(11)的两侧，所述滑块(17)为两块，所述滑块(17)与导轨(18)一一对应。
5.根据权利要求3所述的工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置，其特征在于：所述工作平台(25)上固定有导轨支架(26)，所述导轨(18)固定于所述导轨支架(26)上。
6.根据权利要求1所述的工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置，其特征在于：所述对接机构(13)与所述拉压力传感器(14)之间设置有万向节(20)，所述万向节(20)与所述对接机构(13)之间可拆卸连接。
7.采用上述权利要求1-6任一所述工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置进行工程机械液压缸的摩擦特性测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
(一)将所述拉压力传感器(14)及所述对接机构(13)与所述拉压力传感器(14)之间设置的万向节(20)拆除；
(二)测试静态摩擦力：
设置常值跟踪速度v和加载力Fl，使被测液压缸(11)通过对接机构(13)在加载液压缸(12)的带动下以理论速度匀速运动；
保持加载力Fl不变，从低速至高速改变跟踪速度v，提取每个速度段内的被测液压缸压力、活塞位移、加载力信号经数据采集卡送入工控机进行后台处理进而得到摩擦力Fr数据，从小到大连续变换加载力Fl数值，再次从低速至高速改变跟踪速度v，提取每个速度段内的被测液压缸压力、活塞位移、加载力信号经数据采集卡送入工控机进行后台处理进而得到摩擦力Fr数据；
利用上述步骤得到的摩擦力Fr数据，通过Stribeck模型对每组加载力对应的静态特性摩擦参数进行辨识：
Find FC，FS，vs，σ2；
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式中，FC是库伦摩擦力，FS是最大静摩擦力，vs是Sribeck临界速度，σ2是粘性摩擦系数；
测试动态摩擦力：
保持加载力Fl不变，设置跟踪速度v为三角波/正弦波形式，改变跟踪速度信号频率ω，分组提取每个频率段内的被测液压缸压力、活塞位移、加载力信号经数据采集卡送入工控机进行后台处理进而得到摩擦力Fr数据；
设置跟踪速度v为三角波/正弦波形式，保持跟踪速度信号频率ω和幅值不变，从小至大连续调节加载力Fl数值，分组提取不同加载力时的被测液压缸压力、活塞位移、加载力信号经数据采集卡送入工控机进行后台处理进而得到摩擦力Fr数据。
8.采用上述权利要求1-6任一所述工程机械液压缸及导轨的摩擦特性测试装置进行导轨摩擦特性的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
测试静态摩擦力：
首先，在所述滑块(17)上加配重，保持加载力Fl数值及配重不变，从小至大改变跟踪速度v大小，分组提取不同跟踪速度下导轨摩擦力fr数据，保持加载力Fl数值及跟踪速度v不变，从小至大改变配重大小，分组提取导轨摩擦力fr数据，所述滑块(17)及配重所受到的牵引力f由拉压力传感器(14)测得，此时测试工况为匀速，根据牛顿第二定律，f-fr＝0，fr＝f；
然后，利用上述步骤中得到的导轨摩擦力fr数据，通过Stribeck模型对每组加载力对应的静态特性摩擦参数进行辨识：
Find FC，FS，vs，σ2；
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式中，FC是库伦摩擦力，FS是最大静摩擦力，vs是Sribeck临界速度，σ2是粘性摩擦系数；
测试动态摩擦力：
保持加载力Fl数值及配重不变，设置跟踪速度v为正弦波/三角波信号，改变跟踪速度信号频率ω，分组提取不同跟踪速度下导轨摩擦力fr数据，保持加载力Fl数值、正弦波/三角波信号的跟踪速度v和频率ω不变，改变配重大小，分组提取不同配重下导轨摩擦力fr，f为滑块所受牵引力，由所述拉压力传感器(14)测得，m为滑块及其配重的质量，为加速度，根据牛顿第二定律
求得fr。
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