CN108412841A - 适用于伺服液压缸运行过程的动态摩擦性能监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的适用于伺服液压缸运行过程的动态摩擦性能监测方法，具体是：通过光纤光栅传感器对活塞杆Y形密封圈、活塞Y形密封圈的接触压力进行监测，并将光纤光栅传感信号输入光纤光栅传感器数据分析处理单元，然后由数据分析处理单元进行伺服缸的动态摩擦力计算并输出动态摩擦特性曲线。本发明能够对伺服缸在实际负载工况下的动态摩擦特性变化进行实时监测和分析，为进一步实现伺服缸摩擦力的动态补偿提供重要的数据支持；在不影响现有伺服缸性能和功能的前提下，只需对其中的活塞和缸头部位进行改进，增加测试环和导向套单元即可适应安装要求，具有较高的模块化和通用性。

Description

适用于伺服液压缸运行过程的动态摩擦性能监测方法

技术领域

本发明涉及一种适用于伺服液压缸运行过程的动态摩擦性能监测方法。

背景技术

伺服缸是液压伺服控制系统中的重要执行元件，是伺服控制系统实现高频响和高精度控制的关键。伺服缸在负载工况下的动态摩擦力，主要包括活塞杆Y形密封圈的摩擦力与活塞Y形密封圈的摩擦力之和。而伺服缸动态摩擦性能是指伺服缸运行过程中动态摩擦力的变化规律，是影响伺服缸运行精度的重要因素。在伺服缸的实际工作过程中，其动态摩擦特性会受到负载、运动状态和密封圈接触状态等多个因素变化的影响，如果摩擦力过大不仅会影响伺服缸的稳定性和频宽，还会带来静态死区和动态死区。如果要使伺服缸保持较小的摩擦力，就必须有一定的泄漏量，否则就会使摩擦力变大，并导致密封磨损量的增加。目前，伺服缸的动态摩擦特性主要是根据产品出厂测试结果来制定的控制策略。但是，在伺服缸的实际工作过程中，随着密封副的逐渐磨损会导致伺服缸的摩擦性能随之发生变化，如果仍然按照出厂试验时的测试结果来进行补偿的会导致误差变大。

针对上述问题，本发明根据现有伺服缸的结构，提出一种能够在伺服液压缸的实际工作过程中对其动态摩擦性能变化进行监测的方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术存在的不足，提供一种适用于伺服液压缸运行过程的动态摩擦性能监测方法，可以在伺服缸的实际工作过程中对它的动态摩擦性能进行监测，为进一步提高伺服缸运行过程控制精度提供支持。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

本发明提供的适用于伺服液压缸运行过程的动态摩擦性能监测方法，具体是：通过光纤光栅传感器对活塞杆Y形密封圈、活塞Y形密封圈的接触压力进行监测，光纤光栅传感信号输入光纤光栅传感器数据分析处理单元，然后由数据分析处理单元进行伺服缸的动态摩擦力计算并输出动态摩擦特性曲线，为进一步实现伺服缸的摩擦力动态补偿提供反馈量。

所述的动态摩擦性能监测方法，是在伺服缸现有结构的基础上增加活塞杆Y形密封圈表面接触状态监测单元、活塞Y形密封圈表面接触状态监测单元以及光纤光栅传感器数据分析处理单元，实现伺服缸的动态摩擦性能监测。

所述活塞杆Y形密封圈表面接触状态监测单元装在缸头处，用于测量活塞杆Y形密封圈的接触压力。

所述活塞杆Y形密封圈表面接触状态监测单元主要由压盖、测试环、法兰、缸头、活塞杆光纤光栅应变传感器、活塞杆光纤光栅温度传感器组成，其中：测试环的外表面开有n条光纤光栅铺设槽，n＝L/0.2，其中L为活塞杆Y形密封圈轴向宽度，单位mm；活塞杆光纤光栅应变传感器采用Rod FBG 2_i(i＝1,2，…，n)；活塞杆光纤光栅温度传感器采用Rod FBG2_n+1。

所述活塞Y形密封圈表面接触状态监测单元有两个，分别是活塞第一Y形密封圈表面接触状态监测单元和活塞第二Y形密封圈表面接触状态监测单元，它们结构相同，对称地装在活塞杆上。

所述活塞第二Y形密封圈表面接触状态监测单元，用于测量活塞第二Y形密封圈的接触压力，该单元主要由右导向套(11)、右定位环(16)、活塞光纤光栅应变传感器PistonFBG11_j(j＝1,2，…，m)、活塞光纤光栅温度传感器Piston FBG11_m+1组成，其中：在右导向套(11)的内表面即活塞第二Y形密封圈的背面处分别铺设了m根压力光纤光栅传感器，m＝L/0.2，L为活塞Y形密封圈轴向宽度，单位mm。活塞第一Y形密封圈表面接触状态监测单元的组成及功能与活塞第二Y形密封圈表面接触状态监测单元相同。

所述光纤光栅传感器数据分析处理单元装在伺服液压缸的系统控制柜中，该单元由光纤光栅信号解调仪、触摸屏、摩擦力计算软件组成，其中：光纤光栅信号解调仪主要是完成活塞杆Y形密封圈表面接触状态监测单元和活塞Y形密封圈表面接触状态监测单元的光纤光栅信号解调，触摸屏主要是完成各光纤光栅传感器压力灵敏度系数，温度灵敏度系数输入和显示输出伺服缸的动态摩擦特性曲线。

所述光纤光栅传感器数据分析处理单元主要是完成光纤光栅信号的解调、并根据布置于活塞Y形密封圈和活塞杆Y形密封圈部位的各光纤光栅传感器实时采集数据分析得到活塞杆Y形密封圈和活塞Y形密封圈的接触压力分布状态，进而求出伺服缸的动态摩擦力，并输出伺服缸的动态摩擦特性曲线。

本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：

1.能够对伺服缸在实际负载工况下的动态摩擦特性变化进行实时监测和分析，为进一步实现伺服缸摩擦力的动态补偿提供重要的数据支持。

2.在不影响现有伺服缸性能和功能的前提下，只需对现有伺服缸活塞和缸头部位改进，增加测试环和导向套单元即可适应安装要求，具有较高的模块化和通用性。

附图说明

图1伺服缸结构示意图。

图2活塞杆Y形密封圈表面接触状态监测单元局部放大视图。

图3活塞Y形密封圈表面接触状态监测单元局部放大视图。

图4活塞杆Y形密封圈光纤光栅传感器铺设位置。

图5活塞Y形密封圈光纤光栅传感器铺设位置。

图6动态摩擦性能监测原理图。

图中：1.压盖；101.光纤引出口；2.测试环；2_i.活塞杆光纤光栅应变传感器RodFBG 2_i(i＝1，2，…，n)，2_n+1.活塞杆光纤光栅温度传感器Rod FBG 2_n+1；3.活塞杆Y形密封圈；4.法兰；5.缸头；6.缸筒；7.活塞杆；8.左定位环；9.活塞第一Y形密封圈；10.左导向套；11.右导向套；11_j.活塞光纤光栅应变传感器Piston FBG 11j(j＝1，2，…，m)，11_m+1.活塞光纤光栅温度传感器11_m+1；12.螺栓；13.导向带；14.活塞第二Y形密封圈；15.O形密封圈；16.右定位环；17.锁母；18.位移传感器；19.缸底；20.伺服缸；21.光纤光栅传感器数据分析处理单元；22.伺服缸控制单元。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明。

本发明提供的适用于伺服缸运行过程的动态摩擦性能监测方法，可以通过伺服缸活塞杆Y形密封圈表面接触状态监测单元、活塞Y形密封圈表面接触状态监测单元和光纤光栅传感器数据分析处理单元21实现对伺服缸动态摩擦性能的监测。在实际应用时，首先进行活塞杆Y形密封圈状态监测单元和活塞Y形密封圈状态监测单元的制作，并对各光纤光栅传感监测单元进行标定，然后完成伺服缸的组装。

在伺服缸20的实际工作过程中，首先将活塞杆Y形密封圈状态监测单元和活塞Y形密封圈状态监测单元采集的光纤光栅传感信号传送给光纤光栅传感数据分析处理单元，经过光纤光栅传感数据分析处理单元处理后得到伺服缸的动态摩擦力，然后，将动态摩擦力作为反馈量输入到伺服缸控制单元22，为进一步实现伺服缸摩擦力的动态补偿提供数据支持。

所述伺服缸控制单元22，主要是根据光纤光栅传感器数据分析处理单元反馈的伺服缸动态摩擦力大小实现伺服缸动态摩擦力调节作用。

在伺服缸20中，除了压盖1、法兰4、缸头5、缸筒6、活塞杆7、缸底19和内置式的位移传感器18等组成部分之外，还包括位于缸头处的伺服缸活塞杆Y形密封圈表面接触状态监测单元和位于活塞杆内端处的活塞Y形密封圈表面接触状态监测单元，如图1所示。

所述活塞杆Y形密封圈表面接触状态监测单元，如图2所示，主要由测试环2、活塞杆Y形密封圈3、活塞杆光纤光栅应变传感器Rod FBG 2_i(i＝1，2，…，n)、活塞杆光纤光栅温度传感器2_n+1组成。其中，活塞杆Y形密封圈3装配于测试环2的内表面，在与活塞杆Y形密封圈的接触面相对的测试环外表面的周向上均匀铺设了n根光纤光栅应变传感器(n＝L/0.2，其中L为活塞杆Y形密封圈轴向宽度)，用于测量活塞杆Y形密封圈接触状态监测单元中密封圈的接触压力变化。在测试环的外表面沿轴向铺设了光纤光栅温度传感器传感器RodFBG2_n+1，如图4所示。

所述活塞Y形密封圈表面接触状态监测单元采用左右对称结构，以其中的右半部分为例，如图3所示，主要由右导向套11、右定位环16、活塞第二Y形密封圈14、活塞光纤光栅应变传感器Piston FBG11_j(j＝1，2，…，m)、活塞光纤光栅温度传感器Piston FBG 11_m+1组成。其中活塞第二Y形密封圈14装配于右导向套11的内表面。在右导向套11外表面的周向均匀铺设了m根活塞光纤光栅应变传感器Piston FBG(m＝L/0.2，其中L为活塞Y形密封圈轴向宽度)，用于测量活塞Y形密封圈的接触压力变化。在右导向套11的外表面沿轴向铺设了活塞光纤光栅温度传感器传感器Piston FBG 11_m+1，如局部放大的图5所示。

本发明提供的适用于伺服液压缸运行过程的动态摩擦性能监测方法，包括以下步骤：

一.光纤光栅传感器铺设：

(1)活塞杆Y形密封圈表面接触状态监测单元：

在测试环的外表面沿周向开设光纤光栅应变传感器铺设槽，由于裸光纤光栅的直径为0.125mm，根据光纤光栅的铺设要求，两根相邻光纤光栅传感器的铺设间距最短可以为0.2mm，因此，如果密封圈宽度为L，则可铺设的光纤光栅传感器数量为n＝L/0.2。用于实现温度补偿的活塞杆光纤光栅温度传感器Rod FBG_n+1在测试环的外表面沿着轴向铺设，如局部放大的图4所示。在光栅的铺设过程中，为了保证光纤光栅传感器能够准确识别密封圈的接触压力变化，必须使光纤光栅紧贴测试环表面的光纤光栅传感器铺设槽。以其中的活塞杆光纤光栅应变传感器Rod FBG 2₀₁为例，首先用手指按压住光栅区的两端，确保光栅区紧贴槽的内部，然后点AB胶，将光栅的两端固定好，然后再将环氧树脂高温胶涂在光纤上，并缓慢转动测试环，确保环氧树脂高温胶填满整个环形槽。依此，完成其他各光纤光栅应变传感器的铺设。最后，将毛细钢管封装的活塞杆光纤光栅温度传感器Rod FBG 2_n+1的一端顶住测试环端面以实现它的轴向定位，再点AB胶固定毛细钢管两端，并沿着钢管涂耐高温胶。

(2)活塞Y形密封圈表面接触状态监测单元：

在活塞右导向套的内表面(即活塞第二Y形密封圈的背面)沿周向开设光纤光栅应变传感器铺设槽，用于测量活塞第二Y形密封圈的接触压力变化。用于实现温度补偿的光纤光栅温度传感器沿着导向套的外圆表面轴向方向铺设，如局部放大的图3所示。按照上述(1)中的操作步骤，依次完成活塞Y形密封圈接触状态监测单元中各光纤光栅传感器的铺设。

二.各零部件装配：

(1)装配活塞Y形密封圈左侧部分，先将左定位环8通过平键与活塞杆7连接，再将左导向套10通过螺栓12与左定位环8连接。

(2)装配活塞Y形密封圈右侧部分，如局部放大的图3所示：首先将铺设在右导向套11上的光纤光栅传感器经活塞杆光纤径向引出口和活塞杆轴向引出口从活塞杆的端面引出，再将右定位环16通过平键和活塞杆7连接，接着装配右导向套11，最后完成活塞第二Y形密封圈和导向带13的装配。

(3)装配活塞杆的Y形密封圈。首先将铺设在测试环上的各光纤光栅传感器从压盖1上的光纤引出口101引出，将测试环2与活塞杆Y形密封圈组装成一个部件。

(4)装配整个伺服缸。首先装配缸头，接着装配测试环，然后通过螺栓将压盖与缸头连接。最后装配缸底19。

三.光纤光栅传感器的标定：

(1)压力灵敏度系数标定：

通过光纤光栅传感器直接测得的物理量实际上是应变，为了得到光纤光栅应变传感器中心波长与密封接触压力之间的关系，还必须对各光纤光栅应变传感器进行压力灵敏度系数标定。

①活塞杆Y形密封圈接触状态监测单元中的光纤光栅应变传感器的压力灵敏度系数标定：

首先保持进油口P2的油液压力稳定，测得在此压力下活塞杆Y形密封圈接触状态监测单元中各光纤光栅应变传感器Rod FBG 2_i(i＝1，2，…，n)的波长，然后通过改变油液压力，可以得到各光纤光栅传感器的波长与压力的关系式，从而得到各光纤光栅传感器的压力灵敏度系数

②活塞Y形密封圈接触状态监测单元中的光纤光栅应变传感器的压力灵敏度系数标定：

首先保持进油口P2的油液压力稳定，测得在此压力下活塞Y形密封圈接触状态监测单元中各光纤光栅应变传感器Piston FBG11_j(j＝1，2，…，m)的波长，然后通过改变油液压力，可以得到活塞Y形密封圈接触状态监测单元中各光纤光栅应变传感器的波长与压力的关系式，从而得到各光纤光栅应变传感器的压力灵敏度系数

(2)温度灵敏度系数标定：

由于光纤光栅传感器中心波长的变化与其所处物理场中的应变和温度这两个物理量的变化有关，因此为了避免温度变化对光纤光栅传感器波长的影响，需要对各光纤光栅传感器进行温度补偿，具体包括以下步骤：

①将铺设好光纤光栅传感器的测试环2和右导向套11置于温控箱中，设定好温度，待光栅中心波长稳定后，即可得到此温度下各光纤光栅传感器的波长变化。

②依次升高温度，可以得到其他温度下每个光纤光栅传感器的波长变化。

③然后进行波长—温度曲线拟合，从而得到活塞杆Y形密封圈接触状态监测单元中各光纤光栅传感器的温度灵敏度系和活塞Y形密封圈接触状态监测单元中各光纤光栅传感器的温度灵敏度系数

四、动态摩擦特性的分析：

(1)动态摩擦特性的分析由光纤光栅传感数据处理单元完成，光纤光栅传感数据处理单元首先对活塞光纤光栅信号和活塞杆光纤光栅信号解调，根据输入的活塞Y形密封圈和活塞杆Y形密封圈中各光纤光栅传感器的压力灵敏度系数，温度灵敏度系数得到活塞杆Y形密封圈和活塞第二Y形密封圈接触压力分布，然后根据式(9)、式(10)、式(12)得到伺服缸的动态摩擦力，并输出显示伺服缸的动态摩擦特性曲线。

(2)动态摩擦特性的分析方法

在伺服缸实际运行过程中，活塞杆和活塞的Y形密封圈均处于完全润滑状态。因此，可以基于雷诺方程对Y形密封圈的动态摩擦力进行求解。具体的计算原理和求解步骤如下：

式(1)中，h为油膜厚度；p为密封界面中的流体压力，η为油液动力粘度，u为活塞杆往复运动速度，为最大压力处的油膜厚度。为压力梯度。

根据雷诺方程，可以对密封界面间的油膜剪切应力τ进行求解：

根据式(2)的结果，可以对密封界面之间的摩擦力F进行求解：

式(3)中，L为密封接触宽度；D为缸筒内径。

从上述式(2)和式(3)可看出，求解密封摩擦力的关键是密封界面间的油膜厚度分布和流体压力分布。由式(1)可知，无论是预先知道油膜厚度分布还是流体压力分布，都需要通过雷诺方程求解另外一个未知量。通常，可以采用以下两种方法进行求解：一种是已知密封接触区域的油膜厚度分布h(x)，求解流体压力分布p(x)；另一种是已知密封接触区域的流体压力分布p(x)，求解油膜厚度分布h(x)，第二种方法称作反向求解法。在本发明中，选择反向求解法来进行求解。

由于密封接触压力分布是较为复杂的函数，通过光纤光栅传感器测得不同点的接触压力来拟合接触压力分布函数是比较困难的。因此，本发明采用线性插值理论，把相距很近的两个光纤光栅接触应变传感器测得的接触压力分布(一段曲线)看作是一段直线，首先求得这两点间的压力梯度，然后再求解这两点间任意一点的油膜厚度，同理可以求解出其他相邻两点间的压力梯度和油膜厚度，进而按照式(3)求解密封界面之间的摩擦力F。以活塞杆Y形密封圈中的光纤光栅传感器为例。由于相邻两个光纤光栅接触应变传感器相距很近，因此它们的投影点i、i+1(1≤i≤n-1)之间相距很近，所以可采用线性插值的方法，通过测量i、i+1两点对应的密封接触面的压力可求出这两点间的压力梯度dp/dx，对式(1)求微分得：

由于i、i+1两点对应的密封面接触压力分布是一段直线，因此i、i+1两点间的任意一点其压力梯度极值为零，即由此边界条件可得：

由于i、i+1两点间任意一点dh/dx≠0，从而得到此点的油膜厚度：

将式(6)代入式(2)得：

在实际情况中，各相邻两点间的压力梯度和油膜厚度可以视为是恒定的，由此可以得到密封圈接触面上第i个相邻两点压力梯度为：

因此，可以通过光纤光栅接触应变传感器FBG_i和FBG_i+1测得与点i和点i+1对应的接触压力P_i和P_i+1。

根据式3可以求出活塞杆处Y形密封圈的摩擦力：

(n＝L/0.2，其中L为活塞杆第二Y形密封圈轴向宽度)

同理可以得到活塞处第二Y形密封圈的摩擦力F_piston：

(m＝L/0.2，其中L为活塞Y形密封圈轴向宽度)

由于伺服缸活塞的摩擦力主要是由活塞第一Y形密封圈和活塞第二Y形密封圈引起的,而活塞第一Y形密封圈和活塞第二Y形密封圈的型号一样且工作环境相同，因此可以认为活塞第一Y形密封圈和活塞第二Y形密封圈的摩擦力相同。由此可以得到伺服缸的动态摩擦力：

F＝F_rod+2F_piston (12)

光纤光栅传感器数据分析处理单元的主要作用是完成式(9)中活塞杆Y形密封圈动态摩擦力、式(10)中活塞Y形密封圈的动态摩擦力和以及式(12)中伺服缸的动态摩擦力计算，并输出伺服缸的动态摩擦特性曲线。

Claims (8)

1.一种适用于伺服液压缸运行过程的动态摩擦性能监测方法，其特征在于通过光纤光栅传感器对活塞杆Y形密封圈、活塞Y形密封圈的接触压力进行监测，光纤光栅传感信号输入光纤光栅传感器数据分析处理单元，然后由数据分析处理单元进行伺服缸的动态摩擦力计算并输出动态摩擦特性曲线，为进一步实现伺服缸的摩擦力动态补偿提供反馈量。

2.根据权利要求1所述的动态摩擦性能监测方法，其特征是在伺服缸现有结构的基础上增加活塞杆Y形密封圈表面接触状态监测单元、活塞Y形密封圈表面接触状态监测单元以及光纤光栅传感器数据分析处理单元，实现伺服缸的动态摩擦性能监测。

3.根据权利要求2所述的动态摩擦性能监测方法，其特征在于所述活塞杆Y形密封圈表面接触状态监测单元装在缸头处，用于测量活塞杆Y形密封圈的接触压力。

4.根据权利要求3所述的动态摩擦性能监测方法，其特征在于所述活塞杆Y形密封圈表面接触状态监测单元主要由压盖(1)、测试环(2)、法兰(4)、缸头(5)、活塞杆光纤光栅应变传感器、活塞杆光纤光栅温度传感器组成，其中：测试环(2)的外表面开有n条光纤光栅铺设槽，n＝L/0.2，其中L为活塞杆Y形密封圈轴向宽度，单位mm；活塞杆光纤光栅应变传感器采用Rod FBG 2_i(i＝1,2，…，n)；活塞杆光纤光栅温度传感器采用Rod FBG 2_n+1。

5.根据权利要求2所述的动态摩擦性能监测方法，其特征在于所述活塞Y形密封圈表面接触状态监测单元有两个，分别是活塞第一Y形密封圈表面接触状态监测单元和活塞第二Y形密封圈表面接触状态监测单元，它们结构相同，对称地装在活塞杆上。

6.根据权利要求5所述的动态摩擦性能监测方法，其特征在于所述活塞第二Y形密封圈表面接触状态监测单元，用于测量活塞第二Y形密封圈的接触压力，该单元主要由右导向套(11)、右定位环(16)、活塞光纤光栅应变传感器Piston FBG11_j(j＝1,2，…，m)、活塞光纤光栅温度传感器Piston FBG11_m+1组成，其中：在右导向套(11)的内表面即活塞第二Y形密封圈的背面处分别铺设了m根光纤光栅应变传感器，m＝L/0.2，L为活塞Y形密封圈轴向宽度，单位mm。活塞第一Y形密封圈表面接触状态监测单元的组成及功能与活塞第二Y形密封圈表面接触状态监测单元相同。

7.根据权利要求2所述的动态摩擦性能监测方法，其特征在于所述光纤光栅传感器数据分析处理单元装在伺服液压缸的系统控制柜中，该单元由光纤光栅信号解调仪、触摸屏、摩擦力计算软件组成，其中：光纤光栅信号解调仪主要是完成活塞杆Y形密封圈表面接触状态监测单元和活塞Y形密封圈表面接触状态监测单元的光纤光栅信号解调，触摸屏主要是完成各光纤光栅传感器压力灵敏度系数和温度灵敏度系数的输入，以及伺服缸的动态摩擦特性曲线的显示输出。

8.根据权利要求7所述的动态摩擦性能监测方法，其特征在于所述光纤光栅传感器数据分析处理单元主要是完成光纤光栅信号的解调、并根据布置于活塞Y形密封圈和活塞杆Y形密封圈部位的各光纤光栅传感器实时采集数据分析得到活塞杆Y形密封圈和活塞Y形密封圈的接触压力分布状态，进而求出伺服缸的动态摩擦力，并输出伺服缸的动态摩擦特性曲线。