CN109186509B - 变间隙密封液压缸变形活塞唇边变形量测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种变间隙密封液压缸变形活塞唇边变形量测量装置及测量方法。其技术方案是：所述测量装置是在变间隙密封液压缸(1)的缸筒(6)外表面贴有超声波探头(2)，超声波探头(2)通过数据线与超声波脉冲激励发射接收仪(3)、数字示波器(4)和计算机(5)连接。所述测量方法是通过数据处理得到反射波的时域图像和反射波的频域图像，再通过数据分析与处理得到反射系数频谱图，根据反射系数频谱图中是否存在极小值点，由公式(1)或(2)得到油膜厚度δ，然后根据修正系数α进行油膜厚度δ修正，最后得到变形活塞(7)唇边变形量t。本发明结构简单，能快速准确测量出变形活塞唇边变形量，为变间隙密封液压缸密封间隙可控技术研究提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于液压缸变形活塞唇边变形测量装置技术领域。具体是一种变间隙密封液压缸变形活塞唇边变形量测量装置及测量方法。
背景技术
液压缸活塞唇边变形量测量技术是一种新型测量技术，能准确地显示变间隙密封液压缸在不同工作压力下活塞唇边的变形量。
变间隙密封液压缸与普通液压缸的最大区别是活塞的结构和所采用的密封方式不同，变间隙密封液压缸的变形活塞没有选用任何密封件，是在活塞两端各增加了一段环形唇边，利用变形活塞唇边对油腔变化工作压力的自适应性产生的径向形变，以减小变形活塞唇边外表面与缸筒内壁的间隙，从而达到变间隙密封的目的，实现了液压缸的密封要求，同时也增大了液压缸的容积效率，使得液压缸的整体性能得到进一步提升。此外，在活塞圆柱体的外表面上还开有均布的平衡槽，起均布载荷和增强活塞对中的作用。
为了进一步探索和正面验证液压缸变间隙密封理论的合理性和可实施性，研究变形活塞唇边变形量与泄漏量的准确关系，测量变间隙密封液压缸变形活塞唇边的变形量成为变间隙密封液压缸研究的关键一步。在研究高速大功率液压驱动系统中，由于变形活塞唇边的变形量很微小，属于微米级，液压缸内部流场复杂多变，很难定量的测量，只能通过理论计算的方式粗略计算变形活塞唇边的变形量。
高雨等(高雨,傅连东,湛从昌等.液压缸活塞变间隙密封结构形状研究[J].中国机械工程,2016,27(24):3345-3350.)运用弹塑性力学中悬臂梁模型的应力函数解等相关理论推导出了唇边变形规律。但其推导出的唇边变形尚未通过实验测试验证，仅借用仿真分析和液压缸内泄漏量实验的结果作以佐证，只能定性的反映唇边变形规律。并没有准确、定量的测量变活塞唇边变形量的大小。这种函数变化关系只能通过测量液压缸的内泄漏量与液压缸工作压力之间的变化关系来间接反映，无法实现快速直接的反映活塞唇边变形量随着液压缸工作压力的升高而产生的变化，进而会对变间隙密封液压缸密封间隙可控技术的研究造成阻碍。
发明内容
本发明旨在克服现有技术存在的缺陷，目的是提供一种变间隙密封液压缸变形活塞唇边变形量测量装置及测量方法；该测量装置结构简单，该测量方法能够快速、准确测量出变形活塞唇边变形量，为变间隙密封液压缸密封间隙可控技术的后续研究提供技术支撑。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：所述测量装置包括变间隙密封液压缸、超声波探头、超声波脉冲激励发射接收仪、数字示波器和计算机。
变间隙密封液压缸的缸筒外表面贴有超声波探头，超声波探头位于变形活塞任一端面向内3～5mm的横截面。超声波探头通过数据线与超声波脉冲激励发射接收仪的T/R端口连接，超声波脉冲激励发射接收仪的SYNC OUT、RF OUT端口通过数据线与数字示波器的CH2、CH1端口对应连接，数字示波器的USB端口通过数据线与计算机的USB端口连接。
所述计算机装有MATLAB软件和与数字示波器配套的Open Choice Desktop软件。
所述变间隙密封液压缸1的结构是：在缸筒内同轴线地装有变形活塞，缸筒内壁与变形活塞的圆柱面间的装配间隙为δ标。所述变形活塞的两端端面对称地设有环形唇边，变形活塞的圆柱面均匀地设有3～5个平衡槽。
所述变间隙密封液压缸变形活塞唇边变形量测量装置的测量方法的步骤是：
第一步、设置超声波脉冲激励发射接收仪的参数：模式为1位，重复频率为2K或5K，能量为3，阻尼为3，增益为-20分贝，HPF为OUT，LPF为Full BW。
设置数字示波器的参数：垂直灵敏度为0.2V/分，水平扫描速度为1微秒/分，Ext.Trig为负斜率。
第二步、观察数字示波器的图像，将幅值随时间变化的图像称为反射波时域图像，待反射波时域图像的波形稳定后，点击计算机的软件Open Choice Desktop界面上的“保存数据”按钮，将采集得到的反射波时域图像的数据以excel形式保存到计算机。再运用MATLAB软件将保存到计算机的excel形式的数据进行傅里叶变换，得到幅值随频率变化的图像，所述幅值随频率变化的图像称为反射波频域图像。
第三步、以不锈钢-空气为介质Ⅰ，通过超声波探头对所述介质Ⅰ的反射波幅值进行测量，得到所述介质Ⅰ的反射波时域图像和所述介质Ⅰ的反射波频域图像。
再以变间隙密封液压缸中缸筒的材质-油膜-变形活塞的材质为介质2，通过超声波探头对所述介质Ⅱ的反射波幅值进行测量，得到所述介质Ⅱ的反射波时域图像和所述介质Ⅱ的反射波频域图像。
第四步、对所述介质Ⅰ的反射波频域图像与所述介质Ⅱ的反射波频域图像的相同频率段对应的数据值相比，得到反射系数频谱图。
第五步、分析所述反射系数频谱图，判断反射系数频谱图的频域范围内的反射系数是否存在极小值；若是，则选用共振模型计算油膜厚度δ；若不是，则选用弹簧模型计算油膜厚度δ。
用共振模型计算油膜厚度δ
式(1)中：δ表示油膜厚度，μm；
m表示谐振阶数，m为1或2或3；
c表示超声波在油膜层中的传播速度，m/s；
fres表示反射系数频谱图在频率范围内出现极小值点对应的频率值，Hz。
用弹簧模型计算油膜厚度δ
式(2)中，δ表示油膜厚度，μm；
ρ表示液压油密度，kg/m3；
f表示超声波的固有频率，Hz；
c表示超声波在油膜层中的传播速度，m/s；
Z1表示缸筒材质的声阻抗，MRayl；
Z2表示变形活塞材质的声阻抗，MRayl；
Rres表示反射常数，Rres取值范围为1.05(Z1-Z2)/(Z1+Z2)～0.9。
第六步、油膜厚度δ的修正系数α
α＝δ标/δ0 (3)
式(3)中：δ标表示缸筒6与变形活塞7的装配间隙，μm；
δ0表示变间隙密封液压缸在工作压力为0时的油膜厚度，μm。
变间隙密封液压缸在不同工作压力时的油膜厚度δ压为
δ压＝αδ (4)
式(4)中：δ表示油膜厚度，μm；
α表示油膜厚度δ的修正系数。
第七步：变形活塞唇边的变形量t
t＝δ标-δ压 (5)
式(5)中：δ标表示缸筒与变形活塞的装配间隙，μm；
δ压表示不同工作压力时的油膜厚度，μm。
由于采用上述技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下积极效果：
本发明在变间隙密封液压缸的缸筒外表面贴有超声波探头，超声波探头通过数据线与超声波脉冲激励发射接收仪的T/R端口连接，超声波脉冲激励发射接收仪的SYNC OUT、RF OUT端口通过数据线与数字示波器的CH2、CH1端口对应连接，数字示波器的USB端口通过数据线与计算机的USB端口连接，结构简单。
本发明通过变间隙密封液压缸变形活塞唇边变形量测量装置进行反射波的数据采集，通过数据处理，得到反射波的时域图像和反射波的频域图像，通过数据分析与处理得到反射系数频谱图，根据分析反射系数频谱图中是否存在极小值点，由公式(1)或公式(2)得到油膜厚度δ，然后根据修正系数α对油膜厚度δ进行修正，最后得到变形活塞唇边的变形量t。该方法克服了理论计算不能定量分析的技术缺陷，能够准确、快速的显示变形活塞唇边的变形量t，为变间隙密封液压缸泄漏量的研究和密封间隙可控技术的研究提供技术支撑。也为其它高压密封工作条件下的微小变形量和间隙测量提供技术参考。
因此，本发明结构简单，用该装置能够快速准确测量出变形活塞唇边的变形量，为变间隙密封液压缸密封间隙可控技术的后续研究提供技术支撑。
附图说明
图1是本发明的一种变间隙密封液压缸变形活塞唇边变形量测量装置的结构示意图；
图2是图1中变间隙密封液压缸1的结构示意图；
图3是图2中变形活塞7的结构示意图；
图4是图2中A-A剖面示意图；
图5是图2中I的局部放大示意图；
图6是变间隙密封液压缸1工作压力为15MPa时的反射系数频谱图；
图7是变间隙密封液压缸1工作压力为35MPa时的反射系数频谱图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行进一步详细阐述，并非对其保护范围的限制。
实施例1
一种变间隙密封液压缸变形活塞唇边变形量测量装置及测量方法。如图1所示，所述测量装置包括变间隙密封液压缸1、超声波探头2、超声波脉冲激励发射接收仪3、数字示波器4和计算机5。
如图1和图2所示，变间隙密封液压缸1的缸筒6外表面贴有超声波探头2，超声波探头2位于变形活塞7任一端面向内3～5mm的横截面。超声波探头2通过数据线与超声波脉冲激励发射接收仪3的T/R端口连接，超声波脉冲激励发射接收仪3的SYNC OUT、RF OUT端口通过数据线与数字示波器4的CH2、CH1端口对应连接，数字示波器4的USB端口通过数据线与计算机5的USB端口连接。
所述计算机5装有MATLAB软件和与数字示波器4配套的Open Choice Desktop软件。
如图2、图3、图4和图5所示，所述变间隙密封液压缸1的结构是：在缸筒6内同轴线地装有变形活塞7，缸筒6内壁与变形活塞7的圆柱面间的装配间隙为δ标。所述变形活塞7的两端端面对称地设有环形唇边，变形活塞7的圆柱面均匀地设有3个平衡槽。
所述变间隙密封液压缸变形活塞唇边变形量测量装置的测量方法的步骤是：
第一步、设置超声波脉冲激励发射接收仪3的参数：模式为1位，重复频率为2K或5K，能量为3，阻尼为3，增益为-20分贝，HPF为OUT，LPF为Full BW。
设置数字示波器4的参数：垂直灵敏度为0.2V/分，水平扫描速度为1微秒/分，Ext.Trig为负斜率。
将变间隙密封液压缸的工作压力调整至15MPa。
第二步、观察数字示波器4的图像，将幅值随时间变化的图像称为反射波时域图像，待反射波时域图像的波形稳定后，点击计算机5的软件Open Choice Desktop界面上的“保存数据”按钮，将采集得到的反射波时域图像的数据以excel形式保存到计算机5。再运用MATLAB软件将保存到计算机5的excel形式的数据进行傅里叶变换，得到幅值随频率变化的图像，所述幅值随频率变化的图像称为反射波频域图像。
第三步、以不锈钢-空气为介质Ⅰ，通过超声波探头2对所述介质Ⅰ的反射波幅值进行测量，得到所述介质Ⅰ的反射波时域图像和所述介质Ⅰ的反射波频域图像。
再以变间隙密封液压缸1中缸筒6的材质-油膜-变形活塞7的材质为介质Ⅱ，通过超声波探头2对所述介质Ⅱ的反射波幅值进行测量，得到所述介质Ⅱ的反射波时域图像和所述介质Ⅱ的反射波频域图像。
第四步、对所述介质Ⅰ的反射波频域图像与所述介质Ⅱ的反射波频域图像的相同频率段对应的数据值相比，得到如图6所示的反射系数频谱图。
第五步、从图6可以看出，反射系数频谱图的频域范围内的反射系数存在极小值(2.06，0.45)，则选用共振模型计算油膜厚度δ；
式1中：δ表示油膜厚度，μm；
m表示谐振阶数；
c表示超声波在油膜层中的传播速度，m/s；
fres表示反射系数频谱图在频率范围内出现极小值点对应的频率值，Hz。
本实施例中：m为1，c为1500m/s，fres为20.6MHz；则：
δ＝36.408
第六步、油膜厚度δ的修正系数α
α＝δ标/δ0 (2)
式(2)中：δ标表示缸筒6与变形活塞7的装配间隙，μm；
δ0表示变间隙密封液压缸1在工作压力为0时的油膜厚度，μm。
本实施例中：δ标为50μm，δ0为47.83μm；则：
α＝1.0454
变间隙密封液压缸1在15MPa工作压力时的油膜厚度δ压为
δ压＝αδ (3)
式(3)中：δ表示油膜厚度，μm；
α表示油膜厚度δ的修正系数。
本实施例中：δ为36.408μm，α为1.0454；则：
δ压＝38.061
第七步：变形活塞7唇边的变形量t
t＝δ标-δ压 (4)
式(4)中：δ标表示缸筒6与变形活塞7的装配间隙，μm；
δ压表示15MPa工作压力时的油膜厚度，μm。
本实施例中：δ标为50μm，δ压为38.061μm；则：
t＝11.939
即测得本实施例所述变形活塞7唇边的变形量t为11.939μm。
实施例2
一种变间隙密封液压缸变形活塞唇边变形量测量装置及测量方法。除下述技术参数和步骤外，其余同实施例1：
所述变形活塞7的圆柱面均匀地设有4或5个平衡槽，所述变间隙密封液压缸1工作压力调至35MPa。
第四步、对所述介质Ⅰ的反射波频域图像与所述介质Ⅱ的反射波频域图像的相同频率段对应的数据值相比，得到如图7所示反射系数频谱图。
第五步、从图7可以看出，反射系数频谱图的频域范围内的反射系数没有存在极小值，则选用弹簧模型计算油膜厚度δ。
式(1)中，δ表示油膜厚度，μm；
ρ表示液压油密度，kg/m3；
f表示超声波的固有频率，Hz；
c表示超声波在油膜层中的传播速度，m/s；
Z1表示缸筒6材质的声阻抗，MRayl；
Z2表示变形活塞7材质的声阻抗，MRayl；
Rres表示反射常数，Rres取值范围为1.05Z1-Z2/Z1+Z2～0.9。
本实施例中：ρ为870kg/m3，f为10MHz，c为1500m/s，Z1为45.4MRayl，Z2为41.4MRayl，Rres为0.35；则：
δ＝12.564
第六步、油膜厚度δ的修正系数α
α＝δ标/δ0 (2)
式(2)中：δ标表示缸筒6与变形活塞7的装配间隙，μm；
δ0表示变间隙密封液压缸1在工作压力为0时的油膜厚度，μm。
本实施例中：δ标为50μm，δ0为47.83μm；则：
α＝1.0454
变间隙密封液压缸1在35MPa工作压力时的油膜厚度δ压为
δ压＝αδ (3)
式(3)中：δ表示油膜厚度，μm；
α表示油膜厚度δ的修正系数。
本实施例中：α为1.0454，δ为12.564；则：
δ压＝13.134
第七步：变形活塞7唇边的变形量t
t＝δ标-δ压 (4)
式(4)中：δ标表示缸筒6与变形活塞7的装配间隙，μm；
δ压表示工作压力35MPa时的油膜厚度，μm。
本实施例中：δ标为50μm，δ压为12.564μm；则：
t＝36.866
即测得本实施例所述变形活塞7唇边的变形量t为36.866μm。
本具体实施方式与现有技术相比，具有以下积极效果：
本具体实施方式在变间隙密封液压缸1的缸筒6外表面贴有超声波探头2，超声波探头2通过数据线与超声波脉冲激励发射接收仪3的T/R端口连接，超声波脉冲激励发射接收仪3的SYNC OUT、RF OUT端口通过数据线与数字示波器4的CH2、CH1端口对应连接，数字示波器4的USB端口通过数据线与计算机5的USB端口连接，结构简单。
本具体实施方式通过变间隙密封液压缸变形活塞唇边变形量测量装置进行反射波的数据采集，通过数据处理，得到反射波的时域图像和反射波的频域图像，通过数据分析与处理得到反射系数频谱图，根据分析反射系数频谱图中是否存在极小值点，由公式(1)或公式(2)得到油膜厚度δ，然后根据修正系数α对油膜厚度δ进行修正，最后得到变形活塞7唇边的变形量t。该方法克服了理论计算不能定量分析的技术缺陷，能够准确、快速的显示变形活塞7唇边的变形量t，为变间隙密封液压缸泄漏量的研究和密封间隙可控技术的研究提供技术支撑。也为其它高压密封工作条件下的微小变形量和间隙测量提供技术参考。
因此，本具体实施方式结构简单，用该装置能够快速准确测量出变形活塞唇边的变形量，为变间隙密封液压缸密封间隙可控技术的后续研究提供技术支撑。
Claims (2)
1.一种变间隙密封液压缸变形活塞唇边变形量测量装置的测量方法，其特征在于：
所述变间隙密封液压缸变形活塞唇边变形量测量装置包括变间隙密封液压缸(1)、超声波探头(2)、超声波脉冲激励发射接收仪(3)、数字示波器(4)和计算机(5)；
变间隙密封液压缸(1)的缸筒(6)外表面贴有超声波探头(2)，超声波探头(2)位于变形活塞(7)任一端面向内3～5mm的横截面；超声波探头(2)通过数据线与超声波脉冲激励发射接收仪(3)的T/R端口连接，超声波脉冲激励发射接收仪(3)的SYNC OUT、RF OUT端口通过数据线与数字示波器(4)的CH2、CH1端口对应连接，数字示波器(4)的USB端口通过数据线与计算机(5)的USB端口连接；
所述计算机(5)装有MATLAB软件和与数字示波器(4)配套的Open Choice Desktop软件；
所述测量方法的步骤是：
第一步、设置超声波脉冲激励发射接收仪(3)的参数：模式为1位，重复频率为2K或5K，能量为3，阻尼为3，增益为-20分贝，HPF为OUT，LPF为Full BW；
设置数字示波器(4)的参数：垂直灵敏度为0.2V/分，水平扫描速度为1微秒/分，Ext.Trig为负斜率；
第二步、观察数字示波器(4)的图像，将幅值随时间变化的图像称为反射波时域图像，待反射波时域图像的波形稳定后，点击计算机(5)的软件Open Choice Desktop界面上的“保存数据”按钮，将采集得到的反射波时域图像的数据以excel形式保存到计算机(5)；再运用MATLAB软件将保存到计算机(5)的excel形式的数据进行傅里叶变换，得到幅值随频率变化的图像，所述幅值随频率变化的图像称为反射波频域图像；
第三步、以不锈钢-空气为介质Ⅰ，通过超声波探头(2)对所述介质Ⅰ的反射波幅值进行测量，得到所述介质Ⅰ的反射波时域图像和所述介质Ⅰ的反射波频域图像；
再以变间隙密封液压缸(1)中缸筒(6)的材质-油膜-变形活塞(7)的材质为介质Ⅱ，通过超声波探头(2)对所述介质Ⅱ的反射波幅值进行测量，得到所述介质Ⅱ的反射波时域图像和所述介质Ⅱ的反射波频域图像；
第四步、对所述介质Ⅰ的反射波频域图像与所述介质Ⅱ的反射波频域图像的相同频率段对应的数据值相比，得到反射系数频谱图；
第五步、分析所述反射系数频谱图，判断反射系数频谱图的频域范围内的反射系数是否存在极小值；若是，则选用共振模型计算油膜厚度δ；若不是，则选用弹簧模型计算油膜厚度δ；
用共振模型计算油膜厚度δ
式(1)中：δ表示油膜厚度，μm，
m表示谐振阶数，
c表示超声波在油膜层中的传播速度，m/s，
fres表示反射系数频谱图在频率范围内出现极小值点对应的频率值，Hz；
用弹簧模型计算油膜厚度δ
式(2)中，δ表示油膜厚度，μm，
ρ表示液压油密度，kg/m3，
f表示超声波的固有频率，Hz，
c表示超声波在油膜层中的传播速度，m/s，
Z1表示缸筒(6)材质的声阻抗，MRayl，
Z2表示变形活塞(7)材质的声阻抗，MRayl，
Rres表示反射常数，Rres取值范围为1.05(Z1-Z2)/(Z1+Z2)～0.9；
第六步、油膜厚度δ的修正系数α
α＝δ标/δ0 (3)
式(3)中：δ标表示缸筒6与变形活塞7的装配间隙，μm，
δ0表示变间隙密封液压缸(1)在工作压力为0时的油膜厚度，μm；
变间隙密封液压缸(1)在不同工作压力时的油膜厚度δ压为
δ压＝αδ (4)
式(4)中：δ表示油膜厚度，μm，
α表示油膜厚度δ的修正系数；
第七步：变形活塞(7)唇边的变形量t
t＝δ标-δ压 (5)
式(5)中：δ标表示缸筒(6)与变形活塞(7)的装配间隙，μm，
δ压表示不同工作压力时的油膜厚度，μm。
2.根据权利要求1所述变间隙密封液压缸变形活塞唇边变形量测量装置的测量方法，其特征在于所述变间隙密封液压缸1的结构是：在缸筒(6)内同轴线地装有变形活塞(7)，缸筒(6)内壁与变形活塞(7)的圆柱面间的装配间隙为δ标；所述变形活塞(7)的两端端面对称地设有环形唇边，变形活塞(7)的圆柱面均匀地设有3～5个平衡槽。
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