淺析靜壓支撐技術(shù)在高端試驗(yàn)裝備領(lǐng)域的應(yīng)用

劉繼彬，孔繁和，王 澍，李光澤

(1.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司，北京 100083；2.中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130103)

1 引 言

隨著新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化將極大改變機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、管理、流通及使用方式，并助推高端裝備產(chǎn)業(yè)快速升級(jí)，但制約行業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展的整機(jī)及部件產(chǎn)品的可靠性和耐久性仍有待提高。試驗(yàn)系統(tǒng)可對(duì)高端裝備行業(yè)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供可靠準(zhǔn)確的性能安全指導(dǎo)數(shù)據(jù)，提升我國(guó)高端裝備的整體質(zhì)量和安全性，是我國(guó)“十四五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃明確指出的面向國(guó)家的重大需求。

在某些極端苛刻的工況下，既需要高速度、高精度、高承載的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，又不能產(chǎn)生額外的摩擦力影響，此時(shí)靜壓支撐技術(shù)便可以很好地實(shí)現(xiàn)此功能，因其相對(duì)滑動(dòng)面之間充盈著高剛度的液體油膜，故可實(shí)現(xiàn)近乎無(wú)摩擦的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

2 靜壓支撐技術(shù)現(xiàn)狀

目前，一些發(fā)達(dá)國(guó)家的靜壓支撐技術(shù)已經(jīng)較為成熟。德國(guó)Schenck公司早在上個(gè)世紀(jì)70年代就已經(jīng)開發(fā)出該技術(shù)，并成功將其應(yīng)用于產(chǎn)品之中。后來(lái)，美國(guó)Instron、德國(guó)Inova、德國(guó)Hanchen等公司也都對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)，并占據(jù)了世界上主要的市場(chǎng)份額。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，該技術(shù)理論完善，工藝路線穩(wěn)定，質(zhì)量?jī)?yōu)良可靠[1-4]。

我國(guó)也在不斷研發(fā)靜壓支撐技術(shù)，很早就有相關(guān)內(nèi)容的著述及產(chǎn)品試制，但結(jié)果普遍不很理想。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上使用的靜壓支撐技術(shù)模塊大多通過(guò)進(jìn)口而來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)該技術(shù)的研發(fā)還處于發(fā)展非常緩慢的階段。

中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司與德國(guó)知名企業(yè)合作，立足靜壓支撐技術(shù)，大力發(fā)展高頻響靜壓支撐伺服作動(dòng)器及液體靜壓支撐臺(tái)等高端靜壓支撐技術(shù)產(chǎn)品。

3 靜壓支撐伺服作動(dòng)器

3.1 靜壓支撐伺服作動(dòng)器工作原理

靜壓支撐伺服作動(dòng)器利用靜壓軸承替換傳統(tǒng)密封件實(shí)現(xiàn)密封與導(dǎo)向。靜壓軸承內(nèi)部均布有4個(gè)供油油路相互聯(lián)通的靜壓腔，前置相同阻尼的毛細(xì)管或小孔固定式節(jié)流器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高。靜壓軸承與活塞桿采用間隙密封結(jié)構(gòu)，并匹配有相適應(yīng)的V形阻尼槽?；钊c缸筒之間同樣采用間隙密封結(jié)構(gòu)，活塞環(huán)兩側(cè)區(qū)域形成雙工作油腔，通過(guò)雙腔內(nèi)油液換向，實(shí)現(xiàn)伺服作動(dòng)器的雙向近乎無(wú)摩擦運(yùn)動(dòng)。

靜壓支撐伺服作動(dòng)器的靜壓軸承在受到橫向載荷時(shí)，受載側(cè)間隙擴(kuò)大，致使更多的靜壓軸承油液流走。單位時(shí)間內(nèi)流失的油液量大于系統(tǒng)輸入的油液量時(shí)，靜壓腔內(nèi)壓力降低，同時(shí)，另一側(cè)因間隙變小而使靜壓腔內(nèi)壓力升高，兩側(cè)壓力的差異使活塞桿重新回到靜壓軸承中心，動(dòng)態(tài)地保持著活塞桿處于缸體的中心位置[5,6]。圖1為靜壓支撐伺服作動(dòng)器靜壓軸承油路原理圖。

圖1 靜壓支撐伺服作動(dòng)器靜壓軸承油路原理圖

3.2 靜壓支撐伺服作動(dòng)器性能特點(diǎn)

靜壓支撐伺服作動(dòng)器相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件間無(wú)任何機(jī)械密封圈，因此具有超高的頻響能力和控制精度，試驗(yàn)頻率高達(dá)500Hz，試驗(yàn)速度高達(dá)6m/s，加速度失真度低至5%。高剛度液壓油膜的特性可以確保靜壓支撐伺服作動(dòng)器在超高頻響下仍然可以獲得精確的軸向負(fù)荷控制及軸向位移控制，反饋輸出與命令輸入高度一致。

傳統(tǒng)摩擦副作動(dòng)器受到側(cè)向載荷時(shí)，內(nèi)部運(yùn)動(dòng)密封件極易磨損。而靜壓支撐伺服作動(dòng)器因靜壓軸承的存在，具備超常的抗側(cè)向載荷能力，其抗側(cè)向載荷工作原理如圖2所示。伺服作動(dòng)器摩擦阻力不同，制約著多通道協(xié)調(diào)加載的控制精度，而靜壓支撐伺服作動(dòng)器近乎無(wú)摩擦的動(dòng)態(tài)性能完美地解決了這一難題，使得多支伺服作動(dòng)器通過(guò)控制器在最短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到同步狀態(tài)，促進(jìn)迭代技術(shù)的發(fā)展。靜壓支撐伺服作動(dòng)器的常態(tài)工況是液態(tài)摩擦，相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件無(wú)摩擦損傷，具備超長(zhǎng)的工作壽命，可以顯著延長(zhǎng)產(chǎn)品的生命周期[7]。

圖2 靜壓支撐伺服作動(dòng)器抗側(cè)向載荷工作原理

3.3 靜壓支撐伺服作動(dòng)器典型應(yīng)用

(1)靜壓支撐伺服作動(dòng)器是高端試驗(yàn)裝備的關(guān)鍵核心部件，其技術(shù)水平直接影響到試驗(yàn)系統(tǒng)的試驗(yàn)?zāi)芰Γ涑咝阅芸蓾M足航空航天、軌道交通、重大科學(xué)工程等性能試驗(yàn)、可靠性耐久試驗(yàn)等需求，主要應(yīng)用于高頻電液伺服疲勞試驗(yàn)臺(tái)、高頻彈性體試驗(yàn)臺(tái)、高頻振動(dòng)模擬試驗(yàn)臺(tái)等[8]。

(2)靜壓支撐伺服作動(dòng)器也適用于大力值測(cè)量領(lǐng)域，其載荷大、剛度高、阻尼低等特點(diǎn)被充分利用，通過(guò)間隙節(jié)流控制，實(shí)現(xiàn)靜壓腔壓力與承載腔壓力實(shí)時(shí)平衡，不產(chǎn)生多余擾動(dòng)，提高靈敏度與復(fù)現(xiàn)性。靜壓支撐液壓放大原理填補(bǔ)了我國(guó)大載荷傳感器超精密測(cè)量技術(shù)的空白[9,10]。

4 閉式靜壓支撐臺(tái)

4.1 閉式靜壓支撐臺(tái)工作原理

閉式靜壓支撐臺(tái)是包含平面靜壓支撐與球面靜壓支撐的復(fù)合結(jié)構(gòu)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件間加工有多個(gè)供油油路相互聯(lián)通的靜壓腔，前置相同阻尼的薄膜反饋節(jié)流器，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，節(jié)流阻尼可變，油膜剛度高，性能優(yōu)越。當(dāng)靜壓支撐臺(tái)受到外部垂向載荷時(shí)，上下兩層靜壓支撐軸承間隙減小，靜壓腔內(nèi)壓力升高，承載力增加，實(shí)現(xiàn)靜壓支撐臺(tái)垂直方向的動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)外部載荷減小時(shí)，上下兩層靜壓支撐軸承間隙變大，以致更多的靜壓軸承油液流走，當(dāng)單位時(shí)間內(nèi)流走的油液量大于系統(tǒng)輸入油液量時(shí)，靜壓腔內(nèi)壓力降低，實(shí)現(xiàn)靜壓支撐臺(tái)垂直方向的動(dòng)態(tài)平衡。間隙泄油被主動(dòng)吸油裝置輸送回液壓油箱，循環(huán)往復(fù)[11-13]。圖3為閉式靜壓支撐臺(tái)靜壓軸承油路原理圖。

圖3 閉式靜壓支撐臺(tái)靜壓軸承油路原理圖

4.2 閉式靜壓支撐臺(tái)性能特點(diǎn)

平面靜壓支撐保證相對(duì)滑動(dòng)部件間無(wú)任何機(jī)械摩擦損失，實(shí)現(xiàn)水平方向沿X軸、Y軸高速運(yùn)動(dòng)，豎直方向繞Z軸高速旋轉(zhuǎn)；球面靜壓支撐保證相對(duì)翻轉(zhuǎn)部件間無(wú)任何機(jī)械摩擦損失，實(shí)現(xiàn)水平方向繞X軸、Y軸高速翻轉(zhuǎn)，豎直方向繞Z軸高速旋轉(zhuǎn)，與靜壓支撐伺服作動(dòng)器組合，實(shí)現(xiàn)空間六自由度全約束解耦[14](如圖4所示)。超高剛度決定了其高負(fù)載下不損失精度，減振性能優(yōu)異，低速無(wú)爬行現(xiàn)象，軸向、徑向跳動(dòng)精度可高達(dá)0.1μm。

4.3 閉式靜壓支撐臺(tái)典型應(yīng)用

(1)靜壓支撐轉(zhuǎn)臺(tái)是試驗(yàn)裝備的核心部件，其系統(tǒng)剛度大，可保證承載力波動(dòng)時(shí)靜壓腔間隙變化小，設(shè)備整體精度保持較好。因高剛度油液潤(rùn)滑，系統(tǒng)摩擦力極小，在重載、高速工況下幾乎無(wú)磨損，設(shè)備整體可靠性高，主要應(yīng)用于重載壓剪試驗(yàn)臺(tái)、摩擦阻滯力試驗(yàn)臺(tái)、高速水平振動(dòng)臺(tái)等。

(2)姿態(tài)模擬試驗(yàn)是眾多飛行器控制的重要組成之一，由于其飛行系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)模型有較大的局限性，不能全面反映飛行的真實(shí)情況。為了解決上述問題，必須建立采用靜壓支撐技術(shù)的六自由度模型，包括直線靜壓支撐、平面靜壓支撐、球面靜壓支撐。這3種靜壓支撐結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)六自由度的近乎無(wú)摩擦運(yùn)動(dòng)，為我國(guó)航空航天飛行器的姿態(tài)控制研究提供堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[15,16]。

5 總結(jié)與展望

靜壓支撐技術(shù)具有低摩擦、高頻響、長(zhǎng)壽命等諸多優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于高端苛刻服役工況的試驗(yàn)裝備系統(tǒng)。

(1)靜壓支撐伺服作動(dòng)器完美應(yīng)用于大型裝備的結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的動(dòng)靜力學(xué)、穩(wěn)定性、安全和耐久壽命等分析和試驗(yàn)。應(yīng)對(duì)彈性體等超高頻響試驗(yàn)，突破1000Hz超高頻靜壓支撐伺服作動(dòng)器的任務(wù)十分艱巨。

(2)靜壓支撐臺(tái)對(duì)于我國(guó)航空航天領(lǐng)域全箭模態(tài)仿真測(cè)試意義重大，尤其是在重載場(chǎng)景下，靜壓減磨技術(shù)任重道遠(yuǎn)。靜壓支撐技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化，打破了國(guó)外技術(shù)壟斷，攻克了高端試驗(yàn)裝備關(guān)鍵核心技術(shù)“卡脖子”難題，國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)口，為我國(guó)重大科學(xué)工程裝備助力。

超精密加工技術(shù)是國(guó)家制造業(yè)水平的重要標(biāo)志之一，國(guó)產(chǎn)超精密加工機(jī)床存在主軸轉(zhuǎn)速低、剛性差等技術(shù)瓶頸。靜壓軸承替代傳統(tǒng)的機(jī)械軸承，可提高轉(zhuǎn)速、剛度、回轉(zhuǎn)精度，延長(zhǎng)使用壽命。高剛度液體靜壓主軸勢(shì)必成為高端數(shù)控機(jī)床的研究熱點(diǎn)。