液压往复密封件的服役疲劳性能测试方法及试验装置与流程

本发明涉及一种液压往复密封件服役疲劳性能测试的方法及试验装置。

背景技术：

液压往复密封件是液压缸中的重要元件，广泛应用在诸如航空航天、工程机械、汽车、石油化工和冶金等设备上。液压缸在实际服役的过程中，其中的液压往复密封件会受到预压缩应力，周期性交变油液压力以及往复运动过程产生的摩擦力的共同作用，处于复杂的应力状态，在长期工作条件下容易导致疲劳失效。其后果不仅会导致液压缸产生泄漏，还会带来潜在的安全风险。因此，研究液压往复密封件服役状况下疲劳性能，对及时准确预测密封件疲劳寿命避免重大事故具有重要意义。但是，由于液压往复密封的运动状态和结构限制，使得液压往复密封的疲劳性能检测成为一个难题。

在液压缸的循环往复工作过程中，由液压缸的缸筒和活塞密封共同构成了一对金属/聚合物的载荷摩擦副系统。根据摩擦疲劳学的相关理论(参考文献：l.a.索斯洛夫斯基(白俄)著，高万振译.摩擦疲劳学[m].徐州:中国矿业大学出版社，2013)，失效概率是反映系统可靠性，判断摩擦副系统耐疲劳性能的有效参数。在缸筒/活塞密封这个滑动摩擦副系统中，活塞密封受到预压缩应力、工作介质压力等的作用以及往复运动过程产生的摩擦力的综合作用，其中工作介质压力和摩擦力的方向随着往复运动而发生着周期性变化，属于交变载荷。因此，缸筒/活塞密封荷载摩擦副系统的疲劳失效是由于机械和摩擦的交互作用而逐渐产生的复合损伤，可以通过摩擦副系统的可靠性相关理论来解决这类磨损—疲劳损伤问题。

现阶段对密封件疲劳性能的研究更多集中在对橡胶材料疲劳性能研究上。利用miner线性累计损伤法则对橡胶材料的寿命进行预测。段小成等人在疲劳试验机上对哑铃试柱施加变幅载荷信号得到了试柱的疲劳寿命，然后通过miner线性准则预测了哑铃试柱的疲劳寿命，结果表明在两倍分散线以内，预测寿命和实测寿命吻合度较高(参考文献：变幅载荷下橡胶隔振器高温疲劳试验与建模方法研究[d].华南理工大学，2016.)。通过预测得到的疲劳寿命结果可以发现，它与实际寿命还有一定的差距，表明miner线性准则对准确预测疲劳寿命是不可靠的；同时试验是在加载特定载荷条件下完成的，而密封件的疲劳失效过程往往还会受到温度和油液等因素变化的影响，所以它并不能如实反映液压往复密封件在实际工况条件下的疲劳寿命，而唯一合理可供选择的方案就是通过服役—模拟疲劳试验得到试验结果(参考文献：亚伯·斯海维(荷兰)著，吴学仁等译.结构与材料的疲劳[m].北京:航空工业出版社，2014)。

北京工业大学的聂松林等人提出并设计了一种用于液压缸的疲劳测试方法及装置，该装置将液压缸活塞固定，使用电液换向阀改变液压缸活塞两侧的油液压力来模拟液压缸在负载作用下的往复运动，进而得到液压缸的疲劳寿命(参考文献：聂松林，刘向阳，张振华，尹帅，张小军.一种用于液压缸的疲劳测试方法及装置[p].北京：cn103939421a，2014-07-23.)。但是该试验装置没有考虑液压缸在实际运动过程中油液温度、往复运动速度等条件的影响；奚为民设计了一种多功能液压往复密封件疲劳寿命试验机(参考文献：奚为民.多功能液压往复密封件疲劳寿命试验机[p].浙江：cn201974340u，2011-09-14.)，可一次性记录液压往复密封件在运行过程中的油液压力、运行速度、油液温度等多种试验参数，为密封件实验者提供准确的试验数据。但是该试验装置不能对液压往复密封件在运行过程中的疲劳失效进行准确预测，不能通过试验得到密封件的疲劳寿命数据。

技术实现要素：

针对上述问题，本发明所要解决的技术问题是：提供一种液压往复密封件的服役疲劳性能测试方法及试验装置，利用光纤光栅传感器测得液压往复密封件的接触应力，经过数据的处理和分析实现对液压往复密封件疲劳状态的监测，并通过测试得到液压往复密封件在特定服役条件下的疲劳寿命。

本发明解决其技术问题所采用以下的技术方案：

本发明提供的液压往复密封件的服役疲劳性能试验装置，包括光纤光栅应变传感器、计数器、拉压力传感器、滚珠丝杠、伺服电机、伺服驱动器、数据采集卡、plc和计算机，其中：计数器用螺钉固定在支架上，通过数据线与数据采集卡进行连接；拉压力传感器的两端分别与滚珠丝杠滑块和活塞杆连接；伺服电机通过电缆与伺服驱动器连接，伺服驱动器输出端与滚珠丝杠用螺栓进行连接；伺服驱动器的输入端与plc连接；数据采集卡和计算机通过数据线连接。

所述的服役疲劳性能试验装置，还包括：伺服电机系统为液压缸提供可变负载；两位两通比例换向阀以及位移传感器实现液压缸往复速度的闭环控制；三位四通比例换向阀以及位移传感器实现液压缸往复位置的闭环控制。

所述的伺服电机系统用于加载实测的载荷谱，为液压缸提供可变的负载，精确模拟液压往复密封件在实际服役过程中的负载状态。

所述的液压缸为双作用液压缸，其中的活塞杆分为左右两个部分，活塞导向套经过改进后分为前、后两个部分。

所述的滚珠丝杠将伺服电机的周向运动转换为滑块往复运动。

本发明提供的液压往复密封件的服役疲劳性能测试方法，具体是：根据设定的参数进行往复运动控制、往复速度控制、位置控制和温度控制，通过实验参数模拟液压往复密封件的特定服役条件，研究其疲劳性能，并且通过测试得到液压往复密封件在特定服役条件下的疲劳寿命。

本方法利用铺设在活塞导向套内侧的光纤光栅应变传感器，实时监测活塞密封底面接触应力变化，通过与数据采集卡将数据传输到计算机，通过该计算机对液压缸/活塞密封荷载摩擦副系统的疲劳失效概率进行计算，并将计算结果与设定的失效概率阈值进行对比，从而对液压往复密封件疲劳失效的状态进行判别；利用计数器记录液压往复密封件服役过程中的疲劳寿命。

本方法主要利用铺设在活塞导向套内侧的光纤光栅应变传感器，实时监测液压往复密封件的接触应力变化；利用计数器统计液压往复密封件的疲劳寿命；利用拉压力传感器实时测量负载压力；利用数据采集卡进行传感数据采集；利用plc控制伺服电机产生交变的载荷，为液压缸提供可变载荷，模拟液压缸在实际运行过程中承受的负载；利用计算机进行数据的记录和保存，对液压缸/活塞密封荷载摩擦副在往复运动过程中的疲劳失效概率进行计算，并对液压往复密封件疲劳失效的状态进行判别。

本方法中，铺设在液压往复密封件底部的光纤光栅传感器实时测得液压往复密封件接触压力数据,计算机对采集得到的数据进行处理计算,实时监测液压往复密封件的疲劳状况，较为准确的得到液压往复密封件的疲劳寿命。

本发明服役疲劳性能试验装置，所述光纤光栅传感器由两个光纤光栅应变传感器和一个光纤光栅温度传感器组成，两个光纤光栅传感器为应变式光纤光栅传感器，它们沿着位于前导向套、后导向套内侧凹槽沿周向铺设；温度传感器采用光纤光栅温度传感器，其沿轴向布置于导向套内侧凹槽内，最后通过引纤斜孔引出。

本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：

设计出一种疲劳寿命测试的试验装置，可以模拟液压往复密封件在不同工况下的服役条件，通过试验测试液压往复密封件在特定服役过程条件下的疲劳寿命，用于液压往复密封件的疲劳性能分析和可靠性设计。

本试验装置可以根据实际服役条件下的载荷谱通过伺服电机为液压缸提供可变的负载，利用滚珠丝杠将伺服电机的周向运动转换为滑块的直线运动，为液压缸提供稳定的往复速度。利用两位两通换向阀、位移传感器和plc组成的闭环控制系统，调节两位两通比例换向阀的开口大小，从而控制液压缸运动的往复速度。

使用计算机编写数据处理程序对试验数据进行处理和分析。

根据摩擦疲劳学中关于金属/聚合物荷载摩擦副系统可靠性的相关理论，金属件所受的周期应变远小于金属材料的疲劳极限，系统失效主要集中于聚合物。在液压缸/往复密封荷载摩擦副系统中，往复密封件在实际服役过程中会由于周期性的切向摩擦应力而引起疲劳损伤，导致其失效概率的增加。具体的计算公式如下：

τw：聚合物接触应力(切向摩擦力)；

cs：决定对偶件形状及其在摩擦过程中与金属件接触交互作用方式的系数；

摩擦中的损伤概率测度；

τtf⁽¹⁾：单一的热波动应力，当温度变化1k时出现在聚合物中的应力；

τd:摩擦载荷中聚合物的损坏极限；

ms:聚合物的机械非均匀性(缺陷程度)参数；

δt：聚合物温度变化。

通过本发明提出的试验装置可以实时监测液压往复密封件的疲劳状态，较为准确的得到液压往复密封件的服役疲劳寿命。利用铺设在活塞导向套内侧的光纤光栅传感器，可以实时采集得到被试液压往复密封件的接触应力信号，利用数据采集卡将接触应力信号传送到计算机，对缸筒/活塞密封摩擦副系统的疲劳失效概率进行计算，通过失效概率对被试液压往复密封件的疲劳失效状态进行分析和判断。当计算得到的疲劳失效概率值达到设定的阈值时，通过plc发出指令，停止系统运转，通过计数器可以得到被试液压往复密封件的疲劳寿命。

利用光纤光栅传感器可以实时监测被试液压往复密封件的疲劳状态，分析研究不同材料类型、不同结构和不同工况条件下液压往复密封件的疲劳性能。

试验数据见附件1:试验数据说明。

本发明通过提出的液压往复密封件的服役疲劳性能测试装置，可以根据实际服役条件下的载荷谱通过伺服电机为液压缸提供可变的负载，通过控制负载的变化来模拟液压往复密封件在不同工况下的服役条件，通过试验测试液压往复密封件在特定服役过程条件下的疲劳性能，可用于液压往复密封件的疲劳性能分析和可靠性设计，能够克服现有试验装置和方法不能对液压往复密封件在服役过程中的疲劳失效进行准确预测和评价的问题。

附图说明

图1是疲劳试验装置示意图。

图2是往复速度控制闭环回路。

图3是往复位置控制闭环回路。

图4是油液温度控制闭环回路。

图5是活塞结构示意图。

图中：1.油箱，2.过滤器，3.液压泵，4.比例溢流阀，5.单向阀，6.两位两通比例换向阀，7.三位四通比例换向阀，8.油液压力传感器，9-1.光纤光栅应变传感器，9-2.光纤光栅应变传感器，9-3.光纤光栅温度传感器，10.液压缸，11.活塞杆，12.位移传感器，13.计数器，14.拉压力传感器，15.滚珠丝杠，16.伺服电机，17.伺服驱动器，18.数据采集卡，19.plc，20.计算机，21.温度传感器，22.冷却器，23.加热器，24.活塞环，25、26.o型密封件，27.y型密封件，28.导向环，29.后导向套，30.键，31.前导向套，32.内六角螺钉，33.引线。

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。

本发明提供的液压往复密封件的服役疲劳性能测试方法，具体是：利用铺设在活塞导向套内侧的光纤栅应变传感器，实时监测活塞密封底部接触应力变化，通过数据采集卡18将数据传输到计算机20，通过该计算机对液压缸缸筒/活塞密封荷载摩擦副系统的疲劳失效概率进行计算，从而对液压往复密封件的疲劳失效状态进行判别；利用计数器记录液压往复密封件服役过程中的疲劳寿命。

本发明通过改变实验参数来模拟液压往复密封件的服役环境，然后通过试验来研究液压往复密封件的疲劳性能。试验中主要是通过往复速度控制、往复运动控制、负载控制和油液温度控制来模拟液压往复密封件的服役环境。

1.往复速度控制：

首先在计算机20的“试验参数设置”中设置往复速度曲线、周期时间以及溢流阀的初始压力值。通过plc19、启动液压泵3、油液经过单向阀5、两位两通比例换向阀6、三位四通换向阀7，实现活塞杆11的往复运动。拉绳式位移传感器12将测得的位移信号传送到数据采集卡18，经计算机进行时间求导得到活塞杆11的运动速度，计算机将该运动速度与设定速度进行比较，即可得到偏差信号，通过plc将信号反馈到两位两通比例换向阀6，自动调节换向阀流量大小来准确控制速度大小。计算机、位移传感器、比例换向阀构成闭环控制系统(图2)，保证往复速度的恒定。

2.往复运动控制：

首先在计算机20的“实验参数设置”中设置油液换向周期以及活塞位移曲线，通过plc19控制三位四通换向阀7的换向。位移传感器12将测得的位移信号传送到计算机20，计算机将测得的位移信号与设置的活塞位移值进行比较，即可得到偏差信号，通过plc将偏差信号反馈到三位四通换向阀7，通过调节此比例换向阀流量的大小来准确控制活塞的位置。计算机、位移传感器、三位四通换向阀构成闭环控制系统保证活塞的位置，其闭环控制回路如图3所示。

3.负载控制：

为了模拟液压往复密封件的服役环境需要对液压缸的油液压力进行控制，但是实际试验过程中无法直接对油液压力进行控制。根据液压系统相关理论，液压缸油液压力决定于外部负载，所以可以通过控制负载的变化来实现对液压缸油液压力的变化。

首先在计算机20的“实验参数设置”中设置负载压力幅值和周期时间，通过plc19，伺服驱动器17对伺服电机16转矩进行控制。拉压力传感器14将测得的信号经过数据采集卡18传送到计算机20上，通过时间图像实时监测活塞杆受力状态。通过数据采集卡18，铺设在液压缸10中的油液压力传感器8将压力信号传送到计算机20，显示液压缸容腔内部油液压力在运行过程中的变化。

4.油液温度控制：

试验开始前需要让油液温度快速上升到设定的温度，此时plc19控制加热器23进行工作，温度传感器21实时监测油箱中油液的温度，并且在计算机20上显示出来，当达到设定的最低温度值，加热器停止加热，系统开始工作；随着液压缸的往复运动，油箱油液温度逐渐升高，当达到设定的最高温度值时，plc控制冷却器22对系统散热，直到温度降到所设定的最高温度。计算机、温度传感器、冷却器、加热器构成了温度闭环控制系统，其闭环控制回路如图4所示。

本发明提供的液压往复密封件服役疲劳性能测试装置，其结构如图1所示：包括计算机20和以数据线与之连接的油液压力传感器8、光纤光栅传感器9、拉绳式位移传感器12、拉压力传感器14、数据采集卡18、油液温度传感器21，数据采集卡18将采集到的数据信息传送到计算机20，计算机可以对数据进行计算、显示、分析、控制。

还设有为液压缸10提供可变负载的伺服电机系统，其包括：装在活塞杆11上的拉压力传感器14，装在活塞杆11右端的滚珠丝杠15，与滚珠丝杠15连接的伺服电机16，通过数据线分别与伺服电机16、plc19相连的伺服驱动器17。拉压力传感器14用于实时监测负载的稳定性，plc19控制伺服电机16的运行。

伺服电机系统可以加载实测的载荷谱，为系统提供可变的载荷谱，能够为液压缸10提供可变的负载，精确模拟液压往复密封件在实际服役过程中的负载状态。

还设有为活塞提供往复运动的液压系统，该系统中，油液经过油箱1、过滤器2、液压泵3、控制油液压力的溢流阀4、单向阀5、两位通换向阀6和三位四通换向阀7，实现对液压缸两腔油液压力变化的控制；装在液压缸10的油液压力传感器8，用于实时监测液压缸两腔的油液压力，与活塞杆11左端连接的拉绳式位移传感器12监测活塞的往复运动。拉绳式位移传感器12的另一端与安装在底板上的固定支架相连。该固定支架装有计数器13，用于记录活塞的往复次数。计数器13处设有一条与数据采集卡18相连的数据传输线。

所述光纤光栅应变传感器9，由光纤光栅应变传感器9-1、9-2和一个温度传感器9-3组成。两个光纤光栅传感器9-1、9-2为应变式光纤光栅传感器，它们沿导向套内侧周向铺设。温度传感器9-3采用光纤光栅温度传感器，其沿轴向布置于导向套内侧，最后通过引纤斜孔引出。

两位两通比例换向阀6和拉绳式位移传感器12用于实现液压缸往复速度闭环控制。

三位四通比例换向阀7和拉绳式位移传感器12用于实现液压缸往复位置闭环控制。

装在油箱1中的温度传感器21、加热器23和冷却器22，用于实现油液温度控制。

所述液压缸10为采用双作用活塞杆，其中的活塞杆11分为左右两个部分，缸筒用紧固螺栓固定装在支架上。活塞导向套经过改进后分为前后两个导向套，前导向套31和后导向套29背向组装，通过内六角螺钉32紧固连接在一起，并通过键30与活塞杆11实现同步往复运动。前后导向套凹槽内装有y型密封件27以及导向环28。光纤光栅传感器引线33通过开孔的活塞杆11引出，与数据采集卡18连接。

在实现液压缸往复速度闭环控制的过程中，所述的两位两通比例换向阀采用带内反馈的电磁比例换向阀，装在液压泵和三位四通比例换向阀中间，用螺栓固定在底板上。所述的位移传感器，采用拉绳式位移传感器，用内六角螺钉32固定装在支架上，拉绳与左侧活塞杆连接。

在实现液压缸往复置的闭环控制的过程中，所述的三位四通比例换向阀采用带内反馈的电磁比例换向阀，装在液压缸和两位两通比例换向阀之间，用螺钉固定底板上。所述的位移传感器，采用拉绳式位移传感器，传感器用螺钉固定装在支架上，拉绳与左侧活塞杆连接。

在实现液压缸往复置控制的过程中，所述的三位四通比例换向阀采用内反馈的电磁比例换向阀，装在液压缸和两位两通比例换向阀之间，用螺栓固定底板上。所述的位移传感器，采用拉绳式位移传感器，传感器用螺钉固定装在支架上，拉绳与左侧活塞杆连接。

伺服电机16和滚珠丝杠15连接，使伺服电机的周向运动转换为滑块往复运动。

油箱1用于为液压系统提供液压油，用螺栓固定装在台架上。

过滤器2用于油液过滤，保证油液纯度，装在油箱和液压泵之间，用油管进行连接。

比例溢流阀4用于控制调节系统油液压力，装在油箱和液压泵之间，用螺栓固定底板上。

本发明提供的液压往复密封件服役疲劳性能测试装置，用于液压往复密封件的服役疲劳性能测试。

在铺设光纤光栅应变传感器9后，进行服役疲劳性能测试试验。在试验过程中，信号采集卡18将光纤光栅应变信号传送到计算机程序中，计算机程序将接触应变信号转换为摩擦应力信号并利用失效概率公式(1)，计算当前的失效概率p，并将计算结果反映在电脑屏幕上，当电脑程序检测到当前概率数值p大于预先设定的失效概率值p0，判定液压往复密封件疲劳失效，系统停止运行。通过计数器13记录液压往复密封件的往复次数，作为液压往复密封件的疲劳寿命值。

本发明通过上述实施例，与现有技术相比具有以下特点：

1.通过本发明提供一种液压往复密封件的服役疲劳性能测试装置，其结构组成主要包括：光纤光栅传感器9、计数器13、拉压力传感器14、滚珠丝杠15、、伺服电机16、伺服驱动器17、数据采集卡18、plc19和计算机20。其中，计数器13用螺钉固定在支架上，通过数据线与数据采集卡18进行连接；拉压力传感器14的两端分别与滚珠丝杠滑块和活塞杆11连接；伺服电机16通过电缆与伺服驱动器17连接，输出端与滚珠丝杠15用螺栓进行连接；伺服驱动器17的输入端与plc19连接；数据采集卡18和计算机20通过数据线连接。

2.通过本发明提供一种液压往复密封件的服役疲劳性能测试方法，通过该测试方法可以对液压往复密封件在特定服役条件下的疲劳寿命进行评价。该方法根据设定的参数进行往复运动控制、往复速度控制、位置控制和温度控制，通过实验参数模拟液压往复密封件的特定服役条件，研究其疲劳性能。该方法主要利用铺设液压往复密封件底部的光纤栅应变传感器9，实时监测液压往复密封件的接触应力变化；利用计数器13统计液压往复密封件的疲劳寿命；利用拉压力传感器14实时测量负载压力；利用数据采集卡18进行传感数据采集；利用plc19控制伺服电机16产生交变的载荷，为液压缸提供可变载荷，模拟液压缸在实际运行过程中承受的负载；利用计算机20进行数据的记录和保存，对被测试液压往复密封件的疲劳失效概率进行计算，并对被测试液压往复密封件的疲劳失效状态进行判别。