基于帕斯卡原理的10MN液壓式力標準機的研制

譚洪輝　徐立　陶澤成

摘要：針對液壓式大力值標準裝置中油缸與活塞間的潤滑問題，應用靜壓潤滑技術研制一臺最大輸出力值為10MN、準確度等級為0.05級的液壓放大式力標準機。通過在力標準機主油缸及測力油缸中均采用基于靜壓潤滑技術的靜壓缸塞裝置，利用油液的濕摩擦大幅減小油缸與活塞間的摩擦阻力;同時通過防過沖裝置的設計，解決靜壓缸塞系統內，當一端加載時另一端缸塞發生過沖的現象。試驗結果表明，基于靜壓潤滑技術的液壓放大式力標準機具有良好的力值重復性及輸出穩定性，同時其方位誤差和示值誤差均達到設計要求。對靜壓潤滑技術及防過沖裝置在大力值標準裝置中的應用具有參考價值。

關鍵詞：大力值;帕斯卡原理;靜壓潤滑;液壓放大;力標準機

中圖分類號：TH71

文獻標志碼：A

文章編號：1674–5124（2019）03–0089–06

10 MN hydraulic amplifier force standard machine based on Pascal principle

TAN Honghui1，2， XU Li1，2， TAO Zecheng3

（1. Guangdong Provincial Key Laboratory of Modern Geometric and Mechanical Metrology Technology， Guangzhou 510405， China; 2. Guangdong Provincial Institute of Metrology， Guangzhou 510405， China; 3. Kunshan Innovation Testing Instruments Co.，Ltd.， Kunshan 215300， China）

Abstract： Based on the hydrostatic lubrication technology， the Hydraulic amplifier force standard machine with output force 10 MN and the accuracy 0.05 level was made to solve the lubrication between the cylinder and the piston device. The hydrostatic lubrication technology would be used in the main cylinder and force cylinder to decrease sharply the friction. The anti-overshoot device would be designed to solve the overshoot when the force was loading. Results show that the force value repeatability and output stability of hydraulic amplifier force standard machine based on the no-damping static pressure lubrication technology were very well. Meanwhile， its azimuth error and indication error have reached the design requirements. It has reference value for the application of the hydrostatic lubrication technology and anti-overshoot device in the force standard machine.

Keywords： large force value; Pascal principle; hydrostatic lubrication; hydraulic amplifier; force standard machine

0 引言

隨著現代科技和工業的發展，大力值的應用越來越廣泛，如冶金工業領域的大型軋鋼機、萬能拉伸試驗機、新型材料機械特性研究、現代宇航技術研究、現代武器裝備的準確性和安全可靠性研究、艦船、飛機及運載火箭的動力性能研究等，都離不開準確的大力值測量[1-5]。

為保障工業或科研領域大力值的準確可靠，作為能獲得高輸出力值的同時能保持較小的不確定度的液壓式大力值標準機成為計量研究領域的重點領域。世界各國家自20世紀七八十年代開始投入大量人力物力研制液壓式大力值標準機。表1列出了目前世界各國大力值標準機的發展情況。目前我國大力值基準正是采用的一臺20MN液壓放大式大力值標準機[6]。

影響液壓放大式力標準機輸出力值穩定性與波動幅度最主要的因素為液壓油缸與活塞裝置間的潤滑情況，潤滑狀況的好壞直接影響到裝置輸出力值的穩定性與波動幅度。根據液壓缸塞系統的潤滑方式，可分為動壓潤滑和靜壓潤滑兩種。其中，日本國家計量院20MN力標準機與德國PTB的16.5MN力標準機采用的為動壓潤滑技術;而中國計量科學研究院的20MN國家基準以及上海院的5MN力標準機采用的是靜壓潤滑技術。靜壓潤滑因油缸無需旋轉，因此力值波動性小，但技術難度也較大[9]。

針對液壓放大式標準機中液壓缸塞系統的潤滑問題，設計了一種基于靜壓潤滑技術的靜壓缸塞裝置，消除了活塞上下運動時與缸壁間的摩擦;同時采用雙缸靜壓潤滑技術，有效改善了液壓式大力值標機輸出大力值的波動性與穩定性。在此基礎上研制了一臺最大輸出力值為10MN、準確度等級為0.05級的液壓放大式力標準機。

1 液壓放大式力標準機原理及組成

1.1 液壓放大式力標準機工作原理

液壓放大式力標準機是以帕斯卡原理為基礎設計制造的。帕斯卡原理指出，密閉容器內的液體向各個方向施加相等的壓力，根據這一原理，作用于封閉液體的外力以相等的壓力向限制液體的容器或管道的表面傳遞。因而，在液壓系統中作用于小面積上的力，會在大面積的工作活塞上產生一個大的標準力值。如圖1所示。

根據等靜壓原理可得：

其中，P為壓強，m為小靜壓缸加載砝碼質量，F為1大靜壓缸塞產生的壓力，g為重力加速度，ρa為空氣密度，ρw為砝碼材料密度，d1小靜壓缸塞直徑，d2大靜壓缸塞直徑。由式（1）可得到大靜壓缸塞產生的輸出大力值為：

由此可見可以通過控制大小靜壓缸的活塞直徑來控制力值放大比[12]。

1.2 液壓放大式力標準機組成

液壓放大式力標準機主要由主機、測力系統、液壓系統以及計算機控制系統4部分組成。

主機部分的作用是將測力部分產生并經液壓系統放大后的力值有效地作用在被檢測儀器上，該部分主要由機架、移動橫梁、反力架及相關傳動機構組成，如圖2所示。主機主要采用四立柱、主油缸上置的結構，以確保整機的穩定性。移動橫梁將機架中的試驗空間劃分為上、下兩部分，分別用于壓向和拉向試驗，主油缸輸出的標準力值通過反力架和移動橫梁傳遞到被檢儀器上。

圖3為測力部分結構圖，測力部分由標準砝碼及其加載機構構成。利用不同砝碼組合的重力產生標準載荷，并加載到測力油缸上。砝碼依據安裝地的重力加速度進行修正。加載機構完成砝碼的自動加載、卸載與交換，同時確保整個試驗過程的平穩、無擦靠和無逆程。

液壓系統主要包括液壓放大油路與靜壓潤滑油路兩大部分，以及其他必須液壓元件。液壓放大油路利用連通油路中的高壓油將測力部分產生的壓力從測力油缸傳遞至主油缸，并通過兩油缸之間的面積比實現標準力值放大。本裝置采用的靜壓潤滑油路是從油缸側面上的多組微孔中向缸內注入高壓油，在活塞與缸體之間形成靜壓油膜，起到導向和消除摩擦的作用，使活塞能懸浮于油缸中，從而提高液壓放大油路的靈敏度與整機的準確度。

計算機控制系統實現對整個試驗過程的自動控制與數據采集處理，根據相關要求設置試驗流程，能提供自動控制與手動控制兩種試驗方式。

2 液壓放大式力標準機關鍵部件

2.1 靜壓缸塞裝置

在液壓式力標準機系統中，影響力值準確度與穩定性的最關鍵因素是油缸與活塞之間的潤滑問題。由于液壓加載過程屬于低速運動，在無輔助措施的情況下，活塞與油缸間難以形成充分的油膜潤滑，極易出現爬行、摩擦、碰撞等現象，造成加載速度不均勻、系統元件磨損加劇，并造成振動、噪聲等影響力值穩定性與準確度的不良因素。目前的解決方案主要有兩種：一種是動壓潤滑，使油缸圍繞活塞轉動，并且采用較大的配合間隙，在滑動面上建立良好的油膜;另一種是靜壓潤滑，通過一套獨立的供油系統，將具有一定壓力的油液（通常低于缸內的加載工作油壓）直接輸入油缸與活塞間的間隙中，強制形成油膜進行潤滑。前者的優點是液壓系統與結構設計相對簡單，但對于加工精度要求較高，且油缸持續旋轉也易造成試驗力周期性波動、油溫升高等附加影響因素。而靜壓潤滑可有效減少摩擦、提高系統穩定性、降低零部件加工要求、延長工作壽命，但其結構設計更為復雜，需解決靜壓腔及節流孔的設計、缸塞配合間隙的確定、靜壓供油壓力的選擇、潤滑用油與工作用油之間的密封隔離等問題。

本文所研制的10MN液壓放大式力標準機采用靜壓潤滑技術，如圖4所示。新型靜壓缸塞裝置由活塞1、缸體2、外缸體3組成。缸體2密至于外缸體3中，缸體2與外缸體3內壁之間形成空隙4，外缸體3設有流體流入口6，該流體流入口與空隙4相通。活塞1置于缸體2中，缸體2的壁面（包括側面和底部）上設有若干個穿透微孔7，微孔的孔徑小于2mm，通過油缸側面上的多組微孔7向缸內注入高壓油，在活塞1與缸體2之間形成環狀的靜壓油膜，利用微孔產生的高壓等壓流體介質膜使活塞1與缸體2完全被流體介質膜阻隔;在一套缸塞系統的兩端各設置一套靜壓供油油路，相當于在活塞兩端形成兩個軸承，起到支承導向和減小摩擦的作用，使活塞能懸浮在油缸中運動，實現缸體與活塞間的運動。

同時本裝置在大小兩套缸塞系統中采用同樣的靜壓潤滑技術，可有效減小液壓波動，極大降低了設備的力值波動性，提高了設備力值輸出的穩定性[13]。2.2 防過沖裝置

由于力標準機需提供穩定準確的標準力值，但在砝碼在加載過程中，由于砝碼自重等原因加載裝置無法做到完全平穩加載，造成液壓放大系統液體壓強的波動，導致輸出力值的波動，出現過沖現象。為消除加載過程中所引起的力值波動，本裝置設計了一種結構簡單的防過沖裝置，該裝置處于砝碼加載裝置與執行元件之間，阻斷砝碼加載過程中加載裝置的過沖向執行機構的傳遞，從而有效消除力值加載過程中的過沖現象，實現加載及力值變換時的輸出力值穩定。

圖5是防過沖裝置結構圖。為阻斷砝碼加載過程中加載裝置的沖擊力向執行機構的傳遞，防過沖裝置安裝在加載裝置與執行機構之間，其上連接座1與砝碼加載裝置相連接，下連接座7與執行機構連接。當裝置未加載時，執行機構保持靜止，下連接座7與執行機構相連也保持靜止。

當測力部分的砝碼加載時，加載裝置帶動上連接座1向下運動，上連接座1、本體3一起帶動滑塊5向下運動，此時由于下連接座7保持靜止，因此滑動塊5只能朝兩邊移動，直到滑動塊5與橡膠塊2相接觸且橡膠塊2不能再壓縮時，滑塊5停止移動，此時滑動塊5與下連接座7之間不再有相對滑動;此時若上連接座1繼續向下運動，就會通過滑塊5帶動下連接座7向下運動，從而帶動執行元件向下運動。由此可見，該裝置將作為標準力源的砝碼加載過程中出現的過沖動能轉變為了橡膠塊的彈性勢能，從而防止了加載過程不穩所造成的執行機構輸出力值波動。

在卸載過程中，砝碼卸載裝置向上運動，將帶動上連接座1向上運動，此時上連接座1和本體3一起帶動滑動塊5向上運動，由于連接銷6可以在下連接座7中滑動一定距離，因此此時下連接座7不會動，也就不會帶動執行元件向上運動，此時執行元件仍然靜止。若上連接座1繼續向上運動，彈簧4帶動滑動塊5向上運動，與下連接座7接觸，實現復位功能。在此過程中即使加載機構出現過沖現象，由于防過沖裝置的存在，執行機構仍能夠實現平穩加載和卸載過程，消除加載及卸載過程中的力值波動。

該裝置的應用解決了靜壓缸塞系統內，當一端加載時另一端缸塞發生上沖現象。通過位移控制和微流量控制，使整體設備的精度不受影響并且保證了裝置的長久精準使用狀態。

3 10MN力標準機性能測試

基于靜壓潤滑技術的10MN液壓放大式力標準機實物如圖6所示。為確定10MN里標準機的輸出力值特性，對裝置的進行了一系列的性能測試。由于該標準裝置是作為華南大區最高大力值計量標準，因此按照JJG1117-2015《液壓式力標準機檢定規程》對裝置的計量性能進行了測試，對力值重復性、力值方位誤差、力值示值誤差3個關鍵重要參數進行了測試[14]。

測試中采用了3臺準確度等級為0.03級的標準測力儀，其量程分別為0.2～2MN、0.3～5MN、0.5～10MN。10MN力標準機各力值量程段測試結果如表2～表4所示。

由表2～表4可見，10MN液壓放大式力標準機力值重復性控制在0.03%以內，力值方位誤差控制在0.07%以內，力值示值誤差控制在0.03%以內，力值相對擴展不確定度（k=2）控制在0.05%以內，同時，由表2還可知，即使是在0.2～2MN的力值區間內，仍能夠使輸出力值保持較小的不確定度。由此可見，本文研制的力標準機具有良好的輸出特性，能夠滿足華南大區大力值的量值溯源需求。

4 結束語

在液壓放大式力標準機中采用靜壓潤滑技術，利用流體間隙密封的原理，既保證了靜壓缸與柱塞之間的油膜隔離又能確保它們之間的充分潤滑，實現了活塞和缸體間的相對運動。同時通過在液壓放大式力標準機大小油缸中采用同樣的靜壓缸塞裝置以及加載機構中安裝新型防過沖裝置，實現了液壓式力標準機輸出力值的穩定可靠。測試結果表明，結構改進后，該力標準機具有良好的力值重復性及輸出穩定性，同時其方位誤差和示值誤差均達到了設計要求，本文對于液壓式力標準機的設計和制造具有參考推廣作用。

參考文獻

[1] HAYASHI T， KATASE Y， MAEJIMA H， et al. Variable speed control of hydraulically driven weight stacks in a 540 kN force standard machine[C]// Sice Conference 2010， Proceedings of. IEEE， 2010： 3165-3168.

[2] SINNA A A ， PARK Y K ， et al. The influence of loading frame stiffness on loadcell-deadweight force machine interaction[J]. Measurement， 2009： 830-835.

[3] JAIN S K， KUMAR H， TITUS S S K， et al. Metrological characterization of the new 1 MN force standard machine of NPL India[J]. Measurement， 2012， 45（3）： 590-596.

[4]梁偉，楊曉翔，姚進輝，等.疊加式力標準裝置系統誤差修正研究[J].儀器儀表學報，2016，37（11）：2473-2481.

[5]唐純謙，高富榮，陳明華，等.3MN疊加式力標準機的研制[J].中國測試，2008，34（2）：13-15.

[6]胡剛.靜壓技術在液壓式測力機上的應用[J].現代測量與實驗室管理，2000（3）：7-11.

[7]唐純謙.力值計量標準現狀及研究進展[J].中國測試，2009，35（3）：11-16.

[8]蔡正平，施昌彥.20MN液壓式力基準機的特點和應用[J].自動化儀表，1993（10）：17-19.

[9]施昌彥，李振民.用于20MN基準測力機的新型靜壓潤滑缸塞系統[J].計量學報，1994（3）：181-187.

[10]蔡正平.回顧世界領先水平的“20MN（2000tf）標準測力機”研制經過[J].中國計量，2014（2）：56-60.

[11]徐長舉.1MN靜重式力標準機大型結構件力學性能的分析[D].長春：吉林大學，2012.

[12]施昌彥，李振民.20MN標準測力機的特點、試驗研究和性能評定[C]//海峽兩岸計量科技學術研討會，1997.

[13]譚洪輝，陶澤成，黃振宇，等.一種大放大比推力裝置：CN103630294A[P].2014.

[14]張智敏，張偉，李楠.JJG1117-2015《液壓式力標準機檢定規程》解讀[J].中國計量，2016，55（4）：122-123.

（編輯：劉楊）