基于帕斯卡原理的10MN液压式力标准机的研制

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摘要：针对液压式大力值标准装置中油缸与活塞间的润滑问题，应用静压润滑技术研制一台最大输出力值为10MN、准确度等级为0.05级的液压放大式力标准机。通过在力标准机主油缸及测力油缸中均采用基于静压润滑技术的静压缸塞装置，利用油液的湿摩擦大幅减小油缸与活塞间的摩擦阻力;同时通过防过冲装置的设计，解决静压缸塞系统内，当一端加载时另一端缸塞发生过冲的现象。试验结果表明，基于静压润滑技术的液压放大式力标准机具有良好的力值重复性及输出稳定性，同时其方位误差和示值误差均达到设计要求。对静压润滑技术及防过冲装置在大力值标准装置中的应用具有参考价值。

关键词：大力值;帕斯卡原理;静压润滑;液压放大;力标准机

中图分类号：TH71

文献标志码：A

文章编号：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

隨着现代科技和工业的发展，大力值的应用越来越广泛，如冶金工业领域的大型轧钢机、万能拉伸试验机、新型材料机械特性研究、现代宇航技术研究、现代武器装备的准确性和安全可靠性研究、舰船、飞机及运载火箭的动力性能研究等，都离不开准确的大力值测量[1-5]。

为保障工业或科研领域大力值的准确可靠，作为能获得高输出力值的同时能保持较小的不确定度的液压式大力值标准机成为计量研究领域的重点领域。世界各国家自20世纪七八十年代开始投入大量人力物力研制液压式大力值标准机。表1列出了目前世界各国大力值标准机的发展情况。目前我国大力值基准正是采用的一台20MN液压放大式大力值标准机[6]。

影响液压放大式力标准机输出力值稳定性与波动幅度最主要的因素为液压油缸与活塞装置间的润滑情况，润滑状况的好坏直接影响到装置输出力值的稳定性与波动幅度。根据液压缸塞系统的润滑方式，可分为动压润滑和静压润滑两种。其中，日本国家计量院20MN力标准机与德国PTB的16.5MN力标准机采用的为动压润滑技术;而中国计量科学研究院的20MN国家基准以及上海院的5MN力标准机采用的是静压润滑技术。静压润滑因油缸无需旋转，因此力值波动性小，但技术难度也较大[9]。

针对液压放大式标准机中液压缸塞系统的润滑问题，设计了一种基于静压润滑技术的静压缸塞装置，消除了活塞上下运动时与缸壁间的摩擦;同时采用双缸静压润滑技术，有效改善了液压式大力值标机输出大力值的波动性与稳定性。在此基础上研制了一台最大输出力值为10MN、准确度等级为0.05级的液压放大式力标准机。

1 液压放大式力标准机原理及组成

1.1 液压放大式力标准机工作原理

液压放大式力标准机是以帕斯卡原理为基础设计制造的。帕斯卡原理指出，密闭容器内的液体向各个方向施加相等的压力，根据这一原理，作用于封闭液体的外力以相等的压力向限制液体的容器或管道的表面传递。因而，在液压系统中作用于小面积上的力，会在大面积的工作活塞上产生一个大的标准力值。如图1所示。

根据等静压原理可得：

其中，P为压强，m为小静压缸加载砝码质量，F为1大静压缸塞产生的压力，g为重力加速度，ρa为空气密度，ρw为砝码材料密度，d1小静压缸塞直径，d2大静压缸塞直径。由式（1）可得到大静压缸塞产生的输出大力值为：

由此可见可以通过控制大小静压缸的活塞直径来控制力值放大比[12]。

1.2 液压放大式力标准机组成

液压放大式力标准机主要由主机、测力系统、液压系统以及计算机控制系统4部分组成。

主机部分的作用是将测力部分产生并经液压系统放大后的力值有效地作用在被检测仪器上，该部分主要由机架、移动横梁、反力架及相关传动机构组成，如图2所示。主机主要采用四立柱、主油缸上置的结构，以确保整机的稳定性。移动横梁将机架中的试验空间划分为上、下两部分，分别用于压向和拉向试验，主油缸输出的标准力值通过反力架和移动横梁传递到被检仪器上。

图3为测力部分结构图，测力部分由标准砝码及其加载机构构成。利用不同砝码组合的重力产生标准载荷，并加载到测力油缸上。砝码依据安装地的重力加速度进行修正。加载机构完成砝码的自动加载、卸载与交换，同时确保整个试验过程的平稳、无擦靠和无逆程。

液压系统主要包括液压放大油路与静压润滑油路两大部分，以及其他必须液压元件。液压放大油路利用连通油路中的高压油将测力部分产生的压力从测力油缸传递至主油缸，并通过两油缸之间的面积比实现标准力值放大。本装置采用的静压润滑油路是从油缸侧面上的多组微孔中向缸内注入高压油，在活塞与缸体之间形成静压油膜，起到导向和消除摩擦的作用，使活塞能悬浮于油缸中，从而提高液压放大油路的灵敏度与整机的准确度。

计算机控制系统实现对整个试验过程的自动控制与数据采集处理，根据相关要求设置试验流程，能提供自动控制与手动控制两种试验方式。

2 液压放大式力标准机关键部件

2.1 静压缸塞装置

在液压式力标准机系统中，影响力值准确度与稳定性的最关键因素是油缸与活塞之间的润滑问题。由于液压加载过程属于低速运动，在无辅助措施的情况下，活塞与油缸间难以形成充分的油膜润滑，极易出现爬行、摩擦、碰撞等现象，造成加载速度不均匀、系统元件磨损加剧，并造成振动、噪声等影响力值稳定性与准确度的不良因素。目前的解决方案主要有两种：一种是动压润滑，使油缸围绕活塞转动，并且采用较大的配合间隙，在滑动面上建立良好的油膜;另一种是静压润滑，通过一套独立的供油系统，将具有一定压力的油液（通常低于缸内的加载工作油压）直接输入油缸与活塞间的间隙中，强制形成油膜进行润滑。前者的优点是液压系统与结构设计相对简单，但对于加工精度要求较高，且油缸持续旋转也易造成试验力周期性波动、油温升高等附加影响因素。而静压润滑可有效减少摩擦、提高系统稳定性、降低零部件加工要求、延长工作寿命，但其结构设计更为复杂，需解决静压腔及节流孔的设计、缸塞配合间隙的确定、静压供油压力的选择、润滑用油与工作用油之间的密封隔离等问题。

本文所研制的10MN液压放大式力标准机采用静压润滑技术，如图4所示。新型静压缸塞装置由活塞1、缸体2、外缸体3组成。缸体2密至于外缸体3中，缸体2与外缸体3内壁之间形成空隙4，外缸体3设有流体流入口6，该流体流入口与空隙4相通。活塞1置于缸体2中，缸体2的壁面（包括侧面和底部）上设有若干个穿透微孔7，微孔的孔径小于2mm，通过油缸侧面上的多组微孔7向缸内注入高压油，在活塞1与缸体2之间形成环状的静压油膜，利用微孔产生的高压等压流体介质膜使活塞1与缸体2完全被流体介质膜阻隔;在一套缸塞系统的两端各设置一套静压供油油路，相当于在活塞两端形成两个轴承，起到支承导向和减小摩擦的作用，使活塞能悬浮在油缸中运动，实现缸體与活塞间的运动。

同时本装置在大小两套缸塞系统中采用同样的静压润滑技术，可有效减小液压波动，极大降低了设备的力值波动性，提高了设备力值输出的稳定性[13]。2.2 防过冲装置

由于力标准机需提供稳定准确的标准力值，但在砝码在加载过程中，由于砝码自重等原因加载装置无法做到完全平稳加载，造成液压放大系统液体压强的波动，导致输出力值的波动，出现过冲现象。为消除加载过程中所引起的力值波动，本装置设计了一种结构简单的防过冲装置，该装置处于砝码加载装置与执行元件之间，阻断砝码加载过程中加载装置的过冲向执行机构的传递，从而有效消除力值加载过程中的过冲现象，实现加载及力值变换时的输出力值稳定。

图5是防过冲装置结构图。为阻断砝码加载过程中加载装置的冲击力向执行机构的传递，防过冲装置安装在加载装置与执行机构之间，其上连接座1与砝码加载装置相连接，下连接座7与执行机构连接。当装置未加载时，执行机构保持静止，下连接座7与执行机构相连也保持静止。

当测力部分的砝码加载时，加载装置带动上连接座1向下运动，上连接座1、本体3一起带动滑块5向下运动，此时由于下连接座7保持静止，因此滑动块5只能朝两边移动，直到滑动块5与橡胶块2相接触且橡胶块2不能再压缩时，滑块5停止移动，此时滑动块5与下连接座7之间不再有相对滑动;此时若上连接座1继续向下运动，就会通过滑块5带动下连接座7向下运动，从而带动执行元件向下运动。由此可见，该装置将作为标准力源的砝码加载过程中出现的过冲动能转变为了橡胶块的弹性势能，从而防止了加载过程不稳所造成的执行机构输出力值波动。

在卸载过程中，砝碼卸载装置向上运动，将带动上连接座1向上运动，此时上连接座1和本体3一起带动滑动块5向上运动，由于连接销6可以在下连接座7中滑动一定距离，因此此时下连接座7不会动，也就不会带动执行元件向上运动，此时执行元件仍然静止。若上连接座1继续向上运动，弹簧4带动滑动块5向上运动，与下连接座7接触，实现复位功能。在此过程中即使加载机构出现过冲现象，由于防过冲装置的存在，执行机构仍能够实现平稳加载和卸载过程，消除加载及卸载过程中的力值波动。

该装置的应用解决了静压缸塞系统内，当一端加载时另一端缸塞发生上冲现象。通过位移控制和微流量控制，使整体设备的精度不受影响并且保证了装置的长久精准使用状态。

3 10MN力标准机性能测试

基于静压润滑技术的10MN液压放大式力标准机实物如图6所示。为确定10MN里标准机的输出力值特性，对装置的进行了一系列的性能测试。由于该标准装置是作为华南大区最高大力值计量标准，因此按照JJG1117-2015《液压式力标准机检定规程》对装置的计量性能进行了测试，对力值重复性、力值方位误差、力值示值误差3个关键重要参数进行了测试[14]。

测试中采用了3台准确度等级为0.03级的标准测力仪，其量程分别为0.2～2MN、0.3～5MN、0.5～10MN。10MN力标准机各力值量程段测试结果如表2～表4所示。

由表2～表4可见，10MN液压放大式力标准机力值重复性控制在0.03%以内，力值方位误差控制在0.07%以内，力值示值误差控制在0.03%以内，力值相对扩展不确定度（k=2）控制在0.05%以内，同时，由表2还可知，即使是在0.2～2MN的力值区间内，仍能够使输出力值保持较小的不确定度。由此可见，本文研制的力标准机具有良好的输出特性，能够满足华南大区大力值的量值溯源需求。

4 结束语

在液压放大式力标准机中采用静压润滑技术，利用流体间隙密封的原理，既保证了静压缸与柱塞之间的油膜隔离又能确保它们之间的充分润滑，实现了活塞和缸体间的相对运动。同时通过在液压放大式力标准机大小油缸中采用同样的静压缸塞装置以及加载机构中安装新型防过冲装置，实现了液压式力标准机输出力值的稳定可靠。测试结果表明，结构改进后，该力标准机具有良好的力值重复性及输出稳定性，同时其方位误差和示值误差均达到了设计要求，本文对于液压式力标准机的设计和制造具有参考推广作用。

参考文献

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（编辑：刘杨）

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