液压试验中的加载方法
出处：按学科分类—工业技术 北京理工大学出版社《新编液压工程手册下册》第2148页（7798字）
在液压元件及系统的试验中都要求对它们的实际使用工况、额定工况、超载运行工况等进行模拟和考核。因此必须在充分了解各工况下的负载变化规律后，设计出合理的负载模拟装置和选择适当的测试装置，以达到能对试验对象从零件到整机进行全性能的充分检验和考核。
在液压试验中一般有下列形式的负载：各种转速下轴上的负载力矩；各种直线运动速度下的负载力；与位移成比例的弹性负载；与角位移成比例的铰链力矩负载；与速度成比例的粘性摩擦负载；各种阻尼负载等等。可见负载种类繁多，变化规律复杂。为了在试验中作出完善的模拟，在实际中就出现了各式各样的加载方法。液压试验中常用的加载方法有：
(1)机械加载方法
A．摩擦测功器加载
俗称“抱闸”加载，即对被试轴施加一定的摩擦力矩。改变闸皮箍紧程序，就改变了负载力矩大小。此法简单易行，但由于试验时能量将全部转变为摩擦产生的热能，故只适用于小功率和短期加载试验。此法所施加的负载力矩不稳定，脉动大。
B．扭板弹簧产生铰链力矩负载
由被试轴带动一端固定的板簧，如图36．2－1所示。随着轴的转角增大，施于轴上的负载力矩线性增加。改变固定端的位置，即改变板簧有效长度，以改变弹簧刚度。
图36．2－1 扭板弹簧加载器原理简图
此方法所施加的负载力矩T与轴转角θ之间的关系为
T=kθ
式中：k为板簧的刚度。
C．惯性圆盘产生惯性力矩
由被试轴带动由不同材料、直径和厚度的均质圆盘，在不同的角加速度情况下，可获得不同大小的惯性负载力矩。此力矩与角加速度ω之间关系为
T=Jω
式中：J为圆盘的转动惯量。
D．直线运动部件的负载力
若直线运动部件(如油缸杆)带动一定质量的重物，如砝码等。当匀速直线运动时，可获得一恒值负载力；当加、减速直线运动时，可获得一定的惯性力负载。
E．直线运动部件的弹性负载力
直线运动部件与拉簧或压簧连接可以获得与位移成比例的弹性负载力。由于受弹簧体积的限制，此法只适宜于小功率的场合。
总的来说，机械方法加载都简单易行，但只能模拟变化规律简单的负载，且不能连续可调。由于各种限制均不适合于较大功率的情况。
(2)液压加载方法
A．液压泵的节流加载
在泵的输出油路中串联可变节流阀或溢流阀，以改变油路阻力，使压力改变，达到给被试泵加载的目的。也就是说，只要能作到使节流口的大小按要求的规律变化，即可实现各种规律变化的负载模拟。图36．2－2所示为液压泵节流加载的基本油路。
图36．2－2 液压泵节流加载原理图
1－函数发生器；2－伺服放大器(或控制器)；3－电液伺服阀(或比例阀)；4－溢流阀；5－先导阀；6－节流阀；7－液压泵
在泵出口串联节流阀、远控溢流阀、电液伺服阀、比例节流阀等均可达到节流加载的目的。若通过超低频信号发生器或函数发生器给出不同规律变化的信号，如低频正弦信号、方波阶跃信号或三角波信号等，再经过伺服放大器驱动电液伺服阀或比例阀，即可获得按不同规律变化的负载模拟。
为了实现被试泵的压力冲击试验，需要压力值多次重复突变。在图36．2－3，所示油路中，只要给二位二通电磁阀的电磁铁接通和断开电源，即可获得油路中的压力突变。变化的间隔时间由电磁阀的控制电路调节；而油路中压力值的大小则由调节节流口大小来达到。当电磁阀断电时，两加载节流阀并联，压力为p1；当电磁阀通电时，则只有节流阀B起作用，得到的压力为p2。由图示曲线上可见冲击压力的变化波形。
图36．2－3 液压泵压力冲击试验油路图
若被试泵为双向泵，由于泵轴旋转方向的变更，因而造成其进出口的对换。为了试验时不改变外接油路，采用如图36．2－4所示的双向加载油路。
图36．2－4 液压泵双向加载油路图
1－被试泵；2－整流油路；3－供油泵；4－溢流阀；5－加载节流阀
假设被试泵轴按某个方向旋转，对应一为低压吸油口，另一为高压输油口。供油泵3通过由四个单向阀组成的“整流油路”2自动使油液供往吸油口，被试泵输油口排出的油液经单向阀油路输往加载节流阀5。改变节流口的大小，就改变了泵的输出压力pL，达到加载目的。若被试泵轴顺时针旋转，对应着油流方向按实线箭头所示的话，那么当轴旋转方向反向时，则自动转换为虚线箭头方向流动。因而达到不用改接外部油路，双向都可加载的目的。
如果将被试泵的动力源采用高速液压马达驱动时，则上述油路就变成了双向液压马达的加载油路了。原来的被试泵就成了加载泵，通过节流，改变加载泵系统中的压力，压力的大小对应着泵轴要求输入的转矩大小，这就给被试马达轴施加了负载。但此方法只适合于高速液压马达的试验。因为当被试马达低速运行时，加载泵输出流量小，由于泵本身的容积漏损和其他消耗，将导致系统压力不稳定，甚至加不上负载。为此，要求采用如图36．2－5所示油路。在加载泵的输出油路上并联补偿泵3。当被试马达低速运行时，就能保证有足够的流量通过加载溢流阀4，确保加载系统中压力的建立和稳定。为了压力的稳定，有时在泵输出油路上还并联一定容积的蓄能器。
图36．2－5 液压马达低速试验加载油路图
1－被试液压马达；2－加载泵；3－补偿泵；4－加载溢流阀；5－压力表
B．液压马达试验的背压加载
如图36．2－6所示，这种方法不是直接将负载力矩施于被试马达轴上，而是在被试马达的回油路上串联节流阀加载的办法。当试验系统液压源给被试马达供油时，由于其回油路上存在阻力，必然造成一定的背压p1，改变节流口大小，就改变了此背压值，也将导致马达入口压力ps的变化。今以柱塞式液压马达为例来分析，虽然液压马达轴上没有负载力矩存在，但马达中与进油口相通的那些柱塞腔均有ps的压力，将产生主动力矩使被试马达旋转。这部分柱塞与液压马达实际带载运行工况相同。ps值的变化，即达到负载模拟的目的。而与回油口相通的另一些柱塞腔，由于有背压p1的存在，它们将产生阻力矩反抗马达旋转，相当于液压泵中柱塞的工况。今背压值p1与ps相差不大，它们的差值只是为了克服液压马达内部的摩擦等机械损耗而产生的。实际上液压马达带载工作时，背压值是很小的，并不允许出现背压很大的情况。因此，此方法并不能完全模拟液压马达的带载工况。由于进出口压力差较小，将导致被试马达的内部漏损比实际带载工况时小。由于所有柱塞腔都处于高压状态下，而实际带载工况时，只有与进油口相通的那些柱塞为高压，故此方案试验时，外漏油液将要增加一倍左右。另外液压马达中的受力零件其负荷也将增加近一倍。例如连接螺钉、止推轴承等就可能处于超载状态。由于试验系统提供的大部分能量在加载节流阀处转化为热能，故此方法也应属于节流加载。
图36．2－6 液压马达试验的背压加载油路图
综上所述，此种加载方法虽然简单易行，但不能完全模拟实际带载工况，缺点较多。所以它只适宜于刚装配好的液压马达的初步跑合和粗略的考核情况。
C．油缸试验中的节流加载
为了给被试油缸杆上施加负载力，一般的方法是采用加载油缸对顶加载，如图36．2－7所示。在加载油缸两腔之间串联加载节流阀；另外还设置了一套补油系统，其作用是弥补漏损和保持低压腔具有一定压力而不致形成真空。
图36．2－7 油缸试验的节流加载油路图
1－被试油缸；2－加载油缸；3－加载节流阀；4－单向阀；5－补油泵；6－溢流阀
当被试油缸活塞以一定速度v运动时，它带着加载缸活塞一起运动。若改变加载节流阀阀口的大小，就可获得不同的负载压力，即在被试油缸杆上施加了一定的负载力。假设被试油缸活塞左移时
所以被试油缸杆上作用的负载力F
F=A(p1－p2)
式中：A为加载油缸活塞的有效面积；Cd为节流口处的流量系数；a为节流口过流面积。
此方法简单易行，但由于加载缸两腔油液通过加载节流阀后循环使用，加载造成的热量散发不出去，所以不适宜于高速、高压加载模拟试验。若采用双向整流加载油路，将加载阀的回油经冷却器冷却后再回油箱，就可克服此缺点，如图36．2－8所示。
图36．2－8 油缸试验的双向整流加载油路图
1－被试油缸；2－加载油缸；3－整流油路；4－加载阀；5－冷却器；6－补油泵；7－低压溢流阀
D．粘性阻尼负载的模拟
所谓粘性阻尼指的是与运动速度成比例的阻力
F=kx
一般采用粘性阻尼器来产生。图36．2－9所示为一个典型的粘性阻尼器。它由一个可在圆筒内运动的活塞和固定的圆筒组成。它们之间径向间隙为C，并充满粘性液体。要使活塞运动，必须在活塞杆上施加一定的力，以克服液体内摩擦。此力的大小与活塞侧面积和运动的速度成正比，而与油膜厚度(即间隙大小)成反比，即
式中：μ为液体的动力粘度。
图36．2－9 粘性阻尼负载模拟器原理图
可见，只要将活塞杆与被试的直线运动部件相连，在试件运动时，就可获得与速度成比例的粘性摩擦负载。
综上所述，液压加载方法简单、易行，所需元件数量少。但基于节流原理的加载方法，由于能量损耗大，油温升高快，这将对试验带来一系列不利影响。所以节流加载方法只适宜于小功率试验和中等功率短期试验情况，并要求有充分冷却条件配合。
(3)电的加载方法
在液压试验中电的加载方法主要是用于对旋转轴施加负载力矩。原则上一般的电力测功机都能担负此任务。常见的有：
A．电力测功机加载
通常作为测功机用的有直流平衡电机、涡流测功机和磁粉加载器等。
直流平衡电机加载 如图36．2－10所示，所谓平衡电机是将电机外壳2由轴承支承的电机。作为加载器用时，它是处于发电机状态。其转子轴1由被加载对象带动，由于外壳(定子)与转子之间还可以有相对转动，并且它通过杠杆将力传至测力计3。由测力计测出的力值F与其力臂L之乘积，即为施加于被试轴上的负载力矩。改变其电枢电流，就可得到与电枢电流成比例的负载力矩施于被加载轴。由于电磁作用于外壳上的反力矩，即可由测力计测出的力F与L的积得出。此方法一般适合于大功率试验的场合。
图36．2－10 直流平衡电机加载原理图
1－转子轴；2－定子；3－测力计
涡流测功机加载 它的工作原理是基于实心金属圆盘作切割磁力线运动时，其上形成涡流，产生阻碍转动的涡流力矩。改变它的激磁电流大小，就改变了磁场强度，导致涡流力矩的改变。此力矩就是施于被试轴上的负载力矩。
磁粉加载器加载 图36．2－11所示为磁粉加载器的结构原理图。外壳1与转轴6之间可以相对转动。转轴6上固定着一个带有凸缘的由导磁材料制成的圆盘3。件3与件6之间由铜环4隔磁；外壳1也是导磁的，件1与件6之间通过隔磁材料5隔开。在件1与件3之间的间隙里填充有导磁率高且剩磁小的磁粉，常用的有纯铁磁粉和铬钢磁粉。纯铁磁粉容易氧化、耐磨性较差；而铬钢磁粉其磁性能、耐热性、耐磨性、流动性都较好。在壳体1内还嵌有两份线圈2。当转轴6由被加载轴带动旋转时，若线圈中没有电流，则没有磁通产生，间隙中的磁粉处于松散状态，对圆盘3不产生阻力矩。若给线圈2通入一定大小的直流电流时，产生磁通，磁力线如图所示。导致间隙中的磁粉极化连成链状，存在一定的磁粉间的连接力。由于圆盘随转轴6不停地旋转，因而需要克服此磁粉连接力和圆盘工作面与磁粉间的摩擦力，这就对被试轴施加了一定的阻力矩。此力矩与激磁线圈中的电流大致成比例。当电流增大到一定值后，由于磁饱和的原因，此力矩也就饱和了。另外此负载力矩大小还与在间隙中磁粉的填充程度有关。一般应填充到90%以上。
图36．2－11 磁粉加载器结构原理图
1－外壳；2－线圈；3－圆盘；4－隔磁铜环；5－外壳隔磁部分；6－转轴
磁粉加载器是根据磁粉离合器和制动器的工作原理演变而来。离合器和制动器工作时基本是在无滑差的情况下；而加载器却不同，它的外壳与转轴之间必须一直工作在有相对转动的情况下，并由加载器提供负载力矩，吸收被试轴的输出能量。这些能量都将在工作面和磁粉间转变为热能。这样势必造成加载器本身的温升，导致磁粉烧结，磁性能下降；使磁粉熔敷在工作面上；线圈烧伤等。因而也就限制了它的使用功率。
B．直流他激发电机作负载
其加载原理与平衡电机加载原理相同，只不过其外壳是固定在机座上，不能测转矩而已。
总之，电的加载方法在实际中应用还是比较多的。一般都有现成的产品可以买到。若采用直流发电机加载时，增加一些附加装置可以达到部分功率回收的效果。与液压加载方法比较，虽然电加载时其能量要消耗于电阻的发热上，但这些能量转换成的热量是不会影响到液压试验系统的油温的。另外在考虑使用电方法加载时，必须注意具体的功率匹配、转速调节范围、负载变化的影响、试验的成本等因素。力求在保证完成试验任务的基础上，达到效率高、节约人力和能源等经济指标。
(4)自动负载模拟器简介
随着科学技术的发展，对试验系统提出了各种进一步的要求，其中一个比较重要的方面就是自动负载模拟的问题。例如为了安全、高效和经济的目的，要求对飞行器作充分的地面试验，要求在实验室复现空中飞行时的舵面所受的负载变化情况；车辆在各种不同的路面和不同的行驶速度的情况都能在实验室中在道路模拟器上复现出来，这样对车辆的性能的考核与在野外实际工况下考核应该是完全等效的。
对自动负载模拟器的要求有：
·能准确复现各种快速变化的负载；
·通用性好，使用方便。通用性好指的是不仅仅只能实现一种固定的负载函数变化；
·结构紧凑、体积要小、重量要轻。要求单位重量输出功率要大。
自动负载模拟器实际上是一套自动控制系统。在试验过程中，它按一定的控制信号自动地给被试对象施加某种规律变化的负载。一般它由四部分组成，如图36．2－12所示。
图36．2－12 自动负载模拟器原理框图
1－控制器(计算机)；2－加载器；3－被试对象；4－负载值反馈；5－姿态参数反馈
控制器 控制器包括函数发生器、信号调节放大器、校正网络等。函数发生器根据被试对象的位置或状态反馈信号产生所需的负载变化信号，它可以是各种函数信号。信号调节放大器和校正网络是提高加载系统静、动态品质指标所需的，如各种放大器，微分、积分校正等。
加载器 它是负载模拟系统的执行机构，直接给被试对象施加负载。如果自动加载系统为电液伺服系统的话，它就是由伺服阀控制的油缸或液压马达。
被试对象 它是承载的装置，可以是某种用途的电液伺服系统，如飞行器的舵机系统等。在试验过程中它有其本身的独立试验控制程序和系统。而自动加载系统的一些信号和效果检测是要由被试对象的工作中产生和获取的，所以它也应属于自动负载模拟系统的一部分。
反馈装置 实际是一些参数传感器，如属于负载值传感器的有力传感器、压力传感器、转矩传感器等；属于姿态传感器的有位置、角度、速度和加速度传感器等。它们是实现闭环控制所必须的。在系统中负载值反馈是作为比较信号，而位置或姿态值反馈是作为控制信号的一部分，使被试对象处于什么姿态时都能得到所要求的相应的负载。
对于高质量的自动负载模拟系统，可用数字计算机或模拟计算机作为控制器。形成以计算机为中心的自动负载模拟系统。