扭桿系統(tǒng)二維復(fù)合加載疲勞試驗機(jī)的設(shè)計

曹建平， 梁有志， 顏猛

（株洲時代新材料科技股份有限公司，湖南株洲412007）

1 扭桿系統(tǒng)受力分析

扭桿系統(tǒng)產(chǎn)品在軌道車輛二系懸掛中得到了廣泛應(yīng)用，其主要結(jié)構(gòu)如圖1所示。

扭桿系統(tǒng)由扭桿（1件）、扭臂（2件）、連桿（2件）、支撐座（2件）、球鉸（4件）等組成。扭桿的兩端裝有扭臂，連桿的兩端通過球鉸分別與扭臂和車體底架鉸接，扭桿通過支撐座固定在車體上。

圖1 扭桿系統(tǒng)組成

扭桿系統(tǒng)在實際運(yùn)行工況中受力情況如圖2所示，二側(cè)連桿受到車體z向力（垂向力）F1、F2，F(xiàn)1與 F2大小相等、方向相反；扭桿受到車體y向力（橫向力）F3；垂向力與橫向力同時同相位施加在扭桿系統(tǒng)上。

耐久性實驗是評判扭桿系統(tǒng)壽命的非常重要的實驗，研制的疲勞試驗機(jī)必須滿足不同規(guī)格與結(jié)構(gòu)的扭桿系統(tǒng)二維復(fù)合加載試驗要求。

圖2 扭桿系統(tǒng)受力情況

2 試驗機(jī)設(shè)計方案

根據(jù)扭桿系統(tǒng)疲勞試驗次數(shù)多、試驗周期短、不同規(guī)格產(chǎn)品多、載荷變化范圍大等特點，研制一臺扭桿系統(tǒng)疲勞試驗專機(jī)很有必要。

本文設(shè)計的這臺扭桿系統(tǒng)疲勞試驗專機(jī)采用機(jī)械式，機(jī)構(gòu)原理如圖3所示。

圖3 試驗機(jī)機(jī)構(gòu)原理圖

垂向加載：由電動機(jī)通過V帶傳動帶動曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，再經(jīng)杠桿機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)扭桿系統(tǒng)兩頭的同時加載。扭桿系統(tǒng)扭桿的扭轉(zhuǎn)幅值由曲柄機(jī)構(gòu)無級調(diào)節(jié)垂向連桿的位移來實現(xiàn)，扭桿系統(tǒng)垂向載荷大小通過杠桿下的二個力傳感器經(jīng)觸摸屏顯示，從而間接對扭桿系統(tǒng)的載荷進(jìn)行控制，扭轉(zhuǎn)頻率通過PLC控制變頻器輸出來實現(xiàn)。

橫向加載：由電動機(jī)帶動曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，實現(xiàn)工作臺的往復(fù)運(yùn)動。扭桿系統(tǒng)安裝在工作臺上，隨工作臺一起運(yùn)動。往復(fù)運(yùn)動位移幅值由曲柄機(jī)構(gòu)無級調(diào)節(jié)橫向連桿的位移來實現(xiàn)，往復(fù)運(yùn)動頻率也通過PLC控制變頻器輸出來實現(xiàn)。

同步控制：通過原點（平衡點）設(shè)置，由PLC通過PRFOBUS網(wǎng)絡(luò)向兩個變頻器同時發(fā)出頻率信號，來達(dá)到垂向與橫向加載二臺電動機(jī)完全同步的目的。

3 主要部件結(jié)構(gòu)介紹

試驗機(jī)由垂向加載機(jī)構(gòu)、橫向加載機(jī)構(gòu)、機(jī)架、杠桿機(jī)構(gòu)、工作臺以及控制部分等組成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.1 垂向加載機(jī)構(gòu)

圖4 試驗機(jī)整機(jī)示意圖

垂向加載機(jī)構(gòu)包括減速電機(jī)、V帶傳動、上支撐裝置、曲柄搖桿機(jī)構(gòu)等。減速電機(jī)采用德國SEW公司制造的自帶降溫風(fēng)扇的硬齒面標(biāo)準(zhǔn)斜齒輪-傘齒輪減速電機(jī)，電機(jī)帶制動器，具有性能優(yōu)越、能耗低、振動小、噪音低與效率高的特點。減速電機(jī)輸出軸上安裝有皮帶輪，通過普通V帶傳動，帶動上支撐裝置軸轉(zhuǎn)動。上支撐裝置一端裝皮帶輪，通過帶傳動把電動機(jī)原動力傳至上支撐軸；另一端裝有曲柄搖桿裝置，通過連桿與杠桿機(jī)構(gòu)相連。通過調(diào)節(jié)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)曲柄長度改變杠桿機(jī)構(gòu)杠桿的擺動幅度。

3.2 橫向加載機(jī)構(gòu)

橫向加載機(jī)構(gòu)包括減速電機(jī)、曲柄滑塊機(jī)構(gòu)等。減速電機(jī)采用德國SEW公司制造的自帶降溫風(fēng)扇的硬齒面標(biāo)準(zhǔn)斜齒輪減速電機(jī)，電機(jī)也帶制動器；減速電機(jī)安裝在直線導(dǎo)軌副上，便于調(diào)整與移動。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄盤安裝在減速電機(jī)輸出軸上，連桿與工作臺相連，扭桿系統(tǒng)安裝在工作臺上。

3.3 機(jī)架

整個機(jī)架為前、中、后三部分：前部安裝橫向加載機(jī)構(gòu)、工作臺與扭桿系統(tǒng)；中部上面安裝垂向加載機(jī)構(gòu)，前面安裝杠桿機(jī)構(gòu)；后部安裝垂向加載用減速電機(jī)。機(jī)架采用焊接箱形結(jié)構(gòu)，具有足夠的強(qiáng)度與剛性。機(jī)架通過地腳螺栓安裝在堅固平整的地面上。

3.4 杠桿機(jī)構(gòu)

杠桿機(jī)構(gòu)包括杠桿、導(dǎo)向裝置、支撐裝置等。杠桿采用中空箱形梁結(jié)構(gòu)，具有足夠的強(qiáng)度與剛性，頂面與垂向加載裝置的連桿相連，底面開T形槽，這樣便于不同長度的扭桿安裝。杠桿背面裝有導(dǎo)向裝置，可以承受扭桿系統(tǒng)連桿施加的橫向力，保證整個杠桿不橫向擺動。杠桿由支撐裝置安裝在機(jī)架上，繞中部鉸孔上下擺動。

3.5 工作臺

工作臺成“工”字型，其頂面開有T型槽，便于不同規(guī)格扭桿安裝；底面安裝在直線導(dǎo)軌副上，便于調(diào)整與移動。工作臺左右各一，由絲桿連接，并用螺母鎖緊，兩個工作臺中心距離可以無級調(diào)節(jié)，便于不同規(guī)格扭桿安裝。

3.6 控制部分

控制部分采用德國西門子的S7-300 PLC，完成試驗機(jī)計數(shù)、保護(hù)、操作等控制。帶有1個輸入模塊與2個輸出模塊。變頻器采用二臺西門子的MM440來無級調(diào)節(jié)試驗機(jī)加載頻率，通過觸摸屏完成人機(jī)對話。PLC通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)控制二個變頻器輸出信號達(dá)到垂向與橫向加載電機(jī)原點同步、運(yùn)動同步與同步停止的目的。

4 關(guān)鍵設(shè)計技術(shù)分析

4.1 真實模擬扭桿系統(tǒng)的二維復(fù)合加載

圖5 扭桿常態(tài)及工況條件下形變圖

在實際運(yùn)行工況中，軌道車輛中扭桿系統(tǒng)受到垂向加載的同時，橫向會產(chǎn)生一定的移動；目前進(jìn)行的疲勞試驗只考慮垂向加載，不能完全真實模擬扭桿系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

在如圖5所示的空間坐標(biāo)系xyz中，ABCDEF 為常態(tài)下扭桿系統(tǒng)，A1B1C1D1E1F1為工況下扭桿系統(tǒng)。扭桿除了產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)形變α外，還在y軸方向上產(chǎn)生位移b。本文設(shè)計的疲勞試驗機(jī)就真實地模擬了扭桿系統(tǒng)這種受力情況，垂向加載機(jī)構(gòu)施加的載荷通過杠桿機(jī)構(gòu)傳到扭桿連桿上，產(chǎn)生連桿垂向位移c，進(jìn)而產(chǎn)生扭桿扭轉(zhuǎn)變形α；橫向加載機(jī)構(gòu)施加的載荷通過工作臺作用在扭桿上，產(chǎn)生位移b。

4.2 適用不同規(guī)格扭桿的柔性設(shè)計

軌道車輛用扭桿系統(tǒng)品種多，其扭桿長度、扭轉(zhuǎn)臂長度與連桿長度尺寸變化大，因此要求設(shè)計的試驗機(jī)定位裝夾機(jī)構(gòu)具有良好的柔性，以滿足各種扭桿的試驗要求。

本文設(shè)計的試驗機(jī)，在z向根據(jù)連桿長度的不同，采用在工作臺上添加調(diào)整墊塊來實現(xiàn)；工作臺上開有T型槽，可滿足x向不同長度扭轉(zhuǎn)臂的扭桿系統(tǒng)安裝；工作臺安裝在直線導(dǎo)軌副上，兩邊工作臺的距離可以在y向無級調(diào)整，以滿足不同長度扭桿的安裝要求。這樣，試驗機(jī)就可以滿足多品種、多系列扭桿系統(tǒng)的安裝需要。

4.3 曲柄長度的無級調(diào)節(jié)

扭桿系統(tǒng)扭桿的最大扭轉(zhuǎn)角與橫向位移變化大，且要求連續(xù)可調(diào)，本文設(shè)計的試驗機(jī)采用曲柄長度無級調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過旋轉(zhuǎn)調(diào)整螺桿，可以調(diào)節(jié)曲柄銷的位置，即無級調(diào)節(jié)曲柄的長度。垂向曲柄大小對應(yīng)扭桿的最大扭轉(zhuǎn)角，橫向曲柄大小對應(yīng)扭桿橫向最大位移。因此無級調(diào)節(jié)曲柄長度就能實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)角與橫向位移的連續(xù)調(diào)節(jié)。

4.4 二維復(fù)合加載的同步控制

扭桿系統(tǒng)垂向與橫向分別采用兩臺電機(jī)進(jìn)行加載，且要求同步。本試驗機(jī)同步方案設(shè)計如下：

（1）原點同步：在兩個加載方向上分別設(shè)置原點位置，通過PLC控制變頻器，使兩套加載機(jī)構(gòu)同時到達(dá)原點。

（2）運(yùn)動同步：（a）同步啟動，PLC 通過 PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)向兩個變頻器同時發(fā)出啟動信號，使之同時啟動；（b）運(yùn)行同步，兩套加載機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)頻率分別設(shè)為f1和f2，兩套加載機(jī)構(gòu)的減速比分別設(shè)為n1和n2，則變頻器輸出的頻率分別為：F1=f1·n1；F2=f2·n2，f1=F1/n1，f2=F2/n2，根據(jù)設(shè)計要求 f1=f2，即：F1/n1=F2/n2，因為減速比n1和n2是確定的，因此總能找到F1和F2的值滿足以上條件。通過PLC的匹配計算確定兩臺變頻器運(yùn)行中頻率，通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)向兩個變頻器同時發(fā)出頻率信號；（c）同步停止，PLC通過PROFIBUS網(wǎng)絡(luò)向兩個變頻器同時發(fā)出停止號，使之同時停止。

5 試驗機(jī)技術(shù)參數(shù)與主要功能

5.1 試驗機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

扭桿系統(tǒng)疲勞試驗機(jī)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 試驗機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

以上參數(shù)覆蓋了不同規(guī)格扭桿的各種工況要求。

5.2 試驗機(jī)主要功能

這臺試驗機(jī)主要是為了滿足扭桿系統(tǒng)的疲勞試驗要求，可以真實模擬扭桿系統(tǒng)實際運(yùn)行工況，采用位移控制無級調(diào)節(jié)，二維協(xié)調(diào)復(fù)合加載，加載頻率可調(diào)，達(dá)到既經(jīng)濟(jì)又快速完成扭桿系統(tǒng)可靠性試驗的目的。

另外由于連桿上端增加了力傳感器，且通過位移無級調(diào)節(jié)可以精確實現(xiàn)載荷的控制，因此可以對扭桿進(jìn)行剛度等靜態(tài)性能指標(biāo)的檢測。

最后改變裝夾件可以對其它產(chǎn)品進(jìn)行一維、二維疲勞與靜態(tài)性能檢測。

6 結(jié)語

本文設(shè)計的試驗機(jī)為國內(nèi)首臺扭桿系統(tǒng)二維復(fù)合加載專用疲勞試驗機(jī)，其真實地模擬了扭桿系統(tǒng)的實際運(yùn)行工況，采用覆蓋多品種、多規(guī)格扭桿的柔性設(shè)計，引入曲柄長度無級調(diào)節(jié)裝置與二維實時同步控制系統(tǒng)，可高效率、低成本地完成扭桿系統(tǒng)的耐久性試驗與靜態(tài)試驗；并可在一定條件下完成其它產(chǎn)品的一維、二維的靜態(tài)與疲勞性能測試。

［1］ 周若湘，匡如華.抗測滾扭桿裝置在城市軌道車輛中的應(yīng)用［J］.鐵道車輛，2001，39（12）：21－22.

［2］ 尹顯戩，章鵬.軌道車輛抗測滾扭桿裝置的設(shè)計［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2005，28（3）：21－22，42.

［3］ 段華東.抗側(cè)滾扭桿對軌道車輛抗側(cè)滾性能的影響研究［J］.電力機(jī)車與城軌車輛，2007，30（5）：14－16.

［4］ 曹建平，王進(jìn).橡膠減振制品機(jī)械式疲勞試驗機(jī)的研究與應(yīng)用［J］.試驗技術(shù)與試驗機(jī)，2008，48（2）：59－61.

［5］ 曹建平，顏猛，張洪波，等.機(jī)械式抗側(cè)滾扭桿疲勞試驗機(jī)［J］.機(jī)械工程師，2009（4）：154－155.

［6］ 郭紅峰，繆慧勇，等.空氣彈簧抗側(cè)滾扭桿可靠性設(shè)計技術(shù)及應(yīng)用［J］.機(jī)車電傳動師，2009（3）：27－31.

［7］ 彭立群，林達(dá)文，等.軌道車輛用抗側(cè)滾扭桿系統(tǒng)試驗研究［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011，31（2）：104－106.

［8］ 株洲時代新材料科技股份有限公司.曲柄長度調(diào)節(jié)裝置：中國，201120390150.X［P］.2011-10-14.