一種高性能液壓減振器試驗臺設計*

何國華，胡曉楠

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081； 2.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190)

一種高性能液壓減振器試驗臺設計*

何國華1，胡曉楠2

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京 100081； 2.北京衛(wèi)星制造廠，北京 100190)

針對影響軌道交通車輛行車安全性和舒適性的液壓減振器測試問題，從液壓測控系統(tǒng)入手，設計一種高性能液壓減振器試驗臺。經(jīng)驗證本試驗臺能提供精確的簡諧運動，并能在一次試驗中無級調(diào)幅、調(diào)頻和改變測試零點，也可在同一支座條件下測試不同行程的減振器，測試界面友好，試驗結(jié)果準確、精度高。

液壓減振器；試驗臺；阻尼特性

1 引 言

液壓減振器是軌道交通車輛走行機構(gòu)的重要部件之一，其性能優(yōu)劣直接影響到行車的安全性和舒適性[1]。由于鐵路的提速和城市軌道交通的迅速發(fā)展，凸顯出對高性能液壓減振器的需求，但國內(nèi)生產(chǎn)的液壓減振器還不能滿足這種需求，這種狀況很大程度上是由于減振器試驗設備落后造成的。因此，研制高速列車減振器試驗臺具有十分重要的實際意義。

2 液壓系統(tǒng)設計

液壓系統(tǒng)原理如圖1所示。液壓系統(tǒng)由液壓站(油泵電機組、液壓油箱、冷卻器)、電液比例控制系統(tǒng)、測試機架、傳感器、控制閥塊等組成[2]。

圖1 液壓原理圖 1.油箱 2.過濾器 3.電磁溢流閥 4.變量泵 5.獨立冷卻單元 6.高壓過濾器 7.節(jié)流閥 8.比例換向閥 9.電磁換向閥 10.壓力傳感器 11.梭閥 12.電壓表 13.液壓缸 14.壓力補償閥

油泵電機組由電動機、聯(lián)軸器和機架等組成，為試驗臺提供動力。油箱為系統(tǒng)提供油源，并存儲工作油液。冷卻器用于油液的過濾和冷卻。控制閥塊主要完成主壓力的調(diào)整、卸荷、油流轉(zhuǎn)換等功能。為保持系統(tǒng)壓力恒定，采用壓力補償閥進行泵出口壓力調(diào)整。本試驗臺可同時對橫向減振器、垂向減振器和抗蛇形減振器進行檢測，也可單獨進行檢測[3]。每種形式的減振器試驗回路由阻尼特性試驗回路和疲勞特性試驗回路組成。筆者主要以垂向減振器為研究對象，當電機開啟時，油泵通過電磁溢流閥進行卸荷，若YV11得電，油泵向試驗回路供油。當YV1或YV2得電時，開始進行阻尼特性試驗，通過控制比例閥的輸入電流調(diào)節(jié)工作流量大??；當YV3或YV4得電時，開始進行疲勞特性試驗，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開度進行流量調(diào)節(jié)。當油液溫度超過設定溫度時，冷卻器自動開啟進行冷卻，電磁鐵動作順序表如表1所列。

表1 電磁鐵動作順序表

3 測控系統(tǒng)設計

在CAT系統(tǒng)中，測控系統(tǒng)的關(guān)鍵是測控單元。為了實現(xiàn)減振器試驗臺的測試控制功能，提高測試效率，設計了測控單元，包括工控機、數(shù)據(jù)采集卡、傳感器、顯示儀(信號調(diào)理)、減振器(被測對象)、控制模式切換器等，其結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

試驗臺由液壓泵提供動力源，計算機控制液壓系統(tǒng)產(chǎn)生一定振幅和頻率的正弦激振力。位移傳感器和力傳感器的信號經(jīng)低通濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換后傳輸?shù)接嬎銠C，并通過軟件對信號進行數(shù)字濾波及數(shù)據(jù)分析處理，輸出測試結(jié)果，其流程圖如圖3所示[4]。

試驗臺要求能實現(xiàn)自動控制，則利用計算機來實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化。計算機的輸入和輸出是數(shù)字信號，需要A/D和D/A轉(zhuǎn)換。計算機控制系統(tǒng)工作時有以下三步：

① 實時數(shù)據(jù)采集—實時對來自測量傳感器的信號進行檢測和采集；

② 實時控制決策—對采集到的被控量進行分析和處理，并按已定的控制規(guī)律決定將要采取的控制行為；

③ 實時控制輸出—根據(jù)控制規(guī)律，適時向執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出控制信號，完成控制目標。

圖3 測控系統(tǒng)流程圖

試驗臺計算機控制系統(tǒng)的基本工作原理如圖4所示。在大循環(huán)控制中，計算機中輸入測試減振器所需要的速度V0(k),位移傳感器將第k次采集的油缸位移信號u(t)經(jīng)濾波和模數(shù)轉(zhuǎn)換及微分后轉(zhuǎn)化為速度V(k),速度V0(k)與第k次的速度信號V(k)之間的偏差值e(k),經(jīng)過控制器得到控制信號u(k)。在電液比例閥的內(nèi)循環(huán)控制中，計算機輸入控制信號u(k),比例閥的閥芯位移信號u0(t)與u(k)之間的偏差值e(t)輸入比例放大器，進而控制比例閥的閥芯開口，從而迅速精確控制油缸位移，保證試驗臺測試減振器性能時按照規(guī)定的速度和位移運動。

圖4 計算機控制系統(tǒng)工作原理圖

4 試驗研究

試驗臺可進行垂向、橫向和抗蛇形三種減振器的阻尼特性試驗和疲勞特性試驗，筆者以垂向減振器為對象進行試驗研究。試驗臺調(diào)速模式下數(shù)據(jù)采集窗口如圖5所示，可清楚看出每個頻率下所對應的所有試驗結(jié)果，包括F-S示功圖、F-V圖、最大阻尼力、阻尼系數(shù)、示功圖不對稱率等[5]。采集完畢后，可觀察原始數(shù)據(jù)和擬合曲線，并自動生成報表予以保存。

圖5 數(shù)據(jù)采集窗口

該試驗臺可完成0.5 Hz、1 Hz、1.5 Hz、2.0 Hz、2.5 Hz和3.0 Hz工作頻率下的減振器性能檢測。以株洲電力機車研究所生產(chǎn)的T170J14012A 型垂向減振器為例，選取0.5 Hz和2.5 Hz兩種工作頻率進行阻尼特性試驗研究，并對未加壓力補償閥和施加壓力補償閥兩種不同工況的結(jié)果進行試驗驗證。

4.1 未加壓力補償閥的試驗結(jié)果

(1) 當正弦位移激勵的頻率為0.5 Hz時，生成的報表如圖6所示。

圖6 未加壓力補償閥時0.5 Hz下的報表

(2) 當正弦位移激勵的頻率為2.5 Hz時，生成的報表如圖7所示。

圖7 未加壓力補償閥時2.5 Hz下的報表

4.2 施加壓力補償閥的試驗結(jié)果

(1) 當正弦位移激勵的頻率為0.5 Hz時，生成的報表如圖8所示。

圖8 施加壓力補償閥時0.5 Hz下的報表

(2) 當正弦位移激勵的頻率為2.5 Hz時，生成的報表如圖9所示。

圖9 施加壓力補償閥時2.5 Hz下的報表

4.3 試驗結(jié)果分析

由圖5可清楚看出阻尼特性試驗時每個頻率下所對應的所有試驗結(jié)果，包括F-S示功圖、F-V圖、最大阻尼力、阻尼系數(shù)、示功圖不對稱率等，并能生成相應的報表，如圖6～9，能夠滿足高性能減振器的測試要求。同時，通過比較壓力補償閥施加前后的試驗報表發(fā)現(xiàn)，施加壓力補償閥后阻尼特性曲線明顯改善，示功圖不對稱率大大降低，從而進一步說明系統(tǒng)恒壓對于阻尼特性的重要性。

5 結(jié) 論

本試驗臺符合歐洲標準，是研發(fā)高性能軌道交通車輛液壓減振器的試驗裝備，也是進行軌道車輛動力學匹配研究所必需的試驗設備，其特點如下：

(1) 試驗范圍廣，可滿足橫向、垂向和抗蛇形等各種型號的減振器的試驗；

(2) 能提供精確的簡諧運動，并能在一次試驗中無級調(diào)幅、調(diào)頻和改變測試零點，也可在同一支座條件下測試不同行程的減振器；

(3) 計算機可提供隨機載荷譜和預設的某種載荷譜，以使試驗條件與實際工況相同，從而能了解到減振器的真實特性；

(4) 液壓系統(tǒng)采用壓力補償閥保持系統(tǒng)恒壓，能實現(xiàn)精確控制，試驗數(shù)據(jù)和曲線輸出方便、精度高；

(5) 試驗行程可在線調(diào)整，主動激振力可在0～10 kN之間任意調(diào)整，可滿足各種型號減振器的阻尼特性試驗和疲勞特性試驗；

(6) 能測出高頻激振時減振器的動態(tài)阻尼特性。

[1] TB/T1491-2004.機車車輛油壓減振器技術(shù)條件[S]．

[2] 陳 嫦，唐進元.基于20-sim的減振器試驗臺液壓系統(tǒng)鍵合圖建模與動態(tài)仿真分析 [J].工程設計學報, 2010, 17(5)：340.

[3] TB/T2229-2004.機車車輛油壓減振器試驗臺技術(shù)條件[S]．

[4] 何國華，胡軍科，吳時飛，等.液壓泵和液壓馬達功率回饋試驗臺設計[J]. 液壓與氣動, 2005, 169(9)：22-24.

[5] 王恒升，張西偉，胡軍科.基于LabView的減振器試驗臺測控系統(tǒng)設計[J].電子器件,2006(3)：925-928.

Design of a High Performance Test Bench for Hydraulic Damper

HE Guo-hua1，HU Xiao-nan2

(1.ChinaAcademyofRailwaySciences,RailwayEngineeringResearchInstitute,Beijing100081，China;2.BeijingSpacecraftsPlant,Beijing100190，China)

Hydraulic damper is one of the important parts in the railway vehicles. Its performance determines the security and cosiness of train. In order to improve the precision and efficiency of test, starting from the hydraulic system and control system, a kind of high performance hydraulic damper test bench is designed. After the test, the test bench can provide simple harmonic motion accurately. It can change the amplitude, frequency and zero in one test. Different stroke dampers can be tested at the same condition. The test interface is friendly and results are accurate and high precision.

hydraulic damper；test bench；damping characteristic

2013-11-27

何國華(1982-)，男，山東鄆城人，碩士，主要從事工程機械方面的研究工作。

U260

A

1007-4414(2014)01-0111-03