扭桿系統二維復合加載疲勞試驗機的設計

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 扭桿系統受力分析

扭桿系統產品在軌道車輛二系懸掛中得到了廣泛應用，其主要結構如圖1所示。

扭桿系統由扭桿（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 扭桿系統組成

扭桿系統在實際運行工況中受力情況如圖2所示，二側連桿受到車體z向力（垂向力）F1、F2，F1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上。

耐久性實驗是評判扭桿系統壽命的非常重要的實驗，研制的疲勞試驗機必須滿足不同規格與結構的扭桿系統二維復合加載試驗要求。

圖2 扭桿系統受力情況

2 試驗機設計方案

根據扭桿系統疲勞試驗次數多、試驗周期短、不同規格產品多、載荷變化范圍大等特點，研制一臺扭桿系統疲勞試驗專機很有必要。

本文設計的這臺扭桿系統疲勞試驗專機采用機械式，機構原理如圖3所示。

圖3 試驗機機構原理圖

垂向加載：由電動機通過V帶傳動帶動曲柄搖桿機構，再經杠桿機構，實現扭桿系統兩頭的同時加載。扭桿系統扭桿的扭轉幅值由曲柄機構無級調節垂向連桿的位移來實現，扭桿系統垂向載荷大小通過杠桿下的二個力傳感器經觸摸屏顯示，從而間接對扭桿系統的載荷進行控制，扭轉頻率通過PLC控制變頻器輸出來實現。

橫向加載：由電動機帶動曲柄滑塊機構，實現工作臺的往復運動。扭桿系統安裝在工作臺上，隨工作臺一起運動。往復運動位移幅值由曲柄機構無級調節橫向連桿的位移來實現，往復運動頻率也通過PLC控制變頻器輸出來實現。

同步控制：通過原點（平衡點）設置，由PLC通過PRFOBUS網絡向兩個變頻器同時發出頻率信號，來達到垂向與橫向加載二臺電動機完全同步的目的。

3 主要部件結構介紹

試驗機由垂向加載機構、橫向加載機構、機架、杠桿機構、工作臺以及控制部分等組成，其結構如圖4所示。

3.1 垂向加載機構

圖4 試驗機整機示意圖

垂向加載機構包括減速電機、V帶傳動、上支撐裝置、曲柄搖桿機構等。減速電機采用德國SEW公司制造的自帶降溫風扇的硬齒面標準斜齒輪-傘齒輪減速電機，電機帶制動器，具有性能優越、能耗低、振動小、噪音低與效率高的特點。減速電機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動。上支撐裝置一端裝皮帶輪，通過帶傳動把電動機原動力傳至上支撐軸；另一端裝有曲柄搖桿裝置，通過連桿與杠桿機構相連。通過調節曲柄搖桿機構曲柄長度改變杠桿機構杠桿的擺動幅度。

3.2 橫向加載機構

橫向加載機構包括減速電機、曲柄滑塊機構等。減速電機采用德國SEW公司制造的自帶降溫風扇的硬齒面標準斜齒輪減速電機，電機也帶制動器；減速電機安裝在直線導軌副上，便于調整與移動。曲柄滑塊機構的曲柄盤安裝在減速電機輸出軸上，連桿與工作臺相連，扭桿系統安裝在工作臺上。

3.3 機架

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

3.4 杠桿機構

杠桿機構包括杠桿、導向裝置、支撐裝置等。杠桿采用中空箱形梁結構，具有足夠的強度與剛性，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。杠桿背面裝有導向裝置，可以承受扭桿系統連桿施加的橫向力，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，便于不同規格扭桿安裝；底面安裝在直線導軌副上，便于調整與移動。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節，便于不同規格扭桿安裝。

3.6 控制部分

控制部分采用德國西門子的S7-300 PLC，完成試驗機計數、保護、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來無級調節試驗機加載頻率，通過觸摸屏完成人機對話。PLC通過PROFIBUS網絡控制二個變頻器輸出信號達到垂向與橫向加載電機原點同步、運動同步與同步停止的目的。

4 關鍵設計技術分析

4.1 真實模擬扭桿系統的二維復合加載

圖5 扭桿常態及工況條件下形變圖

在實際運行工況中，軌道車輛中扭桿系統受到垂向加載的同時，橫向會產生一定的移動；目前進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運行狀態。

在如圖5所示的空間坐標系xyz中，ABCDEF 為常態下扭桿系統，A1B1C1D1E1F1為工況下扭桿系統。扭桿除了產生扭轉形變α外，還在y軸方向上產生位移b。本文設計的疲勞試驗機就真實地模擬了扭桿系統這種受力情況，垂向加載機構施加的載荷通過杠桿機構傳到扭桿連桿上，產生連桿垂向位移c，進而產生扭桿扭轉變形α；橫向加載機構施加的載荷通過工作臺作用在扭桿上，產生位移b。

4.2 適用不同規格扭桿的柔性設計

軌道車輛用扭桿系統品種多，其扭桿長度、扭轉臂長度與連桿長度尺寸變化大，因此要求設計的試驗機定位裝夾機構具有良好的柔性，以滿足各種扭桿的試驗要求。

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

4.3 曲柄長度的無級調節

扭桿系統扭桿的最大扭轉角與橫向位移變化大，且要求連續可調，本文設計的試驗機采用曲柄長度無級調節機構，通過旋轉調整螺桿，可以調節曲柄銷的位置，即無級調節曲柄的長度。垂向曲柄大小對應扭桿的最大扭轉角，橫向曲柄大小對應扭桿橫向最大位移。因此無級調節曲柄長度就能實現扭轉角與橫向位移的連續調節。

4.4 二維復合加載的同步控制

扭桿系統垂向與橫向分別采用兩臺電機進行加載，且要求同步。本試驗機同步方案設計如下：

（1）原點同步：在兩個加載方向上分別設置原點位置，通過PLC控制變頻器，使兩套加載機構同時到達原點。

（2）運動同步：（a）同步啟動，PLC 通過 PROFIBUS網絡向兩個變頻器同時發出啟動信號，使之同時啟動；（b）運行同步，兩套加載機構的運轉頻率分別設為f1和f2，兩套加載機構的減速比分別設為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，根據設計要求 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行中頻率，通過PROFIBUS網絡向兩個變頻器同時發出頻率信號；（c）同步停止，PLC通過PROFIBUS網絡向兩個變頻器同時發出停止號，使之同時停止。

5 試驗機技術參數與主要功能

5.1 試驗機主要技術參數

扭桿系統疲勞試驗機主要技術參數如表1所示。

表1 試驗機主要技術參數

以上參數覆蓋了不同規格扭桿的各種工況要求。

5.2 試驗機主要功能

這臺試驗機主要是為了滿足扭桿系統的疲勞試驗要求，可以真實模擬扭桿系統實際運行工況，采用位移控制無級調節，二維協調復合加載，加載頻率可調，達到既經濟又快速完成扭桿系統可靠性試驗的目的。

另外由于連桿上端增加了力傳感器，且通過位移無級調節可以精確實現載荷的控制，因此可以對扭桿進行剛度等靜態性能指標的檢測。

最后改變裝夾件可以對其它產品進行一維、二維疲勞與靜態性能檢測。

6 結語

本文設計的試驗機為國內首臺扭桿系統二維復合加載專用疲勞試驗機，其真實地模擬了扭桿系統的實際運行工況，采用覆蓋多品種、多規格扭桿的柔性設計，引入曲柄長度無級調節裝置與二維實時同步控制系統，可高效率、低成本地完成扭桿系統的耐久性試驗與靜態試驗；并可在一定條件下完成其它產品的一維、二維的靜態與疲勞性能測試。

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