臂架疲勞試驗臺系統研究與仿真

張戚，饒玉章，范福林

(1. 北汽福田汽車股份有限公司，北京101400;2. 北京華力創通科技股份有限公司，北京100094)

臂架是混凝土泵車主要構成部件之一，其性能是衡量混凝土泵車重要性能指標之一，其中臂架的疲勞壽命指標是否滿足設計要求尤為重要，不僅涉及泵車的工作可靠性及壽命，也事關施工人員的安全。泵車臂架結構復雜、巨大，工作時受載也有其特殊性，傳統的疲勞試驗臺難以滿足臂架的臺架疲勞試驗要求，以前一般只能在客戶的實際使用過程中驗證臂架疲勞壽命，文中提供一種能滿足泵車臂架試驗的疲勞試驗臺系統。

1 臂架疲勞試驗臺系統

1.1 系統組成

該臂架疲勞試驗臺是一個集液壓、機械、計算機控制及傳感器技術于一體的復雜系統，主要由機械系統、液壓系統及控制臺等組成。圖1 所示為臂架疲勞試驗臺的機械系統部分。

1.2 工作過程

在泵車實際工況下實時測量臂架受載情況，通過分析臂架的載荷譜，疲勞試驗的當量試驗載荷輸入形式可以綜合為一定幅值的正弦循環載荷。圖2 所示為泵車臂架實測載荷曲線。

圖2 泵車臂架實測載荷曲線

以泵車臂架3、臂架4 為試驗對象，現說明其臺架疲勞試驗工作過程如下:首先需要把臂架3、臂架4，通過固定長度的系桿1、系桿2 裝配在疲勞試驗臺的基座上，在臂架的相應位置粘貼應變片，在臂架的合適位置配掛一定的配載，通過應變片測量值來判斷模擬試驗臂架是否處于其工況下靜態載荷時的平衡位置。臂架4 的末端與試驗臺龍門架上的加載油缸相鏈接，加載油缸上裝有油缸行程位移傳感器，加載油缸在液壓系統驅動下，對固定在基座上的、處于懸臂狀態下的臂架3、臂架4 的裝配體末端，施加一定幅值及頻率的正弦位移循環載荷。試驗臺龍門架可以在地軌上移動并鎖定，以適應不同長度的臂架疲勞試驗。龍門架的高度也可以通過不同長度的加接柱以調整合適的龍門高度。圖3 所示為臂架疲勞試驗臺的機械臺架實物圖。

圖3 疲勞試驗臺的機械臺架實物圖

1.3 試驗臺液壓系統

該試驗臺外形大，安裝加載油缸的龍門架也必須能隨試驗臂架的長短移動調整，液壓油源離加載油缸距離遠，所以設計了獨立的液壓站，通過高壓軟管與加載油缸連接。圖4 所示為臂架疲勞試驗臺液壓系統原理圖。

圖4 臂架疲勞試驗臺液壓系統原理圖

系統液壓泵站采用A11VO190 變量泵供油，恒功率、比例排量控制，系統壓力切斷值設置為21 MPa，而系統的安全壓力由插裝溢流閥設定為25 MPa，根據不同臂架試驗對加載油缸運動速度要求的不同，對系統流量做相應的比例控制調節，整個系統綠色節能。圖5 所示為疲勞試驗臺液壓站實物圖。系統中采用伺服閥對加載油缸精確供油控制，加載油缸上帶位移傳感器實時反饋油缸行程的位置信息，通過控制器構成加載油缸精確的閉環行程位置控制。管路上安裝有蓄能器，以減小系統壓力波動。高壓油路上串聯高壓濾油器，以確保電液伺服閥工作油液的清潔度。原理圖中截止閥用于液壓系統加載油缸部分維修時卸載使用。液壓系統管路上還串接了風冷器以恒定液壓系統運行的溫度區間。

圖5 疲勞試驗臺液壓站實物圖

2 試驗臺液壓系統的AMESim 仿真分析

2.1 疲勞試驗臺液壓系統的AMESim 模型

AMESim 軟件是法國Imagine 公司推出的基于鍵合圖的液壓、機械及電氣系統的建模、仿真及動力學分析軟件，在工業領域得到了廣泛的應用。

在該試驗臺液壓系統回路中，油箱、伺服閥、加載油缸等元件可以從AMESim 的液壓元件庫中直接選取。A11VO190 液壓油泵，因在臂架疲勞試驗對象一定且不變的整個試驗過程中，其比例控制的排量固定，這里簡化為定量泵處理。插裝單向閥、風冷器及過濾器等元件由于對系統動態性能影響極其小而簡化了，加載油缸上承受有一定的單向臂架載荷。

具體建立的AMESim 模型如圖6 所示。

圖6 試驗臺液壓系統AMESim 仿真模型

2.2 動態仿真結果及分析

為了能使臂架疲勞試驗機能在正弦位移循環載荷形式下，以一定的幅值及頻率往復周期工作，現擬通過控制器對伺服閥輸入一定幅值及頻率的正弦周期信號，期望加載油缸在伺服閥的控制下，其活塞桿通過鉸接點，向臂架懸臂裝配體末端輸出一定幅值及頻率的正弦位移循環載荷，加載油缸上帶位移傳感器實時檢測加載油缸活塞桿的位移信息并反饋給控制器，形成完整的閉環控制。

圖7 是臂架疲勞試驗臺系統伺服閥在正弦信號的輸入下，其加載油缸活塞桿運動位移輸出的計算機仿真曲線。

圖7 試驗臺輸入信號及油缸位移曲線

從臂架疲勞試驗臺系統仿真曲線可知:系統通過控制器對輸入伺服閥的信號進行PID 調節控制，結合加載油缸位移傳感器實時信號的閉環反饋作用，加載油缸能精確輸出所需求的一定幅值及頻率的正弦位移曲線;系統加載油缸輸出正弦位移曲線，與控制器輸入電液伺服閥的正弦信號比較，有少許的滯后現象，是由于系統有一定的響應時間及慣性的原因。

3 總結

(1)文中涉及的臂架疲勞試驗臺系統結構簡單、加載科學、運行可靠，且加載油缸所加載正弦循環載荷幅值、頻率調節方便。

(2)從系統仿真結果可知:為了獲得臂架疲勞試驗臺運行的正弦位移循環加載形式，控制器只要向液壓系統電液伺服閥輸出一定幅值、頻率的正弦信號，加載油缸位移信號實時閉環反饋給控制器，并且控制器對伺服閥輸入信號引入PID 調節控制環節。所有這些為控制器程序設計提供了必要的控制策略。

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