新型貨運掛車車軸液壓疲勞試驗臺的研制

劉 智， 胡 慧， 張濤川， 黎嘉樂， 羅文朗

(1.佛山職業技術學院 機電工程學院， 廣東 佛山 528137； 2.中南大學 機電工程學院， 湖南 長沙 410083)

引言

車軸作為貨運掛車底盤的重要部件，其性能直接關系到車輛運營的安全性。路況的變化、裝載量的不同都決定了車軸承受的是一種交變載荷。疲勞破壞便成為車軸的主要失效形式[1],因此一些重要的零部件在研發和生產制造的過程中，需要進行疲勞壽命試驗或者耐久性試驗[2]，以驗證車軸在使用期間的可靠性。蔣政等[3]通過重型載貨汽車耐久性虛擬實驗滿足了對減振器支架耐久度測試的要求；吳偉斌等[4]通過系統模型構建與LabVIEW結合實現了車軸自動化檢測，測試系統硬件及程序具有可移植性，為車軸性能實現實時現場檢測提供借鑒；王靈龍等[5-7]通過模擬路譜技術對汽車零部件進行疲勞試驗；將PID控制與電液伺服系統相結合并進行分析，對PID控制器中的參數與電液伺服系統性能的影響進行了對比分析，為PID與電液伺服系統結合的設計提供了參考[8-10]；袁才富等[11-13]通過液壓伺服系統建模，對液壓伺服系統的位置控制精度、響應速度進行研究，這給關鍵參數的數學建模提供了一定的參考。

而自2002年7月開始執行的JT/T 475—2002掛車車軸彎曲疲勞試驗標準，載荷作用點是左右鋼板彈簧座中心，并在各彈簧中心點施加1/2試驗負荷[14]，實驗原理圖如圖1所示。

圖1 掛車車軸彎曲疲勞實驗加載原理圖

根據實驗標準加載原理可知，這與車軸在運載過程中是承受交變載荷這一實際情況是不相符的，以這種彎曲疲勞實驗數據來檢測車軸疲勞性能的方法是值得商榷的。本研究通過對貨運掛車車軸在實際運載過程中的受力情況進行分析后，設計制作了相應的疲勞試驗臺，并以不同波形作為位移輸入信號開展了車軸疲勞性能的模擬測試。

1 車軸疲勞試驗臺結構設計

1.1 車軸受載分析

如圖2所示，貨運掛車在載重運載過程中會由于路面凹凸不平以及車廂貨物擺放不均等原因，使得掛車底盤兩側的鋼板彈簧承受著交變載荷，在極端情況下底盤兩側鋼板彈簧甚至會出現較為嚴重的偏載。而掛車底盤鋼板彈簧所承受的載荷最后全部集中作用在車軸上。因此車軸在實際運載過程中承受的是較為復雜的交變載荷。

1.貨物 2.車廂 3.車輪 4.鋼板彈簧 5.路面 6.車軸圖2 掛車底盤結構示意圖

將圖2所示掛車車軸的受載情況簡化為圖3所示。F1,F2即為底盤鋼板彈簧集中作用在車軸上的交變載荷。若車軸的剛度或強度不足，車軸會在交變載荷下出現變形、疲勞斷裂等失效形式。

圖3 掛車車軸力學模型

1.2 車軸加載分析

圖3所示力學模型將車軸復雜的力學問題簡化為：對車軸2個受力點施加交變載荷來達到同等的受力效果，同時利用伺服液壓缸快速響應的特點將信號發生器生成的位移信息轉換成運動學參數，后經伺服液壓缸進行功率放大并作用在車軸受力點上，從而將車軸在復雜路況上的受力情況，完整的通過圖4所示液壓伺服疲勞試驗臺進行再現，從而達到對車軸疲勞性能進行快速檢測的目的。

1.龍門架 2.伺服閥 3.伺服液壓缸4.彈簧 5.車軸圖4 疲勞試驗臺結構圖

2 測控系統分析與設計

2.1 測控系統總體架構

測控系統主要硬件由上位工控機PC、伺服閥放大器、液壓缸位移傳感器組成。計算機與被控器件之間采用工業I/O板卡進行數據采集。I/O板卡選用16位高分辨率數據采集卡PCI-1716 (16路模擬量輸入和2路光電隔離型模擬量輸出) ，伺服閥放大器為MKZ80ZB，液壓缸位移傳感器選用AMT內置式磁致伸縮位移傳感器，具體型號為RHMS-0200M-D60-A10。采集卡的模擬輸入端實現液壓缸位移信號采集，采集卡的模擬量輸出通道輸出電壓信號到伺服閥放大器控制伺服閥。測控系統硬件原理如圖5所示。

圖5 控制系統原理圖

2.2 加載位移方程

疲勞試驗臺的液壓缸控制方式為位移反饋控制，加載力F與彈簧壓縮位移Δx成比例，其傳遞函數可用彈簧彈性系數K/N·mm-1表示，即:

(1)

彈簧彈性系數方程為：

(2)

式中,G為線材的剛性模數；d為彈簧線徑；D0為彈簧外徑；Nc=N-2,為有效圈數；N為總圈數。

液壓缸推力方程為:

F=3.14×(D/2)2×p

(3)

式中，D為液壓缸內徑；p為液壓系統工作壓力。

根據式(1)～式(3)得試驗機加載方程為：

(4)

式中， Δx為彈簧臺架壓縮位移；n為彈簧臺架彈簧數量。

2.3 位移傳感器的傳遞函數

本系統中設定位移傳感器的最大量程與油缸活塞伸出的最大距離(200 mm)相等。由于該量程所對應位移傳感器的輸出電壓范圍是0～10 V,所以位移傳感器傳遞函數為:

(5)

2.4 伺服放大器與伺服閥力矩馬達線圈傳遞函數

當采用電流負反饋放大器時，由于力矩馬達線圈的轉折頻率很高，可以忽略。伺服放大器輸出電流Δi與輸入電壓ug近似成比例。其傳遞函數可用伺服放大器增益Ka表示，即:

(6)

2.5 電液伺服閥傳遞函數

伺服閥是位置閉環控制系統的核心元件，通過實時控制伺服閥來控制液壓缸的流量，以達到活塞杠的伸縮量，其簡化數學模型為二階振蕩環節系統。

(7)

式中,Ksv為伺服閥的流量增益；Q0為伺服閥的空載流量；ωsv為伺服閥的固有頻率；ζsv為伺服閥的阻尼比。

2.6 液壓缸流量平衡方程

流量線性化方程為：

QL=KqΔxv-KcΔpL

(8)

流量連續性方程為：

(9)

式中，QL為負載流量； Δxv為閥芯輸入位移變化量；Kc為流量-壓力比例系數；Kq為流量增益；Ap為活塞作用面積；xp為活塞位移；V1為活塞進油腔體積；pL為滑閥負載壓力；βc為液壓油體積模量；Ctp為液壓缸泄漏系數。

2.7 液壓缸負載的力平衡方程

Fg=Ap(p1-p2)=AppL

(10)

式中，Mt為活塞和負載的總質量；Bp為活塞及負載的黏性阻尼系數；FL為作用在活塞上的任意外負載力；Fg為液壓缸產生的驅動力。

將式(8)～式(10)進行拉氏變換，在忽略黏性摩擦系數、彈性負載和彈性模量的條件下，并把Ap=3.12×10-3m2,Mt=2.73 kg,Kce=4.6×10-11代入G(s)的表達式得液壓缸的傳遞函數:

(11)

a=2.4845×107，b=7.7508×104

式中，Kce為總流量壓力系數，Kce=Kc+Ctp。

2.8 試驗臺測控系統編程

測控軟件為該疲勞試驗臺控制部分的核心，本系統采用LabVIEW軟件進行程序開發，LabVIEW使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產生的程序是框圖的形式。該程序采用生產者消費者模式將輸入和輸出分開處理。生產者循環可以產生任意波形信號輸出，消費者循環進行數據采集與處理。該模式大幅提高了數據采集與處理的效率,也提高了程序的可讀性、擴展性、維護性和復用性。

2.9 程序主界面

主界面可以選擇控制模式，設置PID參數和模擬信號參數。液壓缸對車軸加載的位移量和加載次數、輸出的模擬波形信號、位移傳感器的反饋信號在其主界面顯示，如圖6所示。

圖6 程序前面板

程序分為手動控制與自動控制。手動控制主要是用于調整車軸與活塞桿的位置，以便實驗的進行。自動控制只需將參數設定好之后程序會自動輸出模擬信號至PID控制的設定值。

通過數據采集卡將采集到的位移傳感器反饋數據送入上位機，通過PID控制將生產者循環產生的模擬波形與反饋數據進行分析處理，然后PID輸出信號控制液壓缸運行。

3 測試系統集成與實驗分析

為了檢驗試驗臺在模擬不同路況時對車軸加載的控制精度及響應特性，在圖4所示疲勞試驗臺結構的基礎上制作了試驗臺樣機。

掛車車軸疲勞實驗臺樣機如圖7所示，包括龍門架、雙噴嘴擋板電液伺服閥、磁致伸縮位移傳感器、液壓缸，彈簧、泵站以及管路等部分。在完成試驗臺的電液系統裝調后，對試驗臺進行初步打壓試驗：用2個伺服液壓缸將兩側4個彈簧均壓到極限位置時，壓力表讀數接近8 MPa， 以此確定液壓伺服系統的工作壓力為0～8 MPa。根據打壓數據選用輸出壓力0～10 MPa的液壓泵站，并配置換向閥。油壓調節采用先導式溢流閥，型號DB-10-1-50/315，壓力設定為10 MPa。流量調節采用疊加式節流閥，型號為MTCV-03W。

圖7 疲勞試驗臺樣機

在樣機的機電液部分裝調結束以后開展本試驗臺的性能測試。實驗通過對左右兩缸輸入不同波形，左缸輸入信號采用正弦波以模擬坑洼路況，右缸輸入信號為半波以模擬凸起路況。在綜合分析了車軸疲勞性能測試要求以及系統的相應特性后，試驗臺輸入信號頻率為1 Hz。然后將兩缸的輸入輸出信號采集處理后用Origin繪圖軟件將輸入的理論數據和輸出的實驗數據進行對比，結果如圖8、圖9所示。

圖8 左液壓缸輸出、輸入信號對照圖

圖9 右液壓缸輸出、輸入信號對照圖

通過實驗結果可以看出，試驗臺加的載液壓缸能較好的對輸入信號進行跟蹤。但由于存在一定的外部干擾，同時PID控制的特性可能也并沒有處在最佳位置，實際曲線與理論曲線之間仍存在一定的誤差。通過對比理論數據跟實際數據發現，2組數據的最大誤差為6.63%，平均誤差為2.41%。但是對于車軸的疲勞試驗來說，這個數量級的誤差對車軸的疲勞性能指標的影響幾乎可以忽略。

4 結論

在分析了貨運掛車車軸在實際運載過程中的受載情況后，設計并制作了一套車軸疲勞性能測試試驗臺，并結合相關硬件和LabVIEW圖形化編程軟件編寫了試驗臺的控制程序，同時對試驗臺樣機的控制精度和響應特性進行了模擬路況下的檢測試驗。實驗結果表明：試驗臺能較好的對輸入信號進行跟蹤，控制精度及響應特性基本滿足車軸疲勞性能試驗的要求。同時，本試驗臺在加入壓力傳感器后還能對車軸進行指定載荷下的疲勞試驗。該試驗臺對于車軸生產企業具有較好的工程應用價值。