模擬加載系統性能分析及在加載試驗臺上的應用

胡　松,劉彥峰,劉　達,薛少青(長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,陜西西安　710064)

模擬加載系統性能分析及在加載試驗臺上的應用

胡松,劉彥峰,劉達,薛少青
(長安大學道路施工技術與裝備教育部重點實驗室,陜西西安710064)

摘要:對現有各類常用的測功機工作原理、性能及優缺點進行比對分析,選擇磁粉制動器為攤鋪機試驗臺的模擬加載設備,并對攤鋪機試驗臺螺旋布料器的模擬加載設備進行設計選型。經理論分析計算,磁粉制動器能較好滿足攤鋪機加載試驗臺的各項加載需要。

關鍵詞:測功機;工作原理;磁粉制動器;攤鋪機試驗臺;加載設備選型

以靜態條件為前提,即假定機器在平穩狀況下運行一直是測定工程機械動態牽引性能最傳統的方法。在工程機械實際作業情況下,由于工作環境的復雜多變,機器不可能在完全平穩的工況下作業,因此由傳統方法測定出來的動態牽引性能并不可靠。為了真實測定出機器的動態牽引性能,國內一些學者提出了現場、臺架以及負荷車等試驗方法［1]。

1　動態牽引性能測試方法

現場試驗方法就是通過機器現場作業來測量各項動態牽引指標。這種試驗方法真實可靠、操作簡單并且易于實現,不需要各種模擬加載測功機,所需費用也較少。但是野外作業工況環境復雜多變,會出現同一臺機器多次測量結果重復性較差、不同機器測量結果間可比性也較差等問題。臺架模擬試驗是在實驗室中模擬機器所受到的負荷,通過轉鼓或者履帶式臺架作為依托,在臺架鏈輪的輸出軸端安裝各種模擬加載機,從而進行載荷模擬和測功。這種試驗方法可以人為調整負荷工況或保持負荷不變,對不同機器進行測試后,對試驗結果進行比對。但是臺架試驗無法反映出工程車輛與地面的真實附著情況,需要試制出轉鼓或者履帶臺架并且需要投入費用購買相應的測功機,測試成本較大。負荷車試驗是在標準的試驗土槽中進行的,能很好的解決臺架試驗中無法反映機器與地面真實附著情況這一缺點,借助模擬負荷車提供機器在工作過程中所受到的變化負荷［2]。負荷車試驗不僅保持了野外試驗的真實性,又具備臺架試驗結果的可對比性。但是進行負荷車模擬試驗,同樣需要試制出相應的負荷車模型,前期投入費用依然較高。

在這3種測試方法中,臺架模擬試驗占據著核心位置。相比于野外試驗,臺架試驗的試驗結果更具對比性,并且極大改善了試驗條件。相比負荷車試驗,試驗過程不需要專門的標準土槽以及昂貴的負荷車裝置。雖然臺架試驗無法反映出車輛與地面的真實附著情況,但是差別并不大,否則臺架模擬試驗將失去測試意義。

2　模擬加載系統性能分析

在臺架試驗中,各類模擬加載測功機占據著核心位置。測功機大概分為以下幾類:水力、電渦流、電力、液壓、空氣、機械、磁粉等。國內一些學者曾對汽車底盤測功機及其配套慣性系統進行深入研究［3]。雖然關于測功機性能的研究很多,但是將各種測功機的工作原理及其性能比對的研究不多。本文對各類測功機的工作原理及其性能優缺點進行分析對比。

水力測功機的工作原理是將水注入測功機空腔,轉子浸入水中,被測試機械帶動測功機轉子旋轉,在離心力的作用下,水在空腔內形成渦流狀。隨著轉子在水中旋轉,轉子將扭矩傳遞給水,而水渦流的旋轉受到了測功機外殼的阻礙,這相當于給水渦流施加了制動力矩,也相當于給轉子施加了制動力矩。當水力測功機處于平衡狀態時,輸出軸上的轉子將扭矩通過水傳遞到外殼上,這樣水渦流就受到了外殼的制動力矩,根據作用力與反作用力的關系,外殼受到了一個與制動力距大小相等方向相反的力矩,外殼在該力矩的作用下旋轉一定角度,通過壓力傳感器即可測得這一力矩,該力矩即為輸出軸的扭矩。通過調節進入測功機空腔內的水流量,即可調節輸出軸上的模擬負荷(變水量水力測功機)。水力測功機構造簡單、價格便宜并且易于操作,但是由于其控制方法并不先進、動態響應性較差、不能反拖和雙向加載、工作時轉動慣量較大、無法實現能量回收以及低速扭矩小等缺點,限制了其推廣應用［4]。

電渦流測功機主要包括旋轉和擺動兩部分。旋轉部分主要包括感應子,擺動部分主要包括電樞體、勵磁繞組和渦流環［5]。其工作原理是當勵磁繞組通入直流電后,會產生穿過旋轉部分和擺動部分的磁場。感應子在該磁場中被磁化,由于感應子的特殊結構(類似圓柱形齒輪),當被測試機械帶動感應子旋轉時,靠近感應子的渦流環表面上因為磁密周期變化而產生渦流。該渦流產生的磁場與被磁化的感應子產生的磁場相互作用,從而形成對感應子的制動力矩。根據作用力與反作用力原理,此時渦流環上產生一個與制動力矩大小相等、方向相反的力矩,由于渦流環與電樞體固定在一起,因此會使安裝在底座軸承上的電樞體擺動,進而可以測定制動力距。通過改變勵磁電流,就可以調整制動力矩的大小。電渦流測功機結構簡單、自動化控制程度較高且便于操作、可以實現雙向加載,并且測量精度高、性能穩定［6],但是其轉動慣量較大、不能反拖且吸收的能量也無法回收利用、存在磁滯現象并且需要專門的冷卻設備。

直流電力測功機主要通過直流電機實現加載和反拖功能。電機的轉子通過軸承安裝在定子殼中,而定子與電機底座也是通過軸承進行安裝,因此定子可以擺動一定的角度。當定子的勵磁繞組通入直流電時產生磁場,被測試機械帶動直流電機的轉子進行旋轉時,轉子切割磁力線而產生感應電動勢,從而產生感應電流,磁場與感應電流的相互作用會產生阻礙轉子旋轉的制動力矩,從而起到提供負荷的目的。根據作用力與反作用力原理,定子外殼受到等值反向的力矩而擺動一定角度,從而可測得該制動力矩。由上述工作原理可知,當直流電機工作在發電機狀態時才起到測功機的作用。當電力測功機工作在電動機狀態時,能驅動被測試機械,并且實現冷磨和測量機械損耗的作用［7]。直流電力測功機結構形式簡單,方便自動控制,并且可以實現雙向加載和反拖運行。直流電力測功機可以實現電能的回收利用,是其他測功機無法企及的［8]。但是直流電力測功機的電樞體旋轉慣量大、響應速度慢并且由于換向器的存在限制了它的高速運轉。

交流電力測功機可分為異步和同步測功。因同步轉速對異步測功有很多局限,所以多采用同步測功［9]。同步測功是利用同步電機工作在發電機狀態下進行測功。當給同步電機轉子通入直流勵磁電流時,被測試機械帶動轉子旋轉,其周圍產生旋轉磁場。定子三相繞組切割磁力線而產生感應電動勢及感應電流,由該感應電流產生的旋轉磁場與原來的旋轉磁場相互作用,形成了對轉子的制動力矩。交流電力測功機具備直流電力測功機測量精度高、可雙向加載、反拖運行以及電能回收利用等特點,同時不存在換向器,可實現高速運轉。但是交流電力測功機價格較高,結構以及控制較為復雜。

液壓測功機在某些工程機械的加載試驗中應用較為廣泛［10]。被測試機械通過自身的轉動來驅動液壓泵,加載液壓泵將原動機的機械能轉換為自身的壓力能,并通過調節節流閥的開口來調整輸出油壓,進而調整施加的制動力距。由于輸出油壓和吸收扭矩間存在某些特定聯系,因此只要測出轉速,即可求出吸收的功率［11]。液壓測功機慣性小,響應迅速,并且與其他測功機不同的是,液壓測功機無需固定,可以隨加載需要隨時進行傾斜和移動。但是液壓測功機的自動控制性較差、能量無法回收并且液壓油路或多或少會存在泄漏問題,因此導致其測量精度不高。

空氣測功機過去大多用于渦輪的測試［12]。空氣測功機的原理與水力測功機大致相似。被測試機械帶動壓氣機葉輪旋轉,此時在壓氣機入口處通入壓縮空氣,壓縮空氣在葉輪的帶動下進行旋轉流通并受到壓氣機內壁的摩擦,相當于對壓氣機葉輪施加了制動力矩。通過調節進出口的壓縮空氣量,進而可以調整施加的制動力矩。

機械摩擦式測功機主要是被測試機械帶動測功機轉子旋轉,通過摩擦阻力施加制動力矩。隨著科技進步,這兩類測功機因測量精度低、響應緩慢、無法可靠工作,已逐步被淘汰。

磁粉制動器主要由定子、轉子、勵磁線圈和磁粉組成。當勵磁線圈不通電時,被測試機械帶動轉子旋轉,由于離心力的作用,磁粉會被甩到靠近定子內臂的位置。當勵磁線圈通電后形成磁場,這些磁粉會沿著磁力線連接成鏈狀。由于磁粉與磁粉之間以及磁粉與轉子之間存在吸引力,所以轉子旋轉需克服這些阻力,相當于給轉子施加了一個制動力矩。通過改變勵磁電流,即可改變加載力矩［13]。磁粉制動器結構最簡單、響應快、運轉平穩、方便使用和維修并且占地面積小、價格較便宜,此外,還具有恒扭矩特性以及過載打滑保護性［14],但是磁粉制動器的控制精度不及電力測功機,并且能量無法回收利用。

各種測功機性能對比見表1。

3　攤鋪機試驗臺模擬加載系統方案的確定與選型

3.1加載系統方案

針對某國產攤鋪機生產廠家的某一型號攤鋪機設計跑合加載試驗臺。測試的攤鋪機具有低速大扭矩的特性,綜合考慮各模擬加載系統的優缺點,針對攤鋪機試驗樣機的螺旋布料器系統,最終確定其加載系統采用磁粉制動器加載。

攤鋪機螺旋布料器以及自動調平控制系統對混合料布料有著至關重要的作用［15－16]。螺旋布料器傳動過程為:發動機經分動箱驅動液壓泵,液壓泵驅動液壓馬達,經減速機,傳動鏈條帶動螺旋布料器旋轉軸旋轉。

某國產全液壓攤鋪機螺旋布料器系統選用液壓馬達型號為OMTS200,減速機型號為RR810MS,具體參數見表2。

表2　液壓馬達OMTS200的參數

根據已知條件,液壓馬達OMTS200的最大瞬時轉矩取為710 N·m,最大瞬時轉速取為750 r/min。減速機RR810MS的速比為5.47,最大輸出轉矩為790 N·m,最大輸入轉速為3 000 r/min。鏈條速比為0. 94。則螺旋布料器旋轉軸處轉速n =145.9 r/min,轉矩T =3 650.7 N·m。

根據上述參數選擇某國產磁粉制動器CZ系列CZ－500,其主要參數如表3所示。

表3　CZ－500磁粉制動器主要參數

CZ－500磁粉制動器特性: 1)激磁電流－力矩特性。激磁電流與轉矩基本成線性關系,通過調節激磁電流可以控制力矩的大小,其特性如圖1所示。2)轉速－力矩特性。力矩與轉速無關,保持定值。靜力矩和動力矩沒有差別,其特性如圖2所示。3)負載特性。在散熱條件一定時,磁粉制動器的滑差功率是定值。因此滑動功率確定后,力矩與轉速可以相互補償。如:轉速高,則允許力矩減小,其特性如圖3所示。但最高轉速一般不高于額定狀態下轉速的2倍。

圖1　激磁電流－力矩特性　

圖2　轉速－力矩特性

圖3　負載特性

3.2磁粉制動器運動學參數校核

實際滑差功率P的計算公式為:

式中: M為實際工作轉矩,N·m; F為張力,N; n為滑差轉速,r/min; v為線速度,m/s。

CZ－500磁粉制動器的額定轉矩MN=5 000 N·m,滑差功率P =40 kW,則額定轉速nN=76.4 r/min。若實際滑差轉速nR=145.9 r/min,則許用轉矩MP=2 618.23 N·m。

在散熱條件一定時,磁粉制動器的滑差功率是定值,因此實際工作轉矩與轉速可以相互補償,即滑差轉速提高時,則許用轉矩將下降,但是最高轉速不得高于許用轉速。螺旋布料器旋轉軸轉速為0～145.9 r/min,扭矩為0～3 650.7 N·m,在最高轉速下,磁粉制動器可提供的扭矩為2 618.32 N·m,且最大轉速小于磁粉制動器的許用轉速,基本滿足加載參數。

4　結語

本文系統分析了常見的各類測功機的工作原理、性能及優缺點。通過對比分析得出磁粉制動器的總體性能優于其他測功機,并且能滿足所測試攤鋪機低速大扭矩的特性,因此選用磁粉制動器為試驗臺加載設備。并對攤鋪機螺旋布料器加載系統進行了計算選型,為后續各種加載試驗選擇測功機提供了理論依據。

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(責任編輯:郎偉鋒)

Performance Analysis of Load Simulation System and Its Application in Load Test Bench

HU Song,LIU Yanfeng,LIU Da,XUE Shaoqing
(Key Laboratory for Highway Construction Technology and
Equipment of Ministry of Education,Chang'an University,Xi'an 710064,China)

Abstract:In this paper,the working principle,performance,merits and faults of dynamometers which are usually used are analyzed and compared.By contrast,a magnetic powder brake is chosen as load simulation equipment of paver test bench and the selection process of spiral-feeder's load simulation equipment is analyzed concretely.With theoretical analysis and calculation,it is found that the magnetic powder brake is able to satisfy requirements.

Key words:dynamometer; working principle; magnetic powder brake; paver test bench; load equipment selection

作者簡介:胡松(1990—),男,河南信陽人,碩士研究生,主要研究方向為機械設計及理論.

收稿日期:2015－12－01

DOI:10.3969/j.issn.1672－0032.2015.03.015

文章編號:1672－0032(2015)03－0073－05

文獻標志碼:A

中圖分類號:U415.521