輪輞強度試驗機的結構設計及控制的研究

韓立秋 鄭鈞

（天津市產品質量監督檢測技術研究院自行車研究中心 天津 300110）

1 引言

輪輞強度試驗機的研發滿足自行車行業對自行車輪輞強度的檢測要求，以及中華人民共和國輕工行業標準對輪輞強度檢測的相關規定。其結構新穎，外形美觀，實現了計算機自動控制，并且應用傳感器技術，使其控制精度更高，測量結果通過顯示屏直接顯示，直觀且更準確。整個輪輞強度的測試過程簡單方便，此設備適用于一般自行車輪輞的強度測試。

2 自行車檢測設備的結構和控制發展趨勢及概況

由于先進技術的缺乏，以及新型材料的品樣不齊，我國早期的自行車檢測設備均有結構復雜、操作繁瑣、測量結果精度不高的缺點。隨著微電子技術、傳感器技術、控制技術和機械制造工藝水平的飛速發展，新型材料在檢測設備中得到應用。新型自行車檢測設備外形美觀、結構緊湊、所占空間小，自動化程度更高，控制方式更靈活，性能更加可靠。

3 輪輞強度試驗機的工作原理、結構組成與控制

輪輞強度試驗機主要由執行機構、驅動系統、控制系統以及位置檢測裝置等所組成。其工作原理是：在計算機程序控制的條件下，采用電動推桿傳動方式，來實現執行機構的相應動作；同時按其控制系統的信息對執行機構發出指令，位置檢測裝置隨時將執行機構的實際位置反饋給控制系統，并與設定的位置進行比較，然后通過控制系統進行調整，從而使執行機構以一定精度達到設定位置，實現對輪輞施加靜負荷并且在2 min 后卸去荷重，系統控制位移傳感器對結果進行測量并記錄。

輪輞強度試驗機包括鋁型材結構機身、執行機構電動推桿、傳感器技術、直線導向機構、快速壓緊機構及輪輞安放機構、控制系統。

3.1 鋁型材結構機身

輪輞強度試驗機的機身采用鋁型材結構（見圖1），較之傳統鑄鐵機身或者由鋼鐵連接或焊接組成的機身，具有結構美觀、質量（重量）輕、用料少、裝卡方便的特點。鋁型材之間通過腳板、三角連接塊等用螺釘進行緊固連接，拆裝較為簡單，且結構牢固。鋁型材表面具有凹槽，通過帶螺紋的滑塊用螺釘與其他零部件連接。其特點是，與其他零部件更易連接，調整范圍大，連接位置可調整。鋁型材型式多樣可供選擇，其表面做氧化處理，耐腐蝕能力強，易保養。

圖1 鋁型材

3.2 執行機構電動推桿

電動推桿是一種新型的電動執行機構，一種主要由電機、推桿和控制裝置等機構組成的新型的直線執行機構，可以實現遠距離控制、集中控制。電動推桿具有如下優點：

3.2.1 能耗低：由電機直接驅動，省去了中間的能量轉化環節，整機效率高，從而降低了能耗。

3.2.2 成本低，體積小：省去了油泵、油箱、空壓機以及許多復雜的管路和其他輔助設施。

3.2.3 故障率低，無油液污染：由于避免采用油液或氣體傳動，無漏油漏氣等故障現象，使污染問題得到了根本解決。

3.2.4 安裝維護簡單方便：只需簡單地將電動推桿安裝在支架上，接通電源，即可使用。正常使用時可長期免維護。

3.2.5 保護功能完善：電動推桿內部的過載保護裝置經過精心設計，使整機外部無多余附件，且調整方便、安全可靠。當電動推桿運行到設定距離或過載時，能自動切斷電源，不至于引起機件損壞或造成其他事故。

電動推桿可以根據標準QB 1802—1993 的荷重規定而選取一定推力值，其推力值為0～4 000 N，空載運行速度為4 mm/s～35 mm/s。電動推桿以24 V/12 V 直流永磁電機為動力源，把電機的旋轉運動轉化為直線往復運動。

3.3 傳感器技術

輪輞強度試驗機應用力值傳感器和位移傳感器，由計算機控制系統實現試驗過程控制，通過力值傳感器可實現對試驗部件輪輞進行準確施力，通過位移傳感器可實現對試驗結果的準確測量，較之百分表其測量結果精度更高。

3.4 直線導向機構

由于測量過程需要對部件垂直施力，所測部件運動軌跡也要與所施力的方向在同一直線上，故輪輞強度試驗機采用直線導向機構（見圖2）。輪輞強度試驗機采用直線軸承與導桿組合結構實現導向。直線軸承的結構特點是，在外圈之內裝有保持器，保持器裝有多個鋼球，并做無限循環運動。直線軸承具備以下優點：

3.4.1 由于流動接觸可使啟動摩擦力及動摩擦阻力為極小。

3.4.2 兩側附加油封的軸承還適用于灰塵較多或異物容易侵入的場所。

3.4.3 互換性好，安裝使用方便省時，并使機械結構具有新穎、小型、量輕的特點。

3.4.4 長期保持精度不變，機械使用壽命更長。

圖2 直線導向機構

3.5 快速壓緊機構及輪輞安放機構

快速壓緊機構（見圖3）采用快速壓緊手把與支撐臺連接，輪輞置于輪輞安放機構之上，通過壓緊手把將輪輞壓緊。輪輞安放機構適用于標準規定的一般自行車的輪輞寬度要求。

圖3 快速壓緊機構

3.6 控制系統

輪輞強度試驗機采用計算機控制系統控制試驗過程。計算機控制系統由工業控制機和軟件系統兩大部分組成。工業控制機硬件包括計算機、過程輸入輸出接口、人機接口、外部存儲器等。軟件系統包括系統軟件跟應用軟件。計算機通過測量元件、變送單元和模數轉換器送來的數字信號，直接反饋到輸入端與設定值進行比較，然后根據要求按偏差進行運算，所得到數字量輸出信號經過數模轉換器送到執行機構，對被控對象進行控制，使被控變量穩定在設定值上。由于計算機直接承擔控制任務，所以要求其實時性要好、可靠性要高、適應性要強。計算機閉環控制系統見圖4。

圖4 計算機閉環控制系統

4 結論

輪輞強度試驗機的研制應用現代技術，遵循現代自行車檢測設備的發展趨勢，采用鋁型材機身，使其具有結構簡單、外形美觀新穎、安裝拆放簡單、結構堅固等優點。輪輞強度試驗機應用計算機閉環控制系統，控制整個試驗過程中的測量結果與記錄。力與位移通過傳感器技術的應用使試驗的測量結果更加準確，測量過程更易實現。輪輞強度試驗機的研發與應用使自行車輪輞在強度檢測的操作、測量方面有了長足的進步，是對檢測結果準確性的充分保證。