油氣懸掛減震器性能試驗(yàn)臺(tái)的研發(fā)

侯小華，高 丹，王起新

(1.廣州市新歐機(jī)械有限公司，廣東 廣州 510530；2.廣東科技學(xué)院 外國語學(xué)院，廣東 東莞 523079)

0 引言

油氣懸掛減震器即油氣彈簧懸掛，通常是以氮?dú)饣蛘咂渌栊詺怏w作為彈性介質(zhì)，以液體(通常為液壓油)作為傳力介質(zhì)。油氣懸掛減震器與其他的懸掛相比，具有優(yōu)越的非線型彈性特性、良好的減震性能、單位蓄能比大、結(jié)構(gòu)緊湊及通過相應(yīng)的控制系統(tǒng)可調(diào)節(jié)車輛姿態(tài)等顯著優(yōu)點(diǎn)[1]。油氣懸掛適用于工作環(huán)境惡劣及載荷較大的重型車輛，在高級轎車、軍事車輛及重型工程機(jī)械中也具有廣泛應(yīng)用[2]。

與傳統(tǒng)減震器相比，油氣懸掛減震器系統(tǒng)具有單位儲(chǔ)能比大、剛度非線性等諸多優(yōu)點(diǎn)，因此，它一直是一些重型機(jī)械、車輛工程研究人員的重點(diǎn)研究對象。目前，國內(nèi)外用于測試油氣懸掛系統(tǒng)特性的試驗(yàn)臺(tái)較少[3]，對研究、設(shè)計(jì)性能更優(yōu)良的油氣懸掛系統(tǒng)不利。為此，本文設(shè)計(jì)了一種油氣懸掛減震器性能試驗(yàn)臺(tái)，用于產(chǎn)品的研發(fā)以及性能測試。

1 油氣懸掛減震器性能試驗(yàn)臺(tái)測試需求及結(jié)構(gòu)組成

目前油氣懸掛減震器在工程機(jī)械中沒有對應(yīng)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，性能測試需求參照同行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)TB/T 1491-2015《機(jī)車車輛油壓減振器》和GB/T 15622-2005《液壓缸試驗(yàn)方法》以及被測試件的具體工況來確定，通常測試項(xiàng)目包括：試運(yùn)轉(zhuǎn)及靜壓試驗(yàn)、循環(huán)加載試驗(yàn)和泄漏試驗(yàn)等。

根據(jù)油氣懸掛減震器性能測試需求，經(jīng)過硬件、軟件的集成，構(gòu)成了整個(gè)油氣懸掛減震器試驗(yàn)臺(tái)，主要包括液壓動(dòng)力單元、油氣減震器加載臺(tái)架、測試和控制操作臺(tái)。工作中的油氣懸掛減震器性能試驗(yàn)臺(tái)如圖1所示，試驗(yàn)臺(tái)性能指標(biāo)如表1所示。

針對測試需求，本文分別從液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、測試系統(tǒng)構(gòu)建和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)三部分進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)研發(fā)。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為滿足油氣懸掛減震器的測試工況要求，液壓系統(tǒng)主要包括伺服加載回路、調(diào)整油缸回路和油溫控制回路。由于油氣懸掛減震器長期在試驗(yàn)臺(tái)上做性能測試,需要控制系統(tǒng)溫升，為防止油液溫度過高黏度下降導(dǎo)致測試臺(tái)各液壓元件泄漏量增大，所以，油溫控制回路設(shè)計(jì)有風(fēng)冷卻器；油氣懸掛減震器需要穩(wěn)定的高頻伺服加載，所以，液壓系統(tǒng)還設(shè)計(jì)有為伺服加載回路補(bǔ)油的蓄能器組。油氣懸掛減震器試驗(yàn)臺(tái)液壓原理圖如圖2所示。

圖1 工作中的油氣懸掛減震器性能試驗(yàn)臺(tái)

表1 試驗(yàn)臺(tái)性能指標(biāo)

伺服加載回路中，主電機(jī)2驅(qū)動(dòng)主泵1提供動(dòng)力油源給伺服閥11，伺服閥11控制加載伺服缸14提供加載力施加給被測試油氣懸掛減震器15。此過程中，壓力傳感器8.2或者8.3來檢測加載伺服缸14的進(jìn)油或者回油壓力，位移傳感器16檢測加載伺服缸14的行程，力傳感器17來檢測加載伺服缸14的推拉力；蓄能器組24設(shè)計(jì)在伺服閥P口油路上，起穩(wěn)定主油路壓力的作用。

1-主泵;2-主電機(jī);3-循環(huán)泵;4-循環(huán)電機(jī);5-單向閥;6-管路過濾器;7-壓力表;8-壓力傳感器;9-比例溢流閥;10-換向閥;11-伺服閥;12-液壓鎖;13-頂升油缸;14-加載伺服缸;15-被測試油氣懸掛減震器;16-位移傳感器;17-力傳感器;18-冷卻器;19-截止閥;20-單向節(jié)流閥;21-液位計(jì);22-吸油過濾器;23-油箱;24-蓄能器組圖2 油氣懸掛減震器試驗(yàn)臺(tái)液壓原理圖

調(diào)整油缸回路由主油路供油，由換向閥10控制頂升油缸13.1和13.2來調(diào)整安裝塊的高度，在更換不同尺寸的被測試油氣懸掛減震器時(shí)，整個(gè)移動(dòng)伺服加載回路以匹配安裝高度。

油溫控制回路有兩個(gè)作用，獨(dú)立的循環(huán)泵組3提供油源，經(jīng)過過濾器6.5、6.4和6.3實(shí)現(xiàn)從粗到精的過濾，經(jīng)過冷卻器18來實(shí)現(xiàn)溫度控制。

3 測控系統(tǒng)構(gòu)建

試驗(yàn)臺(tái)的測控系統(tǒng)包括電氣控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和測量顯示系統(tǒng)。硬件構(gòu)成主要有：研華工控機(jī)、西門子PLC、傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和比例放大器等。試驗(yàn)臺(tái)控制分為上位機(jī)和下位機(jī)，分別采用研華工控機(jī)和西門子PLC系列，上、下位機(jī)的通信采用以太網(wǎng)通信。

電氣控制系統(tǒng)主要由電氣安裝柜、控制臺(tái)等組成。控制臺(tái)上設(shè)有顯示器、操作按鈕等，可方便地設(shè)置參數(shù)和操作。主電路為交流380 V,控制電路為直流24 V，電機(jī)變頻啟動(dòng)。試驗(yàn)臺(tái)各元件的動(dòng)作邏輯、安全互鎖與時(shí)序都由西門子PLC控制，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)所要求的各項(xiàng)動(dòng)作和安全防護(hù)設(shè)置，以及自動(dòng)控制、自動(dòng)記錄等功能。

數(shù)據(jù)采集和測量顯示系統(tǒng)主要由顯示器、上位機(jī)、NI采集卡、接口模塊、傳感器及數(shù)顯指示儀表和操作臺(tái)等組成，測量和采集耐壓試驗(yàn)壓力、加載力、循環(huán)往復(fù)次數(shù)、行程位置和油液溫度等數(shù)據(jù)，完成對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、處理及資料的存儲(chǔ)。在顯示器上能實(shí)現(xiàn)各參數(shù)的設(shè)置，各電機(jī)采用節(jié)能模式運(yùn)行，可由PLC程序控制啟停；在操作面板上能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作與自動(dòng)操作的切換；聲光報(bào)警用于過濾器堵塞報(bào)警，設(shè)備警示燈用于顯示設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行的狀態(tài)，可視化的設(shè)計(jì)可以讓操作員一目了然地看到設(shè)備運(yùn)行情況；可以按照相關(guān)畫面的提示進(jìn)行維修、維護(hù)檢查，核對各項(xiàng)動(dòng)作所對應(yīng)的執(zhí)行元件的工作情況。

數(shù)據(jù)采集卡(模塊)與工控機(jī)通過PCI總線進(jìn)行通信[4]。電氣控制柜需具有通風(fēng)冷卻功能，設(shè)計(jì)有專用工業(yè)線槽，保證了強(qiáng)、弱電隔離。各傳感器和儀表的信號線采用帶屏蔽的通訊電纜，進(jìn)出控制柜的電纜通過全封閉的工業(yè)航空插座引入，信號線和強(qiáng)電分離，以提高整個(gè)測控系統(tǒng)的抗干擾能力及信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。測控系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 測控系統(tǒng)框圖

4 測試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)的軟件具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，是基于NI的Labview平臺(tái)進(jìn)行二次開發(fā)的軟件，其秉承了Labview的優(yōu)點(diǎn)：人機(jī)交互友好，界面簡潔明了[5]。測控軟件有兩種模式：按測試項(xiàng)目逐個(gè)手動(dòng)測試和多個(gè)測試項(xiàng)目全自動(dòng)測試。在自動(dòng)模式下，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行測試工藝流程，自動(dòng)判斷每個(gè)測試項(xiàng)目是否合格，自動(dòng)保存每臺(tái)被測試產(chǎn)品的相關(guān)過程及判定數(shù)據(jù)。

油氣懸掛減震器性能試驗(yàn)臺(tái)主界面如圖4所示，包含產(chǎn)品基本信息區(qū)、試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置區(qū)域、曲線顯示區(qū)、主泵控制區(qū)、伺服閥位置調(diào)零、冷卻控制、狀態(tài)指示燈顯示區(qū)和按鈕區(qū)。

圖4 油氣懸掛減震器性能試驗(yàn)臺(tái)主界面

5 試驗(yàn)臺(tái)性能測試

試驗(yàn)臺(tái)搭建好后，對被測試油氣懸掛減震器進(jìn)行了相應(yīng)的性能試驗(yàn)。主要包括：試運(yùn)轉(zhuǎn)及靜壓試驗(yàn)、循環(huán)加載試驗(yàn)和泄漏試驗(yàn)。

5.1 泄漏試驗(yàn)

進(jìn)行性能試驗(yàn)前，做泄漏試驗(yàn)，按照油缸試驗(yàn)方法對被測試油氣懸掛減震器進(jìn)行保壓試驗(yàn)，檢測內(nèi)外泄漏情況。

5.2 試運(yùn)轉(zhuǎn)及靜壓試驗(yàn)

安裝好被試件后，啟動(dòng)試驗(yàn)系統(tǒng)，調(diào)整試驗(yàn)壓力，使用加載缸對被試油缸進(jìn)行加載，下壓油缸使加載力達(dá)到規(guī)定值30 t，回縮至自由狀態(tài)，往復(fù)5次，兩端各保持10 s；觀察油缸運(yùn)行情況，是否有外泄漏、卡滯、爬行等不正常現(xiàn)象。試運(yùn)行及靜壓試驗(yàn)按設(shè)定的往復(fù)次數(shù)自動(dòng)完成。

5.3 循環(huán)加載試驗(yàn)

試運(yùn)轉(zhuǎn)及靜壓試驗(yàn)后，壓縮油缸至規(guī)定位置，根據(jù)甲方提供的試驗(yàn)參數(shù)(最大加載速度660 mm/s、加載力30 t、1 Hz～3 Hz動(dòng)態(tài)加載、每個(gè)工況往復(fù)50次)進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn)，自動(dòng)采集、加載、顯示、保存，得到的位移、速度和加載力隨時(shí)間的變化曲線、速度-加載力曲線(阻尼特性)、位移-加載力曲線(剛度特性)如圖5～圖13所示。

圖5 1 Hz位移、速度和加載力隨時(shí)間的變化曲線

圖6 1 Hz速度-加載力曲線(阻尼特性)

圖7 1 Hz位移-加載力曲線(剛度特性)

圖8 2 Hz位移、速度和加載力隨時(shí)間的變化曲線

圖9 2 Hz速度-加載力曲線(阻尼特性)

6 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的油氣懸掛減震器試驗(yàn)臺(tái)的測控系統(tǒng)基于LabVIEW平臺(tái)開發(fā)，在自動(dòng)模式下整個(gè)測試與控制流程由系統(tǒng)自主完成，能對各種信號進(jìn)行記錄、分析處理及顯示，并且形成測試報(bào)告，便于操作者做出直觀、清晰、準(zhǔn)確的判斷。試驗(yàn)結(jié)果表明試驗(yàn)臺(tái)測試性能穩(wěn)定、能有效體現(xiàn)出產(chǎn)品的性能特性。

圖10 2 Hz位移-加載力曲線(剛度特性)

圖11 3 Hz位移、速度和加載力隨時(shí)間的變化曲線

圖12 3 Hz速度-加載力曲線(阻尼特性)

圖13 3 Hz位移-加載力曲線(剛度特性)