履帶車輛綜合傳動系統(tǒng)試驗臺的開發(fā)

冀 強，焦現(xiàn)煒，方建華，張 君

(1.中國人民解放軍72465 部隊，濟南 250022; 2.山東經(jīng)濟管理干部學院，濟南 250202)

在現(xiàn)代軍事、農(nóng)業(yè)和建筑業(yè)領域中，履帶車輛以其良好的越野性能發(fā)揮著十分重要的作用［1］。綜合傳動系統(tǒng)等關鍵零部件的性能和質(zhì)量決定整車性能和質(zhì)量，它的性能直接關系到整個車輛的動力性、燃油經(jīng)濟性和耐用性等重要性能。綜合傳動系統(tǒng)是由主離合器、變速箱、液壓式行星轉(zhuǎn)向機、液壓操控系統(tǒng)綜合集成組成。對綜合傳動系統(tǒng)進行研究，并對其進行性能測試是履帶車輛安全可靠穩(wěn)定運行的重要保障。

傳統(tǒng)的檢測方法—道路試驗法，不僅需要較大的試驗場地，還要耗費大量的人力、物力、財力。因此研制開發(fā)一套高性能的履帶車輛綜合傳動系統(tǒng)試驗臺，可用于維修保障機構對修復后的履帶車輛的綜合傳動系統(tǒng)進行維修質(zhì)量評估和故障診斷。通過模擬履帶車輛行駛工況對綜合傳動系統(tǒng)進行試驗，找出薄弱環(huán)節(jié)，排除故障，提高綜合傳動系統(tǒng)整體可靠性，從而確保了履帶車輛底盤的行駛質(zhì)量。

1 綜合傳動試驗臺的設計原理

該試驗臺主要針對重型履帶車輛綜合傳動系統(tǒng)進行測試，配套到基層維修保障機構，采取模塊化設計，結(jié)構簡單，制造安裝方便，配置靈活，控制精確，能實現(xiàn)無載啟動和任意加載，不考慮功率回收利用，因此采用開式結(jié)構進行設計。

試驗臺由驅(qū)動裝置、加載裝置、測量裝置、控制系統(tǒng)、被測試部件、被試部件操作裝置等六個部分組成。驅(qū)動裝置為試驗臺提供動力，經(jīng)被測試部件傳遞到加載裝置。加載裝置用來提供合適的負載，模擬道路阻力和慣性阻力等阻力特性。測試裝置用來檢測動力傳動過程中的一些基本機械參量，主要有驅(qū)動端與負載端轉(zhuǎn)速、扭矩等?？刂葡到y(tǒng)用來實現(xiàn)試驗過程的自動控制，如驅(qū)動端啟動、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、力矩調(diào)節(jié)，負載端力矩加載，被試部件操作裝置用來進行換擋動作，離合器分離-閉合動作，左-右轉(zhuǎn)向動作，以及實驗過程的自動監(jiān)測、保護功能。其基本框圖如圖1 所示。

圖1 綜合傳動系統(tǒng)試驗臺組成原理框圖

該試驗臺具體檢測主離合器分離閉合可靠性;變速箱的換擋、運轉(zhuǎn)性能以及行星轉(zhuǎn)向機的轉(zhuǎn)向、制動、操控等性能。試驗臺應具有以下的功能和試驗模式:

1) 起動性能試驗。通過模擬發(fā)動機功率輸入，監(jiān)測綜合傳動系統(tǒng)從靜止到運轉(zhuǎn)的工作狀況，輸入及輸出扭矩、速度及功率變化曲線。

2) 負載性能試驗。通過逐漸增大負載，監(jiān)測綜合傳動系統(tǒng)負載工況下運轉(zhuǎn)性能參數(shù)。

3) 主離合器操控試驗。通過離合器操縱機構控制離合器分離、半閉合粘滯和全閉合狀態(tài)下，監(jiān)測綜合傳動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)性能指標。

4) 轉(zhuǎn)向機轉(zhuǎn)向試驗。通過液壓轉(zhuǎn)向控制閥控制轉(zhuǎn)向開關，監(jiān)測綜合傳動系統(tǒng)第一位置和大半徑轉(zhuǎn)向工況下運轉(zhuǎn)性能參數(shù)。

5) 變速箱換擋性能試驗。擋位自動換擋時，監(jiān)測變速箱在各擋位的運轉(zhuǎn)性能參數(shù)，計算變速比及牽引效率。

6) 程序自動控制試驗。按照模擬路況預設程序，監(jiān)測綜合傳動系統(tǒng)運轉(zhuǎn)性能參數(shù)，輸入及輸出扭矩、速度及功率變化曲線。

2 綜合傳動試驗臺的組成系統(tǒng)

綜合比較多種試驗臺布置方案［2-3］，最終采用可靠性高、適應性強、結(jié)構緊湊的T 型試驗臺布置，總體系統(tǒng)示意圖如圖2 所示。

圖2 綜合傳動系統(tǒng)性能試驗臺總體系統(tǒng)示意圖

2.1 驅(qū)動設備

本試驗臺采用變頻調(diào)速電機，與直流電動機、交流電動機、發(fā)動機、液壓馬達等其它驅(qū)動設備相比，具有性能穩(wěn)定，易自動控制等特點。

2.2 加載設備

由于采用開式結(jié)構，加載設備起著加載和耗能的作用。本試驗臺采用電渦流測功機，可通過電渦流控制器的電壓調(diào)整來調(diào)節(jié)電渦流測功機的加載扭矩，通過電渦流測功機的扭矩儀扭矩反饋進行閉環(huán)，來控制試驗部件的輸出轉(zhuǎn)速/扭矩在合適的范圍內(nèi)，提高試驗臺運行的穩(wěn)定性與安全性。

2.3 被試部件操作設備

車輛行駛過程過程中，被測試綜合傳動系統(tǒng)還要進行離合器分離-閉合; 變速箱空-Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ-Ⅳ-Ⅴ檔位變換;轉(zhuǎn)向機左-右行駛轉(zhuǎn)向等操作動作，這些都是依靠駕駛員實現(xiàn)的。本試驗臺應用控制系統(tǒng)通過6 套伺服電機分別控制上述操作動作。

2.4 液壓設備

由于綜合傳動系統(tǒng)是液壓式傳動系統(tǒng)，運轉(zhuǎn)過程中需要對主離合器、變速箱、液壓式行星轉(zhuǎn)向機進行供油及倍壓。因此該試驗臺開發(fā)了一臺液壓設備，實現(xiàn)供油、冷卻、加溫、潤滑和調(diào)節(jié)流入試驗裝置里去的油的壓力和流量等功能。

2.5 冷卻設備

冷卻設備主要通過空調(diào)壓縮機組實現(xiàn)對試驗臺循環(huán)水的強制冷卻，完成對電渦流測功機和液壓系統(tǒng)進行強制冷卻，防止試驗設備因溫度過高而損壞。

3 綜合傳動試驗臺測控系統(tǒng)

履帶車輛綜合傳動系統(tǒng)性能試驗臺控制系統(tǒng)采用基于PLC 控制系統(tǒng)組成結(jié)構，如圖3 所示。

圖3 控制系統(tǒng)組成結(jié)構

試驗臺控制中心采用具備豐富接口，易于擴展的HMIRHAPP00S 工控機。數(shù)據(jù)的采集、控制及通訊采用施耐德M238 PLC 可編程控制器，變頻交流電機采用ATV71 變頻器進行控制。伺服電機系統(tǒng)均采用Lexium 23 伺服驅(qū)動器。為了實現(xiàn)加載控制，采用了2 套湘儀FC2000 系列測功機控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過CAN 總線將加載的轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速傳送給PLC 控制器。試驗臺需采集的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、壓力、溫度及流量等參數(shù)可通過扭矩儀、壓力變送器、溫度傳感器等儀表進行測量，轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入工控機進行處理。為了保障實驗的安全進行，試驗臺還采用空氣開關、斷路器、接觸器、和繼電器等系統(tǒng)保護電器，實現(xiàn)對變頻器、電機和PLC 的有效保護。

測控系統(tǒng)軟件主要包括各驅(qū)動部件控制程序、數(shù)據(jù)采集及驅(qū)動部件間的通訊程序3 部分。部件控制程序包括驅(qū)動電機變頻器控制，負載端控制及伺服電機控制程序。數(shù)據(jù)采集主要用于實現(xiàn)試驗臺中各種測試參數(shù)，如驅(qū)動端轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速，負載端轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速，溫度、壓力及流量等信號的采集。驅(qū)動部件間的通訊程序包括工控機與PLC 控制器間的通訊程序，PLC 控制器與加載測功機控制系統(tǒng)間的通訊，PLC 控制器與變頻器間的通訊，PLC 控制器與伺服控制器間的通訊。

4 綜合傳動試驗臺的特點

該試驗臺在滿足各項試驗功能要求的前提下，整體設計中尤其注重系統(tǒng)的先進性和自動化［4-5］。建成的試驗臺如圖4 所示。試驗臺具有以下特點:

1) 履帶車輛綜合傳動試驗臺將傳統(tǒng)機械傳動試驗臺與計算機控制技術、傳感技術有機結(jié)合，采用對變頻驅(qū)動、電渦流負載和伺服電機的數(shù)字控制，使轉(zhuǎn)速和載荷反應靈敏，能夠較好地實現(xiàn)該型號履帶車輛綜合傳動系統(tǒng)基本行駛工況的工作試驗。

圖4 綜合傳動實驗臺

2) 基于PLC 控制器的試驗臺控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對試驗臺驅(qū)動電機、負載測功機及各機構操作動作的執(zhí)行控制，還實現(xiàn)對眾多傳感器輸出信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換處理，以及對整個綜合傳動機構試驗系統(tǒng)的監(jiān)視與控制。

3) 采取手動、程控兩種試驗方式，保證了試驗臺運轉(zhuǎn)的可靠性。手動控制時，可通過控制參數(shù)輸入等方式進行操作，方便可靠;程控試驗時，由工控機控制試驗過程，自動化、智能化程度較高。

4) 通過預先設計擴展接口或更換固定支架和具體模塊，試驗臺具有良好的通用性和可擴展性。提高了設備利用率，擴展了試驗對象，為試驗臺的擴展和改進奠定了基礎。

5) 采用模塊化設計結(jié)構，試驗臺結(jié)構組成更加簡化，具有很高的可靠性和維護性。

6) 采用保護電路設計，報警、保護、緊急停車同步實施。

5 結(jié)束語

該型履帶車輛綜合傳動試驗臺以開式機械傳動試驗臺為基礎，以基于PLC 計算機控制系統(tǒng)為核心，充分體現(xiàn)計算機控制技術和數(shù)字技術的靈活運用，采用變頻交流電機為調(diào)速驅(qū)動，以電渦流測功機作為加載系統(tǒng)，以伺服電機操作控制各機構執(zhí)行動作，模擬實際行駛工況，使用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速、壓力、溫度以及流量傳感器獲取試驗臺各模塊的監(jiān)測數(shù)據(jù)，與被試綜合傳動系統(tǒng)共同構成了履帶車輛綜合傳動試驗系統(tǒng)。該型試驗系統(tǒng)已成功地用于維修保障機構對該型履帶車輛綜合傳動系統(tǒng)的模擬試驗和故障診斷檢測。實踐應用表明，試驗臺測試數(shù)據(jù)準確可靠精確度高，控制自動化程度高，模擬實際行駛工況能力強，能夠完成各種工況要求下履帶車輛綜合傳動系統(tǒng)性能試驗，適用于現(xiàn)代化的一線維修實踐。

［1］尤帕沃而科夫，阿佛巴依科夫.履帶車輛的設計與計算［M］. 劉太來，郭兆熊，譯. 北京: 北京理工大學出版社，1997.

［2］劉云鵬，李平康，杜秀霞.新型綜合傳動試驗臺的設計與實現(xiàn)［J］.機床與液壓，2009 (9):156-159.

［3］劉彥，馬詠梅.多功能機械傳動組合試驗臺的研制［J］.中國測試技術，2003 (6) :23-24.

［4］馬躍.大功率綜合傳動試驗臺控制系統(tǒng)研究［D］.武漢:武漢理工大學，2003.

［5］藺紅軍.履帶車輛傳動系測試系統(tǒng)研究［D］.長春:吉林大學，2009.