臂架疲勞試驗(yàn)臺系統(tǒng)研究與仿真

張戚，饒玉章，范福林

(1. 北汽福田汽車股份有限公司，北京101400;2. 北京華力創(chuàng)通科技股份有限公司，北京100094)

臂架是混凝土泵車主要構(gòu)成部件之一，其性能是衡量混凝土泵車重要性能指標(biāo)之一，其中臂架的疲勞壽命指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求尤為重要，不僅涉及泵車的工作可靠性及壽命，也事關(guān)施工人員的安全。泵車臂架結(jié)構(gòu)復(fù)雜、巨大，工作時(shí)受載也有其特殊性，傳統(tǒng)的疲勞試驗(yàn)臺難以滿足臂架的臺架疲勞試驗(yàn)要求，以前一般只能在客戶的實(shí)際使用過程中驗(yàn)證臂架疲勞壽命，文中提供一種能滿足泵車臂架試驗(yàn)的疲勞試驗(yàn)臺系統(tǒng)。

1 臂架疲勞試驗(yàn)臺系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)組成

該臂架疲勞試驗(yàn)臺是一個(gè)集液壓、機(jī)械、計(jì)算機(jī)控制及傳感器技術(shù)于一體的復(fù)雜系統(tǒng)，主要由機(jī)械系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)及控制臺等組成。圖1 所示為臂架疲勞試驗(yàn)臺的機(jī)械系統(tǒng)部分。

1.2 工作過程

在泵車實(shí)際工況下實(shí)時(shí)測量臂架受載情況，通過分析臂架的載荷譜，疲勞試驗(yàn)的當(dāng)量試驗(yàn)載荷輸入形式可以綜合為一定幅值的正弦循環(huán)載荷。圖2 所示為泵車臂架實(shí)測載荷曲線。

圖2 泵車臂架實(shí)測載荷曲線

以泵車臂架3、臂架4 為試驗(yàn)對象，現(xiàn)說明其臺架疲勞試驗(yàn)工作過程如下:首先需要把臂架3、臂架4，通過固定長度的系桿1、系桿2 裝配在疲勞試驗(yàn)臺的基座上，在臂架的相應(yīng)位置粘貼應(yīng)變片，在臂架的合適位置配掛一定的配載，通過應(yīng)變片測量值來判斷模擬試驗(yàn)臂架是否處于其工況下靜態(tài)載荷時(shí)的平衡位置。臂架4 的末端與試驗(yàn)臺龍門架上的加載油缸相鏈接，加載油缸上裝有油缸行程位移傳感器，加載油缸在液壓系統(tǒng)驅(qū)動下，對固定在基座上的、處于懸臂狀態(tài)下的臂架3、臂架4 的裝配體末端，施加一定幅值及頻率的正弦位移循環(huán)載荷。試驗(yàn)臺龍門架可以在地軌上移動并鎖定，以適應(yīng)不同長度的臂架疲勞試驗(yàn)。龍門架的高度也可以通過不同長度的加接柱以調(diào)整合適的龍門高度。圖3 所示為臂架疲勞試驗(yàn)臺的機(jī)械臺架實(shí)物圖。

圖3 疲勞試驗(yàn)臺的機(jī)械臺架實(shí)物圖

1.3 試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)

該試驗(yàn)臺外形大，安裝加載油缸的龍門架也必須能隨試驗(yàn)臂架的長短移動調(diào)整，液壓油源離加載油缸距離遠(yuǎn)，所以設(shè)計(jì)了獨(dú)立的液壓站，通過高壓軟管與加載油缸連接。圖4 所示為臂架疲勞試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)原理圖。

圖4 臂架疲勞試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)液壓泵站采用A11VO190 變量泵供油，恒功率、比例排量控制，系統(tǒng)壓力切斷值設(shè)置為21 MPa，而系統(tǒng)的安全壓力由插裝溢流閥設(shè)定為25 MPa，根據(jù)不同臂架試驗(yàn)對加載油缸運(yùn)動速度要求的不同，對系統(tǒng)流量做相應(yīng)的比例控制調(diào)節(jié)，整個(gè)系統(tǒng)綠色節(jié)能。圖5 所示為疲勞試驗(yàn)臺液壓站實(shí)物圖。系統(tǒng)中采用伺服閥對加載油缸精確供油控制，加載油缸上帶位移傳感器實(shí)時(shí)反饋油缸行程的位置信息，通過控制器構(gòu)成加載油缸精確的閉環(huán)行程位置控制。管路上安裝有蓄能器，以減小系統(tǒng)壓力波動。高壓油路上串聯(lián)高壓濾油器，以確保電液伺服閥工作油液的清潔度。原理圖中截止閥用于液壓系統(tǒng)加載油缸部分維修時(shí)卸載使用。液壓系統(tǒng)管路上還串接了風(fēng)冷器以恒定液壓系統(tǒng)運(yùn)行的溫度區(qū)間。

圖5 疲勞試驗(yàn)臺液壓站實(shí)物圖

2 試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)的AMESim 仿真分析

2.1 疲勞試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)的AMESim 模型

AMESim 軟件是法國Imagine 公司推出的基于鍵合圖的液壓、機(jī)械及電氣系統(tǒng)的建模、仿真及動力學(xué)分析軟件，在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

在該試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)回路中，油箱、伺服閥、加載油缸等元件可以從AMESim 的液壓元件庫中直接選取。A11VO190 液壓油泵，因在臂架疲勞試驗(yàn)對象一定且不變的整個(gè)試驗(yàn)過程中，其比例控制的排量固定，這里簡化為定量泵處理。插裝單向閥、風(fēng)冷器及過濾器等元件由于對系統(tǒng)動態(tài)性能影響極其小而簡化了，加載油缸上承受有一定的單向臂架載荷。

具體建立的AMESim 模型如圖6 所示。

圖6 試驗(yàn)臺液壓系統(tǒng)AMESim 仿真模型

2.2 動態(tài)仿真結(jié)果及分析

為了能使臂架疲勞試驗(yàn)機(jī)能在正弦位移循環(huán)載荷形式下，以一定的幅值及頻率往復(fù)周期工作，現(xiàn)擬通過控制器對伺服閥輸入一定幅值及頻率的正弦周期信號，期望加載油缸在伺服閥的控制下，其活塞桿通過鉸接點(diǎn)，向臂架懸臂裝配體末端輸出一定幅值及頻率的正弦位移循環(huán)載荷，加載油缸上帶位移傳感器實(shí)時(shí)檢測加載油缸活塞桿的位移信息并反饋給控制器，形成完整的閉環(huán)控制。

圖7 是臂架疲勞試驗(yàn)臺系統(tǒng)伺服閥在正弦信號的輸入下，其加載油缸活塞桿運(yùn)動位移輸出的計(jì)算機(jī)仿真曲線。

圖7 試驗(yàn)臺輸入信號及油缸位移曲線

從臂架疲勞試驗(yàn)臺系統(tǒng)仿真曲線可知:系統(tǒng)通過控制器對輸入伺服閥的信號進(jìn)行PID 調(diào)節(jié)控制，結(jié)合加載油缸位移傳感器實(shí)時(shí)信號的閉環(huán)反饋?zhàn)饔?，加載油缸能精確輸出所需求的一定幅值及頻率的正弦位移曲線;系統(tǒng)加載油缸輸出正弦位移曲線，與控制器輸入電液伺服閥的正弦信號比較，有少許的滯后現(xiàn)象，是由于系統(tǒng)有一定的響應(yīng)時(shí)間及慣性的原因。

3 總結(jié)

(1)文中涉及的臂架疲勞試驗(yàn)臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、加載科學(xué)、運(yùn)行可靠，且加載油缸所加載正弦循環(huán)載荷幅值、頻率調(diào)節(jié)方便。

(2)從系統(tǒng)仿真結(jié)果可知:為了獲得臂架疲勞試驗(yàn)臺運(yùn)行的正弦位移循環(huán)加載形式，控制器只要向液壓系統(tǒng)電液伺服閥輸出一定幅值、頻率的正弦信號，加載油缸位移信號實(shí)時(shí)閉環(huán)反饋給控制器，并且控制器對伺服閥輸入信號引入PID 調(diào)節(jié)控制環(huán)節(jié)。所有這些為控制器程序設(shè)計(jì)提供了必要的控制策略。

［1］成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］．北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002．

［2］劉海麗，李華聰．液壓機(jī)械系統(tǒng)建模仿真軟件AMESim及其應(yīng)用［J］．機(jī)床與液壓，2006(6):124－126．

［3］劉會勇，李偉，林勇剛，等．基于AMESim 的混凝土泵攪拌系統(tǒng)建模與仿真研究［J］．機(jī)床與液壓，2008，36(5):165－167．

［4］付永領(lǐng)，祁曉野．AMESim 系統(tǒng)建模和仿真——從入門到精通［M］．北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2006．