彈性元件高頻性能試驗系統(tǒng)設計

孫　健，李滿昌，魏仁杰

(長春機械科學研究院有限公司，吉林 長春 130103)

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彈性元件高頻性能試驗系統(tǒng)設計

孫健，李滿昌，魏仁杰

(長春機械科學研究院有限公司，吉林 長春 130103)

摘要：主要介紹了彈性元件高頻性能檢測系統(tǒng)的設計，包括該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、核心部件及相關(guān)的軟件算法。

關(guān)鍵詞：高頻；彈性元件；軟件算法

1引言

本文所說的彈性元件，主要包括鐵路上應用的彈性墊板、彈條扣件及汽車發(fā)動機的減振橡膠墊等。隨著鐵路及汽車行業(yè)的快速發(fā)展，彈性元件性能的檢測越來越多，要求也越來越高，對質(zhì)量的監(jiān)督檢查也更加嚴格。該類產(chǎn)品要求的檢測項目較多，要求頻率很高，最高可達到近1000Hz。目前，國內(nèi)的彈性元件高頻試驗機基本都需要進口。

在經(jīng)過多種理論研究及實際測試后，長春機械科學研究院有限公司設計研發(fā)了彈性元件高頻性能試驗系統(tǒng)，填補了國內(nèi)該行業(yè)的空白。本文主要介紹了該系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)及軟件算法，該產(chǎn)品已經(jīng)得到了很多國內(nèi)用戶的認可。

2系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)介紹

彈性體高頻試驗機采用電液伺服閉環(huán)控制原理，伺服作動器采用中德合資共同研制的高頻響伺服作動器，具有反應速度快、靈敏度高、頻帶寬等特點。控制器采用電液伺服高頻試驗機專用控制系統(tǒng)，可以進行負荷及位移控制試驗，工作平穩(wěn)可靠。彈性體高頻試驗機采用高剛度雙立柱結(jié)構(gòu)，加工制造技術(shù)成熟，成本較低，具有很強的市場競爭力。

2.1主機性能及結(jié)構(gòu)

主機采用雙立柱結(jié)構(gòu)，通過液壓機構(gòu)無級調(diào)節(jié)試驗空間，彈性方式鎖緊牢固可靠。主機單元主要包括主機框架、高頻響伺服作動器、夾具及伺服閥等部分。

由于該試驗要求頻率范圍較寬，需要0.01Hz到150Hz，所以主機框架結(jié)構(gòu)設計尤為重要。主機框架是整個設備的承力結(jié)構(gòu)，剛度的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的動態(tài)工作特性。該框架為高剛度、高固有頻率的雙立柱結(jié)構(gòu)，立柱間距盡量縮小，由上橫梁、工作臺及立柱組成了封閉受力框架?；顒訖M梁可由兩側(cè)的升降油缸控制移動，橫梁停止時，由高壓油驅(qū)動油缸鎖緊橫梁，整個控制方式采用電液伺服專用的升降鎖緊控制模塊，穩(wěn)定可靠。

配合主機框架的另一主要部件為高頻響伺服作動器。一般的國產(chǎn)作動器試驗頻率小于100Hz，沒辦法滿足該試驗系統(tǒng)的高頻要求。該作動器是長春機械科學研究院有限公司與德國合作開發(fā)，并且已經(jīng)可以達到國產(chǎn)化，作動器空載下頻率可以達到將近300Hz，代表了國內(nèi)作動器的頂尖水平。

2.2控制系統(tǒng)

本文所使用的控制系統(tǒng)為電液伺服疲勞試驗機專用控制器。該控制器已經(jīng)在國內(nèi)得到了廣泛的應用及認可，并且經(jīng)過多年的實踐，其穩(wěn)定性、可靠性及控制精度等核心功能都日趨完善?？刂破鞯牟蓸宇l率可以達到5kHz，控制器頻率可以達到200Hz，并且采用雙閉環(huán)控制方式，可以很好地彌補液壓系統(tǒng)在高頻下的控制困難等問題。

控制器主要技術(shù)指標如下：通信處理器的CPU主頻為133MHz；控制處理器采用TI 32位處理器，主頻為150MHz；驅(qū)動接口采用16位模擬輸出接口，且可以數(shù)字輸出；通過以太網(wǎng)或USB通信；8通道總線擴展插槽，用于功能擴展；兩個串行通信口，用于通信和調(diào)試；對力、變形傳感器采用非線性校正技術(shù)，極大地提高了整機的測量精度。

該控制器的另一優(yōu)點是其完善的接口函數(shù)功能。因為該控制器是專門為電液伺服疲勞試驗機開發(fā)的，所以接口函數(shù)簡單易懂、方便操作，可以根據(jù)需求自行編寫上位機軟件，極大地節(jié)省了項目開發(fā)的周期。

3軟件程序設計

上位機軟件采用.NET平臺，不僅適用于WINXP系統(tǒng)，還可以在WIN7、WIN8等新系統(tǒng)下運行。

3.1主要試驗算法介紹

彈性元件的高頻性能測試主要包括靜剛度測試、動剛度測試、阻尼系數(shù)測試、相位角測試及掃頻試驗等，其中，靜剛度、相位角測試及掃頻等試驗與傳統(tǒng)方法相比改動較小，現(xiàn)主要介紹橢圓法動剛度測試及阻尼系數(shù)的算法。

根據(jù)中阻尼力與彈性力正交，以及傳遞力由阻尼力和彈性力合成的原則，可從共振位移及傳遞力在X-Y坐標圖上構(gòu)成的共振遲滯回線中確定動態(tài)性能參數(shù)，遲滯回線如圖1所示。

圖1　遲滯回線

(1 )動剛度

當位移最大時，速度為0，此時傳遞力FT等于彈性力KX0，動剛度按照式(1)計算：

K=FT/X0=(B·β)/(A·α)(1)

式中，A為最大位移在遲滯回線上的雙幅長度，mm；B為與最大位移對應的傳遞力在遲滯回線上的雙幅長度，mm；α為橢圓圖上橫坐標單位長度代表的位移，m/mm；β為橢圓圖上縱坐標單位長度代表的力，N/mm；FT為位移達到最大值時的傳遞力，N。

(2)阻尼系數(shù)

當產(chǎn)生共振時，阻尼力FD=jKX0,η=C/2·β，彈性力FT=KX0=B/2·β，由此得出阻尼系數(shù)計算公式：

η=FD/FT=C/B(2)

式中，C為位移達到零時傳遞力在遲滯回線上的雙幅長度，mm；FD為位移達到零時對應的傳遞力，N。

3.2基本功能說明

該系統(tǒng)上位機軟件程序在VS2010平臺下進行開發(fā)，運行環(huán)境為WINDOWS7系統(tǒng)，軟件的基本控制功能可以直接讀取控制器的接口函數(shù)，開發(fā)效率高，且非常穩(wěn)定。

(1)曲線及數(shù)表顯示

該系統(tǒng)的采樣頻率可以達到5kHz，完全滿足高頻動態(tài)試驗的要求。在試驗的過程中，可以實時觀測負荷、位移等數(shù)據(jù)的實時值和峰谷值，同時，可以按照記錄間隔時間或者記錄間隔次數(shù)對實時采樣數(shù)據(jù)及峰谷值進行記錄并存儲。

在高頻試驗過程中，還可以實時監(jiān)測各種試驗曲線，包括負荷-時間、位移-時間、負荷-位移等曲線。曲線顯示有時間模式和XY模式，時間模式多數(shù)用于動態(tài)疲勞試驗，XY模式一般用于靜態(tài)試驗，比如靜剛度試驗過程中進行檢測。

(2)函數(shù)發(fā)生器功能

控制器的接口函數(shù)為用戶提供了豐富的函數(shù)功能，包括正弦波、三角波、方波、梯形波等基礎波形，也具有疊加波、半波及自定義波形等非常規(guī)波形。在靜態(tài)控制方面，主要有位移控制和負荷控制方式兩種，可以進行平滑切換。

4結(jié)語

彈性元件高頻性能試驗系統(tǒng)的成功開發(fā)，標志著我國在彈性體高頻檢測方面取得了巨大成功，其主機結(jié)構(gòu)、高頻響伺服作動器及電液伺服控制系統(tǒng)均達到了國內(nèi)領(lǐng)先水平，使得設備的精度、可靠性及穩(wěn)定性都有了保障。該項目的成功研發(fā)，為鐵路、汽車等行業(yè)的發(fā)展提供了非常有價值的試驗設備。

參考文獻

[1]王忠勇,陳恩慶.TMS320F2812DSP原理與應用技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社,2012.

[2]成大先.機械設計手冊[M].化學工業(yè)出版社,2008.

[收稿日期]2016-03-04

[作者簡介]孫健(1983—)，男，工程師，主要研究方向：測控系統(tǒng)。

中圖分類號：TH87

文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1674-3407.2016.02.012

Design of Testing System for High Frequency Performance of Elastomer

Sun Jian, Li Manchang, Wei Renjie

(Changchun Research Institute for Mechanical Science Co., Ltd. Changchun 130103, Jilin, China)

Abstract：The design of testing system for high frequency performance of elastomer, which includes the basic structure, the core component and the software algorithm, is introduced in the paper.

Keywords:high frequency; elastomer; software algorithm