油氣懸掛減震器性能試驗臺的研發(fā)

侯小華，高 丹，王起新

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

0 引言

油氣懸掛減震器即油氣彈簧懸掛，通常是以氮氣或者其他惰性氣體作為彈性介質，以液體(通常為液壓油)作為傳力介質。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、結構緊湊及通過相應的控制系統(tǒng)可調(diào)節(jié)車輛姿態(tài)等顯著優(yōu)點[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械中也具有廣泛應用[2]。

與傳統(tǒng)減震器相比，油氣懸掛減震器系統(tǒng)具有單位儲能比大、剛度非線性等諸多優(yōu)點，因此，它一直是一些重型機械、車輛工程研究人員的重點研究對象。目前，國內(nèi)外用于測試油氣懸掛系統(tǒng)特性的試驗臺較少[3]，對研究、設計性能更優(yōu)良的油氣懸掛系統(tǒng)不利。為此，本文設計了一種油氣懸掛減震器性能試驗臺，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臺測試需求及結構組成

目前油氣懸掛減震器在工程機械中沒有對應的行業(yè)標準，性能測試需求參照同行業(yè)的標準TB/T 1491-2015《機車車輛油壓減振器》和GB/T 15622-2005《液壓缸試驗方法》以及被測試件的具體工況來確定，通常測試項目包括：試運轉及靜壓試驗、循環(huán)加載試驗和泄漏試驗等。

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，構成了整個油氣懸掛減震器試驗臺，主要包括液壓動力單元、油氣減震器加載臺架、測試和控制操作臺。工作中的油氣懸掛減震器性能試驗臺如圖1所示，試驗臺性能指標如表1所示。

針對測試需求，本文分別從液壓系統(tǒng)設計、測試系統(tǒng)構建和軟件系統(tǒng)設計三部分進行試驗臺的設計研發(fā)。

2 液壓系統(tǒng)設計

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臺上做性能測試,需要控制系統(tǒng)溫升，為防止油液溫度過高黏度下降導致測試臺各液壓元件泄漏量增大，所以，油溫控制回路設計有風冷卻器；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)還設計有為伺服加載回路補油的蓄能器組。油氣懸掛減震器試驗臺液壓原理圖如圖2所示。

圖1 工作中的油氣懸掛減震器性能試驗臺

表1 試驗臺性能指標

伺服加載回路中，主電機2驅動主泵1提供動力油源給伺服閥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設計在伺服閥P口油路上，起穩(wěn)定主油路壓力的作用。

1-主泵;2-主電機;3-循環(huán)泵;4-循環(huán)電機;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;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臺液壓原理圖

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，整個移動伺服加載回路以匹配安裝高度。

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

3 測控系統(tǒng)構建

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

電氣控制系統(tǒng)主要由電氣安裝柜、控制臺等組成?？刂婆_上設有顯示器、操作按鈕等，可方便地設置參數(shù)和操作。主電路為交流380 V,控制電路為直流24 V，電機變頻啟動。試驗臺各元件的動作邏輯、安全互鎖與時序都由西門子PLC控制，可實現(xiàn)試驗所要求的各項動作和安全防護設置，以及自動控制、自動記錄等功能。

數(shù)據(jù)采集和測量顯示系統(tǒng)主要由顯示器、上位機、NI采集卡、接口模塊、傳感器及數(shù)顯指示儀表和操作臺等組成，測量和采集耐壓試驗壓力、加載力、循環(huán)往復次數(shù)、行程位置和油液溫度等數(shù)據(jù)，完成對試驗數(shù)據(jù)的采集、處理及資料的存儲。在顯示器上能實現(xiàn)各參數(shù)的設置，各電機采用節(jié)能模式運行，可由PLC程序控制啟停；在操作面板上能實現(xiàn)手動操作與自動操作的切換；聲光報警用于過濾器堵塞報警，設備警示燈用于顯示設備實時運行的狀態(tài)，可視化的設計可以讓操作員一目了然地看到設備運行情況；可以按照相關畫面的提示進行維修、維護檢查，核對各項動作所對應的執(zhí)行元件的工作情況。

數(shù)據(jù)采集卡(模塊)與工控機通過PCI總線進行通信[4]。電氣控制柜需具有通風冷卻功能，設計有專用工業(yè)線槽，保證了強、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，信號線和強電分離，以提高整個測控系統(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)軟件設計

試驗臺的軟件具有自主知識產(chǎn)權，是基于NI的Labview平臺進行二次開發(fā)的軟件，其秉承了Labview的優(yōu)點：人機交互友好，界面簡潔明了[5]。測控軟件有兩種模式：按測試項目逐個手動測試和多個測試項目全自動測試。在自動模式下，系統(tǒng)自動執(zhí)行測試工藝流程，自動判斷每個測試項目是否合格，自動保存每臺被測試產(chǎn)品的相關過程及判定數(shù)據(jù)。

油氣懸掛減震器性能試驗臺主界面如圖4所示，包含產(chǎn)品基本信息區(qū)、試驗參數(shù)設置區(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臺主界面

5 試驗臺性能測試

試驗臺搭建好后，對被測試油氣懸掛減震器進行了相應的性能試驗。主要包括：試運轉及靜壓試驗、循環(huán)加載試驗和泄漏試驗。

5.1 泄漏試驗

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

5.2 試運轉及靜壓試驗

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

5.3 循環(huán)加載試驗

試運轉及靜壓試驗后，壓縮油缸至規(guī)定位置，根據(jù)甲方提供的試驗參數(shù)(最大加載速度660 mm/s、加載力30 t、1 Hz～3 Hz動態(tài)加載、每個工況往復50次)進行循環(huán)加載試驗，自動采集、加載、顯示、保存，得到的位移、速度和加載力隨時間的變化曲線、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、速度和加載力隨時間的變化曲線

圖9 2 Hz速度-加載力曲線(阻尼特性)

6 結論

本文設計的油氣懸掛減震器試驗臺的測控系統(tǒng)基于LabVIEW平臺開發(fā)，在自動模式下整個測試與控制流程由系統(tǒng)自主完成，能對各種信號進行記錄、分析處理及顯示，并且形成測試報告，便于操作者做出直觀、清晰、準確的判斷。試驗結果表明試驗臺測試性能穩(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)