弹性元件高频性能试验系统设计

孙　健，李满昌，魏仁杰

(长春机械科学研究院有限公司，吉林 长春 130103)



弹性元件高频性能试验系统设计

孙健，李满昌，魏仁杰

(长春机械科学研究院有限公司，吉林 长春 130103)

摘要：主要介绍了弹性元件高频性能检测系统的设计，包括该系统的基本结构、核心部件及相关的软件算法。

关键词：高频；弹性元件；软件算法

1引言

本文所说的弹性元件，主要包括铁路上应用的弹性垫板、弹条扣件及汽车发动机的减振橡胶垫等。随着铁路及汽车行业的快速发展，弹性元件性能的检测越来越多，要求也越来越高，对质量的监督检查也更加严格。该类产品要求的检测项目较多，要求频率很高，最高可达到近1000Hz。目前，国内的弹性元件高频试验机基本都需要进口。

在经过多种理论研究及实际测试后，长春机械科学研究院有限公司设计研发了弹性元件高频性能试验系统，填补了国内该行业的空白。本文主要介绍了该系统的主要结构及软件算法，该产品已经得到了很多国内用户的认可。

2系统主要结构介绍

弹性体高频试验机采用电液伺服闭环控制原理，伺服作动器采用中德合资共同研制的高频响伺服作动器，具有反应速度快、灵敏度高、频带宽等特点。控制器采用电液伺服高频试验机专用控制系统，可以进行负荷及位移控制试验，工作平稳可靠。弹性体高频试验机采用高刚度双立柱结构，加工制造技术成熟，成本较低，具有很强的市场竞争力。

2.1主机性能及结构

主机采用双立柱结构，通过液压机构无级调节试验空间，弹性方式锁紧牢固可靠。主机单元主要包括主机框架、高频响伺服作动器、夹具及伺服阀等部分。

由于该试验要求频率范围较宽，需要0.01Hz到150Hz，所以主机框架结构设计尤为重要。主机框架是整个设备的承力结构，刚度的好坏直接影响到整个系统的动态工作特性。该框架为高刚度、高固有频率的双立柱结构，立柱间距尽量缩小，由上横梁、工作台及立柱组成了封闭受力框架。活动横梁可由两侧的升降油缸控制移动，横梁停止时，由高压油驱动油缸锁紧横梁，整个控制方式采用电液伺服专用的升降锁紧控制模块，稳定可靠。

配合主机框架的另一主要部件为高频响伺服作动器。一般的国产作动器试验频率小于100Hz，没办法满足该试验系统的高频要求。该作动器是长春机械科学研究院有限公司与德国合作开发，并且已经可以达到国产化，作动器空载下频率可以达到将近300Hz，代表了国内作动器的顶尖水平。

2.2控制系统

本文所使用的控制系统为电液伺服疲劳试验机专用控制器。该控制器已经在国内得到了广泛的应用及认可，并且经过多年的实践，其稳定性、可靠性及控制精度等核心功能都日趋完善。控制器的采样频率可以达到5kHz，控制器频率可以达到200Hz，并且采用双闭环控制方式，可以很好地弥补液压系统在高频下的控制困难等问题。

控制器主要技术指标如下：通信处理器的CPU主频为133MHz；控制处理器采用TI 32位处理器，主频为150MHz；驱动接口采用16位模拟输出接口，且可以数字输出；通过以太网或USB通信；8通道总线扩展插槽，用于功能扩展；两个串行通信口，用于通信和调试；对力、变形传感器采用非线性校正技术，极大地提高了整机的测量精度。

该控制器的另一优点是其完善的接口函数功能。因为该控制器是专门为电液伺服疲劳试验机开发的，所以接口函数简单易懂、方便操作，可以根据需求自行编写上位机软件，极大地节省了项目开发的周期。

3软件程序设计

上位机软件采用.NET平台，不仅适用于WINXP系统，还可以在WIN7、WIN8等新系统下运行。

3.1主要试验算法介绍

弹性元件的高频性能测试主要包括静刚度测试、动刚度测试、阻尼系数测试、相位角测试及扫频试验等，其中，静刚度、相位角测试及扫频等试验与传统方法相比改动较小，现主要介绍椭圆法动刚度测试及阻尼系数的算法。

根据中阻尼力与弹性力正交，以及传递力由阻尼力和弹性力合成的原则，可从共振位移及传递力在X-Y坐标图上构成的共振迟滞回线中确定动态性能参数，迟滞回线如图1所示。

图1　迟滞回线

(1 )动刚度

当位移最大时，速度为0，此时传递力FT等于弹性力KX0，动刚度按照式(1)计算：

K=FT/X0=(B·β)/(A·α)(1)

式中，A为最大位移在迟滞回线上的双幅长度，mm；B为与最大位移对应的传递力在迟滞回线上的双幅长度，mm；α为椭圆图上横坐标单位长度代表的位移，m/mm；β为椭圆图上纵坐标单位长度代表的力，N/mm；FT为位移达到最大值时的传递力，N。

(2)阻尼系数

当产生共振时，阻尼力FD=jKX0,η=C/2·β，弹性力FT=KX0=B/2·β，由此得出阻尼系数计算公式：

η=FD/FT=C/B(2)

式中，C为位移达到零时传递力在迟滞回线上的双幅长度，mm；FD为位移达到零时对应的传递力，N。

3.2基本功能说明

该系统上位机软件程序在VS2010平台下进行开发，运行环境为WINDOWS7系统，软件的基本控制功能可以直接读取控制器的接口函数，开发效率高，且非常稳定。

(1)曲线及数表显示

该系统的采样频率可以达到5kHz，完全满足高频动态试验的要求。在试验的过程中，可以实时观测负荷、位移等数据的实时值和峰谷值，同时，可以按照记录间隔时间或者记录间隔次数对实时采样数据及峰谷值进行记录并存储。

在高频试验过程中，还可以实时监测各种试验曲线，包括负荷-时间、位移-时间、负荷-位移等曲线。曲线显示有时间模式和XY模式，时间模式多数用于动态疲劳试验，XY模式一般用于静态试验，比如静刚度试验过程中进行检测。

(2)函数发生器功能

控制器的接口函数为用户提供了丰富的函数功能，包括正弦波、三角波、方波、梯形波等基础波形，也具有叠加波、半波及自定义波形等非常规波形。在静态控制方面，主要有位移控制和负荷控制方式两种，可以进行平滑切换。

4结语

弹性元件高频性能试验系统的成功开发，标志着我国在弹性体高频检测方面取得了巨大成功，其主机结构、高频响伺服作动器及电液伺服控制系统均达到了国内领先水平，使得设备的精度、可靠性及稳定性都有了保障。该项目的成功研发，为铁路、汽车等行业的发展提供了非常有价值的试验设备。

参考文献

[1]王忠勇,陈恩庆.TMS320F2812DSP原理与应用技术[M].电子工业出版社,2012.

[2]成大先.机械设计手册[M].化学工业出版社,2008.

[收稿日期]2016-03-04

[作者简介]孙健(1983—)，男，工程师，主要研究方向：测控系统。

中图分类号：TH87

文献标识码：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