新型货运挂车车轴液压疲劳试验台的研制

刘 智， 胡 慧， 张涛川， 黎嘉乐， 罗文朗

(1.佛山职业技术学院 机电工程学院， 广东 佛山 528137； 2.中南大学 机电工程学院， 湖南 长沙 410083)

引言

车轴作为货运挂车底盘的重要部件，其性能直接关系到车辆运营的安全性。路况的变化、装载量的不同都决定了车轴承受的是一种交变载荷。疲劳破坏便成为车轴的主要失效形式[1],因此一些重要的零部件在研发和生产制造的过程中，需要进行疲劳寿命试验或者耐久性试验[2]，以验证车轴在使用期间的可靠性。蒋政等[3]通过重型载货汽车耐久性虚拟实验满足了对减振器支架耐久度测试的要求；吴伟斌等[4]通过系统模型构建与LabVIEW结合实现了车轴自动化检测，测试系统硬件及程序具有可移植性，为车轴性能实现实时现场检测提供借鉴；王灵龙等[5-7]通过模拟路谱技术对汽车零部件进行疲劳试验；将PID控制与电液伺服系统相结合并进行分析，对PID控制器中的参数与电液伺服系统性能的影响进行了对比分析，为PID与电液伺服系统结合的设计提供了参考[8-10]；袁才富等[11-13]通过液压伺服系统建模，对液压伺服系统的位置控制精度、响应速度进行研究，这给关键参数的数学建模提供了一定的参考。

而自2002年7月开始执行的JT/T 475—2002挂车车轴弯曲疲劳试验标准，载荷作用点是左右钢板弹簧座中心，并在各弹簧中心点施加1/2试验负荷[14]，实验原理图如图1所示。

图1 挂车车轴弯曲疲劳实验加载原理图

根据实验标准加载原理可知，这与车轴在运载过程中是承受交变载荷这一实际情况是不相符的，以这种弯曲疲劳实验数据来检测车轴疲劳性能的方法是值得商榷的。本研究通过对货运挂车车轴在实际运载过程中的受力情况进行分析后，设计制作了相应的疲劳试验台，并以不同波形作为位移输入信号开展了车轴疲劳性能的模拟测试。

1 车轴疲劳试验台结构设计

1.1 车轴受载分析

如图2所示，货运挂车在载重运载过程中会由于路面凹凸不平以及车厢货物摆放不均等原因，使得挂车底盘两侧的钢板弹簧承受着交变载荷，在极端情况下底盘两侧钢板弹簧甚至会出现较为严重的偏载。而挂车底盘钢板弹簧所承受的载荷最后全部集中作用在车轴上。因此车轴在实际运载过程中承受的是较为复杂的交变载荷。

1.货物 2.车厢 3.车轮 4.钢板弹簧 5.路面 6.车轴图2 挂车底盘结构示意图

将图2所示挂车车轴的受载情况简化为图3所示。F1,F2即为底盘钢板弹簧集中作用在车轴上的交变载荷。若车轴的刚度或强度不足，车轴会在交变载荷下出现变形、疲劳断裂等失效形式。

图3 挂车车轴力学模型

1.2 车轴加载分析

图3所示力学模型将车轴复杂的力学问题简化为：对车轴2个受力点施加交变载荷来达到同等的受力效果，同时利用伺服液压缸快速响应的特点将信号发生器生成的位移信息转换成运动学参数，后经伺服液压缸进行功率放大并作用在车轴受力点上，从而将车轴在复杂路况上的受力情况，完整的通过图4所示液压伺服疲劳试验台进行再现，从而达到对车轴疲劳性能进行快速检测的目的。

1.龙门架 2.伺服阀 3.伺服液压缸4.弹簧 5.车轴图4 疲劳试验台结构图

2 测控系统分析与设计

2.1 测控系统总体架构

测控系统主要硬件由上位工控机PC、伺服阀放大器、液压缸位移传感器组成。计算机与被控器件之间采用工业I/O板卡进行数据采集。I/O板卡选用16位高分辨率数据采集卡PCI-1716 (16路模拟量输入和2路光电隔离型模拟量输出) ，伺服阀放大器为MKZ80ZB，液压缸位移传感器选用AMT内置式磁致伸缩位移传感器，具体型号为RHMS-0200M-D60-A10。采集卡的模拟输入端实现液压缸位移信号采集，采集卡的模拟量输出通道输出电压信号到伺服阀放大器控制伺服阀。测控系统硬件原理如图5所示。

图5 控制系统原理图

2.2 加载位移方程

疲劳试验台的液压缸控制方式为位移反馈控制，加载力F与弹簧压缩位移Δx成比例，其传递函数可用弹簧弹性系数K/N·mm-1表示，即:

(1)

弹簧弹性系数方程为：

(2)

式中,G为线材的刚性模数；d为弹簧线径；D0为弹簧外径；Nc=N-2,为有效圈数；N为总圈数。

液压缸推力方程为:

F=3.14×(D/2)2×p

(3)

式中，D为液压缸内径；p为液压系统工作压力。

根据式(1)～式(3)得试验机加载方程为：

(4)

式中， Δx为弹簧台架压缩位移；n为弹簧台架弹簧数量。

2.3 位移传感器的传递函数

本系统中设定位移传感器的最大量程与油缸活塞伸出的最大距离(200 mm)相等。由于该量程所对应位移传感器的输出电压范围是0～10 V,所以位移传感器传递函数为:

(5)

2.4 伺服放大器与伺服阀力矩马达线圈传递函数

当采用电流负反馈放大器时，由于力矩马达线圈的转折频率很高，可以忽略。伺服放大器输出电流Δi与输入电压ug近似成比例。其传递函数可用伺服放大器增益Ka表示，即:

(6)

2.5 电液伺服阀传递函数

伺服阀是位置闭环控制系统的核心元件，通过实时控制伺服阀来控制液压缸的流量，以达到活塞杠的伸缩量，其简化数学模型为二阶振荡环节系统。

(7)

式中,Ksv为伺服阀的流量增益；Q0为伺服阀的空载流量；ωsv为伺服阀的固有频率；ζsv为伺服阀的阻尼比。

2.6 液压缸流量平衡方程

流量线性化方程为：

QL=KqΔxv-KcΔpL

(8)

流量连续性方程为：

(9)

式中，QL为负载流量； Δxv为阀芯输入位移变化量；Kc为流量-压力比例系数；Kq为流量增益；Ap为活塞作用面积；xp为活塞位移；V1为活塞进油腔体积；pL为滑阀负载压力；βc为液压油体积模量；Ctp为液压缸泄漏系数。

2.7 液压缸负载的力平衡方程

Fg=Ap(p1-p2)=AppL

(10)

式中，Mt为活塞和负载的总质量；Bp为活塞及负载的黏性阻尼系数；FL为作用在活塞上的任意外负载力；Fg为液压缸产生的驱动力。

将式(8)～式(10)进行拉氏变换，在忽略黏性摩擦系数、弹性负载和弹性模量的条件下，并把Ap=3.12×10-3m2,Mt=2.73 kg,Kce=4.6×10-11代入G(s)的表达式得液压缸的传递函数:

(11)

a=2.4845×107，b=7.7508×104

式中，Kce为总流量压力系数，Kce=Kc+Ctp。

2.8 试验台测控系统编程

测控软件为该疲劳试验台控制部分的核心，本系统采用LabVIEW软件进行程序开发，LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。该程序采用生产者消费者模式将输入和输出分开处理。生产者循环可以产生任意波形信号输出，消费者循环进行数据采集与处理。该模式大幅提高了数据采集与处理的效率,也提高了程序的可读性、扩展性、维护性和复用性。

2.9 程序主界面

主界面可以选择控制模式，设置PID参数和模拟信号参数。液压缸对车轴加载的位移量和加载次数、输出的模拟波形信号、位移传感器的反馈信号在其主界面显示，如图6所示。

图6 程序前面板

程序分为手动控制与自动控制。手动控制主要是用于调整车轴与活塞杆的位置，以便实验的进行。自动控制只需将参数设定好之后程序会自动输出模拟信号至PID控制的设定值。

通过数据采集卡将采集到的位移传感器反馈数据送入上位机，通过PID控制将生产者循环产生的模拟波形与反馈数据进行分析处理，然后PID输出信号控制液压缸运行。

3 测试系统集成与实验分析

为了检验试验台在模拟不同路况时对车轴加载的控制精度及响应特性，在图4所示疲劳试验台结构的基础上制作了试验台样机。

挂车车轴疲劳实验台样机如图7所示，包括龙门架、双喷嘴挡板电液伺服阀、磁致伸缩位移传感器、液压缸，弹簧、泵站以及管路等部分。在完成试验台的电液系统装调后，对试验台进行初步打压试验：用2个伺服液压缸将两侧4个弹簧均压到极限位置时，压力表读数接近8 MPa， 以此确定液压伺服系统的工作压力为0～8 MPa。根据打压数据选用输出压力0～10 MPa的液压泵站，并配置换向阀。油压调节采用先导式溢流阀，型号DB-10-1-50/315，压力设定为10 MPa。流量调节采用叠加式节流阀，型号为MTCV-03W。

图7 疲劳试验台样机

在样机的机电液部分装调结束以后开展本试验台的性能测试。实验通过对左右两缸输入不同波形，左缸输入信号采用正弦波以模拟坑洼路况，右缸输入信号为半波以模拟凸起路况。在综合分析了车轴疲劳性能测试要求以及系统的相应特性后，试验台输入信号频率为1 Hz。然后将两缸的输入输出信号采集处理后用Origin绘图软件将输入的理论数据和输出的实验数据进行对比，结果如图8、图9所示。

图8 左液压缸输出、输入信号对照图

图9 右液压缸输出、输入信号对照图

通过实验结果可以看出，试验台加的载液压缸能较好的对输入信号进行跟踪。但由于存在一定的外部干扰，同时PID控制的特性可能也并没有处在最佳位置，实际曲线与理论曲线之间仍存在一定的误差。通过对比理论数据跟实际数据发现，2组数据的最大误差为6.63%，平均误差为2.41%。但是对于车轴的疲劳试验来说，这个数量级的误差对车轴的疲劳性能指标的影响几乎可以忽略。

4 结论

在分析了货运挂车车轴在实际运载过程中的受载情况后，设计并制作了一套车轴疲劳性能测试试验台，并结合相关硬件和LabVIEW图形化编程软件编写了试验台的控制程序，同时对试验台样机的控制精度和响应特性进行了模拟路况下的检测试验。实验结果表明：试验台能较好的对输入信号进行跟踪，控制精度及响应特性基本满足车轴疲劳性能试验的要求。同时，本试验台在加入压力传感器后还能对车轴进行指定载荷下的疲劳试验。该试验台对于车轴生产企业具有较好的工程应用价值。