油气悬挂减震器性能试验台的研发

2022-08-23 01:42侯小华王起新

机械工程与自动化 2022年4期

侯小华，高丹，王起新

(1.广州市新欧机械有限公司，广东广州 510530；2.广东科技学院外国语学院，广东东莞 523079)

0 引言

油气悬挂减震器即油气弹簧悬挂，通常是以氮气或者其他惰性气体作为弹性介质，以液体(通常为液压油)作为传力介质。油气悬挂减震器与其他的悬挂相比，具有优越的非线型弹性特性、良好的减震性能、单位蓄能比大、结构紧凑及通过相应的控制系统可调节车辆姿态等显著优点[1]。油气悬挂适用于工作环境恶劣及载荷较大的重型车辆，在高级轿车、军事车辆及重型工程机械中也具有广泛应用[2]。

与传统减震器相比，油气悬挂减震器系统具有单位储能比大、刚度非线性等诸多优点，因此，它一直是一些重型机械、车辆工程研究人员的重点研究对象。目前，国内外用于测试油气悬挂系统特性的试验台较少[3]，对研究、设计性能更优良的油气悬挂系统不利。为此，本文设计了一种油气悬挂减震器性能试验台，用于产品的研发以及性能测试。

1 油气悬挂减震器性能试验台测试需求及结构组成

目前油气悬挂减震器在工程机械中没有对应的行业标准，性能测试需求参照同行业的标准TB/T 1491-2015《机车车辆油压减振器》和GB/T 15622-2005《液压缸试验方法》以及被测试件的具体工况来确定，通常测试项目包括：试运转及静压试验、循环加载试验和泄漏试验等。

根据油气悬挂减震器性能测试需求，经过硬件、软件的集成，构成了整个油气悬挂减震器试验台，主要包括液压动力单元、油气减震器加载台架、测试和控制操作台。工作中的油气悬挂减震器性能试验台如图1所示，试验台性能指标如表1所示。

针对测试需求，本文分别从液压系统设计、测试系统构建和软件系统设计三部分进行试验台的设计研发。

2 液压系统设计

为满足油气悬挂减震器的测试工况要求，液压系统主要包括伺服加载回路、调整油缸回路和油温控制回路。由于油气悬挂减震器长期在试验台上做性能测试,需要控制系统温升，为防止油液温度过高黏度下降导致测试台各液压元件泄漏量增大，所以，油温控制回路设计有风冷却器；油气悬挂减震器需要稳定的高频伺服加载，所以，液压系统还设计有为伺服加载回路补油的蓄能器组。油气悬挂减震器试验台液压原理图如图2所示。

图1 工作中的油气悬挂减震器性能试验台

表1 试验台性能指标

伺服加载回路中，主电机2驱动主泵1提供动力油源给伺服阀11，伺服阀11控制加载伺服缸14提供加载力施加给被测试油气悬挂减震器15。此过程中，压力传感器8.2或者8.3来检测加载伺服缸14的进油或者回油压力，位移传感器16检测加载伺服缸14的行程，力传感器17来检测加载伺服缸14的推拉力；蓄能器组24设计在伺服阀P口油路上，起稳定主油路压力的作用。

1-主泵;2-主电机;3-循环泵;4-循环电机;5-单向阀;6-管路过滤器;7-压力表;8-压力传感器;9-比例溢流阀;10-换向阀;11-伺服阀;12-液压锁;13-顶升油缸;14-加载伺服缸;15-被测试油气悬挂减震器;16-位移传感器;17-力传感器;18-冷却器;19-截止阀;20-单向节流阀;21-液位计;22-吸油过滤器;23-油箱;24-蓄能器组图2 油气悬挂减震器试验台液压原理图

调整油缸回路由主油路供油，由换向阀10控制顶升油缸13.1和13.2来调整安装块的高度，在更换不同尺寸的被测试油气悬挂减震器时，整个移动伺服加载回路以匹配安装高度。

油温控制回路有两个作用，独立的循环泵组3提供油源，经过过滤器6.5、6.4和6.3实现从粗到精的过滤，经过冷却器18来实现温度控制。

3 测控系统构建

试验台的测控系统包括电气控制系统、数据采集和测量显示系统。硬件构成主要有：研华工控机、西门子PLC、传感器、数据采集卡和比例放大器等。试验台控制分为上位机和下位机，分别采用研华工控机和西门子PLC系列，上、下位机的通信采用以太网通信。

电气控制系统主要由电气安装柜、控制台等组成。控制台上设有显示器、操作按钮等，可方便地设置参数和操作。主电路为交流380 V,控制电路为直流24 V，电机变频启动。试验台各元件的动作逻辑、安全互锁与时序都由西门子PLC控制，可实现试验所要求的各项动作和安全防护设置，以及自动控制、自动记录等功能。

数据采集和测量显示系统主要由显示器、上位机、NI采集卡、接口模块、传感器及数显指示仪表和操作台等组成，测量和采集耐压试验压力、加载力、循环往复次数、行程位置和油液温度等数据，完成对试验数据的采集、处理及资料的存储。在显示器上能实现各参数的设置，各电机采用节能模式运行，可由PLC程序控制启停；在操作面板上能实现手动操作与自动操作的切换；声光报警用于过滤器堵塞报警，设备警示灯用于显示设备实时运行的状态，可视化的设计可以让操作员一目了然地看到设备运行情况；可以按照相关画面的提示进行维修、维护检查，核对各项动作所对应的执行元件的工作情况。

数据采集卡(模块)与工控机通过PCI总线进行通信[4]。电气控制柜需具有通风冷却功能，设计有专用工业线槽，保证了强、弱电隔离。各传感器和仪表的信号线采用带屏蔽的通讯电缆，进出控制柜的电缆通过全封闭的工业航空插座引入，信号线和强电分离，以提高整个测控系统的抗干扰能力及信号传输的稳定性。测控系统框图如图3所示。

图3 测控系统框图

4 测试系统软件设计

试验台的软件具有自主知识产权，是基于NI的Labview平台进行二次开发的软件，其秉承了Labview的优点：人机交互友好，界面简洁明了[5]。测控软件有两种模式：按测试项目逐个手动测试和多个测试项目全自动测试。在自动模式下，系统自动执行测试工艺流程，自动判断每个测试项目是否合格，自动保存每台被测试产品的相关过程及判定数据。

油气悬挂减震器性能试验台主界面如图4所示，包含产品基本信息区、试验参数设置区域、曲线显示区、主泵控制区、伺服阀位置调零、冷却控制、状态指示灯显示区和按钮区。

图4 油气悬挂减震器性能试验台主界面

5 试验台性能测试

试验台搭建好后，对被测试油气悬挂减震器进行了相应的性能试验。主要包括：试运转及静压试验、循环加载试验和泄漏试验。

5.1 泄漏试验

进行性能试验前，做泄漏试验，按照油缸试验方法对被测试油气悬挂减震器进行保压试验，检测内外泄漏情况。

5.2 试运转及静压试验

安装好被试件后，启动试验系统，调整试验压力，使用加载缸对被试油缸进行加载，下压油缸使加载力达到规定值30 t，回缩至自由状态，往复5次，两端各保持10 s；观察油缸运行情况，是否有外泄漏、卡滞、爬行等不正常现象。试运行及静压试验按设定的往复次数自动完成。

5.3 循环加载试验

试运转及静压试验后，压缩油缸至规定位置，根据甲方提供的试验参数(最大加载速度660 mm/s、加载力30 t、1 Hz～3 Hz动态加载、每个工况往复50次)进行循环加载试验，自动采集、加载、显示、保存，得到的位移、速度和加载力随时间的变化曲线、速度-加载力曲线(阻尼特性)、位移-加载力曲线(刚度特性)如图5～图13所示。