高速列車潤滑油減震器綜合性能測試試驗臺的研制

高速列車潤滑油減震器綜合性能測試試驗臺的研制

0減震器綜合性能測試試驗彈簧減壓器是列車衰減的重要部件之一。特別是在我國鐵路實行全面提速以后,列車的安全性和舒適性要求成為提速的一大難題。針對高速列車的需求我國正在研發(fā)各種高速油壓減震器,但是由于現(xiàn)有實驗設(shè)備和試驗方法的限制,不能進(jìn)行高速減震器的綜合性能測試,從而限制了減震器的進(jìn)一步開發(fā)和性能指標(biāo)的把握。如目前我國普遍使用的J95型試驗臺采用機械式驅(qū)動裝置,由于運動機構(gòu)的限制,機械式試驗臺只能進(jìn)行低頻簡諧振動測試,無法滿足高速減震器的性能測試要求。高速列車減震器的國產(chǎn)化進(jìn)程必須依靠先進(jìn)可靠的減震器性能測試設(shè)備,為此西南交通大學(xué)新型驅(qū)動技術(shù)中心與株洲聯(lián)誠集團(tuán)有限責(zé)任公司聯(lián)合研制了EHHD-37-H-10型高速列車油壓減震器綜合性能測試試驗臺。在該高速列車油壓減震器綜合性能測試試驗臺的研制中,我們采用了線性電液式驅(qū)動和計算機控制技術(shù)。由于線性電液系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、負(fù)荷剛度大、控制功率大等優(yōu)點,減震器試驗臺的測試頻率為0.01～10Hz,測試速度為0.005～0.4m/s,達(dá)到了預(yù)期的效果。1測試平臺的主要技術(shù)2試驗臺的分析比較為了達(dá)到上述性能指標(biāo),并滿足性能價格比的合理匹配,通過對目前國內(nèi)外各種試驗臺的分析比較,我們采用了響應(yīng)頻率高、噪聲小、控制精度高、抗污染性能強的線性高速電液比例閥及低摩擦系數(shù)的作動器。試驗臺總體構(gòu)成及原理如圖1所示。2.1高頻振動試驗本電液系統(tǒng)由伺服放大器、電液高速線性比例閥、作動器、液壓泵站、垂向/橫向測試機架等部分組成。試驗臺電液伺服系統(tǒng)的原理如圖2所示,本試驗臺通過垂向和橫向作動器的運動來模擬列車的振動狀態(tài)。位移傳感器通過模數(shù)轉(zhuǎn)換卡把作動器的振動信號輸入到計算機,根據(jù)一定的控制策略,計算機計算出數(shù)字控制電壓信號,并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換卡輸出相應(yīng)的模擬控制電壓信號;模擬控制電壓信號經(jīng)過伺服放大器進(jìn)行功率放大,在控制信號的作用下垂向或橫向作動器可以實現(xiàn)任意波形的振動,并可以模擬軌道譜振動。電液系統(tǒng)能否實現(xiàn)高頻振動關(guān)鍵在于高性能的電磁閥,即取決于電磁閥的動態(tài)響應(yīng)特性。該試驗臺采用了日本YUKEN生產(chǎn)的LSVG-03-60-10型高速線性比例閥,該電磁閥的響應(yīng)頻率高達(dá)450Hz,流量為60L/min。高速線性比例閥的控制信號為±5I(V)的直流或交流電壓,對應(yīng)于閥芯的正負(fù)開口,因此通過改變控制信號的大小和符號可以改變振動速度和方向,實現(xiàn)減震器的壓縮和拉伸模擬。2.2控制體系的組成和原理2.2.1a/d,d/a轉(zhuǎn)換卡的檢測能力該部分包括計算機主機,顯示器,A/D數(shù)據(jù)采集卡,D/A轉(zhuǎn)換卡,接線板,力傳感器,位移傳感器以及各種連接線。在線測控離不開各種傳感器,傳感器是檢測各種輸出信號的標(biāo)尺。傳感器的精度、響應(yīng)頻率及量程決定了試驗臺的精度。該試驗臺采用了兩個位移傳感器和兩個力傳感器,分別檢測垂向、橫向減震器的位移及阻尼力信號。另外A/D,D/A轉(zhuǎn)換卡是連接液壓系統(tǒng)和計算機系統(tǒng)的橋梁。與位移傳感器的量程(10V電壓對應(yīng)300mm的位移)相結(jié)合,轉(zhuǎn)換卡的分辨率為2×10212=0.0048(V)2×10212=0.0048(V)時位移分辨率可達(dá)0.144mm,足以滿足系統(tǒng)設(shè)計要求,所以在該試驗臺設(shè)計中選擇了分辨率分別為12位和14位的轉(zhuǎn)換卡,轉(zhuǎn)換頻率為10kHz。2.2.2數(shù)字pid控制試驗高速列車油壓減震器綜合性能測試試驗臺的測控是由軟件來實現(xiàn)。系統(tǒng)軟件是用VisualBasic編寫人機交互界面和后臺數(shù)據(jù)處理程序,并調(diào)用數(shù)據(jù)采集卡的DLL進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時采集,用OLE技術(shù)建立ACCESS數(shù)據(jù)庫,在Win2000操作系統(tǒng)上運行。測控軟件的解決方案如圖3所示。整個軟件的編寫充分吸收虛擬儀器技術(shù)思想,建立了直觀又簡潔的操作界面。其主要功能模塊有系統(tǒng)設(shè)置模塊、數(shù)據(jù)采集及處理模塊、數(shù)字控制器模塊和數(shù)據(jù)分析模塊?？刂葡到y(tǒng)包括啟動密碼輸入,初始狀態(tài)檢測,數(shù)字濾波,曲線平滑,數(shù)字信號發(fā)生器,A/D數(shù)據(jù)采集卡與D/A轉(zhuǎn)換卡的設(shè)置,數(shù)字控制器(PID控制),實時狀態(tài)顯示,數(shù)據(jù)分析及保存,示功圖繪制與保存,測試報表的打印等部分。試驗臺的控制采用了雙閉環(huán)控制,大閉環(huán)控制是通過軟件來實現(xiàn),而電液比例閥的內(nèi)閉環(huán)由伺服放大器來完成,其原理如圖5所示。參考速度v0(k)與第k次減震器的速度信號v(k)之間的偏差值e(k),經(jīng)過控制器得到控制信號u(k),該控制量改變電液比例閥閥芯開度,使減震器按規(guī)定的速度和位移運動。計算機控制是對一個離散連續(xù)系統(tǒng)的測試與控制過程,因此采樣頻率愈高離散信號愈接近模擬輸入信號。如果采樣頻率過高會增加計算機的負(fù)擔(dān),所以不僅要滿足采樣定理,還要綜合考慮控制品質(zhì)、執(zhí)行機構(gòu)、計算機成本、精度要求等方面的因素。本試驗臺控制中我們選擇了400Hz的采樣頻率。傳統(tǒng)的PID控制器在實際試驗中其微分作用并不理想,特別是系統(tǒng)具有高頻擾動時,如果微分作用響應(yīng)過于靈敏會容易引起控制過程振蕩,因此本試驗臺控制系統(tǒng)中對理想PID控制進(jìn)行了一些改進(jìn),在原來控制器后面增加了一階慣性環(huán)節(jié)G(s)=1/(Tfs+1),其表達(dá)式為Δu(k)=aΔu(k?1)+(1?a)Δuˉ(k)Δu(k)=aΔu(k-1)+(1-a)Δuˉ(k)式中:a=Tf/(T0+Tf);Δuˉ(k)=Kp{Δe(k)+T0Tie(k)+TdT0[Δe(k)?Δe(k?1)]}Δuˉ(k)=Κp{Δe(k)+Τ0Τie(k)+ΤdΤ0[Δe(k)-Δe(k-1)]};Kp為理想控制器比例系數(shù);Ti為理想控制器積分系數(shù);Td為理想控制器微分系數(shù);Tf為一階微分系數(shù);T0為采樣周期。3koni減震器綜合性能測試測試過程中經(jīng)常存在噪聲等干擾信號,影響正常的控制和分析,因此控制過程中還采用了硬件濾波和數(shù)字濾波。對采樣信號的實時數(shù)字濾波,有效消除了外部干擾,提高了信號的有效性。濾波前后的速度曲線如圖6所示。高速列車的振動經(jīng)常近似看作是簡諧運動,所以一般用測試速度按正弦規(guī)律變化時的振動信號檢測減震器綜合性能。為了模擬振動環(huán)境,計算機輸出對應(yīng)于速度的電壓信號v0=vmsin(2πfkT0),其中k表示第k次采樣,vm表示速度最大值,f表示激振頻率,T0表示采樣周期。當(dāng)控制器系數(shù)Kp=1.3、Ti=0.24、Td=1.25、Tf=2.25時,對KONI減震器進(jìn)行綜合性能測試,名義速度vm=0.51m/s,名義位移sm=16mm,激振頻率f=0.51Hz,測試結(jié)果如圖7所示。測試結(jié)果表明測試速度曲線與參考速度曲線基本上重合,其跟蹤效果達(dá)到預(yù)期指標(biāo)。另外我們分別用德國薩克斯油壓減震器試驗臺和該高速列車用油壓減震器試驗臺對KONI877型油壓減震器進(jìn)行了測試,實驗表明用兩種試驗臺測試的位移-阻尼力示功圖(圖8)和速度-阻尼力示功圖(圖9)完全吻合,證明了該試驗臺符合設(shè)計精度等技術(shù)指標(biāo)。4采用pid開發(fā)型算法,方便實現(xiàn)高效性和穩(wěn)定性,