高速列車潤滑油減震器綜合性能測試試驗(yàn)臺的研制

高速列車潤滑油減震器綜合性能測試試驗(yàn)臺的研制

0減震器綜合性能測試試驗(yàn)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(shí)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(shí)驗(yàn)設(shè)備和試驗(yàn)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(yàn)臺采用機(jī)械式驅(qū)動裝置,由于運(yùn)動機(jī)構(gòu)的限制,機(jī)械式試驗(yàn)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(yàn)臺。在該高速列車油壓減震器綜合性能測試試驗(yàn)臺的研制中,我們采用了線性電液式驅(qū)動和計(jì)算機(jī)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(diǎn),減震器試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(qiáng)的線性高速電液比例閥及低摩擦系數(shù)的作動器。試驗(yàn)臺總體構(gòu)成及原理如圖1所示。2.1高頻振動試驗(yàn)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(jī)架等部分組成。試驗(yàn)臺電液伺服系統(tǒng)的原理如圖2所示,本試驗(yàn)臺通過垂向和橫向作動器的運(yùn)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(jì)算機(jī),根據(jù)一定的控制策略,計(jì)算機(jī)計(jì)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(shí)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(shí)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(yàn)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(shí)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(jì)算機(jī)主機(jī),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(yàn)臺的精度。該試驗(yàn)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(jì)算機(jī)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(jì)要求,所以在該試驗(yàn)臺設(shè)計(jì)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(yàn)高速列車油壓減震器綜合性能測試試驗(yàn)臺的測控是由軟件來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件是用VisualBasic編寫人機(jī)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(shí)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(yùn)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(shí)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(bào)表的打印等部分。試驗(yàn)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(shí)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(yùn)動。計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(jī)構(gòu)、計(jì)算機(jī)成本、精度要求等方面的因素。本試驗(yàn)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(shí)際試驗(yàn)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(yàn)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(shí)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(yùn)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(jì)算機(jī)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(yàn)臺和該高速列車用油壓減震器試驗(yàn)臺對KONI877型油壓減震器進(jìn)行了測試,實(shí)驗(yàn)表明用兩種試驗(yàn)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(yàn)臺符合設(shè)計(jì)精度等技術(shù)指標(biāo)。4采用pid開發(fā)型算法,方便實(shí)現(xiàn)高效性和穩(wěn)定性,