蔡華鋒 胡斌 廖立橋 胡鋼

（1. 湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，武漢 430068；2. 廣州市黃埔區(qū)博思格建筑鋼結(jié)構(gòu)有限公司，廣州 510530）

0 引言

近年來，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的鏈?zhǔn)秸龝r(shí)傳動(dòng)越來越廣泛地采用鏈傳動(dòng)系統(tǒng)，其尺寸緊湊，高穩(wěn)定性、高耐磨性的顯著特征是齒輪傳動(dòng)和帶傳動(dòng)所不具備的，顯示了其廣闊的應(yīng)用前景。為了滿足汽車鏈主動(dòng)鏈輪的高轉(zhuǎn)速特性（常規(guī)工作轉(zhuǎn)速為4500-10000 r／min），車輛怠速、加速、減速等交變速度過程中的高沖擊，以及傳動(dòng)系統(tǒng)的長時(shí)間高溫、高壓的環(huán)境挑戰(zhàn)，鏈傳動(dòng)系統(tǒng)必須配備高可靠性的汽車張緊器。因而，汽車張緊器的性能直接關(guān)系到車輛與駕駛者的安全，其動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的檢測(cè)也便成為了鏈傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)加工過程中必須解決的一項(xiàng)關(guān)鍵性技術(shù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于汽車張緊器通常在高溫、高壓的工作環(huán)境下，長時(shí)間進(jìn)行高速直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，廠家需要對(duì)抽檢樣品進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)，模擬其在特定工況下長時(shí)間的運(yùn)行，然后檢測(cè)疲勞試驗(yàn)后的剩余彈力。本系統(tǒng)通過向張緊器腔體通入一定溫度和壓力的循環(huán)油，模擬其高溫高壓工作環(huán)境；同時(shí)，通過變頻器驅(qū)動(dòng)特質(zhì)的凸輪結(jié)構(gòu)持續(xù)高速旋轉(zhuǎn)，模擬張緊器的往復(fù)式伸縮運(yùn)動(dòng)工況。最后，將200小時(shí)疲勞振動(dòng)試驗(yàn)后的試驗(yàn)樣品進(jìn)行彈力檢測(cè)，獲得該試驗(yàn)品的耐久性能參數(shù)，進(jìn)而判評(píng)產(chǎn)品的質(zhì)量等級(jí)。

本振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)基于異步電機(jī)的速度閉環(huán)控制方式，采用PLC控制變頻器驅(qū)動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)恒速運(yùn)行。另外，本系統(tǒng)所采用的4對(duì)極剛性凸輪結(jié)構(gòu)，最大直徑Rmax與最小直徑Rmin的徑差近似等于柱塞伸縮行程的2倍，從而實(shí)現(xiàn)了張緊器往復(fù)運(yùn)動(dòng)頻率的4倍頻，以及運(yùn)動(dòng)區(qū)間的限定，即限幅。圖1為該試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖：

圖1 沉降&振動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 信號(hào)檢測(cè)電路

本系統(tǒng)中檢測(cè)電路由光柵測(cè)微傳感器、拉壓傳感器、熱電偶溫度傳感器、液壓傳感器以及相應(yīng)變送器構(gòu)成。

1）熱電偶溫度傳感器：在模擬張緊器特定溫度的工作環(huán)境時(shí)，需要使用加熱管對(duì)油箱中的循環(huán)油加熱。由于油液的流動(dòng)性和導(dǎo)熱性都比較差，本系統(tǒng)采用分布加熱方式，并使用油泵實(shí)現(xiàn)油液在箱體內(nèi)的循環(huán)流動(dòng)，使得熱電偶能夠盡量準(zhǔn)確地獲取循環(huán)油的實(shí)時(shí)溫度，加之熱電偶傳感器的良好線性特性與高靈敏度，進(jìn)一步減小了檢測(cè)誤差。

2）液壓傳感器；實(shí)際應(yīng)用中，張緊器柱塞長時(shí)工作于高速直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其腔體承受著劇烈的膨脹力。為了模擬此高壓工況，需要使用油泵對(duì)通入張緊器的循環(huán)油施加適當(dāng)?shù)膲河?。本系統(tǒng)通過安裝于輸油管中的高精度液壓傳感器，PLC的ADC采樣端實(shí)時(shí)檢測(cè)液壓變送器輸出的電壓信號(hào)，并快速調(diào)整油泵的壓力，從而實(shí)現(xiàn)循環(huán)油的壓力閉環(huán)控制。

2.2 PLC控制器

本系統(tǒng)選用歐姆龍公司的CP1H系列PLC，圖2為PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖2 PLC控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.3 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

在振動(dòng)耐久試驗(yàn)中，需要模擬張緊器運(yùn)行于12,000 次/min的高速直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)工況。為此，本系統(tǒng)中采用歐姆龍 3G3JV變頻器控制三相異步電機(jī)以50 Hz的頻率旋轉(zhuǎn)，然后運(yùn)用4對(duì)極的高強(qiáng)度凸輪實(shí)現(xiàn)振動(dòng)頻率的4倍頻，凸輪的最大直徑與最小直徑差為1.0 mm，即張緊器頂桿的振動(dòng)幅度為0.5 mm。本變頻系統(tǒng)既可以使用速度調(diào)節(jié)電位器，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)速度調(diào)節(jié)，也可以通過程控實(shí)現(xiàn)多段速運(yùn)行控制。為了防止堵轉(zhuǎn)燒毀電機(jī)，預(yù)制多功能端MA/MC為過轉(zhuǎn)矩檢測(cè)模式，充分確保系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。如下圖3為變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

圖3 變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要由 PLC程序和組態(tài)王上位機(jī)監(jiān)控程序組成。

3.1 振動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)

在本系統(tǒng)中，凸輪的啟停、循環(huán)油的加熱與泵送以及氣動(dòng)頂桿的伸縮等工作狀態(tài)都嚴(yán)格按照如上所示流程圖完成。

在振動(dòng)試驗(yàn)開啟之前，試驗(yàn)員需要在上位機(jī)監(jiān)控界面的參數(shù)設(shè)置欄輸入抽檢樣品的型號(hào)、批號(hào)和循環(huán)油的油品、油壓，以及振動(dòng)頻率F(Hz)、幅值A(chǔ)(mm)和試驗(yàn)時(shí)長T(h)等信息（其中，振動(dòng)幅值需要根據(jù)凸輪實(shí)際尺寸來設(shè)置），以便系統(tǒng)生成試驗(yàn)報(bào)告。振動(dòng)試驗(yàn)啟動(dòng)后，PLC接收到上位機(jī)發(fā)出的振動(dòng)頻率和時(shí)長信息，打開抱閘，啟動(dòng)變頻器速度控制模式，使異步電機(jī)按照設(shè)定的頻率工作T小時(shí)。試驗(yàn)過程中，PLC通過熱電偶和液壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)循環(huán)油的油壓和油溫，并調(diào)節(jié)油泵和加熱管維持循環(huán)油的穩(wěn)定。

3.2 組態(tài)王上位機(jī)監(jiān)控程序

組態(tài)王開發(fā)監(jiān)控系統(tǒng)軟件是新型的工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)。它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。

本上位機(jī)系統(tǒng)采用亞控公司的組態(tài)王軟件開發(fā)監(jiān)控界面。

圖4 振動(dòng)試驗(yàn)軟件流程圖

4 小結(jié)

本張緊器振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的最終目標(biāo)是檢測(cè)張緊器腔體在特定壓力P和溫度t下，柱塞在一定行程內(nèi)做直線往復(fù)伸縮運(yùn)動(dòng)一定時(shí)間T后，檢測(cè)其剩余反推力，表1所示為某國產(chǎn)汽車張緊器的振動(dòng)疲勞試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)表,試驗(yàn)油品SAE10W-30。從表1中可以看到，該廠家生產(chǎn)的JAC-1C型張緊器在700 psi壓強(qiáng)、40℃環(huán)境下，連續(xù)兩次工作80小時(shí)后測(cè)試反推力相差6 N，在允許范圍內(nèi)；JAC-32K型張緊器分別在700 psi壓強(qiáng)、50℃和70℃環(huán)境下，連續(xù)兩次工作100小時(shí)后測(cè)試反推力分別相差3 N和2 N，都在廠家允許范圍內(nèi)。另外，通過后四組試驗(yàn)可以看出JAC-32K型張緊器在同壓、不同溫度環(huán)境下試驗(yàn)100小時(shí)后，70℃環(huán)境下的張緊器剩余彈力比 70℃環(huán)境下試驗(yàn)的張緊器剩余彈力高出約 10 N,可見環(huán)境溫度的升高會(huì)加速張緊器的老化，抗疲勞能力降低，完全符合理論預(yù)測(cè)。

圖5 振動(dòng)試驗(yàn)加熱管去抖程序

表1 ***張緊器振動(dòng)疲勞試驗(yàn)檢測(cè)報(bào)表

采用組態(tài)王設(shè)計(jì)的上位機(jī)監(jiān)控與操作界面能夠直觀地顯示檢測(cè)過程中的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，且能夠方便、快速地進(jìn)行操作。采用異步電機(jī)的速度閉環(huán)控制與凸輪傳動(dòng)的結(jié)合，滿足了高精度檢測(cè)的要求，系統(tǒng)誤差較小。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示出了本系統(tǒng)的高可靠性，對(duì)于類似工件的檢測(cè)具有一點(diǎn)的指導(dǎo)意義。

[1]NSK中國技術(shù)中心. 正時(shí)皮帶用自動(dòng)張緊輪, 2007.

[2]張俊亮. 張緊器液壓與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)節(jié)能分析, 2011.

[3]廖冬初等. 基于銑削去重的剎車盤平衡機(jī)控制系統(tǒng)研究. 計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化, 2009.