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        單軸振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)質(zhì)量的改進(jìn)

        2014-12-17 00:36:38博,姚
        中國測(cè)試 2014年1期
        關(guān)鍵詞:庫倫臺(tái)面振動(dòng)臺(tái)

        張 博,姚 烈

        (上海汽車股份有限公司乘用車分公司技術(shù)中心,上海 201804)

        0 引 言

        垂向振動(dòng)對(duì)于大多數(shù)車身內(nèi)外飾零部件來說是車輛行駛在道路上的主要振動(dòng)能量來源,垂向振動(dòng)臺(tái)就是模擬道路垂向振動(dòng)輸入的試驗(yàn)設(shè)備,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、易于控制等優(yōu)點(diǎn),得到了廣泛應(yīng)用。

        目前,應(yīng)用較多的垂向振動(dòng)臺(tái)為電磁振動(dòng)臺(tái)。電磁振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻帶較寬,一般為5~1000Hz,有的甚至更高,出力較小,且控制器方式簡(jiǎn)單,只能設(shè)置功率譜做隨機(jī)振動(dòng),無法進(jìn)行迭代實(shí)時(shí)路譜試驗(yàn)。另一種應(yīng)用較普遍的振動(dòng)臺(tái)原理是液壓,多為多自由度控制,控制復(fù)雜可進(jìn)行道路模擬試驗(yàn),振動(dòng)臺(tái)振動(dòng)頻帶較低(0.5~50Hz),出力較高。隨著靜液壓軸承作動(dòng)缸的出現(xiàn),液壓作動(dòng)缸的頻帶可以高達(dá)200Hz甚至500Hz,如果以靜壓軸承作動(dòng)缸為振動(dòng)源集成為單軸垂向振動(dòng)臺(tái),既可以兼顧低頻振動(dòng)又可以進(jìn)行迭代實(shí)時(shí)路譜道路模擬試驗(yàn),對(duì)零部件的試驗(yàn)認(rèn)證有很大的幫助。針對(duì)此,本文設(shè)計(jì)了一個(gè)單軸垂向振動(dòng)臺(tái)。

        圖1 單軸振動(dòng)臺(tái)

        圖2 控制原理圖

        圖3 驗(yàn)收關(guān)鍵信號(hào)反饋圖

        1 系統(tǒng)構(gòu)成及原理

        單軸垂向振動(dòng)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示,其控制原理[1-3]如圖2所示。

        2 項(xiàng)目驗(yàn)收問題

        試驗(yàn)臺(tái)驗(yàn)收做道路模擬試驗(yàn)比較順利,做2.5g(5~20Hz)掃頻試驗(yàn)時(shí),發(fā)現(xiàn)實(shí)際調(diào)試中臺(tái)面加速度反饋信號(hào)不能接受,如圖3所示。

        可以看出,臺(tái)面加速度在波峰和波谷中有巨大的波動(dòng),且不平滑。前期分析的故障可能和伺服閥的非線性、氣彈簧系數(shù)以及作動(dòng)缸內(nèi)的庫倫摩擦力有關(guān)。

        3 系統(tǒng)工作機(jī)理及仿真模型的建立

        振動(dòng)源雙桿活塞式液壓缸,結(jié)構(gòu)如圖4所示?;钊麅蓚?cè)都裝有活塞桿,由于兩腔的有效面積相等,故活塞往返的作用力和運(yùn)動(dòng)速度相等,其運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)關(guān)系[4]如下式所示:

        式中作動(dòng)缸出力為左右腔室的壓差乘以有效面積A,P1為左側(cè)腔室壓力,P2為右側(cè)腔室壓力,有效面積A為活塞面積減柱塞面積。

        假設(shè)液壓油不可壓縮,柱塞的運(yùn)動(dòng)速度就是流入作動(dòng)缸的總流量除以有效面積,如式(2)所示。那么對(duì)柱塞速度微分就得到了柱塞的加速度。由于作動(dòng)缸的柱塞和振動(dòng)臺(tái)面是剛性連接,柱塞的加速度就是振動(dòng)臺(tái)面的加速度,如下式所示:

        圖4 液壓振動(dòng)工作原理圖

        圖5 仿真模型原理圖

        伺服閥的控制電流與流量成正比,速度的微分為加速度,阻塞面積一定,可以找到伺服閥控制電流與臺(tái)面加速度的數(shù)學(xué)關(guān)系[5-6],從而達(dá)到有效控制的目的,進(jìn)而可以構(gòu)建模型構(gòu)架圖[7-8],如圖5所示。

        模擬模型主要包括伺服閥模型、作動(dòng)缸模型和控制器。作動(dòng)缸模型還包括作動(dòng)缸動(dòng)態(tài)模型和作動(dòng)缸安裝底座的動(dòng)態(tài)模型,氣囊也是要考慮的,也包含非線性因素的伺服閥,伺服閥性能曲線在伺服閥性能試驗(yàn)機(jī)上獲得,該設(shè)備應(yīng)用的相同伺服閥性能曲線如圖6所示。X-Y軸沒有單位,這就需要在仿真模型中調(diào)節(jié)刻度。根據(jù)仿真模型,控制器為常規(guī)比例控制,事實(shí)上控制器的結(jié)構(gòu)只會(huì)對(duì)以上問題有微小的影響。

        4 仿真試驗(yàn)及結(jié)果

        針對(duì)可能引起該驗(yàn)收問題的原因,設(shè)計(jì)了4個(gè)仿真試驗(yàn),利用模型檢測(cè)這些參數(shù)對(duì)最后試驗(yàn)結(jié)果的影響。

        1)考慮伺服閥的非線性因素,分別輸入線性的和非線性的伺服閥曲線,觀察最后加速度反饋結(jié)果。

        2)逐漸增加氣彈簧的系數(shù),觀察最后加速度反饋結(jié)果。

        3)逐漸增加氣彈簧的系數(shù)庫倫摩擦力,觀察最后加速度反饋結(jié)果。

        4)逐漸增加彈簧載荷,觀察最后加速度反饋結(jié)果。

        4.1 伺服閥非線性因素影響

        當(dāng)不考慮伺服閥的非線性時(shí),加速度的信號(hào)如圖7所示,信號(hào)很完美。但是,由于圖6中伺服閥的非線性,雖然控制參數(shù)鎖定了,但是伺服閥流量變成非線性。當(dāng)非線性發(fā)生在零點(diǎn)附近時(shí),作動(dòng)缸的兩個(gè)腔室的壓力會(huì)下降,從而影響伺服閥的控制流量導(dǎo)致波動(dòng),從而加速度會(huì)隨著流量的波動(dòng)而波動(dòng),如圖8所示。這說明伺服閥的非線性確實(shí)是加速度反饋不穩(wěn)的一個(gè)原因。

        4.2 氣彈簧參數(shù)影響

        在仿真模型中,將氣彈簧的系數(shù)由實(shí)際的2e8逐漸增加到2e10,加速度反饋如圖9所示,對(duì)比圖3的加速度輸出,表明加速度和彈簧系數(shù)關(guān)系不大。

        4.3 庫倫摩擦力影響

        圖6 三級(jí)伺服閥特性曲線

        圖7 排除伺服閥的非線性因素

        當(dāng)庫倫摩擦力在50~200N范圍內(nèi)變化時(shí),臺(tái)面加速度如圖10所示,與圖8變化相比,發(fā)現(xiàn)庫倫摩擦力對(duì)臺(tái)面加速度有微小影響,有必要降低庫倫摩擦力以促進(jìn)加速度反饋信號(hào)質(zhì)量;但事實(shí)上試驗(yàn)用的作動(dòng)缸是靜壓軸承作動(dòng)缸,實(shí)際摩擦力不會(huì)超過5N,這樣庫倫摩擦力對(duì)加速度的輸出影響就可以忽略不計(jì)。

        圖9 考慮彈簧力影響因素

        圖10 考慮庫倫摩擦力影響因素

        4.4 彈簧載荷影響

        當(dāng)作動(dòng)缸的球頭和臺(tái)面的連接比較松的時(shí)候,這個(gè)作用力就象一個(gè)作用于臺(tái)面的彈簧力,在仿真模型中改變彈簧力系數(shù),變化范圍0~107N/m,最后加速度反饋如圖圖11所示,與圖8相比較,加速度反饋很相似但實(shí)際彈簧力系數(shù)不可能這么大,實(shí)際接近0,所以彈簧載荷的影響可以忽略不計(jì)。

        圖11 考慮彈簧載荷影響因素

        5 結(jié)束語

        最后針對(duì)數(shù)學(xué)模型推測(cè)的因素依次進(jìn)行試驗(yàn)認(rèn)證:1)調(diào)換線性度好的伺服閥;2)關(guān)閉開啟氣彈簧;3)測(cè)量空載庫倫力;4)調(diào)節(jié)彈簧載荷等方法,收集臺(tái)面加速度反饋。最后得出結(jié)論:伺服閥非線性因素是影響作動(dòng)缸輸出(位移、速度、加速度)質(zhì)量的主要原因,因此更換線性度好的伺服閥,可以解決振動(dòng)質(zhì)量的問題。

        另外,由于線性度好的伺服閥流量一般比較小,適合做振動(dòng)異響試驗(yàn);而有非線性特性的伺服閥流量一般比較大,適合做道路模擬試驗(yàn)。所以,在不同試驗(yàn)時(shí),伺服閥需要切換以滿足不同類型的試驗(yàn)以確保試驗(yàn)質(zhì)量。

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