胡　松,劉彥峰,劉　達(dá),薛少青(長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室,陜西西安　710064)

模擬加載系統(tǒng)性能分析及在加載試驗臺上的應(yīng)用

胡松,劉彥峰,劉達(dá),薛少青
(長安大學(xué)道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室,陜西西安710064)

摘要:對現(xiàn)有各類常用的測功機(jī)工作原理、性能及優(yōu)缺點進(jìn)行比對分析,選擇磁粉制動器為攤鋪機(jī)試驗臺的模擬加載設(shè)備,并對攤鋪機(jī)試驗臺螺旋布料器的模擬加載設(shè)備進(jìn)行設(shè)計選型。經(jīng)理論分析計算,磁粉制動器能較好滿足攤鋪機(jī)加載試驗臺的各項加載需要。

關(guān)鍵詞:測功機(jī);工作原理;磁粉制動器;攤鋪機(jī)試驗臺;加載設(shè)備選型

以靜態(tài)條件為前提,即假定機(jī)器在平穩(wěn)狀況下運行一直是測定工程機(jī)械動態(tài)牽引性能最傳統(tǒng)的方法。在工程機(jī)械實際作業(yè)情況下,由于工作環(huán)境的復(fù)雜多變,機(jī)器不可能在完全平穩(wěn)的工況下作業(yè),因此由傳統(tǒng)方法測定出來的動態(tài)牽引性能并不可靠。為了真實測定出機(jī)器的動態(tài)牽引性能,國內(nèi)一些學(xué)者提出了現(xiàn)場、臺架以及負(fù)荷車等試驗方法［1]。

1　動態(tài)牽引性能測試方法

現(xiàn)場試驗方法就是通過機(jī)器現(xiàn)場作業(yè)來測量各項動態(tài)牽引指標(biāo)。這種試驗方法真實可靠、操作簡單并且易于實現(xiàn),不需要各種模擬加載測功機(jī),所需費用也較少。但是野外作業(yè)工況環(huán)境復(fù)雜多變,會出現(xiàn)同一臺機(jī)器多次測量結(jié)果重復(fù)性較差、不同機(jī)器測量結(jié)果間可比性也較差等問題。臺架模擬試驗是在實驗室中模擬機(jī)器所受到的負(fù)荷,通過轉(zhuǎn)鼓或者履帶式臺架作為依托,在臺架鏈輪的輸出軸端安裝各種模擬加載機(jī),從而進(jìn)行載荷模擬和測功。這種試驗方法可以人為調(diào)整負(fù)荷工況或保持負(fù)荷不變,對不同機(jī)器進(jìn)行測試后,對試驗結(jié)果進(jìn)行比對。但是臺架試驗無法反映出工程車輛與地面的真實附著情況,需要試制出轉(zhuǎn)鼓或者履帶臺架并且需要投入費用購買相應(yīng)的測功機(jī),測試成本較大。負(fù)荷車試驗是在標(biāo)準(zhǔn)的試驗土槽中進(jìn)行的,能很好的解決臺架試驗中無法反映機(jī)器與地面真實附著情況這一缺點,借助模擬負(fù)荷車提供機(jī)器在工作過程中所受到的變化負(fù)荷［2]。負(fù)荷車試驗不僅保持了野外試驗的真實性,又具備臺架試驗結(jié)果的可對比性。但是進(jìn)行負(fù)荷車模擬試驗,同樣需要試制出相應(yīng)的負(fù)荷車模型,前期投入費用依然較高。

在這3種測試方法中,臺架模擬試驗占據(jù)著核心位置。相比于野外試驗,臺架試驗的試驗結(jié)果更具對比性,并且極大改善了試驗條件。相比負(fù)荷車試驗,試驗過程不需要專門的標(biāo)準(zhǔn)土槽以及昂貴的負(fù)荷車裝置。雖然臺架試驗無法反映出車輛與地面的真實附著情況,但是差別并不大,否則臺架模擬試驗將失去測試意義。

2　模擬加載系統(tǒng)性能分析

在臺架試驗中,各類模擬加載測功機(jī)占據(jù)著核心位置。測功機(jī)大概分為以下幾類:水力、電渦流、電力、液壓、空氣、機(jī)械、磁粉等。國內(nèi)一些學(xué)者曾對汽車底盤測功機(jī)及其配套慣性系統(tǒng)進(jìn)行深入研究［3]。雖然關(guān)于測功機(jī)性能的研究很多,但是將各種測功機(jī)的工作原理及其性能比對的研究不多。本文對各類測功機(jī)的工作原理及其性能優(yōu)缺點進(jìn)行分析對比。

水力測功機(jī)的工作原理是將水注入測功機(jī)空腔,轉(zhuǎn)子浸入水中,被測試機(jī)械帶動測功機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),在離心力的作用下,水在空腔內(nèi)形成渦流狀。隨著轉(zhuǎn)子在水中旋轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)子將扭矩傳遞給水,而水渦流的旋轉(zhuǎn)受到了測功機(jī)外殼的阻礙,這相當(dāng)于給水渦流施加了制動力矩,也相當(dāng)于給轉(zhuǎn)子施加了制動力矩。當(dāng)水力測功機(jī)處于平衡狀態(tài)時,輸出軸上的轉(zhuǎn)子將扭矩通過水傳遞到外殼上,這樣水渦流就受到了外殼的制動力矩,根據(jù)作用力與反作用力的關(guān)系,外殼受到了一個與制動力距大小相等方向相反的力矩,外殼在該力矩的作用下旋轉(zhuǎn)一定角度,通過壓力傳感器即可測得這一力矩,該力矩即為輸出軸的扭矩。通過調(diào)節(jié)進(jìn)入測功機(jī)空腔內(nèi)的水流量,即可調(diào)節(jié)輸出軸上的模擬負(fù)荷(變水量水力測功機(jī))。水力測功機(jī)構(gòu)造簡單、價格便宜并且易于操作,但是由于其控制方法并不先進(jìn)、動態(tài)響應(yīng)性較差、不能反拖和雙向加載、工作時轉(zhuǎn)動慣量較大、無法實現(xiàn)能量回收以及低速扭矩小等缺點,限制了其推廣應(yīng)用［4]。

電渦流測功機(jī)主要包括旋轉(zhuǎn)和擺動兩部分。旋轉(zhuǎn)部分主要包括感應(yīng)子,擺動部分主要包括電樞體、勵磁繞組和渦流環(huán)［5]。其工作原理是當(dāng)勵磁繞組通入直流電后,會產(chǎn)生穿過旋轉(zhuǎn)部分和擺動部分的磁場。感應(yīng)子在該磁場中被磁化,由于感應(yīng)子的特殊結(jié)構(gòu)(類似圓柱形齒輪),當(dāng)被測試機(jī)械帶動感應(yīng)子旋轉(zhuǎn)時,靠近感應(yīng)子的渦流環(huán)表面上因為磁密周期變化而產(chǎn)生渦流。該渦流產(chǎn)生的磁場與被磁化的感應(yīng)子產(chǎn)生的磁場相互作用,從而形成對感應(yīng)子的制動力矩。根據(jù)作用力與反作用力原理,此時渦流環(huán)上產(chǎn)生一個與制動力矩大小相等、方向相反的力矩,由于渦流環(huán)與電樞體固定在一起,因此會使安裝在底座軸承上的電樞體擺動,進(jìn)而可以測定制動力距。通過改變勵磁電流,就可以調(diào)整制動力矩的大小。電渦流測功機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、自動化控制程度較高且便于操作、可以實現(xiàn)雙向加載,并且測量精度高、性能穩(wěn)定［6],但是其轉(zhuǎn)動慣量較大、不能反拖且吸收的能量也無法回收利用、存在磁滯現(xiàn)象并且需要專門的冷卻設(shè)備。

直流電力測功機(jī)主要通過直流電機(jī)實現(xiàn)加載和反拖功能。電機(jī)的轉(zhuǎn)子通過軸承安裝在定子殼中,而定子與電機(jī)底座也是通過軸承進(jìn)行安裝,因此定子可以擺動一定的角度。當(dāng)定子的勵磁繞組通入直流電時產(chǎn)生磁場,被測試機(jī)械帶動直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時,轉(zhuǎn)子切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢,從而產(chǎn)生感應(yīng)電流,磁場與感應(yīng)電流的相互作用會產(chǎn)生阻礙轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的制動力矩,從而起到提供負(fù)荷的目的。根據(jù)作用力與反作用力原理,定子外殼受到等值反向的力矩而擺動一定角度,從而可測得該制動力矩。由上述工作原理可知,當(dāng)直流電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)時才起到測功機(jī)的作用。當(dāng)電力測功機(jī)工作在電動機(jī)狀態(tài)時,能驅(qū)動被測試機(jī)械,并且實現(xiàn)冷磨和測量機(jī)械損耗的作用［7]。直流電力測功機(jī)結(jié)構(gòu)形式簡單,方便自動控制,并且可以實現(xiàn)雙向加載和反拖運行。直流電力測功機(jī)可以實現(xiàn)電能的回收利用,是其他測功機(jī)無法企及的［8]。但是直流電力測功機(jī)的電樞體旋轉(zhuǎn)慣量大、響應(yīng)速度慢并且由于換向器的存在限制了它的高速運轉(zhuǎn)。

交流電力測功機(jī)可分為異步和同步測功。因同步轉(zhuǎn)速對異步測功有很多局限,所以多采用同步測功［9]。同步測功是利用同步電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)下進(jìn)行測功。當(dāng)給同步電機(jī)轉(zhuǎn)子通入直流勵磁電流時,被測試機(jī)械帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),其周圍產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。定子三相繞組切割磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢及感應(yīng)電流,由該感應(yīng)電流產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與原來的旋轉(zhuǎn)磁場相互作用,形成了對轉(zhuǎn)子的制動力矩。交流電力測功機(jī)具備直流電力測功機(jī)測量精度高、可雙向加載、反拖運行以及電能回收利用等特點,同時不存在換向器,可實現(xiàn)高速運轉(zhuǎn)。但是交流電力測功機(jī)價格較高,結(jié)構(gòu)以及控制較為復(fù)雜。

液壓測功機(jī)在某些工程機(jī)械的加載試驗中應(yīng)用較為廣泛［10]。被測試機(jī)械通過自身的轉(zhuǎn)動來驅(qū)動液壓泵,加載液壓泵將原動機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為自身的壓力能,并通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開口來調(diào)整輸出油壓,進(jìn)而調(diào)整施加的制動力距。由于輸出油壓和吸收扭矩間存在某些特定聯(lián)系,因此只要測出轉(zhuǎn)速,即可求出吸收的功率［11]。液壓測功機(jī)慣性小,響應(yīng)迅速,并且與其他測功機(jī)不同的是,液壓測功機(jī)無需固定,可以隨加載需要隨時進(jìn)行傾斜和移動。但是液壓測功機(jī)的自動控制性較差、能量無法回收并且液壓油路或多或少會存在泄漏問題,因此導(dǎo)致其測量精度不高。

空氣測功機(jī)過去大多用于渦輪的測試［12]?？諝鉁y功機(jī)的原理與水力測功機(jī)大致相似。被測試機(jī)械帶動壓氣機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn),此時在壓氣機(jī)入口處通入壓縮空氣,壓縮空氣在葉輪的帶動下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)流通并受到壓氣機(jī)內(nèi)壁的摩擦,相當(dāng)于對壓氣機(jī)葉輪施加了制動力矩。通過調(diào)節(jié)進(jìn)出口的壓縮空氣量,進(jìn)而可以調(diào)整施加的制動力矩。

機(jī)械摩擦式測功機(jī)主要是被測試機(jī)械帶動測功機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),通過摩擦阻力施加制動力矩。隨著科技進(jìn)步,這兩類測功機(jī)因測量精度低、響應(yīng)緩慢、無法可靠工作,已逐步被淘汰。

磁粉制動器主要由定子、轉(zhuǎn)子、勵磁線圈和磁粉組成。當(dāng)勵磁線圈不通電時,被測試機(jī)械帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),由于離心力的作用,磁粉會被甩到靠近定子內(nèi)臂的位置。當(dāng)勵磁線圈通電后形成磁場,這些磁粉會沿著磁力線連接成鏈狀。由于磁粉與磁粉之間以及磁粉與轉(zhuǎn)子之間存在吸引力,所以轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)需克服這些阻力,相當(dāng)于給轉(zhuǎn)子施加了一個制動力矩。通過改變勵磁電流,即可改變加載力矩［13]。磁粉制動器結(jié)構(gòu)最簡單、響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、方便使用和維修并且占地面積小、價格較便宜,此外,還具有恒扭矩特性以及過載打滑保護(hù)性［14],但是磁粉制動器的控制精度不及電力測功機(jī),并且能量無法回收利用。

各種測功機(jī)性能對比見表1。

3　攤鋪機(jī)試驗臺模擬加載系統(tǒng)方案的確定與選型

3.1加載系統(tǒng)方案

針對某國產(chǎn)攤鋪機(jī)生產(chǎn)廠家的某一型號攤鋪機(jī)設(shè)計跑合加載試驗臺。測試的攤鋪機(jī)具有低速大扭矩的特性,綜合考慮各模擬加載系統(tǒng)的優(yōu)缺點,針對攤鋪機(jī)試驗樣機(jī)的螺旋布料器系統(tǒng),最終確定其加載系統(tǒng)采用磁粉制動器加載。

攤鋪機(jī)螺旋布料器以及自動調(diào)平控制系統(tǒng)對混合料布料有著至關(guān)重要的作用［15－16]。螺旋布料器傳動過程為:發(fā)動機(jī)經(jīng)分動箱驅(qū)動液壓泵,液壓泵驅(qū)動液壓馬達(dá),經(jīng)減速機(jī),傳動鏈條帶動螺旋布料器旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。

某國產(chǎn)全液壓攤鋪機(jī)螺旋布料器系統(tǒng)選用液壓馬達(dá)型號為OMTS200,減速機(jī)型號為RR810MS,具體參數(shù)見表2。

表2　液壓馬達(dá)OMTS200的參數(shù)

根據(jù)已知條件,液壓馬達(dá)OMTS200的最大瞬時轉(zhuǎn)矩取為710 N·m,最大瞬時轉(zhuǎn)速取為750 r/min。減速機(jī)RR810MS的速比為5.47,最大輸出轉(zhuǎn)矩為790 N·m,最大輸入轉(zhuǎn)速為3 000 r/min。鏈條速比為0. 94。則螺旋布料器旋轉(zhuǎn)軸處轉(zhuǎn)速n =145.9 r/min,轉(zhuǎn)矩T =3 650.7 N·m。

根據(jù)上述參數(shù)選擇某國產(chǎn)磁粉制動器CZ系列CZ－500,其主要參數(shù)如表3所示。

表3　CZ－500磁粉制動器主要參數(shù)

CZ－500磁粉制動器特性: 1)激磁電流－力矩特性。激磁電流與轉(zhuǎn)矩基本成線性關(guān)系,通過調(diào)節(jié)激磁電流可以控制力矩的大小,其特性如圖1所示。2)轉(zhuǎn)速－力矩特性。力矩與轉(zhuǎn)速無關(guān),保持定值。靜力矩和動力矩沒有差別,其特性如圖2所示。3)負(fù)載特性。在散熱條件一定時,磁粉制動器的滑差功率是定值。因此滑動功率確定后,力矩與轉(zhuǎn)速可以相互補(bǔ)償。如:轉(zhuǎn)速高,則允許力矩減小,其特性如圖3所示。但最高轉(zhuǎn)速一般不高于額定狀態(tài)下轉(zhuǎn)速的2倍。

圖1　激磁電流－力矩特性　

圖2　轉(zhuǎn)速－力矩特性

圖3　負(fù)載特性

3.2磁粉制動器運動學(xué)參數(shù)校核

實際滑差功率P的計算公式為:

式中: M為實際工作轉(zhuǎn)矩,N·m; F為張力,N; n為滑差轉(zhuǎn)速,r/min; v為線速度,m/s。

CZ－500磁粉制動器的額定轉(zhuǎn)矩MN=5 000 N·m,滑差功率P =40 kW,則額定轉(zhuǎn)速nN=76.4 r/min。若實際滑差轉(zhuǎn)速nR=145.9 r/min,則許用轉(zhuǎn)矩MP=2 618.23 N·m。

在散熱條件一定時,磁粉制動器的滑差功率是定值,因此實際工作轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速可以相互補(bǔ)償,即滑差轉(zhuǎn)速提高時,則許用轉(zhuǎn)矩將下降,但是最高轉(zhuǎn)速不得高于許用轉(zhuǎn)速。螺旋布料器旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為0～145.9 r/min,扭矩為0～3 650.7 N·m,在最高轉(zhuǎn)速下,磁粉制動器可提供的扭矩為2 618.32 N·m,且最大轉(zhuǎn)速小于磁粉制動器的許用轉(zhuǎn)速,基本滿足加載參數(shù)。

4　結(jié)語

本文系統(tǒng)分析了常見的各類測功機(jī)的工作原理、性能及優(yōu)缺點。通過對比分析得出磁粉制動器的總體性能優(yōu)于其他測功機(jī),并且能滿足所測試攤鋪機(jī)低速大扭矩的特性,因此選用磁粉制動器為試驗臺加載設(shè)備。并對攤鋪機(jī)螺旋布料器加載系統(tǒng)進(jìn)行了計算選型,為后續(xù)各種加載試驗選擇測功機(jī)提供了理論依據(jù)。

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(責(zé)任編輯:郎偉鋒)

Performance Analysis of Load Simulation System and Its Application in Load Test Bench

HU Song,LIU Yanfeng,LIU Da,XUE Shaoqing
(Key Laboratory for Highway Construction Technology and
Equipment of Ministry of Education,Chang'an University,Xi'an 710064,China)

Abstract:In this paper,the working principle,performance,merits and faults of dynamometers which are usually used are analyzed and compared.By contrast,a magnetic powder brake is chosen as load simulation equipment of paver test bench and the selection process of spiral-feeder's load simulation equipment is analyzed concretely.With theoretical analysis and calculation,it is found that the magnetic powder brake is able to satisfy requirements.

Key words:dynamometer; working principle; magnetic powder brake; paver test bench; load equipment selection

作者簡介:胡松(1990—),男,河南信陽人,碩士研究生,主要研究方向為機(jī)械設(shè)計及理論.

收稿日期:2015－12－01

DOI:10.3969/j.issn.1672－0032.2015.03.015

文章編號:1672－0032(2015)03－0073－05

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號:U415.521